Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

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…

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.