Может ли электрон, пришедший в данное вещество с энергией, не соответствующей его химической природе, сохранять ее сколь угодно долго? Конечно, нет.
Взаимодействуя с другими электронами кристаллической решетки вещества, он обязательно вынужден будет изменить свое энергетическое состояние и приобрести ту энергию, которая характерна для данного химического вещества (проводника). В одном случае, например при переходе из меди в алюминий, он должен отдать кристаллической решетке часть своей энергии, а в другом случае — при переходе из алюминия в медь — он должен приобрести от кристаллической решетки недостающую ему энергию.
261
Схема движения электронов на границах разных проводников
Что будет, если мы составим замкнутую цепь из проводников разной химической природы и заставим электроны проводимости двигаться в них в преимущественном направлении? Правда, мы пока не умеем еще создавать спонтанного (самопроизвольного) преимущественного направления в движении электронов проводимости внутри металлов.
С собственными скоростями они движутся во всевозможных направлениях, и только случайное (флюктуационное) несовпадение между количеством электронов, движущихся, например, вправо и влево, приводит к образованию потенциалов на концах металлического проводника. Но эти потенциалы носят шумовой характер (эффект Джонсона), и они не могут приниматься за преимущественное движение электронов. Создание преимущественного движения электронов в металлах или полупроводниках остается еще задачей на будущее. Но предположим, что мы ее уже решили. Что было бы тогда?
В случае замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, мы обязательно имели бы две границы их раздела, или, как часто говорят, два спая. При движении электронов в такой цепи, преимущественно в каком-либо одном направлении, получилось бы двойное преобразование энергии движущегося электрона. На предлагаемом рисунке можно наглядно видеть схему такого преобразования.
На границе I при переходе электрона из проводника с меньшей средней энергией движения электронов в проводник с большей средней энергией в ближайшей же зоне нового проводника произойдет захват недостающей части энергии, а на границе II произойдет обратный процесс— электрон отдаст свою избыточную энергию этому новому проводнику. И нужно заметить, что в этом случае электрон отдаст энергии ровно столько, сколько он захватил ее при своем переходе через границу раздела I, ибо он вновь попадает в проводник той же химической природы, из какой он вышел при переходе первой границы раздела.
262
На первый взгляд все это элементарно просто. Но какие важные выводы можно сделать из такой мыслимой схемы? Вот эти выводы.
Во-первых, захват и преобразование тепловой энергии решетки металла в энергию движущегося электрона в этом случае происходит без какого-либо температурного перепада. Во-вторых, перемещение этой энергии вдоль проводника до места нового ее выделения происходит с максимальной скоростью — со скоростью света.
Эти два вывода имеют принципиальное значение, так как они позволяют указать на то, что в природе действительно имеет место прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии среды (в данном случае металла), а следовательно, и окружающего пространства в другую форму энергии.
На границе раздела, в том месте, где электрон, взаимодействуя с решеткой металла, берет себе энергию, произойдет понижение температуры. Металл, взаимодействуя с окружающей средой, примет на себя часть ее энергии, и, таким образом, в этом случае действительно произойдет прямое и -непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию движущегося электрона. При длительном течении тока через границу раздела будет происходить и длительный захват энергии. При этом через некоторое время произойдет понижение температуры спая металлов (эффект Пельтье). В этом случае вся окружающая среда по отношению к этому спаю металлов станет как бы «горячим телом». От этого «горячего тела» тепловая энергия по классическим законам физики должна будет идти к менее нагретому телу, т. е. к месту спая металлов. Значит, тут никакого противоречия с классической физикой и с пресловутым постулатом Клаузиуса нет. Само окружающее пространство в этом случае по отношению к первой границе раздела металлов является «горячим телом».
Согласившись с этим, поняв это, нетрудно понять и то, что в природе действительно существуют искомые нами процессы.
На второй границе раздела металлов произойдет выделение энергии, преобразование энергии движущегося электрона сначала в колебательную энергию решетки металла, а затем и в тепловую энергию окружающего пространства. Этот процесс более понятен, и останавливаться на нем нет необходимости. Важно лишь заметить, что количество выделившейся в этом случае энергии будет в точности соответствовать количеству энергии, поглощенной на первой границе раздела металлов.
263
Преобразование энергии здесь прямое и стопроцентное. Никаких потерь ее ни при преобразовании, ни при транспорте вдоль проводника здесь нет. Сколько энергии было захвачено на первой границе раздела проводников, ровно столько же ее выделится на второй границе раздела.
Конечно, поскольку зона захвата тепловой энергии и зона выделения ее в описываемой схеме связаны между собой металлом (проводником), постольку, в силу теплопроводности металлов, будет иметь место и обратное течение тепловой энергии вдоль проводника — от места выделения ее к месту захвата, а от места с повышенной температурой к месту с пониженной температурой.
Процесс переноса энергии в описываемой системе связан не с одним электроном, а с коллективным их состоянием. При образовании электрического тока в замкнутой цепи все имеющиеся в ней электроны проводимости начинают свое движение практически одновременно.
Начало направленного движения их определяется только скоростью распространения электрического напряжения в цепи (она равна скорости света), а не фактическими скоростями перемещения каждого электрона. В этом случае в каждый момент времени через первую границу раздела переходит какое-то количество электронов и ровно столько же других электронов переходит через вторую границу раздела. Поэтому фактическое время перемещения тепловой энергии от первой границы раздела до второй границы ничтожно мало, в миллионы раз меньше времени обратной теплопередачи.
Для наглядности приведем такую аналогию.
Предположим, что вы держите длинный шланг, наполненный горячей водой (электроны в металлах и в полупроводниках тоже очень горячие — они имеют эквивалентную температуру в тысячи и десятки тысяч градусов даже при комнатной температуре проводника). Шланг через тройник присоединен одновременно к крану с холодной и к крану с горячей водой. Вы подходите к одному из них и открываете, например, кран с холодной водой.
Спрашивается: какая вода пойдет из шланга? Конечно, горячая, так как шланг был наполнен до этого горячей водой.
Холодная вода не могла мгновенно дойти до конца шланга.
264
Если бы шланг был наполнен холодной водой, а вы открыли бы в это время кран с горячей водой, то в первый момент и в течение некоторого времени из шланга лилась бы холодная вода.
Я привел это сравнение потому, что оно известно многим из житейского опыта: подобное явление при желании можно наблюдать даже в ванной комнате.
ДРУГИЕ ПРОСТЕЙШИЕ АНАЛОГИИ
Можно привести и другой пример, поясняющий суть дела.
Представьте себе очень длинный нефтепровод, например нефтепровод Баку — Батуми, весь наполненный нефтью.
В какой-то момент в Баку открыли вентиль, и нефть в Батуми польется, как известно, ровно через столько времени, сколько требуется звуковой волне, чтобы пройти по нефтепроводу расстояние от Баку до Батуми, хотя та нефть, путь которой был фактически открыт в Баку, дойдет до Батуми только через несколько дней, а может быть, и через несколько недель.
Примерно то же самое происходит и с переносом тепловой энергии движущимся электроном в описанной выше системе из двух разнородных проводников. Огромная скорость переноса тепловой энергии в этом случае делает возможным временное ее сосредоточение в одном месте за счет поглощения равного количества в другом месте.
Во времена, когда не было еще понятия об электронах, когда даже мысленно не могла быть представлена описанная здесь схема, молодой французский инженер Сади Карно писал: «Тепло есть не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид, — это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей силы.
Обратно, всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается, в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».
