Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
В следующих главках я расскажу вам о фундаментальных законах термодинамики – науки, изучающей превращения энергии. Я буду испытывать вашу фантазию и способность к абстракции, поэтому попрошу вас сосредоточиться. Но это стоит усилий, ибо вы научитесь смотреть на мир совершенно по-другому.
Соревнование, в котором нет победителей
Дать определение понятию энергии, простое и исчерпывающее, – совсем не просто, учитывая, что она существует в самых разных видах: химическая, электрическая, механическая, тепловая и тому подобное. Самое простое определение – это способность выполнить работу.
Все виды энергии имеют нечто общее: они легко переходят из одного вида в другой. Возьмем, к примеру, автомобиль: в его бак залито топливо (химическая энергия). Это топливо сгорает, и химическая энергия превращается в тепловую. Тепло заставляет расширяться полученный при сгорании газ, который движет поршни (механическая энергия). Механическая энергия, в свою очередь, заставляет вращаться колеса, и ее часть превращается посредством генератора в электричество, заряжающее аккумулятор и включающее свечи зажигания и бортовые системы.
Мы можем продолжить, приводя самые разные примеры из нашей повседневной жизни, демонстрирующие превращение энергии одного вида в другой.
Вряд ли вы удивитесь, узнав, что огромное количество химиков (и других ученых) работают именно в этой области и ведут исследования, направленные на поиск самых эффективных и экологичных способов обеспечить общество энергией в достатке. Наука, изучающая превращения энергии, называется термодинамикой, и знание ее законов совершенно необходимо для исследователя. А изучение ее основ для человека, занимающегося в жизни чем-то другим, – отличный способ посмотреть на мир иным, вооруженным научными знаниями, более осознанным взглядом.
Сейчас же вернемся к нашей теме и продолжим размышлять над связью тепла и механической работы, разбирая знаменитый эксперимент, проведенный в 1845 году физиком Джеймсом Джоулем.
Эксперимент Джоуля был весьма прост, но остроумен: небольшие металлические гири были привязаны, посредством кабелей и шкивов, к механизму, оснащенному вращающимися лопастями, погруженными в сосуд с водой. Свободно падающие гири вращали лопасти и создавали в воде вихрь. Когда опыт повторялся много раз подряд, то вода заметно нагревалась, что подтверждалось измерениями точного термометра. Если пренебречь потерями энергии за счет трения в кабелях и шкивах, получится, что вся механическая энергия грузов превращается в этом эксперименте в тепловую и позволяет нагреть воду. Таким образом, Джоуль не только смог доказать, что тепло и механическая энергия суть две стороны одной медали, но и выразил соотношение между ними количественно.
Сегодня мы используем джоуль в качестве единицы измерения энергии, но до 1845 года тепловая энергия оценивалась в других единицах – калориях: одна калория соответствует количеству тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 градус Цельсия. Благодаря эксперименту Джоуля мы знаем, что одна калория соответствует 4,186 Дж. Это означает, что для того, чтобы сжечь 100 г макарон, содержащих в среднем 350 ккал (килокалории, 1 ккал = 1000 кал), надо нагреть на один градус 350 кг воды или выполнить работу, затратив 350 х 4,186 = 1465 кДж (как вы уже догадываетесь, к перед обозначением единиц измерения читается как «кило» и соответствует умножению на 1000, поэтому 1 кДж = 1000 Дж = 1 килоджоуль). Зная, что килоджоуль соответствует примерно энергии, которую необходимо затратить для подъема груза весом 100 кг на высоту в 1 метр, вы можете себе представить гипотетическую машину, способную преобразовать все тепло в работу, – она могла бы посредством энергии, добытой из 100 г макарон, поднять глыбу весом 1465 кг на высоту 100 метров или африканского слона весом шесть тонн на 24 метра: совсем неплохо![20]
Сейчас самое время познакомиться с первым началом термодинамики, с которым, инкогнито, мы уже сталкивались в предыдущих главах:
Энергию невозможно создать из ничего, ее можно только преобразовать из одного вида в другой. Таков закон сохранения энергии
Итак, мы не можем выиграть в игре с энергией: в идеальной ситуации мы остаемся с той же энергией, что была у нас изначально, разве что в другом виде. Не более и не менее.
Я хотел бы подчеркнуть важный аспект: речь не идет о технологическом пределе, который мы однажды сможем преодолеть, и не о законе, допускающем исключения: принципы термодинамики являются принципами, на которых базируется мироздание, и мы не в состоянии на них воздействовать. Мы только можем искать все более доступные источники энергии. В качестве мысленного упражнения мне хотелось бы предложить вам задуматься о происхождении энергии вокруг вас, стараясь проникнуть как можно дальше к ее источнику и построить энергетический цикл, задумавшись о конечном результате. Вы увидите, насколько быстро вы получите новые знания о мире и о нашем энергетическом влиянии на него.
А теперь вернемся к первому началу и попробуем немного развлечься, отложив в сторону книги и думы. Мы не можем создать энергию из ничего; да, это мы уже поняли. Однако если как следует поразмыслить, в идеальном мире мы могли бы перерабатывать энергию, как мы это делаем с бумагой или пластиком, разве нет? Если мы не можем ее создать, значит, не можем ее и уничтожить: и зачем тогда мучиться? Может быть, через несколько лет мы сможем управлять электромобилем, столь совершенным, что он сможет заряжаться по мере продвижения: достаточно поставить на него футуристические безотходные генераторы, и вся энергия, которая заставляет крутиться колеса, будет превращаться в электричество. Идея кажется великолепной, разве нет? Кажется, но не является: виновато второе начало термодинамики.
В этой игре у нас далеко не равные шансы.
Первое начало термодинамики сообщает нам фундаментальную информацию, но оно не учитывает и не описывает поведение энергии и ее трансформации.
К примеру, вообразим два одинаковых куска железа, соприкасающихся друг с другом: температура одного куска равна 100 °C, а другого – 0 °C, и представим себе, что они полностью изолированы от внешней среды, чтобы избежать рассеяния тепла в воздухе. Интуиция подсказывает, что спустя некоторый промежуток времени, тепловая энергия горячего куска потечет к холодному, пока они не достигнут температуры 50 °C и теплового равновесия между ними. Однако в первом начале нет ничего о том, что тепло должно течь от более теплого тела к более холодному. Горячий кусок мог бы просто не передавать тепло
