В ньютоновской механике кинетическая энергия играет особую роль; она присоединяется к каждому другому виду энергии как следствие движения. Согласно теории относительности эта особая форма энергии отпадает. Вместо этого любой вид энергии умножается на множитель, зависящий от скорости. Это существенное изменение в наших воззрениях тесно связано с законом инертности энергии; получился бы порочный круг, если бы мы хотели, с одной стороны, свести какую-либо форму энергии к инерции тел и, с другой стороны, инерцию свести к энергии.

Чаще применяют закон инертности энергии в следующей форме: масса тела равна его энергии (в состоянии покоя), разделенной на квадрат скорости света. Сообразно с этим ограничивается значение закона сохранения массы. Получение теплоты или работы, например при сжатии тела, увеличивает его массу; отдача тепла или работы уменьшает ее. Химические реакции, поскольку они протекают с выделением тепла, уменьшают общую массу участников реакции, правда настолько мало, что это уменьшение не поддается даже точнейшему взвешиванию. Поэтому Ландольт (гл. 2) не мог его установить. Но при превращении атомных ядер освобождаются количества энергии, очень

большие по сравнению с массами. Они играют в учении об ядерных превращениях очень существенную роль (гл. 11).

Закон инертности энергии заполняет пробел, который еще имелся в вышеприведенном определении энергии. За нулевую точку энергии принимается произвольно выбранное состояние. Но если сводят любую инертную массу к энергии, то и та, и другая определяются без подобного произвола. Что это сведение соответствует природе, внушительно доказывается тем фактом, что электрон и позитрон могут целиком превращаться в энергию излучения (гл. 14).

Если отвлечься от энергии приливов и отливов, то вся энергия, используемая на Земле до последних лет, возникла, в конечном счете, из солнечного излучения. С открытием закона сохранения энергии поэтому остро встал вопрос о происхождении энергии, постоянно излучаемой Солнцем и звездами. Мысль Май ер а о сведении этой энергии к кинетической энергии метеоритов, постоянно падающих на эти большие тела, оказалась при ближайшем рассмотрении недостаточной. Гельм-гольц указал в 1854 г. на гравитационную энергию той большой шаровой туманности, из которой, согласно космогонии Канта-Лапласа, образовались путем уплотнения Солнце и звезды, - процесс, который в действительности должен превращать эту энергию в другие формы.

Но и этот запас энергии также недостаточен для излучения звезд, насчитывающих продолжительность жизни в миллиарды лет. Лишь физика атомного ядра (гл. 11) дала нам знание достаточно мощного источника энергии. Высокие температуры внутри звезд делают возможными ядерные реакции, которые мы получаем обычно только в лаборатории с электрически ускоренными частицами. В 1938-1939 гг. К. Ф. Вейцзекер и Г. А. Бете показали, что вероят-

ный механизм порождения энергии в звездах состоит в образовании ядер гелия путем соединения элементарных частиц. Это происходит, правда, не непосредственно, но через ряд промежуточных хорошо известных ядерных реакций. Теперь человечество в состоянии, хотя пока еще в скромной степени, пользоваться атомными превращениями как источником энергии непосредственно, а не окольным путем через солнечное излучение (гл. 11).

ГЛАВА 9

ТЕРМОДИНАМИКА

Классическая термодинамика, которую раньше называли механической теорией теплоты, покоится на трех основных законах. Первым является закон сохранения энергии (гл. 8), особенно содержащееся в нем высказывание о том, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой. Все его содержание заключается в невозможности perpetuum mobile.

Второй основной закон объявляет невозможным осуществление в природе perpetuum mobile второго рода, т. е. периодически действующей машины, которая должна только переводить тепло в механическую работу, не вызывая никаких других процессов. Если бы такая машина существовала, то можно было бы непрерывно, без других изменений участвующих тел, переходить от некоторой температуры к более высокой, превращая тепло в работу при более низкой температуре, а затем при более высокой температуре эта работа опять превращалась бы в теплоту. Но уже Карно понимал (гл. 7), что такой некомпенсированный переход от более низкой к более высокой температуре не может быть произведен даже косвенным путем. Первый основной закон правильно вскрыл ошибку Карно, рассматривавшего теплоту как неизменную субстанцию.

Так открылась дорога, по которой в 1850 г. Рудольф Клаузиус (1822-1888) и в 1854 г. Вильям Томсон (позднее лорд Кельвин, 1824-1907) пришли

ко второму закону термодинамики. Подобно тому как первый основной закон вводит функцию состояния - энергию, второй закон в форме, приданной ему Клаузиусом, вводит новую функцию состояния, названную им энтропией. В то время как энергия вполне замкнутой системы остается неизменной, ее энтропия, состоящая из энтропии ее частей, при каждом изменении увеличивается. Идеальный и столь важный для теории предельный случай, когда она остается неизменной, строго говоря, неосуществим. Уменьшение энтропии, как противоречащее законом природы, запрещено даже для мысленного опыта.

Все процессы разделяются на два класса: к одному относятся те, в которых энтропия увеличивается; если бы такие процессы можно было прямо или косвенно обратить, то энтропия уменьшалась бы, что невозможно. Следовательно, они необратимы. Ко второму классу относятся такие процессы, при которых энтропия остается постоянной; они обратимы. В 1834 г. Бе-нуа Поль Эмиль Клапейрон (1799-1864) ввел в физическую теорию обратимый круговой процесс, который приблизительно осуществляется в паровой машине. Он состоит из отдельных обратимых явлений и в нем имеются две изотермические и две адиабатические ветви (последние происходят без получения или отнятия тепла). Прибавленные или отнятые количества тепла на изотермических ветвях зависят только от температур, при которых происходят эти процессы. Этот факт используется рассмотренным в гл. 7 термодинамическим определением температуры. Разность обоих количеств теплоты (положительная или отрицательная) при обратимом круговом процессе зависит только от обеих температур. Коэффициент полезного действия такой машины зависит от указанной разности температур. При необратимых круговых процессах коэффициент полезного действия ceteris paribus *) меньше.

*) При прочих равных условиях.

Таковы некоторые ведущие идеи из начал термодинамики.

Факт сосуществования таких двух независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, позволяет с помощью математического анализа сделать ряд высказываний о термическом поведении тел. Еще более важным оказывается следствие, согласно которому любое равновесие в замкнутой системе должно соответствовать максимуму энтропии. Если 'можно задать функцию энтропии для различных тел, то можно выразить равновесие между ними. Так, Клау-зиус уже дал теорию равновесия для различных агрегатных состояний одного и того же вещества. Термохимическая теория равновесия внесла порядок в почти необозримое разнообразие химических реакций после того, как в 1873 г. Август Хорстман (1842-1929) применил оба основных закона к частному случаю этого рода. Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852-1911), Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) и М. Планк особенно много сделали в этой области; в 1882 г. в эту область включился также Г. Гельмгольц. Удалось связать старое, прежде неясное понятие химического сродства с различиями энергии и энтропии. При этом обнаружилось, что химическое сродство зависит не только от природы реагирующих веществ, но также от температуры и давления. Термодинамика охватила теорию упругости и учение об электричестве и магнетизме, где в большинстве случаев соответствующие явления связаны также с тепловыми эффектами. Короче говоря, не существует, собственно, ни одной области физики, к которой бы термодинамика не имела отношения. Если от нее отвлекаются, то это уже означает идеализирование.