Как известно, закон сохранения энергии можно сформулировать в следующей несколько видоизмененной форме: при всех процессах преобразования энергии сумма всех видов энергии, участвующих в данном процессе, должна оставаться неизменной. Такая формулировка, хотя и не допускает возможности создания энергии из ничего, однако оставляет открытым другой путь реализации вечного двигателя, принцип работы которого основывался бы на идеальном преобразовании одной формы энергии в другую. Поэтому можно предложить, например, такой рабочий цикл: пусть в паровой машине (турбине, двигателе внутреннего сгорания или каком-либо ином тепловом двигателе) мы затрачиваем некоторое количество теплоты на совершение определенной механической работы; далее, полученную механическую энергию вновь преобразуем в тепло, нагревая с ее помощью пар и приводя им в действие паровую машину (турбину), и т.д. Понятно, что подобный цикл превращения энергии можно повторять бесконечно: ведь энергия данной системы с течением времени не увеличивается и не уменьшается.
Исследованием вопроса о перпетуум мобиле такого типа в начале XX в. подробно занимался известный немецкий физико-химик Вильгельм Оствальд. Описанную выше идеальную машину, способную циклично и без потерь преобразовывать энергию из одной формы в другую, он назвал перпетуум мобиле второго рода. Правда, как явствует из самого названия, даже после отказа от возможности создания перпетуум мобиле первого рода проблема вечного движения все же продолжает оставаться открытой. При этом, однако, оба указанных вида вечных двигателей резко различаются между собой. В то время как функция объявленного учеными неосуществимым перпетуум мобиле первого рода состояла в непрерывном совершении полезной работы без пополнения запасов энергии от внешних источников, назначение вечного двигателя второго рода представлялось совершенно иным — от этой машины требовалась лишь способность идеально трансформировать энергию.
В связи с обсуждением вопроса о вечном двигателе второго рода в центре дискуссии снова оказалось действие закона сохранения энергии. Из курса физики известно, что этот закон в применении к тепловым процессам составляет содержание первого начала термодинамики. Действительно, первое начало утверждает эквивалентность тепловой и механической энергии, однако в нем ничего не говорится о том, в каком направлении должны протекать процессы преобразования энергии. Бросаем ли мы камень со скалы в пропасть, превращаем ли при взрыве накопленный во взрывчатке запас химической энергии в механическую энергию, свет и тепло, сжигаем ли топливо для обогрева наших домов — все это суть закономерные изменения форм энергии. Но в то же самое время закон сохранения энергии не запрещает протекание любого из этих процессов в обратном направлении, что явно противоречит нашему практическому опыту. Таким образом, некритическое применение этого закона приводит нас к абсурдным заключениям.
Приведем еще один пример. Согласно первому началу термодинамики, теплота эквивалентна механической энергии, поэтому, не входя в противоречие с первым началом, вполне можно построить машину, отбирающую тепло от тела, которое имеет температуру окружающего воздуха, или, к примеру, забирающую тепло воды из больших водоемов и совершающую благодаря этому механическую работу. При этом даже небольшое охлаждение воды в водоеме освобождало бы огромное количество тепловой энергии, которую можно было бы преобразовывать в электрическую или, далее, опять в механическую энергию. Так, например, охлаждая на 1°С воду, содержащуюся в пруду площадью 120 м 2 и глубиной 1,9 м, мы получили бы энергию, равную 954 кДж. Если преобразовать теперь полученную механическую энергию обратно в тепло, то тем самым возникает замкнутый цикл преобразования энергии, основанный на принципе перпетуум мобиле второго рода. Вопрос заключается только в том, осуществимы ли на практике машины, реализующие этот идеальный цикл трансформации, поскольку в обыденной жизни мы никогда не встречаемся с подобными явлениями.
Из собственного опыта мы знаем, что в теплом помещении вынутая из холодильника бутылка с молоком нагревается, а стакан горячего чая остывает. К тому же холодная жидкость при своем нагревании незаметно понижает температуру воздуха в комнате, а горячая — повышает. Понятно, что в этих процессах мы не находим ничего удивительного. Вместе с тем никогда не случается, чтобы холодное тело само собой охладилось или горячее — нагрелось. Для такого охлаждения служат специальные холодильные установки, нуждающиеся, однако, в постоянном подводе энергии от внешних источников. В то же время самопроизвольное охлаждение холодного или нагревание горячего тела вовсе не противоречит первому началу термодинамики. Поэтому очевидно, что формулировку этого закона следует как-то уточнить и дополнить.
Задачу об использовании тепла путем охлаждения водных бассейнов нашей планеты приводил еще В. Оствальд в качестве типичного примера, демонстрирующего нереальность идеи вечного двигателя второго рода. В своей книге «Всеобщая химия», изданной в 1893 г., он писал:
«Обычно мы не отдаем себе отчета в том, что теорему о перпетуум мобиле можно истолковывать двояким образом. С одной стороны, — о ней речь заходит чаще — можно было бы построить перпетуум мобиле (имеется в виду вечный двигатель первого рода), с его помощью вырабатывать определенную энергию и использовать ее, например, для привода какой-либо машины. Доказательство невозможности подобного процесса приводит нас к первому основному закону энергетики, который говорит о том, что энергию нельзя создать или уничтожить. Перпетуум мобиле, однако, можно было бы приводить в действие иначе, не вырабатывая энергии, если бы удалось включить в процесс трансформации огромное количество неиспользованной энергии, таящейся в природе. Например, если бы можно было преобразовать большие запасы тепловой энергии, содержащиеся в водах Мирового океана, в механическую энергию, которая со временем опять перешла бы в тепловую энергию, то тем самым мы осуществили бы вечный двигатель второго рода. Такое, конечно, невозможно, потому что эти запасы тепла, внешне проявляющиеся в форме установившейся температуры Земли, неизменны».
Другой немецкий физик Рудольф Клаузиус также много времени посвятил исследованию проблем термодинамики. В частности, он пришел к выводу, что энергия нашего мира остается неизменной. Одновременно с этим он высказал важную теорему о стремлении энтропии замкнутой системы к максимуму. Чтобы лучше понять значение этой теоремы, попытаемся подробнее пояснить смысл понятия энтропии, оставляя в стороне его строгую математическую формулировку. Важнейшим свойством энтропии является то, что она не изменяется в обратимых физических процессах, т.е. в идеальных процессах, которые могут протекать в обоих направлениях без какой бы то ни было потери энергии. Практический опыт показывает, что в реальных физических явлениях всегда присутствуют те или иные факторы, например, пассивные силы (трение), из-за воздействия которых часть преобразуемой энергии, переходя в тепло, для следующей фазы данного цикла трансформации оказывается безвозвратно потерянной. О таких потерях говорят как о «мертвой» энергии, об «обесценивании» энергии или о снижении ее «качества». В связи с этим тепловой энергии отводят последнее место в ряду различных видов энергии, поскольку при всяком процессе ее преобразования обязательно возникает тепло, которое уже нельзя трансформировать ни в какую более высокую форму энергии.
Рассуждения такого рода, применявшиеся к нашему миру в целом, приводили к созданию представлений о так называемой тепловой смерти Вселенной, к которой будто бы закономерно стремится весь окружающий мир. В частности, это должно было проявляться в повышении температуры земной атмосферы и самой планеты в результате выделения тепла при всяком природном процессе преобразования энергии.
В другой интерпретации энтропия рассматривается как мера «рассеяния» энергии в системе. Это толкование энтропии основывается на том факте, что при любом процессе, происходящем в какой-либо замкнутой системе, преобразуется только часть энергии системы, в то время как остаток рассеивается в тепло, причем так, что его нельзя извлечь обратно. Мерой таких потерь или «рассеяния» энергии и является приращение энтропии. При этом численное значение энтропии оказывается пропорциональным величине энергии, перешедшей во внутреннюю энергию участвующих в процессе тел, т.е. в теплоту.
Именно подобное рассеяние энергии является препятствием для реализации вечных двигателей, работающих без пополнения энергетических запасов извне. Например, рассеяние энергии в приводном механизме паровой машины и в самом котле, где нагревается пар для приведения ее в движение, делает невозможным описанный выше вечный двигатель второго рода. Действительно, пусть нагретый пар из котла приводит в движение паровую машину. Представим себе, что приводной механизм этой машины сделан так, что энергия его движения полностью преобразуется в тепло, подводимое обратно к котлу паровой машины. Так вот, в этой, казалось бы, идеальной системе именно из-за наличия потерь будет происходить постоянное убывание рабочей энергии, причем в результате температура и давление пара в котле будут падать, а вместе с ними будет убывать и мощность самой паровой машины.
Другие изобретатели перпетуум мобиле предлагали, например, соединить два часовых механизма так, чтобы ходом одного из них заводилась пружина другого — это давало бы возможность получить «вечную» хронометрическую систему, которая принципиально не противоречила бы закону сохранения энергии. Практические опыты, однако, опровергли эту возможность, потому что такой вечный двигатель останавливался, как только сравнивались приводные усилия обеих пружин. Более того, если даже допустить, что с помощью соответствующих изменений конструкции можно достигнуть переноса существенной части энергии от одной пружины к другой, то и тут мы не сумели бы ничего добиться — именно из-за влияния уже упомянутого рассеяния энергии, сопровождающего каждый рабочий цикл.
Таким образом, с помощью понятия энтропии был сформулирован еще один важный закон, вместе с законом сохранения энергии проливший свет на проблему вечного двигателя второго рода. Одна из его формулировок — это теорема Клаузиуса о стремлении к максимуму энтропии замкнутой системы.
Другая эквивалентная формулировка утверждает, что невозможно создать устройство, постоянно совершающее механическую работу за счет теплоты и преобразующее полученную механическую энергию обратно в тепло. Этот закон называется вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики отвергает также возможность получения энергии путем охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Таким образом, для того чтобы преобразовать теплоту в другой вид энергии (например, в механическую), нам нужно иметь нагреватель (котел) и конденсатор (холодильник). Чем больше разность температур в нагревателе и конденсаторе, тем большую долю тепла можно преобразовать в полезную работу. Если же эта разность будет равна нулю, то и количество произведенной работы окажется нулевым.
Второе начало термодинамики устраняет неполноту закона сохранения энергии, который не делал различия между обратимыми и необратимыми процессами и тем самым оставлял призрачную надежду тем, кто не хотел мириться с невозможностью создания перпетуум мобиле.
Кроме того, второе начало термодинамики налагает запрет и на вечные двигатели, аналогичные перпетуум мобиле второго рода, но основанные на преобразовании других видов энергии. Так, например, невозможна вечная работа пары электромотор — генератор, сидящей на одном валу, которая действовала бы по следующей схеме: электрический ток, вырабатываемый генератором, приводит во вращение электромотор, а механическая энергия электромотора в свою очередь трансформируется в генераторе в электрическую. Если бы оба элемента этой пары работали с 100%-ным к.п.д. (что, естественно, невозможно из-за наличия в них электрических и механических потерь), то подобная система должна была бы поддерживать себя в постоянном движении. Однако она никоим образом не могла бы быть использована для практических целей, потому что, начав отбирать от этого агрегата полезную работу, мы тем самым нарушили бы его энергетическое равновесие, и система бы остановилась.
Этот часто приводимый в литературе пример системы мотор-генератор много раз служил прообразом ряда других, более простых проектов. Правда, при подобных упрощениях невозможность перпетуум мобиле «мотор-генераторного» типа выявляется еще яснее. Ведь, например, можно заменить мотор и генератор системой двух взаимосвязанных ременных шкивов. Наконец, можно ограничиться даже одним шкивом, считая одну его половину ведущим, а другую — ведомым элементом. Можно придумать еще десятки подобных конструкций, но результат всегда будет только один, поскольку всем этим вечным двигателям, как простым, так и сложным, второе начало термодинамики уже огласило свой приговор.
Строгости ради стоит заметить, что этот закон имеет статистический характер и применим только к макроскопическим объектам. В частности, его нельзя использовать при описании движения молекул или малых частиц вещества (броуновское движение). Кроме того, постоянное тепловое движение, обусловливающее внутреннюю энергию макроскопических тел, не может служить источником энергии для совершения полезной работы.
| Изобретатели, ученые и исторические личности упоминаемые на странице |
| Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль (1822 - 1888) немецкий физик, прославившийся своими работами в области кинетической теории газов и термодинамики и прежде всего как автор второго начала термодинамики. Первым ввел в физику понятие энтропии. Необоснованно распространив на всю нашу Вселенную законы, справедливые лишь для термодинамически замкнутых систем. Клаузиус пришел к выводу о так называемой "тепловой смерти" Вселенной. |
| Оствальд Вильгельм (1853 - 1932) немецкий химик, физик и философ-идеалист, профессор Рижского политехнического училища и Лейпцигского университета. Автор так называемого "закона разбавления" - основного количественного соотношения для химии водных растворов, полученного им в процессе обширных электрохимических исследований. В 1909 г. за изучение природы катализа и основополагающие результаты в исследованиях скоростей химических реакций был удостоен Нобелевской премии по химии. |
