Павел Ощепков - Жизнь и мечта

А вот обратного процесса, т. е. полного и непосредственного перехода тепла в электрическую форму энергии, пока еще не открыто. Наука не знает еще о таких процессах, тайна их пока остается неразгаданной.

Попытки непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую предпринимались не раз. Тот же Фарадей, а затем англичанин Армстронг еще в 1844 г. пытался осуществить прямое преобразование тепловой энергии струи горячего пара непосредственно в электричество. Однако эта задача на уровне развития науки и техники того времени была непосильной.

Как же пошло дальнейшее развитие науки и техники в интересующей нас области? Всякий, кто будет беспристрастно изучать историю развития науки, должен будет отметить, что в ней стали укрепляться тенденции прямо противоположного направления. Последующее развитие науки привело к тому, что в ней появились положения и законы, накладывающие не только ограничения, но и прямой запрет на возможность отыскания подобных процессов. Мы найдем тысячи ссылок на то, что существует цикл Карно, что существует второе начало термодинамики, что использование тепловой энергии связано с термодинамическим коэффициентом полезного действия, численное значение которого никогда не может, даже в идеальном случае, превышать соотношение η = ( (T1 - T2) / T1 ) • 100%.

А из этого соотношения вытекает: для того чтобы преобразовать какое-либо количество тепловой энергии в энергию другого вида (например, в работу), необходимо, во-первых, иметь перепад температуры от T1 до T2 и, во-вторых, — максимальное приближение к так называемому «идеальному» процессу, при котором всякие видимые потери отсутствуют.

249

Только- в этом случае можно получить коэффициент полезного действия, приближающийся к своему максимальному значению. Но и тогда он не может достигнуть единицы, т. е. 100%. Это соотношение считается раз и навсегда установленным, и нарушать его никому не позволено.

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 η = 10%. При таком же перепаде температур, но при значениях абсолютных температур T1 = 200° К и T2 = 100° Кη 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.