Здравствуйте, господин Ампер

Клаузиус

единица энтропии. Была названа в честь немецкого физика Рудольфа Юлиуса Эмануила Клаузиуса.

энтропия тела увеличивается на 1 клаузиус, если тело при абсолютной температуре Т и обратном протекании всех процессов получает количество тепла, равное Т∙К^-1 кал.

клаузиус — запрещенная единица. В настоящее время используется единица энтропии (тепловой емкости) джоуль на кельвин (Дж/К).

1 Кл = кал∙К^-1 = 4,1868 Дж/К.

Рудольф Юлиус Эмануил Клаузиус родился 2 января 1822 г. в Кеслине в многодетной семье учителя. Вначале учился в Берлинском университете, а затем закончил учебу в 1848 г. в Галле. Он относился к той категории студентов, которые помогали содержать своих младших братьев и сестер и вынуждены были в связи с этим заниматься репетиторством.

В возрасте двадцати лет, получив звание приват-доцента, он начал преподавать физику в Инженерно-артиллерийской школе в Берлине. С 1855 г. в течение 12 лет преподавал физику в Высшей политехнической школе Цюриха. Здесь же он женился. Затем стал профессором физики в университете в Вюрцбурге, однако здесь он оставался недолго — всего два года и, наконец, переехал в Бонн, где работал до конца своей жизни.

Клаузиус был очень добросовестным человеком, трудолюбивым, но в то же время и очень замкнутым. Во время войны 1870—1871 гг. он получил тяжелое ранение колена, вследствие чего был вынужден уступить экспериментальное обучение студентов Клеменсу Кеттелеру. Будучи представителем так называемой «старой гвардии», он не передал своему преемнику ни аппаратуры, ни приборов, и, может быть, поэтому в Боннском университете не получила должного развития экспериментальная физика и не возникла научная школа, хотя Клаузиус и относился к самым передовым физикам своего времени.

Свои первые научные труды он посвятил математической теории упругости. Наиболее плодотворный период начался в 1850 г., когда в своей работе «О двигательной силе тепла…» он первым сформулировал второе начало термодинамики: «Тепло не может само по себе переходить с более холодной материи на более теплую». Клаузиус исходил из теории тепловых машин Саади Карно, которую он изучал, основываясь на механической теории тепла, и постепенно подошел к открытию основных явлений термодинамики.

Весом также вклад Клаузиуса в создание кинетической теории газов. В 1857 г. он опубликовал работу «О роде движения, который мы называем теплотой», в которой отнес к кинетической энергии молекул газа не только их прямолинейное поступательное движение, но и вращательное и колебательное движения атомов внутри молекул. Таким образом, он правильно, хотя и не полностью (полное объяснение дает лишь квантовая теория), определил отличие реальных газов от идеальных.

В 1860 г. он вычислил скорость движения молекул газов, а позже определил величину давления газа на стенки сосуда как среднее значение всех ударов молекул о стенки сосуда. Использование «метода средних величин», соединенного с теорией вероятности, привело к созданию весьма важной области физики, а именно: к созданию так называемой статистической физики.

В своих последующих работах Клаузиус вывел уравнение, выражающее зависимость точки плавления (затвердевания) вещества от давления, которое позже было названо уравнением Клапейрона — Клаузиуса.

При дальнейшем изучении и развитии механической теории тепла Клаузиус обнаружил, что в замкнутой системе отношение количества теплоты к абсолютной температуре системы возрастает в любом процессе. Причем под замкнутой системой подразумевается такая, которая не отдает энергию в окружающую среду и не получает ее извне. При идеальном течении процесса, который, однако, в реальном мире не может быть осуществлен, это отношение остается постоянным, т. е. никогда не уменьшается. Это отношение было названо Клаузиусом в 1865 г. энтропией.

Энтропия показывает степень превращения в системе различных форм энергии в тепло, которое самостоятельно уже не может превратиться в другие формы энергии. Таким образом, она является мерой превращения энергии в работу. Чем больше энтропия, тем меньше энергии можно превратить в работу.

Клаузиус применил свойства термоизолированной системы ко всей Вселенной. Так возникло представление о том, что с постоянным возрастанием энтропии уменьшается доля энергии, которая может быть превращена в работу. Когда вся энергия будет израсходована, энтропия достигнет своего максимума, и Вселенная окажется в состоянии постоянного теплового равновесия. Все процессы, кроме хаотического движения молекул, прекратятся. Эта драматическая картина «конца света» получила название «тепловой смерти» Вселенной. На несостоятельность этой гипотезы первым обратил внимание известный физик Людвиг Больцман.

Клаузиус занимался также и вопросами электролиза, что привело к созданию теории электролитической диссоциации. Его интересовали и проблемы электродинамики, и теория поляризации диэлектриков, на основе которой он вывел зависимость между диэлектрической постоянной и плотностью диэлектрика.

Умер Клаузиус 24 августа 1888 г. в Бонне.

* * *

— Скажите, пожалуйста, господин советник дома?

— Какой господин советник?! — в детском голосе прозвучали нотки недоброжелательности.

— Господин советник, профессор Клаузиус.

— Здесь нет никакого господина профессора, есть только папочка! Он дома, но он занят, — решительно сказал мальчишка, и встал в дверном проеме.

— Гм… ладно, я подожду, но, может, ты скажешь папе, что пришел студент сдавать экзамен…

— Ничего я не буду говорить! Папочка сейчас должен с нами играть, а если я его позову, то он начнет беседовать с тобой, а нас прогонит. Уходи лучше! — и маленькие ручки попытались вытолкнуть пришельца в коридор.

Студента разобрала досада. Что же делать с этой решительной крохой? Профессор пригласил его на экзамен, и не явиться было бы просто неприлично. Все мысли его были направлены на то, как уговорить мальчонку.

— Послушай, — начал он ласковым голосом, но именно в этот момент в конце коридора показался профессор Клаузиус еще с одним ребенком на руках.

— Что здесь происходит? А, господин студент пришел ко мне. Прошу Вас, входите!

Студент вошел в квартиру, а Клаузиус повернулся к детям.

— Ну, а теперь, детки, пойдите поиграйте сами! Но только без слез, — добавил он, увидев жалобно искривленные губки детей, и нежно погладил их по головкам. — Я только немного поговорю с этим господином, а потом вернусь к вам.

— Честное слово, папа?

— Честное.

Дети успокоились, а профессор со студентом направились в кабинет.

— Присаживайтесь, пожалуйста, — профессор показал рукой на стул, а сам расположился в кресле за письменным столом. — Ваша фамилия?

— Фон. Дюневальд, — ответил юноша.

— Вы хотите сдать экзамен по физике. Дакая область вас больше всего интересует?

Студент был явно в восторге от такого вопроса. Его руки слегка задрожали, когда он начал развязывать небольшой пакет, который принес с собой.

— Собственно говоря, я… Если господин профессор разрешит… Я принес изобретение.

— Ну, что ж, это весьма похвально, — сказал с интересом профессор.

— Это лишь такой маленький приборчик, собственно говоря, насос. Он выкачивает воду из резервуарчика, выливает ее на колесо, которое, в свою очередь, заставляет качать насос…

Студент вытащил из кармана бутылочку с водой, вылил воду в резервуарчик и слегка повернул колесо. Насос начал работать.

— Этот насос может работать до бесконечности, — объявил, студент. — Я хочу его еще усовершенствовать. Если бы сюда подвести ременную передачу…

— Гм, значит, вы утверждаете, что насос может работать до бесконечности? Ну, что ж, посмотрим!

Оба внимательно смотрели на остроумно сконструированную игрушку. Студент сиял, а профессор доброжелательно поглядывал на него из-под густых бровей.

Вскоре движение поршня стало замедляться, пока совсем не прекратилось. Насос остановился.

— Ну, что скажете?! — сказал Клаузиус.

Юноша покраснел.

— Это, это… — начал он заикаться от волнения. — Невидимому, что-то испортилось…

Профессор улыбнулся.

— Да, это ловко изготовленная машинка, но не питайте никаких иллюзий! Насос не будет работать до бесконечности. Ни этот, ни любой другой.

— Почему же? — воскликнул, еще больше расстроившись, студент.

— Потому что это противоречит принципу сохранения энергии.

— Энергии?! Как это, энергии?

— Что, такое понятие, как энергия, вам кажется не совсем ясным?

— Я слышал лишь о принципе сохранения сил…

— Вот об этом и речь. Использование понятия силы стало сегодня таким широким, что уже пора снова пересмотреть физическую терминологию.

— Согласно Ньютону, — пришел уже в себя студент, — действие силы — это действие, направленное на изменение состояния тела. Каждое тело остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действие силы не заставит его изменить это состояние. Изменение движения пропорционально силе действия и происходит в направлении прямой, вдоль которой действует сила, — отбарабанил студент, как по написанному.

Клаузиус одобрительно улыбнулся.

— Очень красиво вы это сказали, но я бы хотел, чтобы вы поняли, что и сегодня, спустя двести лет после Ньютона, слово «сила» используется для определения совсем иных понятий. Поэтому лучше говорить о принципе сохранения энергии, а не о сохранении сил.

На мгновение он замолчал и посмотрел на насос.

— Как бы мы его ни назвали, но вы нарушили этот принцип…

— Но, господин профессор, — воскликнул студент, — разве в моем насосе не сохранены силы?! Под давлением насоса определенное количество воды поднимается до определенного уровня. Затем вода падает и вращает колесо, связанное с поршнем, и таким образом насос опять нагнетает то же количество воды на ту же высоту. Это же надежное равновесие, и именно сила здесь сохранена.

— А трение? — возразил Клаузиус.

— Трение? Не понимаю.

— Вы знаете, что такое термодинамика?

— Конечно, это наука о превращении тепла в работу, и наоборот. Но я не вижу здесь никакой связи…

— Я надеюсь, что вы как будущий изобретатель понимаете, что никакой агрегат не работает без трения.

— Конечно!

— А какое явление всегда сопровождает трение?

Так как студент молчал, то Клаузиус продолжил.

— Я не сомневаюсь, что вы слышали об опытах Дэви, который трением заставил растаять два куска льда…

— Ах, вот в чем дело, — перебил его студент и начал быстро цитировать. — На основании этих явлений была объяснена сущность тепла, которое является движением частиц материи одновременно с колебанием частиц вселенского эфира. Как показали Карно, Джоуль, Майер, Гельмгольц, а также и господин профессор, — при этом студент слегка поклонился в сторону профессора, — каждое движение может превратиться в тепло, и наоборот. Существует зависимость между величиной механической работы и количеством тепла, из которого возникает работа.

Студент тараторил, как заведенный, и слова так и сыпались из него.

Клаузиус кивнул головой.

— Вы только что произнесли первый закон термодинамики, а теперь попробуйте на его основе проанализировать работу вашего насоса.

— Но мой насос — не тепловая машина!

Профессор только вздохнул. В Дюневальде он узнал тот тип студента, который досконально знает все правила и законы, но использовать их на практике не умеет.

— Вы же сами утверждали, что никакая машина, а значит, и ваш насос, не может работать без трения, в результате чего часть работы превращается в тепло и рассеивается.

Студент хлопнул себя по лбу.

— Действительно! Я не подумал об этом. Благодарю Вас за это указание. Действительно… нужно использовать и превращение тепла.

— К сожалению, я опасаюсь, что вам это не удастся. Для того чтобы образовался тепловой поток, должна существовать разность температур, — с неисчерпаемым терпением продолжил свое объяснение Клаузиус.

— Ну, конечно. Тепло всегда переходит от более теплого тела к более холодному.

— Правильно. В этом случае можно тепло превратить в механическую работу. Но для того чтобы образовался поток тепла в обратном направлении, необходимо приложить работу. Вот в этом-то и все дело!

— Но ведь тепло возникает, и насос нагревается. Таким образом, возникает разница температур, и, следовательно, переход тепла возможен. Вот это-то и надо использовать!

— Количество тепла, которое можно превратить в работу, зависит от разницы температур. Чем меньше разница, тем меньше и эффективность. Поймите, наконец. Когда тепло переходит от более теплого тела к более холодному телу, то есть к охладителю, только часть тепла превращается в полезную работу, остальное тепло передается охладителю, и эта часть тепла для нас потеряна безвозвратно.

Клаузиус еще раз внимательно осмотрел насос и продолжил.

— В вашем насосе каждый поворот колеса дает энергию не только для движения поршня, но и для обогрева всех трущихся мест. Таким образом, после каждого оборота полезная работа становится все меньше и меньше. Одновременно возникает тепло, которое нельзя использовать, потому что оно переходит в движущийся поршень, и разница температур выравнивается.

— Да, но во время работы насоса в результате трения возникает новое тепло, — упрямо стоял на своем студент.

— Возникает, но за счет работы, которую вы хотите использовать как источник энергии для насоса.

— Да, это все сложные проблемы, — пробормотал студент. — От них необходимо избавиться, а тепло использовать.

— Сумма энергии в системе постоянна. Если часть тепла теряется, температура имеет тенденцию выравниваться. А там, где нет разницы температур, не может произойти превращения тепла в работу, — повторил Клаузиус.

Студент задумался.

— Я должен все это еще раз обдумать. Если господин профессор позволит… Я бы хотел отказаться от дальнейшего экзамена. Я приду, когда усовершенствую свой насос.

Клаузиус молча кивнул головой. Он посмотрел вслед уходящему студенту и задумчиво сказал:

— Вряд ли когда-нибудь…

И открыл дверь детской.