Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
Первые исследования по превращению теплоты в работу провел французский инженер С. Карно, опубликовавший свои воззрения относительно теории теплоты в книге «Размышления о движущей силе огня» (1827 г.). Он разложил тепловую машину на три ее важнейших компонента — нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель дает тепловую энергию рабочему телу, однако такая передача происходит только потому, что теплота стремится перейти от горячего тела к менее нагретому (холодильнику).
Чем больше разница температур, тем интенсивнее перетекание теплоты. Разность энергетических уровней порождает работу. Точно так же высота плотины влияет на скорость падения воды, вращающей турбину. Чем горячее нагреватель
Отработанный пар выбрасывается в окружающую среду и рассеивается в атмосфере, отдавая ей свою энергию. Таким образом, для наибольшей эффективности работы тепловой машины температура котла (двигателя) должна быть намного выше температуры воздуха. Коэффициент полезного действия машины зависит от разности названных температур. Он никогда не может превышать 100 %, поскольку машина использует определенное количество тепловой энергии. Эта изначальная энергия и равняется 100 %. Свыше имеющегося машина использовать не может.
Кроме того, значительная часть теплоты должна перейти к холодильнику, иначе движение тепловой энергии остановится. Следовательно, рабочее тело получает намного меньше 100 %. Человеческий организм не является тепловой машиной, однако и для него справедливы законы сохранения энергии. Вот почему эффективность работы нашего тела составляет всего 30 %. Некоторые биологи полагают, что работа клеток, слагающих тело человека, гораздо выше и равняется 70 %. Скорее всего, так оно и есть, однако даже это число значительно ниже 100 %.
В общем виде закон сохранения энергии звучит следующим образом. Поступление к телу тепловой и любой другой энергии численно равняется изменению внутренней энергии тела и совершенной этим телом работы. Целиком превратить сообщенную энергию в работу невозможно. Ведь сначала требуется изменить внутреннюю энергию рабочего тела. Но даже если нам каким-то образом удалось полностью использовать внутреннюю энергию тела, то оно после этого вовсе перестанет совершать работу. Закон сохранения энергии, имеющий много формулировок, представляет собой первое начало термодинамики.
Карно утверждал, что в паровой машине тепло не потечет от холодильника к нагревателю. В дальнейшем физики P. Клаузиус и У. Томсон показали, что это утверждение справедливо для всех тепловых процессов. Теплота передается от тел только к менее нагретым телам. Данное утверждение представляет собой второе начало термодинамики. Доказывается оно сейчас посредством кинетической теории.
При соударениях молекулы обмениваются энергией. В результате они как бы делят ее поровну, отчего приобретают некую усредненную скорость. Усреднение скорости частиц и выравнивание температуры при теплообмене приводит к тому, что молекулам становится нечем обмениваться. Система пришла к тепловому равновесию. Медленные молекулы могут при соударениях с быстрыми «отбирать» у тех скорость, а вот наоборот происходить не может. Делится тот, у кого есть, что делить. Оттого теплота не течет от холодных тел к нагретым.
Любопытно, но сравнительно недавно — на рубеже XIX–XX вв. — научный мир был потрясен известием о «тепловой смерти» Вселенной. Некоторые физики проанализировали следствия из второго начала термодинамики и пришли к выводу, что рано или поздно придет время, когда беспорядочность теплового движения достигнет максимума. Тогда температуры во Вселенной сравняются, а значит, сравняются и энергетические уровни. Движение материи остановится, что приведет
к ее самоуничтожению. Паника продолжалась до тех пор, пока австрийский физик Л. Больцман не показал, что беспорядок в микромире имеет предел.Тепловое движение частиц хаотично, а не направленно. Потому-то они никогда полностью не рассеют энергию. Ведь для этого нужно сознательно выбирать способ движения. Частицы сознанием не обладают, что очевидно, и беспорядка не получится, если молекулярное движение имеет конечную цель. Таким образом, хаос спасает мир. Если в одном месте Вселенной произойдет выравнивание температур (частичная «тепловая смерть»), то в другом, напротив, возрастет разность энергетических уровней.
После приложения теории относительности Эйнштейна к космологии стало понятно, что объяснения Больцмана излишни. Даже частичная «тепловая смерть» не будет катастрофой. Колоссальные силы гравитации, сосредоточенные в массивных звездах и галактиках, имеют фантастически большой потенциал отрицательной энергии, которая будет сглаживать рост беспорядка.
Больцман является первооткрывателем энтропии. Он ввел это понятие для описания меры беспорядка в природе. Энтропия любой системы подвижных частиц безудержно стремится к максимуму. То есть частицы и были бы рады перемешаться до полнейшего хаоса и усреднить энергетический потенциал системы, однако до тех пор, пока энергия системы постоянна, беспокойные молекулы вынуждены идти в обход энтропии.
Мера беспорядка обусловлена вероятностью состояния системы, к которому пришли частицы. Это означает следующее.
Вероятность подразумевает число способов, которыми реализуется то или иное состояние. Представим себе грабителя, намеревающегося попасть в дом купца. Грабитель плюс купец, с точки зрения физика, — это система. Энтропия системы минимальна, пока та находится в порядке. Для этого грабитель должен находиться на улице, а купец должен запереться у себя дома. Но система стремится к беспорядку, т. е. грабитель стремится попасть в дом купца. Произойдет смешивание частиц и, увы, выравнивание энергии.
Грабитель знает, что в дом можно попасть через окно, чердак или дымоход. Таким образом, вероятность максимальной энтропии очень велика. Число способов, которыми система придет к беспорядку, равно 3. Однако, если бы купец забыл запереть дверь, то вероятность бы возросла. Все вещества ведут себя точно так же. Система молекул ни за что не придет к полнейшему беспорядку, но только к такой степени энтропии, которая наиболее возможна. В нашем случае грабителю легче попасть в дом через окно, но при этом он не может много унести с собой, поскольку уходить ему придется тем же путем. Энтропия максимума так и не достигнет.
Посмотрим, какие превращения происходят с веществом по мере увеличения беспорядка. Если нагреть лед, то он растает. Его молекулы перейдут к беспорядку. Однако лед не превращается в пар, хотя это состояние соответствует максимальной энтропии. Однако вероятность такого состояния без дополнительных порций энергии исчезающе мала. Поэтому вода как система молекул предпочитает благополучно пребывать в жидком состоянии.
Указанная причина объясняет, отчего на нашей планете преобладает вода в жидком агрегатном состоянии. Ее масса в тысячи раз превосходит суммарную массу ледников и водяного пара атмосферы, потому что данное беспорядочное состояние наиболее вероятно. На холодном Марсе преобладают ледники и, видимо, вечная мерзлота. Ледовые шапки активно испаряются под влиянием солнечного ультрафиолета. Здесь для воды такой путь увеличения энтропии наиболее вероятен. Жидкая вода на красной планете в нашу эпоху полностью отсутствует.