Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Вот один из самых известных проектов вечного двигателя. «Раз справа шарики расположены дальше от центра колеса, то по закону рычага они будут сильнее давить вниз, чем шарики слева, находящиеся ближе к оси. И колесо начнет безостановочно крутиться!» – рассуждал изобретатель. Однако на деле никакого вечного кручения не будет, поскольку хоть левые шарики и ближе к оси, то есть давят вниз с меньшей силой, зато их там больше.

Наивные были люди! Это мы с вами сегодня умные, это нам с вами понятно, что халявы в мире не бывает, за все надо платить – в физике сей бытовой принцип носит название закона сохранения массы-энергии. А сотни лет назад тысячи изобретателей всерьез пытались получить патент на создание вечного двигателя.

Засилье этих идиотских проектов так утомило ученый мир, что Парижская академия наук еще в конце XVIII века приняла решение не рассматривать больше проекты вечных двигателей.

Потому что вечный двигатель невозможен! Его существование противоречит закону сохранения энергии. И баста.

Но это изобретателей не остановило. С течением времени они придумывали все более сложные конструкции, а с наступлением эпохи паровых машин начали проектировать вечные двигатели второго рода. Что это значит? Объясню…

Вечными двигателями первого рода называют механические устройства, которые, по замыслу изобретателя, должны работать вечно. Типа того колеса, что на рисунке.

Вечные двигатели второго рода – это тепловые машины, которые умеют превращать в полезную работу окружающее нас тепло. Это требует некоторого пояснения. Но сначала давайте вместе немного порассуждаем о вечных двигателях в принципе.

Допустим, что вечный двигатель возможен. Придумали мы такое колесо или конструкцию, которая может вечно крутиться. В конце концов, природа знает примеры «вечного движения» – Земля крутится вокруг своей оси и вокруг Солнца миллиарды лет и даже не думает останавливаться! Чем не вечный двигатель? Более того, законы механики гласят, что любое тело, если на него не действуют никакие силы, будет либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно. И даже не всегда прямолинейно, как мы видим на примере кружащейся вокруг Солнца Земли. Так чего ж ученые морочат нам голову, будто вечное движение невозможно? Возможно!

Вечное движение, конечно, возможно. Более того, движение из вселенной устранить никак нельзя, оно от природы присуще материи, которая только и существует в движении. И самый простой вечный двигатель – обычное колесо на оси. Если его раскрутить хорошенько, то есть придать ему энергию, то теоретически колесо будет крутиться вечно, как и наша планета. Потому что существует закон сохранения энергии, и коль уж мы энергию к телу приложили, бесследно никуда она исчезнуть не может – колесо обязано крутиться вечно!

Но мы знаем из опыта, что оно крутиться вечно не будет, а вскоре остановится. Значит, какие-то силы на колесо все же действуют, а энергия, запасенная нами, куда-то утекает, как вода из худого ведра.

Что за паразитные силы такие действуют на наше колесо? Да обычные силы трения! То есть силы сопротивления движению. Колесо трется об ось, постепенно стачивая ее и нагревая. Потрите сильно-сильно ладони друг о друга, они нагреются и покраснеют. Вот вам типичный пример действия трения – ваша механическая энергия переходит в дурное тепло. А еще колесо трется о воздух, нагревая его и гоняя ветер. Поэтому самолеты и автомобили стараются сделать более обтекаемыми, чтобы на сопротивление воздушным потокам не пришлось тратить лишнее топливо. А движущиеся детали – колеса и шестерни – сажают на специальные подшипники и смазывают, чтобы уменьшить потери энергии на трение.

Ну, а если бы наше гипотетическое раскрученное колесо вращалось без всякой оси и в космосе, где нет воздуха? Тогда бы оно вращалось вечно, как вращаются планеты.

О-кей. Допустим, нам удалось создать идеальный подшипник без трения, поместить колесо в вакуумную камеру и как-то его там раскрутить – тогда у нас получится вечный двигатель. Но очень глупый! Потому что ведь нам нужно не само по себе вечное движение, а полезная работа! Что мы будем делать с этим вечным двигателем? Глазеть на него, моргая?

Как только мы присоединим к этому вечному колесу какую-нибудь ось с жерновом и заставим молоть зерно, то есть будем наше колесо активно тормозить работой, так оно тут же и затормозится! И нам снова придется его раскручивать, преодолевая сопротивление. Не проще ли тогда крутить жернов вручную? На фига промежуточное колесо-то?

Жизнь так сложилась, что если нужна полезная работа, то необходимо где-то добывать для нее энергию. Или хорошенько покушать и самим крутить, или пусть ветер крутит мельницу, или пусть река крутит турбину электростанции. А еще много скрытой энергии содержится в топливе. Если его сжечь, получится куча тепла, с его помощью можно нагреть воду в котле, превратив ее в пар, а уже сжатый пар может толкать поршень или крутить какой-нибудь агрегат. Именно это и происходит на тепловых электростанциях, где перегретый пар крутит ротор электрогенератора.

Но потом, когда топливо сгорит, все выделенное им тепло, вылетев в трубу, рассеется в пространстве. И тепло от трения тоже рассеется в пространстве. И вообще любая-любая работа, которую мы производим, в конечном итоге сводится только к одному – к безвозвратной потере энергии в виде рассеянного тепла. Такова природа: все высокоорганизованные виды энергии (механическая, электрическая, кинетическая) в конце концов превращаются в низкоорганизованное бросовое тепло.

– А нельзя ли его обратно собрать из окружающей среды? Тогда получится вечный двигатель второго рода! Мы не нарушим закон сохранения энергии, ведь мы не будем брать энергию из ничего. Мы просто соберем ту энергию, что уже рассеялась, и заново заставим работать! – задумались изобретатели. И начали конструировать разные фантастические проекты. Вся суть которых в конечном счете сводилась к сбору рассеянного тепла из окружающей среды с целью его концентрации (нагрева чего-то конкретного) для совершения в последующем полезной работы.

Однако строгие физики каждый раз указывают таким вот горе-изобретателям:

– Ребята! Принципиально невозможно тепло от более холодного тела передать более горячему, сделав его еще горячее. Тепло может переходить только от горячего к холодному, а не наоборот!

Почему это так, мы скоро поймем, а пока послушаем дальше физиков:

– Для совершения любой работы нужна разность потенциалов, разность энергий. Это может быть разность электрических потенциалов в электротехнике. Или разность потенциальной энергии тел, находящихся на разной высоте – например, поднятая над уровнем пола гиря в часах с кукушкой имеет больше энергии, чем та же гиря на полу. Или текущая сверху вода – за счет разницы высот она может крутить турбину или водяное колесо. А если разницы высот и, соответственно, течения нет, колесо не будет крутиться. Точно так же и с тепловыми машинами – там вся полезная энергия добывается из разницы температур между горячим телом (например, горящим топливом) и холодной окружающей средой.

Если нет разницы потенциалов (электрических, температурных или высотных), будет полный покой и никакого движения, способного совершить полезную работу. Нужен поток! Поток энергии (электронов в виде тока, текущей воды, передающегося от горячего тела к холодному тепла). Нет потока – нет работы.

А передача тепла от холодного тела к горячему так же невероятна, как вода, сама по себе текущая в гору! Поэтому вечный двигатель второго рода и невозможен. Да, вокруг нас полно паразитного тепла – оно и в воздухе, и в воде, но попробуй его собери! Попробуй-ка организуй «кучку тепла», из которой потом можно будет организовать обратный поток в окружающую среду для пользы дела.

Представьте себе большой баллон с газом, разделенный пополам перегородкой. В левой половинке баллона у нас газ под большим давление, а в правой половинке – под малым. Температура газа одинакова. Это значит, что скорости молекул в обеих частях одинаковы, просто слева (где высокое давление) молекул больше и их пробег между соударениями короче.

Разница потенциалов налицо – с одной стороны высокое давление, с другой низкое! Что теперь произойдет, если мы уберем заслонку между половинками баллона или откроем на ней какой-нибудь вентиль?

Давление выровняется. И в обеих частях баллона будет мельтешить одинаковое количество молекул.

Пока давление выравнивается, мы можем поставить под дутье турбинку и получить кручение – полезную работу. А вот когда давление выровняется, турбинка крутиться перестанет.

Может ли так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа в баллоне вдруг сами по себе совершенно случайно соберутся в одной части баллона? Да нет конечно! Чисто статистически это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!