Энергия вокруг нас
175
2. Тепловые насосы
2.1. «Вечный двигатель» Начала термодинамики и Тепловая смерть Вселенной
В соответствии с классическим определением, вечный двигатель - это машина, которая, будучи один раз запущена в ход, совершала бы полезную работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергию извне. Последняя фраза «не заимствуя энергию извне» означает, что энергия, содержащаяся в окружающей среде, не используется для пополнения энергии движущихся частей механизма двигателя.
На рис. 1 показаны примеры попыток создания вечных двигателей. В этих примерах предполагается, что некоторое тяжелое тело, совершая замкнутый путь, возвращается в исходное положение, попутно совершив полезную работу. Однако тяжелое тело в механизме не только совершает полезную работу, но и растрачивает энергию на преодоление трения механизма. Поэтому, израсходовав энергию первого толчка на совершение полезной работы и на тепловые потери, вся система тел неизбежно останавливается.
а) 6)
Рис. 1. Варианты конструкции вечного двигателя: а) с
перекатывающейся замкнутой цепью; б) с перекатывающимися шарами.
В более сложных конструкциях механическая энергия превращается в другой вид - тепловую, электрическую и т.п., но
176
Глава 6.
суть остается той же: в совершении полезной работы используется энергия первичного толчка и по мере ее израсходования система останавливается. Никакими превращениями нельзя увеличить общее количество энергии в системе, и это общепризнанно. Поэтому никаких вечных двигателей быть не может.
Невозможность создания вечного двигателя была подтверждена в середине 19-го столетия формулировками Первого и Второго начал термодинамики [2].
Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершаемой ею работе.
Первое начало термодинамики представляет собой по существу выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность теплоты и работы, т. е. возможность измерения их количеств в одних и тех же единицах и тем самым возможность их сравнения, была доказана немецким физиком Ю.Р.Майером в 1842 г. и особенно англичанином Дж.Джоулем в 1843 г. Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме немецким физиком Г. Гельмгольцем в 1847 г. Приведенная выше формулировка равнозначна утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода, поскольку часть энергии системой неизбежно будет потеряна в виде тепла.
Запрещая вечный двигатель 1-го рода, Первое начало термодинамики не исключает возможности создания такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту, так называемый, вечный двигатель 2-го рода.
Однако весь опыт по конструированию тепловых машин, имевшийся в начале 19-го века, указывал на то, что кпд (коэффициент полезного действия), т.е. отношение полученной работы к затраченному теплу всегда меньше единицы, т. к. часть
