1. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА И НЕОБРАТИМОСТЬ

Чтобы попытаться разобраться с загадочной энтропией, которая согласно хорошо известным законам движения частиц должна сохраняться, но таинственным образом почти всегда стремится к максимуму, обратимся к первому и простейшему случаю, в котором заявила о себе энтропия - к работе тепловой машины.

Энтропия всегда заслуженно вызывала угнетающее впечатление, так как помимо того, что она малопонятна, ее неуклонное возрастание ассоциируется с ухудшением качества системы, причем удручающе обидным: энергия в системе остается, но использовать ее оказывается невозможно. В тепловой машине это, как говорили прежде, обесценивание энергии связано с невозможностью в последующем использовать энергию, необходимым образом переданную холодильнику.

Для анализа удобно рассмотреть машину со следующим порядком работы. Пусть на первом этапе рабочий газ в цилиндре тепловой машины нагревается от источника тепла (нагревателя) до температуры этого источника, после чего нагреватель отключается. Нагретый газ давит на стенки цилиндра и выталкивает поршень, совершая работу по преодолению его сопротивления. Эта работа - полезная, за счет нее можно, скажем, поднять груз. На этом этапе расширения температура газа в цилиндре понижается на величину, соответствующую расходу энергии на совершение работы.

Если бы поршень можно было с пользой выдвигать до бесконечности, то всю энергию частиц газа можно было бы полностью превратить в работу. Однако по очевидным техническим причинам рабочий ход поршня ограничен, да, кроме того, и давление извне не равно нулю, поэтому для продолжения работы нужно его возвращать в исходное положение, чтобы повторить цикл расширения. Поэтому в подобных анализах речь всегда идет о циклических машинах.

Итак, необходимо возвратить поршень на прежнее место. Рассмотрим процесс возвращения более подробно: сначала посмотрим, что о нем может сказать феноменологическая термодинамика, оперирующая такими параметрами (наблюдаемыми), как теплота, внутренняя энергия, температура, объем, давление, а затем выясним возможности механики, предположительно применимой для описания движения частиц газа.

Если поршень просто вталкивать внутрь и только, то, согласно классической термодинамике, система, к сожалению, будет проходить состояния в переменных объем-давление строго в обратном порядке по сравнению с этапом расширения, так как в этой термодинамике при отсутствии передач тепла давление изменяется однозначно с изменением объема. Это приведет к тому, что на сжатие до исходного положения поршня затратится та же работа, которая была получена на этапе расширения. Заметим, что обратимость такого движения в термодинамике, разумеется, нисколько не противоречит обратимости механики, управляющей движением частиц газа. В результате такого сжатия по достижении исходного положения поршня и температура газа в цилиндре вместе с его тепловой энергией восстановятся, так что от всей процедуры не будет никакого проку.

Чтобы на обратном пути затратить работу меньшую, чем получена при рабочем ходе, надо возвращаться при меньших давлениях, чем они были в соответствующих местах при расширении. Естественное средство для этого - перед сжатием сбросить часть тепловой энергии каким-то другим телам (холодильнику). Давление уменьшится, и работа на сжатие потребуется меньшей, чем получена при расширении. В дальнейшем снова подсоединяется нагреватель, и цикл повторяется.

Тепловая машина для совершения работы использует давление газа, которое пропорционально температуре. Полезная работа, которая может быть получена, тем больше, чем больше разность давлений при прямом и обратном ходах поршня, т.е. тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Если нет тел, температура которых ниже температуры нагревателя, то использовать имеющуюся тепловую энергию оказывается, согласно термодинамике, невозможно. Соответственно, энергию единственного холодильника в дальнейшем нельзя использовать - необходима еще какая-то дополнительная масса с еще более низкой температурой.

Поэтому полезная работа, которая может быть получена с помощью тепловой машины за счет имеющихся запасов тепловой энергии, определяется не только и даже не столько их количеством, сколько соотношением количеств тепла, находящихся при разных температурах, и величинами разностей температур. Если вся тепловая энергия сосредоточена в массах, имеющих одинаковую температуру, то тепловая машина не будет работать и полезная работа с помощью тепловой машины не может быть получена - имеющаяся энергия становится бесполезной. Если теперь учесть, что тепловая машина работает с обязательной и существенной передачей тепла от более горячих масс более холодным, в результате чего температуры различных областей вещества выравниваются, обнаруживается тенденция неуклонного движения к такому состоянию материи, в котором никакая тепловая машина не сможет работать.

(Этот результат в прошлом веке был получен в более общем и широком плане: так как тепло и без машин самопроизвольно перетекает от более нагретых тел, охлаждая их, к менее нагретым, нагревая их, то остановка тепловых машин в конце концов неизбежна.)

Итак, требуемая обычной феноменологической термодинамикой обратимость движения при отсутствии передач тепла приводит к необходимости необратимой передачи части тепла холодильнику. Во всяком случае ясно, что для появления этого эффекта никакой необратимости микромеханики не требуется - недоставало еще, чтобы обратимость процесса расширение-сжатие, а именно она заставляет прибегнуть к холодильнику для получения положительной работы за цикл, мы объясняли какой-то необратимой микромеханикой.

С вопросом об адекватности обратимой механики мы здесь пока не согласовали один пункт: возможна ли вообще при такой механике передача тепла от нагревателя газу в цилиндре и от него - холодильнику. До этого пункта мы пока не дошли, но позже к нему вернемся, чтобы показать возможность обычной теплопередачи. Сейчас же вновь обратимся к самой необходимости холодильника.