WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

«5.1. О тепловых машинах и Perpetuum moвile За долго до наступления новой эры своё отношение к проблеме вечного движения и к проблеме неисчерпаемых источников энергии ...»

-- [ Страница 1 ] --

5. Второе начало термодинамики

5.1. О тепловых машинах и Perpetuum moвile

За долго до наступления новой эры своё отношение к проблеме вечного движения и к

проблеме неисчерпаемых источников энергии высказывали своё отношение древние мыслители. За пятьсот лет до рождества Христова греческий философ Анаксагор был уверен что:

«Ничто не может стать чем-то иным, и ничто не может быть уничтожено». Были и более агрессивные высказывания, например, Эмпедокл из Акраганта (490 430 гг. до н.э.) считал, что «только сумасшедшие могут полагать, что в мире может начаться нечто, чего никогда не было, либо то, что есть, может пройти или исчезнуть бесследно». Несмотря на советы древних мудрецов, процесс поиска принципов и устройств для извлечения «вечной» энергии продолжается без видимых успехов до настоящего времени. Оказалось, что открытие новых физических законов и явлений неминуемо приводит к новым всплескам активности энтузиастов Perpetuum mobile. Как правило, идеи вечного движения возникают на почве незнания или неверного толкования естественнонаучных представлений об окружающем мире.

До появления научно обоснованных понятий силы, энергии, работы, тепла казалось, что создать вечно движущуюся машину представляет чисто инженерную задачу. Представлялось, что для реализации вожделенной идеи достаточно всего лишь правильно подобрать элементы аппарата и соединить их в звенья. Однако открытие законов сохранения, прежде всего, импульса и энергии, несколько поумерило пыл романтиков дармовой энергии, но на время. После некоторой адаптации, процесс запускался снова. В этой связи уместно вспомнить исторические факты, связанные с энергетическими проблемами человечества.

Когда между просвещенными людьми возникают споры об исключительности человека в этом мире, то сторонники его «царствующего» положения, как один из основных аргументов в пользу своей точки зрения приводят факты, касающиеся его умения использовать различные виды энергии. Всю историю цивилизации можно рассматривать как историю освоение различных источников энергии и историю борьбы за их обладание. Войны на нашей планете в конечном счете были обусловлены желанием владеть тем или иным энергетическим ресурсом.

Необходимость введения понятия «энергия» впервые возникла в физике. Под энергией в физике понимается всякое Рис. 5.1. Ньютон изменение в свойствах материи как вещества, так и разного рода полей, дающее возможность производить работу. Уравнение энергии, связанной с механическим движением, получается при математическом преобразовании уравнения второго закона Ньютона для материальной точки:

r i =n r Fi = ma, (5.1) i = r i=n r F геометрическая сумма действующих на где m масса точки; a вектор ускорения; i i = точку сил.

Выразим вектор ускорения через вектор скорости:

r r i=n dv Fi = m dt. (5.2) i = Умножим далее скалярно правую и левую части последнего уравнения на бесконечно r малое перемещение точки d r :

r rr i=n dv r Fi d r = m d r. (5.3) dt i = r r Величина d r dt представляет собой вектор скорости v, что позволяет уравнение (5.3) переписать в виде rr i=n rr F d r = mvdv. (5.4) i i = Если известны пределы изменения положения точки за конечный промежуток времени и скорости, то уравнение (5.4) можно проинтегрировать:

r r r2 i = n r r v2 r r Fi d r = mvdv. (5.5) r i =1 r r1 v Левая часть уравнения (5.5) представляет собой работу, производимую силой на заданном перемещении точки 1 2:

r r2 i = n rr Fi d r = A12. (5.6) r i = r Правый интеграл уравнения (5.5) является, по сути, разностью двух величин:

v r r mv 2 mv mvdv = = K 2 K1, (5.7) 2 r v т. е. разностью кинетических энергий в начальном и конечном положении исследуемой точки. Уравнение (5.7) является математическим уравнением теоремы об изменении кинетической энергии, которая может быть сформулирована следующим образом. Изменение кинетической энергии материальной точки на конечном перемещении количественно равно работе, производимой действующими на точку силами на том же перемещении.

Кинетическая энергия, являющаяся энергией движения, оказалась в механике не единственной. Рассмотрим такой пример: по наклоненной под углом к горизонту гладкой (без трения) плоскости поднимают тело массой m (рис. 5.2), сообщая ему в начальный момент времени скорость v0.

Поднявшись в верхнюю точку плоскости, шар останавливается, но энергия его не становится равной нулю, потому что начальная кинетическая энергия расходуется на совершение работы против силы тяжести.

Оказавшись на высоте Н, шар стал обладать потенциальной энергией, которая возникла вследствие взаимодействия с Землей. Если шар подтолкнуть со ступеньки, то он, двига- Рис. 5.2. Движение тела по наклонной плоскости ясь вниз по наклонной плоскости, в конце спуска в случае отсутствия сопротивления со стороны воздуха и трения приобретет скорость v0. Для этого, во многом идеализированного случая справедлив закон сохранения механической энергии, который математически записывается следующим образом:

т. е. сумма кинетической и потенциальной энергии для консервативной механической системы остается постоянной. Естественно, что для реального случая, когда будут действовать силы сопротивления со стороны среды, в которой протекает движение и силы трения, в уравнении (5.8) необходимо учесть работу, производимую против этих сил.

Таким образом, изменение энергии может проявляться как изменение состояния движения (кинетическая энергия), как изменение взаимного положения частей данной системы или ее расположения по отношению к другим телам (потенциальная энергия).



Позже было обнаружено, что этот закон универсален, он управляет всеми известными в настоящее время процессами в природе. Наш соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов (17111765) опубликовал в 1745 г. работу «Размышления о причинах тепла и холода», в которой в самом общем виде сформулировал закон сохранения энергии. Эта работа М.В.

Ломоносова была высоко оценена Леонардом Эйлером (17071783), который писал: «Все сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны, ибо изъясняют химические и физические материи самые нужные и трудные, кои совсем неизвестны и невозможны были к использованию».

Исключений из этого фундаментального закона не существует. Энергия является универсальной величиной, значеРис. 5.3. М.В. Ломоносов ние которой для рассматриваемого объекта не меняется при любых его превращениях: механических, физических, химических, молекулярных, атомных и даже ядерных. Ричард Фейнман в своих знаменитых лекциях по физике проводит аналогию между законом сохранения энергии и путешествием черного слона по шахматной доске:

как бы ни развивалась партия, сколько бы ни было произведено ходов, слон все равно окажется на черной клетке. Сохранение энергии наблюдается в электрических, магнитных и тепловых процессах. До настоящего времени неоднократные попытки обнаружить некорректность этого закона не увенчались успехом. Показательным примером таких попыток является случай с уравнениями Джеймса Клепка Максвелла, являющимися основой всей современной электродинамики. Уравнения, в частности, описывали процесс преобразования электрического поля в магнитное. Оказалось, что уравнения с позиций закона сохранения энергии некорректны.

Если конденсатор С подключить к источнику электрического напряжения, то в нем накопится энергия электрического поля (рис. 5.4):

При замыкании конденсатора на катушку с индуктивностью L конденсатор начнет разряжаться и электрическая энергия будет преобразовываться в энергию магнитного поля:

Уравнения Максвелла демонстрировали неравенство начальной энергии электрического поля энергии магнитного поля. Согласно существующим в XIX веке традициям, за такие вольности следовало критиковать. Патриарх немецкой электродинамики Гельмгольц (18211894) был озадачен выпадом молодого англичанина и принял решение поставить Максвелла на место. Он поручил своему аспиранту Герцу доказать экспериментально, что уравнения не годны в принципе, так как они ставят под сомнение закон сохранения энергии.

Гению эксперимента Генриху Герцу (18571894) удалось показать обратное: закон сохранения энергии исполняется и в этом случае. Попросту при анализе процессов не учитывалась энергия, уносимая в окружающее пространство электромагнитными волнами. Таким образом, при попытке уличить Максвелла были открыты электромагнитные волны, которые, как оказалось, могут распространяться в пустоте со скоростью света.

Понятие «энергия» в его теперешнем обиходном смысле возникло около 120 лет назад. Процесс становления понятия можно разделить на несколько характерных периодов.

Первый период начался с незапамятных времен и продолжался до VVII вв. н. э., когда человек обходился собственной мускульной силой и мускульной силой животных, источником которой являлась пища, т. е. химическая энергия растительного и животного происхождения. Кроме того, использовалась пока еще не осознанная до конца тепловая энергия, получаемая от Солнца и открытого огня.

Второй период, охватывавший VIIIXIIII вв., ознаменовался изобретением водяного колеса и ветряных крыльев. Часть полезной работы стала выполняться за счет преобразования энергии ветра и воды.

На рис. 5.5 приведен рисунок Леонардо да Винчи (14521519) прототипа паровой турбины.

Третий период часто в популярной литературе называют периодом «огненной силы». Человек научился использовать в своих целях энергию невозобновляемых источников. Этот период является наиболее динамичным из всех. Изобретение тепловых машин, нашествие которых на человечество продолжается и теперь, постоянно изменяло уровень потребляемых энергий. Доступность ископаемого сырья и его относительная дешевизна, можно сказать, избаловали человечество, которое мало заботилось о совершенстве своих энергетических машин.

Четвертый период начался в 1943 г., когда очередь дошла до атомной энергии. Третий и четвертый периоды в настоящее время протекают одно- Рис. 5.5. Турбина Леонардо [30] временно.

Прогнозируется наступление пятого периода, когда ядерная энергетика перерастет лабораторный и бомбовый возраст.

Длительное время энергия, мощность и работа не выделялись в самостоятельные понятия. Использовалась универсальная величина «сила». Отголоском этого периода стали мощность, измеряемая в лошадиных силах, и электродвижущая сила в электричестве.

По мере освоения новых источников понятие силы стало употребляться все чаще и чаще, особенно при характеристике «движущей силы огня». В тепловых машинах происходило преобразование тепловой энергии в механическую работу (рис. 5.6). Для таких процессов закон сохранения энергии был записан в виде первого начала термодинамики.

Идея использования энергии пара была впервые реализована Томасом Севери (16501715), который изобрел паровой насос (схема насоса приведена на рис.

5.6, слева). Водоподъемная установка по большому счету еще не была тепловой машиной, в ней не было движущихся частей, кроме клапанов 6, 7. Насос Севери состоял из камеры насоса 1, парового котла 2, кранов 3, 4, верхнего резервуара 5, нагнетательного клапана 6 и всасывающего клапана 7.

В 17051706 гг. английским кузнецом Ньюкоменом была реализована пароатмосферная машина (рис. 5.6, справа), в конструкции которой впервые присутствовал поршень. Принцип действия машины Ньюкомена состоял в следующем: внутри цилиндра 2 был помещен подвижный поршень 3, связанный с балансиром 8, противоположный конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса. Пар поступал во внутренний объем цилиндра из котла 1 и при открытом кране поднимал поршень. При достижении поршнем верхней точки кран закрывался. Пар охлаждался водой, конденсировался, перемещая поршень в начальное положение, обеспечивая вращение балансира.



Pages:     || 2 | 3 | 4 |