[Главная] [Очерки] [Журнал]

2. Сущность закона сохранения и превращения энергии.

Реакциям (1) – (3) можно сопоставить и другую, более простую и наглядную аналогию. При сжигании спиленного дерева в паровозной топке выделяется тепловая энергия, используемая для выполнения значительной работы. Обратный процесс не требует эквивалентных затрат энергии: в природе дерево вырастает «как бы само собой», за счёт энергии окружающей среды.

При этом оказывается, что оба процесса — прямой и обратный — осуществляются в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии. Правда, если иметь в виду не примитивное, а строгое его толкование в двух известных формах, называемых первым и вторым законами или началами термодинамики.

Согласно первому закону термодинамики тепловая энергия Q, подводимая к рабочему телу в термодинамическом цикле всегда распределяется: одна часть её идёт на выполнение полезной работы A тепловой машиной, другая на повышение внутренней энергии W окружающей среды:
(4)   Q = A + W.
Из этого следует, что внутренняя энергия окружающей среды априори есть теплота, которая не может быть преобразована в работу (рассеянная теплота). Это обстоятельство и обуславливает справедливость второго закона термодинамики, исключающего возможность преобразования рассеянной теплоты в работу в ВД-2 или монотермическом двигателе.

При этом главное содержание второго закона термодинамики можно выразить в виде знаменитого соотношения Карно для подсчёта предельно возможного термического КПД цикла:
(5)   A/Q = 1 – Tо / Tн.
Оно прямо указывает на необходимость включения в схему тепловой машины по меньшей мере двух теплообменников: нагревателя рабочего тела с температурой Tн и охладителя с температурой Tо ; в качестве последнего как правило и используется окружающая среда.

А вот простое и убедительное обоснование фундаментальности этого положения: все живые организмы и существа, включая человека, имеют как приёмник теплоты с пищей, расходуемой на выполнение механической работы, так и сток теплоты с продуктами переработки пищи для вывода из организма энтропии. Аналогичная ситуация наблюдается и в растительном мире: растения не только потребляют солнечную энергию, углекислый газ, воду и питательные вещества, но и выводят энтропию с испарениями влаги и при выделении кислорода. Сомневающиеся могут убедиться в сказанном на себе, ограничив каким-либо доступным способом нормальный ежедневный вывод "энтропии" из организма.

Из соотношения (5) следует, что эффективность преобразования теплоты в работу (КПД цикла) тем выше, чем больше разнятся между собой температуры нагревателя и охладителя. А эффективность преобразования теплоты во внутреннюю энергию окружающей среды очевидно определяется соотношением
(6)   W/Q = T_о / T_н ;
то есть, напротив, тем выше, чем ближе температура нагревателя к температуре среды-охладителя. Видно, что наибольшая эффективность преобразования теплоты во внутреннюю энергию достигается в условиях температурного равновесия T_о = T_н , когда теплообмен возможен исключительно в процессе массообмена. Это и наблюдается в природе, в частности, в растительном и животном мире.

Таким образом, в природе в равной мере и в полном согласии с первым (4) и вторым (5) началами термодинамики эффективно реализуются два обратимых процесса преобразования материи — при высоком и низком температурных градиентах или напорах. В первом (при Т_н >> Т_о) процессе происходит частичное преобразование вещества в свободную энергию, способную производить работу; ему соответствует ядерная реакция (1) синтеза гелия и процесс сжигания дерева в паровозной топке. Во втором (при близких значениях Т_н и Т_о) процессе мы имеем дело с обратным преобразованием энергии в вещество; ему соответствуют ядерные реакции (2) и (3) воспроизводства изотопов водорода из гелия под воздействием космических частиц p и процесс естественного роста дерева.

< НАЗАД] [Главная] [Очерки] [Журнал] [ДАЛЬШЕ >