Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

Но вернемся к работе мышц. В 1824 году молодой французский военный инженер Сади Карно показал, что наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин, т.е. доля имеющегося запаса тепла, превращаемая в механическую энергию, пропорционален разности температур между наиболее горячей частью машины, назовем ее «паровым котлом», и наиболее холодной ее частью, которую назовем «холодильником», или «стоком». Если паровой двигатель работает между точкой кипения воды и точкой замерзания льда, то максимальный коэффициент полезного действия, которого можно достичь, составляет всего лишь 27%. Так как разность температур внутри человеческого тела вряд ли превосходит 1 градус, если бы вы были тепловой машиной, то ваш коэффициент полезного действия не мог бы превышать 1%, и чтобы вы могли двинуть пальцем, вам понадобилось бы поглотить примерно в 30 раз больше пищи, чем вы съедаете теперь!

— А почему у тепловых машин такой низкий коэффициент полезного действия? — поинтересовался мистер Томпкинс. — Насколько я слышал, тепло — это движение молекул, образующих материальные тела. Разве энергия движения молекул, не та же, что энергия летящей пули?

— Ваш пример с пулей очень удачный, — сказал Сент. — Предположим, что у вас есть пуля, которая преспокойно лежит на столе, внутри нее существует сильнейшее молекулярное движение: частицы с большой кинетической энергией колеблются относительно их равновесного положения. Вы заряжаете ружье этой пулей и производите выстрел. К кинетической энергии теплового движения добавляется кинетическая энергия, полученная от сгорания пороха.

Но хотя обе эти энергии одного сорта, они, так сказать, по-разному организованы. В случае теплового движения молекулы движутся по всевозможным направлениям, и скорости их изменяются в широких пределах, тогда как дополнительные скорости, сообщенные всем молекулам при сгорании пороха, равны по величине и строго параллельны для всех молекул. В результате пуля летит прямо к цели. А когда пуля, попав в цель, останавливается, скорости движения, первоначально бывшие организованными, становятся неупорядоченными и добавляются к существовавшему еще до выстрела хаотическому тепловому движению. Пуля при этом нагревается.

— Естественно, — прокомментировал мистер Томпкинс. — Но какое отношение это имеет к низкому коэффициенту полезного действия тепловых машин?

— Самое непосредственное, — ответил Сент. — В тепловых машинах вы начинаете с топлива, будь то дрова, уголь или нефть, состоящего из высокоорганизованных молекулярных организаций, запас энергии которых определяется хорошо определенными межатомными силами.

Сжигая топливо, вы получаете тепло, которое, как я уже говорил, представляет собой в высшей степени неорганизованное движение горючих веществ, или, так сказать, естественный беспорядок. Достигнув этой стадии, вы пытаетесь превратить неупорядоченное хаотическое движение молекул в упорядоченное движение поршня, рычагов, маховиков и колес. А поскольку неупорядоченное движение гораздо более вероятно, чем упорядоченное, ваша задача отнюдь не из легких, и за ее решение вам приходится платить высокую цену. Тем не менее она вполне выполнима, и часть неупорядоченной системы действительно можно привести в состояние упорядоченного движения, предоставив остальной части системы стать еще более неупорядоченной.

— Я вас понял, — кивнул мистер Томпкинс. — Но почему в таком случае нашим инженерам при проектировании различных машин и механизмов не исключать тепловую стадию?

— Они пытаются сделать это. Но не забывайте, что эволюция живого мира насчитывает несколько миллиардов лет, а инженерная мысль в ее современном виде начала развиваться лишь несколько столетий назад. Ваши мышцы, как, впрочем, и все другие части вашего тела, представляют собой химические или скорее электрохимические устройства и поэтому гораздо более эффективны, чем паровые машины доброго старого Джеймса Уатта. Но у нас уже есть батарейки для карманного фонаря, вырабатывающие электрический ток без сколько-нибудь заметного нагревания, и флуоресцентные лампы, которые не обожгут, вам пальцев если вы к ним прикоснетесь.

— А как насчет получения механической работы без тепла непосредственно из внутренней химической энергии различных соединений? Осуществима ли такая задача на современном техническом уровне? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— Да, по крайней мере мы приступили к работе над решением этой проблемы, — сообщил Сент, подводя мистера Томпкинса к столу, на котором стоял какой-то странный механизм.

— Это так называемый механохимический двигатель, разработанный недавно тремя сотрудниками Вейцмановского института науки в Израиле, его действие основано на различии в концентрации некоторой соли, в данном случае бромида лития, в двух лабораторных стаканах А и В, стоящих рядом. Если стаканы соединить, то начнется самопроизвольная диффузия, и соль распределится поровну между обоими сосудами. Хитрость состоит в том, чтобы получить механическую энергию, пока будет происходить выравнивание концентраций. Возьмем нить из белка, который называется коллаген (из него состоит шкура животных). Если такую нить погрузить в солевой раствор, то она сократится, и ее можно использовать для создания тянущего усилия. Поместим теперь нашу нить в чистую воду. У молекул соли появляется обширное пространство, в котором они могут перераспределиться, вода вымывает их с нити, и нить расслабляется. При этом в чистую воду переходит некоторое количество соли. Затем мы переносим нить снова в солевой раствор, она сокращается, снова попадает в воду, где расслабляется и т.д. Иначе говоря, нить работает, как поршень приводящий в движение колесо. Механизм, который вы видите перед собой, устроен так, что движение колес перемещает нить из солевого раствора в чистую воду и обратно. Разумеется, в конце концов концентрация соли в обоих лабораторных стаканах выравнивается, и двигатель останавливается.

Как получить механическую энергию из двух лабораторных стаканов с водой

— И мышцы работают так же, как этот механохимический двигатель? — спросил мистер Томпкинс.

— В общих чертах примерно так, — ответил Сент. — Мышцы работают, используя то, что мы называем химическим потенциалом, источником которого служит АТФ. Чтобы объяснить, в чем здесь суть дела, мне придется показать вам, как примерно выглядит молекула АТФ. Входить в атомные детали было бы излишне, достаточно знать, что она состоит из весьма сложной органической молекулы, называемой аденозином, в которой 3 молекулы фосфорной кислоты прикреплены в следующей последовательности: аденозин-фосфорная кислота — фосфорная кислота — фосфорная кислота. Вместо АТФ, что означает аденозин-трифосфат, мы можем записать А-Ф-Ф-Ф.