Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Таким образом, для того чтобы энергия могла совершать работу, её количество должно быть неодинаковым в различных местах. Молекулы газа или жидкости будут двигаться в различных направлениях по– разному, если между определенными точками в пространстве существует какая-либо разница. Вода течёт, потому что её уровень в различных участках русла неодинаков. Ветер дует, когда между различными местами существует перепад давлений. Песок или зерно, использовавшиеся в машинах Герона, приводили в движение различные предметы потому, что они изначально находились на разной высоте, т. е. обладали разной потенциальной энергией.

Рис. 10. Г. Гельмгольц

Если энергия в разных местах системы неодинакова, то такая система может совершить работу. В этом случае говорят, что система обладает свободной энергией. Если же энергия во всех частях системы одинакова и даже очень велика, она не сможет выполнить работу. Такую бесполезную энергию называют связанной. Понятия свободной и связанной энергии предложил в 1881 г. выдающийся немецкий физик, физиолог и психолог Герман Гельмгольц(1821–1894) (рис. 10). Когда в изолированной системе совершается работа, общая энергия этой системы не меняется, но часть её переходит из свободного состояния в связанное и, таким образом, обесценивается. С этим обстоятельством столкнулись создатели первых тепловых машин.

1. Как в прошлые века люди использовали энергию воды и воздуха для решения практических задач?

2. Что требуется для того, чтобы машины, приводимые в действие водой или воздухом, могли работать?

3. Что такое свободная и связанная энергия?

4. Что происходит с энергией в процессе совершения работы?

Проведите исследование. Для этого возьмите пластинку из негорючего материала, лучше всего металлическую, и укрепите её на стойке так, чтобы она могла свободно вращаться. Поместите под одной половиной пластинки газовую горелку. От пламени горелки будет подниматься тёплый воздух, который будет заставлять пластинку вращаться. Теперь поместите точно такую же горелку симметрично под второй половиной пластинки. При этом поступающая на пластинку энергия увеличится вдвое, но вращение прекратится. Объясните, почему это произошло.

О том, что при определённых условиях теплота может приводить что– либо в движение, люди догадывались давно. Мы уже упоминали в 10 классе об эолипиле Герона, который мог вращаться под действием силы пара, вырывающегося из его отверстий. Однако в течение долгого времени процесс преобразования теплоты в механическую работу не находил практического применения. Первые тепловые машины появились в начале XVIII в., а их широкое применение началось после того, как в 60—80-х гг. этого же века британский инженер Джеймс Уатт(1736–1819) запатентовал несколько вариантов парового двигателя экономичной конструкции [3](рис. 11). Впоследствии, в XIX в., появились и другие виды двигателей, в том числе паровые турбины и двигатель внутреннего сгорания, который используется в современных автомобилях. Устройство этих двигателей вам уже знакомо из курса физики. Рассмотрим основной принцип работы тепловых машин, изучение которого привело к грандиозным открытиям в естествознании.

В основе работы всех тепловых машин лежит один общий принцип. Существует источник теплоты, который называют нагревателем. Нагреватель передаёт эту теплоту веществу, называемому рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используют какой-либо газ, чаще всего воздух или водяной пар. Кинетическая энергия молекул рабочего тела увеличивается, однако этого недостаточно для того, чтобы машина могла совершить полезную работу, например поднять груз или повернуть колесо. Мы знаем, что совершать такую работу может только свободная энергия, а для того, чтобы энергия была свободной, требуется, чтобы в разных местах машины количество её было неодинаковым.

Рис. 11. Двухцилиндровая паровая машина, XIX в. (Музей индустриальной культуры. Нюрнберг) (автор фото В. Муратов)

Поэтому рабочее тело должно соприкасаться с более холодной областью, которую называют холодильником. В этом случае движение молекул рабочего тела будет направлено преимущественно от нагревателя к холодильнику, возникнет их поток, который и сможет совершить полезную работу.

Рассмотрим самую простую тепловую машину – эолипил Герона. Нагревателем в нём служит огонь, холодильником – окружающий воздух, а рабочим телом – водяной пар. В сосуде, где образуется пар, скорость его молекул гораздо больше, а давление выше, чем в окружающей атмосфере, поэтому основная часть молекул движется «к выходу». До тех пор пока в машине образуется пар, его струи будут вырываться из отверстий эолипила, приводя его во вращение. По этому же принципу работают турбины, которые, по сути, представляют собой усовершенствованное изобретение Герона. Паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания устроены сложнее, в них поступление теплоты от нагревателя и отдача её холодильнику могут не совпадать во времени, но принцип передачи теплоты остаётся тем же.

С начала XIX в. усилия многих исследователей были направлены на то, чтобы понять принцип действия тепловых машин и усовершенствовать их конструкцию. Это привело к созданию одного из важнейших разделов современной физики – термодинамики. Само слово «термодинамика» означает «движение теплоты», однако, как вы увидите дальше, область применения её законов выходит далеко за рамки конструирования тепловых машин и даже вообще за рамки физики.

Первым исследователем, зародившим своими работами термодинамику, был французский инженер Сади Карно(1796–1832) (рис. 12). Тяжело переживая поражение наполеоновской Франции, он стремился к усовершенствованию технической мощи своей страны. С этой целью он начал искать возможности усовершенствования паровых машин. Результаты своих изысканий Карно опубликовал в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня». Интересно, что к открытию новых научных принципов Карно привели ошибочные представления. Дело в том, что он придерживался теории теплорода, т. е. предполагал, что теплота является веществом и поэтому подчиняется известному в то время закону сохранения вещества. Он считал, что суммарное количество теплоты всегда сохраняется, а её движение от горячего тела к холодному аналогично потоку воды, текущему с высоты вниз. Выводы Карно оказались правильными, потому что действительно имеет место сохранение, но не вещества, а энергии, о которой в его времена ещё ничего не знали.