Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

1. Как в прошлые века люди использовали энергию воды и воздуха для решения практических задач?

2. Что требуется для того, чтобы машины, приводимые в действие водой или воздухом, могли работать?

3. Что такое свободная и связанная энергия?

4. Что происходит с энергией в процессе совершения работы?

Проведите исследование. Для этого возьмите пластинку из негорючего материала, лучше всего металлическую, и укрепите её на стойке так, чтобы она могла свободно вращаться. Поместите под одной половиной пластинки газовую горелку. От пламени горелки будет подниматься тёплый воздух, который будет заставлять пластинку вращаться. Теперь поместите точно такую же горелку симметрично под второй половиной пластинки. При этом поступающая на пластинку энергия увеличится вдвое, но вращение прекратится. Объясните, почему это произошло.

О том, что при определённых условиях теплота может приводить что– либо в движение, люди догадывались давно. Мы уже упоминали в 10 классе об эолипиле Герона, который мог вращаться под действием силы пара, вырывающегося из его отверстий. Однако в течение долгого времени процесс преобразования теплоты в механическую работу не находил практического применения. Первые тепловые машины появились в начале XVIII в., а их широкое применение началось после того, как в 60—80-х гг. этого же века британский инженер Джеймс Уатт (1736–1819) запатентовал несколько вариантов парового двигателя экономичной конструкции[3](рис. 11). Впоследствии, в XIX в., появились и другие виды двигателей, в том числе паровые турбины и двигатель внутреннего сгорания, который используется в современных автомобилях. Устройство этих двигателей вам уже знакомо из курса физики. Рассмотрим основной принцип работы тепловых машин, изучение которого привело к грандиозным открытиям в естествознании.

В основе работы всех тепловых машин лежит один общий принцип. Существует источник теплоты, который называют нагревателем. Нагреватель передаёт эту теплоту веществу, называемому рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используют какой-либо газ, чаще всего воздух или водяной пар. Кинетическая энергия молекул рабочего тела увеличивается, однако этого недостаточно для того, чтобы машина могла совершить полезную работу, например поднять груз или повернуть колесо. Мы знаем, что совершать такую работу может только свободная энергия, а для того, чтобы энергия была свободной, требуется, чтобы в разных местах машины количество её было неодинаковым.

Рис. 11. Двухцилиндровая паровая машина, XIX в. (Музей индустриальной культуры. Нюрнберг) (автор фото В. Муратов)

Поэтому рабочее тело должно соприкасаться с более холодной областью, которую называют холодильником. В этом случае движение молекул рабочего тела будет направлено преимущественно от нагревателя к холодильнику, возникнет их поток, который и сможет совершить полезную работу.

Рассмотрим самую простую тепловую машину – эолипил Герона. Нагревателем в нём служит огонь, холодильником – окружающий воздух, а рабочим телом – водяной пар. В сосуде, где образуется пар, скорость его молекул гораздо больше, а давление выше, чем в окружающей атмосфере, поэтому основная часть молекул движется «к выходу». До тех пор пока в машине образуется пар, его струи будут вырываться из отверстий эолипила, приводя его во вращение. По этому же принципу работают турбины, которые, по сути, представляют собой усовершенствованное изобретение Герона. Паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания устроены сложнее, в них поступление теплоты от нагревателя и отдача её холодильнику могут не совпадать во времени, но принцип передачи теплоты остаётся тем же.

С начала XIX в. усилия многих исследователей были направлены на то, чтобы понять принцип действия тепловых машин и усовершенствовать их конструкцию. Это привело к созданию одного из важнейших разделов современной физики – термодинамики. Само слово «термодинамика» означает «движение теплоты», однако, как вы увидите дальше, область применения её законов выходит далеко за рамки конструирования тепловых машин и даже вообще за рамки физики.

Первым исследователем, зародившим своими работами термодинамику, был французский инженер Сади Карно (1796–1832) (рис. 12). Тяжело переживая поражение наполеоновской Франции, он стремился к усовершенствованию технической мощи своей страны. С этой целью он начал искать возможности усовершенствования паровых машин. Результаты своих изысканий Карно опубликовал в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня». Интересно, что к открытию новых научных принципов Карно привели ошибочные представления. Дело в том, что он придерживался теории теплорода, т. е. предполагал, что теплота является веществом и поэтому подчиняется известному в то время закону сохранения вещества. Он считал, что суммарное количество теплоты всегда сохраняется, а её движение от горячего тела к холодному аналогично потоку воды, текущему с высоты вниз. Выводы Карно оказались правильными, потому что действительно имеет место сохранение, но не вещества, а энергии, о которой в его времена ещё ничего не знали.

Рис. 12. С. Карно

Для того чтобы отделить в рассуждениях Карно истину от ложных концепций, потребовались исследования, которые были проведены учёными следующего поколения. Одним из исследователей, внёсших наибольший вклад в развитие термодинамики, был Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), в честь которого названа единица измерения энергии. Проведённые им эксперименты подтвердили, что теплота в физических процессах не сохраняется. Путём точных измерений Джоуль количественно показал, каким образом работа переходит в теплоту, и вычислил механический эквивалент теплоты. Он также определил количество теплоты, которая выделяется при прохождении электрического тока через проводник (закон Джоуля – Ленца). Работы Джоуля показали, что теплота не является особым веществом, и послужили основой для введения в физику понятия энергии и открытию закона её сохранения.

Другому британцу, Уильяму Томсону (1824–1907), более известному под именем лорда Кельвина, удалось объединить, казалось бы, противоречащие друг другу представления Карно и Джоуля. Он предположил, что за результатами их экспериментов скрываются два закона природы и что кроме вещества в физических процессах сохраняется ещё одна физическая величина, которая впоследствии получила название энергии. В результате исследований Кельвина фактически родилась термодинамика. В его честь названа единица измерения абсолютной температуры.

К числу создателей термодинамики следует причислить и Рудольфа Клаузиуса (1822–1888), который не только уточнил выводы Карно и отказался от теории теплорода, но и попытался объяснить природу теплоты на основе поведения частиц, из которых состоит вещество. Тем самым он, c одной стороны, вернулся к представлениям XVII в., но на новой основе, а с другой – заложил основу современного подхода к термодинамике.

Ключевую роль в термодинамике играет закон сохранения и превращения энергии, который был обоснован и сформулирован в 1842 г. немецким врачом Юлиусом Робертом Майером (1814–1878), а в 1847 г. в более строгой и детальной форме – Г. Гельмгольцем. Интересно, что к мысли о сохранении энергии оба исследователя пришли, проводя опыты не на физических, а на биологических объектах.

1. Какие три составные части обязательно входят в состав тепловой машины?

2. В чём заключается значение исследований Джоуля?

3. Кто обосновал и сформулировал закон сохранения энергии?

Прочитайте эпиграф к параграфу. Почему, по мнению Вальтера Нернста, карпы «находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой»? Каких ещё животных мог бы разводить автор третьего начала термодинамики, чтобы не «обогревать на свои деньги мировое пространство»?