Читаем В океане энергии онлайн бесплатно
Шилейко Алексей, Шилейко Тамара
В океане энергии
Авторы: ШИЛЕЙКО Алексей Водьдемарович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроника» Московского института инженеров транспорта. Автор более 100 научныж работ;
ШИЛЕИКО Тамара Ивановна — инженер, член Союза журналистов СССР. Совместно с Шилейко А. В. написаны книги: «Кибернетика без математики», «Потомки каменного топора», «Электроны... электроны...», «Информация или интуиция?» и др.
Рецензенты: Г. Е. Пухов —- академик АН УССР; Ю. М. Шамаев — доктор технических наук, профессор.
Многие ли знают, что можно полупить кусок льда, налив волу в кастрюлю, правда специальную, и поставив ее на огонь? А что общего между лазером я взводом солдат, марширующих по мосту. В чем главная ошибка инженера Гарина? Круг вопросов, на которые отвечают авторы книги, гораздо шире перечисленных, так как она посвящена сущности энергии, ее преобразованиям, мрачным (тепловая смерть Вселенной) и оптимистическим прогнозам.
Предназначена широкой читательской аудитории, особенно интересующейся проблемами современной физики.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1 Теплота
Глава 2 Движение 31
Глава 3 Электричество
Глава 4 Химическая энергия
Глава 5 Атомы и атомная энергия
Глава 6 Энергия высшего качества
Заключение
Предисловие
Современная физика рвется вперед гигантскими шагами, и темпы ее развития непрерывно ускоряются. У того, кто читает популярные книги, посвященные достижениям и проблемам современной физики, захватывает дух в гораздо большей степени, чем от приключенческого романа. В тылах у физики осталось еще очень много хотя и очевидного, но не до конца понятого.
С детства мы напичканы так называемыми азбучными истинами, но как раз к ним-то надо относиться с большой осторожностью. Волга впадает в Каспийское море — и это совершенно правильно. Солнце встает на востоке и садится на западе — а вот тут уже как посмотреть. Например, на Северном полюсе вообще нет направления на запад и восток. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно — еще одна азбучная истина, и снова истина совершенно справедливая. Но откуда тогда разговоры об энергетическом кризисе?
ГЛАВА 1
Теплота
Наша Земля непрерывно получает энергию от Солнца и отдает ее в мировое пространство. Отдает ровно столько, сколько получает. Это чрезвычайно важно. Если бы количество энергии, получаемое Землей и окружающей Землю атмосферой, хоть чуть-чуть, но превышало бы количество отдаваемой энергии, это повлекло бы за собой последствия катастрофические. Общий запас энергии у Земли и атмосферы остается постоянным. Мы поистине обитаем в океане энергии. Почему тогда мы говорим о нехватке энергии?
Все дело не в самой энергии, а в том, как она распределена в пространстве, какие формы принимает. Существуют разные формы энергии, а сама энергия все время переходит из одной формы в другую. Вот очередная азбучная истина. Но если вглядеться попристальнее, оказывается, что форма одна — это энергия движущихся частиц, или, иначе говоря, механическая кинетическая энергия. Различие форм определяется тем, что именно движется и как движется. Самый совершенный вид энергии — энергия лазерного луча, а самая несовершенная форма энергии — тепловая. Все остальные формы энергии распределены между этими двумя крайностями, и преобразование одной формы в другую, по существу, означает увеличение или уменьшение степени упорядоченности.
Наконец, последняя азбучная истина. Мир вещей, окружающих нас и доступных нашим органам чувств, достаточно хорошо описывается классической, или ньютоновской, физикой. Лишь когда мы обращаемся к вещам очень малых размеров, заглядываем в микромир, начинают действовать законы квантовой физики, а когда мы обращаемся к миру скоростей, приближающихся к скорости света, начинают действовать законы теории относительности. Наверное, по этой причине мы до сих пор продолжаем изучать в школе в основном классическую физику, получая самое общее представление о теории относительности и квантовых эффектах.
Все магнитные явления — чисто релятивистские, независимо от того, какие скорости действуют в системе, где такие явления возникают. Авторы показывают также, что чисто квантовомеханическое соотношение неопределенностей Гейзенберга лежит в основе газовых законов. Собственно, на этом можно было бы и закончить, нет смысла в предисловии пересказывать содержание книги. Не хочется, однако, чтобы у читающего предисловие создалось впечатление, что книга посвящена чему-то на сегодня малоактуальному. Отнюдь нет! Авторы поставили себе задачу разобраться в отдельных вопросах, казалось бы, оставшихся далеко за линией фронта передовой науки. Но достаточно сказать, что, упорядочивая движение с целью повышения качества энергии, мы получаем не только мощный лазерный луч, но и системы, способные рассуждать, относящиеся к области искусственного интеллекта. Так что проблемы, которые авторы ставят в своей книге, вполне актуальны, и книгу можно уверенно рекомендовать массовому читателю.
Академик АН УССР Г. Е. Пухов
Мили и километры
У Хемингуэя есть рассказ о девятилетнем мальчике, приехавшем к отцу на каникулы. Мальчик заболел. Из разговора отца с врачом он узнал, что температура у него сто два градуса. Но во Франции ребята в школе говорили: когда температура сорок четыре градуса, человек умирает. Мальчик ждал смерти весь день. Вечером отец узнал, о чем думает сын, и успокоил его:
«— Бедный мой малыш! Это все равно как мили и километры. Ты не умрешь. Это просто другой термометр. На том термометре нормальная температура тридцать семь градусов, на этом — девяносто восемь.
—Ты это наверное знаешь?
—Ну, конечно,— сказал я,— это все равно как мили и километры. Помнишь? Если машина прошла семьдесят миль, сколько это километров?»
Интересно, что Хемингуэй допускает здесь неточность. Температурная шкала Фаренгейта задумана так, чтобы температуре человеческого тела 36,6 градуса Цельсия соответствовало 100 градусов по Фаренгейту.
Когда человек заболевает, его организм мобилизует свою энергию на борьбу с возбудителем болезни. Больше энергии — выше температура. Отсюда, кажется, можно было бы заключить, что температура — суть мера количества энергии. Но кому нужна такая путаница — мили и километры, градусы Цельсия и градусы Фаренгейта, а еще ведь бывают градусы Кельвина и градусы Реомюра? Что-то нечеткое есть в самом понятии температуры, и с этим мы еще не раз столкнемся в дальнейшем.
Эту книгу мы посвящаем энергии — различным ее видам и проявлениям. Начнем с тепловой энергии, короче, с теплоты. И приложим все усилия, чтобы не возникало путаницы, как с милями и километрами.
Что такое тепловая энергия? Все окружающие нас тела, твердые, жидкие и газообразные, состоят из отдельных частиц—молекул. Сегодня это звучит почти как «дважды два — четыре» или «Волга впадает в Каспийское море». Но еще в начале нашего века все было далеко не так. В рассказе А. Н. Толстого «Большие неприятности» студент на пароходе, ухаживая за хорошенькой барышней, горячо толковал ей про молекулярную теорию.
— Вы только поймите, до чего все ясно становится,— уверял он.
Действительно, если понять, все становится предельно ясно. Но вот с этим самым «понять», к сожалению, дело обстоит не совсем просто. Не только пароходные барышни, но и некоторые сегодняшние специалисты не могут похвалиться, что понимают все до конца.
Итак, все тела состоят из молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и, следовательно, каждая молекула обладает определенным запасом кинетической энергии, численно равным половине произведения массы молекулы на квадрат ее скорости. Сумма кинетических энергий всех молекул каждого тела — это и есть запас его тепловой энергии, или, как иначе говорят, количество тепла, накопленное телом. Вот и ответ на наш вопрос. Тепловая энергия — обычная механическая кинетическая энергия движущихся молекул. К сожалению, эта простая мысль далеко не всегда приходит в голову.
Молекулы любого тела непрерывно взаимодействуют друг с другом, обмениваются своими энергиями. Но сумма их кинетических энергий остается постоянной, если только данное тело не обменивается энергией с другими телами. Сказанное не просто слова — это одна из формулировок закона сохранения, которому подчиняется энергия.
Несомненно, несколько крупных открытий в физике удалось сделать потому, что многие теории и выводы подвергались сомнению. Все, что угодно, кроме закона сохранения энергии. Хотите конкретный пример? Пожалуйста. В 30-е годы нашего века исследователи процесса распада радиоактивных ядер обнаружили, что баланс энергий вроде бы не сходится. Что это? Нарушение закона сохранения энергии? Легко представить себе, к каким «результатам» пришли бы ученые, допустив возможность нарушения этого закона. Но, к счастью, все случилось не так.
— Закон сохранения энергии не может быть нарушен,— сказал немецкий физик Вольфганг Паули.— Не сходится баланс энергий — значит, мы учли не все. А что, если в процессе участвует еще какая-то неизвестная частица, уносящая часть энергии?
Так оно и оказалось. Предсказанная Паули частица — нейтрино — вскоре была открыта.
Закон сохранения энергии в этом смысле не исключение. Столь же незыблемы законы сохранения количества движения и момента количества движения. Лучший способ понять какое-либо явление — это постараться описать его через количества энергии тел или частиц, принимающих участие в процессе, и потом рассуждать, исходя из незыблемости закона сохранения количества энергии. Такому методу будем следовать и мы.
Является ли Земля с окружающей ее атмосферой изолированной системой? Нет, конечно. Земля получает огромное количество энергии от Солнца, отдает энергию в пространство. Но баланс энергии в системе Земля — космос остается примерно постоянным. Это несомненно так, иначе температура Земли и атмосферы неуклонно повышалась бы или уменьшалась или изменялся бы ее химический состав. Откуда же тогда разговоры об энергетическом кризисе?
Ответ на этот вопрос и составляет основное содержание первой главы.
Термодинамика
Явления, вызываемые тепловой энергией, а также явления, связанные с преобразованиями тепловой энергии в другие ее виды, изучаются наукой термодинамикой. Термодинамика зародилась в глубокой древности. Философы древности и ученые эпохи Возрождения полагали, что теплота есть какое-то движение. Какое именно, они не могли еще указать. Той же точки зрения придерживался и Ломоносов. Его работа «Рассуждения о природе тепла и холода» вышла в свет в 1750 году.
В середине XVIII века, однако, взгляды на природу теплоты резко меняются. Выдвигается теория теплорода, или флогистона,— невесомой, неощутимой жидкости, или флюида, который может переливаться из одного тела в другое. Подобное представление о теплоте просуществовало недолго. Уже в конце XVIII века, исследуя нагрев металла при его сверлении, Румфорд высказал сомнение в том, что здесь играет какую-то роль теплород. Сокрушительный удар по теории теплорода нанес Джоуль своими опытами по преобразованию механической энергии в тепловую, которые он проводил в 1847—1878 годах.
Так в рамках термодинамики в XIX веке сформировалось одно из основополагающих утверждений современной науки — закон сохранения энергии, его называют первым началом термодинамики.
Идеальный газ — это скопление идеальных молекул — гладких шариков, не имеющих структуры, не притягивающихся друг к другу, не отталкивающихся друг от друга и идеально упругих как при столкновениях друг с другом, так и при столкновениях со стенками сосуда, в котором газ заключен. Идеальные молекулы, как и реальные молекулы реального газа, находятся в непрерывном движении, и каждая обладает запасом кинетической энергии. Сталкиваясь, они обмениваются энергиями, но сумма кинетических энергий всех молекул может измениться только тогда, когда данный объект отдает или получает энергию извне. Если такого обмена не происходит, т. е. объем с газом изолирован, сумма кинетических энергий всех его молекул остается неизменной в полном соответствии с первым началом термодинамики. Эксперименты показывают, что при обычных температуре и давлении поведение реального газа достаточно точно совпадает с тем, как вел бы себя идеальный газ в аналогичных условиях.
Коли так, сделаем и мы объем с идеальным газом главным героем по крайней мере первой главы этой книги. Как объект изучения идеальный газ очень удобен. А то, что выводы, к которым приходят, размышляя об идеальном газе, в большинстве случаев оказываются близкими к реальности, давно известно.
В 1834 году француз Б. Клапейрон, который долгое время был профессором Петербургского института путей сообщения, вывел свое знаменитое уравнение. Согласно уравнению Клапейрона давление идеального газа, помноженное на занимаемый им объем и поделенное на его абсолютную температуру, есть величина постоянная, зависящая только от количества газа. Уравнение Клапейрона верой и правдой служит до настоящего времени, без него не обходится ни расчет двигателя внутреннего сгорания, ни расчеты домашнего холодильника или компрессора. С него же обычно начинают изучение термодинамики.
Но согласитесь, правильно посчитать, пользуясь готовой формулой, гораздо легче, чем понять. Из уравнения Клапейрона следует, что изменение одной из трех входящих в него переменных величин в общем случае влечет за собой изменение двух остальных. Например, уменьшается объем идеального газа — повышается его давление и увеличивается температура. Так должно быть согласно теории, то же самое наблюдается и в эксперименте. Температура идеального газа пропорциональна средней энергии, приходящейся на одну его молекулу. Увеличивается температура — значит, увеличивается энергия. Но представьте себе, что вы сжимаете в руке теннисный мячик, и скажите, почему при уменьшении объема его температура должна увеличиваться?
