Когда теплота может совершать работу?

Мы уже выяснили точку зрения кинетической теории на то, как работа, произведенная над газом, превращается в кинетическую энергию молекул газа при увеличении температуры. Можно ли обратить этот процесс так, чтобы горячее тело совершало работу за счет собственного охлаждения и превращения тепловой энергии в работу? Энергия, как мы первоначально ввели ее, способна переходить в работу. Когда мы отождествили теплоту с энергией, мы отмечали, что тепловая энергия может превращаться в работу лишь при соответствующих условиях. Почему с точки зрения кинетической теории нужно вводить дополнительные условия? И каковы эти условия, при выполнении которых теплота совершает работу?

Раскаленный добела кусок железа способен совершить работу; если опустить его в воду, часть воды закипит, и образующийся пар может быть использован для приведения в движение паровой машины и т. д. Почему нельзя летом извлекать часть кинетической энергии из атмосферы, превращать ее в полезную работу и тем самым охлаждать столь неприятный горячий воздух? При таком процессе энергия сохраняется, однако мы знаем, что он невозможен, и второе начало термодинамики как раз и является формальным обобщением подобных фактов.

Мы можем получить некоторое представление о том, почему такие процессы невозможны, рассмотрев снова модель идеального газа. В этой модели энергия газа складывается из энергий хаотического движения молекул. Чтобы заставить эту энергию совершать работу, необходимо каким-то образом превратить хаотическое движение молекул в упорядоченное. Это можно сделать при наличии большого количества другого вещества (назовем его резервуаром), находящегося при температуре, гораздо меньшей температуры вещества, из которого мы пытаемся извлечь работу. Тогда (как и в случае раскаленного куска железа и воды) более нагретое тело может совершать работу до тех пор, пока его температура и температура резервуара не сравняются.

Допустим, однако, что в нашем распоряжении нет такого гигантского резервуара (как в случае атмосферы), имеющего гораздо меньшую температуру. Как можно было бы извлекать работу из такого газа? Представим устройство, изображенное на фиг. 384. Колесо с лопастями, находящееся в газе, соединено с приводным валом. Если бы молекулы газа двигались так, что они ударяли бы только по одной стороне лопастей, они бы передали свою энергию приводному валу. Иначе говоря, газ совершил бы работу, а сам охладился бы. Водяное колесо работает на таком же принципе, однако поток воды там направленный. Молекулы же газа не могут сами упорядочить свое движение. Они ударяют по колесу со всех сторон, в результате чего колесо остается в покое.

Можно попытаться усовершенствовать это устройство, скажем, введением механизма, позволяющего колесу вращаться лишь в одном направлении. Но анализ этой усовершенствованной машины показывает, что через некоторое время дополнительный механизм так разогреется из-за усиления внутреннего движения составляющих его частиц, что он начнет «срываться» и не сможет задерживать движение колеса в одном направлении. Такое рассуждение не является удовлетворительным, и позже мы повторим его в другом, лучшем виде, однако результат мы получим тот же: невозможно заставить частицы упорядочить свое движение, чтобы они совершали работу за счет энергии хаотического движения, если нет резервуара частиц, в котором их движение менее хаотично (т. е. температура меньше).

Если горячее тело привести в тепловой контакт с холодным газом, этот газ будет при нагревании расширяться и сможет совершить работу, толкая, например, поршень. Этот процесс прекращается, как только температура газа сравнивается с температурой тела. Для продолжения процесса следует либо охладить газ, либо привести горячее тело (которое уже слегка охладилось) в контакт с другим, более холодным газом. Чтобы извлекать тепловую энергию из кубика льда, нужно иметь в качестве рабочего тела вещество, более холодное, чем лед, скажем сухой лед. Чтобы извлекать тепловую энергию из сухого льда, нужно использовать в качестве рабочего тела уже жидкий гелий и т. д.

Такая последовательность заканчивается, когда используется рабочее тело, находящееся при абсолютном нуле температуры, т. е. когда вся тепловая энергия извлекается из системы. Однако такой резервуар практически невозможен. Чтобы машина совершала полезную работу, требуется, как правило, создание большой разности температур. Таким образом, несмотря на огромный запас энергии в воздухе и океане, эту энергию не удается (до сих пор) экономично превращать в полезную работу.