Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Любопытно, но сравнительно недавно — на рубеже XIX–XX вв. — научный мир был потрясен известием о «тепловой смерти» Вселенной. Некоторые физики проанализировали следствия из второго начала термодинамики и пришли к выводу, что рано или поздно придет время, когда беспорядочность теплового движения достигнет максимума. Тогда температуры во Вселенной сравняются, а значит, сравняются и энергетические уровни. Движение материи остановится, что приведет к ее самоуничтожению. Паника продолжалась до тех пор, пока австрийский физик Л. Больцман не показал, что беспорядок в микромире имеет предел.
Тепловое движение частиц хаотично, а не направленно. Потому-то они никогда полностью не рассеют энергию. Ведь для этого нужно сознательно выбирать способ движения. Частицы сознанием не обладают, что очевидно, и беспорядка не получится, если молекулярное движение имеет конечную цель. Таким образом, хаос спасает мир. Если в одном месте Вселенной произойдет выравнивание температур (частичная «тепловая смерть»), то в другом, напротив, возрастет разность энергетических уровней.
После приложения теории относительности Эйнштейна к космологии стало понятно, что объяснения Больцмана излишни. Даже частичная «тепловая смерть» не будет катастрофой. Колоссальные силы гравитации, сосредоточенные в массивных звездах и галактиках, имеют фантастически большой потенциал отрицательной энергии, которая будет сглаживать рост беспорядка.
Больцман является первооткрывателем энтропии. Он ввел это понятие для описания меры беспорядка в природе. Энтропия любой системы подвижных частиц безудержно стремится к максимуму. То есть частицы и были бы рады перемешаться до полнейшего хаоса и усреднить энергетический потенциал системы, однако до тех пор, пока энергия системы постоянна, беспокойные молекулы вынуждены идти в обход энтропии.
Мера беспорядка обусловлена вероятностью состояния системы, к которому пришли частицы. Это означает следующее.
Вероятность подразумевает число способов, которыми реализуется то или иное состояние. Представим себе грабителя, намеревающегося попасть в дом купца. Грабитель плюс купец, с точки зрения физика, — это система. Энтропия системы минимальна, пока та находится в порядке. Для этого грабитель должен находиться на улице, а купец должен запереться у себя дома. Но система стремится к беспорядку, т. е. грабитель стремится попасть в дом купца. Произойдет смешивание частиц и, увы, выравнивание энергии.
Грабитель знает, что в дом можно попасть через окно, чердак или дымоход. Таким образом, вероятность максимальной энтропии очень велика. Число способов, которыми система придет к беспорядку, равно 3. Однако, если бы купец забыл запереть дверь, то вероятность бы возросла. Все вещества ведут себя точно так же. Система молекул ни за что не придет к полнейшему беспорядку, но только к такой степени энтропии, которая наиболее возможна. В нашем случае грабителю легче попасть в дом через окно, но при этом он не может много унести с собой, поскольку уходить ему придется тем же путем. Энтропия максимума так и не достигнет.
Посмотрим, какие превращения происходят с веществом по мере увеличения беспорядка. Если нагреть лед, то он растает. Его молекулы перейдут к беспорядку. Однако лед не превращается в пар, хотя это состояние соответствует максимальной энтропии. Однако вероятность такого состояния без дополнительных порций энергии исчезающе мала. Поэтому вода как система молекул предпочитает благополучно пребывать в жидком состоянии.
Указанная причина объясняет, отчего на нашей планете преобладает вода в жидком агрегатном состоянии. Ее масса в тысячи раз превосходит суммарную массу ледников и водяного пара атмосферы, потому что данное беспорядочное состояние наиболее вероятно. На холодном Марсе преобладают ледники и, видимо, вечная мерзлота. Ледовые шапки активно испаряются под влиянием солнечного ультрафиолета. Здесь для воды такой путь увеличения энтропии наиболее вероятен. Жидкая вода на красной планете в нашу эпоху полностью отсутствует.
Третье начало термодинамики было сформулировано в 1906 г. немецким физико-химиком В. Нерстом. Оно гласит, что по мере охлаждения тела до абсолютного нуля энтропия данного тела также уменьшается до нуля. Это естественно, поскольку при абсолютном нуле тепловое движение частиц — даже колебания атомов в узлах кристаллической решетки — полностью прекращается. А это означает, что беспорядок системы сводится на нет. Оттого, кстати, получить абсолютный нуль невозможно. Процессы в природе направлены на увеличение беспорядка. Технически человек сможет сколь угодно близко подойти к заветной температуре, но полностью движение частиц не остановит.
Законы термодинамики формулировались в эпоху появления парового транспорта и автоматических заводских машин.
Проекты и разработки двигателей для различных механических устройств заинтересовали тогда многих и породили потребность в исследовании природы теплоты. Предприимчивые промышленники переставали мечтать о «вечном двигателе» и желали иметь на заводах реально действующее оборудование.
Изобретение паровой машины и автомобиля
История изобретения тепловых двигателей чрезвычайно интересна и поучительна, поскольку является историей наоборот. То есть здесь изобретение как бы опережает открытие. Едва физики разработали термометрическую шкалу (1742 г.), заложили основы молекулярного учения о теплоте (1744–1750 гг.) и ввели в науку понятие удельной теплоты парообразования (1757–1760 гг.), как сразу же изобретатели начали трудиться над созданием тепловой машины.
Принципов работы подобных механизмов тогда попросту не существовало, не были открыты все фундаментальные газовые законы, никто не подозревал о связи теплоты и энергии. Получилось иначе. Инженеры начали старт к новым технологиям со скромной теоретической базы, которая разрасталась и пополнялась открытиями по мере совершенствования изобретений. В учении о теплоте теория и практика следовали бок о бок, взаимно обогащая друг друга.
Причины того, что практическое развитие тепловых двигателей несколько опередило теорию этих устройств, а затем следовало за ней по пятам, кроются в промышленном перевороте. Эпоха позднего средневековья и начала Нового времени ознаменовалась повсеместным распространением на производстве механизации. Однако механизация, всецело зависящая от мускульной силы, была одновременно и фактором, сдерживающим дальнейшее прогрессивное развитие индустрии. Первой тепловой машиной являлся паровой насос, причем одним из наиболее ранних устройств этого типа считается насос Сэвери, построенный в Англии в XVI столетии.
Пар из котла насоса Сэвери подавался через перегонную трубку, снабженную вентилем, в специальный резервуар, заполненный водой. Поступающий под давлением пар вытеснял воду вверх по трубке, оснащенной клапаном. Затем пар остывал и конденсировался.
Давление в этой трубке падало, но вода не опускалась обратно, т. к. тому препятствовал клапан. Зато снизу поступала вода, которую и призван был втягивать насос. Машина Сэвери предназначалась для откачки воды из шахт и применялась до середины XVIII в.
Несколько раньше, в 1763–1766 гг., русским изобретателем И. И. Ползуновым была сконструирована другая тепловая машина. Автоматический и непрерывно действующий паровой двигатель был рассчитан на приведение в движение станков, различных механизмов и подобных им устройств на алтайских металлургических и горнорудных заводах. Это была самая первая тепловая машина в истории, однако устройство сыграло, к сожалению, незначительную роль в развитии науки. О нем и его изобретателе никогда не узнали за рубежом и быстро забыли на родине.
Более совершенным паровым насосом, чем устройство Сэвери, явилась машина, изобретенная английским кузнецом Ньюкоменом. Она была оснащена главным элементом теплового двигателя — поршневым цилиндром, который отсутствовал у насоса Сэвери. Несмотря на явные преимущества перед ранними типами тепловых машин, двигатель Ньюкомена мог применяться лишь в насосных установках.
Он не был лишен принципиальных недостатков остальных паровых машин, не являлся автоматическим и действующим непрерывно. Машина работала лишь часть цикла, т. е. пока поршень шел вперед.
Обратного хода поршня обеспечить не удавалось. Кроме того, устройство работало при условии, что обслуживающий персонал открывал и закрывал вентили.
Паровой агрегат непрерывного действия был сконструирован только в 1782 г. Дж. Уаттом. Изобретатель понял, что машина для поддержания непрерывного функционирования должна выбрасывать пар по завершении хода поршня. На эту идею Уатта натолкнула, если верить историческому факту, прыгающая на кастрюле крышка. Пар выпускался специальным регулирующим устройством, отдаленно похожим на современный золотник.
