Насос Томсона

Сейчас никого не удивляет, что холодильник нагревает комнату. Из второго начала термодинамики следует, что нельзя построить прибор, который бы охлаждал какой-то объем, совсем не затрачивая работы.

Было бы хорошо иметь кухонный комбайн, который замораживал бы продукты и варил обед, не требуя питания от сети. Это, однако, запрещено вторым началом термодинамики.

Рис. 26. Насос Томсона

Но если не требовать от холодильника невозможного, а поставить перед ним более простую задачу обогрева кухни, в которой он стоит, то он, казалось бы, может это сделать почти бесплатно. Такую, на первый взгляд странную, установку придумал Томсон (Кельвин). Он ее назвал тепловым насосом. Если на кухне есть балкон, то можно поставить холодильник в пролет двери, дверцей на улицу, а задней стенкой в кухню. Откроем дверцу холодильника и включим его в сеть. Холодильник будет перекачивать теплоту, охлаждая улицу и нагревая комнату. Он может переносить много теплоты, затрачивая очень мало работы: для этого надо только, чтобы перепад температуры был небольшим. Тогда площадь кривой, изображающей цикл, будет маленькой (рис. 26), а количество перенесенной теплоты - большим. Ошибки в этом рассуждении нет - мы просто использовали режим работы холодильника с большой эффективностью, о которой уже было рассказано. Тепловой насос - не очень полезный прибор, но он превосходно иллюстрирует разницу между первым и вторым началом термодинамики. Первое начало утверждает эквивалентность теплоты и работы, второе указывает на их принципиальное различие: чтобы получить работу, надо создать поток теплоты; последний, однако, обязательно сопровождается ростом энтропии, но не обязательно связан с большим изменением энергии системы.

Парадоксальность теплового насоса состоит в том, что он создает разность температур почти без затраты работы. В обычном же процессе теплопроводности разность температур исчезает без совершения работы. Если теперь построить тепловой двигатель, который бы работал на той

разности температур, которую создал почти бесплатно тепловой насос, то такой двигатель будет выдавать работы не больше, чем было потрачено на создание этой разности (а в силу необратимых потерь даже меньше). Неравенство в законе энтропии работает честно в одну сторону: легко потерять энергию, ничего не получив взамен, но нельзя ее добыть, ничем за это не заплатив.