Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек Страница 16

Однако она широко применяется в медицине. Температуру человеческого тела во множестве стран измеряют по шкале Цельсия. Любопытно, что традиционные термометры Цельсия вскоре будут заменены на электронные, показывающие точную температуру на табло. Лишь значение градуса останется прежним. Созданы самые разные модели электронных термометров, среди них наиболее примечателен «шумовой» градусник. С повышением температуры тела человека молекулы в клетках начинают активнее двигаться, колебаться. В результате они создают сотрясения, генерирующие неслышимые шумы. Ученым удалось зарегистрировать молекулярный шум человеческого организма и измерить по этому шуму температуру с помощью электронной аппаратуры.

Современная физика пользуется шкалой У. Томсона (лорда Кельвина). Численно 1 градус Кельвина (1 К) равен 1 градусу Цельсия, поскольку стоградусная шкала была весьма удобна в практических работах. Но шкала Кельвина имеет одну постоянную точку. Это т. н. абсолютный нуль, при котором молекулярное движение полностью прекращается. Данная температура равна -273,15 °C. Отрицательных температур на шкале Кельвина нет. Посредством такой шкалы можно измерять термодинамическую температуру, определяющую количество переданной от тела к телу тепловой энергии.

Законы термодинамики

Термодинамикой называется наука, изучающая все энергетические процессы в природе, опираясь в первую очередь на молекулярно-кинетическую теорию. Термодинамика рассматривает все физические тела как сложные системы частиц или как составные элементы большой системы тел. Превращения энергии в таких системах определяют специфику протекания внутренних процессов. Конечным итогом процессов нужно считать превращение всех видов энергии в теплоту и достижение системой теплового равновесия. Как и почему это происходит, объясняют три закона, или начала, термодинамики.

Открыта энтропия

Энергия — это способность тела совершать работу, хотя, естественно, наличие энергии вовсе не означает, что тело непременно будет работать и работать. Если какой-то человек математик, то это еще не означает, что он постоянно решает задачки. Если батарейка от электронных часов пригодна к использованию, то это не значит, что она должна быть немедленно использована.

Тем не менее всякий вид энергии можно превратить при определенных условиях в работу. На человека в нашу эпоху работает тепловая, ядерная, электрическая, механическая и прочие формы энергии. Все перечисленные разновидности тесно взаимосвязаны, поскольку сравнительно легко превращаются друг в друга. Ядерная энергия на АЭС превращается в тепловую, нагревающую воду. Последняя превращается в пар, который порождает механическую энергию турбины, вырабатывающей электроэнергию.

Электроток приходит с АЭС в наши дома, где превращается в волновую энергию светового излучения, когда мы зажигаем лампочки. Или вновь превращается в механическую энергию, когда мы включаем пылесос. Электричество приводит во вращение лопасти винта, порождающее потоки воздуха. Так совершается полезная работа. Нетрудно заметить, что полезная работа всегда соответствует переданной энергии. Работа атомного реактора — нагреть воду. Работа водяного пара — привести в действие турбину. Работа турбины — выработка электрического тока. Работа тока — вращение якоря в обмотке мотора пылесоса. Работа служит количественной мерой передачи энергии.

Фактически тела способны обмениваться энергией лишь тремя способами — посредством совершения друг над другом работы, посредством теплообмена или массообмена. Конечный итог всех превращений энергии и любой работы есть образование тепловой энергии. Все природные процессы завершаются получением тепла. Ядерная энергия целиком переходит в тепловую, часть которой уходит в окружающую среду, а другая в работу. Интересно, что на работу затрачивается меньше тепла, чем рассеивается во внешней среде.

Тепловую энергию практически невозможно использовать полностью, как, впрочем, и любой другой вид энергии.

Водяной пар, взаимодействуя с турбиной, отдает ей и окружающей среде часть тепла. От этого он охлаждается и постепенно утрачивает способность производить работу. В итоге пар совершает меньше работы, чем получил энергии. Турбина из-за трения переводит часть полученной энергии в теплоту, т. к. разогревает детали. Ее полезная работа опять уменьшается. Электрический ток изначально обладает сравнительно большой энергией, однако часть ее расходуется впустую.

Провода передачи оказывают сопротивление току, отчего он частично переходит в тепло. Уже меньшая часть электрической энергии поступает к бытовым приборам. Но и они не обладают способностью переводить все энергетические затраты в полезную работу: часть энергии непременно растрачивается на бесполезное тепло. Всякому известно, что мотор пылесоса от работы нагревается. Что касается лампы накаливания, то она получает излучение целиком за счет теплоты. В таких лампах нагревается вольфрамовая нить, которая начинает испускать световые волны.

Первые исследования по превращению теплоты в работу провел французский инженер С. Карно, опубликовавший свои воззрения относительно теории теплоты в книге «Размышления о движущей силе огня» (1827 г.). Он разложил тепловую машину на три ее важнейших компонента — нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель дает тепловую энергию рабочему телу, однако такая передача происходит только потому, что теплота стремится перейти от горячего тела к менее нагретому (холодильнику).

Чем больше разница температур, тем интенсивнее перетекание теплоты. Разность энергетических уровней порождает работу. Точно так же высота плотины влияет на скорость падения воды, вращающей турбину. Чем горячее нагреватель в сравнении с холодильником, тем выше производительность рабочего тела. В паровой машине нагревателем служит котел, рабочим телом — расширяющийся от нагрева пар, толкающий под давлением цилиндр, а холодильником — окружающий воздух.

Отработанный пар выбрасывается в окружающую среду и рассеивается в атмосфере, отдавая ей свою энергию. Таким образом, для наибольшей эффективности работы тепловой машины температура котла (двигателя) должна быть намного выше температуры воздуха. Коэффициент полезного действия машины зависит от разности названных температур. Он никогда не может превышать 100 %, поскольку машина использует определенное количество тепловой энергии. Эта изначальная энергия и равняется 100 %. Свыше имеющегося машина использовать не может.

Кроме того, значительная часть теплоты должна перейти к холодильнику, иначе движение тепловой энергии остановится. Следовательно, рабочее тело получает намного меньше 100 %. Человеческий организм не является тепловой машиной, однако и для него справедливы законы сохранения энергии. Вот почему эффективность работы нашего тела составляет всего 30 %. Некоторые биологи полагают, что работа клеток, слагающих тело человека, гораздо выше и равняется 70 %. Скорее всего, так оно и есть, однако даже это число значительно ниже 100 %.

В общем виде закон сохранения энергии звучит следующим образом. Поступление к телу тепловой и любой другой энергии численно равняется изменению внутренней энергии тела и совершенной этим телом работы. Целиком превратить сообщенную энергию в работу невозможно. Ведь сначала требуется изменить внутреннюю энергию рабочего тела. Но даже если нам каким-то образом удалось полностью использовать внутреннюю энергию тела, то оно после этого вовсе перестанет совершать работу. Закон сохранения энергии, имеющий много формулировок, представляет собой первое начало термодинамики.

Карно утверждал, что в паровой машине тепло не потечет от холодильника к нагревателю. В дальнейшем физики P. Клаузиус и У. Томсон показали, что это утверждение справедливо для всех тепловых процессов. Теплота передается от тел только к менее нагретым телам. Данное утверждение представляет собой второе начало термодинамики. Доказывается оно сейчас посредством кинетической теории.

При соударениях молекулы обмениваются энергией. В результате они как бы делят ее поровну, отчего приобретают некую усредненную скорость. Усреднение скорости частиц и выравнивание температуры при теплообмене приводит к тому, что молекулам становится нечем обмениваться. Система пришла к тепловому равновесию. Медленные молекулы могут при соударениях с быстрыми «отбирать» у тех скорость, а вот наоборот происходить не может. Делится тот, у кого есть, что делить. Оттого теплота не течет от холодных тел к нагретым.

Любопытно, но сравнительно недавно — на рубеже XIX–XX вв. — научный мир был потрясен известием о «тепловой смерти» Вселенной. Некоторые физики проанализировали следствия из второго начала термодинамики и пришли к выводу, что рано или поздно придет время, когда беспорядочность теплового движения достигнет максимума. Тогда температуры во Вселенной сравняются, а значит, сравняются и энергетические уровни. Движение материи остановится, что приведет к ее самоуничтожению. Паника продолжалась до тех пор, пока австрийский физик Л. Больцман не показал, что беспорядок в микромире имеет предел.