| |
 |
Закон сохранения энергии подвел черту, провозгласив, что ни одно устройство не может вырабатывать больше энергии, чем тратит, однако не отменил надежды на то, что можно хотя бы получать столько же энергии. Раз уж нельзя ничего выиграть у природы, то, может быть, получится хотя бы остаться при своих?
Именно эта надежда стала основной движущей силой всех теоретических исследований начала девятнадцатого века, связанных с работой паровой машины. В массовом сознании принято недооценивать значение прогресса в области теории, необходимого для того, чтобы изобретатель мог представить работающий механизм. Сам Ватт опирался в своих разработках паровой машины на работы Блэка, посвященные латентному теплу, о которых я писал в предыдущей главе. А кто из слышавших об изобретении Ватта, знает, что оно стало возможным только благодаря теории Блэка?
Эффективность самых лучших машин Ватта, каким бы полезными и незаменимыми они ни были, не превышает 5 процентов. Это значит, что работы они могут производить только на 5 процентов от получаемой ими тепловой энергии. Поэтому казалось очевидным, что и не нарушая закона сохранения энергии можно добиться значительного повышения производительности. Даже учитывая неизбежность каких-то потерь на трение, теплопроводность и тому подобное, логично было предположить, что эффективность вполне возможно поднять до некоего близкого к 100 процентам показателя.
Так считали до тех пор, пока французский физик Николя Леонар Сади Карно не принялся всерьез изучать движения тепловых потоков, основав таким образом науку термодинамику (что по-древнегречески и означает «движение тепла»).
В течение всего девятнадцатого века значение этой науки все более возрастало, поэтому к тому моменту, как был четко сформулирован закон сохранения энергии, ввиду своей фундаментальной важности для всего, что касается перехода энергии в работу и обратно, он получил название «первый закон термодинамики».
Карно основал науку, но времени на то, чтобы внести в нее большой вклад, у него оставалось уже очень мало. Ученый умер в возрасте тридцати шести лет во время эпидемии холеры в Париже. Однако кое-что он все же успел. В возрасте двадцати восьми лет, в 1824 году он опубликовал небольшую книжку под названием «Размышления о движущей силе огня», где привел описания своих опытов и собственные рассуждения о том, до какой степени тепло может быть преобразовано в работу.
В своей книге исследователь ясно показал, что даже при идеальных условиях (то есть, при отсутствии трения и потерь энергии в направлении окружающей среды) лишь строго определенная доля тепловой энергии может преобразовываться в работу. Эта доля определялась разностью температур пара и конденсируемой воды по абсолютной шкале температур, выведенной с помощью закона Шарля). Если первую определить, как Т1, а вторую – как Т2, то наибольшая доля тепла, которую можно перевести в работу, определяется по формуле
Т2 – Т1/Т2
Доля преобразуемого тепла, то есть, иными словами, эффективность системы, одинакова вне зависимости от того, какие именно вещества подвергаются нагреву и охлаждению, будь то вода, ртуть, или что угодно; важна только его температура. Поэтому, формула Карно справедлива для любой «тепловой машины», а не только для паровой.
Допустим, например, что в машине Ватта используется пар, нагретый до 100оС (373оК), а температура конденсируемой воды – 5оС (278оК). Тогда по формуле Карно получаем
(373-278)/373=0,255
Лишь примерно четверть, и не больше, производимой тепловой энергии может быть преобразовано в работу, как бы идеально ни работала машина. Повысить эффективность помогло бы использование раскаленного пара (чтобы Т2 была побольше), или жидкости, имеющей более высокую температуру кипения и более низкую температуру плавления, чем вода. Пробовали и то, и другое, но даже современные паровые машины не имеют эффективности выше, чем 0,25.
Формула Карно не только указала путь к тому, как можно увеличить эффективность паровой машины, но и привела к открытию одного крайне важного обобщения.
Если формула Карно верна, то получается, что машина, в которой горячая и холодная камера имеют одну и ту же температуру, никакой работы произвести не способна. Ведь в таком случае Т2 будет равно Т1, соответственно, формула Карно приобретет вид
Т2-Т2 = 0/T1 = 0/T2
Например, представим себе энергию, содержащуюся в океанской воде, пусть даже в ледяной. Когда эта вода замерзает, каждый грамм ее отдает 80 калорий тепла (как показал в свое время Блэк, измеряя латентное тепло). Почему бы тогда, скажем, океанскому лайнеру не собирать это тепло и не использовать для работы своих двигателей? Вода возле лайнера остужалась бы, возможно – вплоть до замерзания, но общий объем воды в океанах, а значит – и содержащегося в ней тепла, настолько огромен, что для обеспечения работы всех океанских лайнеров (да и вообще всех механизмов) в мире потребовалась бы крайне незначительная ее доля. В тому же и эту потерю быстро возмещало бы солнечное тепло.
Такое предположение никоим образом не нарушает первого закона термодинамики. Энергия в данной схеме не берется из ниоткуда – она просто переводится из одной формы (из тепла, содержащегося в океанской воде) в другую (в кинетическую энергию вращающихся винтов), а переход энергии из одной формы в другую в первом законе термодинамики оговорен отдельно.
Однако ни одна схема такого рода так и не оказалась работоспособной. Так и не удалось разработать ни одного способа использовать тепловую энергию какого-либо вещества, температура которого была бы равномерной. Иными словами, общий опыт всего человечества свидетельствует о том, что формула Карно справедлива для любых условий, которые когда-либо были испытаны. Для того, чтобы тепло можно было преобразовать в работу, где-то в системе должна существовать разность температур.
Лорд Кельвин объяснял это так: «трансформация, в результате которой должно быть преобразовано в работу тепло, извлеченное из источника, имеющего однородную равномерно распределенную температуру – невозможна».
Это – одна из формулировок утверждения, получившего название «второй закон термодинамики».
Этот второй закон не кажется таким очевидно неизбежным, как первый. С некоторым сожалением мы чувствуем себя вынужденными признать, что энергию нельзя создавать из ничего (первый закон), но почему же мы не можем использовать ту энергию, которая у нас есть? Пусть мы не можем получить выгоду, но можно же хотя бы остаться при своих?
Можно придумать тепловую машину, в которой и горячая и холодная камеры имели бы более высокую температуру, чем окружающая среда, но в этом случае горячая камера теряла бы тепло быстрее, чем холодная. Если же сделать, наоборот, чтобы температура обеих камер была ниже температуры окружающей среды, то горячая камера нагревалась бы медленнее холодной. И в том, и в другом случае разность температур будет уменьшаться. На самом деле, в любой системе, переводящей энергию, в любой ее форме, в работу, со временем разность потенциалов уменьшается, или, иначе говоря, часть потенциально выполнимой разностью потенциалов энергии работы остается невыполненной на практике из-за необходимости преодолевать трение или иные формы сопротивления естественному потоку энергии.
Клаузиус еще в 1875 году изобрел параметр, включающий в себя и неизбежно теряемую энергию, и абсолютную температуру – параметр этот получил название «энтропия системы».
Можно, конечно, представлять себе совершенные тепловые машины, настолько хорошо изолированные, что тепло не будет ни перетекать в них извне, ни тратиться на нагревание окружающей среды; машины, в которых будут отсутствовать потери на трение, и так далее. При таких условиях выполняться будет вся работа, на которую способна заданная разность температур. Энергия будет тратиться полностью, без потерь. Однако в реальности и трение, и теплообмен с внешней средой всегда имеют место, а значит – и энергопотери, причем их объем будет увеличиваться со временем (см. рис. 4).
В терминологии Клаузиуса можно сказать: при любом спонтанном процессе энтропия либо остается неизменной (в идеальном случае), либо возрастает (в реальных случаях).
Забудем об идеале – приходится признать, что в реальном мире вокруг нас энтропия всегда увеличивается.
Поскольку все это – неизбежные последствия однонаправленности тепловых потоков, то существует еще один способ выражения второго закона термодинамики.
Строго говоря, отдавая должное законам термодинамики, мы всегда должны помнить о том, что эти законы применимы только к замкнутым системам – то есть, к тем частям вселенной, которые можно рассматривать, как не испытывающие никакого влияния извне со стороны других ее частей. Если же рассматривать открытые системы, то часто может казаться, что законы термодинамики нарушаются.
Вот например, предположим, что вы ведете наблюдения за котелком с водой, стоящим на плите. Вы видите, что энергетическое содержание воды в котелке постепенно возрастает, пока вода не начнет кипеть, и пока, наконец, вся не выкипит. Если рассматривать один лишь котелок с водой, вне его связей с плитой, то может показаться, что энергия, дерзко нарушая первый закон термодинамики, появилась из ниоткуда. Однако, вы прекрасно понимаете, что это не так, поскольку под котелком находится горячая плита или газовый рожок. Если принять во внимание, что система складывается из обеих этих частей, то вопрос о том, почему на закипающий котелок не действует первый закон термодинамики, снимается сам собой.
Что касается второго закона термодинамики в отношении открытых систем, то представьте себе – тело действительно может подниматься с земли на высоту, а тепло – перетекать от более холодных тел к более горячим. В бытовой жизни вы часто являетесь свидетелем подобных «феноменов», и если сосредоточить свой взгляд только на поднимающемся теле, или только на тепловом потоке, то вполне возможно сделать вывод о нарушении второго закона термодинамики.
Но надо рассматривать систему в целом. Тело может подниматься с земли на крышу дома только тогда, когда находится, скажем, в лифте, движимом электрическим мотором. Тепло утекает из холодной камеры холодильника в более теплую окружающую среду тоже благодаря электрическому двигателю. Если включить в расчет двигатель и поток энергии внутри него, то вы увидите, что имеется и поток энергии в «правильном» направлении, причем превышающий по объему поток в «неправильном», действие которого мы видим в лице подъема тела или охлаждения камеры.
Другими словами, локальное уменьшение энтропии (являющееся результатом потока энергии в направлении, противоположном указанному вторым законом термодинамики) в одной из частей системы всегда более чем уравновешивается возрастанием энтропии в другой части системы. Если брать в расчет всю систему целиком, то общие изменения всегда происходят в направлении увеличения энтропии.
На самом деле, если мы имеем дело не с воображаемыми системами, существующими только в умах физиков-теоретиков, а с реальностью, то представить себе действительно замкнутую систему очень сложно. Внешняя среда всегда оказывает некоторое действие, которое необходимо учитывать.
Все вышеописанное справедливо и в отношении человеческого организма. Если его вдруг сделать замкнутой системой, лишенной энергообмена с окружающей средой, то он умрет в течение нескольких минут (ведь воздух – тоже часть окружающей среды). Направление естественных изменений в человеческом организме, сопровождающихся, как уже было сказано, возрастанием энтропии, ведет к смерти. Мы, конечно, живем, не умирая, иногда по целой сотне лет, но это происходит только потому, что наш организм является не замкнутой системой, а частью большей системы, в которую входят и воздух, которым мы дышим, и пища, которую мы едим. Сложность общего взаимодействия всех форм жизни и всей неодушевленной окружающей среды на планете, на которой мы живем, не позволяет считать замкнутой системой что-либо меньшее, чем всю Землю в целом.
Но и этого мало. Если бы Земля была замкнутой системой, то жизнь на ней очень быстро закончилась бы, поскольку поверхность планеты остыла бы, океаны – замерзли, и так далее. Это тоже естественные изменения, соответствующие возрастанию энтропии. Этого не происходит только благодаря тому, что Земля является частью более крупной системы, в которую входит еще и Солнце, тепло которого и не дает Земле замерзнуть.
Даже Солнечная система не является полностью замкнутой. На нее действует сила притяжения со стороны других тел галактики, и много других не так ярко выраженных сил. Каждая часть вселенной тем или иным образом влияет на остальные, и логично предположить, что на свете существует только одна действительно замкнутая система – это сама Вселенная. Если же рассматривать любую ее часть, то появляется вероятность того, что в этой отдельно взятой части энтропия может уменьшаться – за счет еще большего ее увеличения во всей остальной вселенной.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
