В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Подход Клаузиуса также позволяет включить в рассмотрение очень важный результат, полученный на заре развития термодинамики французским инженером Сади Карно (1796–1832). Работа Карно пролежала незамеченной несколько десятилетий – сделанные в ней выводы выглядели слишком необычно и не вязались со здравым смыслом инженеров того времени. Карно доказывал (применяя при этом концепции, сегодня признанные неверными, например, рассматривая теплоту как «теплород», неощутимую и невесомую жидкость, которая, «протекая» сквозь двигатель, генерировала работу, будто вертела гребные колеса парохода), что эффективность идеальной паровой машины зависит только от температуры горячего источника пара, от которого поступает энергия в виде тепла, и от температуры холодного теплоприемника, в который энергия выпускается [34]. Он показал – и это, возможно, было еще более замечательно, – что эффективность (коэффициент полезного действия) не зависит от типа рабочего вещества (обычно пара) и его давления.

Результат Карно не является новым законом природы, но он иллюстрирует, как один из таких законов – в данном случае второй закон термодинамики – может расширить сферу своего действия и распространиться на все виды поведения вещества. Вот доказательство. Представим себе двигатель в виде машины, которая состоит из горячего источника энергии, холодного теплоприемника, куда энергия может поступать, и находящегося между ними устройства, где энергия используется для выполнения работы (можно представить такой двигатель как разновидность турбины). Теперь представим, что некоторое количество энергии в виде тепла подается из горячего источника. Энтропия источника падает, но, так как температура высока, по формуле Клаузиуса это падение оказывается не слишком большим (горячий источник похож на шумную улицу). Извлеченная энергия превращается в работу с помощью некоторого механического устройства. Здесь вы должны заметить, что не вся энергия может быть превращена в работу, – иначе никаких дальнейших изменений энтропии не произошло бы, и общая энтропия уменьшилась бы. А в этом случае двигатель не смог бы работать, так как, чтобы произошло естественное изменение, энтропия должна увеличиться.

Чтобы двигатель заработал, некоторое количество энергии, выкачанной из горячего источника, должно быть сброшено в холодный теплоприемник (им может быть атмосфера или река). Впрыскивание энергии в виде тепла в холодный теплоприемник увеличит его энтропию. Даже малое количество впрыснутой энергии будет иметь большое влияние на энтропию теплоприемника, так как температура последнего низка (он похож на тихую библиотеку). Но сколько энергии вы должны сбросить таким образом, лишившись тем самым возможности использовать ее для производства работы?

Двигатель может выполнить максимальное количество работы, если вы сбросите наименьшее возможное количество энергии. Этого наименьшего количества должно быть достаточно, чтобы увеличить энтропию холодного теплоприемника ровно настолько, чтобы перекрыть ее уменьшение из-за выкачивания энергии из горячего источника. Поскольку холодный теплоприемник имеет низкую температуру, большой рост энтропии будет получен даже в случае сброса в него малого количества энергии в виде тепла. Точное количество зависит от температур этих двух компонент, и ни от чего больше. Следствием этого является тот факт, что эффективность машины, зависящая от отношения количества сброшенной энергии к количеству энергии извлеченной, зависит только от двух значений температуры и не зависит ни от каких других деталей конструкции и функционирования двигателя. Для достижения максимальной эффективности (коэффициента полезного действия) вам нужен как можно более горячий источник тепла (чтобы уменьшение энтропии горячего источника было минимальным) и как можно более холодный теплоприемник (чтобы даже крошечная «потеря» энергии породила много энтропии). Вот к каким выводам пришел Карно в самом начале XIX столетия, встретив скептическую реакцию современников. Но он оказался прав.