Текст книги "Удивительная механика"

Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.

Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», да мало ли еще какими, – их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильником, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.

Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию движения атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.

Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью перешло в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они бы не передали, осталась бы еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.

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 °С, 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».

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!

Демон Максвелла, как я его себе представлял

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».

Один из приборов для «поимки» «демона Максвелла» – зеркальный шар с кипятком и термометром

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.

Я вынул шар из раствора, высушил его и для прочности зеркального слоя покрыл снаружи слоем лака, воспользовавшись баллончиком аэрозоля для закрепления прически. Потом залил в шар горячую воду и закрыл пробкой с термометром. Термометр мог перемещаться, скользить в пробке, причем чувствительный шарик его проходил через центр сосуда.

Рассуждения мои были таковы. Все тепловые лучи, идущие от горячей воды (а они такие же, как и световые, но невидимые), отражаясь в сферическом зеркале, должны пересечься в центре. Вода прозрачна и не помешает ходу лучей. Если, поместив шарик термометра в точке их пересечения, я получу наибольшую температуру, это будет означать, что тепло сконцентрировано именно в этой точке. Из центра круглого сосуда горячую воду можно удалить насосом через прозрачную трубку, чтобы дать возможность теплой воде нагревать себя в этой центральной части и дальше.

Сказано – сделано. Но только как я ни перемещал термометр, он везде показывал одну и ту же температуру. То ли термометр был недостаточно точен, то ли была ошибка в моих рассуждениях, то ли «демона Максвелла» действительно быть не может, я так и не понял. Мне трудно было разобраться во всем этом, да и не своим делом заниматься не хотелось. Я ведь искал «энергетическую капсулу», а не «демона Максвелла».

Признаться, мне казалось, что тепловую энергию можно каким-то образом получить и без помощи «демона Максвелла». Например, достаточно облить водой негашеную известь – и она разогреется до температуры выше 100 °С. Или, скажем, налить в стакан с водой серную кислоту – раствор сразу же нагреется так, что стакан в руках не удержишь. Подспудно я понимал, что выделяющееся тепло «заложено» и в известь, и в кислоту при их производстве. Просто это химическая энергия переходит в тепло, как при сжигании дров. Но был опыт, который совершенно сбивал меня с толку.

Как-то я испытывал в качестве аккумулятора плавления обыкновенный фотографический фиксаж, или гипосульфит. Он легко плавился и долго не застывал, оставаясь жидким. Я заметил, что он сохраняет жидкое состояние и при температурах ниже точки затвердевания, буквально при комнатной температуре. Это уже показалось мне странным. И совсем обескуражило меня то, что, бросив в этот переохлажденный расплав крошечный кусочек того же гипосульфита, я вызвал почти мгновенное его затвердевание. Но главное – по мере затвердевания гипосульфит… нагревался. Да-да, нагревался без всяких видимых причин, притом до такой степени, что плавился снова!

Если бы я не был уверен в том, что энергию получить из ничего нельзя, то обязательно занялся бы этим явлением. Но, во-первых, в правильности законов физики я не сомневался, а во-вторых, моей основной целью был все тот же энергетический накопитель. Так что снова на поиски «капсулы»!

Электрическая «капсула»

Автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как и в том, что от воплощения своей мечты он пока еще очень далек…

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то уж точно направили по ложному пути. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не отвлекаться на яркие пустышки, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня у меня значился конденсатор.

Я уже говорил, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, в котором в середине XVIII века был создан.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины, или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды, – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментаторов. Правда, это было давно, когда люди еще не знали об опасности такого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатор не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мой конденсатор не хуже лейденской банки. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII—XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» – стали определять емкость конденсатора как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, а в худшем – разрушится, причем, что не исключено, со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном счете нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще одно очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко меняться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора и стекла – до 7, а для воды – 81. То есть водный конденсатор обладает в 81 раз большей емкостью, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например электролитических, которые широко распространены в радиотехнике, выяснилось, что она очень низкая, не выше, чем у обычных стальных пружин. Даже у конденсаторов-гигантов плотность энергии не выше, хотя общее количество энергии может быть достаточно велико.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада (Ф). Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметр которого равен 18 млн км, то есть в 1500 раз больше нашей Земли! Разумеется, емкость большинства существующих конденсаторов значительно меньше, поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах (мкФ), или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах (пФ).

Геометрическое представление единицы электроемкости – фарады

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ при напряжении 300 В, то масса его составит несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее 0,5 Дж. Стало быть, плотность энергии достигнет около 10 Дж/кг. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в 10 больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!

Электролитический конденсатор

Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1 см³ такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой?

Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…

И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.

Конденсатор-гигант

Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.