Удивительная механика

Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», да мало ли еще какими, – их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильником, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.

Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию движения атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.

Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью перешло в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они бы не передали, осталась бы еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.

Вот почему КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что КПД любого теплового двигателя не может превышать величину, равную частному от деления разности абсолютных температур нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя (это по Кельвину; чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса).

Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200 °C, то есть 473 К, а уходит при температуре 100 °C, то есть 373 К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21 %. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10—15 %.

Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, а не пытаться с их помощью производить механическую работу. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы для обогрева салона тех же автомобилей, что будут работать на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».

Тепловая смерть и «демон Максвелла»

Честно говоря, невеселые мысли посетили меня в свете рассуждений об эффективности преобразования механической да и другой энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже невозможно извлечь ничего путного.

Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается, повышая температуру окружающей среды!

Но если повышается температура естественного «холодильника» тепловых машин, то одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин сразу. Это доказал еще в XIX веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей сравняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и произвести работу будет уже нельзя… Существование человечества станет невозможным!

Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине XIX века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил, энтропия есть некая величина, возрастание которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла.

Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространив свои выводы на всю вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» вселенной.