В океане энергии - страница 20

Механическая энергия физических тел бывает двух видов: кинетическая и потенциальная. Различие между ними усмотреть не так просто, как кажется на первый взгляд. Пока будем считать, что кинетической энергией обладают движущиеся тела, а потенциальной — неподвижные. Движущееся тело — это такое тело, у которого сумма количеств движения всех его молекул не равна нулю. Сумма количеств движения — вектор, и направление этого вектора в каждый момент времени совпадает с направлением движения тела.

Каков же вывод из сказанного? Механическая энергия движущегося тела — это энергия частично упорядоченного движения молекул. Преобразовать тепловую энергию в механическую — это значит навести среди беспорядочно движущихся молекул частичный порядок. Как и при каких условиях это можно сделать?

Взаимные преобразования тепловой и механической энергии интересовали ученых с глубокой древности, но только к середине XIX века в этот вопрос была внесена полная ясность. Понадобилось выполнить огромное количество опытов, в частности опытов Джоуля, которые он проводил в течение тридцати лет. Привлекались и мысленные модели, в том числе так называемые циклы Карно, предложенные французским инженером Сади Карно. Сегодня циклы Карно приводятся во всех учебниках термодинамики. Циклы Карно положены в основу индикаторных диаграмм, с помощью которых описывается работа двигателей внутреннего сгорания и турбин.

На этом фоне нам особенно приятно показать, насколько просто решается вопрос о взаимных преобразованиях тепловой и механической энергии, если пользоваться понятиями энтропии, энергии и количества движения. Рассмотрим некоторую теплоизолированную физическую систему. Для начала будем считать, что система находится в равновесии, т. е. энтропия равна своему максимально возможному значению, температура постоянна и одинакова во всех точках системы. Что означает для такой системы совершить некоторое количество механической работы или отдать часть своей энергии, преобразовав ее предварительно в какой-либо другой вид (кроме теплового, ведь система теплоизолирована)?

Это значит уменьшить энтропию. Поскольку приращение энтропии равно приращению энергии, поделенному на температуру, при постоянной температуре уменьшение энергии (отрицательное приращение) неизбежно должно сопровождаться уменьшением энтропии. Однако согласно второму началу термодинамики энтропия не может самопроизвольно уменьшаться. Отсюда первый вывод: в теплоизолированной системе, находящейся в равновесии, невозможно преобразование даже самой малой части ее тепловой энергии в какой-либо другой вид энергии.

Представьте теперь теплоизолированную систему, не находящуюся в равновесии. Что это означает? В пределах системы можно выделить отдельные области или отдельные тела с различными температурами. Предположим для простоты, что система состоит из двух таких тел, причем температура одного из них равна Ти а второго— Т2, причем Ti>T2. При таких условиях реализуются не все возможные способы распределения энергии по молекулам и, следовательно, энтропия системы меньше максимально возможной. С этим мы сталкивались на примере двух сосудов с шариками.

Если дать возможность теплу переходить от тела с" большей температурой к телу с меньшей температурой, энтропия системы в общем случае будет повышаться. Если одновременно с этим часть тепловой энергии преобразовывать в какой-нибудь другой вид, энтропия системы должна уменьшаться. Итак, имеем два процесса: один из них — установление равновесия — сопровождается повышением энтропии, а второй — преобразование тепловой энергии в какой-нибудь другой вид — понижением энтропии.

Какое максимальное количество энергии другого вида можно получить от неравновесной физической системы, обладающей запасом тепловой энергии? Ответ получаем немедленно. Это то самое количество энергии, которое вызывает понижение энтропии. По абсолютной величине оно не больше той величины, на которую повысилась бы энтропия системы, если бы процесс установления равновесия совершался без преобразования и отвода от системы какого-то количества энергии. Другими словами, наибольшее количество нетепловой энергии можно получить от неравновесной физической системы в том случае, если в процессе преобразования ее энтропия будет оставаться постоянной.