Чтобы исключить ошибки при анализе энергетических преобразований, нужно совершенно четко представлять разницу между внутренней энергией, содержащейсяв каком-либо теле, и энергией, подводимойк нему (или отводимойот него). Энергия второго вида существует только тогда, когда передаетсяот одного тела к другому. Передача энергии может происходить в двух формах: теплотыи работы.Таким образом, общность теплоты и работы определяется тем, что они представляют собой количественную меру передаваемойэнергии. Но между ними есть и существенная разница. Работа — это передача энергии в организованной форме, при которой каждая частица совершает движение (если не считать колебаний) по определенной траектории [26]. Если, например, происходит передача механической энергии посредством пары зубчатых колес, то каждая молекула как ведущей, так и ведомой шестерни совершает движение, связанное с этой системой, строго по окружностям. Если с помощью ворота поднимается груз, то все его частицы двигаются по прямым, и т. д.
Напротив, передача энергии в форме теплоты совершается хаотическим движением частиц. При контакте двух тел с разными температурами молекулы тела, имеющего более высокую температуру, «раскачивают» молекулы более холодного тела так, что средняя скорость первых уменьшается, а вторых увеличивается. В результате определенное количество энергии передается от первого тела ко второму.
Таким образом, и теплота, и работа — это энергия в передаче, в переходе.Если процесса перехода нет — нет ни теплоты, ни работы. Они существуют только в процессе передачи от одного тела к другому,но не могут «содержаться» в них. То, что теплота переходит от одного тела к другому, вовсе не означает, что она сначала содержаласьв одном, а потом стала содержатьсяв другом теле. Просто внутренняя энергия тела, к которому была подведена теплота, выросла, а того, от которого теплота была отведена, соответственно снизилась. Превращение работы в теплоту означает, следовательно, что система, получившая энергию в форме работы от какого-либо тела, превращает его сначала во внутреннюю энергию, а затем отдает ее другому телу в форме теплоты. Так, затрачивая механическую работу на вращение мешалки, погруженной в жидкость, мы увеличиваем внутреннюю энергию этой жидкости: она нагревается, так как получает энергию в форме работы.Затем, давая жидкости охладиться до прежней температуры, мы можем отвести эту энергию в форме теплоты.
Примерно таким образом граф Румфорд в 1799 г. проводил свой знаменитый опыт, показывающий превращение работы в теплоту при сверлении пушек. Энергия, подводимая в форме механической работы вращения сверла, отводилась водой, которая при этом нагревалась от температуры Т 1до температуры Т 2(Т 2> Т 1). Внутренняя энергия воды (обозначим ее U) возрастала при этом от U 1до U 2. Затем вода остывала снова до температуры Т 1, отдавая энергию в форме теплоты Q окружающей среде. Если охладить воду до прежней температуры, то ее внутренняя энергия остается такой же, как и вначале; количества теплоты Q и работы L будут равны. Если же охладить воду до какой-либо промежуточной температуры Т 3, более высокой, чем Т 1, то количество отводимой теплоты будет меньше, так как часть подведенной энергии остается в виде прироста ΔU внутренней энергии воды.
Таким образом, закон сохранения энергии будет выражаться классической формулой, связывающей теплоту и работу:
L = Q + ΔU. (2.1)
Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела ΔU, так и отводиться в виде теплоты Q. Если ΔU = 0, то Q = L. Формула (2.1) и выражала закон сохранения энергии в его наиболее простой форме. Возникла и наука, которая специально рассматривала взаимные превращения теплоты и работы, — термодинамика.
Термодинамика в начале своего развития рассматривалась только как наука о взаимных превращениях теплоты и работы [28]. По мере дальнейшего развития, она постепенно охватывала и другие энергетические превращения, связанные с электрическими, магнитными, химическими, а также квантовыми явлениями. Соответственно расширялись и понятия работы Lи внутренней энергии U. Таким образом, сфера действия первого закона термодинамики охватила по существу все области энергетических превращений и стала соответствовать по своему содержанию закону сохранения энергии.
Поэтому в дальнейшем мы будем использовать термин «первый закон термодинамики» как синоним термина «закон сохранения энергии». Так будет удобнее в дальнейшем при рассмотрении второго закона термодинамики и сопоставлении его с первым.
Изложим коротко некоторые формулировки и положения, связанные с первым законом термодинамики, которые понадобятся в дальнейшем при анализе новых ppm.
Существует целый ряд одинаково правильных формулировок первого закона термодинамики. Нам важно выбрать из них такую, которая в наибольшей степени была бы удобна для разоблачения ppm-1. С этой точки зрения, казалось бы, наиболее подходит самая близкая к нашей теме: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Однако при всей четкости и категоричности такой формулировки она не говорит о том, как определить, что то или иное устройство именно и есть вечный двигатель. Ведь прежде, чем запретить, нужно знать что запретить!
Поэтому более удобна другая формулировка: «При любых превращениях в системе [29]входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». Об этом хорошо сказано в «Фейнмановских лекциях по физике»: «…можно взять какое-то число и спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним». Здесь «число» — это значение энергии. Дня того чтобы определить, существует такое равенство или нет [30], нужно составить энергетический баланс — подсчитать все потоки входящей энергии (обозначим их знаком ' — вход) и выходящей (обозначим их знаком ʺ — выход). Чтобы не ошибиться и не пропустить какой-нибудь из них, окружим наш двигатель воображаемой оболочкой — контрольной поверхностью (она показана на рис. 2.5, штриховой линией). Потоки энергии обозначены стрелками. На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, вода, топливо и т. д.). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть выходящую теплоту Q, поток энергии, выносимый отработавшим веществом Нʺ, и, наконец, работу Lʺ. Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Нʺ, обязательно должна быть равна выходящей Wʺ, т. е. сумме Qʺ + Hʺ + Lʺ (если, конечно, внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ΔU = 0):
W' = Q' + H' = Qʺ + Нʺ + Lʺ = Wʺ. (2.2)
Поскольку по первому закону все виды энергии эквивалентны, легко подсчитать значения каждой из этих величин в одних и тех же единицах (калориях, джоулях или киловатт-часах).
26
В общем случае работа может быть не только механической, но и электрической, магнитной и т. д. Однако все, что сказано об упорядоченном движении частиц, относится и к этим случаям.
28
Термин «первое начало (основной закон) термодинамики» как принцип эквивалентности теплоты и работы ввел Р. Клаузиус в 1850 г.
29
Речь, разумеется, идет о такой системе, параметры которой в ходе процесса не меняются. В нашем случае это означает, что энергия внутри нее не накапливается и не расходуется.