Под знаком необратимости (Очерки о теплоте) [Герман Владимирович Смирнов] (fb2) читать онлайн

Смирнов Герман ПОД ЗНАКОМ НЕОБРАТИМОСТИ (Очерки о теплоте)

Моим однокурсникам и преподавателям Ленинградского кораблестроительного института посвящаю.

ИНФРАКРАСНОЕ ЛИЦО МИРА

Каждое утро восходящее солнце набрасывает яркую маску на окружающий мир. Из ночного «оптического небытия» выступают красные, желтые, серые стены домов, черный асфальт мостовых, зелень деревьев, голубое небо, белые облака. И эта игра красок надежнее, чем ночная тьма, скрывает от нас второе, истинное лицо мира. Истинное, ибо здесь каждый предмет светит не отраженным солнечным, а своим собственным, хотя и невидимым глазу инфракрасным светом. Только тела, охлажденные до абсолютного нуля, до —273,16 °C, не испускают инфракрасных, или, как их еще называют, тепловых лучей.

Если бы человек мог видеть эти лучи, он без особых трудов смог бы выполнить такое головоломное задание: поймать черную кошку, сидящую на черном бархате в абсолютно темной комнате. Ведь комната абсолютно темная для нас человеку с инфракрасным зрением представляется буквально залитой светом. Здесь светится все — стены, пол, потолок, мебель. И на этом ровном светящемся фоне ярким пятном выделяется черная кошка, которая на 10–15° теплее окружающих ее предметов.

Если бы, выполнив это странное задание, инфравидец стал осматривать комнату, он обнаружил бы немало интересного. Прежде всего ему в глаза бросились бы ярко сияющие трубы и радиаторы отопления, окруженные дрожащими поднимающимися к потолку светлыми струями нагретого воздуха. Он увидел бы такие же светлые струи и над включенным радиоприемником. Присмотревшись пристальнее, он заметил бы легкое свечение трансформатора, понижающего напряжение, и проводов, по которым течет электрический ток. Одного взгляда ему было бы достаточно, чтобы увидеть: стены, выходящие на улицу, холоднее внутренних стен здания. А щели, через которые холодный воздух врывается в комнату, обнаруживают себя темными линиями на фоне светлых стен.

На улице его ожидали бы не менее удивительные вещи. Зимой наш необычный наблюдатель увидел бы, что над каждым зданием поднимается в небо светлый клубящийся столб нагретого воздуха. Он сразу увидел бы, в каких местах на стенах здания мало изоляции, а где ее чересчур много. Ему не пришлось бы гадать, куда расходуется мощность автомобильного двигателя: светящиеся слабым сиянием шины, тормозные колодки, трансмиссии и нагретые струи воздуха, срывающиеся с обшивки, подскажут ему основные статьи расхода.

Инфравидец всюду обнаружит разности температур, сопровождающие движение людей, животных, транспорта, воды, горных пород, рабочих инструментов, света, электричества. Он видел бы, что нагреваются при ходьбе подметки башмаков, что нагреваются оптические системы, фокусирующие свет, что нагреваются провода, по которым течет ток. Он обнаружил бы, что всякая жизнедеятельность обязательно сопровождается выделением теплоты. Короче говоря, человек, способный видеть тепловые лучи, оказался бы настоящей находкой для человечества. Но, увы, сам человеческий глаз — тоже нагретое тело, и поэтому он тоже излучает инфракрасные лучи. Мощность излучения глазной полости, падающего на сетчатку, столь велика, что будь эти лучи видимыми — сияние собственной ткани глаза затмило бы даже свет солнца!

Природа не случайно лишила нас инфракрасного видения: чтобы различать что-нибудь вокруг, наши глаза в принципе должны быть слепы к инфракрасным лучам. И все-таки ученые ухитрились обойти этот, казалось бы, категорический запрет и создать приборы, позволяющие увидеть невидимое.

Исследователю, вооруженному прибором для инфракрасного видения, черная бумага, картон, эбонит представляются прозрачными, как стекло. Он более «дальнозорок», чем обычный наблюдатель, ибо атмосфера прозрачнее для тепловых лучей, чем для световых: более длинным инфракрасным волнам мелкие пылинки и капельки тумана не помеха. Проходя сквозь атмосферу, инфракрасные лучи, несущие информацию о тепловых процессах на отдаленных небесных телах, ослабляются меньше, чем световые. Исследуя инфракрасные лучи, испускаемые Луной, можно измерить скорость охлаждения ее поверхности, когда она заходит в тень Земли. А по скорости охлаждения можно судить о структуре пород, из которых состоит лунная поверхность.

Современные инфракрасные приборы настолько чувствительны, что если глядеть через них с самолета на Землю, то на ее поверхности можно обнаружить участки, температура которых всего на 2–3° отличается от температуры окружающей среды. С помощью именно таких приборов удалось обнаружить, что лесные массивы регулируют свою температуру: днем, когда светит солнце, они холоднее окружающей среды, ночью — теплее ее. По тепловым картам земной поверхности воочию можно убедиться: зимой в большом городе на 2–3° теплее, чем за городом.

Тепловое излучение с поверхности Земли в какой-то степени отражает подземную структуру нашей планеты, поэтому геологи приспосабливают инфракрасную аэрофотосъемку для поисков нефти и полезных ископаемых. Инженеры-строители применяют ее для определения толщины горных пород при выборе мест строительства, а также для обнаружения мест течи в подземных трубопроводах. Археологи с помощью аэрофотосъемки ищут древние исчезнувшие с лица земли города, которые, однако, оставили под внешним покровом земли следы, иначе излучающие инфракрасные лучи, чем окружающий эти города грунт. Гидрологам инфракрасная аэрофотосъемка помогает находить подпочвенные воды, оценивать содержание воды в почве, наносить на карты русла ручьев и рек в тех случаях, когда они скрыты буйной растительностью.

В начале 1960-х годов с помощью тепловидения стали распознавать симптомы опасных заболеваний раньше, чем другими методами. Так, темные пятна над надбровными дугами, означающие, что их температура ниже температуры других участков лица, свидетельствуют о сужении кровеносных сосудов, предшествующем инсульту — кровоизлиянию в мозг. Инфравидение позволило также обнаруживать злокачественные опухоли, скрытые глубоко под кожей. Скорость деления клеток опухоли больше, чем у здоровой ткани, поэтому ее температура на 1,5–2 °C выше и на инфраграмме она выглядит светлым пятном на темном или сером фоне.

По повышению температуры можно судить о заболевании не только человека, но и растений. Здоровое зеленое растение обычно хорошо отражает падающие на него инфракрасные лучи. Растения больные, высыхающие теряют эту способность. Поэтому с помощью инфракрасной аэрофотосъемки удавалось установить заболевание лесов за три года до появления явных симптомов.

Но остановимся: возможные области применения приборов инфракрасного видения бесконечны, ибо бесконечно разнообразие процессов, происходящих в окружающем нас мире. А всякий реальный процесс в природе, всякое реальное движение обязательно сопровождаются более или менее заметными, более или менее явственными тепловыми эффектами. Не будет преувеличением сказать: тайна рождения многих наук заключается лишь в том, что их основоположники сумели очистить реальные процессы от шелухи «тепловых наслоений». Сделать это легче всего было, конечно, там, где такие «наслоения» были минимальны. Вот именно поэтому раньше всех других наук родилась астрономия…

Глава I МИР, В КОТОРОМ ВСЕ ПОНЯТНО, НО КОТОРОГО НЕТ

«Астрономия первая показала нам, что существуют законы, — писал в начале нашего века знаменитый французский математик и механик Анри Пуанкаре. — Наученные этим опытом, мы лучше разглядели наш собственный мир, где под кажущимся беспорядком нашли ту же гармонию, с которой нас познакомило изучение неба. Наш земной шар тоже подчиняется законам, но они более сложны, находятся в кажущемся противоречии друг с другом, и глаз, не привыкший к иного рода зрелищам, видел бы в мире один лишь хаос и царство случая и каприза».

Какое зримое, какое явственное, какое коренное различие!

Идеальный, но бесконечно далекий от нас мир небесных тел, и реальный, бесконечно близкий, определяющий все наше существование мир родной планеты. С одной стороны — движение миров, предсказуемое на сотни лет вперед, с другой — погода, которую не всегда удается предсказать с уверенностью даже на несколько суток вперед.

Значит, движение атомов и молекул на Земле подчиняется иным законам, чем в космическом пространстве? Значит, физика явлений изменяется по мере их удаления от нас? И если нет (ибо предполагать такую возможность было бы возвратом к тому самомнению, от которого человечество было отучено Коперником и Дарвином), то в чем же различие между движением тел в космосе и на Земле?

Мы не ошибемся, сказав: все это различие имеет своей причиной один-единственный физический процесс — понимаемое в широком смысле слова трение. То есть трение, понимаемое как процесс непосредственного превращения различных форм движения в тепловое движение. В представлении большинства людей трение — это процесс выделения теплоты между двумя движущимися относительно Друг друга твердыми поверхностями. Но ведь теплота выделяется и тогда, когда вязкая жидкость движется в трубе или в канаве. И тогда, когда в самой вязкой жидкости возникают турбулентные вихри. Поэтому такие процессы тоже можно назвать трением. Трением можно назвать и выделение теплоты в проводнике, по которому течет электрический ток. Наконец (пока мы просим читателей поверить нам на слово), трением можно назвать даже такой процесс, как движение теплоты от нагретого к холодному концу теплопроводного стержня.

Накладываясь на идеальные процессы — абстракции, исследованием которых занимается классическая механика, классическая электродинамика, классическая термодинамика, — широко понимаемое трение резко изменяет картину идеального мира, такого, каким он должен был бы быть, если бы в нем выполнялись законы только этих наук.

Действительно, в полном соответствии с законом сохранения энергии все формы движения могут сколь угодно долго и без малейших потерь переходить одна в другую. В принципе, такие взаимопревращения, не затухая, могут продолжаться вечно, и в этом смысле все формы движения равноправны. Но если в цепь, состоящую из механических, электромагнитных, химических и других элементов, включить звено, в котором есть трение, электрическое сопротивление или теплопроводность, картина меняется. Каждое из таких звеньев оказывается своеобразной ловушкой, в которой различные формы движения превращаются в тепловое. А это превращение принципиально отличается от остальных тем, что оно никогда не может быть полностью обратимым. Вот почему включение подобного звена в цепь взаимопревращений приводит к тому, что движение в цепи затухает, и тем быстрее, чем больше трение.

В действительности идеальных элементов, в которых трение отсутствовало бы полностью, нет. Поэтому во всякой реальной цепи, в каждом элементе с той или иной интенсивностью выделяется теплота, и всякий процесс поэтому со временем затухает. Чтобы возобновить или поддержать его, бессмысленно подводить к цепи выделившуюся из нее теплоту. Для этого надо питать ее либо электрическим током, либо приводить в движение механическим двигателем. Таким образом, трение, генерирующее в цепи тепловое движение, делает процесс необратимым. Именно в этой необратимости лежит фундаментальное различие между воображаемым идеальным миром, в котором все процессы полностью обратимы и вечны, и реальным, в котором все процессы в большей или меньшей степени необратимы и потому рано или поздно затухают.

Не случайно немецкий физик Макс Планк — глубокий знаток термодинамики и создатель теории квантов — не уставал твердить: «В теоретической физике будущего самой важной классификацией будет подразделение физических процессов на обратимые и необратимые».

«Различие между обратимыми и необратимыми процессами гораздо глубже, чем, например, между электрическими и механическими процессами».

«Это различие с гораздо большим правом, чем какое бы то ни было другое, может служить основанием для классификации всех физических процессов, и играет в физическом мировоззрении будущего главную и незаменимую роль».

Чтобы убедиться в правоте выдающегося термодинамика, попробуем представить себе, как выглядел бы окружающий нас привычный мир, если бы удалось устранить из него трение и сделать его полностью обратимым. Такой мир едва ли покажется вам проще, чем тот, в котором мы живем…

УСЛОЖНЯЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ УПРОЩАЮЩИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВ

Если наблюдение движения звезд и планет в космосе породило представление об обратимом мире, как о мире стройных закономерных движений, то полеты в космосе показали, что мир этот отнюдь не проще, а, может быть, даже и сложнее нашего, земного. То, что на Земле не порождает никаких затруднений, порой превращается в настоящую проблему в космосе.

Замедлить движение автомобиля нетрудно — достаточно лишь нажать на тормоз, и кинетическая энергия движения автомобиля интенсивно превращается в теплоту. В результате тормозные колодки нагреваются, а скорость автомобиля уменьшается. Достаточно заглушить двигатели самолета, и скорость аппарата сразу же снижается из-за превращения его кинетической энергии в теплоту вследствие сопротивления воздуха.

Нетрудно изменить траекторию самолета, накренить его, компенсировать перемещение пассажиров в салоне с помощью рулей и элеронов. В космосе все это гораздо сложнее. Каждое перемещение космонавта вызывает противоположное ему перемещение всего корабля. Космонавт и его корабль как бы непрерывно «танцуют», то приближаясь, то удаляясь от их общего центра тяжести. Если мы хотим избежать этого, если мы хотим изменить ориентацию корабля в пространстве, каждое движение мы должны компенсировать струями газов, выбрасывая их в направлениях, строго противоположных перемещениям космонавтов. Эти порции газов, не тормозясь, уносятся в космическое пространство, и могут рассматриваться как своеобразный отпечаток всех совершенных космическим кораблем маневров.

В земных условиях этого не происходит, энергетический отпечаток полета не сохраняется, и даже теоретически невозможно установить, какие маневры совершал самолет. Почему? Да потому, что здесь действует могучий механизм необратимости. Струи отклоняемого рулями и элеронами воздуха, необходимые для изменения направления полета или ориентации аппарата в пространстве, быстро тормозятся в атмосфере. Из-за трения их кинетическая энергия переходит в тепловую, которая затем за счет теплообмена распространяется на всю атллосферу. В результате единственным следствием всех маневров самолета и вообще всего его полета оказывается ничтожное повышение температурь: всей земной атмосферы.

Избалованные этим драгоценным свойством нашей атмосферы, мы далеко не всегда представляем себе, от каких катастрофических последствий спасает нас необратимость происходящих на Земле процессов. Чтобы получить об этом хотя бы отдаленное представление, попробуем пофантазировать — что произойдет, если наложить запрет на все разновидности трения, если сделать невозможным прямой переход различных форм движения в тепловую и если предотвратить непосредственный теплообмен между горячими и холодными телами?

Прежде всего, окружающий нас мир станет, если так можно выразиться, «импульсным». Сейчас нам кажется естественным, что для движения автомобилей, кораблей, самолетов необходимы непрерывная работа их двигателей, непрерывное действие на них движущей силы колес, винтов, реактивных струй. В обратимом мире моторы не нужны. Все поездки и перевозки будут производиться катапультами. Они будут разгонять до нужной скорости экипажи, которые потом помчатся до нужного пункта назначения по инерции. В пункте назначения остановить их с помощью тормозов невозможно. Поэтому здесь придется ставить ловушку-катапульту. Улавливая экипаж, она будет обратимо запасать энергию в виде сжатого воздуха, пружин или поднятых грузов. Эта энергия может быть использована позднее для ускорения экипажа при отправлении.

Правда, такая картина наблюдалась бы лишь в идеальном случае. На практике — если бы она была возможной — мы наверняка столкнулись бы с неприятными вещами. Так, неизбежные неровности пути, направляющее действие рельсов или канатов на движение экипажа приводило бы к тому, что кинетическая энергия его поступательного движения непрерывно переходила бы в энергию всевозможных колебаний экипажа, в энергию звуковых колебаний рельсов и кузова.

И что самое страшное — эти колебания не затухали бы, а непрерывно усиливались. Прекратить их с помощью всякого рода демпферов, поглотителей, звуковой изоляции невозможно: все эти устройства работают на принципе необратимого превращения механических и звуковых колебаний в тепловое движение. Единственным спасением здесь могли бы быть, вероятно, какие-то аккумуляторы, способные запасать и сохранять энергию движений во вращающихся маховиках, пружинах и т. д. Из-за чисто механических потерь экипаж, выпущенный катапультой, не смог бы достичь пункта назначения без соответствующего запаса энергии на борту, также хранящейся в маховиках, пружинах или электромагнитных накопителях.

В обратимом мире воздух, как и все другие газы и жидкости, утратил бы свою вязкость и стал бы сверхтекучим. Поэтому самолеты в полете не испытывали бы лобового сопротивления. Зато сколько неприятностей доставило бы нам создание подъемной силы крыла! Энергия катапульты, разгоняющей самолет, затрачивалась бы не только на его ускорение, но и на создание незатухающего вихря, который, хотя и остается на аэродроме, необходим для того, чтобы на крыле возникла подъемная сила. Если нет концевых потерь — а это возможно лишь тогда, когда самолет летит между двумя стенками, касаясь их кончиками крыльев, — он может летать по инерции сколь угодно долго и сколь угодно далеко. Но если стенок таких нет, на кончиках крыльев воздух непрерывно перетекает снизу вверх и порождает длинные вихревые «усы». Сбегая с концов крыльев, эти «усы» уносят кинетическую энергию движущегося самолета, поэтому для компенсации потерь на борту самолета придется устанавливать непрерывно работающий двигатель.

Вихри и «усы» возникают не только в обратимом мире. Возникают они и у самолетов, летающих в нашей земной атмосфере. Но здесь вследствие необратимости они быстро исчезают: их энергия превращается в теплоту, атмосфера от этого нагревается и усиливается излучение тепла в космос. В обратимом мире кинетическая энергия неуничтожимых вихрей непрерывно накапливалась бы по мере развития авиационного транспорта, пока не было бы достигнуто состояние «постоянной нелетной погоды».

А реки? Если бы в привычном нам мире не было теплообмена, температура воды в низовьях рек вследствие нагрева от трения была бы выше, чем в верховьях. Нетрудно рассчитать, что ледяная вода, низвергаясь с высоты 42,7 км, у подножия такой небывалой горы начала бы кипеть. Действительно, работа, совершаемая при опускании 1 кг воды с высоты 42 700 м, равна 42 700 кгм. Разделив эту величину на 427 кгм/ккал — механический эквивалент теплоты, — мы получим 100 ккал.

А поскольку теплоемкость воды 1 ккал/кг°С, ясно, что температура воды, низвергшейся с такой горы, будет равна 100 °C. Пропустив поток через гидротурбины, мы могли бы в принципе сохранить температуру воды неизменной, зато каждый килограмм произвел бы колоссальную механическую или электрическую работу — 42,7 тыс. кгм! Отсюда вытекает неожиданный вывод — гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию за счет охлаждения воды. Вывод, способный озадачить гидроэнергетиков.

Теперь представьте себе, что вся эта энергия не превращается в тепло и не отбирается в виде электроэнергии. Непрерывно ускоряясь, мчалась бы сверхтекучая вода рек в Мировой океан, и, вливаясь в него, она порождала бы неуничтожимые, все время усиливающиеся течения и волны, ввергающие океан в состояние непрерывно крепнущего шторма.

В обратимом мире «импульсный» характер был бы свойствен не только механическим, но и электромагнитным движениям. Так, все электропроводники превратились бы в сверхпроводники и их сопротивление исчезло бы. Ом не смог бы открыть своего закона: в обратимом мире такого закона просто не существовало бы. Зато «не вмешивающийся» в течение тока сверхпроводник чрезвычайно облегчил бы Фарадею открытие законов электромагнитной индукции. Причем электродинамика в обратимом мире выступила бы в очищенном, идеализированном виде, не затемненная эффектами необратимости. Например, обычная электродинамика не симметрична: в ней постоянный электрический ток создает магнитное поле, а постоянное магнитное поле не порождает постоянного электрического тока. Поэтому для генерирования тока электротехники вынуждены помещать проводники в магнитное поле непрерывно меняющееся во времени, что и приводит к несимметричности электродинамических уравнений. В обратимом мире симметрия постоянного тока и постоянного магнитного поля восстанавливалась бы. Достаточно втолкнуть сверхпроводящее кольцо между полюсами постоянного магнита — и в кольце толчком, импульсом наводится постоянный ток, не нуждающийся для своего дальнейшего поддержания в непрерывном подводе энергии от аккумуляторов или генераторов.

Нагревание и охлаждение были бы настоящей проблемой в обратимом мире. Отсутствие теплообмена превратило бы стены домов, все вещества в абсолютные теплоизоляторы. Электроплитки и печи не смогли бы работать в обратимом мире — превращение электрической энергии в тепловую, как и горение топлива, безусловно запрещены. Впрочем, если бы даже они и работали, от них все равно не было бы никакого толку: из-за отсутствия теплообмена неопределенно долго могут соседствовать нагретый до миллиона градусов газ и стенки сосуда. Жидкий кислород можно смело хранить в одной банке с расплавленным чугуном, а человек с равным успехом мог бы купаться в расплавленной лаве вулканов и в ледяной воде арктических морей.

Одежда и жилище в таком мире, естественно, утратили бы одно из своих основных назначений — защищать человека от холода и жары. Температура, с которой младенец появляется на свет, в обратимом мире чудесным образом сохранялась бы на всю жизнь.

Итак, со всем, что касается выработки, передачи и сохранения энергии, со всем, что касается перемещения и транспортировки, в обратимом мире дело обстоит неплохо, хотя в обмен за это мы получаем некоторые неожиданные и весьма катастрофические последствия. Но дело не исчерпывается одними этими катастрофами. Вся беда в том, что требование обратимости, по сути дела, налагает запрет практически на любое потребление энергии.

Действительно, в обратимом мире различные формы движения можно сколь угодно долго и без всяких потерь превращать одну в другую, но их невозможно употребить на что-нибудь полезное для человека, так как в таком мире невозможна никакая обрабатывающая промышленность. Вдумайтесь, например, куда девается сейчас энергия, вырабатываемая электростанциями земного шара. Парадоксально, но факт: вся она превращается в теплоту на фабриках, заводах, шахтах. Но зато ценой такого превращения мы достигаем того, что из руды получается металл, из металлических листов — детали, из древесины — бумага, из волокон — ткани. Короче говоря, ценой превращения работы в теплоту мы необратимо преобразуем лицо нашей планеты.

Стоит лишь изгнать из окружающей нас природы необратимость — и привычный мир развалится на глазах. Ткани, веревки, канаты, бумага расползутся на отдельные волокна. Металлы станут абсолютно упругими, и их обработка будет невозможна. Гвозди и шурупы повыскакивают из стен, раскрутятся все винты и гайки, мгновенно соскользнет наземь все, что сейчас держится силой трения.

Больше того, обратимый мир оказался бы настоящей копилкой всех звуков, произведенных или произнесенных на Земле. Уже одно это сделало бы невыносимым наше существование, ибо негде укрыться от чудовищной какофонии, в которой соседствовали бы все удары грома, происшедшие на земле, все выстрелы и взрывы, все автомобильные, паровозные и пароходные гудки, разговоры и крики всех людей, когда-либо живших на нашей планете…

Вот от каких катастрофических последствий избавляет нашу жизнь необратимость, порождаемая трением — процессом непосредственного превращения различных форм движения в тепловое движение. Вот почему, если говорить не об идеальных процессах, нет ни одной области физики, к которой не имела бы отношения термодинамика — учение о теплоте.

Мы уже писали, что зарождение и развитие любого из разделов физики начиналось тем раньше и легче, чем меньше изучаемые в этом разделе процессы зависели от трения и чем, следовательно, проще было идеализировать их, то есть мысленно очистить от порождаемых необратимостью тепловых эффектов.

Чтобы оценить величие основоположников термодинамики, мы должны ясно понимать: им надлежало идеализировать, очистить от необратимости сами тепловые эффекты! Забегая вперед, скажем: им удалось установить, что тепловое движение наделено некоей двойственностью. С одной стороны, существует огромный класс явлений, в которых тепловое движение в принципе выступает, как говорится, «на равных» с другими формами движения и ничуть «не хуже» механического, электрического, магнитного, химического и т. д. С другой — есть множество процессов, в которых тепловое движение, порождаемое трением, играет особую роль, принципиально отличается от всех других форм движения. Другими словами: не всякий тепловой процесс должен быть необратимым, но всякий необратимый процесс должен быть тепловым. Идеализация, то есть устранение трения из всех изучаемых процессов, в том числе и тепловых, равнозначна превращению физики в некую обобщенную механику, в которой нет принципиального различия между механическими, электромагнитными, химическими, световыми и даже тепловыми процессами. Все эти процессы в обобщенной механике полностью обратимы и все формы движения полностью и без всяких потерь могут сколь угодно долго переходить одна в другую. Но прежде чем была достигнута такая ясность, создателям термодинамики пришлось пройти весьма мучительный путь, изобиловавший такими драматическими моментами, каких, быть может, и не найдется в истории других наук…

ПРИКЛЮЧЕНИЯ ТЕПЛОРОДА

Научные теории подобны мышам, утверждал некогда Вольтер. Как мышь может счастливо проскочить девять мышеловок и попасть в десятую, так и научная теория, удачно объяснившая девять фактов, может быть опровергнута одним-единственным десятым. Эксперименты баварского министра внутренних дел графа Румфорда как раз и оказались такой «десятой мышеловкой» для теории теплорода.

XVIII век вошел в историю физики как эпоха невесомых материй — импондерабилий. Будучи не в состоянии найти хоть что-нибудь общее в механических, оптических, электрических, магнитных явлениях, ученые тех времен с большой легкостью плодили всевозможные материи и жидкости — электрическую, магнитную, световую и т. д. Убедившись в безрезультатности всех попыток взвесить их, они пришли к выводу, что жидкости эти — невесомые. Была придумана соответствующая жидкость — теплород — и для объяснения тепловых процессов. Нужно признать: теплород сослужил хорошую службу науке. Он внес известный порядок в хаос накопленных к тому времени фактов. Он позволил выделить из массы явлений окружающего мира явления чисто тепловые. Следуя теории теплорода, плеяда блестящих экспериментаторов заложила основы современной калориметрии. И вольно или невольно мы и по сию пору отдаем дань уважения достижениям этой теории, когда произносим терм-ины «теплоемкость», «теплопроводность», «теплота парообразования», «теплота плавления». Но был один факт, который вызывал смутное беспокойство у сторонников теплородной теории. Факт этот — выделение теплоты при трении. Чтобы не отказаться от множества объясненных с помощью теплорода явлений, ученые попытались приспособить теорию и для толкования этого процесса.

Первое, что пришло им в голову, — рассматривать нагрев при трении как «выжимание» теплорода из тел. Позднее они стали более тонко объяснять этот эффект уменьшением теплоемкости при трении, а образование теплоты — освобождением теплорода из химически связанного состояния. Все это получилось так удачно, что из факта, противоречащего теории, трение превратилось в факт, подтверждающий ее.

И вот на тебе: Румфорд поставил опыты, убийственные для такой удобной теории. Он доказал: трением двух тел можно получать большие, быть может, даже неограниченные количества теплоты. Его эксперименты лишили хитроумные объяснения приверженцев теплорода всякого смысла. Убедительности румфордовских опытов способствовали их поистине министерские масштабы. Вместо пробирок, реторт, жаровен, характерных для научных лабораторий тех лет, баварский министр пользовался сверлильными станками, пушечными стволами и конями-тяжеловесами мюнхенского цейхгауза.

В одном из опытов тупое сверло, прижатое к бронзовой болванке с силой 4500 кг, уже через 30 мин, сделав всего 960 оборотов, нагрело ее почти на 40 °C. Откуда берется такое огромное количество теплоты? «Выжимается» из стружек? Но их слишком мало. Может быть, из воздуха, поступающего внутрь отверстия при сверлении?

Чтобы закрыть доступ воздуху, Румфорд поместил весь прибор в сосуд с водой. Медленно, со скоростью всего 32 об/мин начало вращаться сверло, и спустя два с половиной часа к величайшему изумлению окружающих вода в сосуде начала кипеть. Это убедило Румфорда в том, что из тела можно получать теплоту в неограниченном количестве «без перерыва или пауз и без всяких признаков ослабления или истощения». А такой вывод никак не мог быть увязан с теорией теплорода: то, что в неограниченном количестве может быть получено за счет движения, само должно быть движением. Следовательно, тепловые явления — явления движения.

И все-таки можно понять нежелание ученых признать опыт Румфорда. Невесомые материи сыграли очень большую роль не только потому, что позволяли произвести какую-то классификацию физических явлений. Оказывается, они позволяли довольно точно описывать явления до тех пор, пока не происходило взаимных превращений одних форм движения в другие, пока изучались процессы чисто электрические, чисто оптические, чисто тепловые. Поэтому вплоть до наших дней сохранили свою научную ценность данные электростатики, геометрической оптики, калориметрии, полученные на основе невесомых жидкостей еще в XVIII веке.

Но как только дело доходило до взаимопревращения различных форм движения, наука XVIII века заходила в тупик. Опыты с трением, в которых механическое движение переставало быть механическим и превращалось в теплоту, не случайно стали камнем преткновения для ученых того времени. Как ни парадоксально, эти опыты, которые для нас — ярчайшее подтверждение принципа сохранения, тогдашним ученым казались вопиющим нарушением именно этого принципа. Внутренним чутьем ученые всегда угадывали: материя не появляется из ничего, ее нельзя уничтожить без следа или сотворить в любых количествах. Этот неизреченный, не сформулированный точно принцип распространяли они, естественно, и на невесомые материи. Из того, что у них не было веса, вовсе не следовало, что их можно уничтожить. Количество теплорода, светового вещества, магнитной и электрической жидкости в окружающем нас мире должно оставаться постоянным. Да, они могут переходить из тела в тело. Да, они могут «скрываться» и «выжиматься», но они не могут быть ни уничтожены, ни созданы вновь.

Теперь мы можем понять чувства ученых XVIII века, на глазах которых под тупым сверлом непрерывно и в неограниченных количествах создавался теплород. Наверное, они чувствовали себя примерно так же, как современный ученый, перед которым поставили бы настоящий, без всяких обманов работающий вечный двигатель…

Итак, непонятная двойственность тепловых явлений дала о себе знать с самого начала. В отличие от всех других невесомых жидкостей теплород выступал в двух обличьях: то в виде неуничтожимой жидкости — в процессах теплопроводности, теплоемкости, плавления, то в виде особого сорта движения, которое можно было генерировать в процессах трения в любых количествах.

Взглянув на дело с современной точки зрения, мы должны отметить любопытную деталь: все эти процессы существенно необратимы. Так, в румфордовских опытах теплота добывалась с помощью трения — непосредственного превращения механического движения в тепловое. В процессах нагрева с помощью теплопроводности и теплоемкости срабатывал другой механизм необратимости — непосредственный теплообмен — передача теплоты от горячих тел к холодным. Выходит, в первых научных исследованиях тепловые процессы представали взорам ученых в неочищенном, завуалированном необратимостью виде. И необратимость так коварно упрощала тепловые явления, ее последствия казались столь естественными и принципиально свойственными тепловому движению, что очищение тепловых процессов от последствий необратимости мог произвести именно гений, достижения которого далеко не сразу могли быть восприняты не только его современниками, но и учеными последующих поколений…

Таланты Лазара Карно — видного деятеля Великой Французской революции и талантливого математика, механика и инженера — разделились поровну между двумя его сыновьями. Младший — Ипполит стал политическим деятелем, социологом, министром. Старший — Сади оказался гениальным ученым. Имя младшего гремело при жизни и было почти забыто после его смерти. Старший, наоборот, приобрел мировую известность через много лет после смерти. Славу ему принесла единственная опубликованная им в 1824 году книжечка в 40 страниц — «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Говорили, что основную идею этого сочинения подсказал Сади его отец, который в своей книге «Основные начала равновесия и движения» писал: «…необходимо возвыситься до возможно большей общности, не останавливаться ни на какой конкретной машине, не пользоваться аналогиями, но исходить из основных аксиом механики». Хотя эта мысль действительно лежит в основе «Размышления о движущей силе огня», это нисколько не умаляет заслуг Сади Карно перед наукой. Идеализация, необходимая для анализа тепловых машин, потребовала от него такого проникновения в суть дела, такой смелости и глубины мышления, что подсказка, какой бы ценной она ни была, едва ли могла сыграть решающую роль.

Бросив свет понимания на работу тепловых двигателей, показав, что развитие их пойдет по пути повышения температуры пара, разъяснив, что простая, не сопровождающаяся повышением начальной температуры пара замена воды в паровых машинах ртутью, серой и другими веществами ничего не даст, Карно навсегда завоевал на свою сторону сердца инженеров-теплотехников. И этим оказал неожиданно мощную поддержку теории теплорода…

Как это ни удивительно, Карно — сторонник теории теплорода. По его убеждению, эта невесомая, но неуничтожимая материя может быть уподоблена воде, приводящей в движение мельничное колесо. Количество воды остается все время неизменным, работа же совершается за счет простого падения воды с высокого уровня на низкий. Чем больше напор — разность уровней, тем большую работу совершает один килограмм воды. В принципе, считал Карно, тепловые двигатели работают примерно так же. Разность температур в котле и в конденсаторе подобна разности уровней воды. Теплород эквивалентен воде, его количество неизменно, и в конденсатор попадает ровно столько теплорода, сколько выходит из котла. Приняв за аксиому неуничтожимость теплорода, Карно особенно ясно понял принципиальную важность разности температур в котле и в конденсаторе для работы тепловых машин. Подобно тому как огромные количества воды в океане бесполезны для получения работы, поскольку воде некуда стекать, так и огромные количества теплового движения, по сути дела, мертвы, если нет перепадов температур, нет стока для теплорода. Карно доказывал: мало иметь источники теплорода, надо еще иметь и резервуары, в которые он мог бы стекать.

При чтении «Размышления о движущей силе огня» видно, что Карно выступает прежде всего как инженер (кстати, он и был капитаном именно инженерных войск французской армии). Главное для него — исследование машины, то есть чисто инженерная задача. Очищение же тепловых процессов от необратимости — величайшее научное достижение — для него не более чем вспомогательный прием. Не удивительно, что успешное решение первой задачи поразило современников гораздо сильнее, чем гениальное решение второй.

После исследования Карно, еще больше укрепившись в мысли о неуничтожимости теплорода, ученые постарались не только отмахнуться от экспериментов Румфорда, но и долго отказывались всерьез обсуждать вдохновенные прорицания немецкого врача Роберта Майера и скрупулезные опыты манчестерского пивовара Джеймса Джоуля. Эти незнакомые и непохожие люди пришли к закону сохранения энергии независимо друг от друга. Оба они установили, что «движущая сила» сохраняется при изменениях любых форм движения. Однако Майер решил проблему в общем виде, взяв переход механической работы в теплоту как частный случай; а Джоуль, наоборот, — сначала экспериментально определил механический эквивалент теплоты, а потом высказал мысль, что, по-видимому, и при всех других превращениях «движущая сила» сохраняется.

Ученый мир по-разному отнесся к трудам этих непрофессионалов, не принадлежавших к ученой корпорации. Статьи Майера, появлявшиеся с 1842 года, просто никто не воспринял всерьез и не заметил: врач, берущийся учить физиков, новые взгляды вместо новых экспериментов… Нет, не стоит внимания! Сбросить же со счетов опыты Джоуля было не так-то просто.

В 1843 году британские ученые встретили сообщение Джоуля о том, что механическую работу можно превратить в теплоту, гробовым молчанием. Год спустя Королевское общество отказалось принять его статью, в которой в противовес Карно доказывалось, что пар, расширяющийся в цилиндре, теряет теплоту и что в конденсатор ее попадает меньше, чем выходит из котла. В 1845 году в Кембридже Джоуль делает доклад о том, что вода после водопада должна быть теплее, чем до него, и даже вычисляет этот прирост температуры для Ниагарского водопада — 0,11 °C. Еще через два года в Оксфорде он выступает с новым докладом, после которого собравшиеся физики обвиняют его в том, что свои слишком далеко идущие выводы он делает на основе каких-то сотых долей градуса.

Во время одного из этих выступлений и состоялась первая встреча Джоуля с молодым профессором Вильямом Томсоном — будущим лордом Кельвином. Слушая Джоуля, Томсон — знаток и поклонник Карно — испытал желание встать и доказать манчестерцу, что он не прав. «Но по мере того, как я слушал его, — вспоминал потом Томсон, — я понял: хотя в выводах Карно и есть зерно истины, от которого нельзя отказаться, Джоуль тоже прав и сделал великое открытие».

В течение нескольких лет Томсон, ставший другом Джоуля, не мог принять его взглядов. Он делал вместе с ним опыты, пытался измерять нагревание воды в водопадах, много размышлял о взаимопревращениях работы и теплоты. «Может оказаться, — думал он, — что разрешение этой проблемы потребует отказа от фундаментального положения Карно… Если мы сделаем это, мы столкнемся с бесчисленными новыми трудностями. Для их преодоления понадобятся новые эксперименты и перестройка всей теории теплоты до самых ее основ». И вот, когда Томсон, убежденный опытами Джоуля, уже начал сомневаться в принципе Карно, его родной брат Джеймс, основываясь на этом принципе, предсказал, что температура замерзания льда должна понижаться при увеличении давления. Тут только Томсон начал догадываться: быть может, принцип сохранения энергии не так-то уж противоречит принципу Карно. Но окончательно разрешить проблему довелось не ему…

Всего через несколько месяцев появилась статья немецкого физика Рудольфа Клаузиуса. «Вовсе не надо отбрасывать теорию Карно, — писал он. — Весьма возможно, что при получении работы оба процесса имеют место: какое-то количество теплоты подводится, какая-то часть передается от нагретого тела к холодному, и обе эти величины находятся в определенном отношении к произведенной работе».

Что же получалось?

Карно дал глубокие и правильные заключения о принципах работы паровых машин, считая, что теплород в них не уничтожается. А Клаузиус утверждал: эти глубокие и правильные заключения требуют, чтобы теплород в процессе получения механической работы в машинах уничтожался..

Сложилось положение, поистине труднодоступное для понимания. И тем не менее оно не было безнадежным…

СОМНОЖИТЕЛИ ТЕПЛОТЫ

Когда Сади Карно начал размышлять о движущей силе огня, ему прежде всего пришлось задуматься над тем_; какой должна быть идеальная тепловая машина. Ему надо было в реальной, покрытой копотью, стучащей и вибрирующей машине увидеть никому еще не ведомую идеальную и указать на те особенности и процессы, которые отличают машины реальные от идеальных. И Карно сделал это в форме, изумительной по глубине понимания, ясности и краткости.

«В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, — писал он, — не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема… (выделено мной. — Г. С.). Всякое изменение температуры, обязанное не изменению объема, обязательно происходит от непосредственного перехода теплорода от более или менее нагретого тела к телу более холодному. Этот переход имеет, главным образом, место при соприкосновении тел с различной температурой: такие соприкосновения должны быть уменьшены насколько возможно». Чтобы оценить всю глубину и изящество формулировки Карно, нужно понять, что такое изменение температуры, происходящее не от изменения объема.

Всегда, когда мы, прикладывая усилия, производим какое-то перемещение, мы совершаем работу против тех или иных сил. Скажем, растягивая или закручивая стальной стержень, мы совершаем работу против упругих сил. Накачивая воздух в автомобильную камеру — против сил давления. Вталкивая электрически заряженное тело в электростатическое поле — против сил этого поля и т. д. Чтобы вычислить произведенную в каждом из этих случаев работу, нужно умножить обобщенную силу (силу, крутящий момент, давление) наразность соответствующих обобщенных координат (путь, угол поворота, изменение объема).

Наличие обобщенной силы — необходимое, но не достаточное условие для совершения работы. Вы можете с какой угодно силой давить на стержень, но если он не начал деформироваться, никакой работы не совершается. Поток пара, протекающий с огромной скоростью через турбину с заклиненным ротором, может создавать на валу огромный крутящий момент, но пока ротор не начал вращаться, турбина не совершает никакой работы. Давление в цилиндре двигателя может быть сколь угодно велико, но пока не начал изменяться рабочий объем, то есть пока не начал двигаться поршень, газ не совершает работы. Таким образом, чтобы система могла совершать работу, требуется наличие двух сомножителей: обобщенной силы и разности обобщенных координат.

И вот что важно: какие бы формы движения мы ни рассматривали — механические, электрические, магнитные, все они совершают, если так можно выразиться, одну и ту же — качественно — работу — механическую. Поэтому и совершение этой работы всегда связано с изменением объема или пространственного расположения частей системы. Если абсолютно жестко зафиксировать внешние координаты любой системы, она в принципе не сможет обмениваться работой с окружающей средой. Но такая фиксация не помешает системе взаимодействовать со средой принципиально иным способом — термическим. Как бы жестко ни были зафиксированы все внешние обобщенные координаты системы, это не сможет помешать ей получать или отдавать теплоту. Нужно только, чтобы между системой и окружающей средой существовала разность температур. И как для вычисления механической работы мы должны были обобщенную силу умножать на разность обобщенных координат, так и для вычисления термической работы — теплоты — мы должны термическую силу умножить на разность «термических» координат. Нетрудно сообразить, что термическая сила — это температура. А вот с термической координатой дело обстояло сложнее. Ее ввел в научный обиход Р. Клаузиус, который дал ей название энтропия.

Вот какой сюрприз преподнесло ученым тепловое движение! Почти сто лет они исследовали его, устанавливали законы, производили эксперименты, не подозревая о существовании такой важной величины. Поставьте-ка себя в положение людей, изучающих законы движения и не имеющих понятия о пространственных координатах! Правда, надо прямо сказать: энтропия относится к числу весьма загадочных величин главным образом потому, что она не поддается непосредственному измерению и может быть вычислена лишь косвенным путем. Но физический смысл этой величины прост: она — неотъемлемое свойство именно теплового движения. Если повышение температуры не всегда свидетельствует о подводе к телу теплоты, то увеличить энтропию тела невозможно никаким иным путем, кроме подвода теплоты — либо от другого тела, либо за счет внутренних необратимых процессов.

Эта важная физическая величина сразу же внесла стройность и ясность в понимание многих процессов. Так, в доте-плородный период большинство ученых отождествляло теплоту и температуру, считало, что это одно и то же. Теория теплорода провела между ними различие — и это ее огромная заслуга. Однако температура продолжала считаться главнейшим атрибутом теплового движения: ее повышение рассматривалось как важнейший признак подвода теплоты к телу. После введения понятия энтропии такое заблуждение стало невозможным. Как совершение механической работы нельзя себе представить без изменения обобщенных координат, так и обмен теплотой не может происходить без изменения энтропии. Поэтому о подводе или отводе теплоты следует судить не по изменению температуры тела, но по изменению его энтропии. Если энтропия увеличивается — это всегда означает, что к телу подводится теплота, если уменьшается — теплота отводится. Механическое сжатие и расширение, электризация, намагничивание, упругая деформация, то есть любое нетермическое воздействие, не влияют на изменение энтропии.

Отсюда вытекает неожиданное следствие: оказывается, можно менять температуру любого вещества, не подводя к нему теплоту! И действительно, если в идеально теплоизолированном сосуде сжать, к примеру, газ, его температура может быть доведена до сотен и даже тысяч градусов. Но поскольку такой нагрев производится не за счет подвода тепла, а за счет механического уменьшения объема, энтропия газа остается неизменной! Если сжатому и раскаленному газу дать возможность, не обмениваясь теплотой, расшириться до начального давления, он совершит механическую работу, в точности равную той, которая была затрачена на сжатие, и охладится при этом до первоначальной температуры. Таким образом, газ, заключенный в абсолютно непроницаемую для теплоты оболочку, представляет собой род идеальной пружины, воспринимающей, запасающей и полностью возвращающей назад всю подводимую к ней механическую работу. Такие теплонепроницаемые оболочки и протекающие в них процессы получили название адиабатических.

Но если можно повышать и понижать температуру газа не подводя и не отводя теплоты, то не должны ли существовать и такие процессы, в которых подвод и отвод теплоты не приводят к изменениям температуры? Такие процессы не только возможны теоретически, но каждый из нас сталкивается с ними ежедневно. Достаточно лишь взглянуть на чайник, стоящий на огне. Когда вода в нем начинает кипеть, температура перестает расти и сохраняется постоянной, хотя теплота к воде продолжает подводиться. Чтобы как-то объяснить это странное явление, шотландец Блек в XVIII веке ввел понятие «скрытой теплоты парообразования». Но, по правде говоря, трудно придумать что-нибудь менее скрытое, чем эта теплота. Когда при подводе теплоты температура тела остается постоянной, то есть когда процесс изотермический, — сильно увеличивается его объем, и вся подведенная к нему теплота превращается в механическую работу.

Вот теперь-то мы и можем оценить величие и гениальную проницательность Сади Карно. Во времена, когда ничего не было известно об энтропии и об ее связи с теплотой, работой и температурой, он сумел понять: чтобы в машине не было «ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема», необходимо использовать в ней только изотермические и адиабатические процессы. Переведя это на современный язык, мы легко увидим, что означает это требование. По мнению Карно, в идеальной машине должно отсутствовать выравнивание температур путем непосредственного теплообмена, то есть теплообмена, не сопровождающегося соответствующим совершением механической работы…

Выходит, для построения — конечно, только воображаемого — идеальной тепловой машины не требуется ничего сверх того, что должно выполняться в обратимом мире. А именно: в ней не должно происходить непосредственного теплообмена между нагретыми и холодными частями и непосредственного превращения механического движения в тепловое. Таким образом, тепловая форма движения, будучи идеализирована, то есть очищена от необратимых процессов, оказывается ничуть не хуже других форм движения и вполне естественно и закономерно вписывается в картину обратимого мира.

Вот почему изучение теплового движения доставило ученым столько хлопот, недоумений и мороки, вот почему столько путаницы породил не очень четко определенный термин — теплород. Те ученые, которые исследовали необратимый процесс теплопроводности, получали убедительнейшие доказательства: теплород — неуничтожимая жидкость. Другие, изучая необратимое превращение механической работы в теплоту, получали не менее убедительные доказательства: теплород не жидкость, а вид движения и может быть получен в любых количествах. Наконец, третьи, сосредоточившие свое внимание на изучении обратимого превращения теплового движения в механическое, получали третий результат: при протекании идеальных — по-нашему, обратимых — процессов суммарное количество теплорода остается неизменным.

Зная разницу между работой, теплотой и энтропией, нетрудно истолковать эти опыты и показать: все были правы по-своему. Так, в процессах теплопроводности работа равна нулю, количество теплоты постоянно, а суммарная энтропия участвующих в процессе тел растет. При превращении работы в теплоту работа исчезает, теплота возникает, а суммарная энтропия тел, участвующих в процессе, растет. Наконец, в обратимых процессах преобразования теплоты в работу теплота исчезает, механическая работа возникает, а суммарная энтропия сохраняется постоянной. Таким образом, если ученые, занимавшиеся исследованием необратимых процессов, под термином теплород подразумевали теплоту, то Карно под этим словом подразумевал нечто сходное с энтропией, хотя, конечно, он и понятия о ней не имел. Тем не менее справедливо одно: если в трактате Карно слово теплород всюду заменить словом энтропия, справедливость всего в нем сказанного ничуть не пострадает…

Вот почему исследователи необратимых процессов были правы, когда говорили, что количество теплорода (читай теплоты) может оставаться постоянным в процессах необратимого теплообмена или безгранично возрастать за счет механической работы в процессах необратимого трения. Но и Карно был прав, когда утверждал, что теплород (читай энтропия) не исчезает в идеальной тепловой машине, а как бы перетекает с верхнего уровня на нижний. Разнобой в выводах свидетельствовал не о разнобое в природе вещей, а о разнобое в понимании термина теплород. Вот почему согласование опытов Джоуля и принципа Карно потребовало не перестройки теории теплоты до самых ее основ, чего так опасался Вильям Томсон, а выработки ясных и строго определенных научных понятий теплоты и энтропии.

По всем иллюстрациям этой книги вас проведут два героя. Один из них — Силач убежден во всемогуществе механического движения, другой — Огнепоклонник приписывает решающую роль тепловому движению. Кто из них прав? Оказывается, правы оба, ибо механическое и тепловое движения неразрывно связаны между собой. Чтобы убедиться в этом, проделаем вместе с нашими героями небольшое путешествие в мир термодинамики.

«Теплота — неуничтожимая жидкость — теплород, — заявляет Огнепоклонник — В этом меня убеждает эксперимент А Я беру металлический стержень, покрытый теплоизоляцией, и нагреваю один его торец, подводя теплород Измерения показывают, что весь подведенный теплород вытекает в атмосферу с противоположного торца. Значит, теплота неуничтожима и количество ее в природе неизменно».

«Это неверно, — возражает Силач — Я беру мельничные жернова и начинаю вращать один из них относительно второго (Б) Я не нагреваю жернова ни пламенем, ни горячим воздухом, я только изо всех сил кручу один из них Но посмотрите — оба жернова нагреваются. Выходит, я могу производить сколько угодно теплоты за счет механического движения Нет, теплота — не жидкость, а разновидность движения, и ее можно генерировать в любых количествах».

«Пожалуй, я готов согласиться с тобой, — задумчиво сказал Огнепоклонник — Ведь можно соорудить машину, которая будет выполнять обратную задачу генерировать механическую работу за счет теплоты (В) Но как тогда увязать между собой результаты всех этих экспериментов?»

Современная термодинамика дает такую увязку В случае А механическая работа равна нулю, количество теплоты — постоянно, а суммарная энтропия тел, участвующих в эксперименте, растет В случае Б подводимая к жерновам механическая работа полностью превращается в теплоту, а суммарная энтропия растет В случае В, когда речь идет об идеальном тепловом двигателе, в котором отсутствуют потери, подводимая к машине теплота полностью превращается в работу, а суммарная энтропия тел, участвующих в процессе, остается постоянной.

МЕХАНИКА АДИАБАТИЧЕСКАЯ И ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ

При изучении наследия Исаака Ньютона можно обнаружить один любопытный факт: попытавшись вычислить скорость звука в воздухе при 0 °C, великий механик получил величину 280 м/с, в то время как измеренная экспериментально, эта величина составляла 330 м/с. Ньютона так задело это несовпадение, что он, с гордостью говоривший о себе: «гипотез не измышляю», унизился до выдумывания весьма вычурных и искусственных гипотез, призванных объяснить это расхождение. Но даже нарушив свое научное кредо, он так и не сумел удовлетворительно объяснить несоответствие.

И как ни удивительно, в основе этой маленькой неудачи Ньютона лежало то же самое неосознанное и ясно не сформулированное убеждение, без которого было бы невозможно и его величайшее научное достижение — открытие закона всемирного тяготения. Убеждение это состояло в том, что мир, вселенная подчиняются законам, если так можно выразиться, изотермической механики, механики, в которой температура движущихся тел не зависит от их движения друг относительно друга. Сейчас мы знаем, что это не так, что вращение, скажем, Луны вокруг Земли вызывает приливы и деформацию земной оболочки, возникающее при этом трение превращает кинетическую энергию вращения Луны в теплоту, тормозит ее движение и нечувствительно меняет ее траекторию. Правда, эти изменения на протяжении жизни человечества столь ничтожны, что, пренебрегая ими, астрономы смогли построить свою изумительную небесную механику, точность предсказаний которой побудила ученых и механику земную строить по образцу и подобию небесной.

Перенесенная на землю небесная механика с ее ореолом идеальности заставила ученых считать, что идеальные механические процессы и на Земле не должны сопровождаться изменениями температуры, должны быть изотермическими. Поэтому, проводя в своих лабораториях чисто механические эксперименты, ученые и не думали выяснять, как изменяются температуры тел в ходе опыта. Но здесь положение было иное, чем на небесах, ибо две принципиально разные причины — обратимое адиабатическое сжатие и необратимое трение — приводили к одинаковому следствию — повышению температуры.

Вот почему в представлении ученых сложилось мнение, что стоит устранить трение в механических процессах — и будет тем самым устранено повышение температуры во взаимодействующих телах. Вот почему идеальная механика мыслилась как изотермическая наука. Вот почему распространение звука Ньютон считал процессом изотермическим и получил результат, не соответствующий действительности. И вот почему, наконец, французский механик Лаплас смог исправить ошибку Ньютона только тогда, когда ясно понял: распространение звука в газе — процесс адиабатический.

Справедливости ради надо сказать, что в окружающей нас жизни масштабы скоростей и энергии движущихся твердых тел чаще всего позволяют пренебречь адиабатическим изменением их температуры. В пределах упругости адиабатические изменения температуры многих металлов составляют не больше 1–2 °C. Живи мы на другой планете, где сила тяжести в сотни или тысячи раз превышает силу тяжести на Земле, и имей мы металлы идеально упругие, мы, возможно, своими глазами увидели бы, как вследствие адиабатического расширения и сжатия периодически раскаляется докрасна и снова охлаждается нить колеблющегося маятника. В наших же условиях температура тел вследствие адиабатического взаимодействия в большинстве случаев могла бы изменяться на 1–2 °C.

Теперь представьте себе, что бы произошло, если бы ученые вовремя обнаружили эти температурные изменения и установили их связь с механическим движением тел. Можно смело утверждать: классическая механика как наука сложилась бы на несколько десятилетий, а то и столетий позднее. Ведь тогда в набор чисто механических параметров, таких, как сила, пространственные координаты, время, скорость, ускорение, пришлось бы включить и такой существенно немеханический параметр, как температура. Температура потребовала бы предварительного уяснения множества других термодинамических понятий и зависимостей. Короче говоря, для того чтобы создать классическую механику, а может быть, и все остальные естественные науки, понадобилось бы прежде во всех деталях понять и разработать термодинамику.

Но зато, возникнув позже, классическая механика была бы свободна от тех понятий и представлений, которые некогда облегчили ее формирование, но которые потом породили немало споров и затруднений. Одно из таких понятий — потенциальная энергия.

Внутренняя энергия идеального газа не зависит от его давления — в справедливости этого фундаментального положения классической термодинамики Силач и Огнепоклонник убеждаются на собственном, опыте Чтобы выяснить, что важнее работа или теплота, они взяли устройство (А), состоящее из цилиндра с поршнем, изолированного снаружи с помощью надувной оболочки Внутри цилиндра — газ при атмосферной температуре и давлении Первым взялся за дело Силач Он нажал изо всех сил на поршень и с помощью механической работы сжал газ, повысив одновременно и его температуру, и его давление (Б). Но Огнепоклонник не растерялся тонкой иглой он проколол теплоизолирующую оболочку Нагретый при сжатии газ охладился до атмосферной температуры и отдал при этом в окружающую среду ровно столько теплоты, сколько Силач затратил работы на его сжатие (В). А раз так, то внутренняя энергия газа в положении А и в положении В одна и та же, хотя во втором случае давление газа выше.

Увидев лежащий на краю пропасти камень, мы говорим: в нем есть запас потенциальной энергии. Если сбросить его с высоты на дно пропасти, он может совершить механическую работу. Вода реки, стекая от верховьев к низовьям, тоже — считаем мы — обладает потенциальной энергией, равной ее весу, умноженному на разность уровней. Однако такое понятие, не вносящее затруднений в понимание механических процессов, в которых участвуют практически несжимаемые тела, вызывает затруднения, когда дело доходит до газов. По аналогии с грузом, лежащим на некоторой высоте над землей, мы стали говорить, что сжатый газ тоже наделен потенциальной энергией: расширяясь до атмосферного давления, он может совершить механическую работу. Но термодинамика утверждает, что это не так, что при одинаковой температуре в килограмме воздуха, сжатого до 100 атмосфер, содержится энергии не больше, чем в килограмме воздуха при атмосферном давлении…

Почему так? Да потому, что адиабатически сжимая газ, мы одновременно повышаем его температуру. Если теперь этот нагретый сжатый газ охладить до атмосферной температуры, от него будет отведена теплота. И вот что удивительно: количество этой теплоты в точности равно механической работе, затраченной на сжатие. Энергия, подведенная к телу в виде механической работы, полностью отведена от него в виде теплоты. Выходит, адиабатическим сжатием и последующим охлаждением мы изменим только давление газа, но отнюдь не «накачаем» его потенциальной энергией. И общность законов термодинамики такова, что это относится не только к газам, но и к жидкостям, и к твердым телам.

Об этом еще в прошлом веке догадывался русский физик Н. Умов. «… Когда одно явление исчезает, то должно появиться другое, равное ему по своей напряженности. Камень потерял живую силу, изменив свое положение относительно земли. Это новое положение указывает на то, что тело не осталось в том виде, как оно было прежде, что произошли изменения. Изменившееся положение камня есть признак происшедших перемен в явлении и не больше. Неужели в мертвом, геометрическом различии положений можно искать источник живой силы? Ясно, что нет; геометрия не создает вам движения, надо искать, следовательно, явление, которое по своей напряженности равнялось бы потерянной живой силе. Где же исчезнувшая живая сила? Где соответствующее ей явление?»

И далее Умов проницательно указывает, что вся механическая энергия, наблюдаемая нами в окружающем мире, есть энергия кинетическая. Но явления протекают в двух или более средах, из которых лишь одна находится в центре нашего внимания, в то время как все остальные не подлежат непосредственному наблюдению. Так вот, когда кинетическая энергия из наблюдаемой среды переходит в ненаблюдаемую, она кажется нам исчезнувшей, и мы принимаем за потенциальную энергию лишь след, оставленный энергией кинетической, или, как говорит Умов, «признак происшедших перемен».

Представление об обратимом адиабатическом мире дает прекрасную возможность проиллюстрировать эти мысли Умова. Говоря строго теоретически, ни в грузе, поднятом на высоту, ни в сжатой пружине, если их температура равна температуре окружающей среды, не запасено ровно никакой энергии. Все это — следы исчезнувшей кинетической энергии, «признаки происшедших перемен», запечатленные в измененной картине обобщенных сил. А где же кинетическая энергия, вызвавшая эти перемены?

Когда мы толкуем о потенциальной энергии груза, поднятого над землей, мы обычно умалчиваем о том, как он туда попал. А это вопрос далеко не праздный. Сжатый воздух или пружина, выбрасывающие груз на высоту, в обратимом мире охлаждаются. Это происходит потому, что механическая работа совершается газом или пружиной за счет внутренней энергии рабочих тел, за счет их теплового движения. Поскольку в обратимом мире теплообмен невозможен, пониженная температура пружины или газа может сохраняться сколь угодно долго, и все мыслимые в нем механические движения как бы оставляют после себя температурные отпечатки. Совокупность всех этих отпечатков полностью отображает картину всех происходящих в обратимом мире механических движений. Каждому ускорению соответствует понижение температуры, каждому замедлению — повышение. И как вечно и неуничтожимо в обратимом мире механическое движение, так вечна и неуничтожима в нем картина температурных отпечатков.

Но если движение прекращается, то без всякого следа исчезает и соответствующий ему температурный отпечаток. Представьте себе, что груз падает с высоты на пружину, некогда выбросившую его над землей. По мере сжатия кинетическая энергия груза уменьшается, передаваясь пружине, температура которой растет. В конечном итоге груз «вернется на круги своя» и займет в пространстве то самое положение, которое он занимал в самом начале, а температура пружины станет равной температуре окружающей среды. И после этого никакими способами не удастся выяснить, выбрасывался ли груз над землей или всегда находился на ее поверхности. Короче говоря, в обратимом мире, после того как все вернулось в первоначальное положение, не остается никаких следов происходившего, никаких остаточных изменений, по которым можно было бы судить о том, что происходило. Но зато в таком мире все может быть повторено снова бессчетное число раз.

Гораздо сложнее выглядел бы изотермический мир, в котором невозможно ни малейшее повышение или понижение температуры. Такой мир тоже может быть обратимым, но в отличие от адиабатического в нем каждое изменение механического движения должно было бы сопровождаться не перепадом температуры, а соответствующим изменением объема одного или нескольких находящихся в этом мире тел. Если, скажем, пружина в таком мире выбрасывает на высоту груз, то она, расширяясь изотермически, мгновенно «высасывает» из окружающей среды теплоту, эквивалентную совершенной ею механической работе. Согласно закону сохранения энергии температура окружающей среды должна вследствие этого пускай на ничтожные доли градуса, но понизиться. А это никоим образом недопустимо в мире, который должен сохранять свою температуру неизменной…

Решение этой задачи таково: если где-то в изотермическом мире расширяющийся газ забрасывает на высоту груз, поглощая из окружающей среды теплоту, эквивалентную совершаемой механической работе, то в другом месте необходимо сжимать газ так, чтобы теплота, эквивалентная работе, затрачиваемой на сжатие, отдавалась в окружающую среду. Таким образом, каждое изменение движения в изотермическом мире должно отпечатываться в изменении объемов его частей. Каждому ускорению здесь соответствует увеличение объема, каждому замедлению — его уменьшение. Но если все движения в изотермическом мире приводятся к первоначальным, то в точности восстанавливается и первоначальное распределение объемов, и не остается никаких следов, никаких остаточных изменений, по которым можно было бы судить о том, какие тела и как двигались.

Р. Клаузиус назвал остаточные изменения компенсациями. Он считал: если после возвращения всех тел, участвовавших в том или ином процессе, в первоначальное положение компенсаций нет — все происшедшие процессы были обратимыми, если же компенсации есть — процессы были необратимыми. Это очень важная мысль.

Ведь какова физическая природа компенсаций? Как и когда они появляются?

Возьмем простейший случай. В обратимом мире пружина, адиабатически расширяясь и охлаждаясь при этом, выбрасывает на высоту шар. Пока шар совершает свои гравитационные эволюции в безвоздушном пространстве, в котором отсутствует трение, никаких компенсаций возникнуть не может: падая с высоты на пружину с такой же скоростью, с какой он был выброшен, шар восстанавливает ее первоначальную температуру при адиабатическом сжатии. Но заставим шар двигаться не в вакууме, а в обычном воздухе. Тогда за счет трения часть кинетической энергии шара превратится в теплоту. Более нагретые слои воздуха, примыкавшие к шару, начнут охлаждаться, передавая теплоту всей массе воздуха. В результате воздушная масса и пружина станут чуть теплее, чем до начала опыта. Выходит, в реальном мире, после того как шар проделал свои эволюции и вернулся в первоначальное положение, осталась компенсация: часть работы, совершенной пружиной, необратимо превратилась в теплоту.

А мы знаем: подвод теплоты к любой системе всегда увеличивает ее энтропию. Если система теплоизолирована и в ней не протекают процессы, сопровождающиеся трением и необратимым теплообменом, ее энтропия постоянна. Именно таков обратимый мир, отдельные черты которого мы пытались изобразить на предшествующих страницах.

Если система теплоизолирована, но в ней генерируется тепловое движение за счет процессов трения и необратимого теплообмена, ее энтропия увеличивается. Таким образом, энтропия замкнутой, теплоизолированной системы может только оставаться постоянной или возрастать. Но никогда, ни при каких условиях она не может уменьшаться. Ведь это означало бы, что нельзя ни двинуться, ни чихнуть, не вызвав мировой катастрофы. В мире убывающей энтропии (если бы, конечно, он был возможен), пропустив через провод импульс тока, мы обнаружили бы удивительный эффект: ток, проходя по проводнику, непрерывно усиливался бы за счет понижения температуры проводника. Звук, уходя от источника, также усиливался бы за счет охлаждения воздуха. Тело, начавшее двигаться, непрерывно ускорялось бы до тех пор, пока температура его не стала бы равной абсолютному нулю. Что касается тел, которым посчастливилось бы сохранить в таком мире неподвижность, то их поведение было бы не менее удивительным: теплота от всех менее нагретых тел самопроизвольно начала бы стекаться к самому горячему из них. Ясно, что такой мир был бы неустойчив. Процессы в нем шли бы до тех пор, пока все движущиеся тела не охладились бы до абсолютного нуля, после чего они двигались бы с постоянными скоростями. Все же неподвижные тела также охладились бы до абсолютного нуля, передав все тепло одному, раскаленному до огромной температуры. Не правда ли, фантастика? Но, оказывается, еще более фантастичен мир нашей планеты, мир Земли, на которой мы можем жить только потому, что в ней причудливо, но гармонично сочетаются черты всех тех миров, о которых мы только что говорили.

Действительно, наша планета прежде всего не замкнутая, не теплоизолированная система. Она получает теплоту от Солнца. Более того, в недрах и на поверхности ее генерируется теплота за счет необратимых процессов: здесь и горение топлива, и механическое трение, и электрическое сопротивление, и все виды необратимого теплообмена. И тем не менее мы не совершим большой ошибки, сказав, что мир Земли — мир постоянной энтропии: практически всю теплоту, получаемую от Солнца и от земных источников энергии, наша планета излучает в космос.

Правда, в результате такого переизлучения остаются компенсации — остаточные изменения, которые возможны только благодаря существованию необратимых процессов. Связав компенсацию с необратимостью, Клаузиус, сам того не подозревая, связал с необратимостью эволюцию всей природы.

Все, что мы знаем о древних народах, все, что мы знаем о планете, на которой живем, все, что мы знаем о себе самих, — все это мы знаем только потому, что до нас дошли «остаточные изменения» — компенсации — прошлых эпох: скелеты ископаемых животных, скульптуры, развалины, манускрипты. Парадоксально, но факт: все это не могло бы возникнуть в обратимом мире — в блестящем, идеальном, совершенном, вечно коловращающемся хороводе, в котором невозможны никакое устойчивое изменение формы, никакое стабильное изменение положения в пространстве, никакая память, никакая жизнь. Ни одно из бессмертных изваяний и ни один глиняный черепок немыслим в обратимом мире, ибо один и тот же процесс — необратимое разрушение — порождает и черепки и прекрасные статуи. Ни один памятник величественной архитектуры не мог бы быть сооружен в обратимом мире, ибо чтобы избежать бесконечных колебаний идеально упругих балок на идеально упругих опорах, в строительном деле понадобилась бы такая точность, которая едва ли достигнута сегодня в самом точном приборостроении. Никакая письменность не была бы возможна, ибо в мире, лишенном вязкости и трения, чернила не ложились бы на бумагу, а превращались в вечно катающиеся по ней шарики.

Но кое-что из нашего мира могло бы существовать и действовать в обратимом мире. И самое главное из этого «кое-чего» — тепловые машины.

Глава II ГЛАВНОЕ ДЕЛО ТЕПЛОВЫХ МАШИН

В иерархии машин, механизмов, моторов и передач, используемых в современной технике, тепловые двигатели занимают место исключительное. Действительно, львиная доля электроэнергии на земном шаре — 80–85 % — вырабатывается тепловыми электростанциями. Автомобили, самолеты, корабли, ракеты приводятся в движение тепловыми двигателями. Только они могут считаться истинными генераторами работы. Все другие двигатели — электромоторы, гидравлические и пневматические двигатели, механические передачи играют в нашей жизни хотя и важную, но подчиненную роль — роль передаточных механизмов, распределяющих и преобразующих энергию, добытую тепловыми двигателями, которые, таким образом, стоят первыми в цепочке машин, составляющих фундамент современной промышленности. Вот почему именно тепловым двигателям присвоен титул «первичных двигателей».

В чем же состоит фундаментальное отличие тепловых двигателей от всех прочих? В чем причина их, если так можно выразиться, «первичности», их способности быть, по сути дела, единственным источником механической работы?

Причина эта не составляла секрета еще для Сади Карно. «Природа, — писал он в своем трактате, — повсюду представляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу». Действительно, скудная на механическую или электрическую энергию, наша планета богата источниками тепловой энергии — здесь и солнечные лучи, и подземное тепло, и органическое топливо, и ядерное. И все эти источники существуют только благодаря тому, что, как мы уже говорили, существует необратимость. Но стоит наложить запрет на необратимые процессы — и ценность этих источников мгновенно аннулируется. Возникает обратимый мир, в котором количество теплового движения — энтропии — постоянно, и нет никакой возможности ни увеличить, ни уменьшить его.

Что произойдет в этот момент с тепловыми двигателями? Будут они продолжать работать или нет? И если будут, то сохранится ли их исключительное место в иерархии машин?

Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо детальнее обсудить разницу между нагреванием тела и подводом к нему теплоты. В привычном нам мире это в большинстве случаев одно и то же: если нужно повысить температуру, мы просто подводим к телу теплоту. Но в мире обратимом эти операции расщепляются. В нем не может быть теплообмена между горячим и холодным телом, ибо такой теплообмен существенно необратим. Но зато здесь можно смело пользоваться другим методом: адиабатически сжимать тело до тех пор, пока его температура не достигнет нужной величины. Да вот беда — нельзя нагреть тело, не повысив при этом его давления. Но, оказывается, есть возможность обойти эту трудность…

В обратимом мире запрет накладывается не на обмен теплотой как таковой, а на обмен теплотой между горячим и холодным телом. Но если температура источника и приемника тепла одна и та же, то теплообмен между ними в обратимом мире дозволен. Конечно, такой теплообмен — абстракция, но ведь и сам обратимый мир, и идеальные машины, и т. д. тоже абстракция. Однако они помогают нам понять суть явлений, показывают, что в том или ином процессе принципиально важно, а что нет.

Так вот, в обратимом мире, сочетая адиабатическое повышение температуры с теплообменом при постоянной температуре, можно нагревать тело, не повышая его давления. Предположим, вам нужно повысить температуру в комнате с 10 до 30 °C, причем в вашем распоряжении есть источник тепла с температурой 30°. Путем непосредственного контакта нагрев произвести нельзя. Но можно адиабатическим сжатием, потребляя электроэнергию из сети, довести температуру в комнате до 30°, после чего привести ее в контакт с источником, предоставив возможность воздуху в комнате расширяться при постоянной температуре, полностью отдавая назад в сеть совершаемую им полезную работу. Когда давление воздуха снизится до первоначального, процесс останавливается, ибо поставленная цель достигнута: температура воздуха повышена, а давление осталось первоначальным. Точно таким же образом можно и понизить температуру в комнате…

Совокупность всех устройств для осуществления этих операций, в сущности, и есть тепловая машина, которой, как мы только что убедились, отводится в обратимом мире роль охладителей и нагревателей. Выходит, в мире, где нет горения и трения, где нет непосредственного теплообмена между горячим и холодным телом, главное назначение тепловой машины — обратимо повышать и понижать температуру. В таком мире они из первых рядов энергетики перекочевывают в разряд обычных преобразователей, принципиально ничем не отличающихся от электромоторов, зубчатых передач, гидротурбин. И только необратимость, делающая тепловое движение легкодоступным и получающимся практически в любых количествах, поставила тепловую машину на исключительное место — место первичного двигателя. Но это место и этот титул не даются даром…

ПЛАТА ЗА ТИТУЛ

Уже давно и прочно укоренилось мнение, будто тепловой двигатель не может «полностью превратить теплоту в работу». И действительно, из теплоты, получаемой при сгорании топлива, самые лучшие тепловые двигатели преобразуют в работу процентов 25–30. И это дало повод утверждать, что даже идеальному тепловому двигателю принципиально свойственна такая неспособность, что этим-де тепловой двигатель принципиально отличается от всех прочих машин — электрических, гидравлических, механических. В чем же источник такого недоразумения?

Оказывается, следуя по пути Карно, специалисты мысленно устранили все источники необратимости лишь внутри идеальной тепловой машины, но они забыли сделать это во всем окружающем мире. Они забыли, что теплота, которую идеальная машина должна преобразовывать в работу, получается при сгорании топлива — типичнейшем необратимом процессе, последствия которого невозможно исправить никакой самой что ни на есть идеальной машиной. Так получилось, что тепловым машинам стали приписывать ответственность за потери, вносимые необратимостью, в которых они совершенно неповинны.

Стоит поместить тепловые машины в обратимый мир, в котором тепловое движение равноправно со всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: тепловые машины ничем не хуже других, никакие особые потери им не свойственны, и по экономичности они ничем не уступают электродвигателям или зубчатым передачам. Но стоит их поместить в реальный необратимый мир, в котором необратимость придает тепловому движению особое место, отличное от места, занимаемого всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: из скромного нагревателя-охладителя тепловая машина превращается в первичный двигатель, но зато у нее появляются потери, делающие ее в несколько раз менее экономичной, чем электромоторы и зубчатые передачи.

Как же работают и чем отличаются друг от друга многочисленные тепловые двигатели современной промышленности? Раньше всех разобрался в этом Сади Карно…

Он понял, что для работы теплового двигателя прежде всего необходим перепад температур: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна. В самом деле, если бы вокруг нас были тела только такие же горячие, как и топка, каким бы образом можно было сконденсировать пар? Куда его бы деть, раз он получен? Не следует думать, что его можно… выбросить в атмосферу: атмосфера не приняла бы его. Она принимает его в обычных условиях, потому что выполняет роль большого холодильника, потому что находится при более низкой температуре: иначе она была бы им вскоре заполнена…»

Теплоизолированный цилиндр с поршнем, наполненный идеальным газом (Л), оказался чрезвычайно интересным и поучительным устройством. Когда Силач стал силой вытаскивать поршень из теплоизолированного цилиндра (Б), он с удивлением обнаружил, что при таком — адиабатическом — расширении уменьшается не только давление, но и температура Тут на помощь Силачу поспешил Огнепоклонник: он удалил теплоизоляцию и стал подогревать газ в цилиндре так, чтобы при его расширении температура оставалась постоянной (В). При таком — изотермическом — расширении Силач мог тянуть поршень уже с меньшей затратой работы. Тогда Огнепоклонник стал греть расширяющийся газ еще сильнее, так, чтобы оставалось постоянным его давление (Г). При этом — изобарном — процессе работа Силача стала еще меньше Наконец, поршень уперся в крышку цилиндра и объем газа стал постоянным В этом — изохорном — процессе вся теплота идет только на увеличение температуры и давления, а Силачу уже делать совсем нечего.

Таким образом, взглянув на процессы в цилиндре глазами Силача, мы увидим их изображенными в механических параметрах — давлении (Р) и удельном объеме (V) На рисунке внизу диаграмма P — V изображена черным цветом. А взглянув на те же самые процессы глазами Огнепоклонника, мы увидим их изображения в термических параметрах — температуре (Т) и энтропии (S). На рисунке внизу диаграмма T — S изображена красным цветом.

Изучая эти диаграммы, Силач и Огнепоклонник обнаружили их интересные особенности Площадь под линией, изображающей тот или иной процесс в диаграмме P — V, равна механической работе, совершаемой в этом процессе А площадь под линией в диаграмме Т — S ^И30’ бражает теплоту, подведенную или отведенную в процессе Действительно, в изохорном процессе механическая работа не совершается и площадь под изохорой в диаграмме Р — V равна нулю. А в диаграмме T — S равна нулю площадь под адиабатой — и это как раз тот случай, когда газ не обменивается теплотой с другими телами.

Но мало, оказывается, иметь только перепад температур. «…Теплота может быть причиной движения только тогда, когда она заставляет тела изменять объем или форму; эти изменения происходят не от постоянства температуры, но именно вследствие переменного действия тепла и холода…»

Какие же тела можно использовать для теплового двигателя? В принципе любые — «…все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении своего объема побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу. Твердое тело, например, железный стержень, попеременно нагреваемый и охлаждаемый, увеличивается и уменьшается в длине и может двигать тела, прикрепленные к его концам. Жидкость, попеременно нагреваемая и охлаждаемая, увеличивается и уменьшается в объеме и может побеждать более или менее значительные препятствия, мешающие ее расширению. Газообразная жидкость способна к большим изменениям объема при изменении температуры: если она находится… в цилиндре с поршнем, то она производит значительные движения…»

Теперь уже примерно ясно, как, в принципе, должен работать тепловой двигатель. Самая незатейливая конструкция — металлический стержень, поднимающий груз за счет подвода и отвода теплоты. Когда стержень охлажден, на него ставят груз. После этого нагреваемый стержень расширяется и, совершая работу, поднимает груз на некоторую высоту. Сняв груз, мы охлаждаем стержень и возвращаем его в исходное состояние. В этом примитивном устройстве есть все особенности настоящего теплового двигателя. Оно работает по тепловому циклу, то есть совершает последовательность операций, в результате которых стержень возвращается в исходное состояние и готов снова претерпеть все изменения и поднять на высоту новую порцию груза.

Операций четыре: сжатие (ставим груз), подвод тепла, сопровождающийся расширением и подъемом груза, расширение (снимаем груз), отвод тепла. Если произвести очень точные измерения, можно обнаружить, что на нагревание сжатого стержня понадобилось теплоты немного больше, чем передано в холодильник при охлаждении несжатого. И эта разница в точности равна механической работе, затраченной на подъем груза.

Конечно, металл не очень-то удачное рабочее тело. Гораздо выгоднее — газ, объем которого сильно меняется при сжатии и нагревании. Но в принципе и газ должен совершать, как и металл, цикл операций: сжатие, подвод тепла, расширение, отвод тепла. Правда, каждый из этих процессов можно проводить разными способами. Скажем, охлаждать и нагревать его можно в замкнутом сосуде, объем которого постоянен. Такой процесс называют изохорным. Если же тепло подводится к газу, находящемуся в цилиндре с подвижным поршнем, — газ увеличивает объем, но давление его не меняется; это — изобарныйпроцесс. Сжимать или расширять газ можно при постоянной температуре — он должен обмениваться теплотой с телом, температура которого не меняется — только тогда можно осуществить изотермический процесс. Если цилиндр с газом теплоизолировать, то, сжимая его поршнем, мы будем повышать его температуру. Если же он будет расширяться сам, температура его будет понижаться. Этот процесс, в котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой, называется адиабатическим.

По-разному комбинируя эти процессы, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабатических и двух изохорных процессов образует цикл бензинового двигателя. Если заменить в этом цикле изохорный процесс, по которому идет нагрев газа, изобарным, можно получить цикл Дизеля. Два адиабатических и два изобарных процесса дадут теоретический цикл газовой турбины. Кстати, по этому же циклу работает и металлический стержень, поднимающий груз. Два изотермических и два изобарных процесса складываются в цикл Эриксона, а два изотермических и два изохорных — в цикл Стирлинга. Из всех возможных циклов Карно считал наиболее простым для анализа цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат…

Он исходил из того, что в его распоряжении есть огромный источник тепла — нагреватель и столь же огромный приемник тепла — холодильник. Мы не случайно подчеркиваем, что нагреватель и холодильник огромны: благодаря этому их температура остается постоянной независимо от количества отдаваемого и получаемого тепла. Между таким изотермическим источником и приемником можно расположить тепловые машины, работающие по всевозможным циклам. Каждый из них будет превращать теплоту в работу. Но с одинаковым ли успехом? Есть ли среди этих циклов наилучший? И если есть, то какой именно?

Объединив свои усилия, попеременно на все лады сжимая, нагревая, расширяя и охлаждая газ в цилиндре под поршнем, Силач и Огнепоклонник легко получили основные типы тепловых двигателей.

А — идеальный цикл Карно: 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-2-3-5 — подведенная в цикле теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа двигателя. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.

Б — идеальные циклы Стирлинга и Эриксона.

ЦИКЛ СТИРЛИНГА (6-1-2-3-5): 1–2 — изохорное нагревание, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — изохорное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-1-2-3-5.

ЦИКЛ ЭРИКСОНА (6-1-2'-3'-5'): 1–2' — изобарное нагревание, 2'-3' — изотермическое расширение, 3'-4 — изобарное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2'-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3'-5' — отведенная теплота. Площадь 1–2'-3'-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1–2'-3'-4/пл.6-1-2'-3'-5'.

В — идеальные циклы Отто и Брайтона.

ЦИКЛ ОТТО (6-2-3-5): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изохорный нагрев, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изохорное охлаждение. Площадь 6-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.

ЦИКЛ БРАЙТОНА (6-2-3'-5'): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3' — изобарный нагрев, 3'-4' — адиабатическое расширение, 4'-1 — изобарное охлаждение. Площадь 6-2-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4'-5' — отведенная теплота. Площадь 1-2-3'-4' — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3'-4'/пл.6–2—3'—5'.

Карно считал, как уже говорилось раньше: «в телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема». Это значит, что в цикле не должно быть ни одного процесса, в котором рабочее тело изменяло бы свою температуру за счет подвода или отвода теплоты.

Изменять температуру можно лишь за счет адиабатических, чисто механических процессов. А подвод или отвод тепла в изотермических процессах не сопровождается изменением температуры. Вот почему цикл, составленный из двух адиабатических и двух изотермических процессов, будет самым эффективным из всех, могущих быть встроенными между изотермическим нагревателем и холодильником.

Чтобы сравнить двигатели, работающие по разным циклам, их экономичность оценивается с помощью числового коэффициента — коэффициента полезного действия, который для тепловых двигателей представляет собой отношение работы, полученной на выходе, к теплоте, подведенной на входе. Этот коэффициент — КПД — для идеального цикла Карно выражается очень простой формулой: КПД = Т₁ - Т₂/Т₁.

Здесь Т₁ — абсолютная температура нагревателя, а Т₂ — абсолютная температура холодильника. (Абсолютная температура получается прибавлением 273,16° к температуре по шкале Цельсия.)

Из этой формулы видно: для повышения КПД надо и увеличивать температуру нагревателя, и уменьшать температуру холодильника. Но температура холодильника — это температура окружающего воздуха на Земле, которая выше абсолютного нуля примерно на 300°. Поэтому сколь бы высоко мы ни поднимали температуру Т₁, нам все равно не получить КПД даже идеального теплового двигателя, равным точно 100 %. И еще один неожиданный вывод вытекает из формулы: экономичность теплового двигателя не зависит от свойств рабочего тела.

Трактат Карно оказал огромное влияние на развитие тепловых двигателей. Он внес ясность в запутанный и сложный вопрос, показал, чего можно и чего нельзя ожидать от тепловых машин. Во времена, когда паровой двигатель господствовал в промышленности, когда все попытки изобретателей заменить пар воздухом терпели провал за провалом, Карно прозорливо указывал: «…употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла на практике представит огромные трудности, но, может быть, не непреодолимые; если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед водяным паром». Наконец, Карно объяснил, почему выгодно с точки зрения экономичности повышать температуру, а следовательно, и давление пара. И именно он указал на заблуждения многих практиков, пытавшихся добиться улучшения экономичности за счет замены воды ртутью, алкоголем, серой… «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития».

Для науки это утверждение сыграло даже большую роль, чем для техники. Раз КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, мы можем применять в этом качестве мыльную пленку, стальную пластину, лед, наэлектризованный кристалл и т. д. Мысленно заставляя эти тела совершать цикл Карно, мы легко и быстро можем определить зависимость поверхностного натяжения от температуры, зависимость точки плавления льда от давления, модуля упругости от температуры и т. д. Вот как получилось, что чисто технический, казалось бы, вывод стал основой для одного из самых мощных и общих методов термодинамического анализа.

К сожалению, простота формулы Карно породила потом немало недоразумений. Последователи Карно не всегда ясно проводили различие между идеальными и реальными циклами. Порой встречалось даже такое утверждение, будто только цикл Карно может быть идеальным, а все остальные — реальные. Это неверно: все циклы могут быть как идеальными, так и реальными. Единственное различие между ними в том, что в идеальных циклах нет потерь от трения и необратимого теплообмена при конечной разности температур. Поэтому циклы Дизеля, Отто, Стирлинга, Эриксона могут быть идеальными, так же как и цикл Карно. Но для того чтобы был возможен идеальный цикл, к примеру Отто, необходимо, чтобы температуры нагревателя и холодильника были не постоянными, как для цикла Карно, а менялись точно так же, как меняется температура рабочего тела в процессе изохорного нагрева и охлаждения. Для источников с такими характеристиками цикл Отто будет единственно возможным идеальным двигателем. Для таких источников цикл Карно просто утрачивает смысл, становится невозможным, как невозможны идеальные циклы Отто и Дизеля для источников и приемников с постоянной температурой.

Но если это так, то почему не попытаться построить двигатель Карно, работающий по реальному циклу, пускай даже с некоторыми потерями? Ведь уже при 2000 °C КПД цикла Карно вдвое превышает КПД самых лучших современных тепловых двигателей.

Сади Карно прекрасно понимал, почему нет смысла гнаться за этими выгодами. «Нельзя надеяться, — писал он, — хотя бы когда-либо практически использовать всю движущую силу топлива. Попытки, сделанные для приближения к этому результату, будут скорее вредными, чем полезными, если они заставят забыть другие важные обстоятельства. Экономия топлива — это лишь одно из условий, которое должны выполнять тепловые машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно, оно часто должно уступать первенство надежности, прочности, долговечности машины, малому занимаемому месту, дешевизне ее установки и т. д.».

Потому-то и не построен до сих пор двигатель Карно, что при сравнительно небольшой мощности он должен иметь огромные размеры, прочность и вес. Действительность властно вторгается в теоретические построения, и то, что кажется сверхвыгодным на бумаге, на практике уступает место иным, теоретически не столь выгодным решениям. Мы знаем, что чем выше нагрето рабочее тело, тем экономичнее тепловой двигатель. Современные виды топлива при сгорании дают температуру около 2000 °C. Ни один из ныне существующих конструкционных материалов не в состоянии длительно выдерживать такую температуру. Поэтому приходится искусственно понижать температуру рабочего тела, подавая в камеры сгорания больше воздуха, чем требуется для горения топлива. А это — прямое снижение КПД. Нередко конструктивные особенности машины, позволяющие работать при более высокой температуре рабочего тела, оказываются важнее теоретических преимуществ цикла. Так, КПД современных газовых турбин меньше, чем у дизелей, хотя теоретически такие турбины должны быть выгоднее дизелей. Это объясняется тем, что в дизеле периодичность работы облегчает охлаждение поршней, в результате температура рабочего тела может достигать 1500–1800 °C, в то время как лопатки газовых турбин, находящиеся под непрерывным воздействием потока раскаленных газов, ограничивают температуру рабочего тела 900—1000 °C. Действительность накладывает и другие ограничения. Например, при одинаковых степенях сжатия цикл Отто, по которому работают бензиновые моторы, экономичнее, чем цикл Дизеля. Но в цилиндрах бензиновых моторов сжимается горючая смесь, которая при высоких степенях сжатия самовоспламеняется. В цилиндрах же дизеля сжимается чистый воздух, в который потом впрыскивается топливо. Здесь нет опасности самовоспламенения, допустимы более высокие степени сжатия. В результате дизель оказывается едва ли не самым экономичным тепловым двигателем в современной технике.

Все это не умаляет заслуг Карно. Он первый понял, как надо исследовать тепловые машины: он правильно указал пути развития тепловых двигателей; он указал на несостоятельность ряда направлений. Пусть попытки осуществить его двигатель на практике не удались. Но в результате таких попыток появился двигатель Дизеля. Одного этого было бы достаточно, чтобы считать весомым вклад Карно в термодинамику. Но Карно сделал не только это…

ХОЛОДИЛЬНИК — ДВИГАТЕЛЬ НАОБОРОТ

На первых порах тепловые двигатели дали термодинамике гораздо больше, чем она им. Паровые машины появились и распространились по всему свету задолго до того, как появилась наука, объясняющая их работу. Вот почему, даже и в более поздние времена, среди создателей тепловых двигателей практически нет ученых. Это главным образом изобретатели и инженеры: горный мастер Ползунов, университетский механик Уатт, кораблестроитель Эриксон, священник Стирлинг, инженеры и предприниматели Отто и Дизель.

Холодильная техника родилась иначе. Термодинамика здесь взяла реванш, а ученые вернули долг инженерам. Среди людей, прокладывающих путь к низким температурам, мы видим немало профессоров: лорд Кельвин, профессора Линде, Пикте, Дьюар, Вроблевский, Каммерлинг-Оннес, Капица…

Однако и здесь, как и в теории теплового двигателя, Сади Карно ухитрился опередить всех. Мимоходом, как бы между прочим, он в своем трактате упомянул о том; что идеальный двигатель можно использовать для создания разности температур. Он даже не счел интересным более подробно разобрать этот вопрос. Впрочем, едва ли тогда кто-нибудь, даже он, мог догадываться, что именно создание разностей температур и есть единственная и главная задача тепловых машин в обратимом мире, где энергию топлива в механическую работу можно преобразовать не с помощью теплового двигателя, а с помощью искусственной мышцы. Топливный элемент дает возможность преобразовать энергию топлива в работу электрических сил. Но в таком мире в принципе невозможно обойтись без тепловых машин, если надо нагреть или охладить какое-либо тело.

В реальном мире вопрос с нагревом решается просто: повышенную температуру можно поддерживать за счет теплообмена с раскаленными газами, получающимися при сжигании топлива. А вот поддерживать температуру тела ниже температуры окружающей среды — это гораздо сложнее, здесь без холодильной машины не обойтись. Нам могут возразить: при растворении солей в воде, например селитры — нитрата калия, температура раствора заметно понижается. Разве за счет этого процесса нельзя охлаждать тело ниже температуры окружающей среды без всяких машин?

Как ни парадоксально, такое растворение лишь подтверждает нашу правоту: оно есть часть цикла своеобразной холодильной машины. Действительно, чтобы такая установка работала непрерывно, соль из раствора надо выпаривать, конденсировать и охлаждать воду и, снова смешивая их, получать пониженную температуру. Вся эта последовательность процессов образует своеобразный холодильный цикл, далекий, кстати, от идеального. Но главный принцип получения низких температур остается одним и тем же для любых циклов: когда теплоизолированное рабочее тело совершает работу, температура его понижается. Охлаждается сжатый газ при расширении в теплоизолированном цилиндре, охлаждается раствор при растворении селитры, охлаждается парамагнитная соль при размагничивании. Но чтобы охлаждение происходило непрерывно, мы должны получать все новые и новые порции сжатого газа, воды и селитры, намагниченной парамагнитной соли.

Наиболее мощные холодильные машины, как и тепловые двигатели, получаются тогда, когда рабочим телом служит газ или пар. Какие операции нужно проделать с газом, чтобы получить пониженную температуру? Сначала нужно повысить его температуру, сжав в теплоизолированном сосуде. Потом отвести тепло, охладив до температуры окружающей среды. Если теперь этот сжатый охлажденный газ заставить расширяться в цилиндре, совершая работу, температура его понизится. Отнимая тепло от охлаждаемого тела, газ нагреется до первоначальной температуры. И он снова готов к повторению цикла.

Так же как и для тепловых двигателей, возможны разные комбинации процессов, дающие разные холодильные циклы. В принципе любому тепловому двигателю — дизелю, паровой машине, газовой турбине соответствует свой «антипод» — холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противоположном направлении. Если тепловой двигатель приводит в движение электрогенератор, то холодильную машину надо приводить в движение электромотором. Если важнейшая характеристика двигателя — мощность, то для холодильной машины важна «холодопроизводительность» — количество теплоты, которое она может отвести за час. Если в топках и камерах сгорания развиваются возможно более высокие температуры, то важнейшим параметром холодильной машины оказывается «мороз», который она создает в холодильной камере. И если энергетики в погоне за экономичностью осваивают все более высокие температуры и мощности, то холодильщики разрабатывают машины, которые в промышленном масштабе позволяли бы получать все более низкие температуры.

Современная энергетика началась с паровой машины, работавшей при весьма умеренных температурах и давлениях. Точно так же и холодильная техника поначалу не претендовала на большее, чем изготовлять искусственный лед с помощью машин, в которых рабочим телом были пары легколетучих жидкостей — эфира, двуокиси серы, двуокиси углерода. В этих машинах холодный, находящийся при низком давлении пар сжимается компрессором, до тех пор пока его температура не станет немного больше температуры окружающей среды. Отдавая теплоту в окружающую среду, пары конденсируются и превращаются в жидкость, имеющую температуру окружающей среды и повышенное давление. Выпуская через клапан эту жидкость в испаритель, где давление низкое, можно заставить ее мгновенно вскипеть и за счет этого понизить температуру. Вот эта-то кипящая холодная жидкость и используется для изготовления льда, охлаждения продуктов и т. д.

Некоторые специалисты считают, что холодильная техника по своему влиянию на жизнь современного человека уступает только радио. Кто не любит мороженое? Кому не знакомы замороженные мясо, овощи, фрукты? Кто не пользуется сейчас домашним холодильником? С тем большим удивлением узнаешь, как мучительно трудно входили в жизнь холодильное дело вообще и холодильные машины в частности.

В 1806 году предприимчивый бостонец Тюдор на практике испытал неумолимое действие закона спроса и предложения. В этом году снаряженный им бриг доставил на о. Мартиника 130 тонн пищевого льда. Но никому не был нужен лед, негде его было хранить. Тюдору пришлось начинать с уговоров и соблазнов. Спустя несколько лет он приучил обитателей жаркого острова к мороженому и охлажденным фруктам и напиткам. Дело пошло в гору.

Заключив контракты на массовую заготовку льда на озерах и реках Новой Англии, Тюдор развозил его по всему свету. В 1849 году его корабли перевезли около 150 тысяч тонн льда, снабжая им около 50 портов в Южной Америке, Персии, Индии. Тюдор приучил обитателей жарких стран пользоваться льдом, его гигантская ледяная империя создала спрос на лед. Один из журналов тех лет так оценивал состояние дел в этой области: «Концентрированный холод в форме льда день ото дня приобретает все большее значение как для промышленных, так и для бытовых нужд. Пивоварение требует длительной выдержки продукта вблизи точки замерзания. У кондитеров нет практически другого средства получить минус 12–18 °C, которые необходимы для изготовления мороженого. Врачи часто используют лед как незаменимое лекарство. Мясники и содержатели гостиниц едва ли смогут отказаться от этого средства хранения мяса… В химическом производстве лед широко применяют для кристаллизации солей, или, говоря более строго, для разделения различных веществ с помощью холода. Пропорционально растущему спросу увеличиваются заготовки льда зимой. Северная Америка в потрясающих количествах поставляет лед в Центральную и Южную Америку, в Индию. Лед из Норвегии идет в английские и германские порты Северного моря.

Однако наука подсказывает, как производить этот необходимый продукт искусственно!»

Холодильные машины интересовали всех, и недоверие к ним испытывали многие. Сейчас смешно об этом узнавать, но даже в 1890 годах всерьез утверждалось, что содовая вода и мороженое, хранящиеся в холодильных складах и изготовленные с помощью искусственного льда, вредны для здоровья. Замороженные продукты считались тогда безнадежно испорченными, и решение администрации одной кондитерской фабрики выпекать кексы из замороженных продуктов считалось в те годы безрассудной смелостью. Только трудности снабжения продуктами, которые стали тогда препятствием для развития больших городов, заставили преодолеть косность и предрассудки. Во многих странах строительство холодильников предписывалось законом. Поистине спасительное решение, ибо без холодильных машин едва ли смогли возникнуть крупные современные города.

Сейчас трудно поверить, что каких-нибудь 100 лет назад путешествие на корабле было сопряжено со значительным изменением меню. Из рациона питания исчезали свежее мясо, фрукты, масло. А если вспомнить, что консервы — изобретение тоже не очень старое (его сделал француз Н. Аппорт, получивший за свой способ консервирования в бутылках премию от Наполеона), то становится ясно, сколь скуден был тогда набор долгохранящихся продуктов — солонина, сухари, копченья. И эта скудость была, вероятно, не последним лишением, от которых страдали матросы великих мореплавателей, открывавших 200–500 лет назад новые земли.

«Едва ли кто-нибудь захочет есть консервы и солонину после того, как попробует блюда, приготовленные из замороженного мяса» — это заключение экспертов прекрасно объясняет, почему сейчас холодильная техника — основа пищевой индустрии. Здесь применяются главным образом машины, работающие на парах летучих жидкостей и понижающие температуру до минус 20–30 °C.

Замораживание и хранение мяса, рыбы, овощей, хотя и очень важное, но далеко не единственное применение холода в пищевой промышленности. Холодильные машины незаменимы при изготовлении многих продуктов питания. Именно благодаря им мороженое, которое в XVIII веке было деликатесом, доступным лишь немногим, сейчас стало продуктом массового потребления. Холод необходим и для изготовления напитков и концентрированных соков. В свое время мощный толчок развитию холодильных машин дало пивоварение, где процесс брожения идет при 7—12 °C. Чтобы поддерживать температуру в этих пределах, надо отводить выделяющееся при брожении тепло. Охлаждение требуется и в изготовлении вин, шоколада, конфет. Для перевозки замороженных продуктов пришлось создать суда, вагоны, автомобили, снабженные холодильными установками.

Очень скоро холодильные машины из пищевой промышленности перекочевали в другие отрасли. Химики, например, используют их во всех случаях, когда им надо замедлить реакцию, изменить растворимость, ожижить газ, вызвать кристаллизацию и отвердение жидкости. В обработке нефти холодильные машины регулируют процесс перегонки, в производстве искусственного каучука без них невозможно проведение некоторых промежуточных реакций. Пониженные температуры нужны в производстве целлюлозы — сырья для изготовления бумаги, искусственных тканей, целлофана, лаков, пластиков, взрывчатых веществ. Без холода были бы невозможны очистка и ожижение газов, производство желатина и клеев, очистка масел, изготовление красителей и лекарств.

Немного позднее холод заинтересовал металлургов, которые попытались приспособить холодильные машины для удаления влаги из воздуха, подаваемого в промышленные печи. Потом их стали применять для охлаждения электродов дуговых печей, электролитических ванн, эмульсий и масел, применяемых при обработке металла резанием.

Не забыто и самое первое применение холодильных машин — получение искусственного льда. Несмотря на быстрое распространение холодильников, потребление льда не только не сократилось, но продолжает расти. Больше того, для льдо-делательных машин появилось и новое, необычное применение. Холодильные машины еще раз бросили вызов природе: их приспособили для парадоксальной задачи — для изготовления летних катков, на которых спортсмены и артисты могли бы тренироваться и выступать даже жарким летом. Другое, гораздо более важное возможное применение — это опреснение морской воды вымораживанием. При замораживании соленой воды сначала получается пресный лед. Если его отделить от рассола, а потом расплавить, мы можем получить пресную воду — вот суть одного из самых перспективных методов снабжения водой тех районов земного шара, которые страдают от ее недостатка. Есть, наконец, и не совсем обычные льдоделательные машины, которые вовсе не производят льда, вернее, производят, но такой, что его никуда не приспособишь. Одна из таких машин применяется для устранения аварий в водопроводах. Если где-нибудь лопнула труба, с помощью холодильной машины воду замораживают в месте разрыва, течение прекращается и не мешает ремонтникам работать. Примерно так же можно устранить опасность обрушения при проходке тоннелей и шахт в водоносных грунтах. Предварительно в скважины, пробуренные вокруг будущей шахты, опускают трубы, по которым прокачивается холодный рассол. Грунт замерзает, образуя невидимый ледяной барьер, преграждающий грунтовым водам доступ внутрь котлована.

Пожалуй, уже того, что здесь перечислено, достаточно, чтобы убедиться: холодильная техника действительно оказала огромное влияние на жизнь человечества. И тем не менее мы не рассказали о еще одном, очень важном применении тепловых машин — о кондиционировании воздуха.

ТРЕТЬЯ ПРОФЕССИЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ

Почему холодные районы земного шара, где большую часть года стоят жестокие морозы, оказались более приспособленными для жизни людей, чем знойные пустыни? Почему в холодных северных странах живут люди, существуют города? Почему действие холода не столь губительно и опустошительно, как действие жары?

Оказывается, это происходит потому, что человеку гораздо легче защитить свое тело от холода, чем от зноя. Одежда из 62 оленьих шкур, в которую укутан ненец, в самую суровую стужу сохраняет вокруг его тела тонкую прослойку воздуха, столь же влажного и горячего, как воздух амазонских дебрей. Чтобы зимой воспроизвести в своем доме кусочек тропиков, северянину достаточно натопить печку. Южанину, рискнувшему обживать пустыню, пришлось бы охлаждать помещение, а это — потруднее, чем нагревать. Во-первых, ему понадобилась бы холодильная машина, которую надо еще придумать и построить. А во-вторых, нужна механическая или электрическая энергия, чтобы привести ее в действие. И то и другое стало доступно каких-нибудь 50 лет назад. На заре же развития человечеству не оставалось иного пути, кроме движения из тропиков на север, в холодные районы.

Казалось бы, первое, что должно было прийти в голову, когда появились холодильные машины, начать охлаждать дома в жарких районах. Но в действительности, как мы знаем, все развивалось иначе. Сначала холодильники приспособили для изготовления искусственного льда, потом для замораживания продуктов, потом… И только в начале нашего столетия, когда холодильные машины достигли высокой степени совершенства, появилась идея применять их для регулирования температуры воздуха в производственных помещениях.

Почему в производственных? Да потому, что человечество расселилось в таких районах, где климатические условия не угрожали существованию и нормальной жизнедеятельности организма. А когда появились и развились производства и промышленность, оказалось, что климатические условия, устраивающие человека, далеко не всегда благоприятны для технологических процессов. Скажем, влажный и сравнительно теплый климат Англии очень благоприятен для текстильной промышленности. А странам с сухим климатом, с резкими колебаниями температуры воздуха текстильная промышленность противопоказана.

Влажность и температура воздуха влияют на качество продукции не в одной лишь текстильной промышленности. Бумага, на которой печатают газеты, книги, репродукции, тоже очень чувствительна к влажности и температуре воздуха. Если во время печатания эти параметры не выдерживаются в нужных пределах, бумага садится, вытягивается, коробится, скручивается. Краска на нее ложится плохо, не точно, не просыхает, жухнет. Но хуже всего то, что бумага требует разных условий на складах и в цехах. Погода, чрезвычайно благоприятная, скажем, для хранения бумаги на складе, может оказаться неподходящей для процесса печати и т. д.

На кондитерских фабриках дело обстояло не лучше. Были времена, когда из-за неподходящей погоды приходилось останавливать фабрики на недели, а то и месяцы и, как говорится, «ждать у моря погоды». И здесь та же картина — плиточный шоколад, шоколадные конфеты с начинкой, карамели, леденцы требуют разных температур и влажностей. А выдерживать их в нужных пределах трудно еще и потому, что вся электроэнергия, потребляемая фабриками, выделяется в виде теплоты в производственных помещениях. И выделяется ее иногда так много, что зимой можно даже не топить. Зато летом отводить это тепло невозможно без холодильных машин.

Таким образом, еще до того как встал вопрос об освоении пустынь, холодильные машины освободили крупнейшие области производства от слепой игры климатических условий. Установки для регулирования влажности и температуры воздуха — их стали называть установками для кондиционирования воздуха — с текстильных и кондитерских фабрик позднее перекочевали во многие другие отрасли производства. На фабрики, изготовляющие фотоматериалы, где сырье быстро разлагается при повышенной температуре и влажности. На фармацевтические фабрики, где от температуры изготовления зависят целебные качества лекарств. В машиностроение, где невозможно изготовлять сверхточные детали и измерительные приборы без строгого регулирования температуры в цехе. В музеи, где кондиционеры создают условия, необходимые для сохранения произведений искусства.

С 1920-х годов машины, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха в помещении независимо от по-64 годы на улице, начали устанавливать в театрах, в магазинах, гостиницах, учреждениях, ресторанах и жилых домах. Вот тогда-то и настала очередь пустынь, ибо отпало главное препятствие для строительства крупных городов в этих местах земного шара. Города, возникшие после второй мировой войны в преддверии американских пустынь, разрастаются с феноменальной быстротой, ибо для жителей они представляют гораздо больше удобств, чем города севера. Улицы этих городов не нужно очищать от снега. Зимой здесь не надо топить, здесь — всегда солнце, не нужна зимняя одежда. Больше того, солнечные лучи в пустыне несут так много энергии (больше 1 л. с. на 1 м²), что ее может хватить для охлаждения помещений днем и для подогрева — ночью. Вот почему некоторые специалисты считают, что человечество сейчас стоит на пороге пустыни, готовясь к тому, чтобы обжить ее. И сделать это было бы невозможно без тепловых машин, работающих в режиме охладителей.

Итак, мы уже ознакомились с двумя областями применения тепловых машин. Это — тепловые двигатели, совершающие механическую работу за счет разности температур, и холодильные машины, понижающие температуру в изолированном объеме ниже температуры окружающей среды за счет затраты механической работы.

В 1852 году лорд Кельвин предложил еще одно применение для тепловой машины. Он предложил с ее помощью отапливать помещения. Тепловой насос — так Кельвин назвал такую установку — охлаждает холодный уличный воздух и передает полученное тепло при более высокой температуре воздуху в помещении. Конечно, такой противоестественный переход теплоты от холодного тела к нагретому не дается даром: как и холодильная машина, тепловой насос потребляет механическую работу. Решив сравнить отопление с помощью теплового насоса и непосредственного нагрева за счет сжигания топлива, Кельвин получил удивительные результаты. Образно выражаясь, каждая единица механической работы, подведенная к идеальному тепловому насосу, прежде чем пасть в отапливаемое помещение, «прихватывала» 5–8 единиц теплоты из уличного воздуха. Поэтому 427 кг/м работы на входе в насос превращалось в 6–9 ккал тепла, отведенного на выходе. Одна же килокалория, выделяющаяся при сжигании некоторого количества топлива, ничем не «обрастает» и остается одной килокалорией. Разумеется, Кельвин делал различие между 427 кг/м механической работы и 1 ккал, получающейся при сжигании топлива. Уж кто-кто, а он понимал: это не одно и то же. Но вот какой примерно расчет убедил Кельвина в том, что им изобретен перспективный способ отопления.

Как это ни удивительно, Силач может справиться с отоплением лучше, чем Огнепоклонник Это можно пояснить с помощью гидравлической аналогии Пусть нужно заполнить водой бак, расположенный на высоте 1 м над уровнем моря. В распоряжении наших героев есть источник воды, расположенный выше уровня моря на 100 м. Проще всего соединить оба бака трубой и перелить из верхнего в нижний 1 м3. Но посмотрите, во что обошлась эта простота! 99 тыс. кг. м механической работы растратились зря, превратившись в теплоту в нижнем баке. Печка — это как раз и есть такое «простое решение». Ведь топливо сгорает при 1000 °C, а в комнате нужно поддерживать всего 20 °C. При печном отоплении перепад температур в 980 °C растрачивается впустую, идет на увеличение энтропии. Именно так и действует Огнепоклонник.

Силач же предлагает более сложное, но более эффективное решение. Надо воду из верхнего бака сливать в море через водяную турбину, соединенную с насосом. Насос засасывает воду из моря и поднимает ее на высоту всего 1 м. В идеальном случае каждый килограмм воды из верхнего бака отдает турбине 100 кг. м А этих 100 кг. м, приложенных к насосу, хватает на то, чтобы поднять с уровня моря на высоту 1 м 100 кг воды! Значит, всего 10 кг воды из верхнего бака окажется достаточно для того, чтобы заполнить нижний, емкостью в 1 м3. Тепловой насос выполняет точно такую же работу, как насос в нашем примере, а тепловой двигатель играет роль водяной турбины.

Мы уже говорили, что, сжигая какое-то количество топлива в печке, можно подвести к воздуху в комнате, скажем, 1 ккал тепла. Если то же количество топлива сжечь в топке теплового двигателя, то в механическую работу удастся превратить лишь часть этого тепла, ну, процентов 20, что эквивалентно 85 кг/м. Подведем теперь эти 85 кг/м к тепловому насосу, и он «накачает» в помещение минимум в 6 раз больше теплоты, то есть 6X85 = 510 кг/м, или 1,2 ккал. Вместо 1 ккал — 1,2 ккал. Выходит, с точки зрения отопления выгоднее сжигать топливо не прямо в печке, а через цепочку «тепловой двигатель — тепловой насос».

Кельвин не ограничился только расчетами. Больше ста лет назад он сделал попытку, осуществить отопление с помощью теплового насоса. Но, увы, воздушная машина, которую он пытался приспособить для этой цели, оказалась слишком неэкономичной, большой по размерам и ненадежной. Она не смогла, конечно, конкурировать с дешевым углем. Эта идея была оставлена почти на 100 лет.

Специалисты, которые в прошлом столетии разрабатывали и совершенствовали холодильное оборудование, едва ли подозревали о том, что они своей работой подготавливают возрождение идеи, предложенной Кельвином. Ведь холодильная машина и тепловой насос — это один и тот же механизм, и обычный домашний холодильник — прекрасная отопительная система. Работая, он нагревает воздух в помещении, передавая ему превращенную в тепло механическую работу, совершенную электродвигателем, и тепло, отнятое у продуктов в камере холодильника. Чтобы улучшить экономичность такой холодильной машины и превратить ее в настоящий тепловой насос, надо охлаждать не продукты, а воду, почву или атмосферный воздух.

В странах с суровыми зимами невыгодно пользоваться атмосферным воздухом, ибо температура такого источника понижается, уменьшая эффективность теплового насоса как раз тогда, когда потребность в отоплении — наивысшая. Гораздо удобнее погружать змеевики теплового насоса на дно реки или озера. Здесь даже в самый трескучий мороз температура всегда постоянна — около 4 °C. Если же поблизости рек и озер нет, то змеевики можно закопать глубоко в землю: здесь температура тоже не зависит от времени года.

В крупных городах можно найти еще более удобные источники тепла. Например, многие химические фабрики выбрасывают воду, нагретую до 25–36 °C. Бани, гостиницы, рестораны сбрасывают горячую воду, содержащую почти 90 % подведенного к ним тепла. Источником тепла для тепловых насосов может стать теплый воздух, который нагревается, охлаждая трансформаторы подстанций.

Отопление, конечно, не единственная область применения тепловых насосов. С их помощью можно нагревать воду, получать пресную воду из морской, точно регулировать температуру различных процессов в химической промышленности. И если они применяются еще довольно редко, то лишь потому, что тепловой насос гораздо дороже печки, а электроэнергия, которую он потребляет, гораздо дороже дров или угля. Но там, где электроэнергии много и она дешева, тепловые насосы успешно конкурируют с обычными системами отопления. Самое ценное достоинство теплового насоса, сулящее ему большие перспективы в будущем, это то, что он, в отличие от печки, обратимая машина. Он может «накачивать» тепло в помещение, если нам холодно, может «откачивать» его, если нам жарко, с помощью одного и того же механизма. Сравнительно просто произвести такое переключение, превращающее отопитель в охладитель. Но ведь это же идеальный кондиционер! Он может работать круглый год, зимой — нагревая воздух, летом — охлаждая его. И не случайно в последнее время возродился интерес к тепловым насосам.

Самый совершенный тепловой насос — лишь первый, хотя и важный шаг на пути создания благоприятной для человеческого организма окружающей среды. Системы кондиционирования в будущем смогут, по-видимому, регулировать не только температуру, давление и влажность воздуха, но и содержание в нем различных ароматических веществ, влияющих на самочувствие, настроение и работоспособность человека. Это практически полностью освободит человечество от влияния даже самых суровых климатических условий, и разница между жизнью в теплом умеренном климате и жизнью в пустыне, в тундре, под землей или в космосе исчезнет. И в расселении человечества в пределах и за пределами земного шара не обойтись без теплового насоса — изобретения, которое сто лет назад было признано не представляющим интереса.

РАЗМЫШЛЕНИЯ О КПД

Рассказывают, был как-то в Баварии необычный судебный процесс, возбужденный владельцем пивной против соседа, который… бесплатно снабжал его энергией. Это на первый взгляд нелепость: судиться из-за того, что вам преподносят подарки. Но на самом деле можно понять кабатчика и его возмущение. Он имел неосторожность проложить трубопровод, по которому охлажденный рассол подавался от холодильной машины в подвал его пивной, через погреб соседа. Последний поспешил воспользоваться случаем, содрал тепловую изоляцию с трубы и стал даром охлаждать свой погреб. Владелец пивной быстро догадался, в чем дело: его пиво стало охлаждаться хуже, а показания электросчетчика увеличились. Он подал в суд, однако судья отклонил иск. «Кража — это незаконное присвоение предмета, — объяснил он — А ваш сосед не присваивал у вас никаких предметов». Тогда кабатчик обвинил соседа в краже энергии, но судья отклонил и это обвинение. Ведь сосед не отнимал теплоту от трубы, а, наоборот, «жертвовал» ее из своего погреба в пользу кабатчика. Так что последнему, в сущности, надо было бы еще даже приплачивать соседу.

Неизвестно, конечно, был такой случай на самом деле или нет, но в нем ярко выявлен парадокс, с которым давно уже сталкивались ученые и инженеры. Или, точнее, с которым сталкивались ученые по вине инженеров…

Вальтер Нернст — открыватель III начала термодинамики — как-то сказал в шутку, что эффект, требующий точности измерения, большей, чем 10 %, не заслуживает того, чтобы быть исследованным. Основоположников термодинамики трудно упрекнуть в том, что они не следовали этому правилу. Промышленность и техника стояли у ее колыбели. Эксперименты с пушечными стволами и паровыми машинами давали отнюдь не труднонаблюдаемые эффекты. Этот «инженерный дух» сохранился в понятиях и формулировках термодинамики и до наших дней, придавая ей основательность, практичность и трезвость прикладной науки. Цена этих достоинств — утрата всеобъемлющей общности термодинамических законов — долгое время не давала о себе знать. Но с течением времени узость понятий, несомненно, удачных с практической точки зрения, начала тормозить развитие этой науки. И понадобилось вмешательство ученых, для того чтобы восстановить былую стройность.

Трудно сказать, кто впервые ввел в обиход понятие КПД — коэффициент полезного действия. Но как бы там ни было, эта величина оказалась поначалу на редкость удобной и простой для оценки совершенства различных механизмов. А какими механизмами раньше всего начали пользоваться в технике? Простейшими — рычагами, клиньями, винтовыми и зубчатыми передачами, блоками и т. д. Все это — преобразователи механической мощности, позволяющие увеличивать силу или момент за счет соответствующего уменьшения скорости или угловой скорости. При всех таких изменениях произведение силы на скорость или момента на угловую скорость остается постоянным. Но это только в идеальном случае, когда нет трения. Когда трение есть, часть мощности превращается в теплоту, и на выходе мощность оказывается меньше, чем на входе. Отношение мощностей на выходе и на входе и есть коэффициент полезного действия — КПД. Ясно, что чем ближе эта величина к единице, тем совершеннее механизм. В идеальном случае, когда нет трения, КПД всех механических преобразователей становится равным единице.

КПД оказался на редкость удачным понятием. Его удалось с успехом применить позднее для оценки и сравнения электрических машин: электромоторов, электрогенераторов, трансформаторов. И здесь в идеальном случае он был равен единице. А в реальном — немного поменьше из-за нагревания обмоток, сердечников, подшипников.

КПД пригодился и для оценки насосов, гидравлических турбин, конденсаторов, расширителей — детандеров. И здесь зависимость оставалась прежней — в идеальном случае КПД был равен единице. Все это как будто убеждало: КПД — универсальное понятие. Если он равен единице, преобразователь — идеальный и работает без потерь.

С помощью тепловых машин Силач и Огнепоклонник смогли с успехом выполнять обязанности друг друга.

А — Огнепоклонник с помощью огня и тепловой машины получает механическую работу. Для этого газ с температурой, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его давление и температура возрастают. Затем газ изохорно нагревается 2–3, и его температура и давление возрастают еще больше. После этого газ адиабатически расширяется 3–4, совершая механическую работу. Часть ее идет на сжатие холодного газа, а оставшийсяизбыток и составляет полезную работу двигателя. Расширившийся, но еще нагретый газ изохорно охлаждается 4–1 для последующего сжатия. В тепловом двигателе главный интерес для нас представляет полезная работа, изображающаяся площадью 1-2-3-4. Эффективность же двигателя оценивается с помощью КПД= пл. 1-2-3-4/пл. 6-2-3-5. Очевидно, что эта величина никогда не может быть больше 1.

Б — Силач с помощью механической работы и тепловой машины может повышать и понижать температуру. Для этого газ при температуре, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его температура и давление возрастают. Затем от этого газа изохорно отводят теплоту 2–3, так что его температура и давление уменьшаются. После этого охлажденный газ адиабатически расширяют до температуры ниже атмосферной 3–4, и совершаемая им при этом механическая работа частично компенсирует затрату работы на сжатие от внешнего источника. Далее, к охлажденному ниже атмосферной температуры газу подводится теплота 4–1.

Такая тепловая машина в отличие от теплового двигателя не производит механическую работу, а потребляет ее. Взамен же она дает возможность повышать или понижать температуру тех или иных тел. Если нам нужен холод, то машину называют холодильной. В ней нас интересует прежде всего холодопроизводительность, изображаемая на диаграмме площадью 6-1-4-5. Совершенство холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом, который равен пл.6-1-4-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий холодильный коэффициент может меняться от нуля до бесконечности.

Если же нам нужно нагревание, то та же самая машина именуется тепловым насосом, полезный эффект которого оценивается площадью 6-2-3-5. Совершенство теплового насоса оценивается коэффициентом производительности, равным пл.6-2-3-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий этот коэффициент может меняться от 1 до бесконечности.

Все было хорошо до тех пор, пока в игру не включились тепловые машины. С их появлением вся общность понятия КПД пошла насмарку. Мы уже знаем, с каким трудом удалось увязать опыты Румфорда и Джоуля с идеальным двигателем Карно. Но эту увязку едва ли можно считать удачной. Посмотрите, как в самом сжатом виде описывается теперь положение дел.

Для всех идеальных двигателей, кроме тепловых, КПД равен единице. А вот для тепловых двигателей, даже для идеальных, он всегда меньше единицы и зависит от температуры источника теплоты и окружающей среды. В применении к оценке работы холодильных машин и тепловых насосов КПД вообще утрачивает всякий смысл. В общем случае, чтобы вычислить КПД, надо работу на выходе из машины разделить на работу на входе. На выходе идеальной холодильной машины — холодопроизводительность — теплота, отводимая из холодильной камеры. На входе — механическая работа, затрачиваемая на привод компрессора. Величина, получаемая при делении холодопроизводительности на механическую работу, в зависимости от температуры в холодильной камере и температуры окружающей среды может изменяться от нуля до бесконечности. Назвать ее КПД ни у кого не повернулся язык, поэтому ей дали название холодильный коэффициент и с общего молчаливого согласия приняли: для холодильных машин понятие КПД неприменимо. Тепловой насос вообще не оставил от КПД камня на камне. Если холодильный коэффициент может быть равным и нулю, и единице, то отношение теплоты на выходе к работе на входе для тепловых насосов всегда больше единицы и тоже может достигать бесконечно больших значений в зависимости от температур в нагреваемом помещении и на улице. Такое отношение уж и вовсе неудобно было бы называть КПД, поэтому в теории тепловых насосов вместо КПД пользуются термином коэффициент преобразования.

Но и это не все. Попробуйте вычислить КПД электрической спирали, погруженной в бак с водой. Вы убедитесь, что он равен единице. Спираль, сунутая в воду, оказывается более экономичным устройством, чем тщательно вылизанная и выверенная газовая турбина!

В чем же дело? Почему КПД — понятие, удобное для оценки различных процессов и механизмов, утрачивает смысл, как только речь заходит о тепловом движении?

Это произошло потому, что необходимость в понятии КПД возникла прежде всего у техников. Их мало интересовали логические тонкости. Что бы там ни происходило внутри машины, для практика важно знать одно: на выходном валу реальной зубчатой передачи мощность всегда меньше, чем на входном. Это справедливо для винтовой передачи, электромотора, трансформатора и т. д. КПД, вычисленный как отношение энергии на выходе и на входе, показывал, какая часть энергии теряется.

Но почему же, когда попытались применить КПД к тепловым процессам и машинам, все получалось так неудачно? Оказывается, не учитывая теплоты при вычислении КПД реальных механизмов, практики интуитивно, не отдавая в этом отчета, сопоставляли эти механизмы с идеальными, работающими без потерь. По их мнению, утверждение: КПД зубчатой передачи 95 %, должно обозначать: мощность на выходном валу зубчатой передачи на 5 % меньше, чем на входном. На самом же деле такое утверждение означает: идеальная, работающая без потерь зубчатая передача для выполнения той же работы и в таких же условиях потребует на 5 % меньше мощности.

Казалось бы, между двумя толкованиями нет принципиальной разницы. Но это не так, ибо первое, будучи применимо к идеальным тепловым машинам, разом уничтожает всю притягательность, и общность понятия КПД заставляет вводить холодильный коэффициент и коэффициент преобразования, могущие достигать бесконечных значений, и т. д.

Второе толкование, напротив, вносит ясность в понятие КПД и спасает от той неразберихи, о которой говорилось раньше. Оно показывает, что КПД нет смысла применять для идеальных машин. В обратимом мире, как мы уже выяснили, все механизмы дают максимум того, что они могут дать, и смешно требовать от них большего. Гораздо разумнее принять идеальные механизмы за эталон для сравнения с реальными. Тогда мы увидим, что понятие КПД рождается, образно говоря, на стыке реального и идеального миров. Смысл КПД — показывать, насколько реальная машина приближается к идеальной, работающей в точно таких же условиях и выполняющей точно такую же работу.

Главное, что отличает реальную машину от идеальной, — это потери, вызванные необратимым переходом различных форм движения в тепловое, и выравнивание температур путем теплообмена без совершения работы. Что же происходит в мире при протекании таких необратимых процессов? Энергия, как мы выяснили, остается постоянной. А что меняется?

В свое время лорд Кельвин не пожелал пользоваться выдуманной Клаузиусом энтропией и предпочитал ей понятие работоспособности. Представьте себе, что в какой-то момент на нашей планете сразу выключились все источники необратимости. Тогда в химическом топливе, в воде, находящейся выше уровня океана, в движущихся по инерции телах, нагретых до температуры выше окружающей среды веществах окажется запасенным огромное количество механической энергии. В этом обратимом мире все формы движения могут бесконечно долго без всяких потерь переходить друг в друга, но общее количество этой энергии сохраняется неизменным. Включим теперь источники необратимости — количество работы начнет уменьшаться. И когда все придет к одинаковой температуре, опустится на один уровень, равномерно перемешается, когда электрический потенциал станет всюду одинаков, короче говоря, когда все мыслимые интенсивные параметры выравняются — запас работы станет равным нулю. Хотя энергия останется неизменной, в результате таких процессов исчезнет как раз то, что Кельвин называл работоспособностью и что сейчас, по предложению немецкого ученого Э. Ранта, стали именовать эксергией.

Эксергия — это та часть общей энергии тела, которая в данных условиях может быть превращена в работу. Эксергия учитывает не только параметры самого вещества или системы, но и параметры окружающей среды. Скажем, энергия одного килограмма воды, находящейся на поверхности океана, огромна, если считать ее по отношению к центру земли. Но превратить ее в работу невозможно: средний уровень Мирового океана аннулирует способность этого килограмма совершать работу. Вот другой пример: в баллоне, из которого выкачан воздух, нет никакой энергии. Однако эксергия его больше нуля: открыв клапан, мы можем создать поток воздуха внутрь баллона, поставить газовую турбинку на его пути и заставить окружающую среду совершать работу.

Если на улице температура 293 К, то газ с такой температурой имеет эксергию, равную нулю, хотя его энергия относительно абсолютного нуля довольно велика. А газ при 100 К, обладающий втрое меньшей энергией, имеет эксергию, отличную от нуля. Соединив с ним окружающую среду через идеальную тепловую машину, мы можем использовать эту разницу температур для получения механической работы. Теперь нетрудно понять, что сметливый сосед крал у простодушного баварского лавочника не энергию, как доказывал тот, а эксергию, работоспособность.

При любых изменениях в обратимом мире эксергия остается постоянной. Необратимые процессы — вот истинные «пожиратели эксергии», непрерывно уменьшающие ее запас. Это наводит на мысль, что между эксергией, которая уменьшается в необратимых процессах, и энтропией, которая в них увеличивается, есть какая-то связь. Такая связь действительно существует, но только в тех случаях, когда происходит возрастание энтропии вследствие необратимого процесса. Скажем, подводя обратимо теплоту к телу, мы увеличиваем его энтропию, но эксергия не меняется. Если же нагревать предмет необратимо — энтропия возрастает, а эксергия уменьшается. Следовательно, уменьшение эксергии связано не вообще с увеличением энтропии, а лишь с увеличением энтропии в необратимых процессах.

Понятие эксергии избавляет нас от необходимости каждый раз сравнивать реальный механизм с точно таким же и работающим в таких же условиях идеальным. Теперь достаточно эксергию на выходе из механизма разделить на эксергию на входе, чтобы получить КПД. Этот КПД для всех машин, в том числе и тепловых, меньше единицы, и чем он ближе к единице, тем меньше отличается механизм от идеального.

Основные источники потерь тепловой электростанции Силачом и Огнепоклонником оцениваются по-разному. Так, считая только по ЭНЕРГИИ, Огнепоклонник полагает, что главный источник потерь на электростанции — конденсатор. Силач же, считая по ЭКСЕРГИИ, видит: главный источник потерь — котел. И Силач прав — именно в совершенствовании котлов, в повышении параметров пара — столбовой путь развития энергетики.

Эксергия вносит ясность в понимание работы тепловых машин, она реабилитирует некоторые части тепловых установок и находит истинных виновников потерь. Например, долгое время считалось, что главные потери паровой установки — это теплота, отдаваемая в конденсаторе охлаждающей воде. И действительно, в конденсатор уходит почти половина теплоты, полученной рабочим телом в котле. Котел, наоборот, считался самой экономичной частью установки: КПД, подсчитанный по энергии, получался 96–98 %. Но стоило проследить, что происходит с эксергией, и стало ясно: конденсатор надо реабилитировать, это одна из самых экономичных частей установки, в которой эксергия уменьшается всего на 3 %. И это понятно, температура в конденсаторе всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Истинный же виновник потерь — котел.

В раздельном существовании топлива и кислорода запасено некоторое количество эксергии. Если провести реакцию окисления обратимо, с помощью идеального топливного элемента, мы не уменьшим этого первоначального количества эксергии. Если же мы сожжем топливо, то эксергия уменьшится. Насколько? Это зависит от температуры получившихся газов. В топке котла температура бушующего факела достигает 1500–1800 °C, а температура пара перед турбинами в лучшем случае достигает всего 600 °C. Теплообмен с перепадом в 900— 1200 °C — вот второй источник потерь в котле. А в общей сложности котел «пожирает» около половины эксергии. Теперь мы новыми глазами можем взглянуть на тепловые машины. Эксергия показывает нам, что всюду, где существуют большие перепады температур, таятся источники потерь: в котлах, в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, между нагретыми газами и охлаждаемыми водой стенками цилиндра, в камерах сгорания газовых турбин. Теперь нам нетрудно понять, сколь расточительно и убыточно печное отопление: при сгорании дров температура 800 °C, а в комнате надо поддерживать 25 °C. Не удивительно, что тепловые насосы имеют немалые перспективы на будущее.

Эксергетический анализ подсказывает и пути устранения потерь в тепловых машинах: разницу температур между теплообменивающимися средами надо всемерно уменьшать. Можно, например, подогревать воздух, идущий в камеру сгорания, за счет выхлопных газов. Тогда перепад температур между факелом и воздухом получится меньше, следовательно, КПД увеличится. Такой прием называют регенерацией. Впервые примененный в прошлом веке шотландцем Стирлингом и шведом Эриксоном, этот способ нашел широкое применение в паровых и газотурбинных установках. Но наибольший успех выпал на долю двигателей Стирлинга и Эриксона с регенераторами в наши дни. Оказалось, что такие двигатели в принципе имеют такую же экономичность, как и двигатели Карно. Однако они не требуют чрезмерно высоких давлений, сравнительно невелики и легки, и именно поэтому к ним во многих странах проявляется повышенный интерес.

Итак, эксергия позволила устранить противоречия и трудности, с которыми столкнулись, говоря о КПД тепловых машин.

Но всюду, где полезное действие основано на использовании необратимости, КПД теряет смысл. Академик А. Харкевич, кажется, первый обратил внимание на серьезные противоречия в понятии КПД. «Чем больше размышляешь о классическом определении КПД, — писал он в 1964 году, — тем больше недостатков в нем находишь. Величина КПД по определению меньше единицы. Это значит, что некоторую долю энергии мы всегда теряем. Единственное, на что годится КПД с его фальшивой универсальностью, — это характеризовать величину потерь… Но КПД никогда не характеризует полезного действия». В самом деле, человеку нужна не энергия сама по себе, а ткани, пища, книги, материалы и т. д., которые с помощью энергии можно получить. Изготовление этих и многих других полезных предметов и вещей возможно только благодаря необратимости. А обратимый мир, будучи чрезвычайно благоприятным местом для получения, преобразования и передачи энергии, не предоставляет никаких возможностей для потребления этой энергии. В нем не могут работать никакие устройства, полезное действие которых основано на необратимости. Для реальных ткацких, бумагоделательных, печатных и других станков нет идеального прототипа, их не с чем сравнивать и потому невозможно оценивать с помощью КПД.

Наш реальный необратимый мир гораздо богаче возможностями, чем мир идеальный, обратимый. И именно поэтому сфера приложимости КПД по необходимости ограничена. Есть в живой природе множество удивительных устройств, которые именно благодаря необратимости происходящих в них процессов позволяют живым существам слышать, видеть, осязать окружающий мир. Есть в технике приборы, позволяющие увидеть, к примеру, инфракрасное, ультрафиолетовое или рентгеновское лицо мира. Есть, наконец, устройства, в которых необратимость позволяет проще и надежнее решить проблемы, головоломные для обратимого мира. Эти устройства бессмысленно оценивать с помощью КПД. Но в энергетике, в преобразовании различных форм движения эксергетический КПД незаменим.

Глава III УНИВЕРСАЛЬНАЯ, КАК ГРАВИТАЦИЯ

Всего за несколько минут в топке современного судового котла выделяется тепло, способное превратить его металлические стенки в расплав. В авиационных двигателях это время исчисляется десятками секунд, в атомных реакторах и ракетах — секундами и долями секунд. И если котлы не тают на глазах изумленных кочегаров, если воздух не сдувает с крыльев самолета капли расплава, в который превратились бы моторы, если космические корабли не превращаются в лужи жидкого металла на космодромах, если реакторы не вытекают струйками расплава из залов атомных электростанций, то этим техника обязана теплопередаче.

С точки зрения этой науки любое вещество, любое тело можно уподобить дырявому ведру. В него непрерывной струей льется вода, вытекающая потом мелкими струйками через отверстия в стенках. Чем мощнее вливающаяся струя, тем выше поднимается уровень, при котором из ведра вытекает воды столько же, сколько втекает. И когда этот уровень достигает определенной высоты, ведро не выдерживает напора и разваливается. Замените в этой картине струи воды потоками тепла, уровень в ведре — температурой, а его разрушение — расплавлением, и вы получите довольно точное представление о центральной проблеме современного энергомашиностроения. С одной стороны, законы термодинамики предписывают инженерам стремиться к максимальным температурам рабочего тела — газа или пара; при этом машины получаются компактными и экономичными. С другой — законы физики требуют, чтобы температуры металлических трубок, цилиндров, поршней не превышали температуру, при которой начинается их катастрофическое разрушение.

В умах большинства людей прочно укоренилась справедливая мысль, что в любой реальной машине — механической, электрической, оптической — есть потери, поэтому ее коэффициент полезного действия всегда меньше 100 %. Но всегда ли мы отдаем себе отчет, что эти недостающие проценты КПД, образно говоря, перерабатываются в теплоту. Всюду, где происходит уменьшение КПД, выделяется теплота, повышается температура. Нагреваются подшипники, зубчатые колеса, валы, тормоза, шины автомобилей, шкивы и ремни, обмотки и сердечники трансформаторов и электрических машин, электропроводка, радиолампы, электронно-вычислительные машины. Пока мощность невелика по сравнению с размерами узлов, охлаждение происходит автоматически, при незначительном повышении температуры. Но когда на затяжных спусках начинают гореть тормоза автомобилей, когда в подшипниках мощных двигателей выделяется тепло, способное за несколько минут расплавить вкладыши, когда эфемерная, витающая в математических дебрях электронно-вычислительная машина начинает потреблять сотни киловатт, тогда волей-неволей приходится вспоминать о принудительном охлаждении. И тогда на механических, электрических, оптических устройствах ничего, казалось бы, общего не имеющих с теплотой, появляются прозаические ребра, патрубки и фланцы систем охлаждения, которые в таких случаях оказываются необходимым условием существования машин и сооружений современной техники. Вот почему в основе самых выдающихся достижений XX века — атомной, космической и электронной промышленности — лежит скрытый от поверхностного взгляда прогресс в области теплопередачи, прогресс в умении охлаждать и нагревать, то есть в умении ускорять и замедлять передачу тепла.

КАК УЧЕНЫЕ В ТРЕХ СОСНАХ ПЛУТАЛИ…

Сейчас трудно представить себе тот хаос, то смешение понятий, которые царили в учении о передаче тепла 150–200 лет назад. Мнения ученых о самых фундаментальных представлениях, о самых убедительных экспериментах находились в вопиющем противоречии. И, в сущности, эта путаница в науке в какой-то мере отражала объективное положение дела: в реальном мире различные механизмы теплопередачи переплетены так замысловато, так хитроумно, что их зачастую невозможно отделить один от другого. И чтобы внести порядок в этот хаос, созданный экспериментаторами, чтобы отделить плевелы от злаков, чтобы сформулировать основные понятия и определения, требовалась та дисциплина мысли, которая культивируется, быть может, одной лишь математикой. Вот почему решающую роль в становлении теплопередачи — науки по существу своему экспериментальной — сыграл математический гений Фурье.

В 1822 году в своей знаменитой «Аналитической теории теплоты» он сформулировал основную цель новой науки: «Уметь определять температуру в любой точке тела в любой момент времени, если известны температуры во всех точках тела в начальный момент». Четко разграничив три основных механизма теплопередачи — теплопроводность, излучение и конвекцию, он главное свое внимание сосредоточил на том из них, который показался ему простейшим, — на теплопроводности.

С этим видом передачи тепла мы весьма неприятным образом сталкиваемся, когда в сильный мороз опрометчиво прикасаемся голой рукой к металлическому поручню. Пальцы мгновенно прилипают к его поверхности, и мы иногда рискуем даже оставить на ней кусочки своей кожи. Причина — высокая теплопроводность металлов: тепло из точки соприкосновения отводится так стремительно, что температура кожи моментально падает до температуры замерзания влаги. Высокая теплопроводность металлов, столь неприятная в поручнях, спасла, однако, жизнь тысячам шахтеров мира. Раньше, когда они работали при свете масляных или керосиновых ламп, открытое пламя нередко вызывало страшные взрывы рудничного газа. Это продолжалось до тех пор, пока английский химик Дэви не догадался окружить пламя со всех сторон тонкой металлической сеткой, которая так быстро отводила тепло от раскаленных соприкасающихся с ней газов, что их температура оказывалась недостаточной для воспламенения взрывчатой смеси. Из всех чистых металлов лучше всего для изготовления такой сетки подошло бы серебро — самое теплопроводное вещество на земле. Ему немного уступают медь и золото. На другом конце ряда мы видим висмут и сурьму — металлы, проводящие тепло раз в 30 хуже, чем серебро.

Теплопроводность неметаллических тел — стекла, дерева, бумаги, кирпича и т. д. в 100—1000 раз хуже, чем у серебра, и обычно она повышается с увеличением плотности, температуры и влажности материала. Жизненно важно для человечества то, что именно в эту группу входят различные виды органического топлива — уголь, дерево, торф. Будь эти вещества теплопроводны, как металлы, человек едва ли научился бы добывать огонь. Ведь тепло, выделяемое при горении, из-за высокой теплопроводности отводилось бы в толщу материала и не нагревало бы близлежащие слои до температуры воспламенения.

Жидкости проводят теплоту настолько хуже металлов, что некогда ученые считали их абсолютными непроводниками теплоты. Были даже в обоснование этого мнения поставлены хитроумные эксперименты. Но потом выяснилось: эксперименты показывали лишь то, что жидкости плохие теплопроводники. Вода проводит теплоту лучше, чем все другие жидкости, но даже у нее теплопроводность раз в 600 хуже, чем у серебра. Однако настоящие антиподы металлов с точки зрения теплопроводности — газы. Лучший теплопроводник среди газов — водород — в 4500 раз уступает серебру. За ним идет гелий. Замыкают ряд хлор, двуокись серы, углекислый газ, проводящие теплоту в 15–20 раз хуже, чем водород.

Теплопроводность — обмен кинетической энергии между молекулами нагретых и холодных тел, приведенных в прямое соприкосновение, — в чистом виде встречается лишь в газах. В жидкостях, в твердых телах то, что мы называем «чистой теплопроводностью», в действительности нередко оказывается переплетением нескольких видов теплопередачи, которые не всегда можно в принципе отделить один от другого. И если до сих пор теплопроводность считается едва ли не простейшим механизмом теплопередачи, то лишь потому, что чародей Фурье ухитрился вычислять суммарный эффект действия различных видов теплопередачи, не разделяя их. Но даже этот чародей не решился взяться за наведение порядка в пестрой сумятице накопившихся к тому времени экспериментов по тепловому излучению — электромагнитным волнам длиной от 0,4 до 40 микрон.

С этим видом теплопередачи мы сталкиваемся, когда греемся на солнышке, сушим одежду у костра, зажигаем электрическую лампу. Но за доступностью и незатейливостью этих действий кроются факты и наблюдения далеко не самоочевидные.

Вот ошеломляющий опыт знаменитых флорентийских академиков: они поставили металлическое вогнутое зеркало на большом расстоянии от ледяной глыбы и, поместив в его фокус термометр, обнаружили понижение температуры. А чем объясняются эксперименты Пикте, установившего, что опыт флорентийцев не удается при замене металлического зеркала стеклянным? А куб Лесли — металлический ящик, одна сторона которого была отполирована, другая покрыта сажей, третья — писчей бумагой, а четвертая — стеклом? Почему, наполнив его горячей водой, Лесли получил разные показания термометров, равноудаленных от граней куба? Почему, например, покрытая сажей грань нагрела термометр сильнее, чем покрытая писчей бумагой? Последняя — сильнее, чем покрытая стеклом, а стеклянная — сильнее, чем полированная?

И на этот раз экспериментаторы не смогли пробиться сквозь дебри наблюдений, до тех пор пока теоретик Кирхгоф не придумал одну из самых необычных идеализаций — абсолютно черное тело, которое поглощает все падающие на него электромагнитные волны, ничего не отражая и не пропуская сквозь себя. Подобно тому, как печка превращает любой вид топлива — дрова, уголь, мазут, бумагу, мусор — в один и тот же дым, абсолютно черное тело превращает любые падающие на его поверхность лучи — световые, рентгеновские, ультрафиолетовые и т. д. — в тепловые, излучаемые всеми телами, нагретыми выше абсолютного нуля.

При температуре ниже красного каления абсолютно черное тело представляется черным в буквальном смысле слова. Но когда температуры переваливают за несколько тысяч градусов, оно выглядит как ослепительно яркий источник света. И как это ни парадоксально, наше Солнце тоже абсолютно черное тело, ибо едва ли какие-нибудь падающие на его поверхность лучи отражаются или пронизывают его насквозь.

В противоположность абсолютно черному можно представить и абсолютно белое тело; оно отражает все падающие на него лучи. И если абсолютно черное тело, поглощая все, нагревается быстрее и сильнее, чем всякое другое, то тело абсолютно белое даже в фокусе солнечной печи сохранит свою температуру неизменной.

Задача неимоверно упрощается, если ограничиться лишь инфракрасной частью спектра, где длины волн располагаются в интервале 0,8—40 микрон. Все реальные тела в той или иной степени и поглощают, и отражают падающие на них инфракрасные лучи, и в этом смысле справедливо заслуживают название серых. Оценить «серость» реальных тел можно по их степени черноты. Чем ближе эта цифра к единице, тем чернее серое тело. Самые черные из реальных веществ для инфракрасных лучей — черный матовый лак, сажа, окись хрома: степень их черноты может достигать 0,97—0,98. Далее идет вода, асбестовый картон, масляная краска, стекло. К абсолютно белому телу ближе всего примыкает полированная медь, со степенью черноты 0,018; за ней идут другие полированные металлы — алюминий, серебро, золото, олово, цинк. Для инфракрасных невидимых лучей цвет поверхности не играет особой роли: сажа и снег, черный лак и белый почти одинаково черны для них. Здесь главное — состояние поверхности: полированное железо поглощает лишь 15–35 % инфракрасных лучей, а литое, необработанное — 87–95 %.

Для видимых световых лучей цвет становится важным фактором: черная краска поглощает 98 % света, а белая — лишь 20 %. Полированная же медь, столь удачно отражающая инфракрасные лучи, в видимой части спектра оказывается хуже, чем белая краска, она поглощает около 26 % света.

Уже эти данные позволяют объяснить многие ранние эксперименты. Опыт флорентийских академиков, например, доказывал: столбик термометра, помещенного в фокусе металлического зеркала, опускается потому, что стремится прийти в тепловое равновесие с глыбой льда. Этот опыт не удавался Пикте при использовании стеклянного зеркала, ибо для инфракрасных лучей стекло все равно что черная бумага для света. Наконец, эксперименты Лесли показали: степень черноты убывает в таком порядке — сажа, писчая бумага, стекло, полированная поверхность.

Но главная заслуга Кирхгофа в другом. Придумав абсолютно черное тело, он подготовил открытие фундаментального закона теплопередачи. Честь экспериментального открытия этого закона досталась Стефану, а его теоретического обоснования — Больцману — двум венским физикам. Закон оказался прост: с увеличением абсолютной температуры абсолютно черного тела в 2 раза количество излучаемой им энергии возрастает в 16 раз, то есть пропорционально четвертой степени его температуры. Теперь достаточно было установить, в какой степени реальное тело можно уподобить абсолютно черному, и все дальнейшее становилось делом обычной арифметики.

Взявшись за простейшие виды теплопередачи, теоретики добились в их изучении успеха лишь в той мере, в какой сумели отвлечься от конвекции, при которой тепло передается путем перемешивания горячих и холодных слоев жидкости или газа. Конвекция, таким образом, неразрывно связана с механическим движением жидкостных и газовых потоков, изучением которых занимается гидромеханика. Взятые даже сами по себе течения жидкостей и газов — настолько сложны и труднодоступны для изучения, что дополнительное наложение на них еще и тепловых процессов всегда заставляло теоретиков отказываться от исследования конвекции.

Заниматься ей вплотную приходилось инженерам и ученым-прикладникам. У них просто не было другого выхода, ибо именно конвекция — главный механизм теплопередачи в металлургическом производстве, в отопительных системах, в котельном деле. Без конвекции не могли бы охлаждаться радио-и электроприборы, тормоза, компрессоры. Без конвекции немыслимы холодильные устройства, морозильные камеры, химические и нефтеперерабатывающие устройства, энергетические установки.

Впрочем, нельзя сказать, чтобы теоретики совсем ничего не дали учению о конвекции. Напротив, еще Ньютон установил основное уравнение конвективного теплообмена. Он считал, что количество теплоты, переданное этим процессом, пропорционально поверхности нагрева, разности температур и коэффициенту теплоотдачи. Но основное заблуждение Ньютона состояло в том, что этот самый коэффициент он считал постоянным. В действительности же нет на свете величины, более причудливо зависящей от десятков факторов. Здесь и теплопроводность рабочего тела, и его вязкость, и плотность, и скорость, и теплоемкость. Иногда на величину коэффициента теплоотдачи влияет разность температур между стенкой и рабочим телом. У трубки, расположенной вдоль потока, теплообмен идет не так, как у трубки, расположенной поперек, и т. д.

Но сколь ни многочисленны эти факторы, все они влияют на конвективный теплообмен лишь постольку, поскольку влияют на пограничный слой. Эта невидимая рубашка, окутывающая любое тело, погруженное в жидкость или газ, надежная защита против теплопередачи. И чем вязче жидкость, чем меньше ее плотность, тем труднее сдуть с поверхности тела эту рубашку. Один из механизмов сдувания пограничного слоя возникает автоматически и знаком каждому по работе печного отопления. Порции воздуха близ стенки печки, нагреваясь за счет теплопроводности, становятся легче и поднимаются вверх, на их место подтекают новые порции холодного воздуха — так возникает свободная конвекция. Скорости воздуха здесь очень малы, толщина пограничного слоя — около сантиметра. Поэтому за 1 час 1 м² поверхности при разности температур в 1 °C передает около 5–8 ккал.

Свободная конвекция сильно зависит от плотности рабочего тела. На высоте 20 км, где плотность воздуха меньше, чем на поверхности земли, в 18,5 раза, коэффициент теплоотдачи оказывается вчетверо меньшим. При еще более сильном разряжении архимедова сила, благодаря которой нагретый воздух всплывает вверх, может стать недостаточной для преодоления гидравлического сопротивления, и тогда механизм свободной конвекции перестает действовать.

Зато в плотной среде этот механизм действует весьма энергично. Свободная конвекция в воде — например, при нагревании воды в чайнике — дает коэффициенты теплоотдачи от 200 до 1000 ккал/ч м² °С. А когда вода начинает кипеть, когда паровые пузыри дробят, сдувают, срывают пограничный слой, когда, всплывая, они перемешивают горячие и холодные порции жидкости, коэффициент теплоотдачи может достигать 40–45 тыс. ккал/чм²°С. Обратный процесс — конденсация пара идет еще интенсивнее. Здесь коэффициент теплоотдачи достигает 100–120 тыс. ккал/ч•м²•°С. Но и в том и в другом случае необходимо соблюдать одно условие: жидкость при кипении должна соприкасаться непосредственно с нагревающей поверхностью, а пар при конденсации должен соприкасаться непосредственно с поверхностью охлаждающей. Стоит поверхности покрыться при кипении непрерывной паровой, а при конденсации непрерывной жидкостной пленкой — и теплоотдача резко падает.

Толщину пограничного слоя можно уменьшить принудительным образом, обдувая горячую стенку воздухом с помощью вентилятора. Достаточно, скажем, повысить скорость до 5 м/с, и коэффициент теплоотдачи с 8 ккал/чм²°С при свободной конвекции поднимается до 30 ккал/ч•м²•°С. При такой принудительной конвекции все, что способствует турбулизации — завихрениям в потоке, увеличивает коэффициент теплоотдачи. В этом смысле шероховатые стенки лучше, чем идеально гладкие, поперечное обтекание труб лучше, чем продольное, тонкие трубки лучше, чем толстые.

До сих пор мы рассматривали механизмы передачи тепла в отрыве один от другого. Но на практике такие случаи чрезвычайно редки. Гораздо чаще на практике приходится сталкиваться с совокупным действием всех трех механизмов теплопередачи. Действием, которое делает процессы в окружающем нас мире необыкновенно сложными, необыкновенно трудными для научного анализа, но зато и необыкновенно разнообразными, богатыми и интересными для наблюдения и размышления возможностями…

ГИМН ОХЛАЖДЕНИЮ

Занимаясь исследованием теплопередачи, инженер-теплотехник, в сущности, ставит перед собой не бог весть какую сложную цель — уметь, когда нужно, полностью останавливать тепловой поток, а когда нужно, делать его сколь угодно большим. Конечно, как человек практики он понимает, что в жизни не бывает ни «нулей», ни «бесконечностей». И поэтому вполне готов удовлетвориться скромным решением: умением сильно замедлять и сильно убыстрять теплопередачу. И можно только дивиться тому множеству головоломнейших трудностей, которые ожидают его на пути к достижению этой простой на первый взгляд цели.

Возьмем, к примеру, замедление теплопередачи. Казалось бы, чего проще? Нужно лишь со всех сторон окружить систему стенками из материала, который очень плохо проводит тепло. Но если внимательно посмотреть, то окажется, что выбор не так уж богат. Лучшая адиабатическая — теплоизолирующая оболочка — сухое дерево проводит в 90 тыс. раз меньше тепла, чем серебро — лучшая диатермическая — теплопроводящая оболочка. Для сравнения укажем, что лучший электроизолятор — парафин проводит электрический ток в 310²⁴ раз хуже, чем лучший электропроводник — серебро.

Правда, теплопроводность газов — хлора, двуокиси серы, двуокиси углерода меньше, чем у ваты. Но инженера ждало бы страшное разочарование, если бы он последовал теоретическим рекомендациям и соорудил теплоизоляцию из двух стенок, между которыми находился бы один из этих газов. В действительности тепловой поток раз в 10–20 превзошел бы ожидаемый, ибо в толстом слое газа неотвратимо начинается конвекция, перечеркивающая его низкую теплопроводность. Чтобы замедлить конвекцию, нужно воспрепятствовать перемешиванию газа, разбив его толщу на мелкие ячейки. В сущности, всякий легкий пористый материал и есть как бы «кусок воздуха», слои которого зафиксированы в пространстве и не могут перемешиваться. Правда, теплопроводность пористых материалов больше, чем у газообразного воздуха, но гораздо меньше, чем теплопроводность тех же самых, но уплотненных веществ. Превратив сосновые доски в опилки, мы уменьшаем их теплопроводность в 3,5 раза. Свежий сухой снег проводит тепло в 20 раз хуже, чем лед. Теперь нетрудно понять, почему пустотелые, наполненные воздухом шерстинки северного оленя хорошо защищают его от стужи, почему не замерзают под слоем снега семена и корни растений, почему считаются лучшими теплоизоляторами войлок, вата, пробка и т. д.

Другой способ воспрепятствовать конвекции — окружить предмет, если так можно выразиться, слоем вакуума, заключенного в герметической полости между двумя стенками. Такая изоляция, хорошо всем знакомая по обычному термосу, практически полностью исключает конвекцию и теплопроводность, и главным механизмом теплопередачи здесь становится излучение. А с потерями на излучение лучше всего бороться с помощью посеребренных экранов. Вакуумный промежуток с несколькими слоями посеребренной полированной пластиковой пленки проводит тепло в 300 с лишним раз хуже, чем воздух при атмосферном давлении.

Казалось бы, такая замечательная сверхизоляция способна полностью решить все проблемы, связанные с надежной блокировкой теплообмена. Но, увы, хорошие теплоизоляторы далеко не всегда оказываются веществами, способными, не разрушаясь, противостоять действию самой высокой температуры. Пробка, вата, войлок и многие другие теплоизоляторы в таких случаях не годятся, они выдерживают лишь низкие и умеренные температуры. Когда же речь заходит о 500–900 °C, на сцену выступает диатомит, асбест, асбослюда — вещества с весьма посредственными теплоизолирующими свойствами, но зато способные не разрушаться от действия таких температур. Одна-две тысячи градусов заставляют мириться с еще худшими теплоизоляторами, лишь бы они противостояли такому накалу. Наконец, рабочие температуры в 2000–2500 °C сужают выбор всего до нескольких веществ, к которым требование низкой теплопроводности предъявлять просто не приходится. Повысив температуру до 3300 °C, мы убедимся, что всего несколько материалов на Земле способны, не расплавившись, противостоять такому нагреву — графит, вольфрам, карбид циркония.

Лет сто назад такие температуры казались маячащими в самом далеком будущем. Но в тот момент, когда знаменитый французский химик Муассан обнаружил, что в его лабораторной дуговой печи расплавился и потек струйками тигель из магнезита — одного из самых тугоплавких веществ, стало ясно: не за горами время, когда техника научится получать температуры, при которых все известные на Земле материалы смогут выступать только в виде паров. И когда спустя несколько десятилетий это действительно произошло, задача обратилась!

Чтобы стенка, отделяющая раскаленную среду от холодной, не испарилась в мгновение ока, чтобы она могла вообще существовать, она должна очень хорошо проводить тепло. Замедление теплопередачи при высоких температурах оказалось невозможным без умения ускорять ее.

Стенки камеры сгорания жидкостного реактивного двигателя и его сопло должны как можно лучше проводить тепло и передавать его охлаждающему потоку. Малейшая заминка в этом процессе приведет к моментальному испарению стенки: ведь на каждый квадратный сантиметр ее поверхности обрушивается тепловой поток в 300 ккал/с! Действительно, когда стенка сделана из жаростойкой стали, ее тепловое сопротивление составляет примерно половину общего сопротивления, другие 45 % приходятся на долю конвективно-лучистого теплообмена в камере сгорания и 5 % — на сопротивление теплоотдачи от стенки к охлаждающему топливу. А поскольку температура выше всего там, где наибольшее тепловое сопротивление, оказывается, что наибольший температурный перепад «садится» именно на стенку. Стоит заменить жаропрочную сталь в 10 раз более теплопроводным алюминием, и доля стенки в тепловом сопротивлении упадет всего до 10 %, а доля конвективно-лучистого теплообмена возрастет до 84 %. В результате максимальный температурный перепад перекочевывает на слои газа в камере сгорания, где он совершенно не угрожает целостности конструкции, а температура стенки резко понижается.

В представлении большинства людей наибольшие температуры надо искать там, где сжигается топливо или горит электрическая дуга. Но, как это ни парадоксально, самые высокие температуры, от которых инженерам приходится защищать конструкционные материалы, возникают при торможении. Искры, сыплющиеся из-под тормозных колодок электропоездов, дают некоторое представление о процессе, который по мере повышения скорости становится одним из самых мощных генераторов высоких температур. Образно говоря, трудности, возникающие при торможении, есть зеркальное отображение трудностей, преодолеваемых при разгоне. Ведь чем мощнее двигатель, чем большую скорость он сообщает аппарату, тем сильнее сопротивление, тем больше вследствие необратимости выделяется тепла на его поверхности, тем выше температура обшивки. Так, обшивка аппарата, летящего на высоте 37 км со скоростью 8 тыс. км/ч, разогревается до 2500 °C. При скорости 18 тыс. км/ч температура обшивки должна превышать температуру поверхности Солнца! А поскольку аппараты, возвращающиеся из космоса, движутся с еще большими скоростями, их защита от нагревания смещает проблемы теплопередачи в плоскость совершенно фантастическую.

Воздушная подушка, которая возникает перед мчащимся с космической скоростью телом, мгновенно превращается в ослепительно сияющий сгусток плазмы, обрушивающий на породившую его стенку неимоверные тепловые потоки. Правда, сравнительная кратковременность вхождения в атмосферу позволяет применить не совсем обычные методы тепловой защиты.

Как на несколько минут, пока не намокли листья, можно укрыться от дождя под деревом, так можно и стенку защитить от нагрева слоем материала, быстро отводящего тепло от поверхности, распределяя его равномерным слоем по всей толще. При более длительных нагрузках стенку можно охлаждать с помощью трубок, по которым прокачивается жидкость или газ. Можно, наконец, нагнетая сквозь поры газ или жидкость, очень эффективно охлаждать саму стенку и, утолщая пограничный слой, уменьшать поток от источника тепла к стенке. Не нужно много фантазии, чтобы сделать следующий шаг и защищать стенку слоем металла, который, плавясь или испаряясь, отнимает тепло от потока и оказывает, таким образом, охлаждающее действие (не совсем привычно звучит слово «охлаждение», когда речь идет о кипении при 2–3 тыс. градусов). Следующий шаг — абляция.

Оказывается, неразлагайся молекулы кислорода и азота воздуха на атомы, не поглощай они энергию при этом разложении, и температура летательного аппарата при скорости 12 тыс. км/ч была бы не 4000°, а 7500 °C. Почему же не покрыть стенку таким веществом, которое химически разлагалось бы при нагреве, отнимая при этом огромное количество тепла у набегающего потока. Именно так и работают абляционные покрытия. Разлагаясь, они создают струи газов, уносящих поглощенное тепло, и внешне процесс похож на горенке. Но необычно это горение, которое порождает охлаждающее пламя. Наконец, можно покрывать стенку веществом, которое под действием высокой температуры вступает с воздухом в реакцию, сопровождающуюся поглощением тепла.

Теперь, зная, как сильно зависит от теплопередачи космическая техника, как мучительно и непросто возвращение от звезд к планете Земля, мы сможем понять, почему произвело сенсацию среди специалистов-теплотехников появление тепловой трубки…

Открытие сверхпроводимости, при которой электрический ток может циркулировать в металлическом кольце сколь угодно долго, не испытывая никакого сопротивления, натолкнуло ученых на мысль, что может существовать и сверхтеплопроводность. Однако первые же даже не очень точные опыты показали, что, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние, его теплопроводность становится меньше, чем в нормальном состоянии. И чем ниже опускается температура, тем ближе сверхпроводник к абсолютному теплоизолятору. Причина этого эффекта проста: электроны, ответственные за сверхпроводимость, «умирают» для теплового движения, не могут участвовать в нем. И чем ниже температура сверхпроводника, тем меньше остается в его теле электронов, способных проводить тепло.

Эффект, который ученым не удалось открыть в природе, инженерам удалось создать искусственно, силой своей изобретательности. И что самое удивительное, в основу этого изобретения легли процессы давным-давно всем известные: кипение и конденсация жидкостей, характеризующиеся необычайно высокими коэффициентами теплоотдачи. С одного квадратного метра поверхности нагрева при перепаде температур всего в 1 °C кипящая вода за час может снять около 50 тыс. ккал тепла, а конденсирующийся пар — около 100 тыс. ккал. Нагретое тело можно быстро охлаждать кипящей жидкостью, получившийся при этом пар чисто механически транспортировать к холодному телу, конденсируясь на котором, он так же быстро отдает тепло, снова превращаясь в жидкость. Возвращая жидкость в зону нагрева, ее опять можно испарить, опять перегнать пар к холодному телу, опять сконденсировать… Другими словами, можно заставить рабочее тело непрерывно циркулировать и переносить при этом тепло. Причем, поскольку сопротивление движению пара гораздо меньше, чем сопротивление движению тепла в теплопроводящем стержне, потоки тепла могут быть увеличены в сотни, а то и тысячи раз.

В одной из первых конструкций через трубку диаметром 2,5 см тепловой поток мощностью 11 кВт передавался на 70 см при перепаде температур, который практически невозможно было измерить. Для сравнения укажем: чтобы выполнить такую задачу с помощью одного из лучших теплопроводников — меди, понадобился бы стержень диаметром 2,75 м, весом 40 т!

Особенно эффектно выглядела одна из первых демонстраций литиевой трубки. Один конец ее экспериментаторы сунули в середину электрической дуги, а другой — в бак с холодной водой. Стержень мгновенно раскалился докрасна и вода в баке закипела. Чтобы оценить всю необычайность этого опыта, достаточно привести такие цифры. Для передачи 15 кВт тепловой мощности по медному стержню с поперечным сечением 1 кв. см на расстояние 1,5 м его горячий конец должен быть раскален до 180 тыс. (!) градусов — в 30 раз горячее поверхности Солнца! А литиевая трубка таких же размеров, нагретая до 1500 °C, передает эту же мощность при разности температур на концах всего в 5 °C.

С помощью тепловых трубок — устройств, температура которых остается практически постоянной по всей длине, — можно очень легко и удобно концентрировать тепловые потоки. Благодаря этому возникает возможность создать источники энергии на радиоактивных изотопах с низкой плотностью тепловыделения: поглощая тепло на большой поверхности, тепловые трубки концентрируют его на малой площади, где оно удобно может быть использовано для привода теплового двигателя либо термоэлектрического элемента. Так же просто с помощью тепловых трубок можно «разжижать» тепловые потоки, что очень важно во всевозможных системах охлаждения…

В самом деле, хуже всего проводят и излучают тепло газы. Они же хуже всего отдают и получают его при конвекции. А поскольку источники энергии чаще всего генерируют ее именно в виде горячих газов и поскольку газы — лучшее рабочее тело для всевозможных тепловых машин, именно газы всегда были настоящим камнем преткновения в инженерной теплопередаче. Например, в котле от газов в топке теплота передается к внешней поверхности трубки излучением и конвекцией, от внешней поверхности трубки к внутренней — теплопроводностью, от внутренних поверхностей трубок к воде — конвекцией при испарении. Каждый из этих участков представляет собой частное тепловое сопротивление. И как скорость эскадры измеряется скоростью самого тихоходного корабля, так и суммарное тепловое сопротивление целиком зависит от самого большого из всех частных сопротивлений. А таким сопротивлением практически всегда оказывается сопротивление при теплоотдаче к газу. Увеличивая с помощью вентиляторов скорость обдувания трубок газовым потоком, скорость теплоотдачи можно увеличить до нескольких сот ккал/чм²°С. И это предел. Дальнейшее увеличение теплового потока возможно только за счет увеличения поверхности, по которой идет теплообмен с газом: в результате на газовой стороне появляются всевозможные замысловатые ребра. Но вот беда — к концам ребер теплота поступает только за счет теплопроводности, а поскольку она сравнительно невелика, температура ребер оказывается гораздо ближе к температуре охлаждающего газа, чем к температуре охлаждаемых деталей. В результате эффективность их резко падает…

Тепловые трубы устраняют эту помеху. Пристыкованные к раскаленным кромкам космического аппарата, входящего в земную атмосферу, они мгновенно распространят выделяющееся на кромках тепло на всю поверхность аппарата и спасут наиболее напряженные участки от расплавления и разрушения. Тепло, выделяющееся на анодах мощных электронных ламп, тепловые трубки «размазывают» по большой поверхности, охлаждаемой за счет свободной конвекции в воздухе. Тепловые трубки позволяют избежать опасных тепловых деформаций при нагреве массивных роторов турбин. Они смогут предохранять от тепловых деформаций и трещин космические аппараты, нагреваемые солнечными лучами.

ВЕЗДЕСУЩАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Редкий научный труд получал столь единодушное признание современников, как опубликованный в 1814 году «Трактат о росе». Его автор — скромный лондонский врач Уоллес — вместо причудливых построений, согласно которым роса падает со звезд или образуется из пара, выделяемого растениями, предложил замечательно ясное объяснение. Представьте себе небольшое тело, нагретое до температуры окружающей среды и лежащее на открытом воздухе, на подставке, которая очень плохо проводит тепло. Если ледяная глыба парит на некоторой высоте над этим телом, то оно, излучая теплоту вверх, обратно ото льда будет получать ее в меньшем количестве. Эту убыль тепла не сможет возместить почва: подставка — плохой теплопроводник. Неподвижный окружающий воздух из-за отсутствия конвекции тоже не сможет восполнить потерю. Тело неизбежно становится холоднее окружающей среды, и если воздух богат парами воды, они сконденсируются на холодной поверхности тела.

Уподобив космическое пространство ледяной глыбе, Уоллес с успехом превратил этот мысленный эксперимент в теорию росы. Он объяснил, почему роса выпадает лишь в ясные тихие дни: облака отражают тепловые лучи обратно на землю, а ветер, благодаря конвекции, быстро уравнивает температуру охлажденного тела с температурой окружающей среды.

Дилетант Уоллес затмил специалистов-метеорологов, потому что, «отказавшись витать в облаках», первым обратил внимание на теплопередачу — процесс, неотвратимо возникающий там, где появляются разности температур. Но он действовал здесь методом «доказательства от противного», ибо в сущности «Трактат о росе» — это трактат о том, как взаимодействие различных механизмов теплопередачи приводит к появлению разности температур.

Теперь, когда мы знаем о трех механизмах подвода и отвода тепла — теплопроводности, излучении и конвекции, мы можем любое тело уподобить сосуду, в который вода наливается через три трубы и через три других выливается. И если, перекрывая в различных сочетаниях эти трубы, мы можем регулировать уровень жидкости в сосуде, то, комбинируя различные виды теплопередачи, мы можем регулировать температуру того или иного тела.

Картина сильно упрощается при переносе тела в космос: вакуум разом отключает все виды теплопередачи, кроме одного — излучения. В межзвездном пространстве, вдали от Солнца и планет, тело начинает излучать свое тепло и его температура падает почти до абсолютного нуля. Черный предмет остывает при этом быстрее, чем серебристый, полированный. Попав в сферу действия солнечного излучения, эти предметы начнут нагреваться, но — неожиданный результат! — максимальная температура у них окажется одинаковой и тем большей, чем ближе предметы к поверхности Солнца. Почему так? Да потому, что максимальная температура устанавливается в тот момент, когда количество тепла, притекающего от Солнца к освещенной стороне, становится равным количеству тепла, излученного в космос затененной стороной.

Серебристое тело плохо поглощает тепло, но зато и плохо излучает его, поэтому в принципе оно нагревается до такой же температуры, что и черное тело, которое хорошо поглощает, но и хорошо излучает. А теперь нетрудно сообразить, какие чудеса можно делать в космосе с помощью кисти и ведерка с краской. Достаточно, например, освещенную сторону черного тела замазать серебристой краской, и его температура начнет понижаться. Если, наоборот, посеребрить теневую сторону, то температура полезет вверх. Ее можно увеличить еще больше, если вокруг посеребренной теневой стороны поставить посеребренный с двух сторон тонкий экран. Девять десятых излученного телом тепла этот экран отражает обратно, а одну десятую излучает. Если поставить за ним еще один экран, потерю тепла можно снизить еще в 10 раз и т. д.

В целом эти несложные зависимости дают неплохое приближение к действительности, если нашу планету рассматривать глазами космического наблюдателя. Действительно, она не более как шарик, витающий вокруг Солнца. Получать и отдавать теплоту такой шарик может только излучением. Считая его поверхность и массу однородной, а в этом случае температура нагрева в солнечных лучах не зависит от излучательной способности, нетрудно вычислить, что его средняя температура должна быть около 18 °C.

Эти допущения, которые для космического наблюдателя не более как средство упрощения расчетов, для нас, живущих на поверхности шарика, — вопрос жизни и смерти. Только оценивая один за другим факторы, влияющие на распределение температуры по поверхности земного шара, начинаешь понимать, на какой, в сущности, тонкой нити висит сама возможность жизни на нашей планете. Ведь для того чтобы во всех точках однородной гладкой сферы, помещенной на место нашей Земли, установилась температура + 18 °C, теплопроводность должна быть бесконечно большой. Только при этом фантастическом условии неравномерность облучения экватора и полюсов, вращение планеты вокруг своей оси и наклон этой оси к плоскости эклиптики не будут влиять на температуру в разных точках поверхности. Но если теплопроводность сравнительно невелика, картина мгновенно меняется. У планеты, «глядящей» на Солнце все время одной стороной, точка, лежащая ближе всех других к светилу, нагревается на несколько сот градусов. Противоположная ей точка на теневой стороне, наоборот, охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Температуры в остальных точках имеют промежуточные значения.

Теперь стоит начать вращать такую планету вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эклиптики, и резкость температурного распределения смягчается. Вместо сильно нагретой и сильно охлажденной точек на поверхности планеты прочерчивается теплый экватор, на полюсах появляются две наиболее холодные точки. От экватора к полюсам температуры постепенно убывают. Если же наложить еще одно условие и придать оси вращения некоторый наклон к плоскости эклиптики, то при каждом обороте нашей гипотетической планеты вокруг Солнца ее верхняя и нижняя половины будут нагреваться то сильнее, то слабее, знаменуя этим смену времен года.

До сих пор поверхность нашей гипотетической планеты мы считали однородной. В действительности это не так. На земном шаре есть участки, покрытые снегом, песком, пустыней, травой, пашней. Снег отражает около 95 % излучения, песок — 43, пустыня — 30, луг — 20, пашня — 14 %. Находясь на освещенной стороне, пашня нагревается гораздо сильнее, чем снег, внося дополнительное усложнение в картину распределения температуры. Еще больше усложняет дело Мировой океан. Его поверхность отражает всего несколько процентов лучей, когда Солнце светит на него в упор, а вечером, когда светило у горизонта, океан отражает почти все излучение. Температура распределяется неодинаково не только пс поверхности, но и по глубине. Если на суше лучи поглощаются в тонком слое, то у воды и льда дело обстоит иначе. Даже на глубине 4 м можно еще обнаружить 4 % солнечного излучения.

А теперь настало время наложить на это уже достаточно сложное, причудливое распределение температур самый могущественный фактор, смазывающий остроту температурных пиков, — земную атмосферу с ее мощным механизмом теплопередачи — конвекцией. Соприкасаясь с нагретой солнцем пашней или пустыней, воздух нагревается здесь сильнее и устремляется вверх. Давление падает, в это место устремляются потоки воздуха с соседних, более холодных участков, и возникает ветер. Летом, когда суша нагревается сильнее, чем море, ветер устойчиво дует с океанов на материки. Зимой, наоборот, материки «обдувают» моря. Над экватором, разогретым солнцем, непрерывно поднимаются в небо огромные массы теплого воздуха, а на их место мчатся потоки из более холодных областей, создавая устойчивые ветры.

На полюсах массы воздуха охлаждаются, и именно отсюда они разносят холод по всей поверхности земли. Кроме холода, воздушные потоки разносят еще облака, которые непрерывно генерируются солнечными лучами, падающими на поверхность суши и Мирового океана.

Таким образом, атмосфера — это своего рода мельница, которая в жерновах теплопроводности, конвекции и теплового излучения «перемалывает» солнечные лучи, размазывает, размывает, сглаживает острые углы в температурной картине на поверхности нашей планеты. Но даже при действии этого необычайно мощного механизма смягчения температурных пиков разница между самым холодным и самым теплым местом на земном шаре может достигать 140 °C: в Антарктиде температура воздуха зимой падает иногда до минус 83 °C, а в Ливии летом поднимается до плюс 58 °C!

Глава IV МИР, КОТОРЫЙ ЕСТЬ, НО В КОТОРОМ НЕ ВСЕ понятно

«Астрономия первая показала нам, что существуют законы. Наученные этим опытом, мы лучше разглядели наш собственный мир, где под кажущимся беспорядком нашли ту же гармонию, с которой нас познакомило изучение неба». Мы повторили еще раз эти слова Анри Пуанкаре для того, чтобы продолжить их словами русского физика Александра Столетова: «…но явления, наблюдаемые нами вблизи, оказались далеко не так просты, как небесные движения, или не допускали тех абстракций и упрощений. Собственно механические процессы идут рука об руку с более темными процессами — тепловыми, химическими, электрическими».

Только теперь, спустя почти столетие, мы можем в полной мере оценить проницательность нашего соотечественника. В то время как Пуанкаре имел в виду реальные механические процессы, Столетов смотрел на дело шире, ибо в его словах угадывается намек на принципиальное фундаментальное отличие биологических процессов от механических, да и от физических вообще…

Попробуйте порасспрашивать своих знакомых-автомобилистов об их машинах. Они вам сразу же и совершенно точно назовут мощность мотора, расход бензина, скорость и т. д. Но спросите у них, насколько уменьшается от износа вес шин или мотора? Они только пожмут плечами: в автомобиле их интересуют энергетические характеристики, а не происходящие в нем изменения. К биологическим объектам люди относятся совсем иначе. Родители, например, сразу скажут вам, каков рост их ребенка, сколько он прибавил в весе, какие слова научился говорить. Но спросите их, какова мощность ребенка? Сколько теплоты он выделяет в сутки? Сколько весит пища, потребляемая им в течение года? Они пожмут плечами: в детях их интересуют происходящие изменения, а не энергетические характеристики.

Этот пример приведен не для красного словца. На протяжении десятилетий отличием физика от биолога было то, что физик преимущественно интересовался энергетическими характеристиками изучаемых процессов, а биолог — происходящими в изучаемых организмах изменениями. Для физиков необратимость была главным образом источником потерь, помехой, устранение которой позволяло выделить явление в чистом виде. Для биологов устойчивость наблюдавшихся в живых организмах изменений явление настолько само собой разумеющееся, что они даже не задумывались о причинах такой устойчивости. Они даже не подозревали, что эти изменения устойчивы только потому, что благодаря необратимости сопровождаются выделением теплоты, как бы фиксируются возникающей во всех клетках организма энтропией. И это тепловыделение живого организма не досадная помеха, а фундаментальное свойство жизни. Вот почему биолог, который подобно физику попытался бы очистить биологические процессы от необратимости, с изумлением убедился бы, что такое «очищение» равносильно уничтожению биологии, ибо без необратимости немыслимы ни органы чувств, ни память, ни размножение. Короче говоря, без необратимости невозможна жизнь. Да и не только жизнь, но и само время…

САМОЕ ТАИНСТВЕННОЕ ПОРОЖДЕНИЕ НЕОБРАТИМОСТИ

Нет связи более явственной, более очевидной, чем связь необратимости и времени. «Пропущение времени смерти невозвратной подобно», — говорил некогда Петр I, имея в виду дела военные. «Весна моих промчалась дней… И ей ужель возврата нет?» — восклицал сто лет спустя А. Пушкин, говоря о делах сердечных. «Потеря времени отличается от потери материалов в том отношении, что его нельзя возвратить», — изрекал еще через столетие Генри Форд, говоря о делах промышленных. И только физики-теоретики на протяжении этих двухсот лет были убеждены, что время в принципе обратимо: ведь уравнения классической механики сохраняют свою справедливость, если знак времени сменить на противоположный. Это означает, что если в обратимом мире упругий шар из точки А перелетает в точку Б, то, поставив в точке Б упругий экран, нетрудно заставить шар совершить весь процесс в обратном порядке.

Но, оказывается, в этом правдоподобном рассуждении таится подводный камень. Хорошо, пусть шар совершает свои эволюции в обратимом мире. А где находятся часы, по которым мы измеряем время, затрачиваемое им на эти эволюции?

Если они находятся «по сю сторону» мысленного эксперимента, то есть в нашем реальном мире, они измеряют и наше реальное заведомо необратимое время. Если же они находятся «на том берегу», то есть тоже в обратимом мире, они не смогут измерять никакого времени вообще…

Такой вывод на первый взгляд может показаться необоснованным. В реальном мире часовые мастера усердно стараются свести к минимуму трение — главную помеху точности хода. А в обратимом мире трение полностью исчезает, маятник будет колебаться сколь угодно долго, поэтому гири или пружины не нужны. Останется только поставить храповое колесо с собачкой, и стрелка будет отсчитывать число колебаний маятника. Но вот в этом-то «останется только» и вся загвоздка.

Раньше, да и сейчас, нередко приходилось слышать, что «необратимым является процесс, который не может протекать в обратном направлении». Макса Планка эта формулировка выводила из себя. По его собственному признанию, он боролся с ней на протяжении всей жизни. Необратимый процесс — справедливо считал Планк — это процесс, при котором суммарная энтропия всех участвующих в нем тел возрастает. Но Планк ошибочно полагал, что механизму можно придать свойство одностороннего движения с помощью каких-то полностью обратимых устройств. Он проглядел, что критикуемая им формулировка не противоречит той, которую он считал правильной.

Кажется, первый, кто заметил это, был американский физик Р. Фейнман. По его мнению, в обратимом мире, где нет потерь на трение, собачка, раз сорвавшись с зубца храпового колеса, должна начать совершать бесконечно долгие колебания и в результате не сможет надежно запирать попятное движение механизма. Выходит, часы в обратимом мире не смогут работать, так как трение, выполняющее роль помехи в подшипниках, играет принципиальную роль в храповом или анкерном механизме. Без трения в этом механизме стрелка часов будет колебаться в такт маятнику, но не будет суммировать числа его качаний.

Эта заковыка долгое время считалась чисто технической трудностью, которую можно преодолеть изменением конструкции или применением нового принципа измерения времени. Но, увы, трудность эта оказалась методологической. Ее не удалось преодолеть даже с помощью атомных и молекулярных часов — тоже существенно необратимых механизмов. И это способствовало уяснению принципиально важной истины: с помощью идеальных, полностью обратимых механизмов, при работе которых суммарная энтропия участвующих в процессе измерения тел не увеличивается, измерение времени невозможно. А раз в обратимом мире с помощью обратимых устройств измерить время в принципе нельзя, то это значит, что в таком мире его попросту нет!

Вот почему фраза, которую некогда любил повторять французский математик Э. Пикар — «Мы измеряем время с помощью движения, а движение — с помощью времени» — в свете новых взглядов потребовала уточнения, ибо, как стало ясно, не всяким движением можно измерять время. По мнению французского физика О. Коста де Борегара, формулировку Пикара следовало бы скорректировать так: «Мы измеряем время с помощью изменений, а изменения — с помощью времени».

А что такое изменения? Да ведь это наши старые знакомые — компенсации Клаузиуса, те самые компенсации, по которым можно безошибочно определить, был или не был тот или иной процесс необратимым. Те самые компенсации, которые только тогда и возможны, когда в дело вмешивается необратимость.

Почему так? Да потому, что только при наличии устойчивых изменений — компенсаций — можно отличить прошлое от будущего, предшествующий момент от настоящего, причины от следствий. В обратимом мире причины и следствия бесконечно и непрерывно меняются местами. К примеру, упавший с высоты шар вызывает следствие — сжимает пружину. Это следствие становится причиной того, что шар снова выбрасывается на прежнюю высоту. Это следствие, в свою очередь, снова становится причиной падения шара. И так до бесконечности. И в этой череде бесконечно повторяющихся состояний теряется время — путеводная нить, позволяющая отличить настоящее от прошедшего…

Представим себе положение: перед нами находится черный, полностью изолированный ящик, внутри которого происходят какие-то процессы. Мы не можем заглянуть внутрь этого ящика, не можем просветить его рентгеновскими лучами или ультразвуком. Единственный прибор, имеющийся в нашем распоряжении, — это термометр. Если, поместив этот прибор внутрь черного ящика, мы увидим, что показания его не меняются, какие заключения можем мы сделать из этого факта? Прежде всего мы можем предположить, что в ящике происходят только обратимые процессы. При таком предположении «молчание» термометра объясняется наиболее просто: запрет, налагаемый в обратимой системе на теплообмен, лучше всякой теплоизоляции предохранит шарик термометра от нагрева.

Но вот — удивительное дело — столбик термометра начинает увеличиваться, мы можем уверенно сказать: в ящике происходят необратимые процессы. Прошлое в нем стало отличаться от будущего, предшествующий момент от предыдущего, причины стали отделяться от следствий. Другими словами, в системе появилось время. Однако так продолжается не вечно. Наступает в конце концов момент, когда столбик термометра останавливается. Хотя и на более высокой отметке, но останавливается.

Это означает, что все необратимые процессы, которые могли произойти, — произошли, все движения — остановились, все температуры — выравнялись, и система достигла состояния термического равновесия.

В этом состоянии, которое Клаузиус называл «некоторым мертвым состоянием инерции», компенсации не появляются не потому, что в системе происходят только обратимые процессы, а потому, что в ней не происходит больше никаких процессов вообще. На языке термодинамики это означает, что в состоянии термического равновесия в изолированной системе достигает своего максимального значения энтропия. Нетрудно понять, что в тот самый момент, когда столбик термометра останавливается, в черном ящике снова исчезает время, и находящаяся в нем система приобретает сходство с пространством в том смысле, что она простирается, но не «продвигается». Так выявляется связь между временем и возрастанием энтропии в изолированной системе.

Примерно такая линия рассуждений привела английского физика А. Эддингтона к парадоксальному на первый взгляд утверждению: время следует измерять не часами, а термометрами… Действительно, проанализировав проблему и убедившись: «Ничто не может выделить направление времени, если этого не может сделать энтропия», Эддингтон понял, что, строго говоря, время следует измерять только энтропиометром. А такой прибор в принципе должен состоять из двух термометров, измеряющих температуры горячего и холодного тел, находящихся в тепловом контакте. Из двух моментов времени тот, который соответствует меньшей разности температур, будет последующим. И это — единственный признак, по которому мы можем определить направление времени — «стрелу времени», как говорил Эддингтон. Так время — возвышенное время поэтов и философов — оказалось неожиданным и причудливым образом связанным с «чумазой» энтропией физиков и инженеров.

ПОБЕДА НАД ВРЕМЕНЕМ И ЕЕ ЦЕНА

В годы второй мировой войны видную роль в сражениях на море сыграл американский адмирал Кинг. После войны одно издательство предложило Кингу написать книгу о боях, в которых он участвовал, и рассказать, какими соображениями он руководствовался, принимая в ходе боевых действий правильные решения. И что же? Адмирал написал книгу, охватывающую всю его жизнь, причем в ней о ранних годах жизни, о детстве, об учебе рассказывалось гораздо подробнее, чем о морских операциях. Когда адмиралу указали на это, он с изумлением сказал, что вся его жизнь оказывала влияние на решения, принимавшиеся в ходе морских сражений…

Критики справедливо возражали адмиралу, что если принять его точку зрения, то вообще ни о чем невозможно писать. Ведь кроме опыта детских и школьных лет на решения Кинга влияли и свойства его характера, унаследованного им от родителей. Поэтому надо было бы написать и о них, и вообще обо всех предках адмирала, теряющихся в тумане отдаленных эпох, что, конечно, невозможно за отсутствием сведений. А раз уж строгое решение задачи недоступно, адмиралу следовало бы, по мнению критиков, дать в начале книги одну-две главы, в которых суммировался бы его жизненный опыт, указывались бы черты его характера, принципы, правила и взгляды. Зафиксировав, таким образом, отправную точку, адмирал мог бы перейти к описанию военно-морских операций и своего в них участия.

Сами того не подозревая, критики рекомендовали адмиралу воспользоваться методом, которым издревле пользуются астрономы и механики. На протяжении столетий занимаясь изучением движений, мало зависящих от необратимых процессов и вызываемого ими торможения, они все время старались избавиться от этих кажущихся им мелкими и несущественными помех. И наконец, им удалось сделать это и составить простые, строгие, стройные уравнения классической механики, очищенные от необратимых процессов. Уравнения, справедливость которых сохраняется даже при перемене знака времени. Уравнения, в которых время обратимо и может течь с одинаковой легкостью как в будущее, так и в прошлое.

Мы уже знаем, что представление об обратимом времени — это вопиющее противоречие, что в полностью обратимом мире время не делается обратимым, а исчезает, делается невозможным. Но, как ни парадоксально, такое противоречивое представление оказалось весьма ценным для науки. Ведь с его помощью удалось исторгнуть механические движения из жестких и многообразных причинных взаимосвязей реального мира и буквально препарировать их. В обратимом времени классической механики можно делать вещи, немыслимые в реальном времени. Рассматриваемые в обратимом времени процессы всегда можно остановить, вернуть назад, чтобы уточнить ускользающие от внимания детали. Благодаря этому течение механических процессов может быть понято и изучено так обстоятельно, как никогда не может быть оно понято и изучено в реальном мире. Но после того как такой теоретический анализ закончен, перед исследователем во всей сложности встает вопрос: а что с этим достигнутым пониманием делать? Как приложить его к изучению природы? Как включить его в реальное время?

Можно было бы, следуя правилу адмирала Кинга, попытаться описать движение всех планет с момента образования Солнечной системы, то есть, образно говоря, протянуть параллельно нити реального времени нить времени фиктивного, существующего только на бумаге. Если бы составленные нами уравнения учитывали все существенные детали движения небесных тел, мы получили бы возможность точно предвидеть будущее Солнечной системы на какое угодно число лет вперед. Но у этого метода есть один недостаток: его невозможно осуществить на практике из-за полного отсутствия сведений о механизме возникновения Солнечной системы.

Гораздо практичнее методы критиков адмирала. Ведь можно начинать отсчет времени не с момента зарождения Солнечной системы, а с любого момента, лишь бы мы могли его надежно зафиксировать.

Это означает, что мы должны мысленно рассечь нить мирового времени и измерить координаты и скорости, которые имели все планеты в это «остановленное мгновение». Момент, для которого зафиксированы все эти величины, мы можем назвать начальным моментом, а значения самих этих величин — начальными условиями. Ясно, что начальные условия есть не что иное, как способ привязки уравнений классической механики с их фиктивным временем к конкретной изучаемой системе, существующей в реальном времени. Подставляя значения начальных условий в уравнения механики, мы как бы прививаем к стволу реального времени ветвь времени фиктивного, воображаемого.

Если нам удалось составить уравнения, учитывающие все взаимодействия тел в системе, и точно зафиксировать все начальные условия, ветвь фиктивного времени получается как бы параллельной стволу реального времени, и мы получаем уникальную возможность предвидеть будущее на какое угодно число лет вперед. Если же от нашего внимания ускользнули какие-то тонкие детали и взаимодействия, если мы недостаточно точно измерили начальные условия, то ветвь расчетного и ствол реального времени оказываются как бы не параллельными, а расходящимися. И расходятся они тем круче, чем дальше сделанные нами допущения отстоят от действительности и чем с меньшей точностью измерены начальные условия.

Где количество факторов, определяющих ход процесса, невелико и где точность измерения начальных условий высока, там можно уверенно делать предсказания на сотни лет вперед. Где же процесс зависит от множества сложно взаимосвязанных факторов и где для получения начальных условий требуется произвести одновременные измерения в тысячах точек, там удается предвидеть грядущие события лишь на несколько дней, а то и часов. И в этом разгадка парадокса: затмение удаленного от нас на миллионы километров Солнца можно предсказать за сто лет вперед, а появление над нашей головой грозового облака, удаленного от нас на несколько километров, удается предсказать всего лишь за несколько часов.

На первый взгляд может показаться, что предвидение будущего упирается в чисто технические трудности. Да, вычислительные способности человека ограниченны. Да, трудно измерить одновременно температуры, давления, скорости ветра и десятки других параметров в тысячах точек земного шара. Но разве нельзя создать вычислительную машину, работающую в миллионы раз быстрее мозга? Разве нельзя с помощью спутников мгновенно получить нужную информацию из любой точки земного шара? Пусть по причинам технического порядка сделать это трудно или даже вообще невозможно. Но в принципе что может помешать нам вообразить такую машину или такое разумное существо?

Двести лет назад считалось, что принципиальных ограничений для этого нет. «Разумное существо, — писал в 1780 году знаменитый французский астроном и математик Лаплас, — которое в каждый данный момент знало бы все движущие силы природы и имело бы полную картину состояния, в котором природа находится, могло бы — если бы его ум был в состоянии достаточно проанализировать эти данные — выразить одним уравнением как движение самых больших тел мира, так и движение мельчайших атомов. Ничего не осталось бы для него неизвестным, и оно могло бы обозреть одним взглядом как будущее, так и прошлое…»

Какие возможности! Какие поистине фантастические возможности! Перед существом, которое смогло бы измерить начальные условия для одного-единственного мгновения в жизни нашей планеты, раскрылись бы все тайны, на протяжении тысячелетий волнующие человечество. Не заглядывая в секретнейшие архивы, оно смогло бы восстановить все то, что в них хранится. Оно смогло бы рассказать, в какой степени мифы и легенды древности соответствовали действительным событиям. Оно смогло бы во всех деталях описать зарождение жизни на Земле, формирование нашей планеты, да и всей Солнечной системы. С такой же легкостью существо это могло бы переноситься в мыслях своих на любое число лет в будущее: предсказать каждому из нас судьбу; сказать, что произойдет с нашей планетой и со всей Солнечной системой через тысячу миллиардов лет; поведать о мирном завоевании космического пространства человечеством. Не случайно такое воображаемое разумное существо, наделенное поистине сверхъестественными способностями, стали впоследствии называть демоном Лапласа.

Конечно, никто никогда не сомневался в том, что демон Лапласа — разумный или механический — невозможен. Разве можно мгновенно измерить миллиарды миллиардов величин, составляющих начальные условия? Разве можно мгновенно решить миллиарды миллиардов уравнений? Разве можно учесть взаимодействия миллиардов миллиардов тел, когда даже задача взаимодействия трех тел не имеет точного решения? Так получилось, что чисто технические трудности скрыли, замаскировали глубокие фундаментальные научные проблемы, о которых даже не догадывался Лаплас в 1780 году. И эти проблемы с обескураживающей очевидностью выявились в наше время, когда появились электронные вычислительные машины…

Если трудно, да и просто невозможно, создать демона, способного усвоить и переварить бесчисленное количество цифр, необходимых для овладения реальным временем нашей планеты, то, по-видимому, нет никаких препятствий для того, чтобы создать маленького бесенка — устройство, способное предсказывать события будущего и восстанавливать события прошлого для какой-нибудь очень простой системы, в которой начальные условия могут быть заданы одним-двумя десятками чисел. Возьмем, к примеру, десять одинаковых абсолютно упругих шаров и выстроим их в одну линию внутри квадратного ящика с абсолютно упругими стенками. Конечно, сделаем это не с настоящими, не с реальными шарами, которым свойственны неизбежные отклонения от идеальных характеристик, а с их математическими моделями, заложенными в виде набора цифр в программу электронно-вычислительной машины. Сделав это, одновременно сообщим всем шарам одинаковые по величине и по направлению скорости, тоже, конечно, в виде набора цифр, введенных в программу.

Очевидно, что дальнейшее движение шаров будет подчиняться очень простым и точным законам упругого соударения их между собой и с упругими стенками ящика. Дадим вычислительной машине поработать, положим, час. Затем остановим движение всех шаров и обратим движение времени вспять, то есть одновременно сообщим всем шарам скорости, равные по величине, но противоположные по направлениям тем скоростям, которые они имели в момент остановки. Что произойдет через час? Поскольку шары и стенки абсолютно упруги и никаких потерь в нашей идеальной математической модели нет, ровно через час шары должны сами собой выстроиться в одну линию.

Ученые провели такой эксперимент. И каково же было их удивление, когда по прошествии часа они обнаружили: шары и не думают выстраиваться в одну линию, а совершают внутри ящика хаотическое движение, не отличимое от того, которое они совершали до обращения времени вспять… Отпрыск лапласовского демона оказался не бесенком, а слепым щенком!

Анализ обескураживающего результата этого эксперимента, очищенного от непредсказуемых последствий необратимости, свойственных реальному миру, теперь уже не представлял особых трудностей. Все дело оказалось в том, что вычислительная машина ведет расчет не с бесконечно большой точностью. Координаты и скорости шаров она вычисляет, к примеру, с точностью до шестого знака. Ошибка в седьмом знаке, не оказывающая большого влияния при одном соударении, складывается с ошибкой второго, третьего и т. д. соударений, и в конечном итоге накопление неточностей становится таким большим, что невозможно никакое предсказание.

Можно предложить более простой и потому более наглядный мысленный эксперимент: идеальный упругий шар, мечущийся между двумя абсолютно упругими строго параллельными стенками. Если расчет координат шара ведется с конечной точностью, то погрешность расчета, накопляясь по мере многократного отражения от стенок, в какой-то момент превысит расстояние между самими стенками. С этого момента единственное, что мы можем сказать о движении шара, — это то, что он находится где-то между стенками.

Очевидно, если точность расчетов невелика, они позволяют мысленно заглянуть лишь в недалекое будущее системы. Чем выше точность измерений и расчетов, тем дальше отодвигается горизонт предвидимого. Но лишь при бесконечно большой точности можно провидеть сколь угодно далекое будущее системы.

Может возникнуть вопрос: при чем тут электронно-вычислительная машина? При чем тут точность расчетов? Ведь, если так можно выразиться, «настоящий», выполненный в натуре из абсолютно упругого материала шар не рассчитывает своей траектории. Он ударяется, движется, отражается, даже «не задумываясь» о том, с какой точностью он это делает. На характер его движения может оказать влияние объективно существующий в природе физический процесс, скажем, трение, но никак не субъективная, существующая только в нашем представлении неточность расчетов.

Вот к какому парадоксу привела маленькая некорректность, допущенная некогда при составлении уравнений классической механики. Действительно, как уже написано на стр. 107–108, в обратимой системе время отсутствует. Но что может помешать нам соотносить движения, происходящие в обратимой системе, с показаниями часов, идущих в нашем или вообще в любом необратимом мире? В таком случае будут и волки сыты, и овцы целы: мы ухитримся и обратимость изучаемых процессов сохранить, и необратимость времени соблюсти. А самое главное: сможем анализировать во времени поведение обратимых систем, в которых времени вообще нет!

Задумаемся теперь, за счет чего удалось достичь такого чудодейственного симбиоза, пускай грешащего против дотошной логики, но зато давшего богатую научную жатву, которой так славна классическая механика?

Оказывается, уравнения классической механики могут «срабатывать» только тогда, когда изучаемая система доступна наблюдению. В противном случае тела в системе будут двигаться сами по себе, а часы в нашем мире будут идти сами по себе. Чтобы сопоставить каждое показание часов с координатами и скоростями движущихся тел, необходимо наблюдать эти тела, необходимо измерять характеризующие их движение величины. А это значит, что между системой изучаемой — объектом и изучающей — наблюдателем должен быть контакт, должно быть взаимодействие.

В классической механике считалось, что это взаимодействие ничтожно, что оно не влияет на движение объекта, что оно не играет поэтому принципиальной роли и им можно всегда пренебрегать. И действительно, движение Луны вряд ли изменится от того, будем мы на нее смотреть или нет. Созерцая полет искусственного спутника Земли, мы, безусловно, находимся с ним в некотором взаимодействии, но едва ли оно хоть на йоту изменяет его траекторию. Струи Ниагарского водопада будут падать сами по себе независимо от того, смотрят на него тысячи туристов, один-единственный индеец или вообще никто.

Все это было так естественно и так очевидно, что никому в голову не приходило никаких сомнений. Считалось, что изучаемый объект — это одно, а наблюдатель — другое. Что процесс измерения никак не влияет на поведение изучаемой системы. Что в крайнем случае это влияние можно устранить с помощью приборов или исключить путем вычислений. Искусственность симбиоза движений, происходящих в изучаемых системах, и времени, текущего в мире наблюдателя, не вылезала наружу на протяжении многих лет. Поэтому ученые подспудно укрепились в мнении, что уравнения классической механики дают ценные практические результаты вполне закономерно,что за искусственность симбиоза расплачиваться не придется, что она никогда не даст о себе знать и не принесет никаких неожиданностей в будущем.

Вот почему открытия в области молекулярной и атомной физики, которыми ознаменовалось наступление XX века, произвели впечатление разорвавшейся бомбы. Оказалось: уравнения классической механики давали отличные практические результаты только потому, что энергия изучаемых механических движений в неисчислимое множество раз превышала энергию, необходимую для их наблюдения. Но энергия движения молекул, атомов и электронов сопоставима с энергией, необходимой для наблюдения. Поэтому в молекулярной или атомной физике каждое наблюдение искажает состояние системы и аннулирует добытые ранее значения других величин… Вот почему анализ процесса измерения в физике XX века выдвинулся на одно из первых мест и привлек к себе внимание крупнейших физиков как в нашей стране, так и за рубежом.

Тем большее изумление вызывает проницательность знаменитого шотландца Джеймса Максвелла, который еще в 1871 году, во времена абсолютного господства классических представлений, предугадал, какими удивительными парадоксами чревато убеждение в том, что нет принципиальной разницы между наблюдением макроскопических и микроскопических тел, между наблюдением за движением футбольных мячей и молекул…

ДЕМОНЫ НАУКИ И ИХ ИЗГНАНИЕ

Когда в 1911 году на Первом Сольвеевском съезде в Брюсселе Мария Кюри-Склодовская упомянула о демоне Максвелла, никто из участников съезда не выразил никакого удивления. За сорок лет ученые привыкли к этому странному воображаемому существу, которое, пребывая в полном одиночестве, не уставало тем не менее бросать вызов многочисленной научной рати. И вызов этот был не по мелочам, не шуточный: демон Максвелла брался сделать то, что по всем физическим законам сделать было невозможно! Он брался в неограниченном количестве получать работу от любой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, в том самом «мертвом состоянии инерции», в котором энтропия достигает максимума, а время исчезает.

Но предоставим слово самому Максвеллу:

«Одним из наиболее точно установленных фактов в термодинамике является следующий: в системе, заключенной в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты, и в которой температура и давление одинаковы в любой точке, невозможно добиться неравномерности температуры или давления без затраты работы… Но если мы вообразим себе разумное существо, способности которого настолько обострены, что оно может следить за путем каждой молекулы, то такое существо, обладая качествами столь же существенно ограниченными, как и наши собственные, могло бы делать то, что в настоящее время для нас невозможно. Ведь мы знаем, что в сосуде, заполненном равномерно нагретым воздухом, молекулы движутся со скоростями далеко не равномерными, хотя средняя скорость любого произвольно взятого большого их количества будет почти точно равномерной. Теперь давайте представим себе, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие) и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие, пропуская только наиболее быстрые молекулы из части А в часть В, и только самые медленные молекулы из части В в часть А. Оно, таким образом, будет повышать температуру в части В и понижать в части А без затраты работы…»

Выходит, маленький, не требующий никакого питания и снабжения демон только за счет замечательной тонкости и остроты чувств может обратить время вспять, может получать работу за счет теплового движения, содержащегося в атмосфере, океане и земной коре, сделав ненужным свет и тепло солнца, уголь и нефть, гидроэлектростанции. Короче говоря, маленький демон, придуманный Максвеллом, мог противостоять необратимости, ибо острота его чувств побеждала поистине космические последствия трения и теплообмена!

Будучи не в силах ни поверить в столь дерзкие обещания демона, ни найти изъяна в его устройстве и функционировании, современники Максвелла поспешили попросту отмахнуться от созданного его воображением демона. Мало ли что можно навыдумывать! Раз не существует демон в природе, значит, и говорить не о чем. Клаузиус так прямо и заявил: меня, мол, интересует не то, что может сделать теплота с помощью демонов, а то, что она может сделать своими собственными силами. Австрийский физик Л. Больцман подверг сомнению саму возможность существования демона: «…если бы все температурные разности выравнялись, то не могло бы возникнуть и никакое разумное существо». Но отмахнуться не значит объяснить. «Разумность» вовсе не лежала в основе действия максвелловского демона. Он мог быть не обязательно живым и разумным существом, но и прибором, и машиной, и мембраной, наконец. Его конкретное исполнение не играло принципиальной роли. Максвелл предложил теоретическую схему, и следовало либо принять ее, либо найти в ней теоретический изъян.

Теперь мы понимаем: не зная фундаментальных основ процесса наблюдения, считая, что наблюдение «ничего не стоит», найти изъян в схеме максвелловского демона невозможно. И в этом разгадка того странного отношения к нему большинства ученых на протяжении целого полустолетия. Демона признавали, но не принимали всерьез. Да, мол, есть такой демон Максвелла, деятельность которого противоречит физическим законам, а в чем там именно дело, мы объяснить не можем. Но это так, умозрительный парадокс, причудливая игра гениального ума. Более осторожные намекали: эта научная фантазия дает-де образное представление о возможных будущих успехах знания. И за этими осторожными словами угадывались перспективы поистине фантастические: электростанции, которые вечно вырабатывали бы электроэнергию, не требуя топлива.

«Будущие успехи знания» были действительно не за горами, но, не оправдав утилитарных надежд на получение даровой энергии, они оказались чрезвычайно важными для науки, показав, что наблюдение и измерение — процессы необратимые, не могущие протекать без выделения тепла, то есть без возрастания энтропии…

С 1930-х годов начались попытки «изгнания демона»; разные ученые в разных странах непрерывно атаковали его с разных сторон. Прежде всего было обращено внимание на то, что «система, заключенная в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты и в которой температура и давление одинаковы в любой точке», наполнена излучением абсолютно черного тела. А это значит: внутри такой оболочки невозможно отличить лучи, испускаемые летающими молекулами, от лучей, испускаемых стенками. Чтобы демон мог видеть молекулы, они должны быть освещены извне, то есть система не должна находиться в равновесии…

Но демон тоже оказался не так прост. Намереваясь снабдить все человечество даровой электроэнергией, располагая, таким образом, неисчерпаемыми ее запасами, неужели он не решился бы ответвить часть ее, до того чтобы посветить самому себе?

Это усложнило задачу ученых. Одно дело изгнать демона простым логическим рассуждением: мол, слеп, значит, не действует, значит, говорить больше не о чем. И совсем другое, когда нужно расчеты делать, доход-расход определять, балансы подводить. Доказывать, что доход — энергия, полученная за счет разделения быстрых и медленных молекул, — обязательно будет меньше, чем расход, вызванный потерями. Поиски этих потерь оказались весьма плодотворными для науки.

Прежде всего было уяснено: заслонка — род храповика или анкерного механизма, — чтобы пропускать молекулы только в одну сторону, должна обязательно превращать механическое движение в тепловое, то есть должна выделять теплоту, должна генерировать энтропию за счет необратимого трения. Сам демон тоже должен быть принципиально необратимым механизмом. Ведь если в его теле нет необратимых потерь, его рука, к примеру, толкнув заслонку, начала бы совершать бесконечно долгие колебания. Остановить их можно было бы только включением звена, в котором есть трение. А органы чувств демона? Допустим, что все процессы в них полностью обратимы: тогда глаза демона должны быть либо абсолютно прозрачными и пропускать все падающие на них световые лучи, либо абсолютно зеркальными и полностью отражать их. Чтобы видеть, глаз — не только демона, но и любого живого существа или светочувствительного прибора — должен необратимо поглощать свет, превращая его в тепловое движение. Другими словами, глаз должен быть подобием абсолютно черного тела, поэтому всюду, где мы сталкиваемся со зрением, мы обязательно обнаруживаем черный зрачок. Даже если бы нам удалось осуществить фантастическую мечту и с помощью шапки-невидимки стать абсолютно прозрачными, мы, чтобы остаться зрячими, все равно должны были бы оставить черными зрачки глаз. Не случайно поэтому у почти невидимых аквариумных прозрачных окуней единственная окрашенная точка — это зрачок глаза.

Тепловыделение, генерирование энтропии должно сопровождать работу не только глаза, но и всех других органов чувств. Чтобы видеть, слышать, осязать, обонять, живое существо в органах чувств должно выделять теплоту, должно генерировать энтропию. Работа органов чувств животного, как и работа приборов, выполняющих такие же функции, немыслима без протекающих в них необратимых процессов и обязательно сопровождающего такие процессы тепловыделения. И в органах чувств тепловыделение не потеря, а непременное условие, без выполнения которого их действие в принципе невозможно.

В 1929 году венгерский физик Л. Сцилард обнаружил у максвелловского демона еще один источник потерь. Сцилард обратил внимание на такую деталь: чтобы открывать и закрывать заслонку, демону мало увидеть подлетающую молекулу. Ему еще надо отличить быструю молекулу от медленной, чтобы перед первой распахнуть заслонку, а перед второй — захлопнуть. Так вот, для такого различения демон должен сравнить скорость подлетающей молекулы с некоторой цифрой, обозначающей как бы водораздел между быстрыми и медленными молекулами. Чтобы сохранить эту цифру и сравнивать с ней значения скорости подлетающих молекул, демону требуется память, то есть следы былых изменений, зафиксированные в мозгу благодаря выделению теплоты, благодаря генерированию энтропии. Выходит, демон Максвелла должен быть одновременно и демоном Лапласа. Но даже и это еще не все. Для успешного выполнения задачи, заданной ему некогда Максвеллом, демон должен быть еще и метрологом…

В самом деле, откуда демон может узнать, какова скорость подлетающей к нему молекулы? Быстрая она или медленная? Очевидно, он должен произвести измерение скорости. А это измерение требует тем больше работы, чем больше требуемая точность. И вся эта работа должна быть необратимо превращена в теплоту в процессе измерения…

Э-э-э! Да это не демон, а целая лаборатория! И все это нагорожено ради того только, чтобы пропустить или не пропустить через отверстие одну-единственную молекулу! Тут считать да считать, и никто не даст никакой гарантии, что все эти расчеты — достаточное основание для надежного изгнания демона.

К счастью, во всех этих расчетах нет необходимости. Демон действительно невозможен, но совсем по другим причинам, чем те, которые выдвигались. Ключ к его изгнанию дал сам Максвелл, который некогда писал: «Лишь только мы начинаем видеть раздельно молекулы, тепло разрешается в движение», причем в движение обратимое, очищенное от потерь на трение и теплообмен. Если демон состоит из таких же атомов и молекул, в его теле «тепло тоже разрешается в движение». Он тоже оказывается полностью обратимым механизмом, и как таковой не в состоянии ни видеть, ни слышать, ни запоминать, ни пошевелить рукой.

Сделать все это он смог бы лишь в том случае, если бы он состоял из частиц, размер которых во столько раз меньше размера молекул, во сколько молекула меньше человека. По данным английского физика Фурнье Дальба, размеры этих частиц должны быть примерно в 10¹⁰ раз меньше, чем молекулы. А это означает, что в таком случае демон Максвелла принадлежал бы совершенно иному миру — инфрамиру, как называл его Дальб. Если бы в этом, подчеркиваем, гипотетическом мире существовало, если так можно выразиться, инфратепловое движение, демон мог бы обрести зрение, ибо стали бы возможны необратимые процессы, необходимые для работы органов чувств. В таком мире можно было бы и получать работу от системы, которая нам представляется находящейся в термодинамическом равновесии. Вопрос только в том, возможен ли такой мир. Ведь тогда можно предположить и существование «супра-мира», для обитателей которого планеты все равно что для нас молекулы. Они могут считать: никакой энергии нельзя получить от движущихся крохотных на их взгляд планет, от которых мы получаем энергию запросто — например с помощью приливных станций, использующих энергию вращения Луны вокруг Земли.

Хотя демон Максвелла изгоняется не тем путем, который рисовался многим ученым, их исследования оказались очень важными для науки, заложив основу современной теории информации. Но поразительнее всего то, что в результате их многолетних усилий лишь постепенно прояснялась картина, которую русский физик Н. Умов ясно представлял себе еще в 1901 году. В своей статье «Физико-механическая модель живой материи» он писал:

«Без затухания, без излучения, словом — без рассеяния энергии, ни один орган не мог бы исполнять своего назначения и не мог бы иметь прочного существования. Если бы световые вибрации сохранялись в сетчатой оболочке нашего глаза, мы имели бы постоянно возрастающее ощущение блеска и в результате — отсутствие отчетливости ощущений и слепоту. То же самое мы могли бы сказать и о барабанной перепонке, если бы в ней сохранялась энергия звуковых волн, падающих на нее в течение нашей жизни…

Следовательно, энергия, пробегающая от наших органов чувств к центральным частям нервной системы, должна затухнуть, т. е. излучиться, но должна в то же самое время оставить след. Такой след на языке физики есть запись энтропии: „…Записи энтропии, накопляясь, сохраняют свою раздельность, они образуют память, основу психической деятельности. Без закона энтропии психическая деятельность была бы невозможна…“»

Хотя физики позднейшего времени пришли к идеям Умова с большим запозданием, они пришли к ним на ином уровне подготовки. То, что Умов утверждал лишь умозрительно, они могли подтвердить расчетами. И расчеты эти показали, как далеки от истины были люди прошлого столетия, считавшие, что подумать легче, чем сделать; что рассчитать легче, чем построить; что вообще добыча и обработка информации легче, чем добыча и обработка материалов или энергии.

Грубые процессы трения и теплообмена, также, казалось бы, далекие от тонких «духовных» процессов измерения и расчета, в действительности оказались необходимыми условиями их существования. Можно и нужно стремиться к максимальному снижению потерь в наших измерительных и вычислительных устройствах, но мы должны ясно понимать, что тепловыделение в них не только помеха, но и принципиально необходимый и свойственный таким операциям процесс. Вот почему эфемерная точность измерений и расчетов может порой потребовать колоссальных расходов энергии, значительно превышающих расходы на плавление металлов, перевозку и подъем тяжелейших грузов, возделывание земли.

По подсчетам французского ученого Л. Бриллюэна, для измерения длины с точностью до 10^-50 см потребовалась бы энергия, равная 210³⁴ эрг. Поглощение одного-единственного кванта с такой энергией в процессе измерения привело бы к мгновенному взрыву лаборатории, а заодно и всей Земли. Не менее неожиданными оказываются и расходы энергии на расчетные работы. По данным А. Шлютера, для расчета молекулы метана требуется провести вычисления в 10⁴² точках. Если даже в каждой точке нужно выполнить всего 10 операций и вести вычисления при сверхнизкой температуре, то и тогда для расчета молекулы метана потребуется электроэнергия, производимая всеми электростанциями земного шара в течение столетия!

А демон Лапласа? Да прежде чем он мог бы сказать, что произойдет через секунду, он развалил бы нашу Землю на мелкие куски!

ЧТО ЕСТЬ ЖИЗНЬ?

Нигде, пожалуй, не было высказано столько разнообразных и разноречивых формулировок, сколько в попытках дать определение понятия жизнь. Одна из первых принадлежит французскому философу XVII века Р. Декарту, который с безбоязненной последовательностью проводил мысль: живой организм есть механический автомат, в котором все процессы регулируются и управляются чисто механически с помощью клапанов, рычагов, заслонок. Спустя сто лет то, что Декарт рассматривал как чисто теоретическую возможность, стало реальностью. В веке XVIII началось повальное увлечение изготовлением кукол-автоматов, способных выполнять целесообразные действия: играть на клавесине, рисовать, передвигать шахматные фигуры. В наши дни человекообразные роботы могут выполнять задачи и посложнее: отвечать на телефонные звонки, давать всевозможные справки, передвигаться, разговаривать. Они даже могут приобретать некоторый практический опыт в процессе «жизни». Но разве решится кто-нибудь утверждать, что эти куклы и эти роботы — живые? Значит, способность передвигаться, рисовать и вообще производить целесообразные действия еще не может служить верным признаком живой материи.

Действіительно, случись ситуация посложнее, начнись, скажем, в помещении пожар, живой человек сразу сообразит, что сделать для своего спасения, а кукла-автомат будет продолжать играть на клавесине, пока не сгорит. Так может в этом характерный, признак — в самосохранении? Но в таком случае следует признать живым и кусок металла, который на воздухе покрывается слоем окиси, предохраняющей его от дальнейшего разрушения.

Некоторые ученые пыталась определить жизнь как процесс приспособления системы к окружающей среде, как непрерывное приноравливание ее внутренних отношений к внешним. Но и это определение недостаточно: существуют сотни систем регулирования, приводящих все внутренние процессы в машине к равновесию с внешней нагрузкой. И разве от этого они становятся живыми?

Были и такие специалисты, которые считали: секрет жизни — в способности к размножению. Разве это свойство не является коренным, фундаментальным признаком жизни? Разве оно встречается в неживой природе? Однако не так давно, в 1959 году, американский ученый Л. Пенроуз показал, что можно создать чисто механические самовоспроизводящиеся системы, не имеющие ничего общего с живыми существами…

Постепенно ученые пришли к мысли, что жизнь не определяется какой-то одной чертой, одним признаком, но являет собой совокупность характеризующих ее процессов. «Как часто сравнивали человеческую жизнь с пламенем, — писал сто лет назад немецкий физик Г. Гельмгольц. — И между тем, даже людям умным и образованным нелегко усвоить себе важнейшую сторону этого сравнения». И действительно, пламени свойственны многие функции, считающиеся характерными для живого организма. В нем, например, как и в живом организме, происходит химическое изменение, которое само себя поддерживает. В нем, как и в живом организме, происходит своеобразный обмен веществ. В нем, как и в живом организме, есть даже дифференциация частей: горючее вещество втягивается и смешивается с кислородом в нижней части, а продукты сгорания выделяются в верхней. Пламя, так же как и живой организм, способно расти, размножаться и умирать. Оно способно перемещаться в поисках новой пищи, способно развивать «защитный покров» — вспомните тлеющие угольки, а иногда даже обнаруживает некое подобие «чувствительности» — откликается на отдельные звуки. Мысль Гельмгольца позднее подхватил немецкий физико-химик В. Оствальд. Живая материя, считал он, есть самосохраняющийся и самоснабжающийся очаг установившихся превращений энергии. Ее можно уподобить горящей лампе, которая сама добывает сжигаемый керосин.

Сейчас мы ясно понимаем, что сделать такую установку нетрудно, но разве самоснабжающаяся горящая лампа станет живым организмом?

Впрочем, недостаточность этой формулировки не только была осознана уже в начале нашего века, но было даже указано, в чем именно эта недостаточность состоит. «Мы могли бы характеризовать пламя, как газообразное нецентрализованное животное, — писал уже упоминавшийся нами Фурнье Дальб, — если бы не отсутствие в нем всего, что напоминало бы привычку или память».

Действительно, может быть, в наличии памяти все дело? Может быть, память и есть исключительная принадлежность жизни? Но здесь сразу же автоматически выдвигается серьезное возражение: память, рассматриваемая как отпечатки необратимых процессов, как компенсации Клаузиуса, свойственна многим телам окружающего мира. Ведь в своих царапинах, щербинах и изломах каждый камешек хранит память о падениях, сжатиях и ударах. Складки гор, расположение пластов, трещины и разломы океанического дна — это тоже своеобразная память нашей планеты, хранящая следы процессов, происшедших на Земле миллионы лет назад. Есть, наконец, и более яркий пример — самая настоящая память у электронных вычислительных машин… Но разве повернется у кого-нибудь язык назвать камни, земную кору или даже вычислительные машины живыми?

Выходит, ни одна из этих формулировок не определяет понятия жизни. Но ведь не может же ученый, взявшийся сформулировать то или иное понятие, исходить из заведомо ложной посылки. По всей видимости, в каждом из этих определений выявлена одна действительно существующая сторона жизни, но ей неоправданно приписана способность обрисовать суть всего явления в целом.

В самом деле, жизнь немыслима без окисления, без тепловыделения, без непрерывного самоснабжения всеми необходимыми для жизнедеятельности веществами. Живой организм немыслим без чисто механических деталей — суставов, клапанов, жил, листьев, стволов. Жизнь давно пресеклась бы, если бы живое не стремилось к самосохранению или было не в состоянии приспособить свои внутренние отправления к внешним условиям. Что же касается памяти, то не будет преувеличением сказать: без памяти невозможны ни обмен веществ, ни поддержание формы, ни самоснабжение, ни самосохранение, ни размножение, ни любая другая функция, считающаяся неотъемлемым свойством жизни. Но память в живом организме отличается от «памяти» камня или земной коры, и отличается основательно…

Возникая как обычная компенсация Клаузиуса, то есть как остаточное изменение, возможное только благодаря необратимому тепловыделению в запоминающих элементах, она в этой части ничем принципиально не отличается от царапин и щербин на поверхности камня, отпечатков геологической эволюции в земной коре и от электронной памяти машин. Действительно, несмотря на все различие процессов, происходящих в человеческом мозгу, в камне, в земной коре или в недрах вычислительной машины, они — процессы, чтобы оставить, после себя следы, должны обязательно необратимо выделить в соответствующих частях теплоту. Но существенно различается дальнейшая судьба отпечатков прошлого, накопившихся в неживых и в живых системах.

В неживых системах память оказывается простым следствием претерпенных процессов и никак не влияет на будущее поведение системы. Здесь она пассивна, равнодушна к судьбе своего носителя и суммирует прошлое бесцельно, в силу простой необходимости. Совсем иное дело живой организм. В нем отпечатки прошлого не лежат втуне, но становятся руководством к действию. В живых системах память активна. Накапливая прошлое, она изменяет поведение системы в будущем. Ей не безразлична судьба своего носителя. Более того, вся ее деятельность направлена на то, чтобы уберечь его от губительных сил, от опасности, от гибели. Таким образом, с помощью памяти овладевая прошлым, живой организм овладевает будущим; анализируя прошлое, намечает себе цель на будущее; изучая прошедшие события, составляет себе программу будущих действий. Осуществляя такую операцию, живой организм выполняет парадоксальную задачу: его действиями в настоящий момент руководит цель, лежащая в будущем, которая будет достигнута в результате самого этого действия. Выходит, что следствие как бы опережает здесь причину.

Конечно, это не так, причина никогда не опережает следствия. Но живой организм, наделенный памятью, может простирать мысль далеко за пределы своего личного существования и, опираясь на знание прошлого и настоящего, может строить мысленную модель, становящуюся причиной его будущих действий. В наиболее ярком, очищенном виде такая прогнозирующая деятельность живого организма проявляется в человеческой жизни, но в большей или меньшей степени она свойственна всем без исключения живым системам.

Не случайно еще в 1878 году, когда немецкий биолог Брюкке определил живые организмы как «механизмы, сами себя строящие», К. Тимирязев добавил: «…и обладающие историей», то есть памятью. Тогда, сто лет назад, такое определение жизни могло претендовать на то, чтобы быть исчерпывающим. Но сейчас, обогащенные опытом векового научно-технического прогресса, мы знаем, что в наших силах создать «механизм, который сам себя строит», «и обладает историей», и тем не менее не является живым. По сути дела, уже сейчас мы можем смоделировать, не только теоретически, но, пожалуй, и практически, все вышеуказанные функции живого организма. Конечно, модель получится очень сложной, в некоторых своих частях даже проблематичной. Но попытаемся все-таки представить, как она могла бы выглядеть.

Ее основа — подвижная кибернетическая черепаха или, пожалуй, даже краб, наподобие тех, которые описаны в одном из лучших рассказов Анатолия Днепрова «Крабы идут по острову». Будем считать, что арена «жизнедеятельности» крабов не остров, а обширное помещение, в разных частях которого установлены электрические розетки для подзарядки аккумуляторов и насыпаны груды деталей, из которых состоят крабы, — панцири, моторчики, ноги и т. д. Такое допущение не противоречит тому, что есть в реальной жизни: человеческий организм не синтезирует сам многих веществ, а берет их готовыми из окружающей среды.

У каждого краба должны быть следующие основные блоки: энергетический — аккумуляторы и двигатели; транспортный — приводы и ноги; технологический — орудия и инструменты; информационный — фотоэлементы и микрофоны; и блок управления — вычислительная машина, связанная линиями управления со всеми остальными блоками.

Даже будучи неподвижным краб непрерывно расходует энергию на работу «органов чувств» — фотоэлементов и микрофонов, и как только напряжение аккумулятора упадет до известной величины, блок управления подает сигнал на транспортный блок и краб мечется по помещению до тех пор, пока случайно не приткнется к розетке. «Насытившись», то есть зарядив аккумулятор до нормы, краб отходит от розетки и, подчиняясь случайным сигналам информационного блока, слоняется по помещению. Во время таких прогулок он многому научается: на магнитных лентах его памяти записаны некоторые правила, позволяющие ему накапливать информацию об «окружающей среде». Постепенно краб усваивает, что, забившись в темный и тихий угол, можно снизить расход энергии и реже выходить на поиски розетки; что, запомнив кое-какие ориентиры, можно не метаться по всему помещению, а двигаться к розетке кратчайшим путем. При необходимости он учится расчищать себе путь, убирая с дороги мешающие предметы, и даже исправлять мелкие повреждения своего механизма.

Но как случайно и хрупко существование такого краба. Стоит ему сломать ногу, повредить штырь подпиточного устройства или аккумулятор — и он обречен на гибель. Чтобы с его смертью не прервалась жизнь всего крабьего рода, в память краба надо заложить катушку с магнитной лентой, на которой записаны все его устройство и последовательность операций сборки. Наделенный такой катушкой, краб с помощью своего технологического блока сможет собирать из разбросанных по помещению деталей все новых и новых в точности подобных себе крабов.

Постойте, постойте… А откуда же он будет брать катушку, в которой хранятся описание его устройства и технология его сборки? Эту катушку ему придется изготовлять в блоке управления и вкладывать при «рождении» в блок управления новоиспеченного краба. Теперь смерть не страшна старому крабу. Пусть откажет любой механизм, пусть полностью разрядится аккумулятор, существование крабьего рода не прервется, если каждый собранный им молодой краб будет, в свою очередь, собирать все новых и новых себе подобных…

Но, увы, эти упования краба-родоначальника — упования молодости, еще не столкнувшейся с неумолимым действием времени. Взять, к примеру, его самого. Пусть даже не постигнет его ни одна из катастроф. Значит ли это, что он сможет жить вечно?

Нет, конечно. Из-за трения будут постепенно изнашиваться его детали, стареть электроизоляция, пригорать контакты, Из-за износа магнитной ленты ослабнет память. А в результате точность движений старого краба будет уменьшаться до тех пор, пока в один прекрасный день он окажется не в состоянии найти розетку…

Если износ деталей — причина старения и смерти отдельного краба, то жизни всей крабьей популяции угрожает износ другого рода. Магнитная лента, на которую записаны схема устройства и сборка отдельного краба, та самая лента, которая вкладывается в новоиспеченного краба при рождении, в результате многократного переписывания тоже постепенно искажается помехами. Со сменой поколений помехи эти накапливаются, запись становится менее и менее точной и менее и менее точной становится ведущаяся по записи сборка новых крабов. Они получаются не такими молодцеватыми, как прежде, чаще гибнут от того, что где-нибудь гайка затянута слабо, или от другого мелкого дефекта. А там, глядишь, появились и вообще крабы-уродцы: у кого ноги не хватает, у кого фотоэлемента, у кого катушка в память не вложена… Начинается неумолимое вырождение всего рода. Не правда ли, удивительно похоже на то, что случается иногда в реальной жизни!

Выходит, не так уж трудно смоделировать жизнь. Ведь наша в принципе несложная модель осуществляет многие функции жизни: и способность передвигаться, и автоматизм, и целесообразность действий, и самосохранение, и приспособление внутренних отношений к внешним, и память, и размножение. Добавьте к этому списку любое новое функциональное требование, и ценой дополнительного усложнения модели оно будет воспроизведено. Таким образом, поведение механических крабов может сколь угодно близко соответствовать поведению крабов живых.

Так что же, мы создали искусственную жизнь? Увы, нет. Мы лишь создали систему, моделирующую часть функций жизни. Чтобы действительно создать искусственную жизнь, чтобы превратить механических крабов в настоящих, необходимо произвести над ними операцию, которая никому еще не удавалась. И эта операция — минимизация…

В самом деле, начнем постепенно уменьшать наших крабов, следя за тем, чтобы они, видоизменяясь как угодно, сохраняли бы только одно — способность выполнять все указанные выше функции? Это значит, что по мере уменьшения краба можно отказываться от конкретного исполнения отдельного узла и использовать принципиально иную конструкцию, способную, однако, выполнять ту же операцию, которую выполняет заменяемый узел. Скажем, можно отказаться от раздельного снабжения электроэнергией и деталями, заменив их блоками, в которых нужные детали совмещены с источником энергии. По мере уменьшения может оказаться ненужной дифференцированная система органов чувств и органов перемещения. Скажем, миникраба поместят в жидкий объем, в котором он будет передвигаться с помощью сокращающихся жгутиков. А все сигналы внешнего мира сведутся тогда к изменению температуры и концентрации солей в жидкости…

Так вот, если последовательно и неуклонно проводить эту операцию минимизации, мы убедимся, что наименьшей из всех мыслимых систем, способных выполнять все функции краба (и еще многое другое), является живая клетка. Наименьшие из всех энергетических, транспортных, информационных и многих других блоков — молекулы белков. Эти микроскопические мастера на все руки могут делать все. Единственное, чего они не могут делать, что синтезировать сами себя. Поэтому блок управления, занимающий в организме краба особую роль, занимает особую роль и в живой клетке. Эта особенность проявляется в том, что блок воспроизведения состоит не из белковых молекул, а из молекул нуклеиновых кислот.

Молекулы одной из этих кислот — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) — будучи самыми крупными в природе молекулами, являются в то же время наименьшими из всех магнитных лент, на которых может быть записана информация, необходимая для воспроизведения организма и всех его частей. Молекулы других кислот — рибонуклеиновых (РНК) — это наименьшие из всех технологических блоков, способные по программе, записанной в ДНК, изготовлять все детали и части живого организма — молекулы всевозможных белков.

Таким образом, живой организм есть не просто самодействующая, самосохраняющаяся и самовоопроизводящаяся система, но предельная, наименьшая из всех возможных подобных систем. Именно в этом предельном переходе и состоит главный секрет жизни, ибо именно он все многообразие живого мира сводит всего к 24 деталям: четырем нуклеотидам и к двадцати аминокислотным остаткам. Из четырех нуклеотидов комбинируется все многообразие молекул ДНК — этих законодателей живой материи, а из двадцати аминокислотных остатков — все многообразие белков — великих исполнительных механизмов жизни.

Теперь, понимая, что не в функциях, а в процессе минимизации, в предельном переходе суть жизни, мы можем в полной мере оценить проницательность Ф. Энгельса, который около ста лет назад определил жизнь как «способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь». Это определение сохраняет свою силу и по сию пору, хотя, конечно, мы очень много узнали и глубже поняли, в чем состоит этот самый «способ существования белковых тел» и что означает этот «постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой…»

ЧЕЛОВЕК СМЕРТЕН, ЧТОБЫ БЕССМЕРТНЫМ БЫЛО ЧЕЛОВЕЧЕСТВО

В 1945 году австрийский физик Э. Шредингер выпустил книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?»— запись лекций, читанных им в Дублине в 1943 году. В этой книге Шредингер впервые обратил внимание биологов на то, что обмен веществ и обмен энергии, то есть процессы, которыми они так привыкли оперировать, по сути дела, ничего не объясняют.

«Представляется нелепостью, — писал он, — чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. д. так же хорош, как и любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? В прошлом некоторое время наше любопытство удовлетворяли утверждением, что мы питаемся энергией… Нечего и говорить, что если понимать это буквально, это такая же нелепость… Так как каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, то нельзя понять, чему может помочь простой обмен этих калорий».

Эти слова как будто сводят на нет ценность энгельсовского определения жизни. В самом деле, какой смысл менять один атом на другой, точно такой же? Или одну калорию на другую, точно такую же? И тем не менее Энгельс был прав. Сами по себе ни обмен веществ, ни обмен энергии ничего не значат, но именно в этих взаимосвязанных процессах состоит «способ существования белковых тел» — могущественнейший механизм приспособления живой материи к окружающей среде…

Чтобы уяснить смысл этого утверждения, вернемся к крабу, описанному в предыдущей подглавке. Вдумайтесь, какое поразительное и трагическое противоречие скрыто в его судьбе! По заложенной в его блок управления программе он может монтировать прекрасных новых крабов, может «вдыхать в них душу живу», передавать им скопированную со своей собственной программу продолжения всего крабьего рода. Но на какой тонкой нити висит его собственное существование! Каждая вмятина, каждое повреждение, каждый изъян его организма — это уже навсегда, навечно, на всю жизнь. Случись маленькое, ничтожное повреждение сустава ноги — и крабу уже грозит смерть. Пригори контакт — и он слеп и беспомощен.

Как можно защитить от таких напастей организм отдельного, данного, конкретного краба? Очевидно, надо воспользоваться той магнитной лентой, на которой записаны устройство и технология сборки нового краба, и применить всю эту информацию к ремонту краба-родоначальника. Ведь технологический блок, с помощью которого краб собирает из готовых деталей себе подобную молодежь, можно использовать и для самообслуживания, когда понадобится самому себе заменить панцирь, фотоэлемент, ногу. Благодаря такому простому приему жизнь краба практически перестанет зависеть от качества и долговечности деталей. Пусть любая из них работает день, час, минуту. Но если запись на магнитной пленке точна и технологический блок в порядке, жизнь краба гарантирована. В принципе он может даже не дожидаться, пока та или иная деталь выйдет из строя, а осуществлять непрерывный «обмен деталей», подобно тому как в технике сменяют узлы, выслужившие ресурс, не дожидаясь, пока они выйдут из строя.

Таким образом, принцип «обмена деталей» позволяет получить организмы более долговечные, чем любая из их деталей. Такой организм, находясь в состоянии непрерывного разрушения и созидания, обретает свойство в любой момент быть совершенно новеньким, поэтому с ним не может сравниться механизм, собранный из самых прочных, самых долговечных, самых надежных элементов. И дело не только в перманентной новизне самообновляющегося организма…

Хотя «обмен деталей» в механическом крабе хорошо поясняет суть обмена веществ в живом организме, он не проливает никакого света на сомнения Шредингера. Ведь атомы в отличие от деталей краба не ломаются и не изнашиваются. Заменять их просто так, ради торжества принципа едва ли целесообразно. Очевидно, в обмене веществ должен быть какой-то другой глубокий и важный смысл. Какой же?

Оказывается, «обмен деталей» гораздо более совершенный метод сохранения первоначальной структуры и формы организма, чем изготовление его из самых прочных материалов и самых надежных деталей. В сущности, прочность и стойкость употребляемых веществ не играют в самообновляющемся организме особой роли, ибо не от них зависит его целостность. Секрет структуры и формы записан на магнитной пленке, запрятанной глубоко в теле механического краба и не подвергающейся тем грубым внешним воздействиям, которые деформируют и истирают конструктивные детали — панцирь, ноги, инструменты и т. д.

Поэтому если в результате несчастного случая краб потеряет какую-нибудь деталь — не беда. Ведь через минуту, через час, через день она все равно была бы в порядке «обмена деталей» отброшена и заменена новой. А раз так, то крабу надо только подождать минуту, час, день, и на место потерянной детали автоматически станет точно такая же новенькая…

Но если надежность отдельной детали не дает предела долговечности всего крабьего организма, то что может помешать нам сделать такой организм вечным? Что может положить предел бесконечному «обмену деталей», бесконечному самообновлению?

Выше, описывая самообновляющегося краба, мы сделали оговорку, что его жизнь гарантирована, если запись на магнитной ленте точна и технологический блок в порядке. В самом деле, мы уже знаем, что на стыке реального физического процесса и его математической модели возникает страшный призрак: точность измерений и расчетов. Этот призрак должен возникнуть и при сборке новых крабов и при «обмене деталей» в организме отдельного краба. Краб может заменить сам себе любую деталь, но он не может заменить себе магнитную ленту, на которой закодировано его устройство, и не может заменить себе технологический блок, который, собственно, и производит операцию самообновления. Эти два элемента можно ограждать от вредных (воздействий, можно глубоко запрятывать, но их нельзя заменить. Более того, их в принципе нельзя защитить от износа. Можно свести износ к минимуму, но нельзя устранить его полностью.

Постоянное считывание записи, необходимое для «обмена деталей», приводит к тому, что на магнитной ленте постепенно накапливаются царапины, разбалтывается лентопротяжный механизм, вырабатываются зазоры в узлах инструментального блока. Монтаж новых деталей производится все менее точно. Краб постепенно разбалтывается, утрачивает точность движений и формы. Короче говоря, краб стареет. И единственная причина этого неумолимого процесса — износ магнитной ленты и инструментального блока…

Все это прекрасно и интересно, но какое отношение все это имеет к необратимости, термодинамике и энергии? Какое отношение все это имеет к жизни?

Теперь мы можем ответить на эти вопросы, ибо настала пора разобраться, чем же приходится расплачиваться за такой остроумный, необычный и эффективный способ самозащиты организма, как «обмен деталей».

Когда краб смотрит, слушает, ходит и вообще действует, в его внутренностях происходят необратимые изменения, которые, как мы знаем, обязательно сопровождаются выделением теплоты, генерированием энтропии. Отсоединение одной детали и установка на ее место новой тоже необратимый процесс, и как таковой требует выделения теплоты. Таким образом, цена самообновления путем непрерывного «обмена деталей»— могучий источник теплоты в теле краба. Бели его панцирь сделан из хорошего теплоизолятора, температура внутри повышается до тех пор, пока не перегорит и не выйдет из строя оборудование. Чтобы избежать этого, краб должен охлаждаться, отводить в окружающую среду генерирующуюся внутри его теплоту. Такой отвод /возможен лишь тогда, когда температура краба выше температуры окружающей среды. Другими словами, чтобы действовать и жить, краб обязательно должен быть теплым!

Насколько? Насколько его температура должна быть выше температуры окружающей среды?

Оказывается, чтобы размеры краба получились минимальными, его рабочая температура должна быть как можно ближе к температуре разрушения. Но что это за температура? Разрушение какой детали краба будет служить ограничением нагрева? Очевидно, таким ограничением будет служить температура разрушения наименее стойкой детали — электроизоляции, смазки илимагнитной ленты. Нет смысла устанавливать в механизм краба узлы и детали, способные хорошо работать при 200–300 °C, если запись на магнитной ленте стирается при 100 °C. Минимальные размеры могут быть достигнуты лишь тогда, когда предельно допустимая рабочая температура всех деталей и узлов одинакова. Именно это и достигается в живой клетке. Именно это и выполняется в живом организме!

Первым обратил внимание на принципиальную важность предельного перехода в определении жизни советский биофизик К. Тринчер. В 1964 году он отмечал, что в основе обмена веществ в живой системе лежат два противодействующих процесса: разрушение структуры под действием повышенной температуры и построение точно такой же структуры, сопровождающееся повышением температуры. Таким образом, живая материя — это химическая машина, работающая при температуре своего разрушения. И в этом — глубокое отличие биологии от физики и химии. Если физик, изучая молнию, воспроизводит в своей лаборатории искру — маленькое подобие настоящей молнии, если химик, изучая свойства веществ, выделяет или синтезирует их в своей пробирке, то биолог не в состоянии воспроизвести объект своего исследования. Он может смоделировать любую функцию жизни, но он не может смоделировать саму живую материю. «Между живым организмом и машиной, — пишет К. Тринчер, — существует… коренное различие… Машина обладает устойчивостью своей структуры при температуре ее деятельности: структура сохраняется и тогда, когда машина не действует. Живой организм, напротив, должен всегда функционировать, и если по какой-то причине организм перестает выполнять свои, функции при температуре своей жизнедеятельности, то он необратимо теряет свою структуру и погибает».

Возникает интересный и важный вопрос: не может ли минимизация самодействующей, самосохраняющейся и само-воспроизводящейся системы стать причиной ее бессмертия? Ведь если причина старения краба — износ магнитной ленты и инструментального блока, то что может стать причиной износа молекулы ДНК?

Увы, надежды наши неоправданны. То же самое тепловое движение, которое делает возможным износ магнитной ленты, деформирует и самую крупную в природе молекулу ДНК. Сама программа, с помощью которой живой организм борется с тепловым разрушением, подвергается тепловому разрушению. И накопление случайных хаотических искажений структуры молекулы ДНК на протяжении жизни приводит к тому, что точность синтеза белковых молекул постепенно падает, и живой организм стареет. Таким образом, с течением времени живой организм, отдельный человек постепенно исчерпывает свои приспособительные способности. А как говорил китайский философ Лао-цзы: «Черствость и сила — спутники смерти. Гибкость и слабость выражают свежесть бытия. Поэтому то, что отвердело, то не победит».

Как же борется все живое с этой страшной угрозой старения, порождаемого необратимыми процессами трения и теплообмена, которые ухитрились проникнуть даже в тончайший механизм воспроизведения живого организма? Оно борется с ними путем размножения. Человек смертен, чтобы бессмертным было человечество, чтобы новые, изменившиеся внешние условия ложились на всегда молодые плечи…

Теперь нам ясно, сколько неожиданных и важных истин таилось за скупыми словами энгельсовского определения жизни: «способ существования белковых тел», «постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Теперь нам ясно, как тесно связан между собой обмен веществ и обмен энергии, «бессмысленности» которого удивлялся Шредингер. Более того, теперь нам ясно, в чем в 1943 году заблуждался Шредингер…

Он решил тогда, что если все реальные процессы сопровождаются увеличением энтропии, то для их протекания необходима некая отрицательная энтропия, якобы содержащаяся в питательных веществах, из которых она как бы высасывается живыми организмами. Он так и писал: «Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается… Для растений… источником „отрицательной энтропии“ служит, конечно, солнечный свет». Позднее Л. Бриллюэн придумал для шредингеровской отрицательной энтропии специальный термин — негэнтропия, что придало недостаточно корректной формулировке Шредингера права законности и породило немало кривотолков и заблуждений.

Прежде всего, такое представление ставит все с ног на голову, являя собой случай, когда причина процесса смешивается с необходимым условием его протекания. Скажем, удаление мусора — необходимое условие существования большого города, но это вовсе не означает, что удаление мусора — причина существования большого города. Точно так же и тепловыделение есть необходимое условие существования живого организма, но вовсе не причина его жизнедеятельности.

Поэтому, рассматривая жизнь с точки зрения термодинамики, мы должны ясно понимать, что законы термодинамики соблюдаются в процессах жизнедеятельности, но не управляют ими, как не управляют они, к примеру, движением планет. Но ведению законов термодинамики подлежат все те тепловые процессы, которые благодаря действию необратимости сопровождают и жизнедеятельность, и движение небесных тел.

Особенно неудачным представляется сам термин — отрицательная энтропия, примененный Шредингером. Отрицательной энтропии быть не может, как не может быть отрицательного количества воды в ведре. И та и другая величины существенно положительны. Но может быть отрицательным или положительным прирост этих величин. Если, к примеру, мы доливаем воду 8 ведро, можно говорить о положительном приросте ее количества, если отливаем — об отрицательном. Точно так же можно говорить о положительном приросте энтропии, (когда к телу подводится теплота, и об отрицательном — когда она отводится. Термин же, введенный Шредингером и Бриллюэном, невольно создает впечатление, будто отрицательная энтропия — негэнтропия — это некая субстанция, содержащаяся в источниках энергии — в топливе, в солнечных лучах, в падающих водах и т. д.

На самом деле все обстоит не совсем так, как представлял себе Щредингер. Эти источники энергии сами по себе не имеют для нас никакой ценности. Лишь тогда они обретают смысл, когда в наших телах, в наших домах, в наших печах и вообще в окружающей нас среде начинают действовать необратимые процессы. Лишь благодаря им — трению и теплообмену — механическая работа, совершаемая всеми этими источниками, может быть превращена в теплоту и излучена в космическое пространство. И лишь в процессе этого перехода, бессмысленного с точки зрения Шредингера, только и может существовать жизнь, окружающий нас мир, да и само время…

В 1936 году, более сорока лет назад, основатель гелиобиологии профессор А. Чижевский писал: «Главным возбудителем жизнедеятельности Земли является излучение Солнца… Великолепие полярных сияний, цветение розы, творческая работа, мысль — все это проявление лучистой энергии Солнца». Мы — Дети Солнца, считал Чижевский. И хотя невозможно не согласиться с ним в этом утверждении, оно нуждается в уточнении. Мы действительно Дети Солнца и скромных, незаметных, вездесущих и всепроникающих процессов трения и теплообмена, без которых яркое, сияющее, огромное и могучее Солнце никогда не смогло бы сотворить жизнь!

Оглавление

ИНФРАКРАСНОЕ ЛИЦО МИРА

Глава I МИР, В КОТОРОМ ВСЕ ПОНЯТНО, НО КОТОРОГО НЕТ

Глава II ГЛАВНОЕ ДЕЛО ТЕПЛОВЫХ МАШИН

Глава III УНИВЕРСАЛЬНАЯ, КАК ГРАВИТАЦИЯ

Глава IV МИР, КОТОРЫЙ ЕСТЬ, НО В КОТОРОМ НЕ ВСЕ понятно