Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

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…