В основе всех естественных наук, т. е. наук, изучающих природу, лежат два основных закона: закон сохранения материи и закон сохранения и превращения энергии. Как известно читателю, закон сохранения материи состоит в том, что материя не может быть уничтожена или создана «из ничего». Материя может только переходить из одного вида в другой, из одного состояния в другое. Можно, например, поставив на огонь чайник с водой, нагреть воду до температуры кипения; если чайник с водой оставить на огне и дальше, то через некоторое время он окажется пустым — вся вода выкипит. Это не будет, однако, означать, что произошло исчезновение материи. Это значит только то, что материя из одного вида превратилась в другой: вода испарилась и превратилась в пар. Или можно, например, сжечь кусок дерева, бросив его в костер или в печь. Дерево, конечно, сгорит, но материя уничтожена не будет: в результате сгорания куска дерева образуются зола и газы, главным образом углекислота. И в этом примере происходит превращение материи из одного вида в другой, но количество ее остается неизменным.
Читатель, конечно, знаком я с законом сохранения и превращения энергии. Но так как этот закон имеет для дальнейшего изложения особенно большое значение, остановимся на нем несколько подробнее. Предположим, что в нашем распоряжении имеется волнообразной формы лоток и шарик. Подобное устройство, представленное на рисунке ниже, соорудить нетрудно.
Представим также, что при движении шарика по лотку трение между шариком и поверхностью лотка вовсе отсутствует. Это последнее условие можно действительно только представить. Осуществить же его невозможно, так как даже при самой ровной поверхности шарика и лотка никогда не удастся полностью избавиться от трения.
Проследим за движением шарика по лотку при условии, что трение отсутствует. Допустим, что в начале шарик неподвижен и находится в верхней части лотка, как это и показано на рисунке:
Под влиянием собственного веса шарик может катиться вниз по лотку, причем чем ниже будет положение шарика, тем большей окажется скорость его движения. По инерции шарик может двигаться и вверх по лотку. При этом скорость его движения будет уже не увеличиваться, а уменьшаться. Даже при полном отсутствии трения шарик не смог бы подняться по лотку на высоту, большую чем начальная.
Наибольшую скорость шарик имел бы в самой низкой точке своего пути, в самой высокой точке скорость шарика была бы равна нулю. Эту же мысль можно выразить другими словами: чем ниже находится шарик, тем больше его кинетическая энергия, чем выше находится шарик, тем больше его потенциальная энергия. В нашем воображаемом опыте приходится сталкиваться со взаимным превращением только двух видов энергии: кинетической и потенциальной. Первая из них зависит от скорости движения тела, в данном случае шарика, а вторая — от его положения. На основе принципов механики можно утверждать, что сумма кинетической и потенциальной энергии шарика остается неизменной. Иначе: ни кинетическая, ни потенциальная энергия шарика не могут быть уничтожены, они- могут только переходить одна в другую. Оказанное и представляет собой закон сохранения и превращения энергии применительно к частному, сравнительно простому случаю.
А как обстояло бы дело, если бы трение было принято во внимание?
Рассмотрим движение шарика по лотку в этом случае. В отличие от предыдущего примера опыт с движением шарика по лотку при наличии трения можно не только представить себе, но и осуществить. Так же как и в предыдущем случае, скорость шарика будет тем больше, чем ниже он находится. Иначе говоря, кинетическая энергия шарика снова будет тем больше, чем ниже находится шарик, а потенциальная энергия тем больше, чем выше находится шарик. Но в отличие от рассмотренного ранее случая сумма кинетической и потенциальной энергии шарика не будет оставаться постоянной, а будет постепенно, по мере движения шарика, уменьшаться. Это не значит, конечно, что для данного примера закон сохранения и превращения энергии теряет свою силу. Закон этот является всеобщим и применим к любому частному случаю. Сказанное означает только, что в последнем случае приходится сталкиваться не только с кинетической и потенциальной энергией, но и еще с одним видом энергии, который необходимо принять в расчет. Речь идет о так называемой тепловой энергии. Оказывается, что всегда в результате трения часть кинетической энергии превращается в энергию тепловую. Применительно к рассматриваемому примеру это сказывалось бы в том, что шарик и поверхность лотка в результате трения при движении шарика несколько нагревались бы. Чем большее расстояние по лотку прокатился бы шарик, тем более образовалось бы тепловой энергии. Поэтому закон сохранения и превращения энергии для, данного частного случая следовало бы сформулировать так: сумма кинетической, потенциальной и тепловой энергии при движении шарика с трением остается неизменной.
Но что представляет собой тепловая энергия? Как можно ее измерить?
Тепловая энергия по современным физическим воззрениям представляет собой кинетическую и потенциальную энергию мельчайших частиц тела — молекул и атомов. Следовательно, тепловая энергия шарика, о котором шла речь выше, должна быть равна сумме кинетической и потенциальной энергии всех атомов, из которых он состоит. Было бы, конечно, совершенно безнадежным делом пытаться с целью определения тепловой энергии шарика измерить энергию каждого из атомов, входящих в состав шарика. Для определения тепловой энергии шарика существует куда более простой способ. Известно, что тепловая энергия тела может быть увеличена путем его нагревания. В результате же-нагревания растет температур а тела, которую легко можно измерить, например, с помощью ртутного термометра. Но определение температуры тела в начале и в конце нагревания еще недостаточно для того, чтобы сказать, сколько тепла подведено к телу, на сколько увеличилась его тепловая энергия. Если на плиту положить металлическую гирю весом в 1 килограмм, то для нагревания ее, например, на 10 °С потребуется значительно меньшее время, чем для нагревания на то же число градусов металлической болванки, отлитой из того же металла и весящей 100 килограммов. Ясно, что для нагревания металлической болванки потребуется значительно больше тепла, чем для нагревания до той же температуры во много раз меньшей гири. На основе всего сказанного можно сделать такое предположение: нельзя ли за единицу количества тепла принять количество тепла, необходимое для нагревания тела определенного состава и веса на определенное число градусов? Высказанное предположение оказывается очень удачным. В технике за единицу количества тепла принимается обычно большая калория или просто калория. Она равна тому количеству тепла, которое требуется для нагревания 1 килограмма воды на 1 градус стоградусной температурной шкалы, а именно: от 19,5 до 20,5 °С. Начальная и конечная температуры (19,5 и 20,5 °С) указаны потому, что согласно опытным данным количество тепла, необходимое для нагревания 1 килограмма воды, например, от 10 до 11°С несколько отличается от количества тепла, потребного для нагревания 1 килограмма воды, скажем, от 20 до 21°С. Иначе говоря, теплоемкость воды несколько зависит от температуры. Зависимость эта, правда, невелика. Но для точного определения единицы количества тепла зависимость теплоемкости воды от температуры все же приходится учитывать, почему при определении калории и указана начальная и конечная температуры.
Определив количество тепла, подведенное к какому-либо телу, например к шарику, мы тем самым довольно точно определяем, на сколько увеличилась тепловая энергия шарика. Если же тепловую энергию шарика при какой-либо произвольно выбранной температуре, например при 0° С, условно считать равной нулю, то таким путем можно определить тепловую энергию шарика при любой другой температуре. Ясно, что при отрицательной температуре, т. е. при температуре меньше 0° С, тепловая энергия шарика в этом случае будет выражаться каким-то числом с отрицательным знаком. Хотя энергия в принципе не может быть отрицательной, но полученный результат не должен вызывать удивления: все дело заключается в том, что мы произвольно приняли тепловую энергию шарика при температуре 0° С равной нулю.
Как мы уже сказали, тепловую энергию принято выражать в калориях. Единицей же механической энергии (кинетической и потенциальной) служит килограммометр, т. е. количество работы, которое нужно затратить, чтобы поднять груз весом в 1 килограмм на высоту 1 метра. Так как согласно закону сохранения и превращения энергии данный вид энергии можно превратить в любой другой вид, причем при таком превращении энергия не может ни «исчезнуть», ни возникнуть «из ничего», то определенное количество калорий тепловой энергии, превращаясь, например, в кинетическую энергию, должно при таком превращении дать вполне определенное количество килограммометров. Сколько бы раз мы ни повторяли подобный опыт, соотношение между числом «превращенных» калорий -и числом полученных килограммометров должно оставаться неизменным. В противном случае был бы нарушен закон сохранения и превращения энергии, чего быть, конечно, не может. Из сказанного следует, что 1 калория должна быть равна вполне определенному числу килограммометров,— так оно и есть в действительности. Многочисленные опыты, проведенные исследователями, показали, что 1 калория равна примерно 427 килограммометрам. Поскольку между калорией и килограммометром существует вполне определенная зависимость, а именно: число килограммометров энергии равно числу калорий, умноженному на 427, ясно, что энергию любого вида можно измерять и в килограммометрах, и в калориях. Можно, например, тепловую энергию выражать в килограммометрах, а кинетическую и потен* циальную энергию — в калориях. Принято, однако, поступать как раз наоборот: тепловую энергию выражать в калориях, а механическую — в килограммометрах.
В настоящее время между физиками нет никаких разногласий относительно того, что представляет собой тепловая энергия. Как уже было сказано, тепловая энергия любого тела складывается из кинетической и потенциальной энергии мельчайших частиц этого тела: молекул и атомов. Такой взгляд на природу тепловой энергии утвердился в науке давно. Но было время, когда ученые считали теплоту не формой энергии, а некоторой невесомой жидкостью, тепловым веществом или «теплородом». По этой теории нагревание одного тела за счет другого происходит вследствие перехода части теплорода от второго тела к первому. Следствием этого является нагревание первого тела и охлаждение второго. До поры до времени теория теплорода могла более или менее удовлетворительно объяснять наблюдаемые явления. Течение теплорода от одного тела к другому можно уподобить течению воды. При таком сопоставлении сам теплород подобен воде. Как вода всегда течет от более высокого уровня к более низкому, так и теплород перетекает от более нагретого тела к менее нагретому. Как течение воды происходит до тех пор, пока оба уровня не сравняются, так и переход теплорода совершается до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Если происходит, например, таяние куска льда, то по теории теплорода это значит, что лед получает теплород от окружающей среды и поэтому обращается в воду. Названия, до сих пор уцелевшие в физике, — теплоемкость, теплосодержание — сохранились со времен теории теплорода.
Но скоро физики столкнулись с таким явлением, объяснить которое с точки зрения теории теплорода было не так-то просто. Было замечено, что много теплоты выделяется в результате трения, например, при сверлении целого куска металла. Для объяснения этого явления естественно было предположить, что теплота образуется в результате затраты механической энергии, является сама одним из видов энергии, и отказаться от теории теплорода. Однако защитники теории теплорода высказали такое соображение: Может быть, — сказали они, — теплоемкость мелких кусков металла, стружек меньше, чем теплоемкость целого куска металла того же веса. В таком случае вполне понятно выделение большого количества тепла при сверлении металла, при этом часть монолитного куска металла превращается в стружки, имеющие по предположению меньшую теплоемкость. Это возражение было легко опровергнуто. На основании опытов было показано, что теплоемкость металла не зависит от того, имеем ли мы целый кусок или стружки того же веса. Кроме того, был проделан особенно наглядный опыт, доказавший несостоятельность теории теплорода. Были взяты два куска льда. В результате трения этих кусков между собой лед таял и получалась вода. Ясно было, что затраченная на трение льда теплота могла возникнуть только за счет механической энергии, так как теплоемкость воды не только не меньше, но примерно в 1,25 раза больше, чем теплоемкость льда.
Теория теплорода должна была сойти со сцены и уступить свое место современной так называемой молекулярной теории теплоты. Однако некоторые сопоставления между переходом теплоты от нагретого тела к холодному и течением воды от верхнего уровня к нижнему будут нам в дальнейшем полезны для пояснения существа тепловых явлений.
B самом общем случае энергия может существовать не только в виде кинетической, потенциальной и тепловой, но и во многих других формах: химической, электрической, лучистой и т. д. Для такого наиболее общего случая можно сформулировать в наиболее общем виде и закон сохранения и превращения энергии. Энергия может пребывать во всех своих существующих формах: в виде кинетической, потенциальной, тепловой, химической, электрической, лучистой и т. д. При любых превращениях энергия не может быть уничтожена или создана «из ничего» ни полностью, ни частично.
Ну, а что же представляет собой машина, именуемая двигателем? Ведь можно подумать, что двигатель как раз и существует для того, чтобы производить энергию?
Выше уже было сказано, что закон сохранения и превращения энергии является всеобщим и ни при каких обстоятельствах не может быть нарушен. Не может быть нарушен этот основной закон природы и при работе двигателя. С помощью любого двигателя получить энергию «из ничего» не представляется возможным. Более того, двигатель, в котором энергия будто бы получается без всяких затрат, «из ничего» назвали «вечным двигателем», и так как построить такой двигатель невозможно, закон сохранения и превращения энергии иногда формулируют так: осуществление вечного двигателя невозможно.
Существующие двигатели имеют куда более простое, но зато вполне осуществимое назначение. Они предназначены для получения механической энергии, но не без затрат, не «из ничего», а из других видов энергии. Иначе говоря, двигатели имеют своим назначением превращение различных видов энергии в энергию механическую. В частности, тепловым двигателем называется машина, с помощью которой тепловая энергия превращается в энергию механическую. Такие двигатели имеют очень широкое распространение. К их числу относятся, в частности, автомобильные и самолетные двигатели, паровые машины, широко используемые в настоящее время на паровозах, паровые турбины, предназначенные для получения больших количеств механической энергии, газовые турбины, нашедшие широкое применение в авиации.
О том, насколько хорошо работает тепловой двигатель, судят по так называемому коэффициенту полезного действия (к. п. д.). Под к. п. д. двигателя понимается отношение работы (механической энергии), полученной в двигателе, к тому количеству теплоты (тепловой энергии), которое было «израсходовано» для получения работы. Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы. Это значит, что количество полученной механической энергии всегда меньше количества израсходованной тепловой энергии: часть тепловой энергии превратить в механическую не удается и она в конечном итоге передается окружающей среде в виде тепла.
Как было сказано во введении, для жизни современного общества особенно большое значение имеет электричество, электрическая энергия. К сожалению, природа не предоставляет нам возможности черпать электрическую энергию непосредственно из ее запасов. Пожалуй, единственным сколько-нибудь значительным, естественным проявлением электрической энергии является молния.
Молния — большая электрическая искра, проскакивающая между облаками или между облаком и землей — может иметь очень большую длину, достигающую в отдельных случаях десятков километров. Изучение молнии показало, что сила тока в ней может достигать нескольких сотен тысяч ампер. Если вспомнить при этом, что в проводах электрического освещения сила тока составляет всего лишь несколько ампер, то можно подумать, что атмосферное электричество — молния — представляет собой большой запас электрической энергии. Оказывается, однако, что это далеко не так. Вследствие того, что продолжительность молнии очень невелика и составляет всего лишь незначительную долю секунды (0,01—0,001 сек.), энергия молнии незначительна и в большинстве случаев не превышает 10—20 киловаттчасов. Это значит, что при сгорании двух килограммов каменного угля выделяется в виде тепла примерно такое же количество энергии, каким обладает молния. Ясно поэтому, что об использовании молнии для получения сколько-нибудь значительных количеств электрической энергии говорить не приходится.
Чтобы получить электрическую энергию в большем количестве, остается единственный путь: превратить другие виды энергии в энергию электрическую. Именно такое превращение и является задачей электрических станций.
Тепловые электрические станции предназначены для превращения теплоты, выделившейся при сгорании топлива, в механическую энергию, а этой последней в энергию электрическую. Сжигание топлива — вот начало цепочки превращений, в результате которых получают электрическую энергию в нужных количествах.
Какие же топлива используются для этой цели на электрических станциях? На эти вопросы ответ дается в следующем разделе.
Надёжные и качественные ИБП 20 от производителя для безперебойного снабжения промышленных объектов.