Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали
Шрифт:
Другими словами, Лазар верил, что в основе лежат фундаментальные принципы, характерные для всех механических машин независимо от их устройства, и эти принципы позволят создать общую теорию, применимую ко всем ним. Он искал, так сказать, «большую картину». В то время его подход был уникален, поскольку другие исследователи, наоборот, предпочитали делать выводы, изучая определенные механические конструкции. Сади Карно применил изобретательный подход отца при составлении собственной теории тепловых двигателей.
В 1823 году, когда Сади Карно начал эту работу, прошло меньше тридцати лет с тех пор, как эксперименты Румфорда по сверлению орудий помогли понять, что «тепло – это движение». И хотя это должно было положить конец теплородной теории, ее догмы о сохранении тепла (о теплороде) были непоколебимы. Более полное понимание энергии ожидало своего часа в течение приблизительно тридцати лет до появления первого начала. Таким образом, не удивительно, что Карно принял (ошибочную) теплородную теорию и что в своем
Вечный двигатель первого рода
В рамках наших целей уточним: невозможность существования вечного двигателя первого рода означает, что вы не можете создать машину, которая позволит вам получить больше энергии, чем вы поместите в нее. Рассмотрим такой пример: вы заполняете бензобак в своем автомобиле и затем ездите, пока у вас не заканчивается топливо. Однако, вместо того чтобы остановиться, автомобиль продолжает двигаться, потому что (так или иначе) вы смогли получить из двигателя больше энергии, чем изначально давал полный бак. Поэтому, получив необходимый стартовый «толчок» от автомобиля с полным баком, вы можете продолжать движение на «оставшейся» энергии и вам не потребуется останавливаться у следующей автозаправочной станции.
Очевидно, этот тип вечного движения нарушил бы первое начало, так как в итоге мы получили бы больше энергии, чем было изначально заложено. И хотя вечный двигатель, который я описал, может казаться вам абсурдным, будьте уверены, что сегодня люди продолжают искать способ создать подобные устройства. Фактически официальная политика Бюро по регистрации патентов и торговых марок США (USPTO) в отношении вечных двигателей – не предоставлять патент на такое устройство без имеющейся рабочей модели:
«Бюро не требует предоставления рабочей модели, за исключением случаев, касающихся вечного двигателя. Если работа устройства вызывает сомнения, претендент должен доказать это, удовлетворяя требование эксперта бюро, однако претендент может выбрать сам, в какой именно форме предъявлять доказательства».
Безусловно, Патентное бюро США заполнит заявку на патент, поскольку это работа патентного секретаря, но фактического выпуска патента, которым занимается патентный эксперт [38] , скорее всего не будет. Тем не менее в 1979 году Патентное бюро действительно выдало патент (патент США 4 151 431) за устройство, казавшееся вечным двигателем, которое наглядно демонстрировало, что создание изобретения и выдача на него патента не означают, что оно будет на самом деле работать.
38
У проверяющих из патентной комиссии есть научные степени в области техники, а у некоторых – даже степень кандидата наук.
Когда вы поймете первое начало, вы можете задаться вопросом, как такое устройство вообще может быть даже темой споров, ведь, как описано, оно явно нарушает первое начало (отсюда название – «вечный двигатель первого рода»). Однако первое начало не является чем-то, у чего есть строгое математическое доказательство; это не что-то, что можно сесть и вывести при помощи математики и известной физики. Это просто утверждение – очень сильное, – которому мы верим, основываясь на всех экспериментальных данных, собранных до настоящего времени. Мы просто не нашли ни одного факта нарушения первого начала до сегодняшнего дня и поэтому считаем его истиной.
Обратимый тепловой двигатель Карно
Карно разработал математическую модель теплового двигателя, состоявшего из рабочего тела; нагревателя, в котором тепло вступало в реакцию с рабочим телом; и холодного резервуара, где часть этого тепла поглощалась рабочим телом. Вот так-то. Некоторые детали теплового двигателя были сознательно исключены – характер проделываемой работы, механическая конструкция (то есть подвижные части) и тип рабочего тела.
На практике после поглощения тепла из источника рабочее тело теплового двигателя [39] способно выполнить работу, расширяя ограниченное пространство, которое, в свою очередь, приводит в движение подвижные части. Например, в вашем автомобиле поршни находятся в ограниченном пространстве цилиндров, а тепло вырабатывается при сгорании горючего (рабочего тела) в этих цилиндрах. Это приводит к увеличению давления на поршни, что позволяет вашему автомобилю ехать по дороге.
39
Конечно, не все тепловые двигатели работают таким образом. Очень простой пример теплового двигателя – «пьющая птичка». Когда птица опускает свой клюв в стакан воды перед ней, она захватывает воду клювом и возвращается в вертикальное положение. С этого момента вода начинает испаряться
Жидкость (рабочее тело) в данном процессе играет важную роль. Она очень летучая, то есть при комнатной температуре значительная часть ее молекул находится в агрегатном состоянии пара, а некоторая часть – в жидком. В целом это относится ко всем жидкостям: некоторые их молекулы находятся в жидком состоянии, а другие – в газообразном, что приводит к росту давления пара жидкости. Однако у летучих жидкостей, в отличие от менее летучих, при равных температурах больше молекул находится в агрегатном состоянии пара. Это отражение притяжения молекул жидкости; чем оно сильнее, тем больше молекул остается в жидком состоянии и меньше – в состоянии пара, и наоборот. Это ключевой момент, потому что более летучая жидкость будет реагировать на разницу давлений гораздо сильнее, чем менее летучая, как и летучая жидкость внутри пьющей птицы, где больше молекул переходит из жидкого состояния в парообразное. Именно эти испарения, наряду с небольшим капиллярным эффектом, заставляют жидкость подниматься.
Карно игнорировал все эти небольшие детали, пытаясь вывести общую теорию тепловых двигателей с одним требованием – чтобы его тепловой двигатель был обратимым. Сделав это, он также создал абсолютно новую математическую модель термодинамики, которая используется до сих пор.
Теперь поговорим о том, что же такое обратимый процесс (или обратимая система). Если процесс обратимый, то система, задействованная в этом процессе, может быть возвращена или переведена в состояние, предшествующее началу процесса. Вот, собственно, и все.
Так в чем же, собственно, проблема? В действительности никакие процессы в природе [40] , – а это именно то, что нам интересно, – не являются обратимыми. Напротив, все они необратимы. Хорошо нам известный пример необратимого процесса – разбитое после падения яйцо. Естественно, оно никогда не сможет вернуться в прежнее состояние [41] . Более того, если разобраться, в основе процессов, протекающих в природе, лежат математические модели. К сожалению, обратимые процессы легче рассмотреть с точки зрения математики (что часто приводит к поразительным результатам), в отличие от необратимых. Таким образом, если возможно, лучше рассматривать наши необратимые процессы при помощи соответствующих обратимых.
40
За исключением систем и процессов, находящихся в равновесии, большинство систем и процессов, которые встречаются в природе, являются необратимыми. Такие системы равновесия включают в себя те, что подвергаются фазовому переходу. Например, когда вода приближается к точке заморозки/таяния или когда она кипит/конденсируется, система находится в равновесии и поэтому является обратимой. Другие примеры – химические реакции, находящиеся в состоянии равновесия. Это означает, что протекающие прямо и обратные реакции происходят одновременно. Однако это не означает, что они происходят на одинаковом уровне; на самом деле, обычно нет. Это последнее соображение относится к химической кинетике реакции, а не ее термодинамике.
41
Попробуйте представить себе стакан, который упал с лавки и разбился на множество осколков. Весьма наивно полагать, что, тщательно склеив все части, мы сможем вернуть стакан в прежнее состояние. Конечно же, у нас ничего не получится; в лучшем случае мы просто немного приблизимся к тому, что было раньше.
Рассмотрим такой пример: два кирпича абсолютно одинакового веса приклеены к горизонтальным качелям на равном удалении друг от друга и от центральной оси вращения (какая странная детская площадка!). Фактически вес одного кирпича уравновешивает вес другого вне зависимости от расположения качелей; направления этих сил уравновешивают друг друга. Если один из кирпичей стремится к земле, то второй от нее удаляется.
Теперь представим, что мы двигаем один из кирпичей сверху вниз таким образом, что это движение можно в любой момент обратить. Что ж, это кажется довольно простым. Обратимость в этом случае означает всего лишь то, что мы можем вернуть качели и кирпичи обратно в предшествующее положение в любой момент. Итак, мы начинаем перемещать качели вниз и вскоре слышим громкий скрип. Ось вращения заржавела, и на нее воздействует большая сила трения. Похоже, это может стать проблемой.