Холодильник Эйнштейна

Записей о коллоквиуме, на котором Клаузиус говорил о сохранении энергии, не сохранилось. Однако при подготовке он тщательно изучил работы Гельмгольца, Карно, Томсона и Джоуля и наконец сумел найти решение проблемы, которая озадачивала его предшественников: он понял, как совместить идею, что теплота может быть формой энергии, преобразуемой в другие ее формы, с представлением Карно о том, что теплота должна перемещаться из горячей зоны в холодную, чтобы производить работу.

К какому выводу пришел Клаузиус? Он решил, что оба утверждения верны. Теплоту можно создавать и уничтожать, а также для производства работы она должна перемещаться из горячей зоны в холодную.

Клаузиус описал свое открытие в эпохальной статье, которая была опубликована в журнале Annalen der Physik в 1850 году.

Руководствуясь безупречной логикой, Клаузиус рассуждал следующим образом.

Карно сравнивал тепловые двигатели с водяными мельницами. В мельницах вода производит энергию в форме работы, когда течет вниз. Предполагается, что в тепловых двигателях теплород осуществляет аналогичное действие, перетекая от нагревателя к охладителю. Оба устройства покидает такое же количество вещества, какое в них поступает. Ни вода, ни теплород при этом не уничтожаются.

Клаузиус отказался от этого сравнения. Хотя вода обеспечивает функционирование мельницы, она не преобразуется в работу. Работу производит гравитация. Вода на высоте обладает потенциальной энергией, которая становится работой при течении в нисходящем направлении. Клаузиус узнал это от Гельмгольца.

В двигателе ситуация обстоит иначе. Благодаря исследованиям Джоуля Клаузиус понял, что работу можно преобразовать в теплоту. Затем он сделал шаг, на который не отваживался никто прежде: он предположил, что обратное тоже верно, а следовательно, в двигателе часть теплоты преобразуется в работу. После этого Клаузиус продемонстрировал, что такая гипотеза не противоречит идеям Сади Карно. Их просто нужно было слегка скорректировать.

Клаузиус рассуждал следующим образом: Карно ошибся, сказав, что вся теплота, поступающая в двигатель, в конце концов его покидает. Из двигателя выходит лишь часть теплоты. Эта теплота не преобразуется в работу, а расходуется впустую. Чтобы почувствовать это, поднесите руку к выхлопной трубе автомобиля. Выходящее из нее тепло свидетельствует, что даже в прекрасно спроектированной системе часть теплоты всегда улетучивается.

Причина этого не очевидна. Представьте простой двигатель, состоящий из одного цилиндра, где газ, расширяясь, толкает поршень. В двигателе внутреннего сгорания теплота производится внутри цилиндра при сжигании бензина или дизельного топлива. В гипотетический двигатель Клаузиуса теплота поступает из неопределенного внешнего источника, причем никакая ее часть не теряется и не растрачивается при трении. И все же этот идеализированный двигатель помогает понять, что происходит.

Итак, теплота попадает в содержащийся в цилиндре газ, в результате чего он расширяется и толкает поршень. При этом по закону сохранения энергии теплота становится работой. Если бы цилиндр был бесконечно длинным, расширение газа продолжалось бы вечно. Теоретически в работу может быть преобразована вся теплота. Но бесконечно длинный цилиндр — это нелепость.

Чтобы двигатель продолжал функционировать, частью работы, произведенной во время расширения газа, приходится жертвовать для возвращения поршня в исходное положение. Поскольку расход работы лучше свести к минимуму, газ в цилиндре охлаждается, и сжимать его становится легче.

Однако при возвращении в исходное положение поршень сжимает газ в цилиндре, в результате чего газ снова нагревается и начинает оказывать сопротивление. Чтобы понять, как это происходит, сдавите надутый воздушный шарик. Вы почувствуете, как он становится теплее.

Под действием теплоты газ внутри цилиндра расширяется и толкает поршень

Теплота покидает газ, когда поршень возвращается в исходное положение

Таким образом, на этапе сжатия теплоту необходимо выводить из цилиндра в охладитель. В ином случае вся работа, произведенная на этапе расширения, окажется израсходованной. Двигатель станет бесполезным. В типовом автомобильном двигателе этот возвратно-поступательный процесс повторяется очень быстро. Теплота производится в цилиндрах, а затем выходит из них по несколько раз в секунду.

Совместив эти принципы, Клаузиус предложил идеальный двигатель, показанный на рисунке.

Подведем итог: сначала, когда теплота поступает в идеальный двигатель из нагревателя, вся она преобразуется в работу по закону сохранения энергии. Затем, чтобы механизм продолжал функционировать, часть этой работы возвращается в двигатель. Опять же по закону сохранения энергии она преобразуется обратно в теплоту. Это отработанная теплота, которая в результате теряется.