Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Хотя тепло и работа являются двумя ликами энергии, между ними, как и предполагает здравый смысл, имеется разница. Полное понимание тепла и работы, и того, каким образом они выражают энергию, придется отложить до развития молекулярного понимания этого определения. И, как это часто бывает в науке, вместе с пониманием приходит осознание того, что таких вещей не существует: нет такой вещи, как тепло и нет такой вещи, как работа! Поскольку очевидно, что мы в нашей повседневной жизни просто окружены обоими, это замечание заключает в себе больше, чем кажется с первого взгляда. Давайте вникнем в это.

Во-первых, что я имею в виду, когда утверждаю вещь, очевидно парадоксальную и противоречащую всему, что было сказано прежде: ни тепло, ни работа не есть формы энергии? Ключевым пунктом здесь является то, что оба явления являются путями переноса энергии из одного места в другое. Работа есть один путь переноса, тепло — другой. Нет такой вещи, как «работа», запасенная в двигателе и высвобождаемая, когда мы едем по дороге или поднимаем груз. В точности так же (хотя это и противоречит тому, что мы используем этот термин в легкомысленных разговорах) не существует такой вещи, как «тепло», запасенное в объекте, несмотря даже на то, что мы можем думать об объекте, как о горячем. Тепло — это способ переноса энергии: это энергия в переходе, а не энергия, которой что-то обладает. Возможно, вы уже можете уловить, что, коль скоро я разъясняю, как именно вам следует понимать термин «тепло», вам следует отринуть все прежние понятия, основанные на неточных терминах повседневной речи. Чтобы создать новый термин, ученые часто выбирают знакомое слово, срезают с него мясо и жир и используют лежащую под ними кость. И так же часто ученые совершенствуют язык, чтобы он не был замкнутым в себе и холодным, и даже отбивают хлеб у поэтов, но они ведь действительно знают о чем идет речь.

Работа является энергией, переносимой таким способом, что, по крайней мере в принципе, эту энергию можно использовать для поднятия груза (или, в более общем случае, для движения объекта против противодействующей силы). Не было никакой работы, запасенной в двигателе до события, она также не появилась в сдвинутом объекте после события. В двигателе перед событием была запасена абстрактная сущность, энергия; сдвинутый объект имел после события более высокую энергию, могла стать выше его кинетическая энергия или, в случае поднимания груза, могла увеличиться потенциальная энергия. Энергия была перенесена от двигателя к объекту посредством работы: работа является посредником переноса, а не переносимой сущностью. Ни к чему не обязывающие слова «в принципе» не должны пройти незамеченными. Они в этом примере означают, что энергия, покинувшая двигатель (или какой-нибудь другой рассматриваемый нами прибор), могла бы быть использована для поднятия груза, даже если этого факта не было. Например, работа могла бы быть использована для приведения в движение генератора, который пропускает электрический ток через электронагреватель. Конечным продуктом была бы скорее горячая вода, чем поднятый вес. Однако мы могли использовать эту энергию для поднятия груза, поэтому она была высвобождена как работа.

Тепло — это энергия, которая переносится в результате разницы температур, причем энергия течет от горячего (имеющего высокую температуру) тела к холодному (имеющему низкую температуру). Не было никакого тепла, запасенного в источнике до события; оно не оказалось запасенным в принимающем объекте после события. Это энергия была запасена в источнике до события; нагретый объект получил более высокую энергию после события — могло, например, испариться немного воды или растаять немного льда. Энергия была перенесена от источника к объекту посредством тепла: тепло является посредником переноса, а не переносимой сущностью.

Все становится ясным, когда мы рассматриваем события на молекулярном уровне. Предположим, что мы можем снаружи наблюдать движение атомов в двигателе. Для определенности, давайте посмотрим с близкого, действительно близкого расстояния на поршень, толкаемый расширяющимся газом (в двигателе автомобиля) или поступающим паром (в паровом двигателе). Если бы мы могли рассмотреть атомы поршня, мы увидели бы, что они движутся в том же направлении, что и сам поршень (рис. 3.9). В конце концов, наблюдаемое макроскопическое движение является однородным движением бесчисленных атомов. В паровой турбине нет поршня: вместо этого сила пара вращает лопасти турбины, и мы можем использовать это движение для совершения работы. Если бы мы могли рассмотреть атомы лопастей, мы увидели бы, что они так же движутся по кругу, как и сами лопасти. Когда провод подключен к полюсам электрической батареи, через него движутся электроны, создавая поток электронов — электрический ток. Если бы мы могли рассмотреть электроны в проводе, мы бы увидели, что они движутся в направлении течения тока. Электрический ток можно использовать для совершения работы, например, включив электрический мотор в сеть. В каждом случае работа связана с однородным движением атомов (или электронов). Это и есть то, чем является работа, это перенос энергии, который создает в области своего действия однородное движение атомов.

Рис. 3.9. Когда производится работа, энергия передается в таком виде, что атомы движутся однородно по заданному пути. В увеличенном фрагменте поршня, который движется вверх, мы видим, как атомы движутся вместе. Они передают движение объекту, связанному с поршнем или находящемуся на нем, и производят, например, поднятие груза.

А что насчет тепла? Давайте опять заглянем в воображаемый микроскоп такой силы, что в него можно видеть движение атомов. Теперь в горячем объекте нет движущегося поршня или лопастей турбины, никаких подвижных частей. Вместо этого энергия просачивается сквозь проводящую стенку. Теперь нет явного движения окружающих атомов, но мы видим, что они колеблются практически случайно (рис. 3.10). Когда энергия покидает объект и выходит в его окружение, атомы окружения колеблются еще более энергично и передают энергию своих колебаний соседям, которые в свою очередь передают ее своим соседям. Говоря коротко, перенос энергии в виде тепла является переносом энергии, который создает в области своего действия случайное движение атомов.

Рис. 3.10. Когда энергия переходит в тепло, движение атомов является дезорганизованным. Мы можем вообразить, что атомы горячего объекта и его проводящей тепло стенки (горизонтальная плита) сильно колеблются около своих средних положений, толкая друг друга. Эти толчки переносят энергию в окружающее пространство, где атомы подхватывают тепловое движение.

Случайные колебания атомов называются тепловым движением. Это не тепло. Тепло является способом передачи энергии. Мы никогда не должны говорить, что «тепло передается», за исключением тех случаев, когда мы понимаем, что это лишь удобный способ сказать, что энергия передается как тепло или посредством тепла. Тепло в действительности лучше рассматривать как глагол, чем как существительное. Тепло не является тепловой энергией. Такой вещи не существует, несмотря на то, что этот термин широко используется (существуют только кинетическая и потенциальная энергии, каждая из которых вносит вклад в тепловое движение, и энергия излучения). Тепло не является термической энергией. Такой вещи не существует, это лишь удобный способ обозначить энергию теплового движения.

Это атомическое различие между работой и теплом имело большое влияние на развитие цивилизации. Довольно легко выделить энергию в виде тепла: энергия должна быть просто вброшена в случайную путаницу движения атомов. Поэтому раннее человечество довольно скоро научилось это делать. Гораздо труднее выделять энергию в виде работы, поскольку энергия должна проявиться как упорядоченное движение атомов. Отличные от тел животных приборы, предназначенные для производства этой упорядоченной моды выделения энергии, не были сконструированы (за исключением нескольких единичных случаев) вплоть до восемнадцатого века, а, чтобы достичь эффективности, потребовалось еще несколько столетий для их усовершенствования (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Здесь изображено нагромождение изощренных приборов, необходимых для извлечения энергии в виде работы. Возможность извлекать энергию в этом виде, а не просто как тепло была относительно поздним достижением цивилизации.

Теперь мы узнали, как тепло встало на путь истинный и как энергия сохраняется в реальности. И теперь, когда мы понимаем, что энергия может быть передана как тепло или работа, мы можем сделать вывод, что энергия сохраняется как в области динамики, в области движения отдельных тел и взаимообмена кинетической и потенциальной энергий, так и в области термодинамики, взаимообмена тепла и работы. Энергия действительно является универсальной валютой космической бухгалтерии, поскольку никакое событие, в котором энергия возникает или уничтожается, не может произойти. Энергия, таким образом, является ограничителем для событий, которые возможны во Вселенной, ибо никакое событие, сопровождаемое изменением полной энергии Вселенной, случиться не может. Это заключение очень понравилось бы Томсону и Клерку Максвеллу, которые стали энтузиастами закона сохранения энергии через их веру в то, что Господь в своей безграничной мудрости в момент Творения одарил Вселенную фиксированным количеством энергии и что человечество должно иметь дело с тем, что бесконечно мудрый Бог считает приемлемым.