Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
На самом деле практики интуитивно использовали этот принцип еще задолго до того, как физики сумели убедительно доказать его на экспериментальном материале. Еще в 1775 году Парижская академия наук отказалась рассматривать какие бы то ни было проекты устройств, о которых заявлялось, что они будут производить энергии больше, чем потреблять. Такое устройство, если бы его существование было возможным, могло бы производить работу и вместе с тем продолжать работать за счет энергии, производимой им же самим. Получился бы пресловутый «вечный двигатель». И сейчас Патентное бюро США не будет рассматривать вопрос о патентовании устройств, включающих в
Закон сохранения энергии подвел черту, провозгласив, что ни одно устройство не может вырабатывать больше энергии, чем тратит, однако не исключил надежды на то, что можно хотя бы получать столько же энергии. Если 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 XIX 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 Уатт опирался в своих разработках паровой машины на работы Блэка, посвященные латентному теплу, о которых говорилось в предыдущей главе. А кто из слышавших об изобретении Уатта знает, что оно стало возможным только благодаря теории Блэка?
Эффективность самых лучших машин Уатта, какими 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 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 XIX века значение этой науки все более возрастало, поэтому к тому моменту, как был четко сформулирован закон сохранения энергии, по причине 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 этой книге Карно 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 T1 а вторую — как Т2, то наибольшая доля тепла, которую
Доля преобразуемого тепла, то есть, иными словами, эффективность системы, одинакова, независимо 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 Уатта используется пар, нагретый до 100 °С (373 °К), а температура конденсируемой воды — 5 °С (278 °К). Тогда по формуле Карно получаем:
Лишь примерно четверть, и не больше, производимой тепловой энергии может быть преобразована 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 равна Т1 соответственно, формула Карно приобретет вид:
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. К 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 (кинетическую энергию вращающихся винтов), а переход энергии из одной формы в другую в первом законе термодинамики оговорен отдельно.
Однако ни одна схема такого рода 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.