«Второе начало термодинамики»
Константин Эдуардович Циолковский
1914
Второе начало термодинамики
Впервые опубликовано в Калуге, Типография С.А. Семёнова, в 1914 г. Опубликовано повторно, считая с 1914 года, – в журнале ЖРФМ («Журнал русской физической мысли»), 1991, № 1, стр. 22-39. Данная публикация осуществлена на основе перепубликации из журнала ЖРФМ.
***
«…температура газа, который находится в состоянии теплового равновесия, не зависит от высоты. Следствием этого является, как было доказано ранее, необходимость этой независимости температуры от высоты для любого тела». («Оn the dynamical theory of gases» Maxwell D.)
— Максвелл допускал это натянутое расширение закона на все вещества, ибо он считал, что в противном случае делается возможным непрерывное превращение тепла в работу. Как уже отмечалось, в этом заключении я не вижу ничего абсурдного.
… нельзя применять закон распределения, полученный в предположении об отсутствии внешних сил, а именно, сил тяготения, к задаче, в которой речь идёт как раз об установлении влияния сил тяготения».
И. Лошмидт.
Предисловие
Работа эта написана ещё до мая 1905 г. Идея же, заключённая в ней, зародилась гораздо раньше. Так, из моей статьи «Продолжительность лучеиспускания звёзд», помещённой в «Научном Обозрении» за 1887 год, видно, что основания о повышении температуры в столбе весомого вещecтвa и тогда были для меня совершенно ясны. Три раза я передeлывал и переписывал свою статью, но разные причины, о которых позволю себе здесь умолчать, мешали мне её до сего времени напечатать.
К. Циолковский.
***
Постулат Клаузиуса о теплоте говорит: «Теплота не может сама собой перейти от более холодного тела к более тёплому» (см. Poggendorff’s Annalen, том 81, стр. 168, 1850 г.).
Хотя слова постулата «сама собой» делают его не совсем ясным, тем не менее сущность его, по-видимому, состоит в следующем.
Теплоты в природе очень много; одни тела нагреты более, другие — менее. Теплота от более нагретых тел переходит к менее нагретым; температура стремиться уравняться. Не происходит обратного, — перехода теплоты от холодных тел к тёплым. Если бы это могло происходить каким-нибудь способом, то тёплые тела ещё более могли бы нагреться, они могли бы накалиться, отнимая теплоту от холодных тел, и тогда мы могли бы воспользоваться этим, заставляя накалённые тела природы, с помощью моторов, производить механическую работу, столь необходимую людям.
Механическая paбота легко превращается во все виды энергии, так что люди могли бы тогда получить всё необходимое, без посредства солнечной энергии, одним определённым запасом теплоты, величина которого, согласно первому закону термодинамики, измениться никогда не может. По терминологии проф. Хвольсона, мы получили бы возможность устроить perpetuum mobile*) второго рода.
Примечание:
*) Устраиваемые теперь вечные часы и другие вечные двигатели ничего общего с perpetuum mobile второго рода не имеют.
Невозможность этого Томсон выражает так: «Нельзя получить при помощи неодyшевлённой материи работу от какой-либо материи, охлаждая её ниже температуры наиболее холодного из окружающих тел» (Том 20, стр. 261, 1851 г.) Это положение, равнозначительное постулату Клаузиуса, также содержит, по-видимому, странную оговорку: при помощи неодyшевлённой материи.
Хотя из явлений природы мы видим, что эти положения термодинамики как будто оправдываются и даже, как будто, принадлежат к грубым истинам, для всех очевидным, какими прежде считались неподвижность Земли, малость звёзд, существование небесных сфер и т.д., — но, во всяком случае, не можем считать постулаты Клаузиуса и Томсона удачно выраженными. Они были бы точны, если бы лишены были указанных оговорок; но оправдались бы они тогда?
Что значит «сама собой»?
Может быть, теплота от холодного тела к нагретому может переходить особенным, неизвестным действием природы? Человеческой силой, умом, искусством? Не чудом же? Выходит, что сама собою теплота не переходит, но не сама собой пeреходит. Стало быть, и Клаузиус признаёт какие-то условия, при которых совершается этот обратный переход, Томсон тоже думает, что вообще теплота не переходит от менее нагретого к более нагретому, но при участии одушевлённой материи этот переход может (хоть иногда) совершиться. Но разве одушевлённая материя не та же природа?
Что возможно, следовательно, при помощи одушевлённой материи, то возможно и силою природы.
Итак, сами учёныe не устанавливают новый закон, потому что, в противном случае, они бы сказали: теплота никогда не может переходить от более холодного тела к более тёплому. А раз теплота то переходит, то не переходит, то и закона никакого нет, а есть наблюдение, часто повторяющееся, по-видимому — очевидное, но как будто нарушаемое, по словам самих же учёных. Не виноваты ли их последователи, принимая постулаты за «законы» и «начала»?
Если же теплота может переходить при каких то условиях от более холодных тел к более нагретым, то это должно иметь огромное, не только философское и общенаучное значение, но, как мы видели, и чисто практическое.
Так, согласно усердным последователям Клаузиуса и Томсона, теплота тел стремится к уравнению, к одной определённой средней температуре; иными словами энтропия*) Вселенной непрерывно растёт. Настанет время, когда солнца потухнут, мир замрёт, живое уничтожится. Но этого не будет, если постулат Клаузиуса не признавать началом или законом.
Примечание:
*) Степень рассеяния, равномерности теплоты.
Мир существует давно, даже трудно предположить, чтобы он когда-нибудь не существовал. А если он уже существует бесконечное время, то давно бы должно наступить уравнение температур, угасание солнц и всеобщая смерть. А раз этого нет, то и закона нет, а есть только явление, часто повторяющееся. Также невозможным оказывается отрицать и perpetuum mobile второго рода, ибо сам мир не отрицает этого. Вот как важен этот спор о втором начале термодинамики!
***
Против постулата Клаузиуса возражали Нirn, Rankinе, Holtzman, Eddi и другие. Позволим и мы себе привести некоторые возражения, игнорируя ненаучные оговорки постулата и споря, cобственно, против усердных его последователей. Представим себе определённую, хотя может быть и очень низкую температуру пространства и вообще Вселенной. Вообразим себе в этом пространстве изолированную световым эфиром*) массу какого-нибудь газа при той же температуре. Я утверждаю, что температура газа не останется постоянной, несмотря на её первоначальную равномерность. Наружные её части охладятся, за счёт чего нагреются центральные части. Последние, путём лучеиспускания (если масса теплопрозрачна) и теплопроводности, будут нагревать охлаждённые периферические слои, но нарушенная равномерность температур не вполне восстановится. Получится, так сказать, подвижное равновесие, причём окружающее пространство с его веществом (другие небесные тела предполагаются при той же температуре) ещё нагревают охлаждённые периферические слои, а затем, от этого, повысится ещё и температура центральных масс газа, так что он извлечёт некоторое количество тепла из внешнего пространства.
Примечание:
*) Не касаясь сущности эфира, смотрю на него, как на передатчика энергии; как таковой, – он существует.
Причина этого предполагаемого мною явления — всемирное тяготение.
Можно также, для иллюстрации, вообразить, что вся Вселенная состоит из определённой массы газа. Тогда наружные слои газа, несмотря на постоянную температуру его, должны охладиться или передать свою тепловую энергию центральным частям массы. Это явление выйдет проще. Докажем наше положение теоретически, основываясь на механической теории тепла*), а затем приведём и явления природы, подтверждающие его.
Примечание:
*) Не согласен с теми учеными, которые отчаялись объяснить явление природы механическим путем. Мне кажется, новейший путь научного исследования продержится недолго: снова перейдут к механическим основам.
Вообразим в массе газа одну его молекулу, вибрирующую вверх и вниз. Так как она подвергается силе тяготения со стороны остальных молекул, то при поднятии или удалении от центра массы, скорость движения её будет замедляться и наоборот. Таким образом, наша молекула, ударяясь о верхние молекулы с меньшей скоростью, будет замедлять их движение, вследствие чего температура верхних молекул понизится; ударяясь же с усиленною скоростью о нижние молекулы, она будет ускорять их движение, отчего их температура должна повыситься. Тоже справедливо и относительно всех молекул, которые также повышают температуру нижних молекул и понижают температуру верхних. Если молекула имеет наклонное или горизонтальное движение, то и тогда она подвержена силе тяжести и также при столкновении с другой молекулой, изменяет её температуру, как и свою собственную, сообразно величине своего падения. Результатом этого будет громадная неравномерность температур*), которую легко вычислить, если допустить определённый закон тяготения для данной газовой смеси и не принимать в расчёт стремления её восстановить температурное равновесие путём теплопроводности и лучеиспускания.
Примечание:
*) Каким образом умудрился отрицать это, по словам проф. Хвольсона, знаменитый Лоренц – мне непостижимо. На авторитете Лоренца собственно и основывается отрицательное отношение к моей работе проф. Хвольсона.
Какая-нибудь молекула, падая вниз, передаёт своё ускорение следующей, эта — ниже лежащей и т.д. Сущность не изменится, если мы предположим, что первая молекула, без отражения от других молекул, падает непрерывно и беспрепятственно вниз.
***
Вы ознакомились лишь с частью работ Константина Эдуардовича Циолковского.
Хотите узнать больше? На нашем сайте в разделе «Научное наследие» вы найдете множество его статей, доступных как для онлайн-чтения, так и для бесплатной загрузки в формате PDF.
Приятного погружения в мир мыслей и идей великого ученого!