Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"

Автор книги: Сергей Бердышев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 25 страниц)

Законы термодинамики

Термодинамикой называется наука, изучающая все энергетические процессы в природе, опираясь в первую очередь на молекулярно-кинетическую теорию. Термодинамика рассматривает все физические тела как сложные системы частиц или как составные элементы большой системы тел. Превращения энергии в таких системах определяют специфику протекания внутренних процессов. Конечным итогом процессов нужно считать превращение всех видов энергии в теплоту и достижение системой теплового равновесия. Как и почему это происходит, объясняют три закона, или начала, термодинамики.

Открыта энтропия

Энергия – это способность тела совершать работу, хотя, естественно, наличие энергии вовсе не означает, что тело непременно будет работать и работать. Если какой-то человек математик, то это еще не означает, что он постоянно решает задачки. Если батарейка от электронных часов пригодна к использованию, то это не значит, что она должна быть немедленно использована.

Тем не менее всякий вид энергии можно превратить при определенных условиях в работу. На человека в нашу эпоху работает тепловая, ядерная, электрическая, механическая и прочие формы энергии. Все перечисленные разновидности тесно взаимосвязаны, поскольку сравнительно легко превращаются друг в друга. Ядерная энергия на АЭС превращается в тепловую, нагревающую воду. Последняя превращается в пар, который порождает механическую энергию турбины, вырабатывающей электроэнергию.

Электроток приходит с АЭС в наши дома, где превращается в волновую энергию светового излучения, когда мы зажигаем лампочки. Или вновь превращается в механическую энергию, когда мы включаем пылесос. Электричество приводит во вращение лопасти винта, порождающее потоки воздуха. Так совершается полезная работа. Нетрудно заметить, что полезная работа всегда соответствует переданной энергии. Работа атомного реактора – нагреть воду. Работа водяного пара – привести в действие турбину. Работа турбины – выработка электрического тока. Работа тока – вращение якоря в обмотке мотора пылесоса. Работа служит количественной мерой передачи энергии.

Фактически тела способны обмениваться энергией лишь тремя способами – посредством совершения друг над другом работы, посредством теплообмена или массообмена. Конечный итог всех превращений энергии и любой работы есть образование тепловой энергии. Все природные процессы завершаются получением тепла. Ядерная энергия целиком переходит в тепловую, часть которой уходит в окружающую среду, а другая в работу. Интересно, что на работу затрачивается меньше тепла, чем рассеивается во внешней среде.

Тепловую энергию практически невозможно использовать полностью, как, впрочем, и любой другой вид энергии.

Водяной пар, взаимодействуя с турбиной, отдает ей и окружающей среде часть тепла. От этого он охлаждается и постепенно утрачивает способность производить работу. В итоге пар совершает меньше работы, чем получил энергии. Турбина из-за трения переводит часть полученной энергии в теплоту, т. к. разогревает детали. Ее полезная работа опять уменьшается. Электрический ток изначально обладает сравнительно большой энергией, однако часть ее расходуется впустую.

Провода передачи оказывают сопротивление току, отчего он частично переходит в тепло. Уже меньшая часть электрической энергии поступает к бытовым приборам. Но и они не обладают способностью переводить все энергетические затраты в полезную работу: часть энергии непременно растрачивается на бесполезное тепло. Всякому известно, что мотор пылесоса от работы нагревается. Что касается лампы накаливания, то она получает излучение целиком за счет теплоты. В таких лампах нагревается вольфрамовая нить, которая начинает испускать световые волны.

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 в сравнении с холодильником, тем выше производительность рабочего тела. В паровой машине нагревателем служит котел, рабочим телом – расширяющийся от нагрева пар, толкающий под давлением цилиндр, а холодильником – окружающий воздух.

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.

Третье начало термодинамики было сформулировано в 1906 г. немецким физико-химиком В. Нерстом. Оно гласит, что по мере охлаждения тела до абсолютного нуля энтропия данного тела также уменьшается до нуля. Это естественно, поскольку при абсолютном нуле тепловое движение частиц – даже колебания атомов в узлах кристаллической решетки – полностью прекращается. А это означает, что беспорядок системы сводится на нет. Оттого, кстати, получить абсолютный нуль невозможно. Процессы в природе направлены на увеличение беспорядка. Технически человек сможет сколь угодно близко подойти к заветной температуре, но полностью движение частиц не остановит.

Законы термодинамики формулировались в эпоху появления парового транспорта и автоматических заводских машин.

Проекты и разработки двигателей для различных механических устройств заинтересовали тогда многих и породили потребность в исследовании природы теплоты. Предприимчивые промышленники переставали мечтать о «вечном двигателе» и желали иметь на заводах реально действующее оборудование.

Изобретение паровой машины и автомобиля

История изобретения тепловых двигателей чрезвычайно интересна и поучительна, поскольку является историей наоборот. То есть здесь изобретение как бы опережает открытие. Едва физики разработали термометрическую шкалу (1742 г.), заложили основы молекулярного учения о теплоте (1744–1750 гг.) и ввели в науку понятие удельной теплоты парообразования (1757–1760 гг.), как сразу же изобретатели начали трудиться над созданием тепловой машины.

Принципов работы подобных механизмов тогда попросту не существовало, не были открыты все фундаментальные газовые законы, никто не подозревал о связи теплоты и энергии. Получилось иначе. Инженеры начали старт к новым технологиям со скромной теоретической базы, которая разрасталась и пополнялась открытиями по мере совершенствования изобретений. В учении о теплоте теория и практика следовали бок о бок, взаимно обогащая друг друга.

Причины того, что практическое развитие тепловых двигателей несколько опередило теорию этих устройств, а затем следовало за ней по пятам, кроются в промышленном перевороте. Эпоха позднего средневековья и начала Нового времени ознаменовалась повсеместным распространением на производстве механизации. Однако механизация, всецело зависящая от мускульной силы, была одновременно и фактором, сдерживающим дальнейшее прогрессивное развитие индустрии. Первой тепловой машиной являлся паровой насос, причем одним из наиболее ранних устройств этого типа считается насос Сэвери, построенный в Англии в XVI столетии.

Пар из котла насоса Сэвери подавался через перегонную трубку, снабженную вентилем, в специальный резервуар, заполненный водой. Поступающий под давлением пар вытеснял воду вверх по трубке, оснащенной клапаном. Затем пар остывал и конденсировался.

Давление в этой трубке падало, но вода не опускалась обратно, т. к. тому препятствовал клапан. Зато снизу поступала вода, которую и призван был втягивать насос. Машина Сэвери предназначалась для откачки воды из шахт и применялась до середины XVIII в.

Несколько раньше, в 1763–1766 гг., русским изобретателем И. И. Ползуновым была сконструирована другая тепловая машина. Автоматический и непрерывно действующий паровой двигатель был рассчитан на приведение в движение станков, различных механизмов и подобных им устройств на алтайских металлургических и горнорудных заводах. Это была самая первая тепловая машина в истории, однако устройство сыграло, к сожалению, незначительную роль в развитии науки. О нем и его изобретателе никогда не узнали за рубежом и быстро забыли на родине.

Более совершенным паровым насосом, чем устройство Сэвери, явилась машина, изобретенная английским кузнецом Ньюкоменом. Она была оснащена главным элементом теплового двигателя – поршневым цилиндром, который отсутствовал у насоса Сэвери. Несмотря на явные преимущества перед ранними типами тепловых машин, двигатель Ньюкомена мог применяться лишь в насосных установках.

Он не был лишен принципиальных недостатков остальных паровых машин, не являлся автоматическим и действующим непрерывно. Машина работала лишь часть цикла, т. е. пока поршень шел вперед.

Обратного хода поршня обеспечить не удавалось. Кроме того, устройство работало при условии, что обслуживающий персонал открывал и закрывал вентили.

Паровой агрегат непрерывного действия был сконструирован только в 1782 г. Дж. Уаттом. Изобретатель понял, что машина для поддержания непрерывного функционирования должна выбрасывать пар по завершении хода поршня. На эту идею Уатта натолкнула, если верить историческому факту, прыгающая на кастрюле крышка. Пар выпускался специальным регулирующим устройством, отдаленно похожим на современный золотник.

Первым транспортным средством, которое было оснащено тепловым двигателем, стал пароход. Название машины отражает отличительную особенность его технического устройства. Обычно датой изобретения парохода называют 1807 г., что совершенно неверно. Еще в начале 1780-х гг. на американских реках Потомак и Делавер курсировали действительно первые пароходы, сконструированные почти одновременно Дж. Рамсеем и Дж. Фитчем. Причем испытания парохода Фитча прошли столь успешно, что судно в дальнейшем регулярно выполняло грузоперевозки между Трентоном и Филадельфией в течение 1790-х гг.

Пароход 1807 г. вошел в историю лишь потому, что принадлежал знаменитому изобретателю. Автор этой машины P. Фултон прославился благодаря своей творческой активности и стремлению получить признание. Известно, что Фултон предлагал пароход Наполеону Бонапарту. Несомненно, техническая новинка позволила бы императору победить своих противников, и течение истории приняло бы иной поворот.

Однако Наполеон отверг предложение Фултона, о чем горько пожалел впоследствии. Любопытен факт, который остался без внимания многих историков техники. Задолго до Фултона к Наполеону обращался со сходным предложением некий маркиз Ж. д’Аббан. Он пытался продемонстрировать императору действие своего пироскафа, который представлял собой довольно примитивный пароход. К слову, Наполеон отверг и это предложение, явно недооценив значения техники для ведения военных действий.

Любопытно и другое. Во время ссылки Бонапарта на остров Святой Елены неспокойный изобретатель вновь принимает участие в судьбе императора. Фултон предлагает для бегства Наполеона с острова свое новое изобретение – подводный пароход, первую в истории субмарину, известную под названием «Наутилус». Известно, что к постройке подводной лодки приступили, и грандиозный проект прервала лишь внезапная смерть Бонапарта в 1821 г.

Таковы причины, по которым механические создания Фултона неизменно обращали на себя внимание историков. Однако ученые, несмотря на интерес к личности неординарного изобретателя, допустили и здесь серьезную ошибку. Почти во всех справочниках и учебниках содержится информация, что детище Фултона называлось «Клермонт». На самом деле судно именовалось «Пароходом Северной реки». Ошибка объясняется тем, что первым портом, куда заходил фултоновский пароход, был город Клермонт.

Честь изобретения первого паровоза, послужившего основой для новых разработок, нашедших практическое применение, принадлежит англичанину Г. Стефенсону. Свой паровоз он построил в 1814 г. Любопытно, что во время опытных испытаний этого транспорта на специально сооруженной для этого железнодорожной ветке перед стефенсоновским паровозом шествовал человек. Скорость хода машины была смехотворной и позволяла легко обойти шагом первый паровоз. Человек-сопроводитель же (по профессии боксер) защищал устройство от разъяренных обывателей, которые сочли паровоз дьявольской машиной, отравляющей воздух.

Окрыленный успехом Стефенсон построил первую настоящую железную дорогу. Открытие этой дороги, над проектом которой Стефенсон работал еще с 1825 г., состоялось в 1829 г. Дорога связала города Ливерпуль и Манчестер. Первый проезд по ней носил характер технического состязания. К тому времени несколько других видных изобретателей создали свои паровозы.

На станции Рейнхилл состоялись паровозные гонки, в которых приняли участие 4 машины. Фактически должны были участвовать 5 паровозов, но отстраненный от состязания оказался лишь макетом: внутри устройства находились лошади. Паровоз Стефенсона назывался «Ракета» («Рокет»). Со стороны остальных изобретателей были выставлены паровозы «Упорство» («Персеверанс»), «Несравненный» («Сан-парей») и «Новинка» («Новелт»). Победила «Ракета», закрепив за своим создателем почетный титул первооснователя паровозного транспорта. Если нынешний век сотрясает компьютерофобия, то в те далекие времена многих охватила самая настоящая «паровозофобия».

Баварское медицинское общество резко критиковало новомодные транспортные средства, утверждая, что они вредят здоровью. Паровоз может вызвать у человека болезнь скорости. «Совершенно очевидно, – вынесли свой приговор доктора, – что быстрое движение должно вызвать у пассажиров заболевание мозга, своего рода буйное помешательство… Государство обязано защитить по крайней мере зрителей, ибо вид быстро мчащейся паровой машины может вызвать подобное заболевание у них».

Первый автомобиль, как и следовало ожидать, не был оснащен двигателем внутреннего сгорания. Это была паровая колесница, похожая на трехколесную телегу. Двигатель представлял собой паровой котел, сильно напоминающий чайник, который размещался в передней части машины. Создателем авто был французский изобретатель, капитан артиллерии Н.-Ж. Кюньо, который сконструировал свое детище в конце 1770-х гг. Уже в 1779 г., т. е. задолго до изобретения паровоза (!), машина была построена и использовалась как транспортное средство.

Вода в котле кипела не постоянно, а с перерывами в 15 мин. Четверть часа автомобиль двигался за счет накопленной энергии и покрывал за это время до 1 км. В течение последующих 15 мин воду вновь кипятили. Несмотря на сравнительный успех паровозной техники в начале 1830-х гг., паровые автомобили тогда не пользовались популярностью. Английское правительство издало к 1831 г. около полусотни указов, ограничивающих свободу передвижения посредством автотранспорта.

В 1865 г., когда паровоз и пароход окончательно отстояли свои позиции, автомобиль подвергся еще большим гонениям. Кульминацией этих гонений стал выход в свет «Закона о локомотивах». Изданный английскими властями, этот «Закон» строго регламентировал правила езды на авто. Ни один паровой автомобиль не мог в пределах города двигаться быстрее 4 км/ч (!), причем такую машину должен был сопровождать человек с флажком – всадник, который ехал перед автомобилем и оповещал о движении транспорта пешеходов и извозчиков.

Британские власти всячески препятствовали распространению паровых автомобилей и инженерным работам по их усовершенствованию.

Сходной позиции придерживались и прочие правительства во всем мире, хотя сегодня ясно, что паровой транспорт экологически чистый и безопасный. Помощниками правительств в начале XX столетия стали автомобильные магнаты – компании «Форд», «Олдс» и др. После того как паровой автомобиль победил на гонках во Флориде (США) в 1906 г., монополисты поняли, что проиграют в этой конкуренции. Паровой автомобиль развил скорость 205 км/ч, о чем в те времена не могли мечтать разработчики бензиновых двигателей.

Что касается бензинового двигателя, то он был изобретен только в 1868 г. французом Авелем. Судьба этого устройства интересна.

Когда закончились конструкторские работы по созданию «газолиновой повозки», как ее окрестили историки, началась франко-прусская война. Изобретатель, желая скрыть свое детище от прусской армии, зарыл повозку в защитный насыпной вал, перекрывавший неприятелю подступы к Парижу. После расчистки вала автомобиль обнаружить так и не удалось.

В течение длительного времени разработки в данном направлении не велись, и только расцвет нефтяной промышленности привлек внимание к газолиновым устройствам. Газовый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания был впервые построен спустя 10 лет после машины Авеля. Автором проекта выступил в 1878 г. немецкий изобретатель Н. Отто.