Реки не текут вспять. Не возвращается н ушедший в пространство теплород. Отсюда возникает понимание особой роли теплоты среди других форм энергии — ни одна из них не теряется безвозвратно, только теплота! Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в Науке о теплоте — в термодинамике: тепло самопроизвольно течет только в одном направлении, от горячих тел к холодным. Совершенно непринужденно при этом возникает понимание невозможности создания вечных двигателей. Воду в реке нельзя повернуть вверх по течению, не затратив на это работу?
Не затратив работу, невозможно вернуть для полезной деятельности и теплород. Так Карно путем элементарных
[smszamok]
рассуждений пришел к двум гениальным для его времени результатам. Первый — это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат — формула для определения кпд идеальных тепловых машин. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины — разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.
Теперь ясно — кпд идеальной тепловой машины зависит только от разности температур. И ясен путь увеличения эффективности тепловых машин: ее можно поднять за счет увеличения температуры на входе — температуры пара в котле. Или за счет понижения температуры на выходе. Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства— холодильники. Если пар на выходе машины не охлаждать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, то машина будет малоэффективна. Пример — паровоз, его кпд едва достигает 3—4 процентов. А если температура котла и холодильника одинакова? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если ее колесо опущено в стоячую воду. Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. И хотя они предельно наглядны и просты, все это осталось почтя не замеченным, во всяком случае, не понятым. Карно опередил свое время. В последующие годы Карно продолжал свой великий и скромный труд. Он отказался от гипотезы теплорода, провел новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты. Его результаты были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений»— более чем через сорок лет после смерти автора. А через пятнадцать лет после, смерти Каряо великий Клаузвус, который ввел в науку многозначительное понятие энтропии, добавил свое веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвел в ранг Второго начала термодинамики: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому».
Наименование «Второе начало термодинамики» было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики. Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде ученых, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать Второе начало так: «При посредстве неодушевленного тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путем охлаждения ее температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел». Что же испугало Томсона в принципе Карно, во Втором начале термодинамики? Его испугал вывод о том, что могут существовать условия, при которых невозможно превращение тепла в работу или в другие формы энергии. Ему казалось неприемлемым признание того, что в отличие от других форм энергии теплота обладает особыми свойствами, что какие-то ее количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений, ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надежно установленным великими предшественниками. Необратимое течение тепловых процессов сулило Вселенной гибель
Шесть долгих лет Томсон изучал проблему, прежде чем решил опубликовать результат. В 1857 году в работе «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии» он сообщает: принцип Карно верен, и он отражает гибельную тенденцию, властвующую над природой. Все формы энергии в конечном счете переходят в теплоту, температура всех тел стремится к выравниванию за счет охлаждения нагретых тел. Приговор был произнесен. Он потряс я ученых и воображение широкой публики. Мир не будет существовать бесконечно. Он обречен! Клерикалы по-своему утешали обывателя: мир не мог возникнуть без помощи бога, а раз так, то бог нас не оставит. А многие ученые пытались оспорить положение Томсона—Клаузиуса — они искали примеры, противоречащие Второму началу термодинамики. Все возражения были ошибочны, все примеры содержали погрешность.
Физика попала в тупик. Каков же выход? «Современное естествознание вынуждено заимствовать у философии положение о неуничтожаемое движения: без этого положения естествознание уже не может существовать». В этой своей работе Эйнштейн на основе молекулярно-кинетической теории теплоты развил теорию тепловых флуктуации для конкретного случая — хаотических движений малой частицы вещества, взвешенной в жидкости. Ему удалось найти закон случайного диффузионного блуждания частицы и связать среднее ее смещение за какое-то время с экспериментально измеряемыми параметрами жидкости и самой частицы, вследствие чего должно было бы произойти частичное уменьшение массы покоя. Подобные выводы, сделанные на основании теории относительности, в то время, то есть 70 лет назад, и еще много лет после этого многим казались совершенно невероятными, нереальными. Казались не более чем упражнениями теоретика. Однако именно эти выводы спустя несколько десятков лет воплотились в ядерные реакторы, ядерное и термоядерное оружие, атомную энергетику и в создаваемые ныне экспериментальные термоядерные реакторы.
Не следует, конечно, думать, что все это само собой следовало из простого соотношения Е = тс2. Совсем нет. Это соотношение только говорит о том, что масса эквивалентна энергии, но не говорит о том, как преобразовать массу в энергию я тем более в полезную энергию. Но логика развития науки такова, что правильно понятый фрагмент картины мира почти всегда открывает перед человеком новые интересные практические возможности. Вот так и выводы Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии, их приложение к проблемам ядерной физики привели к открытию конкретных путей использования энергии ядерных реакций.
Почти все, что связано с реальным открытием для человечества нового источника энергии, почти все это происходило в самые последние десятилетия, привлекало пристальное внимание многих наших современников, и поэтому хотелось бы несколько более подробно остановиться на данном примере преодоления трудного пути от идеи теоретика до действующих промышленных сооружений. Начнем с напоминания о том, что ядро каждого элемента (точнее, каждого его изотопа) таблицы Менделеева имеет определенную массу покоя. Значения масс покоя найдены путем точного измерения параметров траектории движения ядра в электрическом И магнитном полях. Зная массу ядра, можно согласно уравнению Эйнштейна вычислить содержащуюся в нем энергию. Каждое ядро состоит из строго определенного числа нуклонов (протонов и нейтронов), свободные нуклоны тоже имеют строго определенную массу покоя и, следовательно, опять-таки строго определенный запас энергии: масса протона Ма = 1,6726 • 10-24г = = 938,26 МэВ; масса нейтрона Мп — = 1,6749 -1024г — 939,55 МэВ. Разумеется, согласно закону сохранения энергии должен быть справедлив следующий ее баланс:
масса (энергия) ядра = масса (энергия) всех нуклонов минус энергия (масса) связи нуклонов в ядре. Энергия связи нуклонов в раз та энергия, которую нужно чтобы разделить ядро на отделы.
Для получения свободной энергии можно использовать разницу энергии связи между нуклонами или, что то же самое, превращать в свободную энергию ту разницу массы.
[/smszamok]
А. Эйнштейн сам был автором большого числа изобретений в разных областях техники. На снимках титульные листы описания двух патентов, полученных А. Эйнштейном совместно с Л. Сциллардом, В конце двадцатых годов (1927 — 1930) ими были запатентованы три типа холодильных машин, насосы для холодильных машин, устройство с циркуляцией жидкого металла, предназначенное, в частности, для сжижения газов и паров в холодильной машине (оно нашло применение и в атомной технике), компрессор, электромагнитное устройство для генерирования колебательных движений; совместно с Рудольфом Гольдшмитом запатентовано устройство для передачи звука, использующее явление магнитострикции (работа над ним, кстати, дала Эйнштейну повод к написанию стихов: «я понял, что мыслителю порой немного техники несет отраду и покой,.,»).
Сочинение! Обязательно сохрани - » Наука о теплоте — термодинамика . Потом не будешь искать!
Запись была опубликована
13.09.2009 в 22:51 в категории Занимательная физика.
Вы можете следить за ответами в этой записи через RSS 2.0 ленты.
Загрузка...