Сегодня мы разделяем много форм энергии: кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, энергия света, ядерная и тепловая. Энергия действительно своего рода хамелеон, способный переходить из одной формы в другую, но при этом никогда не исчезая; всегда сохраняясь
. Есть определенный парадокс в том, что мы часто говорим об «энергосбережении», когда по факту природа всегда сохраняет энергию. Конечно, мы имеем ввиду «не трать энергию». Мы признаем, что энергия в наших руках весьма ограничена и ее можно израсходовать. Кроме того, это означает, что мы признаем: не все источники энергии жизнеспособны или «полезны». Таким образом, не вся энергия может служить для нас источником работы.
Это очевидное неравенство иллюстрирует нечто фундаментальное в вопросе энергии: в то время как вся энергия сохраняется, не все формы энергии мы можем применять. Кроме того, когда мы действительно используем энергию для чего-то полезного, природа требует, чтобы определенное ее количество было потрачено впустую. То есть энергия, затрачиваемая для нашей желаемой задачи, никогда не будет использована целиком. Природа ожидает определенную «компенсацию». В действительности эти основополагающие принципы энергии связывают ее с другим очень важным фактором – энтропией.
Часть 2
Естественная компенсация: энтропия
Глава 5
Размышления о тепловых двигателях
Термодинамическое происхождение энтропии
(Второй) закон, гласящий, что энтропия всегда увеличивается, я полагаю, занимает главное место среди законов Природы. …Если ваша теория противоречит второму закону термодинамики, мне нечем вас утешить; ничто не удержит вашу теорию от того, чтобы провалиться с глубоким унижением.
Сэр Артур Стэнли Эддингтон, британский астрофизик (1882–1944)
К 1820 году промышленная революция вошла в полную силу, движимая буквально и фигурально паровым двигателем. Паровой двигатель является типом теплового двигателя, который использует пар в качестве рабочего тела; пар является источником тепла, обеспечивающего производство полезной работы. Другая версия теплового двигателя – двигатель в вашей машине. Здесь рабочее тело – смесь газа и воздуха; сгорание этой смеси приводит к выделению тепла и увеличению давления, двигающему поршни в цилиндрах двигателя, за счет чего движется и ваш автомобиль.
Тепловой двигатель требует по крайней мере двух различных температур, чтобы преобразовывать тепло в работу. В самом простом варианте тепловой двигатель (см. рис. 5.1) берет некоторое количество тепла (qН) из горячего резервуара (нагревателя с высокой температурой TН), использует часть, чтобы выполнить работу (W), и сбрасывает другую часть (qХ) в холодный резервуар (холодильник с более низкой температурой TХ), который обычно располагается снаружи.
Рис. 5.1. Тепло (qН) выходит из горячего резервуара (нагреватель с высокой температурой TН). Часть этого тепла преобразуется в работу (W) рабочим телом двигателя, в то время как другая часть тепла (qХ) поступает в холодный резервуар (холодильник с низкой температурой TХ).
Рассмотрим очень простой тепловой двигатель из воздушного шара и фена. Разместим маленький вес сверху на воздушном шаре и нагреем их при помощи фена (нагреватель), благодаря чему воздух в воздушном шаре (рабочая жидкость) расширится и начнет поднимать шар вверх за счет поглощения части тепла, в то время как остальная его часть рассеется в окружающей среде (холодильник). Таким образом, наш простой тепловой двигатель выполнил определенную работу при помощи части тепла от фена, а другая часть ушла в окружающую среду. Более того, если мы уберем вес и проведем тот же эксперимент, воздушный шар все еще будет работать, расширяясь вопреки внешнему давлению. Таким образом, на этот раз система работает, «поднимая» воздух за пределами воздушного шара, тогда как прежде поднимался вес, который был на верхушке шара.
При этом процессе теряется существенное количество тепла – тратится впустую при переходе тепла от источника к приемнику. К 1820-м годам, после десятилетних попыток сократить эти потери, удалось добиться эффективности, при которой 6 % тепла от нагревателя действительно использовались для работы, тогда как оставшиеся 94 % терялись в окружающей среде – не самые утешительные показатели
.
С экономической точки зрения рос интерес к повышению эффективности парового двигателя, или, другими словами, максимизации количества работы, производимой с помощью тепла из нагревателя, и минимизации (или исключению) потери тепла в окружающей среде. Именно этого намеревался достичь Сади Карно, и, добившись, он стал основателем теории термодинамики.
Тепловой двигатель
Сади Карно был сыном Лазара Карно, одного из самых влиятельных мужчин во Франции в конце XVIII века и начале XIX века. Успешный политик и государственный чиновник, Лазар блестяще разбирался в военной логистике и стратегии, благодаря чему во время революции спас множество кампаний от военных катастроф, заработав прозвища «организатор Победы» и «великий Карно». Он также был опытным ученым и инженером.
В 1783 году Лазар издал мемуары, в которых он приблизился к прикладной механике с чисто теоретической точки зрения. В этом и более поздних трудах он стремился описать работу сложных механических машин, фокусируясь на общих, характерных для них принципах, не слишком углубляясь в детали, характерные для отдельных проектов.
Другими словами, Лазар верил, что в основе лежат фундаментальные принципы, характерные для всех механических машин независимо от их устройства, и эти принципы позволят создать общую теорию, применимую ко всем ним. Он искал, так сказать, «большую картину». В то время его подход был уникален, поскольку другие исследователи, наоборот, предпочитали делать выводы, изучая определенные механические конструкции. Сади Карно применил изобретательный подход отца при составлении собственной теории тепловых двигателей.
В 1823 году, когда Сади Карно начал эту работу, прошло меньше тридцати лет с тех пор, как эксперименты Румфорда по сверлению орудий помогли понять, что «тепло – это движение». И хотя это должно было положить конец теплородной теории, ее догмы о сохранении тепла (о теплороде) были непоколебимы. Более полное понимание энергии ожидало своего часа в течение приблизительно тридцати лет до появления первого начала. Таким образом, не удивительно, что Карно принял (ошибочную) теплородную теорию и что в своем описании работы теплового двигателя он настаивал на сохранении тепла. Вдобавок он подписался под другой аксиомой: невозможностью вечного двигателя, которую долгое время применяли к механическим системам. Карно расширил это понятие, включил в него тепловые двигатели.
