Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали. Скотт БембенекЧитать онлайн книгу.
Томсон. Таким образом, даже при том, что Клаузиус опередил Томсона почти на год, описание энергии системы и ее изменений при взаимодействиях с окружением у Томсона было намного более полным. Томсон первоначально назвал энергию системы механической энергией, но позже, в 1856 году, он выбрал более подходящее имя – действительная энергия. Позднее Гельмгольц назовет это внутренней энергией[63].
Универсальное стремление энергии
В 1847 году, когда Томсон узнал об экспериментах Джоуля по измерению механического эквивалента теплоты, демонстрирующих, что работа могла быть преобразована в тепло, он немедленно признал важность этого открытия. Было понятно, хотя эксперимент Джоуля этого явно и не продемонстрировал, что эквивалентность подразумевает возможность перехода тепла в работу. Это создавало Томсону определенные проблемы, поскольку тогда он был сторонником теплородной теории, которая отрицала выводы Джоуля. Тем не менее Томсон разрешил эти противоречия, издав работу «О динамической теории тепла». Однако, даже несмотря на это, перед Томсоном стояла еще одна проблема: что происходит с работой, согласно Джоулю, когда тепло проходит через объект, двигающийся из теплой среды в холодную?
Сегодня мы точно знаем, что можно использовать тепловой двигатель для получения работы за счет тепла. Если же вместо этого мы возьмем то же самое количество тепла и позволим ему свободно пройти через тепловой двигатель, окажется, что работа не была произведена: она попросту потерялась. Этот факт не давал Томсону покоя. Безусловно, в случае обратимого теплового двигателя Карно из данного количества теплоты производится максимальное количество работы, в то время как, согласно Фурье, из свободного потока тепла получается минимальное количество возможной работы – а фактически не получается вовсе. В последнем случае это выглядит так, будто работа просто исчезла, и Томсон хотел знать точно, куда именно. Он пишет:
«Причина, по которой я не могу принять теорию, так яро поддерживаемую господином Джоулем, заключается в том, что механическое воздействие, с точки зрения теории Карно абсолютно теряющееся при проводимости, не учитывается в динамической теории (Джоуля) никоим образом, кроме утверждения, что оно не теряется».
В 1852 году Томсон опубликовал статью «Об универсальной природной тенденции к рассеиванию механической энергии». В ней Томсон утверждает, что не вся энергия одинакова[64]. Какую-то энергию можно использовать для работы, а какую-то – нет. Давайте для примера сравним энергию реки с энергией океана. Несомненно, океан обладает большей энергией, чем река. Чтобы это понять, достаточно просто посмотреть на океан и на то, как его волны бьются о берег. Но как же извлечь эту энергию и произвести с ее помощью работу?
Существует множество способов сделать это, но при каждом из них придется иметь дело с хаотичной природой двигающихся волн. Изменение размера, силы, направления и длительности океанских волн позволяют
Внутренняя энергия (как считается сегодня) относится к кинетической и потенциальной энергии молекул, составляющих интересующую нас систему. Среднее значение их количеств и есть то, что мы называем внутренней энергией системы. Чтобы лучше понять, почему мы берем именно среднее значение, давайте еще раз рассмотрим наш стакан воды как систему. Стакан воды состоит из множества отдельных молекул воды, которые движутся при комнатной температуре. Мы не увидим этого невооруженным глазом, но можем проверить при помощи эксперимента. Поскольку молекулы перемещаются в стакане воды, их потенциальная энергия и кинетическая энергия изменятся, а общая энергия – нет, если система, как упоминалось, является закрытой. Но так как потенциальная и кинетическая энергии молекул со временем постоянно изменяются за счет их движения, то для определения внутренней энергии важно именно среднее значение (за некоторое время).
Во вступлении к работе Томсон делит энергию на два вида, один из которых он называет «статическим», а другой – «динамическим». Согласно Томсону, статическая энергия лучше подходит для произведения работы, в то время как динамическая энергия подходит для этого хуже, что, впрочем, не мешает производить работу и с ее помощью.