В. ТЕПЛОТА КАК ИСТОЧНИК РАБОТЫ?

Организмы часто сравнивали с тепловыми машинами [828]. В самом деле, и в живых клетках, и в построенных человеком двигателях накопленная химическая энергия используется для того, чтобы производить движение в широком смысле слова. Еще одно, более конкретное и явное сходство в том, что и двигатели, и дышащие клетки превращают горючее (пищу) в и воду.

Но в двигателях сначала сжигается горючее, и их работа производится только с использованием различий температуры между источником тепла и окружающей средой. Как показал Карно, максимальное количество работы А, которое можно получить при данном количестве теплоты , связано с разностью температур следующим уравнением:

где высшая температура рабочего тела, т. е. температура резервуара с запасом тепла, температура охлаждающей среды (холодильника). Следовательно, только часть энергии, полученной при сжигании топлива, можно перевести в механическую (полезную) энергию. Например, у двигателя, работающего в температурном интервале между 500 °С (773 К) и 30°С (303 К), теоретический к. п. д. составляет примерно 60%, на практике он гораздо меньше.

Особенно отметим, что в изолированной системе — Двигатель Карно + Резервуар с запасом тепла + Холодильник - энтропия всей системы в идеальных условиях остается постоянной на каждом этапе. Распространено неправильное мнение, будто на некоторых этапах энтропия возрастает, а на последующих происходит соответствующее ее уменьшение. Но в таком случае эти «последующие этапы»

противоречили бы второму закону. На самом деле тепло, а значит, и энтропия просто перемещаются между рабочим телом и резервуаром с запасом тепла или холодильником. Это утверждение, конечно, можно распространить и на химические процессы. В идеальных условиях сумма энтропий для реагирующей химической системы и окружающей среды остается постоянной на протяжении любого отрезка времени.

В идеальных условиях процесс идет «обратимо». Это означает, что условия лишь бесконечно мало отклоняются от равновесия. В любой данный момент движущая сила как раз достаточна, чтобы преодолеть сопротивление, и потому бесконечно малое изменение параметров могло бы обратить направление процесса. Таким изменяющимся параметром может быть разность температур в тепловом двигателе или разность концентраций в химической системе. В обратимых процессах потери равны нулю.

Уже вскоре возникли сомнения в том, что организмы являются всего лишь простыми тепловыми машинами. Например, основываясь на работах Карно и Джоуля, Томсон [1855] писал:

«...с большой долей уверенности можно сказать, что, когда животное производит работу, преодолевая какие-то силы сопротивления, не происходит превращения тепла во внешний механический эффект. Но никогда не производится полный тепловой эквивалент химической силы; другими словами, организм животного действует не как термодинамический двигатель, и очень вероятно, что химические силы производят внешние механические эффекты посредством электрических сил».

Любопытно, что далее он пишет:

«Какова бы ни была природа этих сил, разум учит каждого индивида, что эти силы в какой-то степени подвержены управлению его воли. Таким образом, одушевленные создания, видимо, могут непосредственно прилагать к неким частицам, движущимся внутри их тел, силу, направляющую движения этих частиц так, чтобы произвести желаемые механические эффекты».

Интересно, есть ли такая воля также у растений и бактерий?

Специалисты по физиологии питания уже в прошлом веке заметили, что из пищи можно получать удивительно высокий выход полезной энергии [998]. Такие опыты удобнее всего проводить на людях, пользуясь специальным устройством - эргометром, учитывая при этом только механическую энергию, С помощью уравнения Карно можно рассчитать разность температур, соответствующую полученному

коэффициенту полезного действия, как это впервые сделал Фик [585]. При получаемом в опыте 25%-ном выходе механической энергии разница температур должна по расчету составлять 105. Итак, если бы организм был тепловой машиной, для его работы требовались бы температуры как минимум 310 К (температура тела) Но в организмах такие температуры никогда не достигаются.