Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Что же насчет работы? В части 1 мы выяснили, что работа производится благодаря приложению сил к объекту, чтобы переместить его на определенное расстояние. Если какая-либо внешняя сила получала бы энергию из-за пределов системы, из окружения, тогда, возможно, она могла бы воздействовать на нашу систему. Например, если бы шар, находящийся на вершине наклонной плоскости, был сделан из магнитного материала вроде железа, сильное магнитное поле, воздействующее на него из-за пределов системы, заставило бы шар прийти в движение и скатиться вниз по наклонной плоскости. В этом случае окружающая среда проделала бы работу с системой.

Кроме того, в сходном сценарии вы можете вообразить силу внутри системы (в здании), которая бы произвела работу, меняя окружающую среду; в этом случае мы скажем, что работа была произведена системой над окружением. Однако мы исключили эту возможность и поместили нашу систему (наклонную плоскость, шар и меня) в границы здания, полностью изолировав ее от окружения. Согласно Томсону, энергия системы должна теперь быть сохранена независимо от того, что происходит внутри. Давайте проверим эту идею.

Я толкну шар, заставляя его катиться по наклонной плоскости. Толчок передал шару определенный объем моей собственной энергии. Шар, катящийся вниз, изменяет свою потенциальную энергию на кинетическую. Шар катится по наклонной плоскости и, коснувшись поверхности, останавливается, но только после того, как он передаст всю свою кинетическую энергию этой поверхности. И хотя все это происходит внутри системы, «потери» энергии – например, когда я толкнул шар; потенциальная энергия, которую потерял шар при движении; кинетическая энергия, которую он потерял при остановке, – равняются ее приросту. Прирост складывается из энергии, которую шар получает при стартовом толчке; кинетической энергии шара в движении; кинетической энергии, полученной поверхностью от катящегося по наклонной плоскости шара, пока он не остановился.

Энергия всего лишь передается от одного объекта другому, в то время как ее общее количество остается прежним. Однако если мы снимем все эти ограничения, картина изменится. Предположим, что тепло может проникать сквозь стены. Далее мы позволим, чтобы работа проводилась на системе или самой системой таким способом, как было описано ранее. Теперь, когда система взаимодействует со своей средой через нагревание и работу, ее энергия изменится. Еще раз, слепая приверженность формулам освобождает нас от точных деталей системы, у нас есть очень мощный инструмент, применимый к большому разнообразию систем.

Например, рассмотрим стакан воды с крышкой (благодаря которой молекулы воды не могут испаряться). Стакан и крышка формируют границы системы, и молекулы воды остаются внутри. Если стакан воды пришел в равновесие, теперь он сохраняет комнатную температуру, не теряя и не получая тепло, – помните, чтобы тепло могло переходить из одной области в другую (из горячей в холодную), необходима разница температур. Более того, если оно просто находится там, никакая работа не будет производиться. Другими словами, наш стакан воды становится изолированной системой, и мы предполагаем, что, как и в других системах, энергия внутри него будет неизменна.

Теперь, однако, у нас нет способа провести подробный анализ процессов, происходящих внутри. В конце концов, мы даже не можем видеть молекулы воды. Безусловно, молекулы воды обмениваются энергией, поскольку они врезаются друг в друга, все время сохраняя энергию, и «потери» и «прибыли» отлично уравновешивают друг друга.

Подобно Томсону, Клаузиус также признавал «энергетическую концепцию». Однако, когда в 1850 году он издал свою работу – чуть раньше Томсона, – ее физическое описание было неполным, и он просто не понимал главных идей так же хорошо, как Томсон. Таким образом, даже при том, что Клаузиус опередил Томсона почти на год, описание энергии системы и ее изменений при взаимодействиях с окружением у Томсона было намного более полным. Томсон первоначально назвал энергию системы механической энергией, но позже, в 1856 году, он выбрал более подходящее имя – действительная энергия. Позднее Гельмгольц назовет это внутренней энергией.

В 1847 году, когда Томсон узнал об экспериментах Джоуля по измерению механического эквивалента теплоты, демонстрирующих, что работа могла быть преобразована в тепло, он немедленно признал важность этого открытия. Было понятно, хотя эксперимент Джоуля этого явно и не продемонстрировал, что эквивалентность подразумевает возможность перехода тепла в работу. Это создавало Томсону определенные проблемы, поскольку тогда он был сторонником теплородной теории, которая отрицала выводы Джоуля. Тем не менее Томсон разрешил эти противоречия, издав работу «О динамической теории тепла». Однако, даже несмотря на это, перед Томсоном стояла еще одна проблема: что происходит с работой, согласно Джоулю, когда тепло проходит через объект, двигающийся из теплой среды в холодную?

Сегодня мы точно знаем, что можно использовать тепловой двигатель для получения работы за счет тепла. Если же вместо этого мы возьмем то же самое количество тепла и позволим ему свободно пройти через тепловой двигатель, окажется, что работа не была произведена: она попросту потерялась. Этот факт не давал Томсону покоя. Безусловно, в случае обратимого теплового двигателя Карно из данного количества теплоты производится максимальное количество работы, в то время как, согласно Фурье, из свободного потока тепла получается минимальное количество возможной работы – а фактически не получается вовсе. В последнем случае это выглядит так, будто работа просто исчезла, и Томсон хотел знать точно, куда именно. Он пишет:

«Причина, по которой я не могу принять теорию, так яро поддерживаемую господином Джоулем, заключается в том, что механическое воздействие, с точки зрения теории Карно абсолютно теряющееся при проводимости, не учитывается в динамической теории (Джоуля) никоим образом, кроме утверждения, что оно не теряется».

В 1852 году Томсон опубликовал статью «Об универсальной природной тенденции к рассеиванию механической энергии». В ней Томсон утверждает, что не вся энергия одинакова. Какую-то энергию можно использовать для работы, а какую-то – нет. Давайте для примера сравним энергию реки с энергией океана. Несомненно, океан обладает большей энергией, чем река. Чтобы это понять, достаточно просто посмотреть на океан и на то, как его волны бьются о берег. Но как же извлечь эту энергию и произвести с ее помощью работу?

Существует множество способов сделать это, но при каждом из них придется иметь дело с хаотичной природой двигающихся волн. Изменение размера, силы, направления и длительности океанских волн позволяют извлечь огромный объем энергии, который можно преобразовать в работу. С другой стороны, устойчивый и постоянный поток реки – гораздо более подходящий кандидат для получения энергии. Именно поэтому мы строим гидроэлектростанции на реках, а не в океанах.

Томсон делает вывод о том, что в природе чаще встречается рассеянная и неупорядоченная энергия; как только она превращается в рассеянную (как в случае с океаном), становится практически невозможно с ее помощью произвести полезную работу. Фактически если вы хотите извлечь энергию и это возможно, потребуется произвести работу, чтобы сделать это. Именно это показывает нам, что природа отдает предпочтение рассеиванию энергии.