| |
 |
Ясно, что если общее количество тепла во вселенной ограничено, а энтропия – продолжает возрастать, то в конце концов она достигнет максимума, то есть, такого состояния, что никакой разности температур не будет вообще. Вся энергия во вселенной станет недоступной для совершения работы – все спонтанные процессы прекратятся и какие-либо изменения перестанут происходить вообще. Эта картина получила название «тепловая смерть вселенной», и теория о тепловой смерти приобрела большую популярность во второй половине девятнадцатого века.
Теперь давайте вернемся к началу нашего повествования и посмотрим, можно ли выразить в терминах термодинамики то различие между живой и неживой материей, которое я высказал в первой главе. Я сказал, что живые существа – могут совершать усилия, а неживые – нет.
Понятно, что «совершение усилия» подразумевает локальное уменьшение энтропии. Для того, чтобы опустить висящий в воздухе камень вниз, усилия не требуется – его достаточно отпустить, и он упадет. А вот для того, чтобы поднять его вверх усилие необходимо.
Сам по себе камень может двигаться только вниз, в том направлении, где усилия не нужно. Он не может совершить усилие, чтобы подняться наверх. С точки зрения термодинамики это будет звучать так: камень сам по себе может быть подвержен только увеличению энтропии, но не ее уменьшению.
Живой же организм способен совершать усилия по уменьшению энтропии по крайней мере на одном участке системы, частью которой он является (разумеется, за счет еще большего ее увеличения в других частях системы). Даже простейшие живые существа способны создавать локальное уменьшение энтропии, когда они прыгают, летят, лезут, идут, ползут или плывут вверх, против силы притяжения. Даже не сдвигающиеся с места организмы, например, устрицы, тоже могут производить локальное уменьшение энтропии различными другими способами.
Удовлетворимся ли мы заявлением, что различие между живыми и неживыми организмами заключается в том, что живые могут производить локальное уменьшение энтропии, а неживые – нет?
Что ж, выдвинув это утверждение, мы явно встали на верный путь, но, к сожалению, такого определения пока недостаточно. Солнечное тепло тоже может вызывать локальное уменьшение энтропии, когда выпаривает воду из океана, то есть – поднимает в воздух огромные массы водяного пара. Силы, задействованные в геологических процессах, происходящих в земной коре, способны воздвигать горы в несколько миль высотой, что тоже подразумевает масштабное уменьшение энтропии. Однако ни Солнце, ни Земля не являются живыми ни в одном из смыслов, которые вкладывает в это понятие человек.
Надо еще поработать над нашим определением. Итак, продолжим.
Глава 6.
Движущиеся частицы
Еще со времен Джоуля, Кельвина, Майера, Гельмгольца и Клаузиуса, со времен открытия двух великих законов термодинамики, точного представления о том, что же такое тепло, не существовало. По крайней мере, такого, которое удовлетворило бы работающих с теплом ученых.
Это совершенно не означает, что законы термодинамики неполноценны – они основаны на наблюдениях и не зависят от природы тепла. Однако, с практической точки зрения этот факт осложнял применение законов термодинамики к каким-либо иным энергетическим устройствам, кроме тепловых машин – к тем, где отсутствует тепловой поток.
Например, человеческий организм – главный предмет рассмотрения данной книги – определенно работает, и при этом температура его (37 Со) однородна и постоянна.
Разве это не является нарушением второго закона термодинамики? Мы уверены, что не является, но для того, чтобы четко понимать, почему именно не является – надо понять новую концепцию тепла как такового, выдвинутую впервые около 1800 года, а окончательно принятую научным сообществом только в 1860 году.
Начнем с того, что среди прочих над природой тепла размышляли и двое таких ученых, как Галилео и Ньютон. Они (и не только они) представляли себе тепло, как движение мельчайших частиц материи. Для них это было вполне естественное предположение, поскольку эти великие ученые исследовали в первую очередь законы движения, и представляя тепло одной из форм движения, они стремились вписать его в рамки своих грандиозных обобщений.
Однако в восемнадцатом веке модно было представлять тепло, как невесомый нематериальный ток. Такую точку зрения впервые выдвинул голландский физик Герман Берхааве примерно в 1700 году. В общем-то, никаких объективных причин считать, что тепло представляет собой движение или вибрации, или того, что в горячих телах это движение или эти вибрации происходят быстрее, чем в холодных, не было. Разговоры о том, что, мол, существуют некие микрочастицы, слишком маленькие для того, чтобы их можно было увидеть, и вибрирующие слишком быстро и малоамплитудно для того, чтобы это можно было заметить, дети «эпохи рассудка» могли воспринимать только, как заумную фантасмагорию.
Точнее говоря, в 1738 году профессор-математик из Санкт-Петербурга, столицы России, которого звали Даниэль Бернулли, показал, что если представить газы состоящими из крошечных частиц, то можно вывести, что за давление газа отвечает движение этих частиц. Более того, предложенная им математическая модель, при которой скорость этих частиц возрастает по мере повышения температуры, в точности описывала реальные данные наблюдений. Однако в то время его теорию сочли не более, чем забавной спекуляцией. Большинство ученых предпочли принять на вооружение теорию теплорода – невесомого флюида, содержащегося в веществах, поскольку в то время уже было известно (по крайней мере, в глазах общественности) немало подобных флюидов в других областях – свет, электричество, магнетизм, и т. д. Все были уверены в существовании такого явления, как «флогистон» - считалось, что его испускает в воздух любое вещество, сгорая или ржавея. Почему бы теплу не быть чем-то подобным? Так и сочли, и флюид тепла получил название «теплород».
Представление об одном из таких флюидов было торжественно похоронено в 1770-х гг., когда Лавуазье опроверг гипотезу о существовании флогистона, заменив ее тем представлением о природе горения и ржавления, которое мы разделяем и сейчас. Он показал, что при этих процессах не теряется или приобретается флогистон, а происходят химические реакции с содержащимся в воздухе кислородом. Однако существование теплорода тот же Лавуазье подтвердил, подкрепив эту теорию собственным авторитетом величайшего химика своего времени. Благодаря его заступничеству теория теплорода продержалась еще полвека, несмотря на лавинообразный рост фактов, свидетельствующих против нее.
Первые эксперименты, результаты которых однозначно указывали на ошибочность поддерживаемой Лавуазье теории теплорода, провел эмигрант из Америки Бенджамин Томпсон. Томпсон был тори, и бежал из Америки во время войны за независимость. Впоследствии, в 1791 году курфюрст баварский пожалует ему графский титул, и новоиспеченный граф вскоре женится, как ни забавно, на вдове самого Лавуазье. В историю он попал под именем графа Рамфорда.
В 1798 году граф Рамфорд наблюдал за высверливанием пушечного жерла в одной из оружейных мастерских курфюрста. В процессе погружения сверла в металлический цилиндр выделялось очень много тепла. Чтобы избежать перегрева, отверстие, в котором работало сверло, заливали водой, и постоянно подливали ее по мере выкипания.
Сторонники теории теплорода не могли отрицать, что при такого рода трении вырабатывается тепло, и объясняли это так: металлический предмет всегда содержит тепло, а когда сверло вскрывает поверхность предмета, тепло выходит наружу. Рамфорд отметил в связи с этим два факта. Во-первых, количество содержащегося в металле тепла кажется бесконечным – сколько его ни сверли, тепло не перестает вырабатываться. А во-вторых, даже сточившееся сверло, уже практически не углубляющееся в металл, все равно производит не меньше тепла – а строго говоря, даже больше.
Ему пришло в голову лишь одно вразумительное объяснение, почему при сверлении вырабатывается тепло – потому что в него переходит производимая работа. Рамфорд даже придумал единицу измерения механического эквивалента тепла на полвека раньше Джоуля, но выбранное им значение было слишком уж велико. Граф решил, что работа и тепло – тесно взаимосвязанные явления, и, поскольку работа, за которой он наблюдал, представляла собой механическое движение, Рамфорд заключил, что тепло тоже должно представлять собой одну из форм механического движения.
Через год, в 1799 году, близкий по сути эксперимент провел английский химик Хампри Дейви. Он взял два куска льда и стал тереть их друг об друга с помощью механического устройства при температуре чуть ниже точки замерзания воды. Согласно господствовавшей на тот момент теории теплорода, при такой температуре лед просто не мог содержать в себе достаточно теплорода, чтобы растаять. Однако, в процессе трения лед все же начинал таять. Дейви, как и граф Рамфорд, сделал вывод, что энергия движения переводится в тепло, а значит, тепло – это одна из форм движения.
Несмотря на это, теория теплорода господствовала умами еще несколько десятков лет.
Поколебать ее господство удалось не путем изучения тепла как такового, а путем изучения материи. Семнадцатый и восемнадцатый века стали периодом постепенного накопления знаний о свойствах газов. В четвертой главе я уже упоминал законы Бойля и Шарля. Все эти знания просто взывали к тому, чтобы свести их в единую теорию вроде той, которую безуспешно пытался продвинуть Бернулли.
И вот, в 1803 году, английский химик Джон Дальтон продвинулся еще дальше. Он предположил, что не только газы, но и вообще все вещество состоит из крошечных частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть, неделимых и неразрушимых. Он назвал такие частицы «атомами». Это слово происходит из древнегреческой философии, поскольку еще среди древних греков многие придерживались сходных взглядов. Однако греки в свое время тоже не увидели в этих теориях ничего, кроме пустых рассуждений, и отвергли их. А Джон Дальтон – и это принципиальная разница! - положил в основу своих выводов строгие экспериментальные данные.
Несмотря на это, теория Дальтона не сразу овладела умами химиков – скорее всего, из-за того, что уложить в голове представление о существовании каких-то частиц, слишком малых для того, чтобы быть заметными в принципе, очень сложно. Но мало-помалу стало выясняться, что эта теория в силах дать ответ на многие вопросы. В ее рамках описывались не только свойства газов (как в теории Бернулли), но и многие свойства химических реакция твердых и жидких веществ. Все реакции обретали единую логику, если рассматривать их, как взаимодействие различного рода атомов, связанных в определенные группы (которые позже назовут «молекулами»), которые распадаются, чтобы дать возможность образовавшим их атомам связаться уже по-другому. Сами по себе атомы так и продолжали оставаться невидимыми, но преимущества, которые несла с собой теория атомов в отношении понимания свойств вещества, понемногу подталкивали ученых к ее принятию.
Датировать завершение этого процесса можно 1858 годом, когда итальянский химик Станислао Канниццаро опубликовал трактат, где химические явления объяснялись через теорию атомов. Приводимые им объяснения были столь четкими и ясными, что непонимания не осталось уже ни у кого. Два года спустя на конференции химиков в Карлсруэ, Германия, Канниццаро активно отстоял эту теорию, убедив присутствующих как фактическими свидетельствами, так и силой собственного авторитета. С этого момента теория атомов стала единственной господствующей и продолжает оставаться таковой по сей день, хотя на сегодня об атомах известно уже, что они сами по себе гораздо сложнее тех неделимых маленьких шаров, лишенных собственных свойств, какие описывали Дальтон и Канниццаро.
Взирая на материю, и в первую очередь на газы, как на совокупность одиночных атомов, или, чаще – групп атомов, именуемых молекулами, логично было вернуться к давнишним рассуждениям Бернулли о том, как свойства газов можно объяснить через движение составляющих их частиц. Были проведены дополнительные эксперименты, результаты которых интерпретировались уже в свете теории атомов.
К примеру, Джоуль, проводя в 1840-х гг. свои эксперименты по превращению работы в тепло всеми возможными способами, исследовал расширение газов такими способами, при которых работа не была задействована. Расширяясь, газы не толкали никаких поршней и не приводили в движение никаких предметов. Они просто расширялись в пустоту. Когда это происходило, Джоуль замерял температуру газов, и сперва не обнаруживал ни ее повышения, ни понижения, как и ожидалось от процесса, в котором не задействована работа.
Однако, в 1852 году, работая вместе с Томпсоном (который позже станет лордом Кельвином), он установил, что на самом деле в таких случаях все же происходит небольшое понижение температуры. Это явление до сих пор называют «эффектом Джоуля-Томпсона». Понижение температуры свидетельствует о том, что расширение газа на самом деле не является процессом, где не задействовано никакой работы. Молекулы газа испытывают друг к другу слабое притяжение, и движение против силы этого притяжения и есть тот момент, где совершается работа. Энергия, необходимая для совершения этой работы, берется из теплового содержания газа, так что в результате температура несколько падает.
Наличие этой силы межмолекулярного притяжения несколько усложняет расчеты, которыми должны описываться свойства газа, но химики-теоретики упростили себе жизнь, взяв за материал для своих формул некий воображаемый «идеальный газ», в котором сила притяжения между молекулами равна нулю, как и суммарный объем самих молекул.
Строго говоря, описываемая таким образом ситуация невозможна, но ее изобретение настолько упрощает расчеты, что позволяет теоретикам выводить из них простые законы. Эти законы приблизительно справедливы для реальных ситуаций, и, будучи однажды сформулированными, в дальнейшем могут подвергаться всевозможным уточнениям для каждого конкретного случая. Это явно более благодарный подход, чем пытаться с самого начала математически просчитывать все детали реальных ситуаций.
И закон Бойля, и закон Шарля в точности применимы только к идеальному газу, и если свести их воедино, то мы получим простое «уравнение состояния газов», которое описывает состояние таких параметров газа, как температура, давление и объем. Зная любые два из этих параметров, можно сразу же высчитать третий. В отношении реальных газов, результат таких расчетов будет соответствовать реальности лишь приблизительно (хотя порой очень близко к точному). Однако, уравнение состояния газов вполне можно модифицировать таким образом, чтобы в нем учитывались и сила межмолекулярного притяжения, и объем молекул. Голландский физик Йоханнес Дидерик ван дер Ваалс с больших успехом привел одну из таких модификаций в 1873 году.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
