Жизнь и мечта

Из житейского опыта всем хорошо известно, что если включить в штепсельную розетку электрическую плитку или даже простую проволочную спираль, то она накалится, т. е. произойдет прямое, всеми видимое, непосредственное и стопроцентное преобразование электрической энергии в энергию тепловую. Известно также, что в этом случае тепловой энергии выделится ровно столько, сколько было взято из сети электрической энергии в равноценном исчислении.

Конечно, в обычных условиях не всю выделившуюся тепловую энергию можно собрать и эффективно использовать. Но ведь и электрическую энергию можно тоже растерять. В данном случае имеется в виду определение коэффициента преобразования. Точными калориметрическими измерениями было показано, что при нагревании проволочной опирали электрическим током имеет место полное превращение одного вида энергии в другой вид.

248

Иного результата и быть не может, так как в противном случае был бы нарушен всеобщий закон сохранения энергии. При неполном преобразовании электрической энергии мы вынуждены были бы ответить на вопрос: а куда девалась остальная, т. е. непреобразованная, часть энергии? К счастью, в данном случае такой вопрос не приходится ставить. Электрическая энергия, теряемая на омическом сопротивлении металлической спирали, действительно целиком, полностью и непосредственно, преобразуется в тепловую энергию.

А вот обратного процесса, т. е. полного и непосредственного перехода тепла в электрическую форму энергии, пока еще не открыто. Наука не знает еще о таких процессах, тайна их пока остается неразгаданной.

Попытки непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую предпринимались не раз. Тот же Фарадей, а затем англичанин Армстронг еще в 1844 г. пытался осуществить прямое преобразование тепловой энергии струи горячего пара непосредственно в электричество. Однако эта задача на уровне развития науки и техники того времени была непосильной.

Как же пошло дальнейшее развитие науки и техники в интересующей нас области? Всякий, кто будет беспристрастно изучать историю развития науки, должен будет отметить, что в ней стали укрепляться тенденции прямо противоположного направления. Последующее развитие науки привело к тому, что в ней появились положения и законы, накладывающие не только ограничения, но и прямой запрет на возможность отыскания подобных процессов. Мы найдем тысячи ссылок на то, что существует цикл Карно, что существует второе начало термодинамики, что использование тепловой энергии связано с термодинамическим коэффициентом полезного действия, численное значение которого никогда не может, даже в идеальном случае, превышать соотношение = ( (T₁– T₂) / T₁ ) • 100%.

А из этого соотношения вытекает: для того чтобы преобразовать какое-либо количество тепловой энергии в энергию другого вида (например, в работу), необходимо, во-первых, иметь перепад температуры от T₁ до T₂ и, во-вторых, — максимальное приближение к так называемому «идеальному» процессу, при котором всякие видимые потери отсутствуют.

249

Только- в этом случае можно получить коэффициент полезного действия, приближающийся к своему максимальному значению. Но и тогда он не может достигнуть единицы, т. е. 100%. Это соотношение считается раз и навсегда установленным, и нарушать его никому не позволено.

А как же с природой? Природа ведь не знает выведенных нами соотношений, она действует в согласии не с ними, а со своими собственными закономерностями.

Принцип взаимного преобразования в ней приводит к тому, что любое количество данного вида энергии может переходить в энергию другого вида только в том же строго определенном количестве, только в строго равном соотношении — не больше и не меньше.

Как же связать эти два взаимно исключающие положения? И однозначно ли приведенное выше соотношение определяет коэффициент полезного действия даже для одного и того же процесса преобразования тепловой энергии? Оказывается, нет. Это соотношение приводит к совершенно разным численным значениям, если одно и то же преобразование происходит при разных уровнях абсолютных температур.

Например, если перепад температур составляет 100°, то при значениях T₁ = 1000° К и T₂ = 900° К мы получаем = 10%. При таком же перепаде температур, но при значениях абсолютных температур T₁ = 200° К и T₂ = 100° К получается уже равным не 10%, а 50%.

Как же это понять? Почему одно и то же количество тепловой энергии в одном случае может дать энергии другого вида только 10%, а в другом случае — 50%?

В чем здесь дело? Ведь всем хорошо известно, что количество тепловой энергии определяется тремя факторами: массой нагреваемого или охлаждаемого тела, его теплоемкостью и разностью температур. Абсолютное значение температуры в определение количества калорий, как известно, не входит. Калории есть калории, независимо от того, при какой температуре они измерены.

Очевидно, может быть одно из двух: либо тепловая энергия, взятая при различных значениях абсолютных температур, действительно может в одном случае с большей вероятностью (при низких температурах), а в другом с меньшей вероятностью (при более высоких температурах) переходить в другие виды энергии; либо это соотношение недостаточно точно выражает закон обращения тепла в другие виды энергии.

250

А существуют ли процессы, в которых тепловая энергия сразу же и стопроцентно переходила бы в другие виды энергии, например в механическое движение? Да, существуют.

Конечно, тепловая машина — это тоже устройство для преобразования тепловой энергии в механическое движение, но, как мы только что видели, коэффициент преобразования в ней принципиально не может достигать единицы (100%), он всегда много меньше единицы.

Однако если какому-либо телу (газу, жидкости, твердому телу) мы сообщили бы даже самую малую толику тепловой энергии, полученной любым способом, то в этом случае вся тепловая энергия ушла бы на повышение температуры этого тела. Это означает, в свою очередь, что она вся пошла на повышение механических скоростей движения молекул этого тела. Тепловая энергия в этом случае целиком и непосредственно преобразовалась в механическое движение.

Существует и обратный этому процесс — процесс преобразования механического упорядоченного движения в тепло — в движение- беспорядочное. Пример добывания огня трением — древнейшее и весьма наглядное тому доказательство. При трении вся механическая энергия переходит также целиком и непосредственно в тепло.

Таким образом, в одном случае тепловая энергия переходит целиком и полностью в механическое движение, а в другом случае, как, например, в паровых машинах, только частично.

Почему же существует такая большая и принципиальная разница в значениях коэффициента возможного преобразования тепловой энергии? Да потому, что указанное термодинамическое соотношение устанавливали исходя из конкретного представления о способах преобразования тепловой энергии в механическое движение, в работу: в обычном цикле любой паровой машины рабочее тело (пар, газ, вода и т. п.), получив определенное количество калорий от источника нагрева, нагреваясь до температуры Т\, в последующем не полностью отдает свою энергию в рабочем цикле, а уходит из объема машины с температурой Т% унося с собой соответствующее этой температуре количество калорий.

251

В этом случае действительно нельзя получить стопроцентного преобразования тепловой энергии в механическое движение (хотя сама тепловая энергия есть тоже механическое движение, только отнесенное к молекулам вещества или к его кристаллической решетке, если речь идет о твердом теле). Но если отвлечься от конкретных, доступных нам способов преобразования тепловой энергии (через посредство тепловых машин, турбин и т. п.), а рассматривать их, так сказать, в природном аспекте, то мы должны будем признать, что для них нет никаких ограничений. В природе они существуют, и наш долг понять их.