О.Х.Деревенский Догонялки с теплотой

… Палимая Солнцем казахстанская степь. Учёные из небольшой экспедиционной группы, вытирая пот, наблюдают за сайгаками. Эти учёные проводят ответственное научное исследование. Они хотят на опыте подтвердить слова академика Тимирязева: «Все проявления энергии в организме должны быть прослежены до какого-нибудь известного её физического или химического источника… Мышечная работа, животная теплота происходят за счёт потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе, принятом в пищу». Методика у наших учёных – проще некуда. Они отслеживают, сколько травы поедают животные в естественных условиях. Калорийность этого корма – т.е. количество теплоты, которая выделяется при сжигании его в калориметре – учёным уже известна. Остаётся лишь сопоставить количество этой «потенциальной энергии», заключённой в пище сайгака, с работой, которую производят его мышцы по ходу жизни.

Но… чем дольше учёные наблюдали, тем тоскливее им становилось. Понимаете, эти сайгаки были какие-то неправильные. Маловато они жрали – количество калорий их пайка оказывалось в разы меньше, чем энергозатраты их мышц. Жировые запасы здесь были не при чём – какие вам жировые запасы летом? Самое обидное, что сайгаки опрокидывали все «научно обоснованные нормы»: калорийности их пищи явно не хватало на жизнь, а они выглядели вполне жизнерадостно… Вот очаровательная сайгачка, подмигнув учёным, изящно задрала хвостик и выдала очередную порцию какашек. «Видали, что вытворяет? – не выдержал один наблюдатель. – Издевается над нами, жвачная тварь!» - «Успокойтесь, коллега! – отозвался второй. – Наоборот, она нам подсказывает: мы не довели эксперимент до конца! Вот это… сено, пропущенное через корову – оно, высушенное, тоже горит! Местные жители используют его как топливо!» - «Вы хотите сказать, коллега, что у этого… этого самого… тоже есть калорийность?» - «Именно! И мы её измерим!»

Сказано – сделано. Невесело пришлось калориметру, когда в нём жгли какашки – но уж ради науки пришлось потерпеть. Впрочем, ещё невеселее пришлось исследователям, когда они убедились в том, что калорийность какашек такая же, как и калорийность исходного корма. Выходило, что на уровне тимирязевской «потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе», животное не только потребляет гораздо меньше, чем требуется для работы его мышц, но и выделяет столько же, сколько потребляет. Т.е., на работу мышц не остаётся совсем ничего. Наши учёные отлично понимали, что такие любопытные выводы – не для их отчётов. Поэтому они посыпали себе волосы пеплом – тех самых сожжённых какашек – этим дело и закончилось.

И до сих пор ситуация в вопросе о «калорийности пищи» - это висяк какой-то. Если вы спросите диетологов о том, сколько калорий в день следует потреблять с пищей, чтобы «гарантированно похудеть за две недели», то они вам всё подробно разъяснят – причём, недорого возьмут и глазом не моргнут. Работа у них такая… Но спрашиваем академиков: откуда берутся калории, на которых сайгаки ходят, жуют, хвостики задирают? А академики очень не любят этот вопрос. Уж больно он для них неудобный. Максимум, чего от них добьёшься – это апелляции к тому, что живые организмы, мол, это сложнейшие высокоорганизованные системы, а потому они, мол, ещё недостаточно изучены. Так вы, дяденьки, в рамках изучения живых организмов, что ли, помалкиваете о результатах калориметрических измерений, подобных вышеописанным? Или вы боитесь, что краснеть придётся, когда над вами будут смеяться дети? Хорошо, вот для вас испытанное народное средство: свёклой морды себе натрите – если покраснеете, не так заметно будет.

Как академики дошли до жизни такой? Ладно, пусть одушевлённые организмы – это для них слишком сложно. Но в неодушевлённом-то веществе, которое подвержено действию только физических и химических законов – тут-то вопросы с калориями должны быть совершенно прозрачны? Речь ведь идёт не о тех явлениях, которые обнаруживаются на ускорителях и коллайдерах. Речь идёт о явлениях, которые любой желающий может воспроизвести у себя на кухне. Казалось бы, колоссальный практический опыт должен был отлиться в совершенно ясные представления о теплоте. Но мы расскажем, во что этот опыт отлился на самом деле.

Ещё античные философы в вопросе о природе теплоты делились на два лагеря. Одни полагали, что теплота – это самостоятельная субстанция; чем её больше в теле, тем оно теплее. Другие полагали, что теплота – это проявление некоторого свойства, присущего веществу: при том или ином состоянии вещества тело холоднее или теплее. В средние века доминировала первая из этих концепций, что легко объяснимо. Представления о строении вещества на атомарном и молекулярном уровнях были тогда совершенно неразвиты – и поэтому было загадкой то свойство вещества, которое могло бы отвечать за теплоту. Философы, в подавляющем большинстве своём, не заморачивались в попытках отыскать это загадочное свойство – а, ведомые стадным инстинктом, придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи».

Ох, как же цепко они её придерживались – до судорог в хватательных мышцах. Вникайте: теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с тем, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. Блеск! На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты!

Конечно, сегодня нам легко рассуждать о наивности этих средневековых закидонов. Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм. Этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие. Но в ту эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.

Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду. А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Вуаля! Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что одинаковые веса разных буферных веществ, приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов. Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.

Короче: если не задавать дурацких вопросов, то всё было распрекрасно в калориметрическом методе, за исключением одного нюанса. Этот метод с самого начала был основан на ключевом постулате о том, что теплотворная материя способна перетекать только от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда никто ещё не додумался до простой вещи: если этот ключевой постулат верен, то со временем температуры всех тел выровняются – и, как говорится, аминь. Впрочем, если кто и додумался бы, то ему резонно возразили бы, что Божий замысел не может вмещать такой глупости – и на этом все бы успокоились.

Словом, концепция теплотворной материи в науке уютно пригрелась. Поэтому наш Ломоносов, со своей деревенской простотой, в эту идиллию не вписался. Он ведь не придерживался тех или иных концепций, он их исследовал – и предлагал взамен более адекватные. В «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744) Ломоносов достаточно ясно сформулировал причину теплоты – которая заключается «во внутреннем движении» частичек тела. Кстати, он сразу же сделал феноменальный вывод: «должна существовать наибольшая и последняя степень холода, состоящая в полном покое частичек». Сегодня используется более высоконаучный термин – «абсолютный нуль температуры», но имя Ломоносова при этом не упоминается. Он ведь имел неосторожность разгромить концепцию теплотворной материи! Так, он писал, что философы не показали – «чем именно теплотворная материя вдруг загоняется в нагреваемые тела». «Спрашиваю: каким образом в самую холодную зиму, когда всюду лютый мороз, …порох, зажжённый малейшей внезапно проскочившей искрою, вспыхивает вдруг огромным пламенем. Откуда и в силу какой удивительной способности материя эта собирается в один момент времени?» Если бы у философов были тогда в ходу методы квантовой механики, они бы придумали какую-нибудь «редукцию тепловой функции». Хотя, при всём «средневековом мракобесии», считалось неприличным так откровенно идиотничать – это стало обычным делом лишь в ХХ веке. Ждать было ещё долго… А Ломоносов разобрал следующее заблуждение – насчёт весомости «теплотворной материи». «Философами, а особенно химиками, принимается, что этот блуждающий огонь показывает своё присутствие в телах не только увеличением объёма их, но и увеличением веса. Весьма известный Роберт Бойль… доказал на опыте, что тела увеличиваются в весе при обжигании». Увы, известный Роберт Бойль начудил: при обжигании металла, на нём образуется окалина, и вес образца увеличивается – но за счёт вещества, присоединённого в результате окислительной реакции. «Хотя окалины, удалённые из огня, сохраняют приобретённый вес даже на самом лютом морозе, однако они не обнаруживают в себе какого-либо избытка теплоты. Следовательно, при процессе обжигания к телам присоединяется некоторая материя, только не та, которая приписывается собственно огню… Далее, металлические окалины, восстановленные до металлов, теряют приобретённый вес», причём, «восстановление, так же как и прокаливание, производится тем же – даже более сильным – огнём». Но Ломоносов проделал ещё и контрольные «опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы иссследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропускания внешнего воздуха вес сожженного металла остаётся в одной мере».

По сравнению с этими убийственными доводами, всё учение о теплотворной материи было детским лепетом – это понимали даже подмастерья в химических лабораториях. Но академические мэтры не признавали правоту Ломоносова – они мудро хранили гробовое молчание. «По делу нам возразить нечего, - прикидывали они. – Но не может же такого быть, что мы все дураки, а он один – гений». Причём, эта мысль навязчиво приходила во все академические головы. Хотя академики не сговаривались, внешне это проявлялось как стопудовый мировой заговор. И это всё были честнейшие и благороднейшие люди. Как на подбор – один другого честнее и благороднее. Честный на честном ехал и благородным погонял.

Взять хотя бы Эйлера, который считался другом Ломоносова. Когда Парижская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу о природе теплоты, то выиграл конкурс и получил премию Эйлер, который в представленной работе писал: «То, что теплота заключается в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно» (1752). Но этот случай с Эйлером был исключением. Остальные «честные и благородные» помалкивали и терпеливо ожидали кончины Ломоносова (1765). И лишь после этого, выждав для верности ещё семь лет, они снова завели свою шарманку про теплотворную материю. Понимаете, признавать правоту Ломоносова было никак нельзя. Вот если бы он сделал какую-нибудь малость – например, разоблачил заблуждения того же Бойля, и всё – то был бы сейчас в учебниках закон Ломоносова, как есть закон Бойля-Мариотта. А Ломоносов увлёкся и перелопатил всю тогдашнюю науку. Согласитесь, не писать же в учебниках «первый закон Ломоносова», «второй закон Ломоносова», и т.д. – когда счёт идёт на многие десятки! Ученики запутаются! Вот почему свежие экспериментальные факты, которые можно было истолковать в духе теплотворной материи, прошли «на ура».

А факты вон какие. В те времена у естествоиспытателей была мода: смешивать такое-то количество холодной воды с таким-то количеством горячей – и определять результирующую температуру смеси. Опыт подтверждал формулу Рихмана: значение температуры было средним взвешенным – в частном случае, при равных количествах холодной и горячей воды, оно было средним арифметическим. И вот: химик Блэк, а затем ещё и химик Вильке, затеяли проверить формулу Рихмана для случая смешивания горячей воды не с холодной водой, а со льдом – решив, что, в точке плавления, «что лёд, что вода – одна лабуда». Результат вышел – сегодня это можно точно сказать – совершенно умопомрачительный. Конечная температура воды для случая исходных равных весов льда при 0^оС и воды при 70^оС оказалась равной далеко не среднему арифметическому – она оказалась равной 0^оС. Умопомрачительно? А то! Умы помрачились настолько, что с восторгом отдались концепции о «скрытой теплоте плавления льда». По этой концепции, для расплавления льда мало нагреть его до температуры плавления, на что потребуется сообщение ему некоторого количества теплотворной материи, в соответствии с его теплоёмкостью – ещё потребуется впендюрить в лёд дополнительное огромное количество теплотворной материи, которая пойдёт на само плавление. Правда, при плавлении, температура льда не изменяется, и термометры не реагируют на эту дополнительную теплотворную материю – оттого теплота плавления и называется «скрытой». Всё продумано! А, главное, опытом подтверждается: куда, мол, уходит запас тепла воды при 70^оС, если не на плавление льда?! Так и нашли численное значение его скрытой теплоты плавления. Академики плакали от радости – закрывая глаза на то, что логика Блэка и Вильке работает при непременном предварительном допущении: количество теплоты в природе сохраняется. При этом бредовом допущении, результаты Блэка и Вильке, действительно, подтверждали наличие теплотворной материи. Всё понеслось по новой. Впрочем, старания Ломоносова не пропали даром: теперича теплотворной материи приписали такое специфическое свойство, как отсутствие веса – иначе, в самом деле, смешно получалось. И вышел у них, вместо теплотворной материи, невесомый теплотворный флюид, для которого подобрали меткое название: теплород. И стало у них всё краше прежнего.

Мы почему об этом – так подробно? Потому что полезно знать, как в физике появилась эта дичь про скрытые теплоты агрегатных превращений – которая до сих пор считается научной истиной. Придётся сказать пару слов про «научность» этой «истины».

Представьте: во внутреннем стаканчике калориметра находятся вода и лёд – в тепловом равновесии друг с другом и с буферным веществом. Ничтожное повышение температуры, до т.н. точки ликвидуса – и фазовое равновесие между льдом и водой нарушится: лёд начнёт таять. Откуда будет заимствоваться тепло на это таяние? Из буферного вещества, что ли? Но тогда его температура понизится, и поток тепла «на таяние» прекратится. На самом же деле, лёд растает весь, а температура так и останется в точке ликвидуса. Скандал!

Может, сегодняшние академики считают этот результат каким-то досадным исключением, поскольку в остальных случаях, мол, концы с концами отлично сходятся – например, при расчётах теплового баланса звезды тау-Кита. Нет, любезные, «исключением» вы здесь не отделаетесь. По-вашему, образование льда на открытых водоёмах тоже должно сопровождаться тепловым эффектом – только теперь та самая «теплота плавления» должна выделяться. Вы, любезные, давали себе труд прикинуть – к каким результатам это должно приводить? Лёд нарастает снизу, а теплопроводность у льда на два порядка хуже, чем у воды. Поэтому, практически, вся «теплота плавления» должна выделяться в воду подо льдом. Если подставить справочные величины в простейшее уравнение теплового баланса для рассматриваемого случая, то получится, что образование слоя льда толщиной 1 мм вызывало бы нагрев прилегающего слоя воды толщиной 1 мм на 70 градусов (а слоя воды в 0.5 мм – аж на 140 градусов; правда, уже при 100^оС началось бы кипение). Как вам этот результатец, любезные? Может, вы скажете, что мы напрасно не учли тепловое перемешивание воды? Ведь, в интервале от 0^о до 4^оС, более тёплая вода опускается, а более холодная – поднимается. У, какая! Но, даже в условиях такого перемешивания, при наличии на поверхности воды источника тепла, вода наверху была бы теплее, чем внизу. На самом же деле, типичный арктический профиль температуры в воде подо льдом таков: контактирующая со льдом вода имеет температуру, близкую к точке замерзания, а, по мере увеличения глубины (в пределах некоторого слоя), температура увеличивается. Это с очевидностью свидетельствует: нет потока тепла в воду от льда, даже от растущего. Океанологи это давно сообразили, поэтому они изобрели такую дурилочку: «тепло кристаллизации… уходит через лёд в атмосферу». Что дальше вытворяет это тепло, которое исчисляется, в региональных масштабах, триллионами килокалорий – это океанологов уже не волнует; пусть дальше с этим теплом атмосферщики разбираются. Можно подумать, будто океанологи не знают, что теплопроводность у льда на два порядка хуже, чем у воды. Куда же, спрашивается, раз за разом прутся арктические экспедиции, и чем там занимаются гидрологи вместе с метеорологами – ледяные скульптуры выпиливают, что ли?

Да и не нужно тащиться в Арктику, чтобы убедиться в отсутствии выделения тепла при замерзании воды. В телепрограмме «Разрушители легенд» демонстрировали хорошо воспроизводимый опыт. Из холодильника аккуратненько берётся бутылка переохлаждённого жидкого пива. Тюкнешь по этой бутылке – и пиво в ней за несколько секунд замерзает в ледяные хлопья. А бутылка остаётся холодной… У этого опыта – потрясающая популяризаторская сила. Ключевые слова: «тепло, холод, бутылка, пиво» - всё очень доходчиво. Даже – для нынешних академиков.

Представляете, как этим академикам тяжело: раз никакой «скрытой теплоты плавления» нет, то придётся не только переписывать физику для седьмого класса, но и оправдываться – как это их обвели вокруг пальца какие-то средневековые химики Блэк и Вильке. А как оправдываться, если секрет того фокуса академики до сих пор не понимают? Ладно уж, подскажем. Секрет в том, что лёд при 0^о, после смешения его с горячей водой, не повышает свою температуру: он тает при постоянной температуре. И, пока он не растает весь, он является источником охлаждения: контактирующая с ним вода, которая сначала была горячей, становится тёплой, потом прохладной, потом ледяной… при равных стартовых весах льда при 0^оС и воды при 70^оС, вся результирующая вода окажется при 0^оС. Дело, как видите, нехитрое. Но нет, от нас требуют объяснений – а куда же, мол, делось тепло, которое было у горячей воды? Друзья, этот вопрос был бы уместен, если в природе работал бы закон сохранения тепла. Но тепловая энергия не сохраняется: она свободно конвертируется в другие формы энергии. Ниже мы проиллюстрируем, что замкнутая система вполне способна изменить свою температуру – да ещё разными способами.

А что касается такого агрегатного превращения вещества, как плавление, то с очевидностью получается, что ни в какой «скрытой теплоте» оно не нуждается. Нагрей образец до температуры плавления – да поддерживай её, если требуется – и образец расплавится уже без посторонней помощи. Те, кто смотрели киноэпопею «Властелин колец» - наверное, помнят последние секунды Кольца Всевластья. Оно упало в жерло «огнедышащей горы» – и вот оно лежит там, лежит… нагревается, нагревается… и, наконец – чавк! И вместо кольца – уже растёкшиеся капельки. Эта сценка создателям фильма очень удалась. Полное ощущение реальности! У золота хорошая теплопроводность, да и колечко было махонькое, поэтому оно прогревалось сразу во всём своём объёме. А, сразу во всём объёме нагрелось до температуры плавления – сразу и расплавилось, без лишних тепловых запросов. Кстати, очевидцы нагрева в индукционных печах металлического лома, например, алюминиевого, свидетельствуют: он не плавится постепенно, по капельке – наоборот, торчащие фрагменты начинают плыть и течь сразу по всему своему объёму. В случае льда отсутствие лишних тепловых запросов на таяние неочевидно просто потому, что теплопроводность льда гораздо хуже, чем у металлов. Поэтому лёд и тает постепенно, по капельке. Но принцип тот же: что нагрелось до температуры плавления – то тут же и расплавилось.

И ещё, интересный нюанс. Если вода в открытых водоёмах покрывается льдом благодаря контакту с более холодным воздухом, то таяние снегов происходит, наверное, благодаря контакту с более тёплым воздухом? Ну, давайте прикинем, как весело это происходило бы, если у льда имелась бы приписываемая ему скрытая теплота плавления. Для чистоты эффекта, пусть Солнышко закрыто сплошной облачностью, и радиационного нагрева снега нет. При температуре воздуха в +5^оС, снег, по идее, начал бы таять, правда? Да уж начать-то он начал бы, только – где начал бы, там бы и закончил. Потому что таяние слоя снега, эквивалентного сплошному слою льда в 1 мм, потребовало бы охлаждения прилегающего слоя воздуха толщиной в 10 метров аж на 23 градуса. Если учесть, что охлаждаемый воздух остаётся внизу, т.е. теплового перемешивания воздуха здесь нет, то совершенно ясно: заметного таяния снега от воздуха при температуре +5^оС не было бы. А оно – есть: по весне чавкает под ногами не только в солнечные, но и в пасмурные дни.

И ещё, любителям математики: если для плавления требуется дополнительное тепло, то получается чудо чудное, диво дивное. Даже старшеклассник сможет набросать график, изображающий зависимость количества тепловой энергии в образце от его температуры – в окрестностях точки плавления. Если у него рука не дрогнет, то получится следующее. Подходим мы к точке плавления со стороны низких температур: температура растёт монотонно, и количество тепловой энергии растёт монотонно. Но вот добрались до точки плавления: количество тепловой энергии продолжает расти, а температура остаётся постоянной – т.е. на графике будет вертикальный участок, с бесконечной производной от тепловой энергии по температуре. А производная от тепловой энергии по температуре – это и есть теплоёмкость. Выходит, что у плавящегося образца теплоёмкость должна быть бесконечна!? Да уж… Дойдя до этого места, теоретики, ради самоуспокоения, начинают здраво рассуждать в том духе, что на самом деле плавление происходит не строго при одной и той же температуре, а, как бы, в небольшом температурном интервальчике – чтобы теплоёмкость была не бесконечной, а как раз в соответствии со скрытой теплотой плавления. Ну, коли так, тогда оно, конечно… Вы бы, теоретики, тогда подсказали полярникам, что по нарастающей льдине можно гулять в пляжных костюмчиках – благодаря «теплу кристаллизации, уходящему через лёд в атмосферу» - а то они, глупенькие, сами не догадываются.

И ведь не только плавлению приписывают скрытую теплоту перехода – испарение тоже не обделили. «Мало нагреть воду до температуры кипения, - поучают нас, - чтобы её всю выпарить, нужно и далее подводить к ней кучу тепла! Это каждая домохозяйка знает!» Да, домохозяйки это знают. Только они к тому же понимают, что «дальнейший подвод тепла» требуется просто для поддерживания температуры кипения – иначе кипение быстро прекращается. А академики этого не понимают – они полагают, что «дальнейший подвод тепла» идёт как раз на испарение. Кто же ближе к истине – домохозяйки или академики? Сейчас поглядим! Нас ведь как учили: если тепло на испарение не подводят добровольно… то, получается, что оно должно заимствоваться насильственно. Вот, например, вода теряет молекулы на испарение даже при комнатной температуре – так нас уверяют, что при этом непременно охлаждаются окружающая среда и сама вода, которая ещё не успела испариться. И в доказательство приводят пример с измерителем влажности воздуха – на основе двух одинаковых термометров, у одного из которых шарик со ртутью обмотан влажной тряпочкой. Из-за испарения воды с этой тряпочки, «влажный» термометр показывает меньшую температуру, чем «сухой». Но говорит ли эта разность показаний о верности справочного значения теплоты испарения воды? Если прикинуть, какая часть воды от её исходного количества должна испариться, чтобы оставшаяся часть оказалась охлаждена до 0^оС, то получаются, опять же, пугающие цифры – даже если считать, что лишь половина тепла на испарение заимствуется из остающейся воды (а другая половина – из окружающего воздуха). Так, при стартовой температуре воды 10^оС, оставшаяся часть воды окажется при 0^оС, если испарится всего 7% от исходного количества воды, а при стартовой температуре воды 90^оС – для того же конечного результата потребуется испарение 32% исходной воды. Как в XXI веке может считаться научной концепция, из которой прямо следует такая чушь? Ведь, в действительности, даже если вода испаряется с тряпочки полностью, показания «влажного» термометра отнюдь не приближаются к 0^оС – пока идёт это испарение воды, разность показаний «сухого» и «влажного» термометров составляет всего-то единицы градусов. Так что пусть не морочат нам головы: работа этого измерителя влажности наглядно демонстрирует: теплота испарения воды тут совершенно не при чём.

Да, но ведь при испарении воды охлаждение всё-таки имеет место. Если теплота испарения тут не при чём, то что же тут при чём? А вот нам подсказывают: конденсированное состояние воды возможно лишь при наличии достаточно большого коллектива её молекул. В процессе испарения воды с тряпочки, уменьшаются размеры остающихся микрокапель – и, при достижении микрокаплей некоторого критического размера, происходит её скачкообразный переход в парообразное состояние. Т.е., происходит взрывное испарение микрокапли, с расширением получившихся водяных паров – а, при расширении газа, он, как известно, охлаждается. И немного охлаждает тряпочку, с которой разлетается. Красота!

И ещё, возвращаясь к разногласиям между академиками и домохозяйками. Домохозяйки, как и академики, знают про сублимацию льда, т.е. про его испарение. Но, в отличие от академиков, домохозяйки имеют здесь практический опыт: они сушат сырое бельё на морозе – вода на белье сначала замерзает, а потом этот лёд испаряется. Домохозяйки отлично знают: высушенное таким образом бельё имеет температуру окружающего воздуха. Они даже не догадываются о том, насколько этот факт антинаучен. Ведь академики, из своих академических соображений, полагают, что скрытая теплота сублимации равна сумме скрытых теплот плавления и испарения. И тогда сублимация должна сопровождаться мощным охлаждающим действием. Желающие могут прикинуть – нельзя ли, с помощью циклически сохнущих на морозе тряпок, наладить дешёвое производство жидкого азота?

Нам, наверное, вежливо укажут на то, что для лазерного воздействия на металлы известны пороговые плотности мощности, выше которых происходит испарение металла. Эти пороговые величины, мол, вполне отвечают тепловому балансу, в котором фигурирует тепло, идущее не только на нагрев металла, но и на его плавление и испарение. Значит, мол, скрытые теплоты плавления и испарения – физически реальны! На это мы культурно ответим: дяденьки, вы невнимательно читали того же Григорьянца, у которого выставлены на всеобщее обозрение формулы для тех самых пороговых плотностей мощности. В этих формулах отнюдь не фигурируют скрытые теплоты плавления и испарения. В них фигурируют эмпирические коэффициенты: пороговые величины получаются верные, но что там происходит в лазерном фокусе – сие остаётся не расшифровано. Такой подход можно истолковать как проявление гуманности: у читателей, мол, и так мозг плавится – так пусть он только плавится, но не испаряется. Этот гуманизм можно понять; но про подтверждения-то реальности скрытых теплот плавления и испарения – не надо ля-ля, хорошо?

«Но ведь при плавлении и испарении, - кричат нам, - разрушаются структуры, рвутся связи! Есть у этих связей энергия, или нет?!» Вон оно чего. Связи-то рвутся! Но, видите ли, связи связям рознь. Есть связи физические, на которых держатся ядерные и атомные структуры. Вот эти связи, действительно, обладают энергией; она так и называется: энергия связи. А при плавлении и испарении рвутся не физические связи, а химические. А у них-то энергии связи как раз и нету. Это не шутка, дорогой читатель. Этот вопрос ключевой, и ниже мы его подробно распишем.

А пока вернёмся в мракобесное средневековье – в те времена, когда концепция теплорода получила мощную академическую поддержку. Впрочем, как эти академики ни пыжились, концепция теплорода уступила-таки место механической модели теплоты. Обычно историки, в качестве ключевого события, упоминают открытие Румфорда (1798), который в Мюнхене издевался над мастеровыми, заставляя их рассверливать стволы пушек тупым сверлом. «Ваша светлость, - пытался смягчить его благородные нравы старшой мастеровой, - оно тупым сверлом сверлить труднее, да и ствол, опять же, греется, а через это калибер вниз уходит!» - «Что сверлить труднее, это я, болван, и сам знаю! А что греется… это интересно!.. Может получиться очень недурно!.. Ай, молодца! Держи вот, выпей кружку пива за здоровье моей светлости!» В докладе Королевскому обществу Румфорд излагал: «источник тепла, возникающего при трении в этих опытах, представляется, по-видимому, неисчерпаемым» - а, значит, это тепло «не может быть материальной субстанцией», а должно сводиться «к представлениям о движении». Сразу чувствуется намётанный взгляд проницательного исследователя. Фурор, как есть фурор! Если забыть про то, что так называемые дикари испокон веков умели добывать огонь трением (причём, несколькими способами)… если забыть про то, что вода нагревается при встряхивании сосуда, в котором она находится… если забыть про то, что Дэви, немного попыхтя, расплавил трением лёд на морозе… если забыть про труды Ломоносова, который 54 годами ранее, в тех же «Размышлениях…», писал: «Очень хорошо известно, что теплота возбуждается движением: …железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами»… Если про всё это забыть, то открытие Румфорда было, и вправду, выдающееся. Бурные продолжительные аплодисменты!

Чтобы как следует закрепить этот успех, раз и навсегда установили механический эквивалент теплоты: с помощью филигранных калориметрических опытов нашли соответствие между таким-то количеством теплоты, измеряемой в калориях, и таким-то количеством механической работы, измеряемой в джоулях. Эквивалентность заключалась в том, что столько-то калорий или столько-то джоулей давали одинаковое повышение температуры буферного вещества в калориметре. Вот оно! Теплота и работа стали «одной крови» - с размерностью энергии! Температуру тела, как оказалось, можно повысить не только через сообщение ему теплоты, но и через совершение над ним работы! На радостях сформулировали то, что до сих пор называется первым началом термодинамики. Тут, правда, возникло небольшое затрудненьице. Требовалось просто и чётко выразить математически ту идею, что теплота и работа с равным успехом способны давать приращение температуры. В одной части равенства пишем теплоту плюс работу… а в другой чего? Приращение температуры имеет другую размерность! И чёрт его знает, как быть с коэффициентом пропорциональности – теплоёмкости-то у разных веществ разные! Чтобы не лезть в эти дебри, сделали проще: записали в другой части равенства величину, которую назвали внутренней энергией тела. И размерность у неё подходящая, и название скромное, но очень полезное: ну, подарок просто. Вот если кто спросил бы тех, кто вводил понятие внутренней энергии – а что это, мол, такое? – так ему бы сразу ответили: «Это та энергия тела, которая увеличивается при повышении его температуры». А он бы спросил тогда: «А температура – это что?» А ему бы ответили: «А тебе больше всех надо, что ли?» Потому что не говорить же, что температура – это то, что повышается при увеличении внутренней энергии. От понятия «температура» – и без понятия «внутренняя энергия» тошно. Самое честное её определение, в рамках традиционного подхода, следующее: «Температура – это то, что измеряется термометрами». Оно самое честное – потому что здесь дурь сразу видна. А в других определениях температуры дурь видна не сразу, а когда уже жжёт позор за бесполезно прожитые годы.

Что и говорить, повезло создателям первого начала термодинамики, что его уравнение удалось записать без использования температуры. Легко запомнить: внутреннюю энергию тела можно увеличить либо через сообщение теплоты, либо через совершение работы. Ибо теплота – это энергия хаотического движения частиц тела. Сообщи телу теплоту или поработай над ним – это хаотическое движение так и так станет интенсивнее, и температура тела так и так повысится. Всё сходится, в том числе и тепловой баланс! Первое начало термодинамики впечатали в учебники и справочники, на нём взрастили вереницу поколений теплотехников – до сих пор взращивают. И, наверное, лишь очень немногих из них не терзают смутные сомнения. Ведь, по «первому началу», температура тела может измениться только при воздействии на это тело откуда-то извне. Получение тепла – извне! Принятие работы – извне! «Первое начало» однозначно утверждает, что температура тела не может измениться в результате каких-нибудь внутренних процессов в этом теле. Но ведь это шутка, таких процессов полным-полно!

Самым жутким в ряду злостных нарушений первого начала термодинамики являются химические реакции с выделением или поглощением тепла – которые без затруднений протекают в условиях термоизоляции от окружающей среды. Вот, скажем, начинается реакция с выделением тепла. А выделяться ему некуда: термоизоляция мешает. Ладно, греет зона реакции саму себя, не пропадать же добру. Но, в случае реакции с поглощением тепла, всё получается гораздо веселее – неоткуда его поглощать в условиях термоизоляции. Каков смысл формулировки «реакция с поглощением тепла», если единственным тепловым результатом является охлаждение зоны реакции? Это умудриться надо: так «поглощать тепло», чтобы при этом охлаждаться! Заметьте, мы сейчас не уточняем источники тепловых эффектов химических реакций. Мы просто говорим о ситуациях, когда тепловой эффект есть, а передачи тепла или совершённой работы – нет. Укладывается это в первое начало термодинамики? Никоим образом!

А вот ещё – тоже известный случай: электрическая цепь, по которой течёт ток. Особенно, когда источником тока является аккумулятор. Проводники имеют ненулевое сопротивление, и в них выделяется джоулево тепло. Это называется «тепловое действие тока». Опять же, никакой передачи тепла при этом не происходит. Если бы она происходила, то тело, которое отдавало бы тепло, охлаждалось бы. Но мы не обнаруживаем такого тела: нагревание есть – всей цепи, в том числе и источника тока – а охлаждения нет. Что же мы видим? Происходит нагрев, когда нет передачи тепла, да и работа над электрической цепью, очевидно, не совершается. Опять, тело само себя греет. Опять, первое начало термодинамики оказывается не при делах!

Так ведь и это не всё. Выделение тепла при радиоактивных распадах атомных ядер тоже происходит, начхавши на первое начало термодинамики. Чудны дела ваши, господа теоретики! И вы ещё нам вдалбливаете, что первое начало термодинамики выражает собой фундаментальный принцип: невозможность вечного двигателя первого рода! А ваше «первое начало» - уже трижды подкачало! Прям бери да клепай себе вечные двигатели на выбор – химические, электрические, ядерные! Эх, дяденьки учёные. Этот ваш прокол, конечно, можно извинить роковым стечением исторических обстоятельств: «первое начало» было сформулировано в эпоху паровых машин. Да, для паровозов и пароходов оно сошло за милую душу. Но технический прогресс-то не стоял на месте. Появились теплоходы и тепловозы, трамваи и электровозы, да ещё и мирные ядерные реакторы… А первое начало термодинамики так и зависло на правах догмата. Ай-яй-яй. Вы, дяденьки учёные, брали бы пример со служителей культа, что ли. Они время от времени устраивают Вселенские соборы, на которых подправляют свои догматы. Издают официальные указы, в которых так прямо и провозглашают: с такого-то числа веруем по-новому!

Короче, годилось «первое начало» только для паровых машин, да и то – громко говоря. Даже тут – не по Сеньке шапка была. Потому что «первое начало» не описывало работу паровой машины в целом. Оно описывало лишь пыхтение пара – а горение топлива, с помощью которого получали и нагревали этот пар, оно не описывало. И, что ещё обиднее: казалось, что пыхтящий пар совершал гораздо больше бесполезной работы, чем полезной. Ведь в полезную работу удавалось превратить лишь малую часть тепла, которое давало сгорание топлива. Мистика какая-то! Сожгут в калориметрической бомбе порцию уголька – и вот она, его теплотворная способность! Бери потом да превращай тепло от его сгорания в работу, согласно «первому началу»! Ан нет. Теплотворная способность – это одно, а работоспособность – это, как выяснилось, совсем другое. Устанавливали-устанавливали механический эквивалент теплоты – а ради чего, спрашивается? Ради того, чтобы от него оставались жалкие 10%, да и то, если повезёт? Нет, такую жизнь надо было если уж не изменить, то хотя бы оправдать. Вот на это (на оправдание) и решился Карно. Он задумался: как бы это сконструировать формулу, из которой следовало бы принципиальное ограничение на коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – и соорудил знаменитый рабочий цикл машины, которая для такой задумки подошла идеально. Поэтому её так и стали называть: идеальная тепловая машина. Что тепловая машина должна работать циклически – это, мол, принципиально. Рабочее тело, получив порцию тепла, должно отдать часть приобретённой энергии на совершение полезной работы и охладиться, чтобы иметь возможность получить следующую порцию тепла. Поэтому при анализе работы тепловой машины следует, мол, рассматривать не только нагреватель, от которого получает тепло рабочее тело, но и т.н. холодильник, которому рабочее тело отдаёт тепло, не превращённое в полезную работу (отсюда и пошло выражение «эта машина хорошо атмосферу греет»). Так вот: одним из лучших описаний цикла Карно считается описание в известном учебнике – А.К.Кикоин, И.К.Кикоин, «Молекулярная физика». Это просто сказка. Логика такая: чтобы КПД тепловой машины был максимален, следует исключить необратимые потери тепла. А эти потери тепла непременно имеют место при теплопередаче. Следовательно, в идеальной тепловой машине следует исключить… процессы теплопередачи! Вы не подпрыгнули, дорогой читатель: «Как?! Как же такая машина сможет работать?» А вот, Кикоины сейчас всё разъяснят. Цикл начинается с того, что рабочее тело «находится в контакте с нагревателем и, следовательно, имеет такую же, как он, температуру… Предоставим теперь рабочему телу возможность расшириться и переместить… поршень, не прерывая контакт с нагревателем. Расширение, следовательно, будет изотермическим… При этом будет совершена работа. Она совершается за счёт тепла, отнятого от нагревателя… Полученное рабочим телом тепло нужно теперь передать холодильнику. Эту передачу тоже не следует осуществлять прямым соприкосновением рабочего тела с холодильником… рабочее тело надо сначала охладить до температуры холодильника и уже после этого их можно привести в соприкосновение… Теперь необходимо вернуть рабочее тело в исходное состояние, т.е. …в контакт с нагревателем. Этот контакт по-прежнему не следует осуществлять, пока температура рабочего тела ниже температуры нагревателя… Сначала рабочее тело сжимают, не прерывая его контакта с холодильником, т.е. изотермически… Затем, изолировав рабочее тело от холодильника, его дополнительно сжимают… После того как… температура рабочего тела станет равной температуре нагревателя, их приводят в контакт, и цикл на этом завершается: рабочее тело находится в исходном состоянии». Видите – всё гениально просто: чтобы не было потерь тепла, рабочее тело должно контактировать с нагревателем, будучи лишь при температуре нагревателя, а контактировать с холодильником – будучи лишь при температуре холодильника. Дяденьки, а сколько тепла «отнимет» рабочее тело у нагревателя, если за всё время контакта с ним оно будет иметь одинаковую с ним температуру? Правильно: ноль целых и шиш десятых. Цикл ведь специально разрабатывался так, чтобы теплопередач не было! Бляха-муха, а зачем тогда нужен нагреватель!? Если рабочее тело и без его помощи нагревают до температуры, с которой начинается цикл?! Да и для холодильника – всё аналогично! Получается просто шедевр: тепловая машина, для работы которой нагреватель и холодильник на хрен не нужны! И это, нам говорят, идеальная тепловая машина! Вот он, идеал, к которому нужно стремиться!

Не знаем, нашлись ли чудилы, которые пытались следовать этим практическим рекомендациям – и удалось ли этим чудилам построить если уж не идеальную тепловую машину, так приблизиться к этому идеалу хотя бы наполовину. Молчит история. Так бывает: теория великолепна, но упрощающие допущения в ней самоубийственны. Вспоминается один доклад, в котором автор замахнулся на важную и актуальную проблему: «Новые математические методы раскроя одежды». Первой фразой там была такая: «Примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара» - и далее автор разобрался с проблемой, как Бобик с фуфайкой. Публика от восторга визжала и плакала.

Тут термодинамщики, небось, обидятся. И заявят, что тепловые машины-то работают. А, без верного научного понимания, они бы, мол, не работали. Отнюдь. Создаётся впечатление, что работа тепловых машин – сама по себе, а их «научное понимание» - само по себе. Одно другому не мешает. Знаете, Солнце тоже светит и греет – но вовсе не благодаря чьему-то «верному научному пониманию». Вон Карно выдал, на основе своего понимания, формулу для КПД идеальной тепловой машины. Этот КПД зависит лишь от соотношения температур нагревателя и холодильника: чем температура холодильника ниже, а температура нагревателя выше, тем КПД больше. Без этой формулы Карно не обходится ни один учебник по термодинамике. И все эти учебники, словно их авторы сговорились, обходят молчанием вопрос: а подтверждаются ли опытом предсказания, сделанные на основе формулы Карно? Ведь как было бы здорово, если формула, полученная при прикольных допущениях, давала бы предсказания, ценные для практики! Что, это так сложно проверить? Конечно, это несложно – и это уже давно и многократно проверено. Паровозы-то, как известно, бегали круглый год. Температура горения угля в паровозной топке, а также рабочая температура пара одинаковы и летом, и зимой – а вот температура атмосферы, которая играет роль холодильника, зимой ниже, чем летом. Если считать, что КПД паровоза круглый год составляет один и тот же процент от КПД идеальной тепловой машины, то зимой КПД паровоза должен быть заметно выше, чем летом. Зимой гонять паровозы было бы выгоднее: потребление угля было бы меньше. В действительности, всё наоборот: так, в России паровозы зимой потребляли угля на 20-25% больше, чем летом. В основном, потому, что зимой больше перепад температур между атмосферой и горячим паровозным железом, поэтому потери тепла на «нагрев атмосферы» зимой больше – а полезная работа, соответственно, меньше. Вот так с ней, с пониженной температуркой холодильничка! Возможно, формула Карно великолепно работает для идеальных тепловых машин – только никто это не проверял, потому что таких машин нет и быть не может. А вот для реальных тепловых машин, на основе этой формулы получаются конкретно бредовые предсказания. Впрочем, при всех недостатках формулы Карно, у неё есть бесспорное достоинство: феноменальное научное долголетие.

Короче, эта формула, хотя и украсила собой учебники, не помогла прояснить проблему, ради которой она сочинялась. Люди, далёкие от высокой науки, так и не могли взять в толк – отчего КПД паровых машин, который, согласно первому началу термодинамики, должен составлять 100%, в реальности составлял менее 10%. Больше всех по этому поводу кипятились владельцы паровозных и пароходных компаний. Все они были какие-то нервные, особенно при известии об очередном повышении цен на уголь. Чтобы успокоить этих господ, пришлось физикам развить представления о том, что тепло теряется не по вине разработчиков и производителей паровых машин: необратимые потери тепла – это, мол, фундаментальный закон природы. В ней, мол, куда ни плюнь – сплошь идут необратимые тепловые процессы, при которых тепло непременно теряется. Любая передача тепла – это необратимый процесс, с неизбежными потерями. Нагревается железка из-за трения или электрического тока – вот оно, тепло. А потом железка остывает – и нет тепла. Ищи-свищи! Потерянного не воротишь. Потому и говорится: необратимые процессы. А такие процессы, само собой, могут протекать лишь в одном направлении. Угадайте, в каком? Да в таком, чтобы при этом тепло терялось! Этот принцип назвали «вторым началом термодинамики». Вот его наглядная иллюстрация: тепло переходит лишь в одну сторону, от горячего к холодному. Это и раньше было известно, но теперь под это подвели, как видите, мощный теоретический фундамент.

Кстати, упрощённая формулировка «второго начала» так и звучит: «Тепло самопроизвольно переходит только от горячих тел к холодным». Эту формулировку предложил Клаузиус (1850) – после чего терзался 15 лет и лишь в 1865 г. облегчил себе душу покаянием: эта формулировка, мол, порождает чудовищную проблему. Смотрите: ключевое слово там – «самопроизвольно». Вы, конечно, можете проявить произвол и построить холодильную машину – хотя она всё равно будет греть атмосферу сильнее, чем охлаждать ваше пиво. Но эта холодильная машина – пренебрежимая мелочь по сравнению с масштабами природных процессов, которые происходят, как бы, самопроизвольно. Значит, тепло везде переходит только в одну сторону: от горячего к холодному, от горячего к холодному… Тогда неизбежен вывод о том, что – долго ли, коротко ли – температуры всех тел выровняются, и получится т.н. «тепловая смерть Вселенной». Жуть: даже пальчиком пошевелить не сможешь, если где-нибудь зачешется. Но – радость-то какая! – никаких признаков приближения тепловой смерти Вселенной не наблюдается. Где же так махнулись теоретики? Может, говоря о самопроизвольных процессах в природе, мы чего-то важного не замечаем? Вот, скажем, наладили вы серийное производство бытовых холодильников «Морозко». Тогда понятно, что, благодаря и вашему скромному вкладу, на Земле пока ещё не наступила тепловая смерть. А кто же занимается аналогичными холодильными делами в масштабах Солнечной системы? в масштабах Галактики? Если теоретики сформулировали фундаментальный принцип, из которого прямо следует, что мир трепыхается благодаря чьему-то произволу – они должны были разъяснить, о ком конкретно речь, кому нам в ножки кланяться. Видите, дорогой читатель, куда нас заносит? С ума сойдёшь от таких теоретиков! И не мы первые это заметили. Многим не хотелось сходить с ума, и было предпринято немало попыток доказать, что «второе начало» верно, а его прямое следствие – насчёт тепловой смерти Вселенной – ошибочно, ошибочно, ошибочно! Это был какой-то парад высшей, уму непостижимой логики. Право, неинтересно даже.

А всё почему? Потому что вся эта куча смешных проблем нарасла не из-за ошибочности представлений о том, от какого тела к какому передаётся тепловая энергия – от горячего к холодному, или наоборот. С чего теоретики взяли, что тепловая энергия вообще передаётся от одного тела к другому? Ведь всё может быть иначе. В полном согласии с законом сохранения и превращения энергии, в тепловую энергию тела может превращаться энергия в какой-нибудь другой форме, которой обладает это же самое тело. Сумма этих двух энергий у тела – тепловой и той, которая в неё превращается – может оставаться постоянной. И тогда нам может лишь казаться, что тепловая энергия переходит от горячего тела к холодному – ибо в обоих телах могут происходить лишь перераспределения энергий в той и другой формах. Суммы этих энергий в обоих телах будут оставаться прежними, т.е. каждое тело будет иметь после теплового контакта столько же энергии, сколько оно имело до этого контакта. Вот такой подход не только радикально проясняет картину происходящего при тепловых явлениях, но и устраняет тучу противоречий, в которых тепловая физика давно захлебнулась. А первое, что даёт нам такой подход – это прояснение многострадального понятия «температура».

Почему это понятие в рамках традиционного подхода противоречиво? Вон теоретики придумали «внутреннюю энергию» тела – чем эта энергия больше, тем выше температура, помните? Внутренняя энергия идеального газа – она вообще прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Добавим сюда ещё знаменитую теорему молекулярно-кинетической теории об энергии, приходящейся на каждую механическую степень свободы молекулы – эта энергия тоже прямо пропорциональна абсолютной температуре. Трудно отделаться от стойкого ощущения того, что температура является мерой энергосодержания – они же, мол, пропорциональны друг другу! О, на эту удочку ловились многие, а потом переживали страшное разочарование. Вот в чём проблема: энергия является величиной аддитивной, а температура – неаддитивной. При соединении двух тел, имеющих одинаковые энергии, мы получаем удвоенную энергию – но при соединении двух тел, имеющих одинаковые температуры, мы не получаем удвоенной температуры. Работает закон сохранения энергии, но не работает закон сохранения температуры. Каким же образом неаддитивная величина, температура, может быть мерой аддитивной величины, энергии? Да никаким! Подумаешь, иногда пропорциональны друг другу. Толку-то!..

А чтобы был толк, вот что предлагается сделать: допустить, что температура является не мерой какой-либо энергии, а мерой соотношения между энергиями в двух различных формах, образующих сопряжённую пару. Речь о такой паре энергий тела, сумма которых остаётся постоянной, поскольку увеличение одной из них происходит за счёт уменьшения другой. Таких сопряжённых пар энергии мы знаем две, и каждой из них соответствует давно известное энергетическое распределение, в которое температура входит как параметр. Одна из этих пар – это кинетическая энергия частицы и собственная энергия частицы, т.е. её масса; этой паре энергий соответствует температура, входящая как параметр в максвелловское распределение молекул по энергиям. Вторая из этих пар – это энергия возбуждения атома и энергия связи соответствующего атомарного электрона; этой паре энергий соответствует температура, входящая как параметр в спектр равновесного излучения: этот спектр отражает равновесное распределение атомов по энергиям возбуждения. Большие учёные попытаются поднять нас на смех, поскольку до сих пор в физике считается, что как кинетическая энергия, так и энергия возбуждения передаются атому откуда-то извне, а не появляются за счёт его собственных ресурсов. Увы: пока вы, уважаемые, не избавитесь от предрассудков насчёт «передачи энергии извне», именно вы будете смешить публику в вопросах, связанных с тепловыми явлениями.

Что касается кинетической энергии, то экспериментальные реалии свидетельствуют о том, что мы не можем сообщить кинетическую энергию частице, мы можем лишь превратить в её кинетическую энергию часть её собственной энергии, т.е. массы. И обусловлено это не ограниченностью наших технических возможностей. Просто физические законы прописаны так, что иных вариантов приобретения кинетической энергии, кроме как за счёт своей массы, не предусмотрено. Поэтому, при разгоне частицы, её масса уменьшается. Никакого релятивистского роста массы в природе не существует. Это самая страшная научная тайна, благодаря которой всё ещё продолжается мышиная возня на ускорителях и коллайдерах. То, что более быстрые заряженные частицы труднее отклоняются электромагнитными полями – этот факт говорит не об увеличенной массе быстрых частиц, а о сниженной эффективности воздействия на них электромагнитных полей. Все попытки выделить чудовищную накрученную энергию быстрых частиц при их взаимодействии с веществом (а не с полями) – закончились смехотворно. Единственное (!) вошедшее в историю прямое измерение энергии релятивистских электронов – кстати, калориметрическим способом, опыт Бертоцци – на поверку оказалось мошенничеством (см. «Фиговые листики теории относительности»).

Что касается энергии возбуждения атома, то из опыта достоверно известно, что энергия связи атомарного электрона уменьшается на величину, равную энергии возбуждения. Поэтому то, что энергия возбуждения и энергия связи образуют сопряжённую пару – не вызывает никаких сомнений. Правда, отсюда следует, что энергия кванта света не передаётся от атома к атому. Но это вполне согласуется с изложенными ранее представлениями о свете (см. «Фокусы-покусы квантовой теории»): фотонов, как порций энергии, летящих в вакууме со скоростью света, не существует в природе, а процесс движения световой энергии – это цепочка скоррелированных перераспределений энергий у пар атомов. А именно: у одного атома энергия возбуждения пропадает, а энергия связи, соответственно, увеличивается – а у второго всё происходит наоборот. Обычно смотрят лишь на энергию возбуждения и видят иллюзию того, что энергия переместилась – а ведь каждый из этой пары атомов остался при своём. Мы понимаем: очень непривычно звучит то, что световая энергия никуда не передаётся. Даже – по лазерному лучу. Специалисты кидались демонстрировать нам результаты лазерного воздействия на вещество. Как будто мы сами не занимались лазерной обработкой материалов и не видали такого добра. «Ну вот же, - чуть не плакали специалисты, - вот сюда и сюда фотоны били, били, и свою энергию отдавали, отдавали!» Нет, не били и не отдавали. Лазерный луч деформирует у атомов мишени распределение по энергиям возбуждения – но полная энергия атомов какой была, такой и остаётся! А температура мишени, конечно, повышается: все эффекты лазерного воздействия на вещество – это эффекты тепловые, включая испарение и ионизацию! И все эти эффекты обусловлены перераспределениями в собственных энергетических закромах мишени, а не наращиванием содержимого этих закромов!

Друзья, если это вам кажется бредом, имейте в виду: вы находитесь под действием одурманивающей концепции о том, что повышение температуры обязательно означает прибыль полной энергии. Так стряхните с себя этот дурман – иначе ведь и свихнуться можно! Знаете, в №1 за 1999 г. журнала «Квантовая электроника», главный редактор в обращении к авторам и читателям всерьёз обнародовал «фантастическую идею применения лазерных пучков для сброса энергии в бесконечное космическое пространство с целью предотвращения теплового перегрева Земли». Ну, давайте прикинем: если КПД лазерной установки составляет 20%, то это означает, что – без передачи энергии по лазерному лучу! – 20% мощности, подводимой к установке, будет тратиться на нагрев мишеней, а 80% - на нагрев самой установки и окружающей её среды. Слава таким борцам с глобальным потеплением!.. Правда, больше про этот выдающийся проект мы ничего не слышали. Небось, кто-то кому-то шепнул заветное слово…

Давайте же теперь сформулируем понятие температуры, которое адекватно отражает происходящее при тепловых явлениях. Это понятие, конечно, можно ввести лишь для равновесного состояния у достаточно большого коллектива частиц, поскольку величина температуры оказывается результатом статистического усреднения. Скажем про две температуры, которые соответствуют двум вышеназванным сопряжённым парам энергий. Кинетическая температура – это мера того, какая часть собственных энергий частиц (в среднем) превращена в энергии их хаотического движения: поступательного, колебательного, вращательного. Атомная температура – это мера того, какая часть энергий связи атомарных электронов (в среднем) превращена в их энергии возбуждения. Кинетическая температура входит как параметр в максвелловское распределение молекул по скоростям, а атомная температура входит как параметр в спектр равновесного излучения, который отражает равновесное распределение атомов по энергиям возбуждения. Неспроста максвелловское распределение и равновесный спектр похожи друг на друга, как близнецы: оба они описывают соответствие между температурой и распределением энергий. Заметьте: максимум максвелловского распределения соответствует энергии kT – где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура – а максимум равновесного спектра соответствует энергии 5kT. При одной и той же температуре, наиболее вероятная энергия возбуждения атома в пять раз больше наиболее вероятной кинетической энергии молекулы! Это не бред, это – экспериментальные реалии! Ничего не поделаешь: коэффициенты соответствия между температурой и разными формами энергии – разные! Для кого-то это непривычно? А то, что однозначного соответствия между температурой и энергией до сих пор никто не сконструировал – это привычно, что ли? Так оно – то же самое, только «в профиль». Лучше вот на что обратить внимание: обе названные температуры – кинетическая и атомная – сразу проясняют физический смысл абсолютной температурной шкалы, с неизбежным нулём на нижнем конце. Действительно: нулевая кинетическая энергия молекул соответствует абсолютному нулю кинетической температуры, а нулевая энергия возбуждения атомов соответствует абсолютному нулю атомной температуры. Причём, кинетическая и атомная температуры тела не обязательно совпадают, поскольку возможны физические воздействия, при которых деформируется либо только распределение по энергиям хаотического движения, либо только распределение по энергиям возбуждения. Так, Солнышко, припекая землицу, увеличивает её атомную температуру – а затем, в результате тепловой релаксации, кинетическая и атомная температуры землицы могут выровняться.

Нам, конечно, зададут оригинальный вопрос – а что, мол, дают такие представления о температуре? Вот тебе раз! Да из них сразу следует оглушительный вывод: при выравнивании температур у пары тел, находящихся в тепловом контакте, никакой нескомпенсированной «передачи тепловой энергии» от горячего тела к холодному не происходит. Каждое из этих тел остаётся при своей сумме энергий, а изменяются лишь соотношения в сопряжённых парах энергий, входящих в эти суммы. Не менее оглушительный вывод следует для термоизолированных систем: такая система, без взаимодействия с окружающим миром, не может изменить свою суммарную энергию, но вполне может изменить свою температуру – если, в результате некоторых внутренних процессов, изменится соотношение в той или иной сопряжённой паре энергий. Примеры таких процессов – химических, электрических, ядерных – мы уже приводили выше. Именно с химическими процессами такого рода имеют дело термохимики, когда они измеряют теплоты химических реакций калориметрическим методом – где измеряемой величиной является вовсе не энергия, а приращение температуры.

Видите, как оно всё получается? Шутить изволят термохимики, когда говорят, что определяют тепловые эффекты химических реакций. Не тепловые эффекты они определяют, а температурные. Не понимают, что между ними – большая разница. Насчёт причин того, что называется тепловыми эффектами химических реакций, наука будет заблуждаться, сохраняя умное выраженье на лице, пока в ходу будут такие научные термины, как «выделение или поглощение тепла при химических реакциях». Эти термины мастерски вводят в заблуждение: можно подумать, что реакция, идущая «с поглощением тепла», заимствует это тепло из окружающей среды. Которая, в свою очередь, это тепло любезно предоставляет: на, мол, реакция, иди себе с Богом. Для хорошей, мол, реакции – не жалко! Можно подумать, что без этой любезной помощи – например, в условиях термоизоляции – реакция «с поглощением тепла» идти не сможет. Ха-ха! Да она там идёт с ещё большим удовольствием – мы об этом уже упоминали выше. И результатом этого большого удовольствия является что? Правильно: понижение температуры в зоне реакции – без какого-либо теплообмена с окружающей средой, ведь этот теплообмен сведён на нет с помощью теплоизолирующих стенок!

Дяденьки, вот вы занимаетесь калориметрическими измерениями уже почти триста лет. Калориметр – это ведь не шибко навороченное устройство. Это не коллайдер, не детектор гравитационных волн, и даже не интерферометр Майкельсона. Надо было иметь особые дарования, чтобы за все эти годы не заметить, что так называемые тепловые эффекты химических реакций являются, в действительности, эффектами повышения-понижения температуры в зоне реакции. А эти повышения-понижения температуры требуют совсем иных объяснений, чем «выделения-поглощения тепла».

У нас, конечно, поинтересуются – чем же нас не устраивает традиционное объяснение причин тепловых эффектов химических реакций. Например, при экзотермической реакции, тепло выделяется за счёт увеличения энергии химических связей у продуктов реакции по сравнению с реагентами – это, мол, считается твёрдо установленным. Ага! Считается! Сейчас мы покажем, как это «считается» - буквально! Энергии химических связей – они ведь характеристические, правда? Т.е., они определяются лишь свойствами атомов, сцепившихся в молекулу, и не зависят от внешних химических параметров, вроде температуры и давления. Если – и у реагентов, и у продуктов реакции – энергии химических связей характеристические, то и разность этих энергий, т.е. тепловой эффект реакции, тоже должен быть характеристическим. Так ведь нет! Величины тепловых эффектов, как правило, зависят от температуры! Чтобы не делать сокрушительный для термохимии вывод о непостоянстве энергий химических связей, теоретики вот до чего додумались: единственной, мол, причиной температурных зависимостей тепловых эффектов являются температурные зависимости теплоёмкостей у реагентов и продуктов реакции. И сформулировали закон Кирхгофа: производная по температуре от теплового эффекта реакции равна разности теплоёмкостей начальных и конечных веществ. Но чтобы привести справочные зависимости тепловых эффектов и теплоёмкостей в согласие с законом Кирхгофа, потребовалась адова работа. Как те, так и другие измеряются калориметрическим способом – не будучи при этом независимыми и образуя порочный круг (см. выше). Но это – ещё пустячки по сравнению с тем, что температурная зависимость теплоёмкости того или иного вещества, полученная по результатам исследования одних реакций, даёт неверные предсказания применительно к другим реакциям. Требуются пересчёты: согласования и пересогласования. Немалая часть справочных величин – теплоёмкостей, теплот образования, энергий диссоциации – получена не эмпирическим путём, а на основе калькуляций. Да и закон Кирхгофа подтверждается, по сути дела, лишь калькуляциями – выполненными именно так, как требует этот закон! Да, термохимикам не позавидуешь. Исследуется какая-нибудь новенькая реакция – и, по-хорошему, все справочники надо переписывать заново. А число реакций всё множится и множится… В этой адовой работе задействованы целые научно-исследовательские институты! Всё уточняют и уточняют, всё перечитывают и пересчитывают… и конца-края не видно. Вот так оно и «считается твёрдо установленным». Каким цифрам можно доверять в современных справочниках термодинамических величин – этого никто не знает.

Вот уж не от хорошей жизни допустили температурные зависимости теплоёмкостей – но жизнь от этого лучше не стала. Причём, ладно бы термохимики мучились сами – нет, они щедро поделились со специалистами по молекулярно-кинетической теории. В этой теории есть закон о равнораспределении энергии по степеням свободы: на каждую механическую степень свободы приходится энергия kT/2, где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. Отсюда следует, что энергия теплового движения молекул некоторого количества газа зависит только от температуры, будучи ей прямо пропорциональна. А теплоёмкость есть производная от тепловой энергии по температуре – и, в данном случае, теплоёмкость, очевидно, должна быть железобетонной константой. Фиг вам: незаметно подкрадываются термохимики и огорошивают: не всё так просто, ибо температурные зависимости теплоёмкостей им нужны позарез. Мол, делайте, что хотите, но через день – родите! Ну, давайте внимательно посмотрим на это выражение для теплоёмкости, в которое, кроме постоянной Больцмана, входят сомножителями число молекул нашей порции газа и число степеней свободы у молекулы. Что из них может зависеть от температуры? Не постоянная же Больцмана! И не число молекул. Может, от температуры зависит число степеней свободы у молекулы? Было три, а потом, при определённой температуре – опа! – и стало четыре! Нет, так тоже не пойдёт. Термохимикам надобно, чтобы теплоёмкость изменялась не скачками, а плавно – проходя все промежуточные значения. Представляете - p степеней свободы у молекулы! В этом месте классическая молекулярно-кинетическая теория потеряла дар речи – и, как обычно в таких ситуациях, помогла квантовая механика. Рост теплоёмкости водорода при увеличении температуры теоретики объяснили вот как. У молекул водорода, мол, спины ядер либо параллельны (это т.н. ортоводород), либо антипараллельны (это т.н. параводород). Теплоёмкости ортоводорода и параводорода, мол, разные, а процентное соотношение того и другого плавно изменяется с температурой – вот вам и плавная температурная зависимость теплоёмкости их смеси. Допустим, что это так – но что же вы, теоретики, случаем водорода ограничились? Фантазия заглохла, что ли? Так и быть, подскажем. Вводите ортоциклогексан и парациклогексан, ортодиметилбензол и парадиметилбензол – и так далее, по всей химической номенклатуре.

Чем физики обеспечили себе все эти приключения? А вот чем: непоколебимой верой в то, что причиной тепловых эффектов химических реакций являются изменения энергий химических связей у исходных и конечных веществ. Нашли, во что верить! Учит их жизнь, учит – всё больше фактов против этой веры появляется! А они заладили, как дятлы: «Наша вера правая! Мы ошибаться не могём! А факты нам – по фиг!» И опять за своё: тепло при реакции выделяется потому, мол, что молекулы продуктов связаны сильнее, чем молекулы реагентов. Эта реакция идёт потому, мол, что ей идти выгодно: увеличение энергии связей означает скатывание в энергетическую ямочку! Да неужели? Тогда реакция с поглощением тепла идёт потому, что ей идти невыгодно – ведь уменьшение энергии связей означает закатывание на энергетический пригорочек! Да уж, экономическими понятиями тут не обойтись… И потом, бывают ведь «выгодные» реакции, при которых не происходит простого «скатывания в энергетическую ямочку»: сначала нужно разорвать связи в реагентах – а они тоже имеют запас устойчивости. Т.е., следует сначала закатиться на пригорочек, а уже потом – можно скатиться в ямочку. Вот оно, озаренье-просветленье! Если новая ямочка глубже прежней – тепло, мол, выделяется! А если мельче – наоборот, поглощается! Выгодно или невыгодно – на это уже наплевать, поскольку всё свелось к чистой арифметике. Чтобы закрепить этот продвиг, сделали вот что: энергию, соответствующую тому самому пригорочку, через который переваливает реакция, назвали энергией активации. И идеологию насадили: в реакцию вступают не абы какие сблизившиеся молекулы, а только самые достойные: которые имеют подходящую энергию активации. А берётся она, например, из-за теплового движения: молекулы реагентов вмазываются друг в друга так, что получается «активированный комплекс», а распадается он уже на новые молекулы, на продукты. Но, при энергии активации в несколько эВ, как же идут реакции при комнатной температуре, когда средняя энергия теплового движения молекулы составляет несколько сотых эВ? Нам поясняют, что при этом в реакцию вступают лишь самые быстрые молекулы. О, как! А что же вы скажете про реакции, которые идут до конца, при которых реагенты полностью превращаются в продукты? Специалисты и здесь нашли мудрое решение: ничего не говорить про такие реакции, т.е. помалкивать. Тогда уж пусть заодно помалкивают про то, куда они со стыда девают концепцию энергии активации при описании химических равновесий. Речь о таком динамическом состоянии системы, при котором количества элементарных актов прямой и обратной реакций одинаковы, а температура и давление в системе остаются постоянными. Заметим: здесь исходникам реакции, идущей с выделением тепла, проще «забраться на пригорочек» энергии активации, чем исходникам реакции, идущей с поглощением тепла. Поэтому, при конкретной температуре, равенство скоростей прямой и обратной реакций было бы возможно лишь когда количество исходников реакции с поглощением тепла больше количества исходников реакции с выделением тепла. Но бывает и наоборот – например, равновесия при промышленном синтезе аммиака из азота и водорода. Только это не отражается на трогательных рассуждениях физхимиков насчёт управления скоростями химических реакций: «Чтобы повысилась скорость реакции, надо снизить энергию активации!» Видите – в рифму даже. Правда, рифма-то есть, а смысла нету. Ибо, если сказать: «надо, чтобы маленькие зелёные человечки шустрее забегали» - смысла будет столько же.

И всё это – из-за концепции о тепловых эффектах химических реакций, как результатах приращений энергии химических связей. Больше этим тепловым эффектам, как полагают, браться неоткуда. Тепло при горении дров, бензина и напалма, при взрыве гремучего газа и детонации тринитротолуола – всё это, мол, благодаря тому, что энергии химических связей у конечных веществ больше, чем у исходных. Кстати, определение теплот сгорания является одним из важнейших методов нахождения энергий химических связей. Поэтому, если кто попробует проверить по справочникам – соответствует ли теплота сгорания того или иного вещества балансу энергий химических связей у исходников и продуктов горения – то будьте спокойны: соответствие там гарантировано. Работали профессионалы!

Обращаемся к этим профессионалам: возьмите случай простой двухатомной молекулы с одинарной химической связью. Говорить об энергии этой связи физически бессмысленно, потому что её величина – в любом состоянии молекулы – оказывается многозначной. Вот у атомов, там всё без дураков, энергия связи однозначна: если, из текущего состояния, атом ионизируется при возбуждении, скажем, на 10 эВ, то он ионизируется и при любой большей энергии возбуждения. А у молекул – всё по-другому. Скажем, молекула из основного состояния диссоциирует при энергии возбуждения в 4 эВ. При больших энергиях возбуждения она тоже диссоциирует, но эта полоса диссоциации имеет конечную ширину, скажем, от 4 до 4.5 эВ. А выше – вот те на! – начинается новая полоса стабильности. А ещё выше – новая полоса диссоциации. И так – восемь раз! Молекула, которая диссоциирует при энергии возбуждения 4 эВ, не диссоциирует при энергии возбуждения 21 эВ – и это не предел. Так какова там у неё энергия химической связи: 4 или 22 эВ? Вопрос не для слабонервных. Профессионалы отказываются в это верить. А когда убеждаются в том, что всё так и есть, у них начинается истерика. Потому что все их замечательно подогнанные тепловые балансы идут псу под хвост: разностями энергий химических связей, оказывается, не объяснить тепловые эффекты химических реакций.

А вот нас это нисколько не смущает: мы-то полагаем, что молекулярные спектры поглощения-излучения не имеют никакого отношения к энергиям химических связей – и по весьма простой причине: энергии химических связей, как отдельной формы энергии, не существует. Конечно, молекулы имеют запас устойчивости, которую обеспечивает циклический процесс химической связи. Но между молекулярными и атомарными структурами имеется принципиальное различие. Набор стабильных атомов – весьма ограничен, а стабильные молекулы могут быть какие угодно – позволяли бы физические параметры окружающей среды. Почему это так? Да вот же: ядерные и атомарные структуры напрямую формируются структуро-образующими алгоритмами, которые превращают в энергию связи часть собственных энергий, т.е. масс, связуемых частиц (оттого и дефект масс получается). А образование молекул пущено на самотёк, и энергия на их связи не предусмотрена. При образовании структуры, имеющей энергию связи, соответствующая энергия «выделяется» - например, при рекомбинации атома, излучается свет. А, при образовании молекулы, ничего подобного не происходит. Правда-правда! Бывает, конечно, что, в результате химической реакции, тот или иной продукт оказывается возбуждён – и скромно высвечивается. Но это – совсем другое!

Видите, как стройно получается: энергии химических связей не существует, поэтому не страшно, что через энергии химических связей не объяснить тепловые эффекты – которые, в свою очередь, оказываются не выделениями-поглощениями тепла, а увеличениями-уменьшениями температуры… Остаётся чуть-чуть: пояснить, откуда эти увеличения-уменьшения температуры берутся. Легко! Только следует говорить о двух классах реакций с тепловыми эффектами. Во-первых, есть реакции с малым тепловым выходом. Они, как правило, обратимы – и если при прямой реакции температура увеличивается, то при обратной она уменьшается, так что возможно термодинамическое равновесие между прямой и обратной реакциями, когда температура смеси остаётся постоянной. Во-вторых, есть реакции с большим тепловым выходом – в частности, реакции горения. Они необратимы: здесь не бывает равновесий между прямой и обратной реакциями – причём, при обратной реакции не происходит эквивалентого понижения температуры. Термодинамика уже отчаялась объяснить эту загадку природы: почему реакции с малым тепловым выходом обратимы, а реакции горения – нет. А оно так просто: причины тепловых эффектов у этих двух классов реакций – разные!

Что касается реакций с малым тепловым выходом, то. наблюдая метаморфозы неодушевлённого вещества, мы видим, что в результате реакций синтеза, типа А+В®АВ, обычно происходит повышение температуры в зоне реакции, а в результате реакций распада, типа АВ®А+В, обычно происходит понижение температуры в зоне реакции. Пусть в закрытом сосуде находится смесь двух одноатомных газов, и пусть имеет место термодинамическое равновесие, при котором мощность, передаваемая стенкам сосуда при ударах по ним молекул газов, имеет некоторое определённое значение. Пусть в смеси газов начинается реакция синтеза – в ходе которой, очевидно, концентрация молекул уменьшается. Если при этом средняя кинетическая энергия молекул газов осталась бы прежней, то поток мощности от газов к стенкам уменьшился бы, и исходное равновесие нарушилось бы. На этот случай принцип Ле Шателье гласит: «если первоначальные условия, при которых система находится в состоянии равновесия, изменяются, то равновесие смещается в направлении, способствующем восстановлению первоначальных условий». Т.е., для восстановления первоначального потока мощности от газов к стенкам, средняя кинетическая энергия молекул газов должна возрастать – что и означает повышение температуры. Как мы помним, для такого повышения температуры не требуется внешнее воздействие, поскольку прирост кинетической энергии молекул обеспечивается за счёт их собственных ресурсов, т.е. за счёт перераспределения в сопряжённой паре энергий. Аналогично, в результате реакции распада, температура содержимого сосуда должна понизиться. Теоретически, полному превращению одноатомного газа в двухатомный соответствует увеличение его абсолютной температуры вдвое, а полному превращению двухатомного газа в одноатомный соответствует уменьшение его абсолютной температуры вдвое. Но это – идеализация; реальные тепловые эффекты значительно меньше. Вот; примерно так!

Что же касается реакций горения – о-о-о, это нечто! В школе детям показывают опыт: в разрыв цепи постоянного тока вносится пламя спиртовки – и амперметр откликается, показывая появление слабого тока в цепи. «Это потому, - объясняют детям, - что, из-за высокой температуры пламени, в нём появляется некоторое количество ионов, которые и обеспечивают прохождение электрического тока». Дети хорошо усваивают: высокая температура пламени первична, а ионы вторичны. Поэтому стратегия тушения пожаров до сих пор какая? Сбить температуру, и всё остальное приложится! А вот изобретатель Дудышев, наверное, прогулял тот урок, где показывали опыт с пламенем спиртовки… короче, высоковольтными импульсами, подаваемыми на электроды, он за миллисекунды гасит пламя, с которым огнетушителем чикаются полминуты. На что в пламени действует высоковольтный импульс? На ионы, конечно! А почему же, при воздействии на ионы, пламя гасится? Небось, ионы там главные! Небось, ионы первичны, а высокая температура – вторична!

Ну, дяденьки, обхохочешься с вами. Вы не догадывались о том, что ионы, при своём движении, повышают температуру среды? А чем же, по-вашему, занимается заряженная частица, движущаяся в веществе? Напомним: такие частицы вы удачно называете «ионизирующими». Правда, ионизируют они лишь часть из тех, кто попадается им на пути, а остальных только возбуждают. Но ионизация и возбуждение – это прямые свидетельства о повышении температуры! Не так ли? А, может, вы не знаете про то, что ионов в пламенах гораздо больше тех количеств, которые могла бы обеспечить температура пламени? Вот же Семёнов привёл кучу фактов о том, что реакции горения происходят не через занюханные «активированные комплексы», а через ряд промежуточных радикалов: «Кондратьев и его сотрудники… показали, что в пламенах водорода при низких давлениях… где температуру пламени по желанию можно варьировать от 600 до 800^оС, присутствуют сравнительно очень большие концентрации радикалов ОН… Регистрация радикалов производилась методом спектров поглощения… концентрация ОН в сотни тысяч раз превышает термодинамически равновесные его значения при температурах пламён Кондратьева. Это доказывает, что ОН появляется в результате самой химической реакции, а не термической диссоциации». Нам возражали, что речь шла о нейтральных радикалах ОН. Ишь, чего придумали! Тогда и радикал Н, которого столько же, сколько и ОН, был бы не ионом, а нейтральным атомом водорода. И тогда, через спектр поглощения, было бы проще определять концентрацию именно атомарного водорода: его линии сильны, надёжно идентифицируемы, и, в отличие от молекулярных линий, не подвержены влиянию температуры, давления, и наличия примесей. Но нет, отчего-то исследователи работали именно с линиями ОН. Трудности любили, что ли?

И вообще: пламя – это плазма, или нет?! Если оно плазма, а не только плазмой называется – значит, ионы там непременно есть. А какие ионы доминируют в водородном пламени – если не ионы Н и ОН? Или этот вопрос ещё недостаточно изучен?

Как ни крути, а выходит, что лишь самые первые ионы порождаются высокой температурой – но далее именно ионы поддерживают пламя. Температура воспламенения – это такая температура, при которой становится возможен самоподдерживающийся процесс продуцирования ионов, в условиях действующих механизмов «отвода тепла» и обрывов цепей реакции. И причиной высокой температуры пламени является, конечно, не упрочение энергии химических связей – главной причиной оказывается наличие достаточного количества ионов, движение которых греет среду. Здесь, кстати, и разгадка того, почему не бывает равновесия между реакцией горения и обратной к ней реакции «с поглощением тепла»: промежуточные продукты реакции, ионы, при своём движении могут только нагревать среду, но не могут охлаждать её.

Напрашивается недоумённый вопрос: «А каков же тогда физический смысл у теплоты сгорания топлива?» Если раньше этот смысл был совершенно прозрачен – это, мол, разность энергий соответствующих химических связей – то теперь этот смысл теряется в дыму продуктов горения… Вот не надо – с больной-то головы на здоровую! Этот смысл не был прозрачен, ибо для его прозрачности требовалась, как минимум, однозначность энергий химических связей. Но выше уже говорилось, почему об этой однозначности не может быть и речи. А смысл теплоты сгорания топлива очень прост: одно и то же топливо можно сжигать очень по-разному, и чем эффективнее ионы будут работать как нагреватели, тем больше будет выход тепла. Вот почему теплота сгорания является принципиально «плавающей», зависящей от условий горения. На это теоретики пустили в оборот фальшивку, отвлекающую внимание на «неполное сгорание топлива». Теплота сгорания – она, мол, в справочниках даётся для полного сгорания. Если у вас тепловыход получается меньше – значит, у вас неполное сгорание. Диагноз окончательный и обжалованию не подлежит! Да, но иногда тепловыход получается и больше! Это, стало быть, как – сверхсгорание, что ли? О, нет, всё проще! Это значит, что в справочниках была величина всё-таки для неполного сгорания – сейчас всё быстренько подкорректируют. Жгите дальше!

Этот на редкость диалектический подход кажется совершенно непотопляемым. Одного лишь боятся теоретики: чтобы кто-нибудь не догадался, что этот их подход совершенно бессилен объяснить, отчего одно и то же вещество может либо гореть, либо взрываться, либо детонировать. Ну, положим, взрыв – это тоже горение, только при особо благоприятных условиях: взрыв – это цепная реакция горения, когда большинство цепей реакции не обрывается, а развивается. При взрыве, как показывают эксперименты, по гремучей смеси проходит ударная волна, которую гонит перед собой зона химической реакции. Детонация же внешне проявляется как гораздо более быстрый взрыв – но полагают, что качественных отличий между ними нет. Детонационную волну рассматривают как «комплекс, состоящий из ударной волны и зоны химической реакции, тепловыделение в которой поддерживает ударный фронт». Просто дух захватывает: в конденсированном взрывчатом веществе, при скорости ударного фронта в 2 км/с, скорость детонационного фронта может составлять 9 км/с и более – причём, в одном и том же образце регистрируется динамика сразу обоих этих фронтов, чем наглядно демонстрируется их различная природа. А нам до сих пор втюривают, что при горении, взрыве и детонации происходит одна и та же химическая реакция. Дяденьки, возьмите в левую руку маленький брикетик тротила. Пламенем спички его можно поджечь – и он будет безобидно гореть. А от малейшей искры он сдетонирует – мало не покажется. И это – одна и та же химическая реакция? А разница в их протекании чем обусловлена? Тем, что, в случае детонации, условия для реакции ещё благоприятнее, чем при взрыве – т.е. эти условия не просто благоприятные, а охренительно благоприятные? Но, ведь, ёлы-палы, брикетик-то один и тот же! В чём конкретно разница по благоприятности, дающая либо горение, либо детонацию? Да вот в чём эта разница: в грамотно подобранных коэффициентах в уравнениях – чтобы скорость фронта реакции составляла в первом случае миллиметры в секунду, а во втором – в миллион раз больше. Главное – чтобы теория согласовывалась с опытом!

Говорит эта теория: детонационная волна быстрее ударной, потому что в зоне химической реакции, соответственно, температура и давление выше. Ужас… Контуженые эти теоретики, что ли: какая там может быть температура вообще? Температура имеет смысл для равновесных состояний – а взрывные процессы протекают так быстро, что о тепловом равновесии не может быть и речи. Речь может быть вот о чём: при увеличении температуры и давления в приготовленном образце взрывчатого вещества, скорость ударного фронта в нём заметно увеличивается. Но скорость детонационного фронта остаётся постоянной, будучи характеристической величиной для того или иного взрывчатого вещества! Но и эти факты не помогли бравым Зельдовичам-Станюковичам сообразить, что ударный и детонационный фронты – это принципиально разные феномены. Кстати, что они называют детонационным фронтом? Это же шутка: детонация вовсе не проходит последовательно по всему объёму образца взрывчатого вещества, начиная от места инициирования. Детонация может начинаться на некотором расстоянии от места инициирования, и может развиваться не только в прямом направлении, но и в обратном. Скоростная киносъёмка показывает, что очаги детонации «появляются совершенно произвольно во времени и в пространстве»!

Но нашим бравым теоретикам – хоть кол на голове теши! Зациклились они на «химической реакции и выделяющемся при ней тепле» - без этой мантры они уже шагу ступить не могут. А ведь проводились изящные опыты со специально синтезированным взрывчатым веществом – в молекулы которого, помимо нитрогрупп, входили группы СО и СО₂ с углеродными и кислородными изотопными метками. Эти группы СО и СО₂ являлись готовыми продуктами «реакции самоокисления» - в результате которой, изотопные метки так и остались бы в них. Но для всех продуктов детонации, содержавших углерод и кислород, процентные содержания изотопных меток оказались одинаковы и равны их процентным содержаниям в исходном взрывчатом веществе. Был сделан логичный вывод о том, что «все связи в исходной молекуле оказываются разорваны при детонации», и что продукты детонации должны получаться в результате произвольной рекомбинации свободных атомов. Вон оно как бабахает-то! Полный развал на атомы и последующая свободная рекомбинация – это, мягко говоря, не совсем химическая реакция, правда? Вот нам подсказывают: детонация – это цепной процесс развала специфических молекул, причём новые развалы вызываются резонансными электронами, вылетевшими при предыдущих развалах. Сразу многое становится на свои места. Сразу возникло подозрение, что «детонационный фронт» должен сопровождаться импульсом отрицательного электричества – и это подтвердилось на опыте! Другое подозрение – что на детонацию должны влиять электрические и магнитные поля – ещё ждёт своих исследователей.

Ну, вот – не забыли мы ни про паровые машины, ни про горение, ни про детонацию. Надо сказать про ещё один источник тепла – в ядерных установках. Хорошо известно, что используемая там энергия деления тяжёлых ядер – это кинетическая энергия их осколков. Но каково её происхождение? Тут ядерщики, сияя от гордости, заявят: в кинетическую энергию осколков превращается разность дефектов масс у исходного ядра и осколков! От умиления прослезиться можно – если не знать, что у ядерщиков до сих пор нет модели, объясняющей хотя бы основные свойства ядер (см. «Фокусы-покусы квантовой теории»), и что ядерщики до сих пор не понимают, с чего получается этот самый дефект масс. Да чего греха таить, ядерщики не понимают и того, почему, собственно, тяжёлые ядра делятся: это потому, мол, что им делиться энергетически выгодно. Дяденьки, если тяжёлым ядрам было бы делиться выгодно – разве они моментально не поделились бы к чёртовой матери? Чегой-то они не делятся, а терпеливо ждут, когда прилетит тепловой нейтрончик. Вот тут-то – глазом моргнуть не успеешь: вместо ядра уже разлетающиеся осколки. Опять же: почему нейтрончик – именно тепловой? Почему нейтрон с энергией в несколько МэВ только возбуждает ядро, а нейтрон с энергией в несколько сотых эВ – вызывает немедленный развал ядра? Зубодробительные удары ядро переносит играючи, а от щекотки – загибается? Молчит наука… Вы же, дяденьки, понятия не имеете о том, как работает атомная бомба. Когда вы, наконец, скажете нам правду: кто растолковал вам, как эту бомбу сделать?

Между прочим, по модели, которая даёт ответы на вышеперечисленные вопросы, получается, что если энергию связи, приходящуюся на один нуклон, считать честно, то никакой её разницы для тяжёлых ядер и их осколков – нет. Никакой энергетической выгодности для развала на осколки! А разваливается тяжёлое ядро оттого, что, при попадании в него теплового нейтрона, связи в ядре рассыпаются не из-за грубого силового воздействия, а из-за нарушения синхронизма их переключений, обеспечивающих динамическую структуру ядра. При делении ядра на два осколка, аварийно рассыпаются те связи, которые сцепляли эти осколки в исходном ядре. Возникает нештатная ситуация, при которой собственные энергии (т.е. массы) нуклонов уменьшены – на величину энергии ядерных связей – но самих этих связей уже нет. Эта нештатная ситуация немедленно исправляется: собственные энергии нуклонов остаются как есть, а бывшие энергии распавшихся связей превращаются в кинетическую энергию нуклонов – и, в конечном счёте, в кинетическую энергию осколков ядра. То есть, кинетическая энергия осколков ядра – это бывшая энергия ядерных связей, удерживавших эти осколки в исходном ядре. Это подтверждают не только элементарные расчёты, но и малоизвестный факт независимости кинетической энергии осколков от силы воздействия, вызывающего деление ядра. Так, при инициировании деления ядер урана протонами с энергией 450 МэВ, кинетическая энергия осколков составляла 163 МэВ – т.е. столько же, сколько и при инициировании тепловыми нейтронами!

Заметим, что этот принцип – превращение в кинетическую энергию бывшей энергии связей при нештатном отрубании этих связей – можно использовать не только в случаях, когда количество отрубаемых связей ограничено, так что результатом является всего-то распад ядра на жалкие два осколка. Этот принцип можно использовать с гораздо большим размахом, дающем в результате тотальный развал вещества на протоны, нейтроны и электроны. При этом вся бывшая энергия связей этих частиц превратится в кинетическую энергию их разлёта. А это всё теплотища в чистом виде! Ух, как припекать-то будет! Говорят вон, что Солнышко именно так и работает – без всяких сказочек про термоядерные реакции (про которые с самого начала их изучения отлично известно, что они принципиально не идут; см. «Фокусы-покусы квантовой теории»). То есть, чтобы Солнышко светило и грело, нужно сделать что? А вот что. Сначала нужно сформировать солнечное тяготение (см. «Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения»), которое тянуло бы вещество к центру этой области. А затем, когда вещества там соберётся достаточно, нужно «включить» солнечный реактор – для чего в центральной шаровой области нужно всего лишь заблокировать действие структуро-образующих алгоритмов, благодаря которым существуют атомные и ядерные структуры. Вещество, из-за действия тяготения попадающее в эту шаровую область, т.е. в рабочий объём реактора, будет разваливаться там на протоны, нейтроны и электроны – которые, приобретя в результате этого развала неслабую кинетическую энергию, будут разлетаться по белу светушку. Кстати, откуда он берётся, бел светушек? Это совсем просто. В равновесном режиме работы Солнышка, поток вещества, падающего в него из-за действия тяготения, скомпенсирован встречным потоком протонов, нейтронов и электронов, которые прут из рабочего объёма реактора. Есть шаровой слой, в пределах которого эти встречные потоки эффективно схлёстываются, отчего атомы и ионы, падающие в Солнце, ударно возбуждаются и высвечиваются, давая сплошной спектр, т.е. белый свет. Вот она какая, фотосфера-то!

Эта, казалось бы, примитивная модель не только одним махом устраняет кучу проблем, в которых запутались ортодоксы, но и имеет очевидные опытные подтверждения. Так, имеет место и падение вещества на Солнце (по-научному это называется «аккреция» - чтобы публика ни о чём таком не догадалась), имеет место и разлёт субатомных частиц из Солнца (по-научному это называется «солнечный ветер» - тоже ради публики). Причём, мощность излучения Солнца неплохо соответствует интенсивности солнечного ветра, если считать, что каждый протон и нейтрон, освобождаемые в солнечном реакторе, приобретают среднюю кинетическую энергию 6 МэВ. Может это совпадение объяснить термоядерная концепция? Да нет, у неё толстая кишка тонка. Вы эту термоядерную концепцию зовите, когда нужно насмешить публику – вот тут эта концепция не подкачает. Она же впаривает нам, что топливом для термоядерных реакций являются протоны. А мы видим, что протоны являются не топливом, а конечным продуктом – ведь они вылетают из Солнца в чудовищных количествах! Или, пардон, термоядерный реактор не может работать, не разбрызгивая топливо в мировое пространство? Ну, тогда «Токамаки» так никогда и не заработают. Ни за какие деньги! Ведь в «Токамаках» это разбрызгивание топлива категорически не предусмотрено!

На этом можно закончить наш рассказик про теплоту. Нас могут упрекнуть в том, что мы плохо раскрыли тему – например, ни разу не использовали такое смачное слово, как «энтропия». Извините, мы без неприличных слов обходимся. Всем не угодишь: кому-то нужно непременно картинку нарисовать, а до кого-то доходят лишь матерные выражения. Как смогли мы, так и рассказали, уж не обессудьте.

А тем, кто думают, что могут что-то объяснить с помощью энтропии, хорошо бы вспомнить про казахстанских сайгаков, да и про всю остальную одушевлённую живность. В их организмах весело трепыхаются такие биомолекулы, которые принципиально неустойчивы в неодушевлённой обстановке. В их организмах протекают такие биохимические реакции – в такую сторону и с такой бешеной скоростью – которые совершенно невозможны в неодушевлённой обстановке. Всё это настолько ужасно противоречит термодинамике с её жалкими «началами», что академики всерьёз обсуждали вопрос о том, что в живых организмах понятие энтропии работает с точностью до наоборот – и, чтобы термодинамика была и здесь справедлива, следует говорить не об энтропии, а об отрицательной энтропии (негэнтропии, как они выражались). Ну, потрындели, и чего? Помогла вам энтропия, с негэнтропией в обнимку, понять – откуда берётся энергия на работу мышц, если она берётся не из энергии химических связей съеденной пищи?

А вот Николаевский, говоря «Об энергетике мышц. О дыхании», поясняет, как мышцы работают. Секрет – в дополнительном управлении, которым охвачено одушевлённое вещество по сравнению с неодушевлённым. Получается так: в мышечном цикле использованы две биохимические реакции: множественные присоединения кислорода к длинным мышечным молекулам, отчего эти молекулы укорачиваются, и обратное отсоединение кислорода, в результате которого восстанавливается исходная длина мышечных молекул. Для обеспечения единогласного срабатывания либо той, либо другой из этих реакций, молекулы мышечных волокон переключают в одно из двух активных состояний. В первом из этих состояний создаются идеальные условия для реакции множественного присоединения кислорода, который доставляется с кровотоком. Во втором из этих состояний, присоединённый кислород «отваливается», связываясь с углеродом, поставщиком которого являются молекулы углеводов, и затем этот кислород, в составе углекислого газа, удаляется с кровотоком, освобождая место для новой порции кислорода. Спрашивается: ведь атомы в одушевлённом организме точно такие же, как и в неодушевлённом веществе! Что же может в них «переключаться»? Похоже, это совсем просто: у них переключаются конфигурации направленных валентностей. Академики не понимают, как такое может быть – да они не понимают и того, чем внешние валентные электроны отличаются от внешних невалентных, а, значит, они не понимают и того, что такое химическая связь вообще. Но зачем нам равняться на академиков? Будем равняться на тех, кто отвечает на интересные вопросы! Если, благодаря автоматическим переключениям направленных валентностей, существуют динамические структуры металлов и воды – то, управляя конфигурациями направленных валентностей в специально разработанных биомолекулах, можно вытворять что угодно!

Эх, Термодинамика! Прости, милая!..

(По материалам сайта «Наброски для новой физики», http://newfiz.narod.ru )