Фейнман - 04. Кинетика. Теплота. Звук (1055665), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Этим объясняется способность нагретой резины поднять более тяжелый грув. Если растянутую в течение некоторого времени реаину отпустить, то каждая цепь становится мягче, ударяющиеся о расслабленные цепи молекулы теряют энергию, и температура падает. Итак, мы видели, как кинетическая теория устанавливает свяаь между сокрашением при нагревании и остываннем при расслаблении, но было бы чересчур сложно пытаться вывести методами кинетической теории точные соотношения между этими эффектами. Нам пришлось бы для этого выяснить, сколько столкновений происходит ежесекундно и как выглядят молекулярные цепи. И вообще всех трудностей просто не перечислить.
Детали механизма столь сложны, что кинетическая теория не в состоянии описать в точности все происходящее. Однако можно вывести некоторые соотношения между этими эффектами, практически ничего не зная о внутреннем механизме! Вся термодинамика сводится примерно к таким рассуждениям: раз резина при высокой температуре «сильнее», чем прн низкой, то с помощью тепла можно совершать самые разнообразные работы, скажем подымать грузы н передвигать их па новое место. И действительно, мы уже убедились, что нагретая резина способна поднимать тая ести.
С научения возможности использования тепла для совершения работы и начинается термодинамика. Можно лн построить машину, в которой используются тепловые свойства резины? Да, только выглядеть она будет глуповато. Для этого можно немного усовершенствовать велосипедное колесо, вставив туда резиновые сшщы (фиг. 44.2).
Если с помощьно двух ламп накаливания нагреть Ф и г. 44.2, Теаиоваа машина с резиновыми спицами. 101 резину на одной стороне колеса, то она станет «сильнее», чем ненагретая резина на другой стороне. Центр тяжести колеса сдвинется и отойдет от точки опоры. Колесо повернется. После поворота холодные резиновые спицы пододвинутся поближе к теплу, а нагретые уступят им свое теплое место и остынут.
И колесо будет медленно вращаться, пока будут гореть лампы. Коэффициент полезного действия такой ыаяпгны чрезвычайно мал. Для вращения колеса едва хватает содержащейся в двух лампах мощности около 400 вт, а способно оно поднять лишь блоху! Однако тут же возникает интересный вопрос: нельзя ли 4юлее эффективно перевести тепло в работу? Собственно говоря, термодинамика ведет свое начало с работ знаменитого инженера Сади Карно, который желал построить наилучшую и наиболее экономичную машину. Это один из немногих замечательных случаев, когда инжеяер заложил основы физической теории. На память приходит еще один пример, но уже сравнительно недавний — это анализ теории информации, сделанный Клодом Шенноном.
Кстати, этн вопросы тесно связаны. В паровой машине тепло используется для кипячения воды. Образующийся пар, расширяясь, толкает поршеяь, а поршень крутит маховик. Итак, пар вытолкнул поршеяь до отказа— что дальше? Эта порция пара свою работу выполнила, однако самое неразумное было бы закончить цикл выпуском пара в атмосферу, тогда к паровому котлу придется вновь подводить воду. Дешевле, а значит, п эффективнее отводить пар в другой сосуд, где он будет конденсироваться холодной водой, и образующуюся при этом воду можно будет снова вернуть в паровой котел, обеспечив непрерывную циркуляцию. Таким образом, паровая машина поглощает тепло и превращает его в работу.
Л может быть, лучше залить котел спиртом? Какими свойствами должно обладать вещество, чтобы обеспечить наилучшую работу машины? Этот вопрос задавал себе Карно н, размышляя таким образом, как мы уже сказали, попутно открыл соотношение очень общего типа.
Все результаты термодинамики содержатся в нескольких предельно простых утверждениях, называемых законами шерзгодиншвики. Во времена Карно первый закон термодинамики— вакон сохранения энергии — был еще не известен. Однако аргументы были сформулированы Карно так точно, что они оказались правильными, хотя первый закон тогда не был еще открыт! Немного позже Клаузиус привел более простой вывод, который понять оказалось легче, чем очень тонкие рассуждения Карно.
Но Клауэиус исходил из предположения, что сохраняется не полная энергия, а теилота; так считала в то время калорическая теория, которая впоследствии была вообще отвергнута как неверная. Поэтому часто говорят, что аргументы 202 Карно были ложными. На самом же деле логика Карно безукоризненна. Неверно только упрощенное толкование этих аргументов Клаузиусом, а именно с ним все обычно знакомятся. Так случилось, что так называемый второй закон термодинамики был открыт Карно раньше первого закона! Было бы очень интересно привести здесь аргументы Карно, не опира1ощвеся на первый закон.
Но придется отказаться от этого, потому что мы изучаем физику, а не историю. С самого начала будем пользоваться первым законом, хотя многое можно было бы сделать и без него. Сначала сформулируем первый закон, закон сохранения эйергии: если нам дана система н иы подводим к ней тепло и производим над нои какую-то работу, то приращение энергии системы равно подведенному теплу н затраченной работе. Мы запишем все это так: к системе подводится тепло () и над ней производится работа И', тогда энергия системы У возрастает; зту энергию иногда называют внутренней энергией.
Связаны эти величины следующим соотношением: (44. 1) Измевевве У =() + И'. Изменение У можно получить, добавляя неболыпое количе- ство тепла Лч и небольшую работу ЛИ'. (44, 2) Это — дифференциальная форма того же закояа. Все это мы уже хорошо знаем из предыдущей главы. ф М..Втгзорой замом А что такое второй закон термодинамикиэ Мы знаем, что если при работе приходится преодолевать трение, то потерянная работа равна выделившемуся теплу. Если мы преодолеваем трение в комнате при температуре Т и делаем это достаточно медленно, то температура в комнате изменится ненамного.
Мы превращаем работу в тепло при постояяной температуре. Ну, а можно ли поступить наоборот? Сумеем ли мы каким-то способом превратить тепло в работу при постоянной температуре". Второй закон термодинамики утверекдает, что это невозможно. Было бы очень хорошо научиться превращать тепло в работу, изменив лишь направление процесса, похожего на трение. Если исходить только из закона сохранения энергии, можно считать, что тепловая энергия, например колебательная энергия молекул, способна служить удобным источником полезной энергии.
Но Карно утвер;кдал, что при постоянной температуре тепловую энергию нельзя извлечь из ее источника. Иначе говоря, если бы весь мир имел повсюду одинаковую темпе- ратуру, то оказалось бы невозможным превратить теплову1о энергию в работу. Хотя процессы, прн которых работа переходит в тепло, могут идти при постоянной температуре, невозмоя но обратить их и вернуть работу обратно. Если говорить точно, Карно утверждал, что при постоянной температуре нельзя извлечь тепло из его источника и превратить в работу, не производя больше никаких изменений в заданной нам системе или з окружающем пространстве. Последняя фаза очень важна.
Предположим, что в вапаянном контейнере находится сжатый воздух при постоянной температуре; мы позволили ему расвнириться. Такое устройство моявет совершать работу; оно может привести в движение пневматический молоток. При расширении, например, воздух чуть-чуть охлаждается, но если в нашем распоряжении очень большое море, огромный тепловой резервуар, то мы снова сможем нагреть его. Итак, мы взяли из моря (резервуара) тепло и произвели работу при помощи сжатого воздуха. Однако Карно не ошибся. Ведь мы не сумели оставить все в системе без изменения. Чтобы сжать снова воздух, которому мы позволили расшириться, нам понадобится произвести дополнительную работу.
Покончив с этим, мы обнаружим, что не только не смогли заставить систему работать прн заданной температуре Т, но еще и сами вложили некую работу. Мы должны говорить только о таких случаях, когда полный результат всего процесса сводится к изъятию тепла и превращению его в работу, точно так х<е, как при преодолении трения конечный результат есть превращение работы в тепло. Если процесс сводится к движению по окружности; то систему можно вернуть точно в исходное положение, но конечным результатом этого процесса будет переход в тепло затраченной на преодоление трения работы. А моявно ли обратить этот процесс? Повернуть, скажем, какую-нибудь ручку, чтобы все повернулось вспять, трение производило полезную работу, а моря остыли? Каряо сказал, что этого нс может быть. Давайте н мы предположим, что это нсвозможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
