Текст книги "Физика для всех. Движение. Теплота"

Автор книги: Александр Китайгородский

Соавторы: Лев Ландау
сообщить о нарушении

Текущая страница: 26 (всего у книги 28 страниц)

Движение со сверхзвуковой скоростью

Ударные волны, как мы только что говорили, распространяются со сверхзвуковыми скоростями. Оказывается, что движение твердых тел в воздухе со сверхзвуковой скоростью также приводит к образованию ударных волн. Поэтому для современной авиации ударные волны имеют очень большое значение.

Движение со скоростями, существенно превышающими 330 м/с, т.е. 1200 км/ч, с недавних пор стало реальностью в авиации. Движение самолетов и самолетов-снарядов, рассекающих воздушное пространство со скоростями, перевалившими через звуковой барьер – так называется рубеж в 1200 км/ч, – весьма резко отличается от движений, лежащих по другую сторону звукового барьера. Это различие заключается в том, что перед летящим со сверхзвуковой скоростью телом образуется ударная волна.

Схема ударной волны, создаваемой снарядом закругленной формы, показана на рис. 129. Фронт волны – это кривая поверхность, проходящая несколько впереди движущегося тела. По мере удаления от линии движения фронт отстает от снаряда и удаляется.

Несколько иначе выглядит картина ударной волны у заостренного тела, имеющего хорошо знакомую каждому форму снаряда. Рис. 130 показывает, что ударная волна «села на нос» снаряда; фронт волны приобрел конусообразную форму.

Снаряд, летящий со сверхзвуковой скоростью, можно сфотографировать. Резкое различие плотностей воздуха вокруг снаряда отчетливо обрисовывает фронт ударной волны, порождаемой им. Чем быстрее движется снаряд, тем острее конус.

Ударная волна является основным источником сопротивления, испытываемым телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью. А при скоростях движения, которые меньше скорости звука, сопротивление создается, как мы говорили, в основном возникновением турбулентного движения. Поэтому наиболее выгодные формы тела для движений этих двух типов различны. Что выгодно для быстрых движений, то невыгодно для более медленных, и наоборот.

Тело, заостренное впереди, способствует турбулентности и, значит, увеличивает сопротивление движению с дозвуковыми скоростями. Напротив, заостренная форма снаряда уменьшает сопротивление ударной волны.

Тупое впереди тело уменьшает турбулентность и потому более выгодно при дозвуковых скоростях, чем заостренное. При переходе через звуковой барьер эта форма становится менее выгодной, так как основным источником сопротивления становится ударная волна. По этой причине снаряды орудий заострены спереди – ведь они движутся со сверхзвуковыми скоростями.

Ликвидировать ударную волну и вместе с ней основной источник сопротивления тела, рассекающего воздух со сверхзвуковой скоростью, к сожалению, невозможно. Задача конструкторов снарядов и самолетов состоит в том, чтобы ослабить сопротивление, создаваемое ударной волной.

Для снарядов и корпуса самолета уменьшение сопротивления достигается заострением формы. А какую идею можно предложить для крыльев? Сверхскоростные самолеты приобрели за последнее десятилетие новые очертания: крылья прижались к корпусу, самолет приобрел стреловидную форму. Сделано это именно для того, чтобы бороться с сопротивлением ударных волн (рис. 131).

Вместо того чтобы обсуждать движение самолета, рассекающего воздух, можно говорить о потоке воздуха, набегающем на самолет. Это ведь одно и то же.

На рис. 131 изображен самолет, крыло которого стоит косо к потоку. Векторную скорость воздуха у крыла можно разложить на два вектора, направив один из них вдоль, а другой поперек крыла. Вдоль длины крыла воздух скользит свободно, и это продольное скользящее движение не может явиться существенным источником сопротивления. Основное сопротивление крыло будет испытывать от движения воздуха поперек крыла. Но ведь поперечная составляющая скорости, с которой воздух движется навстречу крылу, может быть существенно меньше лобовой скорости. Может случиться даже, что при движении самолета со сверхзвуковой скоростью поперечная скорость воздуха по отношению к его крыльям будет ниже звукового барьера. Это уменьшение поперечной скорости приведет к ослаблению ударных волн и уменьшению сопротивления. Вот почему сверхскоростным самолетам и придают стреловидную форму.

Впрочем, перед конструкторами самолетов стоит нелегкая задача – найти компромисс между формами, удобными для сверхзвуковых и для обычных скоростей. Такой компромисс необходим по простой причине – самолет взлетает и садится при относительно небольших скоростях.

В настоящее время имеются реактивные самолеты, летающие со скоростью многих тысяч километров в час, и конструкторы продолжают свою работу, чтобы завоевать еще более высокие скорости. Новые трудности встают на этом пути. Преодолев звуковой барьер, инженеры встретились с тепловым барьером.

Быстро движущийся самолет или снаряд сжимают находящийся перед ними воздух. Сжатие приводит к повышению температуры. Воздух, рассекаемый движущимся телом, нагревается, а значит, нагреваются и стенки самолета.

Повышение температуры оказывается пропорциональным квадрату скорости воздуха. Чем больше скорость, тем больше нагревается воздух. К моменту достижения звукового барьера температура воздуха перед самолетом повышается всего на 60°. Это еще не имеет большого практического значения. Но при скорости движения самолета, в два раза превышающей скорость звука, воздух нагревается уже на 240°, а при достижении утроенной скорости звука воздух получает температуру порядка 820 °C и т.д. Нетрудно понять, что этот нагрев ведет к значительным технологическим осложнениям.

Из приведенных цифр видно, как быстро увеличивается температура при нарастании скорости движения. При движении со скоростями порядка 10 км/с температуры становятся столь значительными, что любое тело плавится и превращается в газ. Из мирового пространства в атмосферу Земли непрерывно падают метеорные тела – камни и камешки различных размеров. Они движутся со скоростями в несколько десятков километров в секунду. На высоте 150–200 км над поверхностью Земли, когда атмосфера становится менее разреженной, эти пришельцы начинают заметно нагреваться, а на высотах порядка 130–60 км температура их возрастает настолько, что они испаряются. Невооруженным глазом мы замечаем накалившийся камешек на ночном небе. В момент, когда мы его увидели, нам кажется, что звезда упала с неба. «Падение звезды» продолжается недолго: доля секунды – и камешек испарился.

Горение и взрыв

Для того чтобы началось горение, надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не зажигается сама, ею надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того чтобы началась такая химическая реакция, необходимо предварительное нагревание.

Причина этого понятна. Химическая реакция – это перестройка молекулы. Энергичное тепловое движение атомов совершенно необходимо для того, чтобы такая перестройка могла произойти. Поэтому скорости химических реакций очень сильно зависят от температуры. Как правило, повышение температуры на 10° увеличивает скорость реакции в 2–4 раза.

Если скорость реакции увеличивается, скажем, в 3 раза при повышении температуры на 10°, то повышение температуры на 100° дает увеличение в 3 ¹⁰≈ 60000 раз, на 200° – уже в 3 ²⁰≈ 4·10 ⁹, а на 500° – в 3 ⁵⁰, т.е. примерно в 10 ²⁴раз.

Неудивительно, что реакция, которая идет с нормальной скоростью при температуре 500 °C, при комнатной температура не происходит вообще. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает уже тепло, которое выделяется при реакции.

Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую холодную среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается, только если начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева 610 °C, бензина – около 200 °C, белого фосфора – 50 °C.

Горение дров, угля или нефти – это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется относительная медленность горения.

В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения можно значительно увеличить. Для этой цели во многих печных устройствах производится распыление угля в топках.

Совершенно иначе обстоит дело в том случае, когда воздушная атмосфера не нужна, а все необходимое для реакции содержится внутри вещества. Примером такого вещества является смесь водорода с кислородом (ее называют гремучим газом). Реакция идет не с поверхности, а происходит внутри вещества. В отличие от случая горения вся энергия, образующаяся при реакции, отдается почти мгновенно, вследствие этого резко повышается давление и происходит взрыв. Гремучий газ не горит, а взрывается.

Итак, взрывчатое вещество должно содержать внутри себя атомы или молекулы, нужные для реакции. Понятно, что можно приготовить взрывающиеся газовые смеси. Существуют и твердые взрывчатые вещества. Они являются взрывчатыми именно потому, что в их состав входят все атомы, необходимые для химической реакции, дающей тепло и свет.

Химическая реакция, происходящая при взрыве, – это реакция распада, расщепления молекулы на части. На рис. 132 показана для примера взрывная реакция – расщепление на части молекулы нитроглицерина. Как видно на правой части схемы, из исходной молекулы образуются молекулы углекислого газа, воды, азота. В составе продуктов реакции мы находим обычные продукты горения, но горение произошло без участия молекул кислорода воздуха – все необходимые для горения атомы содержатся внутри молекулы нитроглицерина.

Как распространяется взрыв по взрывчатому веществу, например гремучему газу? Когда поджигают взрывчатое вещество, возникает местный нагрев. Реакция происходит в нагретом объеме. Но при реакции выделяется тепло, которое путем теплопередачи переходит в соседние слои смеси. Этого тепла достаточно для того, чтобы и в соседнем слое произошла реакция. Новые количества выделившегося тепла поступят в следующие слои гремучего газа, и так со скоростью, связанной с передачей тепла, реакция распространяется по всему веществу. Скорость такой передачи – порядка 20–30 м/с. Разумеется, это очень быстро. Метровая трубка с газом взрывается за одну двадцатую долю секунды, т.е. почти мгновенно, в то время как скорость горения дров или кусков углей, происходящего с поверхности, а не в объеме, измеряется сантиметрами в минуту, т.е. в несколько тысяч раз меньше.

Тем не менее можно назвать и этот взрыв медленным, так как возможен другой взрыв, в сотни раз более быстрый, чем описанный.

Быстрый взрыв вызывается ударной волной. Если в каком-либо слое вещества резко повышается давление, то от этого места начнет распространяться ударная волна. Как мы уже знаем, ударная волна приводит к значительному скачку температуры. Придя в соседний слой, ударная волна повысит его температуру. Повышение температуры дает начало взрывной реакции, а взрыв приводит к повышению давления и поддерживает ударную волну, интенсивность которой иначе быстро падала бы по мере ее распространения. Таким образом, ударная волна вызывает взрыв, а взрыв в свою очередь поддерживает ударную волну.

Описанный нами взрыв называется детонацией. Так как детонация распространяется по веществу со скоростями ударной волны (порядка 1 км/с), то она действительно быстрее «медленного» взрыва в сотни раз.

Какие же вещества взрываются «медленно», а какие «быстро»? Так ставить вопрос нельзя: одно и то же вещество, находящееся в разных условиях, может и взрываться «медленно» и детонировать, а в некоторых случаях «медленный» взрыв переходит в детонацию.

Некоторые вещества, например йодистый азот, взрываются от прикосновения соломинки, от небольшого нагревания, от световой вспышки. Такое взрывчатое вещество, как тротил, не взрывается, если его уронить, даже если его прострелить из винтовки. Для взрыва требуется сильная ударная волна.

Существуют вещества, еще менее чувствительные к внешним воздействиям. Удобрительная смесь аммиачной селитры и сернокислого аммония не считалась взрывчатой до трагического случая, происшедшего в 1921 г. на немецком химическом заводе в Оппау. Для дробления слежавшейся смеси там был применен взрывной способ. В результате на воздух взлетели склад и весь завод. В несчастье нельзя было упрекать инженеров завода: примерно двадцать тысяч подрывов прошло нормально и лишь один раз создались условия, благоприятные для детонации.

Вещества, которые взрываются лишь под действием ударной волны, а при обычных условиях устойчиво существуют и даже не боятся огня, весьма удобны для техники взрывного дела. Такие вещества можно производить и хранить в больших количествах. Однако для приведения этих инертных взрывчатых веществ в действие нужны зачинатели или, как говорят, инициаторы взрыва. Такие инициирующие взрывные вещества совершенно необходимы как источники ударных волн.

Примером инициирующих веществ может служить азид свинца, или гремучая ртуть. Если крупинку такого вещества положить на лист жести и поджечь, то происходит взрыв, пробивающий в жести отверстие. Взрыв таких веществ в любых условиях детонационный.

Если немного азида свинца поместить на заряд вторичного взрывчатого вещества и поджечь, то взрыв инициатора дает ударную волну, достаточную для детонации вторичного взрывчатого вещества. На практике взрыв производится при помощи капсюля-детонатора (1–2 г инициирующего вещества). Капсюль может быть подожжен на расстоянии, например при помощи длинного шнура (бикфордов шнур); исходящая от капсюля ударная волна взорвет вторичное взрывчатое вещество.

В ряде случаев технике надо бороться с детонационными явлениями. В двигателе автомобильного мотора в обычных условиях происходит «медленный взрыв» смеси бензина с воздухом. Однако иногда возникает и детонация. Ударные волны в моторе как систематическое явление совершенно недопустимы, так как под их действием стенки цилиндров мотора быстро выйдут из строя.

Для борьбы с детонацией в двигателях надо либо применять специальный бензин (так называемый бензин с высоким октановым числом), либо подмешивать в бензин специальные вещества – антидетонаторы, не дающие развиваться ударной волне. Одним из распространенных антидетонаторов является тетраэтилсвинец (ТЭС). Это вещество очень ядовито, и инструкция предупреждает шоферов о необходимости осторожно обращаться с таким бензином.

Детонации нужно избегать при конструировании артиллерийского орудия, Ударные волны не должны образовываться внутри ствола при выстреле, в противном случае орудие выйдет из строя.

XVI. Энергия вокруг нас

Как превратить энергию в работу

Человеку нужны машины, для этого надо уметь создавать движение – двигать поршни, вращать колеса, тянуть вагоны поезда. Движение машин требует работы. Как получить ее?

Казалось бы, этот вопрос мы уже обсуждали; работа происходит за счет энергии. Надо отнять у тела или системы тел энергию – тогда получится работа.

Рецепт вполне правилен, но мы еще не касались вопроса о том, как совершить такое превращение. Всегда ли возможно забрать энергию у тела? Какие для этого нужны условия? Мы сейчас увидим, что почти вся энергия, имеющаяся вокруг нас, совершенно бесполезна: она не может быть превращена в работу. Такую энергию никак нельзя причислить к нашим энергетическим запасам. Разберемся в этом.

Отклоненный от положения равновесия маятник рано или поздно остановится; запущенное от руки колесо перевернутого велосипеда сделает много оборотов, но в конце концов тоже прекратит движение. Нет исключения из важного закона: все окружающие нас тела, движущиеся самопроизвольно, в конце концов остановятся *1515
  Здесь, разумеется, не имеются в виду равномерное поступательное движение и равномерное вращение системы тел как целого.


[Закрыть].

Если имеется два тела – нагретое и холодное, то тепло будет передаваться от первого ко второму до тех пор, пока температуры не уравняются. Тогда теплопередача прекратится, состояния тел перестанут изменяться. Установится тепловое равновесие.

Нет такого явления, при котором тела самопроизвольно выходили бы из состояния равновесия. Не может быть такого случая, чтобы колесо, сидящее на оси, начало бы вертеться само по себе. Не бывает и так, чтобы нагрелась сама по себе стоящая на столе чернильница.

Стремление к равновесию означает, что у событий имеется естественный ход: тепло переходит от горячего тела к холодному, но не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему.

Механическая энергия колеблющегося маятника благодаря сопротивлению воздуха и трению в подвесе перейдет в тепло. Однако ни при каких условиях маятник не начнет раскачиваться за счет тепла, имеющегося в окружающей среде. Тела приходят в состояние равновесия, но самопроизвольно выйти из него не могут.

Этот закон природы сразу же показывает, какая часть находящейся вокруг нас энергии совершенно бесполезна. Это энергия теплового движения молекул тех тел, которые находятся в состоянии равновесия. Такие тела не способны превратить свою энергию в механическое движение.

Эта часть энергии огромна. Подсчитаем величину этой «мертвой» энергии. Если понизить температуру на 1°, то килограмм земли, имеющий теплоемкость 0,2 ккал/кг, потеряет 0,2 ккал. Относительно небольшая цифра. Однако прикинем, какую энергию мы получили бы, если бы удалось охладить всего лишь на один градус такое вещество в массе земного шара, равной 6·10 ²⁴кг. Умножая, мы получим грандиозную цифру: 1,2·10 ²⁴ккал. Чтобы вы могли представить эту величину, скажем тут же, что в настоящее время энергия, вырабатываемая ежегодно электростанциями всего мира, равна 10 ¹⁵−10 ¹⁶ккал, т.е. в миллиард раз меньше.

Не приходится удивляться, что подобного рода расчеты действуют гипнотически на малосведущих изобретателей. Мы говорили раньше о попытках построения вечного двигателя («перпетуум мобиле»), создающего работу из ничего. Оперируя положениями физики, вытекающими из закона сохранения энергии, невозможно опровергнуть этот закон созданием вечного двигателя (теперь мы назовем его вечным двигателем первого рода). Такую же ошибку совершают и несколько более хитроумные изобретатели, которые создают конструкции двигателей, производящих механическое движение за счет одного лишь охлаждения среды. Этот, увы, неосуществимый двигатель называют вечным двигателем второго рода. И здесь совершается логическая ошибка, поскольку изобретатель основывается на законах физики, являющихся следствием закона о стремлении всех тел к состоянию равновесия, и при помощи этих законов пытается опровергнуть основания, на которых они зиждятся.

Итак, одним лишь отнятием тепла у среды нельзя произвести работу. Другими словами, система тел, находящихся в равновесии друг с другом, энергетически бесплодна.

Значит, для получения работы необходимо прежде всего найти тела, не находящиеся в равновесии со своими соседями. Только тогда удастся осуществить процесс перехода тепла от одного тела к другому или превращения тепла в механическую энергию.

Создание потока энергии – вот необходимое условие получения работы. На «пути» этого потока возможно превращение энергии тел в работу.

Поэтому к энергетическим запасам, полезным для людей, относится энергия лишь тех тел, которые не находятся в равновесии с окружающей средой.

Стремление к беспорядку

Предоставленные сами себе тела стремятся к равновесию. Естественным состоянием тел является механическое и тепловое равновесие. С практическим следствием этого важнейшего закона природы мы познакомились достаточно подробно.

Но каков внутренний смысл этого закона? Почему вся вселенная – это дорога к равновесному состоянию? Почему предоставленные самим себе тела неотвратимо приближаются к состоянию, когда механическое движение остановится, а температуры тел уравняются?

Вопрос этот очень важен и интересен. Чтобы ответить на него, придется начать издалека.

Обыденные, часто встречающиеся случаи происходят на каждом шагу, они вероятны. Напротив, невероятными случаями считают события, которые произошли благодаря редкому стечению обстоятельств.

Невероятное событие не требует проявления каких бы то ни было сверхъестественных сил. В нем нет ничего невозможного, ничего противоречащего законам природы. И все же во многих случаях мы совершенно убеждены в том, что невероятное практически тождественно невозможному.

Рассмотрите выигрышную таблицу лотереи. Подсчитайте, сколько билетов имеют номера, которые заканчиваются цифрой 4, или 5, или 6. Вы нисколько не удивитесь, когда найдете, что каждой цифре соответствует примерно десятая часть выигравших облигаций.

Ну, а может быть, чтобы билетов с номерами, заканчивающимися цифрой 5, было бы не одна десятая, а одна пятая часть? Маловероятно, скажете вы. Ну, а так, чтобы половина выигравших билетов имела такие номера? Нет, это совершенно невероятно…, а значит, и невозможно.

Размышляя над тем, какие же условия нужны, чтобы событие было вероятным, мы приходим к следующему выводу: вероятность события зависит от числа способов, которыми оно может быть осуществлено. Чем больше число способов, тем чаще будет происходить такое событие.

Точнее, вероятность есть отношение числа способов осуществления данного события к числу способов осуществления всех возможных событий.

Напишите цифры от 0 до 9 на десяти картонных кружках, положите их в мешочек. Теперь вытаскивайте кружок, замечайте номер, а кружок кладите обратно. Это очень похоже на розыгрыш лотереи. Можно с уверенностью сказать, что одну и ту же цифру вы не вытянете подряд, скажем, 7 раз, даже если посвятите этому скучному занятию целый вечер. Почему? Вытаскивание семи одинаковых цифр – это одно событие, осуществляемое всего десятью способами (7 нулей, 7 единиц, 7 двоек и т.д.). А всего есть 10 ⁷возможностей вытащить семь кружков. Поэтому вероятность вытащить подряд семь кружков с одинаковыми цифрами равна 10/10 ⁷= 10 ⁻⁶, т.е. всего одной миллионной.

Если насыпать в ящичек черных и белых зернышек и перемешать их лопаткой, то очень скоро зерна распределятся равномерно по всему ящичку. Зачерпнув наудачу горсть зерен, мы найдем в ней примерно одинаковое число белых и черных зернышек. Сколько бы мы ни перемешивали их, результат будет все время тем же – равномерность сохранится. Но почему не происходит разделения зерен? Почему долгим перемешиванием не удастся загнать черные зерна кверху, а белые книзу? И здесь все дело в вероятности. Такое состояние, при котором зерна распределены беспорядочно, т.е. черные и белые равномерно перемешаны, может быть осуществлено огромным множеством способов и, следовательно, обладает самой большой вероятностью. Напротив, такое состояние, при котором все белые зерна наверху, а черные внизу, единственно. Поэтому вероятность его осуществления ничтожно мала.

От зернышек в мешочке мы легко перейдем к молекулам, из которых построены тела. Поведение молекул подчиняется случаю. Это особенно ярко видно на примере газов. Как мы знаем, молекулы газа беспорядочно сталкиваются, движутся во всех возможных направлениях то с одной, то с другой скоростью. Это вечное тепловое движение непрерывно перетасовывает молекулы, перемешивает их так, как это делает лопатка с зернышками в ящике.

Комната, в которой мы находимся, заполнена воздухом. Почему в какой-либо момент не может случиться так, что молекулы из нижней половины комнаты перейдут в верхнюю половину – под потолок? Такой процесс не невозможен – он очень невероятен. Но что значит очень невероятен? Если бы такое явление было даже в миллиард раз менее вероятно, чем беспорядочное распределение молекул, то все-таки кто-нибудь смог бы его дождаться. Может быть, мы и дождемся такого явления?

Расчет показывает, что такое событие встречается для сосуда объемом 1 см ³одно на 10 ^{30000000000000000000}раз. Вряд ли стоит делать различие между словами «крайне невероятное» и «невозможное». Ведь число, которое написано, невообразимо огромно; если его поделить на число атомов не только на земном шаре, но и во всей солнечной системе, то оно все равно останется огромным.

Какое же будет состояние молекул газа? Наиболее вероятное. А наиболее вероятным будет состояние, осуществимое наибольшим числом способов, т.е. беспорядочное распределение молекул, при котором имеется примерно одинаковое число молекул, движущихся вправо и влево, вверх и вниз, при котором в каждом объеме находится одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и по скоростям, связано с уменьшением вероятности, или, короче, представляет собой невероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием беспорядка из порядка, увеличивают вероятность состояния.

Значит, эти явления и будут определять естественный ход событий. Закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении всех тел к равновесному состоянию, получает свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно. Переход от порядка к беспорядку повышает вероятность состояния.

Физики часто используют вспомогательную величину, называемую энтропией. Энтропия характеризует степень порядка и связана простой формулой с числом способов создания состояния. Формулы приводить не будем, скажем лишь, что чем больше вероятность, тем больше и энтропия.

Закон природы, который мы сейчас обсуждаем, говорит: все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает. Другими словами, тот же закон природы формулируется как закон возрастания энтропии.

Закон возрастания энтропии – важнейший закон природы. Из него вытекает, в частности, и невозможность построения вечного двигателя второго рода, или, что то же самое, утверждение, что предоставленные сами себе тела стремятся к равновесию.

Закон возрастания энтропии иногда называют вторым началом термодинамики (термодинамика – учение о тепле). А первое начало? Это закон сохранения энергии. Название «начала термодинамики» для этих законов природы сложилось исторически. Нельзя сказать, чтобы такое объединение «под одну шапку» было удачно. Ведь закон сохранения энергии – это механический закон, которому подчиняются неукоснительно как большие тела, так и отдельные атомы и молекулы. Что же касается закона возрастания энтропии, то, как следует из сказанного выше, он применим лишь к достаточно большому собранию частиц, а для отдельных молекул его просто невозможно сформулировать.

Статистический (это и обозначает относящийся к большому собранию частиц) характер второго начала термодинамики нисколько не принижает его значения. Закон возрастания энтропии предопределяет направление процессов. В этом смысле энтропию можно назвать директором-распорядителем природных богатств, а энергия служит у нее бухгалтером.

Кому же принадлежит честь открытия этого важного закона природы? Здесь нельзя ограничиться одним именем. У второго начала термодинамики есть своя история. И здесь, так же как в истории первого начала термодинамики, в первую очередь должно быть упомянуто имя француза Сади Карно. В 1824 г. он издал на свои средства печатный труд под названием «Размышления о движущей силе огня». В этой работе впервые было указание, что тепло не может переходить от холодного тела к теплому без затраты работы. Карно показал также, что максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины (см. ниже) определяется лишь разностью температур нагревателя и охлаждающей среды.

Только после смерти Карно в 1832 г. на эту работу обратили внимание другие физики. Однако она мало повлияла на дальнейшее развитие науки из-за того, что все сочинение Карно было построено на признании неразрушимого и несоздаваемого «вещества» – теплорода.

Только после работ Майера, Джоуля и Гельмгольца, установивших закон эквивалентности тепла и работы, великий немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822–1888) пришел ко второму началу термодинамики и математически сформулировал его. Клаузиус ввел в рассмотрение энтропию и показал, что сущность второго начала термодинамики сводится к неизбежному росту энтропии во всех реальных процессах.

РУДОЛЬФ КЛАУЗИУС (1822–1888) – выдающийся немецкий физик-теоретик. Клаузиус впервые четко сформулировал второй закон термодинамики: в 1850 г. – в виде положения о невозможности самопроизвольной передачи теплоты от более холодного тела к более теплому, а в 1865 г. – с помощью введенного им же понятия энтропии. Одним из первых Клаузиус обратился к вопросам о теплоемкости многоатомных газов и теплопроводности газов. Работы Клаузиуса по кинетической теории газов способствовали развитию статистических представлений о физических процессах. Клаузиусу принадлежит ряд интересных работ по электрическим и магнитным явлениям.

Второе начало термодинамики позволяет сформулировать ряд общих законов, которым должны подчиняться все тела, как бы они ни были построены. Однако остается еще вопрос, как найти связь между строением тела и его свойствами? На этот вопрос отвечает область физики, которая называется статистической физикой.

Ясно, что при подсчете физических величин, описывающих систему, состоящую из миллиардов миллиардов частиц, совершенно необходим новый подход. Ведь было бы бессмысленно, не говоря уже о том, что и абсолютно невозможно, следить за движениями всех частиц и описывать это движение с помощью формул механики. Однако именно это огромное количество частиц позволяет применить к изучению тел новые «статистические» методы. Эти методы широко используют понятие вероятности событий. Основы статистической физики были заложены замечательным австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844–1906). В серии работ Больцман показал, каким образом указанная программа может быть осуществлена для газов.

В 1877 г. логическим завершением этих исследований явилось данное Больцманом статистическое истолкование второго начала термодинамики. Формула, связывающая энтропию и вероятность состояния системы, высечена на памятнике Больцману.

Трудно переоценить научный подвиг Больцмана, нашедшего в теоретической физике совершенно новые пути. Исследования Больцмана подвергались при его жизни насмешкам со стороны консервативной немецкой профессуры: в то время атомные и молекулярные представления считались многими наивными и ненаучными. Больцман покончил жизнь самоубийством, и обстановка, несомненно, сыграла в этом далеко не последнюю роль.