Начальная школа

Русский язык

Литература

История России

Всемирная история

Биология

География

Математика

Размышление о равновесных процессах

 

В науке равновесие –
Основа всех основ,
Рассмотрим эту версию, 
Ведь факты лучше слов.
Давно тела небесные
Который век подряд 
Процессы равновесные
От катастроф хранят.
И в теплоте, и в статике
Без равновесий нет
Расчётов математики,
Чтоб получить ответ.
И если равновесие
Нарушится миров,
Потянется процессия
Природных катастроф.
Уже давно доказано,
Что часто с теплотой
Работа будет связана
Связью непростой.
Процессы равновесные
С отдачей теплоты 
Всем хорошо известны 
И кажутся просты.
И даже механический
Был дан эквивалент*, 
То есть число, практически
Дающее ответ
На то, скольким калориям
Работа тел равна.
Согласно всем теориям, 
Его величина
Всё время неизменна,
Но хоть число дано,
Наука современная,
Обходится давно
Без этого историей
Забытого числа:
Из практики теория
Закон приобрела,
Которому на тот момент
Не нужен стал эквивалент.
Закон в термодинамике
Началом все зовут,
И теплоту с динамикой
Он связывает тут. 
Итак, для подтверждения,
Что истина близка,
Совершим вторжение
В далёкие века.


Часть I

Александрийский музей (250 г. до н.э.), центр наук. Около винта Архимеда стоят двое: Архимед и Ктезибий, один из основателей александрийской школы механики.

Архимед. 
Я рад, что ты в восторженных тонах
Недавно восхвалял мой винт перед советом,
Но я, Ктезибий, о моих других трудах
С тобой хочу поговорить, а не об этом.
Проделав с рычагами опыты недавно,
Шесть постулатов я установил,
Пока все рычаги работают исправно,
С их помощью мы можем сохранить немало сил.
Вот первый, самый главный постулат:
Пусть тяжести равны между собою,
И их на равных длинах поместят
На рычаге, оставив всё в покое, –
Тогда уравновесится рычаг.
Вторая часть звучит у постулата так:
Но если будут на неравных длинах
Две те же тяжести на линии одной,
То равновесия нарушится картина,
И перевесит тяжесть с большею длиной.

Ктезибий. 
Но почему такое происходит
Додумался ли ты, учёный брат?
На размышления поступок твой наводит,
Которые дать могут новый постулат.

Архимед. 
Ты прав. Я вывел постулат шестой
И равновесия установил причины:
«Соизмеримые всегда между собой
Уравновешиваться будут величины**
Если те длины, на которых они есть,
В обратном отношении придутся
К уже не равным тяжестям, указанным мной здесь.
А дальше я хотел бы развернуться:
У несоизмеримых величин
Итог такой же в опытах остался,
И у меня каких-нибудь причин
Нет сомневаться в том, что прав я оказался.

Ктезибий. 
Для постулата можно взять другие строчки:
Верь, если взять произведение длины
На тяжесть слева от опорной точки,
То справа те же две величины
В произведении дадут нам результат
Такой же. Вот как постулат
Под номером шестым ты можешь записать
И новое понятие науке дать ***.

Архимед. 
В произведении длины на тяжесть видел
Полезную величину в расчёте я и сам.
В своём труде «Metode» прежний идол,
Которому все поклонялись здесь и там,
Повержен мною. Я говорю, Ктезибий,
Об «очевидности» тех наблюдений мной,
Которые, как зеркало в прогибе,
Мир искажает, как и факт любой.
А истина иной, конечно, быть не может.
Она одна. Я в этом убеждён.
Вот Аристотель, если б был построже,
То «очевидность» выбросил бы вон.
Он говорил: «Нет пустоты в природе»,
Ведь в пустоте не выделишь, где верх, где низ.
Он пустоту в природе не находит,
А с «очевидностью» в полемику не рвись.
В падении, он учит: «Скорость тела 
Находится в пропорции прямой
К весам», – но здесь не в этом дело.
По Аристотелю, всем видно, лист сухой
От камня при падении отстанет,
Земля к себе быстрее камень манит.
Я думаю, что дело здесь в другом.
И «очевидность» стала мне врагом.

 

Рис. Т.Н.Лисюковой 

Ктезибий. 
Возможно, ты и прав, великий Архимед,
Но это надо доказать, чтоб люди,
Могли узнать: где польза, а где вред
В паденьях тел на землю будет.
Недавно я изобрёл насос,
На сжатом воздухе работающий славно,
Он, кстати, на пожарах перенёс
Большое испытание недавно
И выдержал его, а ведь друзья
Мне говорили: «Воздух сжать нельзя»!
Ещё изобретение, в котором
Я равномерность падающих капель с высоты
Использовал для водяных часов, и ты
Работу в будущем оценишь скором.
Часы нужны для опытов любому,
Кто точность соблюдает и чей труд
Приносит пользу. Без часов иному
Нельзя никак, тому же астроному
Или механикам, которые мгновенье чтут.

Архимед.
Твой ученик Филон так преуспел в науке,
Что скоро превзойдёт и нас с тобой.
Вот у кого умелые, искуснейшие руки.
Его «Механика» – труд яркий и большой.
Там столько опытов описано Филоном,
Что я его в один поставлю ряд
С Александрийским знаменитым астрономом,
Умнейшим Птолемеем. Вот чей вклад
В науку признан наибольшим до сих пор,
Но астрономия не привлекла мой взор.
Сейчас я в гидростатике стараюсь
Как можно больше сделать в эти дни.
Для плавающих тел, тебе признаюсь,
Семь предложений сделал. Все они
Из рассуждений были сделаны сперва.
Потом на опыте, и основных здесь два:
• Та часть у жидкости, которая не сжата
Иль сжата менее других частей,
Вверх будет вытесняться без возврата
Частями, сжатыми у жидкости сильней.
Я сам себя суровой критике подверг,
Но выводы мои теперь такие стали:
• Для твёрдых тел выталкиванье вверх
Чрез центр тяжести пройдёт по вертикали.
Не буду объяснять подробности, примеры,
Но вот к чему меня те мысли привели:
Поверхность жидкости должна быть частью сферы,
А центр той сферы – это центр Земли.
Выходит, что Земля есть шар огромный,
И одинаков уровень везде морей.
Как видишь, вклад вношу я скромный
В те доказательства, которых Птолемей
Ещё не мог иметь, когда предполагал,
Что шар Земля, и шар не так уж мал.

Ктезибий. 
Ты центра тяжести понятие в науку ввёл,
Определил удельный вес впервые,
Умом учёных наших превзошёл
В изобретениях своих, перечисляй любые – 
Здесь катапульты, винт и зеркала,
Законы рычага и плавание тела.
Счастливая судьба меня с тобой свела,
И я свой вклад вношу в святое дело,
Тобою вдохновлённый. Но скажи,
Как всё тебе в науке удаётся?
Ты взял уже такие рубежи,
Которые не каждый взять возьмётся.

Архимед. 
Я убеждён, в природе всё вокруг,
Всё подчиняется процессам равновесным,
И исходя из этого, мой друг,
Всё неизвестное становится известным.
Если приравнивать закономерность, строя
Взаимно связанные две-три величины
В процессе равновесном, то простое
Решение мы получить всегда должны,
Если додумаемся до глубоких истин,
До чётких связей, до больших идей,
Предела нет для знаний у людей,
И мы дорогу к истине прочистим!

 

Часть II

Немецкие физики Герман Гельмгольц и Рудольф Клаузиус.

Клаузиус. 
Послушай, Герман, ты в своей работе,
«О сохранении энергии» название её,
Не ограничился, как понял я, расчётом,
Лишь механической энергии, и мнение своё
Я подтвердить могу хотя бы тем,
Что ты решил одну из тех проблем,
Которую все физики, предшественники наши,
Решить, как ни старались, не могли.
Не до конца решил её и Майер, первым ставший
Исследователем связи, той, которую нашли
Между работой и возникшей теплотой,
Но в физику ввёл ты, всем это ясно,
Величину, которую процесс физический любой
Описывает строго, чётко, беспристрастно.
Я об энергии здесь говорю, конечно,
С тобою связана энергия навечно.
Ведь ты сказал: «Энергия, по сути,
Определяет форму существующей везде
Материи, которая, как стрелка на распутье,
Указывает, сколько, как и где
Возможно форм различных превращенья».
Приобрели твои слова на фактах воплощенье.

Гельмгольц. 
Нет, ты, Рудольф, про Майера неверно
Мне говоришь, я отдаю отчёт вполне.
Конечно, он был врач, и физика, наверно,
Ему была не так близка, как мне.
Его к успеху путь был не простым, но длинным.
Вот, что писал он, мысль во всём верна:
«Если энергия является причиной,
То равносильна действию она».
Он рассуждает так: «Нам не разумно будет
Связь отрицать работы с теплотой,
Естественно, лишь опыт нас рассудит,
Но опыт связи и не отрицает той».
Пример приводит он и фактом непредвзятым:
«Локомотив и поезд может быть сравнён
С незримым перегонным аппаратом:
Тепло, полученное в топке под котлом,
Превращено машиною в движенье.
Движенье, осаждаясь на осях
Колёс локомотива, рельсах и путях,
Вновь превращается в тепло, а торможенье
Усиливает этот весь процесс».
Но вот что вызывает интерес:
Ведь Майер вывел и эквивалент
Между работой и теплом у газа,
Подчеркиваю важный этот я момент
И заявляю, что работой этой сразу
Себя поставил Майер в ряд великих.
Работу эту Джоуль повторил,
О Майере не знал он, так что крики
О том, что Джоуль – плагиатор, 
В кругах научных вовсе неуместны.
Всё Джоуль делал сам, как мне известно.

 

Рис. Т.Н.Лисюковой 

Клаузиус. 
А сколько косности преодолел
Карно, когда исследовал причины
Неэффективности у паровой машины,
Ведь получил ничтожную работу Джеймс Уатт,
В своей машине топлива затратив
Настолько много, что работу он
Сам оценил как небольшую, кстати,
И этим был ужасно удручён.
Задачу он поставил перед всеми:
При заданной работе подсчитать
Количество угля, сожжённое за время,
Которое потребуется, чтоб пар создать
В котле с водой, а пар работать станет,
Но не было для тепловых машин основ,
Какая голова такой расчёт потянет?
А вот расчёт Карно был точен, свеж и нов.
Потребность в паровых машинах перезрела,
Машинный труд для человека – дар.
С температурами различными два тела
В машине надо быть, чтобы горячий пар,
От тела двигаясь с большой температурой,
Отдал другому телу всё тепло.
Природой, или, по-старинному, натурой,
Всё это допускается, и свой эффект дало.
Термодинамики второй закон
Был так открыт Карно и применён
Им остроумно в тепловых машинах.
Но не замечена работа та была.
Мне трудно объяснить, в чём здесь причина.
Сто лет прошло, пока к Карно пришли
И слава, и признанье, а ведь на тот момент
Он неизвестен был в науке, между прочим,
Хоть механический нашёл эквивалент
Он теплоты и был довольно точен. 
На многие вопросы дав ответ,
Он прожил мало: только сорок лет...

Гельмгольц. 
Эквивалентность значит 
равновесность, равноценность
У физиков работы с теплотой.
В законах физики важна нам неизменность,
А равновесность держит мир земной.
Ведь только равновесные процессы
Мир сохраняют... Мысль моя проста:
Представь себе, достигнет перевеса
Вдруг над работой теплота,
То есть не будет теплота в работу,
Как раньше, превращаться на Земле, –
И что-то сдвинется, и это что-то
Погубит всё, рубеж преодолев.
Не будет воздух двигаться, и ветер
Уж больше не надует паруса,
Вода вскипит в морях – ведь солнце светит! 
Будут, конечно, и другие чудеса.
Без равновесия в природе невозможно,
Без превращений мир представить сложно.
О превращении энергий речь идёт,
Подозреваю я, в конечном счёте
Энергия всех видов перейдёт
По-видимому, в теплоту, но это не заботит
Пусть человечество, так как время это
Через десятки миллионов лет наступит где-то.

Клаузиус. 
На тепловое равновесье намекаешь, Герман?
Когда обмениваться все тела теплом
Уже не смогут? Я ввёл новый термин,
Который внёс в теорию известный перелом.
Об энтропии говорю я, важной 
Для описания систем необратимых.
Математически я строго показал, что
Энтропия – как мера отклонений
Реального процесса от идеального,
Где проще всё простого 
(Ведь обратимость в нём всего – основа).
И слово «энтропия» нынче в моде,
Ведь это – измененье, в переводе.
Эквивалент теоретически я тоже подсчитал,
Он с опытными данными совпал.

Гельмгольц. 
Теорию я поддержу в научных интересах.
Эквивалент работы с теплотой
Тогда лишь наблюдается в процессах,
Когда исследуемое тело или газ любой,
Пройдя всех изменений испытанье
В первоначальное приходит состоянье.
А если в опыте нарушена цикличность?
Тогда и наступает драматичность:
Эквивалент у теплоты с работой
Различные значения даёт.
А это значит, упускает что-то
Учёный, когда делает расчёт.
Вот в калориметре у Джоуля как было?
В начале опыта – холодная вода,
В конце – горячая, но отношенье теплоты к работе
Не оставалось постоянным,
Пока Бунзен не создал свой калориметр,
Где соблюдалась полностью «цикличность», –
И что ж? Эквивалент 
Стал подтверждать свою практичность.

Клаузиус. 
Я, Герман, разгадал нелепость эту.
Куда энергия уходит? – спросишь ты...
Пришла мысль в голову, что каждому предмету
Энергия присуща внутренняя. Здесь просты
Мои, хотя и новые для всех, сужденья.
Для нециклических процессов утвержденье
Я вывел, объясняет всё оно!
В цепи нашёл я наконец недостающее звено:
Если тепло телом будет получено,
Может, плитой раскалённой,
А может, солнцем излучено,
То и расход этой ценности
Строг по своей неизменности:
Часть – для энергии внутренней, 
Чтобы её изменил,
Часть – на работу
Против всех внешних сил.

Гельмгольц.
Я знаю, что когда ты защищал Карно,
Вернее, его принцип, то при этом
Пришлось ввести там изменение одно,
Которое проблему освещало новым светом.
Твой постулат отличен от исходного,
Гласит он: «Произвольно теплота
Переходить от тела более холодного
К нагретому не может». мысль проста,
Но слово «произвольно» здесь стоит,
Чтоб указать, что переход возможен
В растворах, холодильниках, но вид
Такого перехода будет сложен.
В известном смысле «вынужденный» он,
То есть всегда такие переходы
Должны быть компенсированы. Так гласит закон:
«Необратимы все явления природы»!
Термодинамики второе дав начало,
Ты нам уже оставил места мало,
Чтобы открытие в ней сделать хоть одно,
А ведь и первое начало суждено
Тебе открыть. Перед таким талантом
Мы – дети, в неизвестное ведомые гигантом.
Да-а, шутки шутками, но до твоих открытий
Ходили все в кромешной темноте,
Я счастлив, что дожил до нынешних событий,
И разбираться стал немного в теплоте!

 


* I = 427 (кг · м)/Ккал.

**Архимед называл тяжести «величинами».

***Новое понятие» – это момент силы, которое уже тогда использовал Архимед.

 

Поиск

Информатика

Физика

Химия

Классному руководителю

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru