Технологии энергосбережения

Использование ресурсов и энергии (часть 1) - Определение энергии и законов ее превращения

1.2. Определение энергии и законов ее превращения

В историческом плане, примерно начиная с начала ХIХ века, понятие «энергия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила». Особенно активно этот термин стал звучать в тот период, когда «движущая сила огня» начала использоваться в паровых машинах, где тепло от сжигаемого угля преобразовывалось в механическую энергию поршня, который перемещался под давлением пара. Несколько ранее интенсивность движения тел оценивали «живой силой» – произведением массы тела m на квадрат скорости v его движения (mv2). В 1829 году француз Г.Кориолис уточняет выражение живой силы, поделив его пополам - mv2/2.

Несколько позднее энергию движущей силы стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние (камень поднят над землей и т. п.), – потенциальной.

К середине ХIХ века получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращении ее видов в изолированных системах – всеобщий закон природы, который можно определить так: нельзя получить что-либо, не платя за это (первый закон термодинамики). В этот же период в полной мере осознается выдающаяся роль энергии в жизни и развитии человеческого общества, ей даже присваивают романтический титул «царицы мира».

Естественно, в этот период появились и научные определения энергии. Приведем здесь только одно из них, которое принадлежит Ф. Энгельсу: «энергия – это общая скалярная мера различных форм движения материи».

Заметив, что все виды энергии превращаются в тепло, которое, переходя к более холодным телам, в конечном итоге рассеивается в окружающей среде, излучаясь затем в мировое пространство, ученые в результате ввели новый термин, «тень» энергии – энтропию – меру рассеяния энергии. По мере изучения рассеяния энергии Р. Клаузиусом и другими был сформулирован новый закон – закон снижения качества энергии (возрастания энтропии), ставший позже вторым законом термодинамики: Какие бы изменения не происходили в реальных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтропии (невозможно помешать рассеянию энергии).

Развитие учения об энергии и ее превращениях постоянно сопровождалось попытками создания теорий и принципов работы оборудования, выходящих за рамки первого и второго начала термодинамики. Самый известный из них – вечный двигатель (перпетуум-мобиле).

Различают два рода вечных двигателей.

Вечный двигатель первого рода, который можно сейчас определить как непрерывно действующую машину, которая, будучи как-то запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне.

Вечный двигатель второго рода – тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью использует теплоту, получаемую от какого-то «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т.п.), для совершения работы.

Объединяет эти двигатели одно общее, весьма существенное свойство – они не могут существовать в реальности, так как двигатель первого рода противоречит первому закону термодинамики, а второй – второму.

Но, пожалуй, наиболее впечатляющей была теория все того же Р. Клаузиуса – теория «тепловой смерти Вселенной». Он попытался распространить положения второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно этим утверждениям, через какой-то достаточно длительный промежуток времени вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в теплоту, а равномерное распределение последней между всеми телами Земли и Вселенной приведет к невозможности каких бы то ни было дальнейших превращений энергии. Это и будет означать тепловую смерть Вселенной.

Эта теория была опровергнута рядом исследователей, в том числе,
Л. Больцманом в 1872 году. На основе молекулярно-кинетической теории он продемонстрировал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной, потому что он справедлив только для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся объектов, поведение которых определяется изменением параметров состояния (например, для газов – давлением, температурой, удельным объемом), подчиняется законам теории вероятностей. Возрастание энтропии таких систем указывает лишь наиболее вероятное направление протекания процессов.

В период опровержения теории тепловой смерти Вселенной немецкий ученый В. Нернст предположил, что с приближением абсолютной температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю, что впоследствии стало третьим законом термодинамики. Основываясь на этом законе, за нулевую точку отчета энтропии любой системы можно принимать ее максимальное упорядоченное состояние.

Эти три закона и молекулярно-кинетическая теория составляет основу термодинамики, которая в настоящее время является одной из фундаментальных основ современного естественнонаучного знания.