§ 24. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

«Вечные двигатели». В истории техники известны многочисленные попытки создания машин, способных совершать работу без потребления энергии. Воображаемую машину, способную совершать работу без того, чтобы изменялось состояние тел, входящих в эту машину, и без теплопередачи от внешних тел, называют в физике «вечным двигателем первого рода». Согласно первому закону термодинамики любая замкнутая система может совершать положительную работу А над другими телами только за счет уменьшения внутренней энергии системы либо за счет получения извне некоторого количества теплоты Q:

Следовательно, невозможно создание машины, способной совершать работу без изменения внутреннего состояния входящих в нее тел и без получения тепла от окружающих тел. Это утверждение кратко формулируется так: создание «вечного двигателя первого рода» невозможно.

Создание «вечного двигателя первого рода» было бы опровержением первого закона термодинамики, т. е. закона сохранения энергии.

Однако можно поставить перед собой более скромную, но чрезвычайно заманчивую задачу: создать машину, способную производить работу за счет отбора тепла у окружающих тел.

Если подсчитать, например, какая энергия выделилась бы при охлаждении Мирового океана, масса которого равна кг, на 1 К, то получается:

Насколько это число велико, говорит сравнение его с уровнем потребления энергии во всем мире за год, составляющим примерно

Сравнив эти цифры, мы видим, что охлаждение Мирового океана всего на 1 К обеспечило бы все человечество энергией при современном уровне ее потребления на 17 000 лет!

Запасы энергии теплового движения молекул в океане очень велики, но использовать их трудно. Теплопередача происходит лишь в направлении от горячего тела к холодному. Значит, для того чтобы часть энергии теплового движения молекул воды Мирового океана превратить в механическую энергию, необходимо иметь рабочее тело, температура которого ниже температуры воды в океане. Если в качестве такого тела использовать газ, то можно предложить очень простое устройство для превращения энергии теплового движения молекул воды в механическую энергию. Поместим рабочее тело (газ) в цилиндр с теплопроводящим дном и закроем поршнем, способным перемещаться без трения. На поршень

поместим тело массой . При осуществлении теплового контакта дна цилиндра с водой океана газ в цилиндре нагревается. В результата нагревания происходит изобарическое расширение газа и перемещение поршня на некоторое расстояние . При этом тело массой поднимается на высоту , т. е. совершается механическая работа :

Однако на этом работа нашего устройства прекращается, так как между рабочим телом и водой океана устанавливается тепловое равновесие, нагревание и расширение газа прекращается. Чтобы продолжить получение тепла от океана и совершение за счет полученного тепла механической работы, необходимо рабочее тело (газ в цилиндре) возвратить в исходное состояние, т. е. охладить до начальной температуры.

Но если тепло само собой не переходит от холодного тела к горячему, может быть, можно создать машину, с помощью которой осуществлялся бы такой процесс? Периодически охлаждая газ в цилиндре с помощью такой машины, мы получили бы новую машину, преобразующую энергию теплового движения молекул в механическую работу.

Второе начало термодинамики. Возможность создания такой машины, называемой «вечным двигателем второго род а», не противоречит первому началу термодинамики. Однако все известные на сегодня результаты опытов свидетельствуют о том, что создание «вечного двигателя второго рода» является столь же неразрешимой задачей, как и изготовление «вечного двигателя первого рода». Этот опытный факт принят в термодинамике в качестве второго основного ее постулата — второго закона термодинамики.

Второе начало, или второй закон, термодинамики имеет несколько эквивалентных по своему физическому содержанию формулировок. Приведем две из них.

Неосуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила бы передача тепла от одного тела к другому, более горячему, без каких-либо других изменений в природе.

Невозможно построить периодически действующую машину, которая непрерывно превращала бы теплоту в работу только за счет охлаждения одного тела, без того, чтобы в окружающих телах не произошло одновременно каких-либо изменений.

Физический смысл второго закона термодинамики заключается в том, что энергия теплового движения молекул вещества в одном отношении качественно отличается от всех других видов энергии — механической, электрической, химической, ядерной и т. д. Это отличие заключается в том, что энергия любого вида, кроме энергии теплового движения молекул, может полностью превратиться в любой другой вид энергии, в том числе в энергию теплового движения. Энергия же теплового движения молекул может испытать

превращение в любой другой вид энергии лишь частично. В результате этого любой физический процесс, в котором происходит превращение какого-либо вида энергии в энергию теплового движения молекул, является необратимым процессом, т. е. он не может быть осуществлен полностью в обратном направлении. Например, при падении мяча на пол происходит сначала превращение потенциальной энергии и кинетическую (обратимый процесс), затем кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию деформированного мяча. При соударении мяча с полом и его деформации часть кинетической энергии превращается в энергию теплового движения молекул. Поэтому скорость мяча при отскоке, оказывается меньше его скорости при падении, мяч после отскока поднимается на высоту меньшую высоты на какой он находился в начале опыта:

Является ли такой вывод абсолютно верным? Можно сказать, что такой вывод является не абсолютно верным, а наиболее вероятным. Действительно, та часть кинетической энергии, которая при ударе мяча превратилась в энергию теплового движения молекул мяча и пола, в принципе может вновь превратиться в кинетическую энергию поступательного движения мяча. Но возможно это в том случае, если все молекулы, скорость хаотического движения которых увеличилась в результате нагревания мяча и пола при ударе, в момент отрыва мяча от пола будут двигаться упорядоченно в вертикальном направлении и в результате взаимодействия отдадут избыточную энергию теплового движения, превратив ее в энергию поступательного движения мяча. Хотя случайный переход от беспорядочного движения к упорядоченному в тепловом движении теоретически возможен, для реальных тел, в которых количество молекул измеряется числами порядка молекул, вероятность таких процессов настолько мала, что в любых практических расчетах ее можно считать равной нулю.

Второе начало термодинамики есть выражение всеобщего закона, согласно которому в природе самопроизвольно происходят лишь процессы, в результате которых упорядоченное движение переходит в беспорядочное, но беспорядочное движение не может полностью превратиться в упорядоченное.

Холодильник. Посмотрим, не опровергают ли второй закон термодинамики своей работой известные нам тепловые машины. Начнем с холодильника. Действие его как раз и заключается в том, что от более холодного тела, находящегося в морозильнике, отнимается некоторое количество тепла и передается более нагретому телу. Этим более нагретым телом является воздух в комнате, который в результате работы холодильника нагревается до еще более высокой температуры от конденсатора, обычно укрепленного на задней стенке холодильника.

Однако работа холодильника совершается не в противоречие второму закону термодинамики, а в полном соответствии с ним.

Рис. 28. Модель тепловой машины

Холодильник и воздух комнаты не составляют замкнутой системы. Для работы холодильника его необходимо подключить к электрической сети. Электрическая энергия с помощью электродвигателя превращается в механическую энергию, затем механическая энергия в результате работы компрессора превращается в конечном счете в энергию теплового движения молекул деталей холодильника и окружающих его тел. Следовательно, переход тепла от холодного тела к горячему не является единственным результатом работы холодильника, так как этот процесс сопровождается превращением энергии электрического тока в энергию теплового движения.