Молекулярно-кинетическая теория, основанная на модели соударения упругих шаров, не запрещает такой возможности. Ведь соударения упругих шаров подчиняются законам Ньютона, которые совершенно симметричны по отношению к направлениям любых механических процессов.
Несомненно, каждому интуитивно ясно, что практически невозможно изменить на противоположное направление движение каждой молекулы газа и таким способом (в соответствии с законами Ньютона) привести газ в исходное состояние. Но нет ли, помимо этой «практической трудности», какого-либо глубокого принципиального запрета, препятствующего выполнению этой задачи?
Возвратим на место нашу скользящую перегородку, но предварительно снабдим ее небольшим отверстием, за-закрываемымтакой же скользящей маленькой заслонкой. Теперь, открывая заслонку, когда к ней подлетают молекулы движущиеся справа налево, и закрывая ее, если молекулы подлетают к ней слева, мы можем вновь собрать все молекулы в левой половине цилиндра. Какие возможности открываются перед нами! Мы можем соединить обе половины цилиндра Тонкой трубкой и установить в ней маленькую турбинку. Тогда газ, перетекая по трубке слева направо, будет вращать турбинку, совершая даровую работу, а мы, не совершая никакой работы, а лишь управляя заслонкой, будем постоянно возвращать его в исходное состояние.
Максвелл, обдумывавший подобный мысленный эксперимент, знал, что такое устройство было бы вечным двигателем. Ведь, по условию, трения нет, и заслонка, не затрачивая работу, поддерживает разность давления между обеими половинами цилиндра. А за счет этой разности давлений работает турбинка. Это вечный двигатель, дающий даровую работу! Следовательно, заключил он, такой механизм не может работать, если им не управляет некое сверхъестественное существо, способное сортировать молекулы, не совершая работы.
Это значит, что молекулярно-кинетическая теория, основанная на модели идеально упругих шаров, подчиняющихся законам Ньютона, не может описать работу паровой машины, не прибегая к помощи термодинамики. От моле-молекулярнокинетической теории нет прямого пути к термодинамике и ее законам. Законы термодинамики не могут быть получены из механики Ньютона. Связь между ними долго казалась непостижимой…
Так в обиход науки вошел «дьявол Максвелла», воображаемый механизм, который совершил бы чудо получения работы без ее затраты, если бы мог существовать.
Максвелл придумал своего нечистого в 1871 году и был в полной уверенности, что тут же его уничтожил. Но «дьявол» оказался хитрее и коварнее. Он покинул Максвелла, так как тот в него не поверил, и начал поиски сторонников подоверчивее.
Козни дьявола
Он шептал очередной жертве: увы, со скользящей заслонкой ничего не вышло. Но ты умный, ты придумаешь… И энтузиаст придумывает. Вместо скользящей заслонки он помещает в отверстие качающуюся заслонку — легкий лепесток, подвешенный к оси и снабженный пружинкой, удерживающей заслонку в положении «закрыто». Пружинка так слаба, что каждая молекула может открыть ее своим прикосновением. Молодец, шепчет дьявол, теперь недолго до вечного двигателя. Думай дальше. Автор нового механизма замечает, что молекулы ударяются в заслонку с обеих сторон и проскакивают в обоих направлениях. Пустяк, решает он, можно сделать ее чуть больше чем отверстие и повесить с левой стороны перегородки. Тогда при ударе справа она пропустит молекулу, а обратно нет! «Тепло», как говорят в детской игре, когда цель близко.
Но нет. Если заслонка идеальная, то пружинка не сможет удержать ее закрытой. Пружинка действительно вернет ее на место после того, как толчок молекулы заставит ее открыться. Но, возвратившись к перегородке, заслонка, как идеальный упругий шарик на идеальной упругой плите, будет прыгать вечно! Пружинка, возвращая ее, ударит ею о стенку, и она отскочит обратно с той же скоростью, какую ей первоначально придала молекула. А если она будет прыгать вечно, то молекулы смогут свободно пролетать через отверстие в обе стороны.
Думай, думай, шепчет дьявол. Заслонка слишком идеальная. Нужно ввести трение, и она остановится. Дьявол хитер. Трение действительно нарушает симметрию механических процессов, делает их необратимыми. Ведь трение преобразует механическую энергию в тепловую. Трение вводит в игру термодинамику с ее Вторым началом, утверждающим необратимость тепловых процессов.
Однако, введя трение, нужно присмотреться к процессу повнимательнее. Откуда берет энергию пляшущая заслонка, какая энергия превращается в тепловую? Это часть энергии молекулы, толкнувшей заслонку. Упростив задачу, мы не учли, что, толкая заслонку, молекула отдает ей часть энергии и влетает в левую половину цилиндра с уменьшенной скоростью. Так, в первом опыте молекулы, толкая поршень, отдавали ему часть своей энергии. А потеря скорости связана с понижением температуры. Конечно, для отдельной молекулы эта связь имеет чисто формальный смысл. Но для того, чтобы турбинка заработала, налево должно перелететь достаточно много молекул. Значит, температура газа слева будет уменьшаться по мере прибавления медленных молекул. Ведь при столкновениях со старожилами они уменьшат среднюю скорость всех молекул, а это уже настоящее падение температуры… Но не только это работает против изобретателя. Рассуждение проведено для одиночных молекул, подлетающих к заслонке, когда она закрыта. Но в то время когда заслонка открыта, в реальных газах сквозь отверстие будет пролетать избыток молекул с той стороны, где давление больше, сводя на нет способность механизма создавать поток молекул в избранном направлении.
Дьявол не без успеха прельщал многих возможностью создания вечного двигателя. Сперва простого, не считающегося с Первым началом термодинамики. Потом более сложного, не считающегося со Вторым началом. Дьявол пытается скрыть от человека, что к любым машинам, «производящим» энергию, нужно подводить ее извне. Ведь в каждой замкнутой системе ее запас постоянен, могут изменяться лишь ее формы, переходя одна в другую. Но тепловая энергия занимает при этом особое положение. Ее нельзя без остатка преобразовать в другие формы энергии.
Невозможность вечного двигателя покоиться не только на отрицательном опыте многих изобретателей, хотя этого было достаточно для Стевина и Карно, считавших эту невозможность не подлежащей сомнению. После создания термодинамики эта невозможность воплотилась в принцип сохранения энергии, называемый Первым началом термодинамики, и во Второе начало термодинамики, указывающее направление реальных тепловых процессов в природе. Оно покоится на утверждении Карно: в реальных процессах тепло может самопроизвольно протекать только от нагретых тел к холодным, а не наоборот.
Но человек слаб, а дьявол хитер. Он вновь и вновь побуждает людей пытаться построить вечный двигатель, пусть не вечный двигатель, нарушающий закон сохранения энергии, а хотя бы вечный двигатель, обходящий Второе начало термодинамики.
Еще сравнительно недавно известному американскому физику Сцилларду пришлось специально доказывать, что никакой механизм, даже снабженный источником света и фотоприемником, которые помогли бы дьяволу заранее получить информацию о движении молекул, не сможет управлять заслонкой без затраты энергии, не сможет привести к созданию вечного двигателя. Но хитрость дьявола проявляется не только в подсказке заманчивых идей. Он способен притаиться, давая людям возможность впасть в гордыню, чтобы потом ввергнуть их в адские сомнения.
Снова подвохи нечистого
Молекулярно-кинетическая теория, несмотря на выявившиеся трудности, шагала от успеха к успеху без единого поражения. Все казалось ей доступным, нужно лишь потрудиться и разобраться в деталях. Она позволила определить теплоемкость газов и вычислить величину универсальной газовой постоянной. Причем все эти вычисления поражали своей простотой, доступностью. Никакой мистики чисел! За основу надо взять величину газовой постоянной, пересчитанную на одну молекулу, и учесть, что на каждую степень свободы придется по половине этой газовой постоянной. Молекулы одноатомных газов могут перемещаться в пространстве по горизонтали, по вертикали и перпендикулярно этим направлениям. Значит, они обладают тремя степенями свободы. Чтобы получить их теплоемкость, нужно три раза взять половину газовой постоянной — 3ґ1/2=1/2 Для двухатомных газов, которые могут не только перемещаться в пространстве, но и вращаться в двух плоскостях (то есть имеют пять степеней свободы), получается 5ґ1/2=5/2 газовой постоянной.
