Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Таким образом, энергия, высвобождаемая при проявлениях радиоактивности, перестала быть загадкой. Стало ясно, что она появляется за счет потерь массы, столь малых, что приборы того времени не могли их зафиксировать. С тех пор появились гораздо более точные приборы, и с их помощью теория Эйнштейна обрела документальное подтверждение.

Высвобождение энергии при взрыве атомных бомб и выработка ее в ядерных реакторах тоже происходит за счет потерь массы. Еще важнее, что таким же образом объясняется и способность Солнца на протяжении множества веков выплескивать в пространство энергию в огромных количествах. Этот вопрос очень интересовал Гельмгольца, и в итоге ученый пришел к предположению, что Солнце постепенно сжимается, таким образом, потенциальная энергия его уменьшается и переходит в тепло и свет. Такая картина не лишена логики, но если бы она соответствовала реальности, то в истории Солнечной системы пришлось бы предположить некоторые факты, которых быть не могло в принципе; астрономы эту теорию принимать отказались.

Когда же выяснилось, что солнечный водород можно превратить в гелий с некоторой потерей массы, а следовательно — с высвобождением большого количества энергии, то феномен солнечного излучения (равно как и феномен излучения звезд вообще) стало возможным объяснить исходя из закона сохранения энергии.

Сейчас уже понятно, что, говоря «энергия», мы включаем в это понятие и массу; чтобы это стало очевидным, зачастую говорят о «законе сохранения массы-энергии».

Таким образом открытие радиоактивности, сперва пошатнувшее закон сохранения энергии, в конечном итоге еще прочнее утвердило его в более стойком и незыблемом виде.

На самом деле практики интуитивно использовали этот принцип еще задолго до того, как физики сумели убедительно доказать его на экспериментальном материале. Еще в 1775 году Парижская академия наук отказалась рассматривать какие бы то ни было проекты устройств, о которых заявлялось, что они будут производить энергии больше, чем потреблять. Такое устройство, если бы его существование было возможным, могло бы производить работу и вместе с тем продолжать работать за счет энергии, производимой им же самим. Получился бы пресловутый «вечный двигатель». И сейчас Патентное бюро США не будет рассматривать вопрос о патентовании устройств, включающих в себя «вечный двигатель», если только податель заявки не предъявит действующую модель своего изобретения. Надо ли говорить, что такого ни разу до сих пор не произошло?

Закон сохранения энергии подвел черту, провозгласив, что ни одно устройство не может вырабатывать больше энергии, чем тратит, однако не исключил надежды на то, что можно хотя бы получать столько же энергии. Если уж нельзя ничего выиграть у природы, то, может быть, получится хотя бы остаться при своих?

Именно эта надежда стала основной движущей силой всех теоретических исследований начала XIX века, связанных с работой паровой машины. В массовом сознании принято недооценивать значение прогресса в области теории, необходимого для того, чтобы изобретатель мог представить работающий механизм. Сам Уатт опирался в своих разработках паровой машины на работы Блэка, посвященные латентному теплу, о которых говорилось в предыдущей главе. А кто из слышавших об изобретении Уатта знает, что оно стало возможным только благодаря теории Блэка?

Эффективность самых лучших машин Уатта, какими бы полезными и незаменимыми они ни были, не превышает 5 процентов. Это значит, что работы они могут производить только на 5 процентов от получаемой ими тепловой энергии. Поэтому казалось очевидным, что, и не нарушая закона сохранения энергии, можно добиться значительного повышения производительности. Даже учитывая неизбежность каких-то потерь на трение, теплопроводность и тому подобное, логично было предположить, что эффективность вполне возможно поднять до близкого к 100 процентам показателя.

Так считали до тех пор, пока французский физик Николя Леонар Сади Карно не принялся всерьез изучать движения тепловых потоков, основав таким образом науку термодинамику (что по-древнегречески и означает «движение тепла»).

В течение всего XIX века значение этой науки все более возрастало, поэтому к тому моменту, как был четко сформулирован закон сохранения энергии, по причине своей фундаментальной важности для всего, что касается перехода энергии в работу и обратно, он получил название «первый закон термодинамики».

Карно основал науку, но времени на то, чтобы внести в нее большой вклад, у него оставалось уже очень мало. Ученый умер в возрасте тридцати шести лет во время эпидемии холеры в Париже. Однако кое-что он все же успел. В возрасте двадцати восьми лет в 1824 году он опубликовал небольшую книжку под названием «Размышления о движущей силе огня», где привел описания своих опытов и собственные рассуждения о том, до какой степени тепло может быть преобразовано в работу. В этой книге Карно ясно показал, что даже при идеальных условиях (то есть при отсутствии трения и потерь энергии в направлении окружающей среды) лишь строго определенная доля тепловой энергии может преобразовываться в работу. Эта доля определялась разностью температур пара и конденсируемой воды по абсолютной шкале температур, выведенной с помощью закона Шарля. Если первую определить как T 1а вторую — как Т 2, то наибольшая доля тепла, которую можно перевести в работу, определяется по формуле:

Доля преобразуемого тепла, то есть, иными словами, эффективность системы, одинакова, независимо от того, какие именно вещества подвергаются нагреву и охлаждению, будь то вода, ртуть или что угодно; важна только его температура. Поэтому формула Карно справедлива для любой «тепловой машины», а не только для паровой.

Допустим, например, что в машине Уатта используется пар, нагретый до 100 °С (373 °К), а температура конденсируемой воды — 5 °С (278 °К). Тогда по формуле Карно получаем:

Лишь примерно четверть, и не больше, производимой тепловой энергии может быть преобразована в работу, как бы идеально ни работала машина. Повысить эффективность помогло бы использование раскаленного пара (чтобы Т 2была побольше) или жидкости, имеющей более высокую температуру кипения и более низкую температуру плавления, чем вода. Пробовали и то и другое, но даже современные паровые машины не имеют эффективности выше, чем 0,25.

Формула Карно не только указала путь к тому, как можно увеличить эффективность паровой машины, но и привела к открытию одного крайне важного обобщения.

Если формула Карно верна, то получается, что машина, в которой горячая и холодная камера имеют одну и ту же температуру, никакой работы произвести не способна. Ведь в таком случае Т 2будет равна Т 1соответственно, формула Карно приобретет вид: