Текст книги "Удивительная физика"

Кто такой «демон Максвелла»?

Как уже говорилось, Рудольф Клаузиус доказал, что тепло может непосредственно (без преобразований!) переходить только от горячих тел к холодным. Это называется вторым началом термодинамики. Конечно, с помощью преобразователей энергии – машин можно передать тепло от холодных тел горячим. Ну, например, холодной батарейкой от карманного фонаря раскалить горячий волосок лампочки. Но это происходит с преобразованиями форм энергии и опять же с переходом части ее в низкотемпературное тепло. А чтобы обратно – от холодных к горячим, – так тепло не ходит, хотя принципиального запрета на это нет.

Последняя фраза как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли 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 при этом нагревания, теплового загрязнения окружающей среды и, разумеется, тепловой смерти нашего Мира.

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 рассеяния, поэтому получается «вечный круговорот материи», вечно возрождающаяся 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 г. великий английский ученый Джеймс Максвелл. Он приписал функции подобного механизма некоему фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла». Это существо, утверждал ученый, обладает столь изощренными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в ее движениях и знать ее скорость. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы в перегородке, мы можем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. «Демон» будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные – в другую, тогда в одной части сосуда и температура, и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы без затраты работы получим неограниченный запас энергии.

«Демон Максвелла», придуманный более 100 лет назад, и ныне будоражит умы людей. Много раз ученые убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, не имеющая никакой реальной основы игра воображения. Действительно, если бы в сосуде были всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала. Академик А. Ф. Иоффе оценил возможность процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут еще восемьдесят четыре нуля. Это гораздо меньше вероятности получения в столкновении «Москвича» и «Запорожца» совершенно нового «Мерседеса».

Однако страсти не унимаются, приверженцы «демона» стараются найти все новые аргументы в его 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 молекул газа якобы происходит в вакуумной камере под воздействием гравитационного поля Земли: дескать, в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые. Кроме того, заявляют, будто измерения температуры кипения жидкости в различных ее частях показали отклонения, достигающие десятков градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», они могли возникнуть?

Однако до сих пор нет ни строгих доказательств возможности перехода тепла от холодных тел к горячим, или, как этот процесс иногда называют, энергетической или тепловой инверсии, ни строгих его опровержений, что и подогревает интерес к дальнейшим поискам.

Так что ищите, если хотите, хотя вероятность находки исчезающе мала…

Перпетуум-мобиле поливает огурцы

После «демона Максвелла», которого старательно ищут изобретатели всех стран и народов, не мешало бы поговорить о тепловых «вечных двигателях», которые… работают. Поливают огурцы, например.

И хотя это не совсем «вечные», а скорее двигатели на даровой энергии, но все, кто их видит, почему-то считают их вечными. Сначала расскажем о «вечном двигателе», который автор сделал на даче для полива огурцов. Вот как изготовить его самому.

Обычную 200-литровую бочку окрашиваете снаружи в черный цвет (как говорят, чтобы тепло притягивала). Переворачиваете бочку отверстием для пробки вниз и вставляете в это отверстие резиновую пробку с двумя шлангами, на одном из которых – всасывающий клапан, а на другом – нагнетающий (эти клапаны легко изготовить из «пальцев» от резиновой перчатки или снять со старого противогаза). Шланг с всасывающим клапаном помещаем в бассейн, другую бочку и т. д., а с нагнетающим – например, в теплицу, которую надо поливать (рис. 261). Ночью бочка охлаждается, давление в ней падает, и она всасывает воду. Днем бочка нагревается, особенно если день солнечный, давление в ней растет и выталкивает одно-два и более ведра воды через нагнетающий клапан, поливая растения. Можно на неделе и не ездить на дачу – полив будет обеспечен! Какой еще «вечный двигатель» сослужит вам такую службу?

Рис. 261. Перпетуум-мобиле из бочки: 1 – бочка; 2 – пробка с клапанами; 3 – шланг; 4 – водоем

Но чаще всего такие двигатели на даровой энергии используют для подзаводки часов. Вот, например, самозаводящиеся часы, основанные на тепловом расширении металлов. Их механизм изображен на рис. 262. Главная часть его – стержни Z1 и Z2, сделанные из металла с большим коэффициентом теплового расширения, например алюминия. Стержень Z1 упирается в зубцы колеса X так, что при удлинении этого стержня от нагревания зубчатое колесо немного поворачивается. Стержень Z2 зацепляет за зубцы колесо Y при укорочении от холода и поворачивает его в том же направлении. Оба колеса насажены на вал W1, при вращении которого поворачивается большое колесо с черпаками. Черпаки захватывают ртуть, налитую в нижний желоб, и переносят в верхний, оттуда ртуть течет к левому колесу, также с черпаками. Наполняя последние, ртуть заставляет колесо вращаться, при этом приходит в движение цепь К, охватывающая колеса К1 (на общем валу W2 с большим колесом) и К2; последнее колесо закручивает заводную пружину часов. Ртуть, вылившаяся из черпаков левого колеса, стекает по наклонному желобу R1 чтобы опять начать свое перемещение.

Рис. 262. Самозаводящиеся часы с опасным «наворотом»

Механизм, как видим, должен двигаться не останавливаясь до тех пор, пока будут удлиняться или укорачиваться стержни Z1 и Z2. Следовательно, для завода часов необходимо только, чтобы температура воздуха попеременно то повышалась, то понижалась. Но именно это и происходит само собой, а всякая перемена в температуре окружающего воздуха вызывает удлинение и укорочение стержней, вследствие чего медленно, но постоянно закручивается пружина часов.

Вообще, изобретатель таких самозаводящихся часов был большим затейником. К тому же, видимо, он пытался подарить эти часы своему злейшему врагу, чтобы отравить его ртутными парами. По крайней мере, вся эта затея с ртутью и черпаками выглядит каким-то наворотом. Прекрасно заводились бы часы только от вращения первого колеса с зубцами. К тому же изобретателю надо было сказать, что ось этого колеса закреплена на основании материалом, имеющим низкий коэффициент теплового расширения, например сталью. Вот такие часы на двух столбах – стальном и алюминиевом, безо всякой там ртути, строились и работали на улицах в Швейцарии. Днем, когда тепло, столбы удлинялись – алюминиевый вдвое сильнее, чем стальной, а ночью, когда холодно, они укорачивались. Часы работали.

Рис. 263. Самозаводящиеся часы с трубкой, заполненной глицерином:

а – схема: 1 – трубка с глицерином; 2 – груз; б – общий вид с трубкой, скрытой в цоколе часов

Другой образец самозаводящихся часов сходного устройства показан на рис. 263. Здесь главной действующей частью является глицерин, сильно расширяющийся с повышением температуры воздуха и поднимающий при этом некоторый груз, опускание которого и движет механизм часов. Так как глицерин затвердевает лишь при – 30 °С, а кипит при 290 °С, то механизм этот пригоден для часов на городских площадях и других открытых местах. Колебания температуры на 2 °С уже достаточно для обеспечения хода таких часов. Один экземпляр их испытывался в течение года и показал вполне удовлетворительный ход, хотя за то время к механизму не прикасалась ничья рука.

Выгодно ли по тому же принципу устраивать двигатели более крупные? На первый взгляд кажется, что подобный даровой двигатель должен быть очень экономичен. Вычисление, однако, показывает другое. Для завода обыкновенных часов на целые сутки нужно энергии всего около 1,5 Дж. Это составляет в секунду около 2 · 10 – 5 Дж. Иначе говоря, мощность этого механизма и есть 2 · 10 – 5 Вт. Даже если стоимость этого механизма мы оценим всего в 10 долларов, то 1 кВт мощности нам обойдется в 50 миллионов долларов!

И в заключение нельзя обойти вниманием еще одни самозаводящиеся часы, на сей раз работающие от изменения атмосферного давления.

В XVIII в. один изобретатель использовал барометр для завода часового механизма и таким образом построил часы, которые сами собой заводились и шли безостановочно (рис. 264). Известный английский механик и астроном Фергюссон видел это интересное изобретение и в 1774 г. отозвался о нем так:

«Я осмотрел вышеописанные часы, которые приводятся в непрерывное движение подъемом и опусканием ртути в своеобразно устроенном барометре; нет основания думать, чтобы они когда-либо остановились, так как накопляющаяся в них двигательная сила была бы достаточна для поддержания часов в ходу на целый год, даже после полного устранения барометра. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное знакомство с этими часами, они являются самым остроумным механизмом, какой мне когда-либо случалось видеть – и по идее, и по выполнению».

Рис. 264. Еще одни самозаводящиеся часы, работающие от перемены атмосферного давления

К сожалению, опять имеем дело с ртутью. Сколько человек отравилось ее парами, сейчас неизвестно. Рассказывают только, что при золочении куполов церквей ртутной амальгамой люди гибли десятками. Хитер был Галилей: не имел дела со ртутью – прожил более 80 лет. А ученик его Торричелли! Вы посмотрите только на рисунок, где он изобретает барометр! Ведь ртуть там в огромных открытых, можно сказать, корытах! По нынешним санитарным нормам это преступление. Вот и умерли молодыми и Торричелли, и Паскаль…

Римляне тоже не знали, что свинец токсичен, и ели из свинцовой посуды. Говорят, что это – одна из причин гибели Древнего Рима…

Двигателю… две тысячи лет?

Да, что-то около этого, потому что первый тепловой, а именно паровой, двигатель придумал не Джеймс Уатт, как многие думают, а уже известный нам Герон Александрийский почти 2 тысячи лет назад.

Но еще раньше, более 2 тысяч лет назад, Архимед придумал и построил паровую пушку, которая тоже была некоторым образом паровой машиной, хотя и однократного действия. Пушка эта называлась сложно – архитронито (переводится с греческого как «сверхгром» или «супергром»).

Что за человек был Архимед? Ведь он сделал для науки и техники гораздо больше, чем в состоянии сделать один человек. Великий римский оратор Цицерон так сказал об Архимеде: «Я полагаю, что в этом сицилийце было больше гения, чем может вместить человеческая природа».

А вот как писал об Архимеде античный историк Плутарх:

«И нельзя не верить рассказам, будто он был тайно очарован некоей сиреной, не покидавшей его ни на миг, а поэтому забывал он и о пище, и об уходе за телом, и его нередко силой приходилось тащить мыться и умащаться, но и в бане он продолжал чертить геометрические фигуры на золе очага и даже на собственном теле, натертом маслом, проводя пальцем какие-то линии, – поистине вдохновленный музами, весь во власти великого наслаждения. Архимед был человеком такого возвышенного образа мыслей, такой глубины души и богатства познаний, что о вещах, доставлявших ему славу ума не смертного, а божественного, не пожелал написать ничего, но, считая сооружение машин и вообще всякое искусство, сопричастное повседневным нуждам, грубым и низменным, все свое рвение обратил на такие занятия, в которых красота и совершенство пребывают, не смешиваясь с потребностями жизни».

В рукописях Леонардо да Винчи сохранились эскизы и описания архитронито. Эскизы приведены на рис. 265.

Рис. 265. Архитронито Архимеда. Эскизы Леонардо да Винчи: 1 – ствол; 2 – жаровня; 3 – водяной бачок

Главной частью этого орудия является ствол 1. Задняя часть ствола примерно на треть длины помещена в жаровню 2. Правее и выше жаровни мы видим водяной бачок 3 с краном. Перед стрельбой в ствол вводят ядро, раскаляют на жаровне заднюю часть ствола и вводят в нее из бачка с помощью крана порцию воды. Вода мгновенно превращается в пар, который своим давлением выбрасывает ядро. Леонардо считал, что орудие способно бросать ядро весом 1 талант (24 кг) на расстояние шести стадий (чуть более 1 км).

Наш современник грек И. Саккас построил модель архитронито по эскизам Леонардо. Ядро этой модели – теннисный мячик, заполненный цементом, пролетел 40 м. Скромно, но ведь это всего лишь модель.

Есть все основания считать архитронито тепловым двигателем – в нем есть цикл сжатия, который происходит одновременно с нагревом, а расширение пара – в процессе движения ядра в стволе. Но все-таки настоящим паровым двигателем в полном смысле этого слова, непрерывно действующим и выделяющим энергию в виде вращения, был, конечно же, эолипил Герона Александрийского. Эол в древнегреческой мифологии – бог ветров. Отсюда и название машины.

Сосуд с водой шарнирно соединялся двумя трубками с полым шаром, содержащим два сопла, загнутых в одну и ту же сторону (рис. 266). Когда под сосудом разводили огонь, пар по трубкам попадал в шар и по соплам вырывался наружу. Древние не знали, что такое пар, они думали, что вода при нагревании переходит в горячий воздух. Сам Аристотель об этом говорил, поэтому и Герон был уверен, что из сопел вырывается горячий ветер.

Рис. 266. «Эолипил» – турбина Герона Александрийского

Как и положено реактивной турбине, она, шипя и свистя, начинала быстро вращаться. Однако турбина не выполняла никакой полезной работы, хотя вполне могла бы это делать. По этому же принципу сейчас работают центробежные маслоочистители на автомобилях, только вместо пара там из сопел вырывается масло.

Лишь в XVII в. эолипил Герона или его аналог нашел практическое применение. В 1629 г. римский архитектор Дж. Бранка опубликовал книгу «Различные машины», где рассказал о своем изобретении. Тот же резервуар с водой в виде человеческой головы, та же турбина (только не реактивная, а активная с лопатками), с приводом на тяжелые песты для дробления руды (рис. 267).

Рис. 267. Паровая ступа Дж. Бранка: 1 – котел; 2 – сопло; 3 – турбинное колесо

Первое применение паровой машины в качестве водяного насоса опять же принадлежит Герону Александрийскому (рис. 268).

Рис. 268. Тепловой двигатель-насос Герона Александрийского:

1 – резервуар; 2, 6 – трубки; 3 – шар; 4 – сифонная трубка; 5 – сосуд

Устройство имеет резервуар 1, заполненный водой. На крыше резервуара укреплены шар 3 и сосуд 5. Верхняя часть полости шара 3 сообщена с водяным объемом резервуара 1 трубкой 2. Водяной объем шара 3 соединен с сосудом 5 сифонной трубкой 4. Устройство устанавливается на месте, открытом солнечным лучам. В солнечную погоду шар 3 нагревается, и давление пара в нем увеличивается. Под давлением пара вода из шара 3 поступает в трубку 4. После заполнения трубки 4 вода начинает поступать в сосуд 5. Перекачивание воды происходит как под действием избыточного давления в шаре 3, так и вследствие сифонного эффекта, т. е. сосуд 5 заполняется водой и в пасмурную погоду до тех пор, пока уровни в вазе и шаре не сравняются. Избыток воды из сосуда 5 сбрасывается в резервуар 1 по трубке 6. Ночью шар 3 охлаждается, и пар, заполняющий верхнюю полость шара, конденсируется. При этом в шаре образуется вакуум, т. е. давление падает ниже атмосферного. Под действием образовавшейся разности давлений по трубке 2 в шар 3 начинает поступать вода из резервуара 1. Так происходит заполнение шара 3 перед последующим дневным циклом.

Напоминает описанный ранее «вечный двигатель» для поливки огурцов. Не хватает только клапанов и теплицы с огурцами. Обидно даже, как этот Герон сумел всех опередить!

Но практического применения все эти машины в античном мире не нашли. Была дешевая сила животных и рабов, и машины тогда были лишь в качестве игрушек.

Первые промышленные паровые машины появились в Англии в виде водяных насосов для откачки воды из шахт и рудников. Раньше эту работу выполняли животные на ступальных колесах. На некоторых рудниках число лошадей, работающих на откачке воды, достигало 500. Угледобывающая промышленность Англии буквально гибла от непомерной стоимости откачки воды из шахт. Вот тут-то и появилась необходимость в тепловой машине, которая, потребляя имеющиеся в избытке уголь и воду, могла бы заменить лошадей.

И первой паровой машиной, откачивавшей воду из рудников, была «огненная машина» английского военного инженера Томаса Севери (1650—1715). Томас Севери получил патент на свою машину в 1698 г. Эта машина (рис. 269) имела один сосуд 1, верхняя часть которого соединялась трубкой 7 с котлом 2. Котел имел предохранительный клапан 4 и трубку 3 для заполнения котла водой. К сосуду 1 присоединялись также всасывающая трубка 12 с клапаном 11 и нагнетающая трубка 6 с клапаном 10. Машина была снабжена баком 8 с краном 9. При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался. Так как необходимо было периодически поворачивать оба крана – 5 и 9, их соединили пластиной.

В машине Севери, как и у Герона, использовались как избыточное давление пара, так и вакуум, возникающий при конденсации пара.

Рис. 270. Первая поршневая атмосферная машина Т. Ньюкомена:

1 – тяга; 2 – груз; 3; 8 – цепи; 4; 6 – плечи балансира; 5 – балансир; 7 – бачок; 9 – поршень; 10 – цилиндр; 11; 13 – краны; 12 – котел

Но настоящий переворот в технике принесли лишь поршневые паровые машины. Среди их создателей первым был англичанин Томас Ньюкомен (1663—1729), кузнец по профессии, инженер-самоучка. Он сам устанавливал машины Севери на рудниках и хорошо знал об их недостатках – невозможности откачки воды из глубоких шахт.

В машине Ньюкомена мощностью 7,5 кВт, построенной в 1725 г., установленные в шахте насосы приводились длинной тягой 1 (рис. 270), подвешенной вместе с грузом 2 с помощью цепи 3 на одном из плеч 4 балансира 5. Другое плечо 6 балансира такой же цепью 8 было соединено с поршнем 9, установленным в вертикальном цилиндре. Пар в цилиндр 10 подавался из котла 12 с помощью крана 11. Этот кран открывали, когда поршень находился в нижнем положении. Избыточным давлением пара поршень поднимался в верхнее положение. Совершался холостой ход, тяга 1 опускалась.

В верхнем положении поршня кран 11 закрывался. Одновременно открывался кран 13, и в цилиндр впрыскивалась холодная вода из бачка 7. Пар в цилиндре конденсировался, в результате чего в нем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался. Совершался рабочий ход, и тяга 1 поднималась.

Таким образом, машина Ньюкомена была скорее атмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением. Атмосферные машины были огромной величины при скромных мощностях. Кстати, атмосферная машина русского инженера-самоучки И. Ползунова (1728—1766), заработавшая через неделю после его смерти, тоже была громадной по размерам. Да и КПД таких машин был ничтожно мал.

Рис. 271. Схема работы паровой машины: а и б – прямой и обратный ход поршня

Первой настоящей паровой поршневой машиной (подчеркнем это, так как вообще первая паровая машина – все-таки эолипил Герона!) была машина, созданная Джеймсом Уаттом (1736—1819) в Англии в 1774 г. (рис. 271). Только в его машине именно пар своим давлением осуществлял рабочий ход поршня. Даже первая машина Уатта оказалась вдвое экономичнее машин Ньюкомена, не сравнивая уже их размеры. КПД лучших машин Уатта достигал фантастической величины в… 2,7 %! Нам эта цифра смешна, но именно машины Уатта изменили промышленную энергетику, именно они превратили XIX в. в век пара.

Но все-таки эолипилы, или паровые турбины, оказались победителями среди паровых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях, мощных судах (рис. 272). Их КПД на порядок выше, чем у машин Уатта, не говоря уже о мощностях в сотни мегаватт! Хитрый грек Герон и в этом опередил всех – он открыл паровую турбину!

Рис. 272. Паровая турбина большой мощности