О. Деревенский - Догонялки с теплотой
Что и говорить, повезло создателям первого начала термодинамики, что его уравнение удалось записать без использования температуры. Легко запомнить: внутреннюю энергию тела можно увеличить либо через сообщение теплоты, либо через совершение работы. Ибо теплота – это энергия хаотического движения частиц тела. Сообщи телу теплоту или поработай над ним – это хаотическое движение так и так станет интенсивнее, и температура тела так и так повысится. Всё сходится, в том числе и тепловой баланс! Первое начало термодинамики впечатали в учебники и справочники, на нём взрастили вереницу поколений теплотехников – до сих пор взращивают. И, наверное, лишь очень немногих из них не терзают смутные сомнения. Ведь, по «первому началу», температура тела может измениться только при воздействии на это тело откуда-то извне. Получение тепла – извне! Принятие работы – извне! «Первое начало» однозначно утверждает, что температура тела не может измениться в результате каких-нибудь внутренних процессов в этом теле. Но ведь это шутка, таких процессов полным-полно!
Самым жутким в ряду злостных нарушений первого начала термодинамики являются химические реакции с выделением или поглощением тепла – которые без затруднений протекают в условиях термоизоляции от окружающей среды. Вот, скажем, начинается реакция с выделением тепла. А выделяться ему некуда: термоизоляция мешает. Ладно, греет зона реакции саму себя, не пропадать же добру. Но, в случае реакции с поглощением тепла, всё получается гораздо веселее – неоткуда его поглощать в условиях термоизоляции. Каков смысл формулировки «реакция с поглощением тепла», если единственным тепловым результатом является охлаждение зоны реакции? Это умудриться надо: так «поглощать тепло», чтобы при этом охлаждаться! Заметьте, мы сейчас не уточняем источники тепловых эффектов химических реакций. Мы просто говорим о ситуациях, когда тепловой эффект есть, а передачи тепла или совершённой работы – нет. Укладывается это в первое начало термодинамики? Никоим образом!
А вот ещё – тоже известный случай: электрическая цепь, по которой течёт ток. Особенно, когда источником тока является аккумулятор. Проводники имеют ненулевое сопротивление, и в них выделяется джоулево тепло. Это называется «тепловое действие тока». Опять же, никакой передачи тепла при этом не происходит. Если бы она происходила, то тело, которое отдавало бы тепло, охлаждалось бы. Но мы не обнаруживаем такого тела: нагревание есть – всей цепи, в том числе и источника тока – а охлаждения нет. Что же мы видим? Происходит нагрев, когда нет передачи тепла, да и работа над электрической цепью, очевидно, не совершается. Опять, тело само себя греет. Опять, первое начало термодинамики оказывается не при делах!
Так ведь и это не всё. Выделение тепла при радиоактивных распадах атомных ядер тоже происходит, начхавши на первое начало термодинамики. Чудны дела ваши, господа теоретики! И вы ещё нам вдалбливаете, что первое начало термодинамики выражает собой фундаментальный принцип: невозможность вечного двигателя первого рода! А ваше «первое начало» - уже трижды подкачало! Прям бери да клепай себе вечные двигатели на выбор – химические, электрические, ядерные! Эх, дяденьки учёные. Этот ваш прокол, конечно, можно извинить роковым стечением исторических обстоятельств: «первое начало» было сформулировано в эпоху паровых машин. Да, для паровозов и пароходов оно сошло за милую душу. Но технический прогресс-то не стоял на месте. Появились теплоходы и тепловозы, трамваи и электровозы, да ещё и мирные ядерные реакторы… А первое начало термодинамики так и зависло на правах догмата. Ай-яй-яй. Вы, дяденьки учёные, брали бы пример со служителей культа, что ли. Они время от времени устраивают Вселенские соборы, на которых подправляют свои догматы. Издают официальные указы, в которых так прямо и провозглашают: с такого-то числа веруем по-новому!
Короче, годилось «первое начало» только для паровых машин, да и то – громко говоря. Даже тут – не по Сеньке шапка была. Потому что «первое начало» не описывало работу паровой машины в целом. Оно описывало лишь пыхтение пара – а горение топлива, с помощью которого получали и нагревали этот пар, оно не описывало. И, что ещё обиднее: казалось, что пыхтящий пар совершал гораздо больше бесполезной работы, чем полезной. Ведь в полезную работу удавалось превратить лишь малую часть тепла, которое давало сгорание топлива. Мистика какая-то! Сожгут в калориметрической бомбе порцию уголька – и вот она, его теплотворная способность! Бери потом да превращай тепло от его сгорания в работу, согласно «первому началу»! Ан нет. Теплотворная способность – это одно, а работоспособность – это, как выяснилось, совсем другое. Устанавливали-устанавливали механический эквивалент теплоты – а ради чего, спрашивается? Ради того, чтобы от него оставались жалкие 10%, да и то, если повезёт? Нет, такую жизнь надо было если уж не изменить, то хотя бы оправдать. Вот на это (на оправдание) и решился Карно. Он задумался: как бы это сконструировать формулу, из которой следовало бы принципиальное ограничение на коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – и соорудил знаменитый рабочий цикл машины, которая для такой задумки подошла идеально. Поэтому её так и стали называть: идеальная тепловая машина. Что тепловая машина должна работать циклически – это, мол, принципиально. Рабочее тело, получив порцию тепла, должно отдать часть приобретённой энергии на совершение полезной работы и охладиться, чтобы иметь возможность получить следующую порцию тепла. Поэтому при анализе работы тепловой машины следует, мол, рассматривать не только нагреватель, от которого получает тепло рабочее тело, но и т.н. холодильник, которому рабочее тело отдаёт тепло, не превращённое в полезную работу (отсюда и пошло выражение «эта машина хорошо атмосферу греет»). Так вот: одним из лучших описаний цикла Карно считается описание в известном учебнике – А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, «Молекулярная физика». Это просто сказка. Логика такая: чтобы КПД тепловой машины был максимален, следует исключить необратимые потери тепла. А эти потери тепла непременно имеют место при теплопередаче. Следовательно, в идеальной тепловой машине следует исключить… процессы теплопередачи! Вы не подпрыгнули, дорогой читатель: «Как?! Как же такая машина сможет работать?» А вот, Кикоины сейчас всё разъяснят. Цикл начинается с того, что рабочее тело «находится в контакте с нагревателем и, следовательно, имеет такую же, как он, температуру… Предоставим теперь рабочему телу возможность расшириться и переместить… поршень, не прерывая контакт с нагревателем. Расширение, следовательно, будет изотермическим… При этом будет совершена работа. Она совершается за счёт тепла, отнятого от нагревателя… Полученное рабочим телом тепло нужно теперь передать холодильнику. Эту передачу тоже не следует осуществлять прямым соприкосновением рабочего тела с холодильником… рабочее тело надо сначала охладить до температуры холодильника и уже после этого их можно привести в соприкосновение… Теперь необходимо вернуть рабочее тело в исходное состояние, т.е. …в контакт с нагревателем. Этот контакт по-прежнему не следует осуществлять, пока температура рабочего тела ниже температуры нагревателя… Сначала рабочее тело сжимают, не прерывая его контакта с холодильником, т.е. изотермически… Затем, изолировав рабочее тело от холодильника, его дополнительно сжимают… После того как… температура рабочего тела станет равной температуре нагревателя, их приводят в контакт, и цикл на этом завершается: рабочее тело находится в исходном состоянии». Видите – всё гениально просто: чтобы не было потерь тепла, рабочее тело должно контактировать с нагревателем, будучи лишь при температуре нагревателя, а контактировать с холодильником – будучи лишь при температуре холодильника. Дяденьки, а сколько тепла «отнимет» рабочее тело у нагревателя, если за всё время контакта с ним оно будет иметь одинаковую с ним температуру? Правильно: ноль целых и шиш десятых. Цикл ведь специально разрабатывался так, чтобы теплопередач не было! Бляха-муха, а зачем тогда нужен нагреватель!? Если рабочее тело и без его помощи нагревают до температуры, с которой начинается цикл?! Да и для холодильника – всё аналогично! Получается просто шедевр: тепловая машина, для работы которой нагреватель и холодильник на хрен не нужны! И это, нам говорят, идеальная тепловая машина! Вот он, идеал, к которому нужно стремиться!
Не знаем, нашлись ли чудилы, которые пытались следовать этим практическим рекомендациям – и удалось ли этим чудилам построить если уж не идеальную тепловую машину, так приблизиться к этому идеалу хотя бы наполовину. Молчит история. Так бывает: теория великолепна, но упрощающие допущения в ней самоубийственны. Вспоминается один доклад, в котором автор замахнулся на важную и актуальную проблему: «Новые математические методы раскроя одежды». Первой фразой там была такая: «Примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара» - и далее автор разобрался с проблемой, как Бобик с фуфайкой. Публика от восторга визжала и плакала.
