Закон сохранения энергии
Все же вечные двигатели чему-то научили людей: на неудачах ведь тоже учатся.
«В самом деле, почему перпетуум мобиле ни у кого не получается? — давно уже стали задумываться ученые. — Наверно, неспроста…» И некоторые из них, самые умные, высказывали предположение, что работа не может возникнуть «из пустоты» — ничего не случается без причины.
Но находились и такие, которые продолжали тратить время на изобретение вечных двигателей. «Мало ли кто и что говорит — надо еще проверить, надо доказать, что, например, маленькая энергия в большую работу не может превратиться. А вдруг может? И, значит, часть работы все же получится из ничего. Сперва докажи, что это не так, а потом говори…»
Доказали, что не так это, несколько ученых одновременно. Жили они в разных городах, да и странах тоже разных, ничего друг о друге не знали. А пришли к одинаковым результатам. Потому что законы природы везде одинаковы.
Расскажем об одном из них, об англичанине Джеймсе Джоуле. Его иногда называют пивоваром. Это правда, что Джоуль владел в городе Манчестере небольшим пивоваренным заводом. Но гораздо сильнее, чем пивом, он интересовался наукой. Джоуль многому выучился самоучкой, занимаясь опытами с электричеством и теплотой. За труды и ученость Джоуля даже выбрали членом Лондонского Королевского общества — так называется в Англии Академия наук.
Джоуль придумал простой и остроумный опыт. В термос с двойными стенками, не пропускающими тепло ни наружу, ни внутрь, он налил ртуть и тщательно измерил ее температуру. Затем вставил в термос специальную мешалку — лопаточку с прорезями — и заставил гирю на веревке вертеть эту мешалку. Вес гири был известен, расстояние, на которое она падала, тоже известно — и, значит, можно было вычислить работу, которую гиря совершала, вращая мешалку.
В конце опыта Джоуль снова измерил температуру ртути — она стала выше, чем прежде: ведь работа мешалки тратилась в основном на ее нагревание. А зная, на сколько градусов нагрелась ртуть в термосе, он вычислил теплоту, в которую превратилась механическая работа.
Сколько Джоуль ни повторял этот опыт — и с ртутью, и с водой, и с другими жидкостями, — каждый раз получалось одно и то же: сколько потратишь работы, столько получишь теплоты — ни больше, ни меньше. Значит, механическая энергия в тепловую превращается не как попало и не каждый раз по-другому, по-новому, а всегда одинаково.
Можно теплоту превратить снова в механическое движение — например, при помощи паровой машины,— тогда увидим, что и тепловая энергия переходит в механическую не как попало, а по тому же закону.
В 1843 году Джоуль прочитал перед учеными доклад о своем открытии. С тех пор проделано много других опытов — и с электрической, и с химической энергией, и со световой, и с ядерной — любые превращения энергии говорят об одном: энергия не уничтожается бесследно и не возникает просто так. Всегда и везде выполняется закон сохранения энергии.
А вот еще интересный вопрос. Пусть, например, химическая энергия сначала превратится в тепловую (в топке котла), затем тепловая — в механическую (в паровой машине), а механическая — в электрическую (в генераторе). Согласно закону сохранения энергии, в результате всех этих превращений должно получиться ровно столько электроэнергии, сколько энергии первоначально содержалось в топливе. Так это или нет?..
Оказывается, не совсем так. Энергия не исчезает, но во время многочисленных превращений из одной формы в другую часть ее (иной раз даже большая часть) расходуется, как говорится, впустую — рассеивается в окружающем воздухе в виде теплоты: нагреваются стенки котла, нагреваются сами двигатели, нагревается все вокруг. Нужно это для чего-нибудь людям? Нет, конечно. Но уж с этим ничего не поделаешь…
Так что знайте: во время любых превращений часть энергии просто теряется «по дороге». А закон сохранения ни при чем тут…
Собрать «потерянную» энергию очень трудно, невозможно. Но есть другой выход: совершенствовать двигатели, чтобы они как можно меньше энергии теряли бесполезно, а как можно больше превращали в полезную работу. В этом деле инженерам очень помогает знание закона сохранения энергии.
