Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами
Шрифт:
Каждый может подсчитать, насколько трудно выполнять повседневные действия. Если для кипячения кружки воды для кофе необходимо 120 кДж, то за какое время справился бы с этой задачей хомячок? Грызун производит 0,5 Вт, или 0,5 Дж/с. Ему потребовалось бы 240 000 секунд, или около трех дней. С помощью пусковой рукоятки мы можем создать мощность 10 Вт, значит, смогли бы получить кружку кипятка в 20 раз быстрее, примерно за три часа [26] . А как бы обстояли дела, если бы у вас была своя личная АЭС? Подключенная к подходящему кипятильнику, она дала бы вам 1,5 млн Дж энергии всего за секунду. И вода для вашего кофе вскипела бы примерно за сотую долю секунды. Вот уж действительно быстро!
26
Майлар (англ. Mylar; также BoPET, Melinex, Hostaphan) – торговая марка компании DuPont для пленки
Стоимость энергии
В энергии нас больше всего смущает то, что мы за нее платим. Ваши счета за газ и электроэнергию, скорее всего, выставляются в киловатт-часах. Вроде бы единица мощности (ведь в ее названии присутствует слово «ватт»), но на самом деле это единицы измерения количества энергии. Мощность – энергия, деленная на время. Поэтому энергия, деленная на время, а затем снова умноженная на него же, снова становится собой. Киловатт-час энергии (1 кВт x ч) – это такое ее количество, которое потребляется за час работы прибора мощностью 1 кВт. Как эти единицы измерения работают на практике?
• Пылесос с электромотором мощностью 1000 Вт потребит 1 киловатт-час электроэнергии за час работы.
• Мощный электрокипятильник потребляет мощность 3 кВт. Поэтому за 20 минут он израсходует как раз 1 кВт x ч. И не важно, сколько внутри воды: разным будет только время кипячения.
• Экономичная электролампочка имеет мощность 10 Вт, поэтому только за четыре дня (примерно 100 часов) она потребит 1 кВт x ч электроэнергии.
• Энди, наш полноватый мастер восхождения на Эмпайр-стейт-билдинг со скоростью ступенька в секунду, развивает мощность примерно 200 Вт. Чтобы использовать 1 кВт x ч энергии, ему нужно затратить пять часов.
Какую бы работу вы ни хотели произвести, обычно для этого требуется одно и то же количество энергии [27] . Но если вы приложите большую мощность, то сможете выполнить ее быстрее. Какой бы способ вы ни выбрали для того, чтобы подняться на Эмпайр-стейт-билдинг, вам нужно будет поднять массу своего тела (которая принципиально не меняется) на определенную высоту, так что теоретически вам всегда нужно будет одно и то же количество энергии. На лифте, с помощью электромотора вы доберетесь наверх гораздо быстрее, чем пешком. Это значит, что лифт гораздо мощнее вас (для выполнения той же работы ему нужно значительно меньше времени). Каким бы способом вы ни кипятили литр воды, вам всегда будет необходимо для этого 378 000 Дж (378 кДж). Вы можете кипятить воду в электрочайнике, на газовой плите, над походным костром или просто мешая ее ложкой. Она в конце концов закипит (даже если вы будете делать это самым «эффективным» способом, то есть ложкой [28] ). Но каждый из этих способов обеспечивает доставку к воде энергии с разной скоростью, мощностью и за разное время. Если вы используете мощный кухонный трехкиловаттный электрочайник, то вскипятите воду втрое быстрее, чем в походном однокиловаттном. Вы используете то же количество энергии, но в три раза быстрее с втрое большей мощностью. Количество киловатт-часов будет одним и тем же, и это будет вам стоить одинаково.
27
Е = ћf, где ћ – постоянная Планка (6,626 x 10–34 Дж x с), а f – частота (Гц). Прим. науч. ред.
28
Именно свинец используют в защитных экранах в медицинских рентгенкабинетах и атомных электростанциях. Прим. науч. ред.
Откуда берется и куда девается энергия?
Деньги не появляются на вашем банковском счете и не исчезают из кошелька необъяснимым образом. Мы зарабатываем и тратим в процессе постоянного обмена с другими. С энергией происходит то же самое. Если вы нуждаетесь в ней, вы должны где-то ее «заработать» (потребив некоторое количество пищи или залив в бак своего автомобиля бензин). Если вы хотите что-то сделать, вы «тратите» свою энергию и сокращаете имеющиеся запасы. С финансовой системой можно манипулировать, печатая или даже подделывая деньги и заставляя их появляться буквально из ниоткуда, а с энергией такие трюки не проходят, сколько бы вы ни старались. Во Вселенной есть строго определенное количество энергии, и мы можем только «торговать» ею с нулевым результатом: если где-то мы получаем какое-то количество энергии, где-то ее ресурсы на такую же величину уменьшаются. Это фундаментальный закон физики, который называется законом сохранения энергии (не путайте с тем, что в быту мы понимаем под экономией энергии).
Эксперименты Джеймса Джоуля помогли представить этот закон в его самой известной и действующей до сих пор форме: мы не можем ни создавать, ни уничтожать энергию; мы способны только переводить ее из одного вида в другой. В подтверждение своей теории Джоуль предложил остроумный и живописный пример с водопадом, показав, что температура воды в месте ее падения будет чуть выше, чем в месте срыва вниз. Причина в том, что часть энергии падающей воды превращается в тепло. Произведя несколько быстрых вычислений, Джоуль подсчитал, что температура воды в нижней точке Ниагарского водопада должна быть на 0,2 градуса выше, чем в верхней [29] . К сожалению, практический эксперимент Джоуля по доказыванию этой гипотезы не удался (во время медового месяца он пробовал провести его на водопадах в Шамони во Франции с использованием высокочувствительных термометров). Вода при падении на ложе водопада разбивалась на слишком мелкие капли, и ученый не смог измерить ее температуру достаточно точно [30] .
29
Говард Хьюз (1905–1976) – американский предприниматель, инженер, режиссер и продюсер, пионер в области авиации. Знаменит своим эксцентричным характером и романами со звездами шоу-бизнеса, в конце жизни стал затворником; прототип для множества героев и герой ряда фильмов («Мелвин и Говард», 1980; «Авиатор», 2004, и др.). Прим. ред.
30
«К северу через северо-запад» (North by Northwest) – приключенческо-шпионский триллер 1959 года режиссера Альфреда Хичкока, по стилистике предвосхищающий фильмы бондианы. Прим. перев.
Что происходит, когда вы кипятите литр воды? Вы сообщаете сосуду, в котором находится вода, энергию в количестве 378 кДж. Это может быть соответствующий объем электроэнергии, который поступит по электропроводу к тепловыделяющему элементу электрочайника и превратится в тепло. Или соответствующий объем газа, который сгорит в конфорке и сообщит такую же энергию воде. Теоретически, если удастся исключить все тепловые потери у сосуда с водой, это могут быть 378 кДж энергии, произведенной сверхбыстрыми движениями вашего запястья с ложкой. В этом случае источником энергии станет ваше тело – возможно, пополнившее свои ресурсы за счет шоколадного печенья, которое вы до этого съели. Предположим, вам все же удалось разогреть ложкой литр воды. К моменту, когда она закипит, ваше тело должно потерять 378 кДж энергии, а вода получит столько же в виде тепла. Если вы потом выпьете эту горячую воду, то вернете себе часть затраченной энергии. Вода согреет ваше тело и восполнит количество энергии, которое вам нужно для поддержания нормальной температуры.
Почему нам больно?
Когда мы начинаем понимать, что такое количество энергии, то более ясно осознаём и многие другие явления нашей жизни, которые вроде бы прямого отношения к ней не имеют. Например, почему страдают машины во время аварий; почему ожог паром болезненнее, чем ожог кипятком, и почему так опасно падать с лестницы. Во всех случаях ответ один: потому что энергия должна во что-то трансформироваться. Здесь тоже действует закон ее сохранения.
Если вы едете по скоростному шоссе со скоростью 150 км/ч (40 м/с) в полуторатонной спортивной машине, в процессе движения она приобретает энергию. Мы называем эту энергию кинетической и можем рассчитать ее по простой формуле: это половина массы движущегося тела, умноженная на скорость в квадрате [31] . Подставив нужные числа, вы легко найдете, что машина обладает энергией немного более 1 мДж. Как только она сталкивается с препятствием, ее скорость падает до нуля и она утрачивает кинетическую энергию. Так что разбить автомашину в ДТП значит высвободить энергию в 1 мДж в мгновение ока. А появляющаяся в результате мощность будет равна энергии, деленной на количество секунд, в течение которых происходит авария. Так что если ваша машина сжимается в гармошку, скажем, в течение половины секунды, то возникает мощность: 1 мДж / 0,5 с = 2 мВт. Это (как видно из табл. 3) примерно равно мощности паровоза. Именно поэтому автоаварии часто приводят к летальному исходу и поэтому машина в процессе серьезного ДТП так деформируется. Чем дольше длится сам процесс аварии, тем меньше время воздействия сил (на сам автомобиль и сидящих в нем людей), и тем больше у ее участников шансов выжить.
31
Astral Weeks – альбом англо-ирландского певца Вана Моррисона (1968); Tubular Bells – дебютный сольный альбом англичанина Майка Олдфилда (1973); Trout Mask Replica – третий студийный альбом певца-авангардиста Дона ван Влиета, выступавшего под псевдонимом Капитан Бифхарт (1969). «Жестяной барабан» – дебютный (и самый известный) роман немецкого писателя Гюнтера Грасса. Опубликован в 1959 году и стал ядром «данцигской» трилогии Грасса. «Уловка-22» – роман американского писателя Джозефа Хеллера; неоднократно переведен на русский язык. Прим. ред.
Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым [32] .
32
Аналоговый компьютер, или аналоговая вычислительная машина (АВМ) – вычислительная машина, которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических параметров (скорость, длина, напряжение, сила тока, давление). В этом и состоит его главное отличие от цифровой ЭВМ. Другое принципиальное отличие – отсутствие у АВМ хранимой программы, под управлением которой с помощью одной машины можно решать разнообразные задачи. Прим. перев.