Текст книги "Возможен ли вечный двигатель?"
Автор книги: Александр Краснов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 4 страниц)
8. Коротко об энергии и материи
Понятие энергия мы неоднократно употребляли до сих пор без объяснения его сущности. Что же такое энергия? Энергия по-гречески означает работоспособность. В физике под энергией понимают способность тела совершать работу. Энергия – мера движения материи.
А что такое материя?
Взгляните на куст розы. Среди нежно-зелёной листвы вы заметите и красные цветы. Зелёную листву и красные лепестки розы мы замечаем издали. А вот запах цветов чувствуем только приблизившись к кусту. Чем это объяснить?
Дело в том, что световые лучи, отражаясь от поверхности листвы и цветов, мгновенно попадают в наш глаз с любого расстояния. Свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся с огромной скоростью.
Запах – это распространение молекул эфирного масла, испарившегося с лепестков цветка розы. Молекулы находятся в непрестанном движении. Они непрерывно сталкиваются с молекулами газов воздуха. Поэтому запах мы чувствуем только вблизи цветка. Так вот и свет, и молекулы – это движущиеся частицы материи.
Наука о наиболее общих законах развития природы и общества – материалистическая философия – рассматривает все наблюдаемые явления в природе как различные формы движущейся материи. Свет, атомы, молекулы, живая клетка, организм – всё это разнообразные виды материи.
Материя есть единственный источник, последняя причина всего многообразия процессов в природе.
Куст розы, как и весь окружающий мир, находится в беспрерывном движении, развитии. В результате взаимосвязи растения с внешней средой в нём происходит беспрерывный процесс созидания и отмирания отдельных клеток, непрерывное и многообразное движение материи.
Материалистическая философия учит, что материя и движение неразрывны; движение – это форма существования материи; движение так же невозможно уничтожить, невозможно создать, как невозможно уничтожить или создать материю.
В природе существует огромное многообразие форм движения материи. Наиболее распространённый вид движения – перемещение одного тела относительно другого, так называемое механическое движение, которое называют механической энергией. Эту механическую энергию часто именуют кинетической от греческого слова «кинетикос», что значит относящийся к движению.
Механической или кинетической энергией обладают, например, вращающийся маховик двигателя, движущаяся деталь какого-либо станка, поток воды, перемещающиеся массы воздуха – ветер, волны морского прибоя, планеты, падающий камень, летящий снаряд. Самые простые механические часы, так называемые ходики, действуют благодаря кинетической энергии «падающей» гири, подвешенной на цепочке к этим часам.
Тепловая энергия получается за счёт хаотического, беспорядочного движения огромного количества мельчайших частиц материи – атомов, молекул, электронов.
Энергия химического взаимодействия атомов и молекул – химическая энергия. В результате химического взаимодействия, например, молекул серной кислоты и свинца при определённых условиях происходит превращение химической энергии в электрическую; в результате горения (окисления) дров, угля, горючего газа, бензина, мазута и другого вида топлива химическая энергия превращается в тепловую.
Энергия взаимодействия и движения электрических зарядов – электрическая энергия. Движение электрических зарядов в аккумуляторе, например, – переход электрической энергии в химическую, которая при определённых условиях может превратиться в электрическую или тепловую.
Ядерная или атомная энергия – это энергия взаимодействия и движения ядерных частиц атома – протонов, нейтронов и электронов. Эта энергия при определённых условиях – в атомном реакторе, например, преобразуется в тепловую, а тепловая в паровом двигателе – в механическую, а последняя в свою очередь может преобразоваться в электрогенераторе в электрическую.
Для преобразования любого из этих видов энергии в другой, нужный нам вид, человек создал много различных машин.
9. Мир машин
Нас окружает неисчислимо огромный мир машин. При помощи одних из них человек изготовляет самые различные машины, а при помощи других сооружает суда, самолёты, тепловозы, паровозы, строит дороги и гидроэлектростанции, автомобили и комбайны; есть машины, вспахивающие поля и убирающие посевы, перерабатывающие свёклу, мелющие зерно, выкачивающие нефть из недр земли, печатающие книги, газеты, журналы.
Машины облегчают наш труд, способствуют увеличению производительности труда и улучшению наших бытовых условий, повышению качества продукции. Они облагораживают быт, повышают его культуру. Все такие машины носят общее название: машины-орудия.
Мы не всегда отдаём себе отчёт в том, что весь бесконечно огромный мир машин-орудий окажется мёртвым, бесполезным нагромождением металла без машин-двигателей, короче, без двигателя. Лишь благодаря ему возможна работа машины-орудия.
Двигатель – сердце каждой машины.
Откуда же, однако, двигатель приобретает способность совершать работу?
Присмотревшись к работе любого двигателя, мы обнаружим, что он действует за счёт подводимой к нему какой-либо энергии. Она преобразуется в двигателе в нужный нам вид.
Одними из первых были созданы человеком водяные и ветряные двигатели. Затем появились паровые поршневые двигатели, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, электрические двигатели. Ветряной двигатель совершает работу за счёт энергии ветра; водяной – за счёт энергии потока воды; паровой – за счёт упругой силы пара, образующегося в паровом котле. Двигатель внутреннего сгорания и газовая турбина совершают работу за счёт энергии, образующейся в результате сжигания в них жидкого или газообразного топлива (бензина, керосина, горючего газа). Электрический двигатель работает за счёт электрической энергии, получаемой в генераторах различного рода, приводимых в движение одним из перечисленных ранее двигателей, либо химическим путём.
Коротко говоря, двигатель совершает работу лишь в том случае, если к нему подведут какой-либо вид энергии. Иногда очень много средств, сил и труда затрачивается для того, чтобы обеспечить двигатель топливом или иным источником энергии. И всё же любой из существующих двигателей расходует пока её довольно расточительно. Таково свойство всех существующих двигателей. Ни один из них не совершает работы без потерь потребляемой энергии.
Чтобы определить экономичность двигателя и характер потерь энергии в нём, конструктор двигателя или инженер-эксплуатационник поступает подобно бухгалтеру, но инженер составляет баланс не хозяйственной деятельности, а так называемый тепловой баланс.
Мы не станем приводить математических расчётов, которые для этой цели проделывает инженер. Ограничимся лишь рисунком, наглядно показывающим тепловой баланс конденсационного турбогенератора (рис. 34), котельная которого работает на мазуте.
Рис. 34. Тепловой баланс конденсационного турбогенератора.
Оказывается, что из всей тепловой энергии, подведённой к турбогенераторной установке, лишь 13 % преобразуется в механическую, полезно используемую для производственных надобностей. Остальные 87 % представляют потери. Из них 59 % оказываются утраченными с горячей водой, выходящей из турбогенератора, 3 % —израсходовано на бесполезный нагрев трубопроводов и турбины, 25 % ушло в воздух через дымовую трубу.
Итак, если в топке парового котла турбогенераторной установки сжигается 100 кг мазута, то лишь энергия 13 кг полезно используется. Энергия остальных 87 кг мазута представляет бесполезные для производства потери.
Подобное явление потерь энергии происходит в любом из существующих двигателей.
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, израсходовав, например, 100 кг бензина, совершает полезную работу, которую теоретически можно получить лишь от 20–35 кг. Остальные 65–80 кг расходуются на преодоление трения деталей двигателя, на нагрев его, с выхлопными газами и пр., то есть теряются бесполезно.
Но исчезает ли энергия?
Познакомившись с тепловым балансом, мы видим, что она не исчезает бесследно. Теряющейся для производства энергией подогревается окружающая среда, окружающий воздух. Иногда часть тепла турбогенераторных установок используют для отопления зданий или каких-либо иных производственных или хозяйственных сооружений. В некоторых случаях тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания используется для подогрева воды, масел.
Приведённые примеры показывают, что энергия в процессе перехода из одного вида в другой не исчезает бесследно и не создаётся из ничего.
Но не будем торопиться с выводами, что энергия не создаётся из ничего и не исчезает бесследно.
Обратимся ещё к опытам и теоретическим доказательствам учёных, проделанным на протяжении столетий с целью выяснения этого вопроса.
Таких опытов и доказательств выполнено столько, что для полного освещения их не хватит всей нашей книжки. Но в таком описании, пожалуй, нет надобности. Мы ограничимся рассказом лишь о некоторых из них.
10. Опыты учёных
Добывать огонь посредством трения человек научился уже на заре своей истории. Во всяком случае известно, что индейцы американского континента за несколько тысяч лет до открытия его Христофором Колумбом добывали огонь вращением палочки в углублении бревна. Рисунок 35 воспроизводит этот процесс, как он был изображён на камне в то давнее время.
Рис. 35. Добывание огня трением.
Ударом молотка, например, по концу мягкой железной проволоки диаметром 2–3 мм её можно разогреть до красного каления. Нередко так делали в сельских кузницах недавнего прошлого, чтобы разжечь горн. Это можно назвать неосознанным преобразованием механической энергии вращающейся палочки или падающего молотка в тепловую.
Преобразование механической энергии в тепловую нередко наблюдали и учёные. В 1798 году английский учёный Румфорд обнаружил сильное нагревание стволов пушек в процессе сверления. Вода, налитая в жерло, доходила даже до кипения.
В качестве источника этой теплоты была пара лошадей, вращавших привод сверлильной машины.
Переход механической энергии в тепловую наблюдал английский учёный Деви в 1802 году, производя опыт: трение двух кусков льда друг о друга. Лёд таял, превращаясь в воду.
Но учёные сталкивались со случаями перехода не только механической в тепловую энергию.
Английский учёный Михаил Фарадей, например, в 1821 году обнаружил появление электрического тока в катушке, в которую вдвигал один конец магнита. В этом же году Фарадей добился непрерывного вращательного движения проводников в магнитном поле, а десять лет спустя, вращая проводники в магнитном поле, получил электрический ток. Механическая энергия переходила в электрическую и, наоборот, электрическая – в механическую.
Несколько позже эти опыты Фарадея были подтверждены членом Петербургской академии наук Э. X. Ленцем, опубликовавшим в «Анналах» Погендорфа за 1834–1835 гг. результаты исследований индукционных токов. Основным выводом его исследований было знаменитое и поныне «правило Ленца», из которого следует, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, пересекающем его, возникает индукционный ток.
Из опытов Румфорда и Деви не было сделано правильных выводов ни ими, ни их учениками, современниками, потому что все они руководствовались в то время неправильными взглядами на природу тепла. Правильных же выводов М. В. Ломоносова об этом они не знали.
Фарадей и Ленц не ставили в описанных опытах перед собой задачи установления закона перехода механической энергии в электрическую или наоборот. Мы привели эти два примера для того, чтобы показать возможность перехода этих видов энергии из одного вида в другой.
Сейчас мы можем утверждать, что в любом из описанных случаев строго определённое количество единиц механической энергии преобразовывалось в определённое количество тепловой или электрической. Это наше утверждение стало возможным после работ ряда учёных, открывших, что для получения единицы тепловой энергии необходимо затратить определённое число единиц механической энергии. Такое число единиц механической энергии они назвали механическим эквивалентом тепла. Своими опытами учёные убедительно показали, что энергия переходит из одного вида в другой в строго определённом соотношении, причём никогда энергия не создаётся из ничего и не исчезает бесследно.
Закон сохранения и превращения энергии окончательно сформулирован лишь в XIX столетии после работ ряда учёных. Среди них нельзя не упомянуть о работах немецкого врача Роберта Майера, немецкого учёного Гельмгольца и английского учёного Джемса Прескотта Джоуля.
Крупнейшее открытие в области техники, осуществлённое врачом Робертом Майером, достойно особого внимания не только по значительности открытия. Этот факт наглядно показывает, насколько важны для успешной научной работы наблюдательность, умение научно анализировать и обобщать все подмечаемые явления.
Роберт Майер работал на голландском корабле в качестве судового врача. Находясь однажды на стоянке корабля в ныне индонезийском порту Сурабая на Яве, Майер обратил внимание на цвет венозной крови матросов, которая была значительно ярче, чем это приходилось наблюдать ему при кровопусканиях в умеренном поясе. Из бесед с местными врачами Майер выяснил, что яркий цвет венозной крови обычен для человека, находящегося в тропических широтах. Разобравшись в обнаруженном явлении, он делает правильный вывод, что совершение матросами тяжёлой физической работы в умеренном поясе сопровождается появлением в их крови большего количества продуктов соединения с кислородом – «продуктов горения», чем в тропиках; происходит это вследствие резкого различия в температурах окружающей среды.
Корабль, на котором служил Майер, возвратился в Нидерланды в 1841 году. А уже в 1842 году Майер написал работу, в которой говорит, что при взаимных переходах механической и тепловой энергии она не создаётся из ничего и не теряется бесследно. В этой же работе Майер теоретически вычисляет механический эквивалент тепла, а несколько позже, в 1845 году, утверждает, что высказанное им в 1842 году относится не только к тепловой, но и к электрической и химической энергии.
В 1847 году публикует свою работу «О сохранении силы» немецкий учёный Гельмгольц. В ней он дал много новых и важных доказательств того, что энергия не создаётся из ничего и не уничтожается бесследно, распространив это правило на все явления природы.
Эти теоретические выводы о сохранении и превращении энергии подтверждены опытами многих учёных. Джоуль провёл множество самых различных опытов неизменно с одним и тем же результатом. В 1847 году он осуществил опыт, который и поныне описывается в различных вариантах во всех учебниках, где идёт речь о законе сохранения и превращения энергии.
Прибор Джоуля состоял из следующих основных деталей (рис. 36): сосуда-калориметра, заполненного водой и имеющего перегородки для усиления трения; вала со специальными лопастями и шкивом; шнура, намотанного на шкив; груза, подвешенного к концу шнура; рейки с делениями, по которым определяют высоту падения груза.
Падающий груз тянет за шнур и вращает вал. Трение вращающихся лопастей о воду нагревает её.
Рис. 36. Прибор в опыте Джоуля по определению механического эквивалента тепла.
Измерив термометром температуру жидкости до и после опыта, зная её массу, Джоуль вычислял количество теплоты, образовавшейся в воде вследствие трения. Сопоставив эти данные с работой, которую совершил груз в процессе падения, учёный определял равнозначность (эквивалентность) механической и тепловой энергии. Она всегда оказывалась одинаковой. Множество других опытов приводили Джоуля к таким же результатам. На основании всех этих опытов Джоуль наиболее полно и наиболее точно определил соотношение между механической и тепловой энергией при взаимных превращениях, установив механический эквивалент тепла, по абсолютному значению близко совпадающий с теоретически вычисленным Робертом Майером.
Механический эквивалент тепла показывает, что для получения одной большой калории тепла необходимо затратить 426,9 или округлённо 427 кем работы. Во всех позднее проводившихся опытах учёные получали почти это же число. Некоторое несовпадение происходило исключительно за счёт неточности измерений, несовершенства аппаратуры.
Несколько описанных здесь опытов, как и огромная масса других, с яркой убедительностью указывают, что энергия не исчезает бесследно и не создаётся из ничего.
Крупнейшее значение для науки имели работы Фридриха Энгельса, в которых он, дав глубокий анализ закона сохранения энергии, впервые в мире указал, что содержание его сводится не только к установлению закона неуничтожимости движения, но и к установлению закона превращения форм движения друг в друга в их взаимной связи.
Он указал, что любую форму движения можно характеризовать любой единицей меры, измеряющей какое угодно иное количество движения.
«Если ещё десять лет тому назад, – писал Ф. Энгельс в „Анти-Дюринге“, – новооткрытый великий основной закон движения понимался лишь как простой закон сохранения энергии, как простое выражение того, что движение не может быть уничтожено или создано, т. е. понимался только с количественной стороны, то это узкое, отрицательное выражение всё более вытесняется положительным выражением в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса… Теперь уже не нужно проповедовать как нечто новое, что количество движения (так называемой энергии) не изменяется, когда оно из кинетической энергии (так называемой механической силы) превращается в электричество, теплоту, потенциальную энергию положения и т. д., и обратно».
Следовательно, закон сохранения энергии является одновременно и законом превращения энергии. Абсолютно во всех явлениях природы одни формы энергии переходят в другие, но никогда энергия не исчезает и никогда не создаётся из ничего.
11. Величие закона
Многие крупнейшие открытия совершались, а тем более признавались не сразу, не вдруг. Иногда для окончательного, полного торжества какой-либо идеи, какого-либо открытия требовались столетия. Пример тому – история открытия закона сохранения и превращения энергии. Открытие этого закона нельзя отнести к какой-то определённой дате, нельзя приписать одному учёному. Он оказался установленным в результате повседневного наблюдения и обобщения явлений природы, кропотливого, настойчивого изучения и обобщения объективной действительности окружающего мира в течение многих веков.
Единственно научная философия – марксистский диалектический материализм – основывается на гениальном обобщении всего опыта развития человеческого общества, на твёрдом фундаменте ряда естественнонаучных открытий. Особое место среди них занимают три великих открытия XIX века: открытие клетки, теория Дарвина и закон сохранения и превращения энергии.
Ф. Энгельс считал закон сохранения и превращения энергии «установлением основных положений материализма» (В. И. Ленин, изд. IV, т. XIV, стр. 318).
Таким образом, закон сохранения и превращения энергии является одной из естественно-научных основ материалистического воззрения на природу, основой коренных положений диалектического материализма о материальном единстве мира, о глубокой взаимосвязи форм движения материи.
Всё сказанное позволяет понять, почему невозможен вечный двигатель, посредством которого изобретатели пытались создать энергию из ничего. Они, как мы теперь видим, действовали вопреки нерушимому закону сохранения и превращения энергии.
Заключение
История бесплодных попыток изобрести вечный двигатель очень поучительна.
К созданию невозможного вечного двигателя одни изобретатели приступали, игнорируя законы природы, другие же, не зная их, действовали на авось.
В наше время, в эпоху расцвета науки и техники, едва ли есть серьёзные изобретатели, которых увлекала бы бесплодная в своей основе идея создания вечного двигателя. Люди, пытающиеся построить вечный двигатель, показывают лишь своё незнание законов природы. Этой книжкой мы и старались предостеречь таких людей от бесполезной затраты времени и труда, помочь им направить свою энергию на овладение необходимыми научно-техническими знаниями.
Мечта осуществить вечный двигатель – невыполнимая мечта изобретателей потому, что она противоречит закону сохранения и превращения энергии.
Из ничего энергия не получается. Само собой движение не возникает. Ф. Энгельс в «Анти-Дюринге» писал: «Материя без движения так же не мыслима, как и движение без материи. Движение поэтому так же несотворимо и неразрушимо, как и сама материя… движение не может быть создано, оно может быть только перенесено».
Итак, вечный двигатель невозможен. Одна из существенных задач современной техники состоит не в бесплодных попытках создания вечного двигателя, а в решении проблемы более полного использования энергии работающими двигателями.
