§ 75. Термодинамический метод

Направления полета молекул, скорости молекул, их соударения, сцепление их в агрегаты, распад этих агрегатов и другие события микромира случайны. Однако в природе нет явлений, которые не были бы подчинены закономерностям, и случайными событиями управляют свои законы и прежде всего закон больших чисел. В обширных собраниях молекул выравниваются случайные события, и из «хаоса» микромира закономерно рождается упорядоченный ход явлений в макромире — статистическая закономерность.

Существуют три пути для изучения статистических закономерностей в физике.

Первый путь: представляют себе картину событий происходящих в микромире, и с помощью точных законов механики и теории вероятностей предугадывают посредством вычислений, к сожалению, сложных, как отразится неупорядоченность микромира на ходе процессов, доступных непосредственному наблюдению. Это — путь статистической механики.

Второй путь — постоянное сочетание теории с опытом: на основе физических и химических опытов с помощью догадок нащупывают закономерности, имеющие статистический смысл; придумывают простые «модельные объяснения» этих закономерностей и на

основе созданных таким образом временных и еще далеко не совершенных гипотез планируют новые серии опытов для уточнения ранее найденных закономерностей и для обнаружения новых фактов. Это — путь молекулярной физика.

Третий путь своеобразен. Он принадлежит термодинамике. Из большого числа добытых опытом истин избираются только две-три, но зато наиболее достоверные, основные по своему значению и общности, а затем методом строго логического вывода следствий из них устанавливают множество частных закономерностей, позволяющих точно предугадать ход различных процессов и свойстваразнообразных веществ.

Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявленных к физике со стороны теплотехники. Но она давно переросла эти требования. Теперь понятия «тепло» и «работа» играют в термодинамике хотя и важную роль, но все же они ни в какой мере не определяют предмета термодинамики.

Предметом термодинамики служат все те факты (объекты и явления) физики и химии, которые представляют собой статистически закономерный результат событий, разыгрывающихся в микромире. Типичными примерами фактов, подлежащих термодинамическому исследованию, являются: диффузия и вообще неупорядоченное проникновение молекул одного вещества в гущу молекул другого (растворение, абсорбция); охлаждение и нагревание, сопровождающиеся изменением интенсивности движения отдельных частиц вещества; химические реакции; кристаллизация, плавление, испарение и т. д.

Таким образом, предмет термодинамики, статистической механики и молекулярной физики один и тот же. Эти три науки родственны, развиваются параллельно, но методы их глубоко различны.

Термодинамика черпает свое содержание дедуктивным методом из нескольких законов физики, установленных с полной достоверностью опытным путем. Все ее выводы являются поэтому столь же достоверными, как и законы, положенные в ее основу (конечно, подразумевается условие, что в ходе рассуждений не было допущено какой-либо логической или вычислительной ошибки).

В настоящее время эмпирический базис термодинамики слагается из двух основных и одного дополнительного законов. Термодинамика как самостоятельная наука возникла в середине XIX в., когда были открыты два основных ее закона. Мы будем называть их поэтому началами термодинамики. Третий закон (так называемый тепловой закон Нернста) был установлен в начале XX в.; он служил

фундаментом лишь для некоторых дополнительных глав термодинамики. Первое и второе начало термодинамики могут быть сформулированы так.

Первое начало. Невозмооюно возникновение или уничтожение энергии.

Второе начало. Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу.

Сформулируем эти начала иначе, чтобы сразу стало очевидным их значение для техники. С этой целью введем представление о вечном двигателе (перпетуум мобиле) первого и второго родов.

Двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен производить работу в количестве, большем по сравнению с тем количеством энергии, которое он поглощает извне, — другими словами, двигатель, который сам бы рождал энергию, — называют перпетуум мобиле первого рода.

Под термином перпетуум мобиле второго рода подразумевают такой тепловой двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен целиком превращать в работу все тепло, черпаемое им у какого-нибудь тела или тел, играющих роль источников тепла (не нуждаясь, таким образом, в других телах, служащих для стока теплоты, не превращенной в работу).

Например, если бы можно было изобрести такую паровую машину, которая все тепло, заимствуемое у котла, полностью превращала бы в работу и не нуждалась бы, следовательно, ни в холодильнике, ни в каком-либо теле, заменяющем холодильник, то эта машина была бы перпетуум мобиле второго рода.

Обе эти машины, с точки зрения нужд человека, являются особо заманчивыми. Будь построено перпетуум мобиле первого рода, человечеству уже не надо было бы больше заботиться о топливе, химическая энергия которого преобразуется в двигателях внутреннего сгорания и в паровых машинах в энергию механическую, не надо было бы сооружать плотины на реках для гидросиловых установок.

Будь построено перпетуум мобиле второго рода, мы овладели бы неисчерпаемыми природными источниками тепла. Простой расчет показывает, что при посредстве перпетуум мобиле второго рода мы могли бы, преобразуя получаемую от воды океанов теплоту в работу, приводить в движение машины всех заводов, существующих во всех странах света, и только через 1700 лет заметили бы, что температура воды в океанах понизилась на одну сотую градуса.

Было сделано несчетное количество попыток построить вечный двигатель. Это никому не удалось. Случайность ли это? Не следует ли продолжить и усилить попытки?

Ответ на эти вопросы дают два начала термодинамики:

Первое начало говорит: перпетуум мобиле первого рода невозможно.

Второе начало говорит: перпетуум мобиле второго рода невозможно.

Двигатели описанного свойства могут существовать лишь в нашей фантазии; в реальном бытии им нет места. Попытки их осуществить обречены на провал. Усилия надо направить не на их осуществление, а прежде всего на то, чтобы понять, почему двигатели описанного свойства оказываются невозможными.