Возможен ли вечный двигатель?
Шрифт:
Одними из первых были созданы человеком водяные и ветряные двигатели. Затем появились паровые поршневые двигатели, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, электрические двигатели. Ветряной двигатель совершает работу за счёт энергии ветра; водяной — за счёт энергии потока воды; паровой — за счёт упругой силы пара, образующегося в паровом котле. Двигатель внутреннего сгорания и газовая турбина совершают работу за счёт энергии, образующейся в результате сжигания в них жидкого или газообразного топлива (бензина, керосина, горючего газа). Электрический двигатель работает за счёт электрической энергии, получаемой
Коротко говоря, двигатель совершает работу лишь в том случае, если к нему подведут какой-либо вид энергии. Иногда очень много средств, сил и труда затрачивается для того, чтобы обеспечить двигатель топливом или иным источником энергии. И всё же любой из существующих двигателей расходует пока её довольно расточительно. Таково свойство всех существующих двигателей. Ни один из них не совершает работы без потерь потребляемой энергии.
Чтобы определить экономичность двигателя и характер потерь энергии в нём, конструктор двигателя или инженер-эксплуатационник поступает подобно бухгалтеру, но инженер составляет баланс не хозяйственной деятельности, а так называемый тепловой баланс.
Мы не станем приводить математических расчётов, которые для этой цели проделывает инженер. Ограничимся лишь рисунком, наглядно показывающим тепловой баланс конденсационного турбогенератора (рис. 34), котельная которого работает на мазуте.
Рис. 34. Тепловой баланс конденсационного турбогенератора.
Оказывается, что из всей тепловой энергии, подведённой к турбогенераторной установке, лишь 13 % преобразуется в механическую, полезно используемую для производственных надобностей. Остальные 87 % представляют потери. Из них 59 % оказываются утраченными с горячей водой, выходящей из турбогенератора, 3 % —израсходовано на бесполезный нагрев трубопроводов и турбины, 25 % ушло в воздух через дымовую трубу.
Итак, если в топке парового котла турбогенераторной установки сжигается 100 кг мазута, то лишь энергия 13 кг полезно используется. Энергия остальных 87 кг мазута представляет бесполезные для производства потери.
Подобное явление потерь энергии происходит в любом из существующих двигателей.
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания, израсходовав, например, 100 кг бензина, совершает полезную работу, которую теоретически можно получить лишь от 20–35 кг. Остальные 65–80 кг расходуются на преодоление трения деталей двигателя, на нагрев его, с выхлопными газами и пр., то есть теряются бесполезно.
Но исчезает ли энергия?
Познакомившись с тепловым балансом, мы видим, что она не исчезает бесследно. Теряющейся для производства энергией подогревается окружающая среда, окружающий воздух. Иногда часть тепла турбогенераторных установок используют для отопления зданий или каких-либо иных производственных или хозяйственных сооружений. В некоторых случаях тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания используется для
Приведённые примеры показывают, что энергия в процессе перехода из одного вида в другой не исчезает бесследно и не создаётся из ничего.
Но не будем торопиться с выводами, что энергия не создаётся из ничего и не исчезает бесследно.
Обратимся ещё к опытам и теоретическим доказательствам учёных, проделанным на протяжении столетий с целью выяснения этого вопроса.
Таких опытов и доказательств выполнено столько, что для полного освещения их не хватит всей нашей книжки. Но в таком описании, пожалуй, нет надобности. Мы ограничимся рассказом лишь о некоторых из них.
10. Опыты учёных
Добывать огонь посредством трения человек научился уже на заре своей истории. Во всяком случае известно, что индейцы американского континента за несколько тысяч лет до открытия его Христофором Колумбом добывали огонь вращением палочки в углублении бревна. Рисунок 35 воспроизводит этот процесс, как он был изображён на камне в то давнее время.
Рис. 35. Добывание огня трением.
Ударом молотка, например, по концу мягкой железной проволоки диаметром 2–3 мм её можно разогреть до красного каления. Нередко так делали в сельских кузницах недавнего прошлого, чтобы разжечь горн. Это можно назвать неосознанным преобразованием механической энергии вращающейся палочки или падающего молотка в тепловую.
Преобразование механической энергии в тепловую нередко наблюдали и учёные. В 1798 году английский учёный Румфорд обнаружил сильное нагревание стволов пушек в процессе сверления. Вода, налитая в жерло, доходила даже до кипения.
В качестве источника этой теплоты была пара лошадей, вращавших привод сверлильной машины.
Переход механической энергии в тепловую наблюдал английский учёный Деви в 1802 году, производя опыт: трение двух кусков льда друг о друга. Лёд таял, превращаясь в воду.
Но учёные сталкивались со случаями перехода не только механической в тепловую энергию.
Английский учёный Михаил Фарадей, например, в 1821 году обнаружил появление электрического тока в катушке, в которую вдвигал один конец магнита. В этом же году Фарадей добился непрерывного вращательного движения проводников в магнитном поле, а десять лет спустя, вращая проводники в магнитном поле, получил электрический ток. Механическая энергия переходила в электрическую и, наоборот, электрическая — в механическую.
Несколько позже эти опыты Фарадея были подтверждены членом Петербургской академии наук Э. X. Ленцем, опубликовавшим в «Анналах» Погендорфа за 1834–1835 гг. результаты исследований индукционных токов. Основным выводом его исследований было знаменитое и поныне «правило Ленца», из которого следует, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, пересекающем его, возникает индукционный ток.
Из опытов Румфорда и Деви не было сделано правильных выводов ни ими, ни их учениками, современниками, потому что все они руководствовались в то время неправильными взглядами на природу тепла. Правильных же выводов М. В. Ломоносова об этом они не знали.