Скотт Бембенек - Механизм Вселенной - как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Сегодня мы разделяем много форм энергии: кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, энергия света, ядерная и тепловая. Энергия действительно своего рода хамелеон, способный переходить из одной формы в другую, но при этом никогда не исчезая; всегда сохраняясь [36] В дополнение к этому пункту Эйнштейн научил нас, что E = mc 2 , то есть объект обладает энергией просто потому, что у него есть масса, m . Это уравнение часто понимают неправильно. Целиком мы пишем E = mc 2 = m 0 c 2 + E к , где m 0 — «масса покоя», c — скорость света, а E к — кинетическая энергия. . Есть определенный парадокс в том, что мы часто говорим об «энергосбережении», когда по факту природа всегда сохраняет энергию. Конечно, мы имеем ввиду «не трать энергию». Мы признаем, что энергия в наших руках весьма ограничена и ее можно израсходовать. Кроме того, это означает, что мы признаем: не все источники энергии жизнеспособны или «полезны». Таким образом, не вся энергия может служить для нас источником работы.

Это очевидное неравенство иллюстрирует нечто фундаментальное в вопросе энергии: в то время как вся энергия сохраняется, не все формы энергии мы можем применять. Кроме того, когда мы действительно используем энергию для чего-то полезного, природа требует, чтобы определенное ее количество было потрачено впустую. То есть энергия, затрачиваемая для нашей желаемой задачи, никогда не будет использована целиком. Природа ожидает определенную «компенсацию». В действительности эти основополагающие принципы энергии связывают ее с другим очень важным фактором — энтропией .

К 1820 году промышленная революция вошла в полную силу, движимая буквально и фигурально паровым двигателем. Паровой двигатель является типом теплового двигателя , который использует пар в качестве рабочего тела ; пар является источником тепла, обеспечивающего производство полезной работы. Другая версия теплового двигателя — двигатель в вашей машине. Здесь рабочее тело — смесь газа и воздуха; сгорание этой смеси приводит к выделению тепла и увеличению давления, двигающему поршни в цилиндрах двигателя, за счет чего движется и ваш автомобиль.

Тепловой двигатель требует по крайней мере двух различных температур, чтобы преобразовывать тепло в работу. В самом простом варианте тепловой двигатель (см. рис. 5.1) берет некоторое количество тепла ( q Н) из горячего резервуара ( нагревателя с высокой температурой T Н), использует часть, чтобы выполнить работу ( W ), и сбрасывает другую часть ( q Х) в холодный резервуар ( холодильник с более низкой температурой T Х), который обычно располагается снаружи.

Рис. 5.1. Тепло ( q Н) выходит из горячего резервуара ( нагреватель с высокой температурой T Н). Часть этого тепла преобразуется в работу ( W ) рабочим телом двигателя, в то время как другая часть тепла ( qХ ) поступает в холодный резервуар ( холодильник с низкой температурой T Х).

Рассмотрим очень простой тепловой двигатель из воздушного шара и фена. Разместим маленький вес сверху на воздушном шаре и нагреем их при помощи фена (нагреватель), благодаря чему воздух в воздушном шаре (рабочая жидкость) расширится и начнет поднимать шар вверх за счет поглощения части тепла, в то время как остальная его часть рассеется в окружающей среде (холодильник). Таким образом, наш простой тепловой двигатель выполнил определенную работу при помощи части тепла от фена, а другая часть ушла в окружающую среду. Более того, если мы уберем вес и проведем тот же эксперимент, воздушный шар все еще будет работать, расширяясь вопреки внешнему давлению. Таким образом, на этот раз система работает, «поднимая» воздух за пределами воздушного шара, тогда как прежде поднимался вес, который был на верхушке шара.