Превращение энергии

Превращение энергии

Не приходилось ли вам задумываться, какому виду энергии вы обязаны острым удовольствием помчаться вниз, после того как сиденьице ваших качелей достигло кульминационной высоты и замерло там на мгновение? Ясно, что ваша собственная энергия здесь ни при чем: вы можете расслабить все ваши мускулы и все равно начнете свой полет.

Конечно, вниз вас кинет из верхней точки качелей потенциальная энергия, сработает земное тяготение. Ну, а из нижней точки какая энергия вас подбросит вверх? Кинетическая энергия, это ясно. Потенциальная энергия, или энергия положения, внизу равна нулю, точно так же, как равна нулю на максимальной высоте, в момент изменения направления полета, кинетическая энергия, энергия движения.

Потенциальная и кинетическая энергии взаимно превращаются одна в другую.

Постепенно люди выяснили, что не только одна разновидность механической энергии может превращаться в другую разновидность механической, но и вообще все виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная и т. д. — способны превращаться одна в другую. Мы живем среди этих превращений, постоянно пользуемся ими, хотя часто не замечаем этого удивительного процесса.

Прижал охотника мороз: он начинает пританцовывать, в ладоши хлопать, тереть нос и уши. Механическая энергия мускулов переходит в тепловую и согревает человека.

Он стреляет в зайца. Химическая энергия пороха превращается в механическую — летящей дроби. Вернулся охотник домой. Довольная хозяйка торопливо зажигает на кухне свет — превращает электрическую энергию в световую — и ставит на плитку разогреть холодный борщ, чтобы ту же электрическую энергию сделать тепловой.

Кончается все это тем, что ублаженный всеми видами энергии, имеющими хождение в быту, охотник заваливается спать, чтобы к утру восстановить за счет всего полученного свою энергию.

Замечательной особенностью превращения энергии является то, что оно совершается не произвольно, не как-нибудь, один раз с одним количественным результатом, другой — с другим, а подчиняясь вполне определенному закону.

Манчестерский пивовар Джемс Прескот Джоуль (1818–1889) был первым, кто установил, что при превращении одной энергии в другую соотношение между механической работой и теплотой остается всегда постоянным, и потому, зная что-нибудь одно, можно совершенно точно сказать, какому количеству другого оно равно.

В результате открытия Джоуля была установлена количественная связь между единицами тепла (ккал) и единицами работы (дж), на которую мы сослались в предыдущей главе.

Кому потребуется быстро перевести джоули в килокалории или килокалории в джоули (вы, конечно, догадались о происхождении этого слова), может воспользоваться следующими постоянными соотношениями («эквивалентами»):

1 кал = 4,19 дж (механический эквивалент теплоты);

1 дж = 0,24 кал (тепловой эквивалент работы).

На практике мы совершаем превращения энергии обычно в тех или иных машинах. При помощи машин удается совсем, казалось бы, уснувшую энергию, например ту, что таится в разных топливах, заставлять совершать вполне реальную, полезную для людей работу: двигать поезда, поднимать тяжелые грузы, приводить в действие станки. Образно говоря, канистра с 15 килограммами бензина могла бы поднять полуторатонный грузовик с полным грузом и пробежать с ним 100 километров.

Воспользовавшись соотношениями Джоуля, нетрудно подсчитать, какое количество энергии вводится в машину, а какое соответствует проделанной работе. Сразу бросится в глаза, что на выходе энергии всегда бывает меньше, чем на входе.

Загадки в этом нет никакой, и над причинами явления голову особенно никто не ломал: часть энергии теряется в машине на трение, на теплоизлучение в пространство, на преодоление сопротивления воздуха или другой среды, и т. д.

Потерянная для пользы человека энергия — нечто вроде платы, взимаемой природой с человека за использование ее богатств.

Чтобы получить достаточную ясность об эффективности того или другого превращения, а значит, об экономичности процесса и машины, договорились ввести особую величину — коэффициент полезного действия, сокращенно к. п. д.

Коэффициент полезного действия — это та доля энергии, затраченной на работу машины, которая используется на нужные человеку цели.

Обычно к. п. д. выражают в процентах или в виде десятичной дроби. Понятно, что всего лучше та машина, к. п. д. которой будет ближе к 100 % или 1.

К сожалению, почти во всех действующих ныне установках значение к. п. д. еще очень и очень далеко от идеала.

Даже если не вспоминать почти совсем исчезнувшие у нас паровозы (их к. п. д. редко превышал 5 %), то все равно положение не из блестящих. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания, например, имеют к. п. д. от 10 до 25 %. У дизелей (в частности, на тепловозах) он может достигать 40 %.

Правда, многих эти числа не смущают. Они говорят:

— А вы взгляните на высшее творение природы — человека. Разве он в энергетическом смысле совершеннее? Его к. п. д. тоже не ахти какой.

Что верно, то верно: к. п. д. человека действительно не потрясает величиной. Если пищу рассматривать как своего рода топливо (энергия того, что мы едим и пьем, используется нашим организмом для поддержания температуры тела, для питания и возобновления тканей, наконец, для физической работы), то в среднем, как показывают опыты, в мышечную энергию превращается только 28 % энергии всей пищи. Такова полная величина к. п. д. человека.

Считая, что нормальный суточный рацион взрослого человека должен содержать 3000 ккал (а также 75 г белков, 0,69 г кальция, 1,32 г фосфора и 0,015 г железа), получаем что в его мышечную энергию перерабатывается только 840 ккал.

Если же человек и впрямь работает как источник механической энергии (а некоторое количество людей на Земле, особенно в экономически отсталых странах, и до сих пор работает наряду с лошадьми и буйволами, обрабатывая землю, крутя жернова мельниц или колеса мелиоративных сооружений и т. д.). то такой человек, как и животное, которое он заменяет, отдает еще меньше энергии: в среднем 17 %. Остальные 11 % он тратит на себя, на труд в «нерабочее» время.

Но уместно ли ставить на одну доску к. п. д. человеческого тела и к. п. д. машин? Человек ведь славен не одной физической отдачей, а в гораздо большей степени отдачей умственной. Его достоинство не в том, что он автоматически берет одно и превращает его в другое (как машина), а в том, что он находит все лучшие и лучшие сочетания вещей. Следующую главу мы посвятим тому, как известный русский естествоиспытатель Климент Аркадьевич Тимирязев однажды очень остроумно пояснил, что значит подлинно человеческий к. п. д., как много может сделать человек, способствуя действительно полному превращению энергии.

Сравнительно низкий к. п. д. всех ныне действующих машин объясняется, в частности, тем, что редко где один вид энергии сразу превращается именно в тот, который нужен людям. Так, например, на всех тепловых электростанциях химическая энергия топлива сперва превращается в тепловую, потом в механическую энергию машин (дизели, газовые турбины и т. д.) и только после этого — в электрическую, которая нужна. На каждом промежуточном звене, естественно, свои потери, и эта дополнительная плата существенно снижает экономичность установки в целом.

Было бы весьма желательно найти такие процессы, в которых нет промежуточных звеньев. Хорошо бы, например, научиться превращать химическую энергию сразу в электрическую или в механическую без тепловой.

К слову говоря, природа может в этом показать пример. Работа наших мышц — прекрасный образец непосредственного превращения химической энергии в механическую.

В последнее время созданы первые опытные приборы с превращением энергии без промежуточных звеньев. У нас в стране недавно построен первый реактор-преобразователь «Ромашка», в котором энергия высокотемпературного реактора, работающего на быстрых нейтронах (один из видов элементарных частиц), преобразуется в электрическую с помощью кремний-германиевых полупроводниковых элементов. Этот реактор-преобразователь может послужить прообразом для энергетических транспортных установок. Теплота здесь превращается в электричество без промежуточной механики.

Успешно разрабатываются методы непосредственного преобразования энергии некоторых химических реакций в электричество. Для этого употребляются так называемые топливные элементы, работающие по принципу обыкновенных электрических батарей, но при условии, что основные исходные материалы в них все время возобновляются. К. п. д. подобных устройств, работающих при вполне умеренных температурах, может достигать 60–70 %.

Убедившись, что при превращении энергии никакие ее количества не пропадают совершенно бесследно — все идет в работу плюс потери, — ученые пришли к открытию одного из важнейших законов природы — закона сохранения энергии. Формулируется он в общем случае так:

Энергия не исчезает и не возникает вновь. При превращении энергии одни ее виды переходят в другие в строго согласованных количествах.

Первооткрывателем этого великого закона считается немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878), работавший на голландском корабле на Яве. Пуская кровь заболевшему матросу во время стоянки корабля в городе Сурабая, Майер обратил внимание на необычайно алый цвет крови. Сперва он испугался — не вскрыл ли он вместо вены артерию. Потом его словно осенило. «Некоторые мысли, — писал он, — пронизавшие меня подобно молнии — это было на рейде в Сурабае, — тотчас с силой овладели мною и навели на новые предметы». Раз кровь ярка, значит, в ней много кислорода. В умеренных широтах венозная кровь куда темнее. Выходит, там это объясняется тем, что кислород расходуется на выработку дополнительной тепловой энергии…

Вернувшись в Европу, Майер стал напряженно работать над возникшей идеей. Так появилась в скором времени его формулировка закона сохранения энергии.

Заметим, между прочим, что почти одновременно с Майером, тот же самый закон был открыт, независимо друг от друга, известным уже нам Джоулем, датским технологом Кольдингом и гениальным французским военным инженером Сади Карно. Это неудивительно, потому что обычно всякая идея века, то есть та, что соответствует своей эпохе, приходит вовремя; она как бы носится в воздухе подобно цветочной пыльце, готовая оплодотворить любой мозг, способный стать хорошей почвой для этого. Но так уж бывает, что кто-то оказывается впереди…