Вечное движение. История одной навязчивой идеи

Карно использовал идею неосуществимости вечного движения в качестве одного из принципов, позволивших ему установить связь между работой, производимой машиной, и теплом, получаемым в ее котле. Другим принципом был так называемый принцип сохранения калорий. И хотя этот принцип позднее был отвергнут в связи с тем, что появилась общепризнанная ныне динамическая теория, работа Карно долгое время оставалась выдающимся вкладом в понимание проблем энергетики.

Примерно в то же самое время Фарадей использовал идею отрицания вечного движения в своих рассуждениях, опровергающих контактную теорию Вольта^{21}.

Вернемся, однако, к законам, препятствующим созданию перпетуум мобиле.

Первое начало термодинамики гласит, что при совершении определенного количества механической работы всегда выделяется эквивалентное количество тепла. Поэтому энергия переходит из одной формы в другую, но не создается и не уничтожается. Повторю, что именно на этом положении основывается закон сохранения энергии.

Второе же начало термодинамики — в простейшей его форме — утверждает, что количество тепла не может увеличиться без совершения дополнительной работы (или, как мы уже говорили, не может переходить от менее нагретого тела к более нагретому).

Немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814—1878), размышляя над сущностью первого закона термодинамики, писал в 1842 году: «Возникнув, сила не может исчезнуть, она может лишь видоизменить свою форму»^{22}. Другой выдающийся ученый Герман Гельмгольц (1821—1894), будучи еще молодым человеком, смог убедить ученый мир в том, что первый закон термодинамики верен^{23}. Двадцатишестилетний естествоиспытатель представил на суд физического общества в Берлине свою работу, озаглавленную «О сохранении силы». Анализ проблемы он начал с утверждения, что невозможность создания машин вечного движения является аксиомой. Верность аксиомы в физике может быть установлена наблюдением за систематически повторяющимися природными явлениями или экспериментально. Но Гельмгольцу не нужно было заниматься доказательствами: достаточно было сослаться на то, что все попытки построить вечный механизм кончились неудачей.

С подобной аксиомы и начал свою работу Никола Леонар Сади Карно (1796—1832), французский физик и один из первых теоретиков паровых машин. Отрицание вечного движения легло в основу многих его выводов по теплотехнике. Книга Карно «Размышления о движущей силе огня» (1824) заложила фундамент второго начала термодинамики^{24}.

Стэнли Ангрист справедливо заметил, что проекты некоторых вечных механизмов не противоречили первому началу термодинамики, поскольку ни трение, ни электрическое сопротивление не влияли на их работу[2]. Тем не менее эти перпетуум мобиле также не были реализованы, потому что их создатели пытались обойти второе начало термодинамики, согласно которому определенное количество механической работы может всегда быть превращено в эквивалентное количество тепла. А вот обратный переход, то есть превращение некоторого количества тепла в то же самое количество работы, невозможен по той простой причине, что часть тепловой энергии неизбежно теряется. В паровой машине основные потери тепла (тепловой формы энергии) происходят из-за трения, нагрева самой машины и передачи тепла в окружающее пространство.

Карно тщательно изучил замкнутый цикл работы паровой машины, в течение которого вода нагревается до превращения в пар, пар движет поршень, затем конденсируется, превращаясь в воду, вновь поступающую в котел машины. Он пришел к заключению, что в процессе охлаждения и конденсации пара происходят неизбежные потери тепловой энергии и поэтому преобразование тепла в движущую силу «определяется исключительно температурой тел, между которыми происходит передача калорий» (теплообмен). Открытие Карно представляет собой, по существу, первую формулировку второго начала термодинамики: совершая работу, тепло ведет себя подобно потоку воды в водяной мельнице, текущему сверху вниз. И чем больший путь вода при этом проделывает, тем большую совершает работу. Мы же говорили, что для совершения работы теплота должна передаваться от более нагретого к менее нагретому.

Идеи Карно были развиты Клаузиусом. Он ввел в науку термин «энтропия», характеризующий количество безвозвратно потерянного тепла.