Удивительная механика - Нурбей Гулиа

Вот почему КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что КПД любого теплового двигателя не может превышать величину, равную частному от деления разности абсолютных температур нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя (это по Кельвину; чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса).

Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200 °C, то есть 473 К, а уходит при температуре 100 °C, то есть 373 К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21 %. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10—15 %.

Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, а не пытаться с их помощью производить механическую работу. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы для обогрева салона тех же автомобилей, что будут работать на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».

Тепловая смерть и «демон Максвелла»

Честно говоря, невеселые мысли посетили меня в свете рассуждений об эффективности преобразования механической да и другой энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже невозможно извлечь ничего путного.

Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается, повышая температуру окружающей среды!

Но если повышается температура естественного «холодильника» тепловых машин, то одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин сразу. Это доказал еще в XIX веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей сравняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и произвести работу будет уже нельзя… Существование человечества станет невозможным!

Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине XIX века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил, энтропия есть некая величина, возрастание которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла.

Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространив свои выводы на всю вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» вселенной.

Конечно, энтропия – сложное понятие, оно с трудом воспринимается неподготовленным человеком, но мне помог прекрасный эмоциональный образ энтропии, энергии и их «отношений» в этом мире, найденный мною в одной старой книге: «Над всем, что совершается в беспредельном пространстве, в потоке преходящего времени властвует Энергия, как царица или богиня, озирая своим светом и былинку в поле, и гениального человека, здесь даря, там отнимая, но сохраняясь в целом количественно неизменной… Но где свет, там и тень, имя которой – Энтропия. Глядя на нее нельзя подавить в себе смутного страха – она, как злой демон, старается умалить или совсем уничтожить все то прекрасное, что создает светлый демон – Энергия. Все мы находимся под защитой Энергии, и все отданы в жертву скрытому яду Энтропии… Количество Энергии постоянно, количество же Энтропии растет, обесценивая Энергию количественно. Солнце светит, но тени становятся все длиннее. Всюду рассеяние, выравнивание, обесценивание…»

Этот отрывок весьма живо рисует ужасную картину приближения «тепловой смерти». И оказывается, до сих пор не найден механизм, защищающий вселенную от предсказанной Клаузиусом гибели. «Тепловая смерть» вселенной пугает людей, пусть даже гибель ее и должна произойти только через миллиарды лет. Даже писатель и философ Н. Г. Чернышевский высказался по этому поводу: «Формула, предвещающая конец движения во вселенной, противоречит факту существования движения в наше время. Эта формула фальшивая…

Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение…» Конечно же, Чернышевский не мог знать о Большом Взрыве, о том, что вселенная не бесконечна во времени…

Но последняя фраза Чернышевского как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли бы теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру, ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причем не боялись бы при этом повышения температуры окружающей среды – «теплового загрязнения».

Эту идею поддерживал и К. Э. Циолковский, он сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам ее рассеяния. Поэтому «получается вечный круговорот материи», вечно возникающая юность вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода – вот задача, которую ставил Циолковский.

Решить такую задачу, правда, по-своему, попытался еще в 1871 году английский ученый Джеймс Максвелл. Функции подобного механизма он приписал некому фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла». Это существо, утверждал ученый, обладает столь изощренными способностями, что может следить за движением и скоростью каждой отдельной молекулы. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы перегородки, мы можем заставить его открывать дверцу и пропускать в каком-нибудь одном направлении только быстрые молекулы, а в другом – только медленные. Тогда в одной части сосуда температура и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы, не совершая работы, получаем запас энергии.

«Демон Максвелла» и ныне будоражит умы. Много раз ученые убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, игра воображения, не имеющая никакой реальной основы. Действительно, если бы в сосуде было всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность их нахождения в одной части сосуда будет чрезвычайно мала. Академик А. Ф. Иоффе оценил возможность существования процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут еще 84 нуля. Вероятность получить при столкновении «жигулей» с «запорожцем» совершенно новый «мерседес» гораздо выше!

Однако страсти вокруг «демона» не утихают, приверженцы этой идеи стараются найти все новые аргументы в ее защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной проблеме «демона Максвелла», всерьез говорится о том, что роль «демона» в разделении молекул с разной энергией взял на себя квантовый генератор – лазер, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных.

Утверждают, что разделение молекул по скоростям в потоке газа якобы происходит в вакуумной камере под действием гравитационного поля Земли: дескать, в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые.

Кроме того, заявляют, будто показания, снятые в разных точках жидкости при измерении температуры ее кипения, могут отличаться на десятки градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», это можно объяснить?

Последнее меня заинтересовало, и я задумал сам провести опыт, который должен был подтвердить или опровергнуть существование злополучного «демона».

Прежде всего мне нужно было найти какой-нибудь стеклянный сферический сосуд и позеркалить его снаружи.

Подходящий сосуд я раздобыл довольно быстро – взял большой яркий шар из елочных украшений. Чтобы удалить внутренний зеркальный слой, промыл шар изнутри азотной кислотой.

Потом я купил в аптеке несколько ляписных карандашей. Ляпис содержит в себе соли серебра, которые и создают блестящую амальгаму на задней стороне зеркала. Растворив ляпис в чистой воде, я добавил туда немного каустика и обыкновенного сахара. Все это было мною сделано так, как описано во многих книгах для юных техников. Затем я слил раствор в эмалированную кастрюлю и опустил в нее стеклянный шар, наполненный горячей, почти кипящей водой. Тут же на внешней поверхности шара стал оседать слой серебра, и игрушка оказалась позеркаленной снаружи.