Частота колебаний атомов порядка - 1000000000000 Гц. А смещение относительно центра равновесия доли нанометра. Допустим, колёсико и собачка соприкоснулись. Атомы собачки сместили на 0,2 нм атомы колёсика. И вы думаете, что и вертушка тут же сместилась на 0,2 нм.
В идеальном случае — да. При этом легко показать, даже не используя данные о том, с какими амплитудами и частотами колеблются атомы собачки, и какова скорость и средняя длина свободного пробега молекул в резервуаре, что при термодинамическом равновесии энергия с помощью этого механизма никуда передаваться не будет.
Вам может показаться, что здесь все дело в том, что случай не идеальный. Но неидеальный случай отличается лишь тем, что наглядных доказательств для него получить не удастся, и вам придется на самом деле проводить расчеты.
Вертушка в резервуаре тоже состоит из атомов. Молекулы среды, "ударяясь" об атомы на поверхности лопастей, "расшатывают" их, они, в свою очередь, делают то же самое с соседними атомами, и этот процесс распространяется в материале вертушки. Параллельно происходит обратный процесс: атомы на поверхности лопастей ускоряют столкнувшиеся с ними молекулы, отводя от вертушки часть энергии. При термодинамическом равновесии вертушка получает в среднем столько же энергии, сколько отдает обратно, и ничего интересного не происходит. Если же она очень маленькая, становится заметно, что все эти хаотично блуждающие по материалу деформации приводят к тому, что суммарный момент импульса вертушки относительно ее оси не всегда точно равен нулю. Его мы и пытаемся отвести от вертушки с помощью оси.
Если ось будет слишком длинной, деформация, возникшая на одном конце, до другого просто не дойдет. Чтобы было более или менее наглядно выделим в движении частиц, из которых состоит материал оси, две составляющие: распространяющиеся в материале деформации и тепловое движение частиц. Первое передает энергию от одного конца к другому, второе — против температурного градиента. Распространяясь вдоль оси, энергия будет постепенно превращаться из механической в тепловую и возвращаться в таком виде обратно. Никакого резкого перепада температур, который вы сможете тут же использовать для получения механической работы или электричества, при этом не возникнет. Для этого нужно, чтобы на небольшом участке оси образовалась достаточно значительная разность температур, чтобы теплоту от одного конца этого участка можно было бы направить к другому через какой-нибудь устройство, совершающее полезную работу.
Если ось будет достаточно короткой, чтобы деформации доходили до противоположного конца, они дойдут до него и начнут распространяться в обратном направлении. При очень короткой оси часть энергии, возвращаемой вертушке, окажется механической. Ваша идея состоит в том, чтобы дать механической энергии дойти до другого конца, а затем резко превратить ее в тепловую. Выше было рассмотрено два механизма, с помощью которых можно попытаться это сделать.
Самый простой из них — пластинка, в которую запаян второй конец. Но этот вариант ничем не отличается от слишком длинной оси, просто часть колебаний гасится в пластинке, резких перепадов температур в ней также не возникнет. Более сложный способ — использовать трение. Но он по сути представляет собой нечто среднее между короткой осью со свободным концом и короткой осью запаянной в пластинку. Поскольку собачка контактирует с колесиком, часть механических колебаний передастся ей и без резких перепадов температур будет в ней затухать, как в пластинке, а возникающая при этом тепловая энергия постепенно вернется колесику. Но, поскольку это все-таки разные звенья, и между ними происходит трение, колебания от поверхности, по которой они контактируют, будут распространяться и в обратном направлении, как в оси со свободным концом.
В общем, чтобы мы уже начали беспокоиться, вам надо доказать, что при термодинамическом равновесии между жидкой (газообразной) средой и твердым телом броуновское движение способно породить в материале этого тела колебания, при затухании которых образуются настолько резкие перепады температур, что их можно использовать для совершения полезной работы.
, чтобы вышло круглое число, - это вопрос исторический.
и назвали это число молем объектов. После этого, вместо того, чтобы измерять число молекул в штуках, они измеряют их в молях."