Холодильник Эйнштейна

Чтобы понять, как это работает, подумайте о молекулах азота, на долю которых приходится 78 % окружающего вас воздуха. Они постоянно сталкиваются с вами. Анализ Максвелла говорит, что при комнатной температуре наиболее вероятная скорость, с которой молекула азота ударяется о вас, составляет около 420 м/с. Это более 1500 км/ч. Но на каждую сотню молекул, которые сталкиваются с вами примерно на этой скорости, приходится около 50 молекул, сталкивающихся с вами на значительно меньшей скорости 720 км/ч. Такое же количество молекул сталкивается с вами на стремительных 2400 км/ч. При самой холодной температуре, зарегистрированной на Земле, — около -90 °C на станции “Восток” в Антарктиде — наиболее вероятная скорость молекул снижается примерно до 1200 км/ч. Однако на каждую сотню молекул, движущихся с этой скоростью, приходится около 90 молекул, движущихся со скоростью 1450 км/ч, и около 80 молекул, движущихся со скоростью 800 км/ч.

Несколькими годами ранее Уильям Томсон предложил определение температуры в макроскопическом масштабе, представив ее как меру способности теплоты производить работу. Теперь Максвелл дал температуре определение в микроскопическом масштабе, рассмотрев ее с точки зрения движения крошечных молекул.

Максвелл опубликовал свой статистический анализ поведения газа в начале 1860 года в статье “Пояснения к динамической теории газов”. В то время, по его собственному определению, это были лишь “догадки”. Прорыв произошел благодаря наблюдению, сделанному в заключительной части работы. Максвелл обнаружил, что его статистический анализ позволяет сделать предположение о поведении реального газа, которое можно проверить экспериментальным путем. Это предположение было уникально для кинетической теории, а потому давало возможность подтвердить или опровергнуть ее.

Предсказание не имело непосредственной связи с теплотой. Оно касалось вязкости, или липкости, газа. Хотя газы не кажутся нам липкими, как мед, им все же свойственна липкость, просто меньшая. Вытяните руку, повернув ладонь параллельно полу, и медленно поводите ею по воздуху. Небольшая вязкая сила трения будет противостоять движению.

Чтобы объяснить это явление с точки зрения кинетической теории, представьте тонкую металлическую пластину, которая находится над землей и параллельна ей. Она очень медленно движется по воздуху с постоянной скоростью. Воздух между пластиной и землей состоит из триллионов крошечных шарообразных частиц, пребывающих в непрерывном движении. Контактирующие с подвижной пластиной частицы протаскиваются вместе с ней. Чем ниже и дальше от пластины вы находитесь, тем менее заметно ее присутствие. Тенденция частиц двигаться вслед за пластиной снижается. Вместо этого вы замечаете влияние земли, которая замедляет движение частиц. Частицы воздуха, состоящие в непосредственном контакте с землей, пребывают в покое.

Однако, согласно кинетической теории, частицы воздуха движутся случайным образом во всех направлениях, а не только в направлении движения пластины. Это значит, что некоторые из быстрых частиц рядом с пластиной движутся вниз. Затем они сталкиваются с более медленными частицами в нижних слоях воздуха, и их скорость слегка увеличивается. Подобным образом медленные частицы из близких к земле слоев движутся вверх и сталкиваются с расположенными выше более быстрыми частицами, скорость которых в результате уменьшается.

Совокупный эффект всех этих столкновений проявляется в форме силы противодействия пластины.

Математический анализ кинетической теории, произведенный Максвеллом, позволил сделать неожиданный вывод об этой силе. Он показал, что она не меняется при колебаниях давления газа. Хотя при понижении давления количество частиц воздуха между пластиной и землей уменьшается, воздух не становится менее липким.

Это происходит потому, что уменьшение количества частиц воздуха приводит к двум взаимоисключающим результатам. С одной стороны, при движении частиц вверх и вниз происходит меньше столкновений. Это уменьшает силу противодействия пластины. С другой стороны, поскольку каждая частица сталкивается с меньшим количеством других частиц, она преодолевает большее расстояние между столкновениями. Следовательно, область ее влияния становится больше. Она может замедлять частицы, которые находятся дальше от нее. В результате медленные частицы возле земли эффективнее применяют свою “замедляющую” силу. Таким образом, сопротивление, ощущаемое движущейся пластиной, остается неизменным.

При повышении давления количество частиц в удельном объеме воздуха, напротив, возрастает. Но они преодолевают гораздо меньшие расстояния между столкновениями. Само количество частиц не позволяет им замедлить движение пластины. (При таком расчете предполагается, что температура воздуха остается неизменной, а следовательно, неизменными остаются и скорости молекул, из которых он состоит.)