Жизнь и мечта

Ощепков Павел Кондратьевич

А как же с природой? Природа ведь не знает выведенных нами соотношений, она действует в согласии не с ними, а со своими собственными закономерностями.

Принцип взаимного преобразования в ней приводит к тому, что любое количество данного вида энергии может переходить в энергию другого вида только в том же строго определенном количестве, только в строго равном соотношении — не больше и не меньше.

Как же связать эти два взаимно исключающие положения? И однозначно ли приведенное выше соотношение определяет коэффициент полезного действия даже для одного и того же процесса преобразования тепловой энергии? Оказывается, нет. Это соотношение приводит к совершенно разным численным значениям, если одно и то же преобразование

происходит при разных уровнях абсолютных температур.

Например, если перепад температур составляет 100°, то при значениях T₁ = 1000° К и T₂ = 900° К мы получаем = 10%. При таком же перепаде температур, но при значениях абсолютных температур T₁ = 200° К и T₂ = 100° К получается уже равным не 10%, а 50%.

Как же это понять? Почему одно и то же количество тепловой энергии в одном случае может дать энергии другого вида только 10%, а в другом случае — 50%?

В чем здесь дело? Ведь всем хорошо известно, что количество тепловой энергии определяется тремя факторами: массой нагреваемого или охлаждаемого тела, его теплоемкостью и разностью температур. Абсолютное значение температуры в определение количества калорий, как известно, не входит. Калории есть калории, независимо от того, при какой температуре они измерены.

Очевидно, может быть одно из двух: либо тепловая энергия, взятая при различных значениях абсолютных температур, действительно может в одном случае с большей вероятностью (при низких температурах), а в другом с меньшей вероятностью (при более высоких температурах) переходить в другие виды энергии; либо это соотношение недостаточно точно выражает закон обращения тепла в другие виды энергии.

250

А существуют ли процессы, в которых тепловая энергия сразу же и стопроцентно переходила бы в другие виды энергии, например в механическое движение? Да, существуют.

Конечно, тепловая машина — это тоже устройство для преобразования тепловой энергии в механическое движение, но, как мы только что видели, коэффициент преобразования в ней принципиально не может достигать единицы (100%), он всегда много меньше единицы.

Однако если какому-либо телу (газу, жидкости, твердому телу) мы сообщили бы даже самую малую толику тепловой энергии, полученной любым способом, то в этом случае вся тепловая энергия ушла бы на повышение температуры этого тела. Это означает, в свою очередь, что она вся пошла на повышение механических скоростей движения молекул этого тела. Тепловая энергия в этом случае целиком и непосредственно преобразовалась в механическое движение.

Существует и обратный этому процесс — процесс преобразования механического упорядоченного движения в тепло — в движение- беспорядочное. Пример добывания огня трением — древнейшее и весьма наглядное тому доказательство. При трении вся механическая энергия переходит также целиком и непосредственно в тепло.

Таким образом, в одном случае тепловая энергия переходит целиком и полностью в механическое движение, а в другом случае, как, например, в паровых машинах, только частично.

Почему же существует такая большая и принципиальная разница в значениях коэффициента возможного преобразования тепловой энергии? Да потому, что указанное термодинамическое соотношение устанавливали исходя из конкретного представления о способах преобразования тепловой энергии в механическое движение, в работу: в обычном цикле любой паровой машины рабочее тело (пар, газ, вода и т. п.), получив определенное количество калорий от источника нагрева, нагреваясь до температуры Т\, в последующем не полностью отдает свою энергию в рабочем цикле, а уходит из объема машины с температурой Т% унося с собой соответствующее этой температуре количество калорий.

251

В этом случае

действительно нельзя получить стопроцентного преобразования тепловой энергии в механическое движение (хотя сама тепловая энергия есть тоже механическое движение, только отнесенное к молекулам вещества или к его кристаллической решетке, если речь идет о твердом теле). Но если отвлечься от конкретных, доступных нам способов преобразования тепловой энергии (через посредство тепловых машин, турбин и т. п.), а рассматривать их, так сказать, в природном аспекте, то мы должны будем признать, что для них нет никаких ограничений. В природе они существуют, и наш долг понять их.

В природе существуют переходы тепла не только от тел более нагретых к телам менее нагретым, но и от тел менее нагретых к телам более нагретым, хотя это и кажется маловероятным. На примерах таких переходов мы уже останавливались.

Значение коэффициента полезного действия (точнее — коэффициента преобразования) меньше единицы указывает лишь на несовершенство наших способов преобразования. В природе же он всегда равен единице. Да, собственно говоря, и в паровых машинах, турбинах и т. л. мы получим коэффициент преобразования также равным единице, если количество полученного механического движения отнесем не к полной затраченной энергии., а только к той ее части, которая действительно пошла на преобразование, т. е. за вычетом потерь и отходов. Это основной закон преобразования. Нет и не может быть других соотношений, так как в природе неизменно действует закон сохранения энергии, в природе нет и не может быть энергии более ценной и менее ценной — энергия всегда есть энергия. Только степень сосредоточения и рассредоточения определяет плотность ее на единицу объема. В атомном ядре, например, она сосредоточена с наибольшей плотностью.

Наглядную картину попеременного сосредоточения и рассредоточения энергии при одновременном взаимном переходе энергии одного вида (в данном случае электрической) в энергию другого вида (в магнитную) и обратно мы можем наблюдать и в колебательном контуре.

В тот момент, когда конденсатор этого контура заряжен, вся его энергия сосредоточена в электрическом поле между обкладками. А в тот момент, когда через катушку индуктивности течет электрический ток, энергия колебательного контура рассредоточена в магнитном поле этой катушки.

252

В случае открытого колебательного контура, каким является любая радиоантенна, энергия магнитного поля рассредоточена на громадном пространстве. Сосредоточение и рассредоточение в колебательном контуре проявляются весьма наглядно.

А разве плохо было бы создать, образно говоря, колебательный контур, в котором поочередное взаимообращение происходило бы не между электрической и магнитной формами энергии, а между электрической и. тепловой ее формами? Мыслимо ли такое?

Я думаю, более того, я твердо убежден, что это мыслимо. Электрическая форма энергии уже сейчас легко и просто превращается в тепловую форму энергии на любом омическом сопротивлении. А вот осуществить обратный процесс пока не удалось. Но можно ли утверждать, что его никогда не удастся открыть? Многие факты говорят за то, что подобный процесс можно осуществить.

Какое значение для человечества будет иметь это открытие, мы не можем сейчас в полной мере даже оценить.

Самой пылкой фантазии не хватило бы для такой оценки, ибо любое новое взаимопревращение видов энергии неминуемо приведет к целой серии других, не менее важных открытий. На некоторых из них мы остановимся в конце этой главы. Сейчас же пока скажем, что такая задача сама по себе представляет большой научный и практический интерес.

Мне могут на это возразить:

— Позвольте, процессы обратного превращения тепловой энергии в электрическую уже открыты, над ними сейчас работают, некоторыми процессами этого рода мы даже пользуемся в технике.