Виктор Бродянский - Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

«…Такой способ исследования, несомненно, дорого обходится; он уже разрушил много семей. Часты случаи, когда механик, который мог бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант. Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении о их бесполезности для сведения тех, кто будет ими заниматься.[22] Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснованна в те времена, когда метод поиска истины был неизвестен во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины — искать ее».

Эта часть решения звучит и теперь вполне современно. Здесь указано не только на бесполезность занятий химерическими проектами и пагубность их для самих изобретателей. Обращено внимание на необходимость применять, говоря современным языком, правильную методологию научного поиска. Нынешним ученым изобретателям ppm неплохо было бы вдуматься в умные слова, сказанные французскими академиками более 200 лет назад.

При всей важности и дальновидности решения Парижской Академии в нем не упоминалось о других формах движения и особенно о тепловой; вопрос об их связи с механическим движением оставался открытым. Соответственно оставалась и «щель» для идеологии, разрешающей ppm. Блестящие прозрения Лейбница и Ломоносова имели общий, философский характер. Развитие техники (паровые машины и другие тепловые двигатели, например машина Стирлинга [1.28, 1.29]) требовало осмысления процессов превращения тепла в работу и работы в тепло, точного их количественного анализа.

Первым правильно поставил (и в основе решил) задачу определения теплового эквивалента работы французский военный инженер Николай Леонар Сади Карно (1796— 1832 гг.), сын Л. Карно. Он опубликовал в 1824 г. ставшую впоследствии знаменитой небольшую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» [1.13]. В ней С. Карно заложил основы не только теории тепловых машин, но и второго закона термодинамики. Мы еще вернемся к труду Карно в следующей главе, когда займемся ppm-2. Здесь же нас интересуют взгляды Карно на ppm-1 и его вклад в «закон сохранения силы», из которого вышел закон сохранения энергии — первый законтермодинамики.

О ppm С. Карно писал в своей книге:

«Если бы это было возможно, то стало бы бесполезно искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать». И далее: «…могут здесь спросить: если доказана невозможность ppm для чисто механических действий, то сохраняется ли это при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явлений тепла или электричества придумать какую иную причину, кроме какого-либо движения тел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?».

Что касается «сохранения силы» при взаимных превращениях тепла и работы, то позиция С. Карно была четко сформулирована в его более поздних записях:

«Тепло — не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел возникает повсюду, где происходит уничтожение движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».

Если заменить во всем тексте слова «движущая сила» на «энергия», а в последней фразе — на «работа», то формулировка Карно целиком может быть помещена в современный учебник физики. Карно не только сформулировал здесь закон сохранения энергии, но впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу и наоборот. Это был качественный скачок, переход на новый уровень знаний, значение которого нельзя переоценить. Дальше мы увидим, с каким трудом эти истины входили в сознание людей.

Насколько правильно С. Карно подсчитал тепловой эквивалент работы? Анри Пуанкаре в 1892 г. писал: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии? Заметим также, что значение эквивалента, вычисленного Карно в 2,7 ккал на единицу работы, за которую он принимает 1000 кГм, соответствует 370 кГм/ккал, что недалеко от истины (427 кГм/ккал)…».

Однако открытие Карно осталось неизвестным его современникам; он не успел его опубликовать. В 1832 г. С. Карно умер, заболев холерой. Только в 1878 г. его брат опубликовал записки, в которых содержался цитированный отрывок, вместе со вторым изданием книги «О движущей силе огня».

Это открытие Карно не оказало влияния на дальнейшее развитие учения о сохранении энергии; главные события, связанные с его установлением, произошли раньше — в 40-е и 50-е годы XIX в. Тем не менее приоритет С. Карно не подлежит сомнению.

Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» — немецкий врач Роберт Майер (1814-1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г. (полученная им цифра — 365 кГм/ккал — была немного менее точна, чем у Карно).

Р. Майер, как и многие другие первооткрыватели, принял на себя первые удары противников нового закона. Он понимал проблему энергетических превращений глубже и шире, чем его современники — физики, занятые той же задачей. Это было и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что (хотя и не сразу) дало возможность закону сохранения энергии утвердиться в наиболее общей форме. Плохо потому, что работы Майера в значительной степени именно по этой причине долго «не доходили» до его современников и не были оценены по достоинству. Он прожил дольше Карно, но судьба его тоже была трагичной.

Майер подошел к закону сохранения с несколько неожиданной для физиков биологической стороны: как и Дарвин, он получил первый толчок к своим идеям из наблюдений во время дальнего морского путешествия. Ему как судовому врачу приходилось делать хирургические операции; он обратил внимание на то, что у жителей острова Ява венозная кровь оказалась намного светлее, чем у европейцев. Майеру было известно, что выделяемое живым организмом тепло получается в результате окисления пищи кислородом (первыми это установили еще А. Лавуазье и П. Лаплас). Размышляя об этом, Майер совершенно правильно пришел к объяснению: в жарком климате организм отдает, а следовательно, и вырабатывает меньше тепла, чем на севере. Соответственно артериальная кровь, переходя в венозную, должна отдавать меньше кислорода (т. е. меньше темнеть).

Развивая эту мысль, Майер связал процесс окисления пищи не только с выделением тепла организмом, но и с работой, которую он производит. Следовательно, и тепло, и работа возникают из одного и того же источника — пищи. Поскольку Майер, так же как и Лейбниц, исходил из принципа равенства причины и действия (causa aequat effectum), для него было очевидно, что теплота и работа могут взаимно превращаться. Более того, их количества при этом должны находиться в совершенно определенном соотношении.

При одном и том же количестве окисленной пищи сумма сил неизменна; сколько убавится работы, столько же прибавится теплоты (и наоборот). Оставалось только вычислить тепловой эквивалент работы.

Насколько далеко смотрел Майер, видно из таких, например, его строк:

«Изучать силу в ее различных формах, исследовать условия ее превращения (метаморфоз) — такова единственная задача физики, ибо порождение силы или ее уничтожение находится вне сферы мышления и действия человека.

Можно доказать a priori и во всех случаях подтвердить опытом, что различные силы могут превращаться одна в другую. В действительности существует только одна-единственная сила. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы».

Если учесть, что слово «сила» соответствует термину «энергия», то эта цитата звучит, как написанная сегодня.

Эти мысли Майера, которые нам представляются совершенно естественными и бесспорными, в то время (1840— 1842 гг.) казались, как это ни странно, не только парадоксальными, но и просто неграмотными. Нельзя забывать, что в умах ученых еще господствовала теория теплорода — представление о некоторой невесомой жидкости, которая не возникала и не уничтожалась, а только переходила от одного тела к другому, а «падая» с более высокого температурного уровня на нижележащий, могла производить работу подобно воде, крутящей колесо. Майер, однако, писал о теплороде крайне непочтительно.