Путаница и разъяснение понятий

Окно, у которого я пишу, выходит во двор большого интерната. Мальчишки часто дуются в футбол, а притихшие болельщики-девочки порою вдруг взрываются бурным шквалом голосов, что позволяет мне и не глядя подсчитывать число забитых голов. Когда восторг уж слишком ярок, я выглядываю в окно. Кроме смущенно торжествующих ребят и дико скачущих девчонок, я вижу мелюзгу, копошащуюся у невесть зачем вырытой у футбольных ворот прямоугольной ямы с водой (правда, глубиной воробью по колено). На душе становится легко, и строчки словно бы охотнее ложатся на бумагу.

Однажды мое внимание привлекла совсем другая картина. Футбола и ребят на поле не было (вероятно, шли занятия), а из окна второго интернатского этажа женщина в белом выбрасывала узлы с бельем. Рядом с растущей горкой белья стоял голубой «пикап», видимо из прачечной. Вдруг — я даже обомлел — вслед за последним узлом из окна на горку выпрыгнула и сама женщина. Было очень смешно. Потом я подумал: «Физики, поди, не знает, а ведь сообразила, как сэкономить свою работу. Понимает, что одно дело — пойти по коридору, спуститься вниз по лестнице, открыть наружную дверь и т. д. и совсем другое — подобрать юбки и так вот запросто выпрыгнуть в окошко. Благо, думает, никто не наблюдает».

Сама того не подозревая, кастелянша (вероятно, это была она) наглядно продемонстрировала важнейшую физическую величину: работу. Физика говорит:

Работа равна силе, действующей вдоль перемещения, умноженной на это перемещение.

А здесь как раз и то и другое: сила (вес кастелянши) и перемещение (высота подоконника второго этажа над землей). Могут обратить внимание на то, что работу совершила не сама кастелянша, а земное тяготение. Совершенно верно. Но мы в данном случае говорим лишь об определении этой физической величины, и нас не интересует ее источник.

Запомнить краткое и ясное определение работы чрезвычайно важно, потому что в повседневной жизни люди часто под этим словом понимают что-нибудь иное. Футболисты удивляются, когда им говорят, что их игра — тоже настоящая работа (а это так и есть). Зато иной раз школьник задает учителю вопрос: «Почему гирю тяжелее поднять, чем проволочить на то же расстояние по земле? Ведь работа одна и та же: вес гири, помноженный на ее перемещение». И учитель терпеливо разъясняет, что при качении или протяжке по земле работы совершается немного, только та, что нужна, чтобы преодолеть сопротивление трения. А гиревик, как известно, работает против силы тяготения, перемещает гирю от земли.

Работа — это произведение не всякой вообще силы на перемещение, а только той, что действует вдоль перемещения.

Поэтому центростремительная сила, например, не производит работы. Она перпендикулярна перемещению (всех точек шкива), а в этом случае работа силы равна нулю.

Разноголосица в употреблении слова «работа» создается в большой степени тем, что мы охотно применяем это слово в областях, иногда далеких от физики. Там же оно звучит порой не похоже на то, что подразумевается в физике.

Кто из школьников, сомневающихся в том, что игра в мяч — работа, в то же время не соглашается охотно, что работа — это не только пилить и колоть, но и заниматься, сидеть спокойно в классе, внимательно слушать преподавателя. (Правда, почему-то это часто понимается односторонне: у взрослых молчаливая деятельность ума не всегда признается за работу.)

Единица измерения работы в новой системе мер (СИ) — ньютон силы на метр пути, или джоуль (дж). Когда хотят воспользоваться более мелкими единицами, принимают эрг — одну десятимиллионную часть джоуля. Джоуль, таким образом, равен 10 000 000 эргов. А тот, кто хочет представить себе наглядно эрг, может воспользоваться следующими сравнениями. Эрг немногим больше той работы, которую совершает человек, чтобы раз моргнуть. Комару, чтобы перелететь с мочки уха на его верхушку тоже надо совершить примерно эрг работы.

Мы начали эту часть с определения работы. Так же пойдем и дальше. Разберем еще понятия «мощность» и «энергия». Их часто путают одну с другой. Их путают даже со словом «сила». Поэтому, прежде чем говорить об этих величинах, надо внести ясность в их определение.

Что же такое мощность?

Спросите разных людей, чем, по их мнению, будет отличаться наиболее мощный автомобиль от остальных, и вы получите разные ответы. Одни скажут: самый мощный автомобиль — это тот, который тащит больше остальных; другие возразят: нет, самый мощный автомобиль тот, который развивает наибольшую скорость; третьи за мерило мощности почитают крутизну подъема, преодолеваемого автомобилем. А в действительности часто получается так, что 30-сильный трактор тянет больше 100-сильного автомобиля, а маломощный автомобиль берет на большой скорости подъем, который не под силу более мощному автомобилю.

При определении работы пользуются лишь двумя величинами: протяженностью пути и силой. Человек, напиливший кубометр дров за два часа, сделает такую же работу, как и тот, кто напилит свой кубометр с перекурами за восемь часов.

При определении мощности вводится и время: мощностью называется работа, выполненная за избранную единицу времени — за час, минуту, секунду или за какую-нибудь другую. Иначе говоря:

Мощность — это быстрота совершения работы.

Со времени усовершенствования паровой машины шотландским механиком Джемсом Уаттом (1736–1819) и вплоть до наших дней, пожалуй, самая распространенная единица мощности — это лошадиная сила (л. с.). Выраженная в килограмм-силах на метр (кГм) в секунду, одна лошадиная сила равна 75 кГм/сек.

На знакомых примерах эта единица мощности означает вот что.

Хороший спортсмен-атлет на короткое время может развить мощность в 1 л. с. Но при длительной работе от нормального здорового мужчины не следует ожидать отдачи большей мощности, чем 1/6—1/4 л. с., в среднем одной пятой лошадиной силы.

Мощность двигателя в домашнем холодильнике не превышает 1/4 л. с., автомобильный двигатель развивает мощность от 30 до 300 л. с. (у автомобиля «Волга» — 75 л. с.); мощность локомотива от 1000 до 4000 л. с., Красноярской ГЭС — около 7 миллионов л. с.

Космический корабль «Восток», на котором ранним утром 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин впервые вышел на орбиту земного спутника, был оторван от Земли с помощью ракетных двигателей мощностью 20 миллионов л. с.

В системе СИ единицей мощности утверждена также известная старая единица — ватт (вт): 1 вт = 1 дж/сек.

Часто пользуются единицей мощности, в тысячу раз большей, — киловаттом (квт).

Мощность патефонного моторчика в этих единицах составляет 10 вт, а мощность Красноярской ГЭС — 5 миллионов квт.

Рекомендуется запомнить (с этим часто приходится сталкиваться на практике), что 1 л. с. = 0,735 квт, а 1 квт = 1,36 л. с.

Мощность человека в этих единицах в среднем 0,15 квт.

Нам остается дать определение последней из величин, о которой идет речь, — энергии.

Мы знаем, что падающая вода способна совершать работу. Чтобы эта способность проявилась, на пути потока можно поставить мельничное колесо или водяную турбину.

Такой способностью обладает всякое вообще движущееся тело.

Можно привести примеры того, что и неподвижное тело обладает скрытой способностью производить работу: вода, сдерживаемая плотиной, согнутый лук, из которого можно выпустить стрелу, сжатая или растянутая пружина.

Итак, энергией называется мера способности совершать работу.

Часто энергией тела называют не меру его способности совершать работу, а самую такую способность. Это нецелесообразно. Ведь под энергией в физике понимают некоторую физическую величину. А всякая физическая величина — это не свойство, а числовая характеристика, мера свойства. Бывает иногда и так, что одним и тем же словом «энергия» пользуются для обозначения как способности совершать работу, так и меры этой способности. Мы тоже в дальнейшем этого не избежим, будем только стараться, чтобы каждый раз было ясно, в каком именно смысле употребляется слово «энергия».

Примеры, которые мы приводили, относятся к одному виду энергии — механической, причем мера способности движущихся тел производить работу называется кинетической энергией, а мера аналогичной способности неподвижных тел — потенциальной энергией.

Глава физики, посвященная энергии, выросла из классической механики. Однако она была значительно обогащена наукой об электричестве, развившейся в основном лишь за последние полтораста лет, а также термодинамикой — наукой, созданной целиком учеными XIX века.

Единицы измерения энергии те же, что и у работы, — эрги, джоули. Часто применяют еще одну удобную единицу — киловатт-час (квт-ч). 1 киловатт-час — это работа, произведенная в течение одного часа при мощности в 1 киловатт.

Есть и еще одна — тепловая — единица энергии: калория (кал) или килокалория (ккал). Калория — это количество тепла, необходимое для повышения на 1 градус Цельсия 1 грамма воды, килокалория — количество тепла, нужное для повышения на 1 градус 1 литра, то есть 1 килограмма воды.

Все эти единицы связаны между собой, так что:

1 квт-ч = 3,6 млн. дж = 861 ккал.

Механика учит нас пользоваться силами. Но чтобы можно было пользоваться силой, необходима энергия. Знание законов энергии нужно для практического применения механики.

И еще одно. Очень важно уметь открывать или создавать искусственно склады энергии. Джоули не висят на ветках подобно грушам или гроздьям винограда — подойди и срывай.

Впрочем, даже фрукты, которые можно есть, сперва нужно вырастить. В определенном смысле нужно уметь «вырастить» из окружающей природы и джоули.

Это не всегда легко, потому что природа не любит ничего отдавать по доброй воле.

 

Превращение энергии

Не приходилось ли вам задумываться, какому виду энергии вы обязаны острым удовольствием помчаться вниз, после того как сиденьице ваших качелей достигло кульминационной высоты и замерло там на мгновение? Ясно, что ваша собственная энергия здесь ни при чем: вы можете расслабить все ваши мускулы и все равно начнете свой полет.

Конечно, вниз вас кинет из верхней точки качелей потенциальная энергия, сработает земное тяготение. Ну, а из нижней точки какая энергия вас подбросит вверх? Кинетическая энергия, это ясно. Потенциальная энергия, или энергия положения, внизу равна нулю, точно так же, как равна нулю на максимальной высоте, в момент изменения направления полета, кинетическая энергия, энергия движения.

Потенциальная и кинетическая энергии взаимно превращаются одна в другую.

Постепенно люди выяснили, что не только одна разновидность механической энергии может превращаться в другую разновидность механической, но и вообще все виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная и т. д. — способны превращаться одна в другую. Мы живем среди этих превращений, постоянно пользуемся ими, хотя часто не замечаем этого удивительного процесса.

Прижал охотника мороз: он начинает пританцовывать, в ладоши хлопать, тереть нос и уши. Механическая энергия мускулов переходит в тепловую и согревает человека.

Он стреляет в зайца. Химическая энергия пороха превращается в механическую — летящей дроби. Вернулся охотник домой. Довольная хозяйка торопливо зажигает на кухне свет — превращает электрическую энергию в световую — и ставит на плитку разогреть холодный борщ, чтобы ту же электрическую энергию сделать тепловой.

Кончается все это тем, что ублаженный всеми видами энергии, имеющими хождение в быту, охотник заваливается спать, чтобы к утру восстановить за счет всего полученного свою энергию.

Замечательной особенностью превращения энергии является то, что оно совершается не произвольно, не как-нибудь, один раз с одним количественным результатом, другой — с другим, а подчиняясь вполне определенному закону.

Манчестерский пивовар Джемс Прескот Джоуль (1818–1889) был первым, кто установил, что при превращении одной энергии в другую соотношение между механической работой и теплотой остается всегда постоянным, и потому, зная что-нибудь одно, можно совершенно точно сказать, какому количеству другого оно равно.

В результате открытия Джоуля была установлена количественная связь между единицами тепла (ккал) и единицами работы (дж), на которую мы сослались в предыдущей главе.

Кому потребуется быстро перевести джоули в килокалории или килокалории в джоули (вы, конечно, догадались о происхождении этого слова), может воспользоваться следующими постоянными соотношениями («эквивалентами»):

1 кал = 4,19 дж (механический эквивалент теплоты);

1 дж = 0,24 кал (тепловой эквивалент работы).

На практике мы совершаем превращения энергии обычно в тех или иных машинах. При помощи машин удается совсем, казалось бы, уснувшую энергию, например ту, что таится в разных топливах, заставлять совершать вполне реальную, полезную для людей работу: двигать поезда, поднимать тяжелые грузы, приводить в действие станки. Образно говоря, канистра с 15 килограммами бензина могла бы поднять полуторатонный грузовик с полным грузом и пробежать с ним 100 километров.

Воспользовавшись соотношениями Джоуля, нетрудно подсчитать, какое количество энергии вводится в машину, а какое соответствует проделанной работе. Сразу бросится в глаза, что на выходе энергии всегда бывает меньше, чем на входе.

Загадки в этом нет никакой, и над причинами явления голову особенно никто не ломал: часть энергии теряется в машине на трение, на теплоизлучение в пространство, на преодоление сопротивления воздуха или другой среды, и т. д.

Потерянная для пользы человека энергия — нечто вроде платы, взимаемой природой с человека за использование ее богатств.

Чтобы получить достаточную ясность об эффективности того или другого превращения, а значит, об экономичности процесса и машины, договорились ввести особую величину — коэффициент полезного действия, сокращенно к. п. д.

Коэффициент полезного действия — это та доля энергии, затраченной на работу машины, которая используется на нужные человеку цели.

Обычно к. п. д. выражают в процентах или в виде десятичной дроби. Понятно, что всего лучше та машина, к. п. д. которой будет ближе к 100 % или 1.

К сожалению, почти во всех действующих ныне установках значение к. п. д. еще очень и очень далеко от идеала.

Даже если не вспоминать почти совсем исчезнувшие у нас паровозы (их к. п. д. редко превышал 5 %), то все равно положение не из блестящих. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания, например, имеют к. п. д. от 10 до 25 %. У дизелей (в частности, на тепловозах) он может достигать 40 %.

Правда, многих эти числа не смущают. Они говорят:

— А вы взгляните на высшее творение природы — человека. Разве он в энергетическом смысле совершеннее? Его к. п. д. тоже не ахти какой.

Что верно, то верно: к. п. д. человека действительно не потрясает величиной. Если пищу рассматривать как своего рода топливо (энергия того, что мы едим и пьем, используется нашим организмом для поддержания температуры тела, для питания и возобновления тканей, наконец, для физической работы), то в среднем, как показывают опыты, в мышечную энергию превращается только 28 % энергии всей пищи. Такова полная величина к. п. д. человека.

Считая, что нормальный суточный рацион взрослого человека должен содержать 3000 ккал (а также 75 г белков, 0,69 г кальция, 1,32 г фосфора и 0,015 г железа), получаем что в его мышечную энергию перерабатывается только 840 ккал.

Если же человек и впрямь работает как источник механической энергии (а некоторое количество людей на Земле, особенно в экономически отсталых странах, и до сих пор работает наряду с лошадьми и буйволами, обрабатывая землю, крутя жернова мельниц или колеса мелиоративных сооружений и т. д.). то такой человек, как и животное, которое он заменяет, отдает еще меньше энергии: в среднем 17 %. Остальные 11 % он тратит на себя, на труд в «нерабочее» время.

Но уместно ли ставить на одну доску к. п. д. человеческого тела и к. п. д. машин? Человек ведь славен не одной физической отдачей, а в гораздо большей степени отдачей умственной. Его достоинство не в том, что он автоматически берет одно и превращает его в другое (как машина), а в том, что он находит все лучшие и лучшие сочетания вещей. Следующую главу мы посвятим тому, как известный русский естествоиспытатель Климент Аркадьевич Тимирязев однажды очень остроумно пояснил, что значит подлинно человеческий к. п. д., как много может сделать человек, способствуя действительно полному превращению энергии.

Сравнительно низкий к. п. д. всех ныне действующих машин объясняется, в частности, тем, что редко где один вид энергии сразу превращается именно в тот, который нужен людям. Так, например, на всех тепловых электростанциях химическая энергия топлива сперва превращается в тепловую, потом в механическую энергию машин (дизели, газовые турбины и т. д.) и только после этого — в электрическую, которая нужна. На каждом промежуточном звене, естественно, свои потери, и эта дополнительная плата существенно снижает экономичность установки в целом.

Было бы весьма желательно найти такие процессы, в которых нет промежуточных звеньев. Хорошо бы, например, научиться превращать химическую энергию сразу в электрическую или в механическую без тепловой.

К слову говоря, природа может в этом показать пример. Работа наших мышц — прекрасный образец непосредственного превращения химической энергии в механическую.

В последнее время созданы первые опытные приборы с превращением энергии без промежуточных звеньев. У нас в стране недавно построен первый реактор-преобразователь «Ромашка», в котором энергия высокотемпературного реактора, работающего на быстрых нейтронах (один из видов элементарных частиц), преобразуется в электрическую с помощью кремний-германиевых полупроводниковых элементов. Этот реактор-преобразователь может послужить прообразом для энергетических транспортных установок. Теплота здесь превращается в электричество без промежуточной механики.

Успешно разрабатываются методы непосредственного преобразования энергии некоторых химических реакций в электричество. Для этого употребляются так называемые топливные элементы, работающие по принципу обыкновенных электрических батарей, но при условии, что основные исходные материалы в них все время возобновляются. К. п. д. подобных устройств, работающих при вполне умеренных температурах, может достигать 60–70 %.

Убедившись, что при превращении энергии никакие ее количества не пропадают совершенно бесследно — все идет в работу плюс потери, — ученые пришли к открытию одного из важнейших законов природы — закона сохранения энергии. Формулируется он в общем случае так:

Энергия не исчезает и не возникает вновь. При превращении энергии одни ее виды переходят в другие в строго согласованных количествах.

Первооткрывателем этого великого закона считается немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878), работавший на голландском корабле на Яве. Пуская кровь заболевшему матросу во время стоянки корабля в городе Сурабая, Майер обратил внимание на необычайно алый цвет крови. Сперва он испугался — не вскрыл ли он вместо вены артерию. Потом его словно осенило. «Некоторые мысли, — писал он, — пронизавшие меня подобно молнии — это было на рейде в Сурабае, — тотчас с силой овладели мною и навели на новые предметы». Раз кровь ярка, значит, в ней много кислорода. В умеренных широтах венозная кровь куда темнее. Выходит, там это объясняется тем, что кислород расходуется на выработку дополнительной тепловой энергии…

Вернувшись в Европу, Майер стал напряженно работать над возникшей идеей. Так появилась в скором времени его формулировка закона сохранения энергии.

Заметим, между прочим, что почти одновременно с Майером, тот же самый закон был открыт, независимо друг от друга, известным уже нам Джоулем, датским технологом Кольдингом и гениальным французским военным инженером Сади Карно. Это неудивительно, потому что обычно всякая идея века, то есть та, что соответствует своей эпохе, приходит вовремя; она как бы носится в воздухе подобно цветочной пыльце, готовая оплодотворить любой мозг, способный стать хорошей почвой для этого. Но так уж бывает, что кто-то оказывается впереди…

 

Красный цвет

Благотворным превращениям энергии человек обязан своим существованием. Прогресс науки и техники убедительно показывает, что, взяв в собственные руки управление такими превращениями, люди быстро изменяют облик природы, делают ее покорнее и щедрее.

Людям помогает Солнце. Не только своим теплом, своей энергией, воплощенной в топливах и речных течениях. Солнце играет роль в формировании самого сознания человека: ведь свыше 90 процентов всей информации о внешнем мире приходит в мозг через глаза — чудесный чувствующий инструмент, развившийся под влиянием солнечного излучения.

Наш ум имеет не только трудовое, но и звездное происхождение, мы подлинные дети труда и света.

Космические корни человечества всегда волновали многих и порождали разные гипотезы. Интересна одна из них — гипотеза замечательного естествоиспытателя Климента Аркадьевича Тимирязева. Приведем ее как иллюстрацию, как пример.

Тимирязев верил, что цвета — и у истоков жизни, и в современном обществе — играют большую роль в развитии живущего. Цвет — это паспорт определенной световой волны, иначе говоря, волны энергии. Воздействуя на глазной нерв и через него на соответствующий участок мозга, «хороший» цвет дает и хороший стимул.

Еще до победы пролетарской революции, в июне 1917 года, Климент Аркадьевич Тимирязев написал статью под вызывающим для того времени названием «Красное знамя» (опубликована ока была годом позже в издательстве «Парус»). В ней мужественный ученый открыто объявлял себя сторонником рабочих, крестьян и трудовой интеллигенции и бросал вызов их врагам. В красном знамени Тимирязев видел символ борьбы революционных масс с темными силами реакции, видел вместе с тем символ победы труда и знания над такими силами.

Человек большого кругозора всегда стремится к обобщениям, многообразие бытия для него — поле поисков немногочисленных единых и простых законов. Естественно, искал подобных обобщений и Тимирязев. Ученый и борец, натуралист и материалист-мыслитель, К. А. Тимирязев старался выявить космическое значение красного цвета.

«Когда в навеки памятный день 1 Мая 1917 г., — писал он в своей статье, — я не мог оторвать глаз от картины общего праздника пробуждения весны и возрождения целого народа, в моей голове невольно рождался ряд других привычных мыслей из области совершенно иного порядка явлений, мыслей о значении этого красного цвета в мироздании, в том мировом процессе, который связывает сияние солнца с присутствием жизни на Земле».

Что же можно сказать непосредственно о красном цвете? Как все больше выясняется, красный цвет играет стимулирующую роль и в прямом смысле: в мироздании, в эволюции важнейших его форм — форм жизни.

Что может быть величественнее зрелища ночного неба, не задернутого покровом облаков? Люди издавна всматривались в него, но даже не догадывались, что оно богато красками. Мерцая на фоне иссиня-черного неба, звезды представлялись людям одинаково — либо белыми, либо бледно-желтыми.

И вдруг буквально в самое последнее время выяснилось, что такая цветовая монотонность звезд — всего лишь следствие слабости их излучения, доходящего до нас. Человеческий же глаз слабо освещенные тела видит однотонными. В действительности звезды и туманности сияют всеми цветами радуги и среди этих цветов преобладает… красный.

Недавно Калифорнийский технологический институт и обсерватории Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) опубликовали первые цветные снимки звездных туманностей. Снимки были получены в результате длительной выдержки чувствительных фотопленок, улавливающих свет и цвета, недоступные человеческому глазу.

Поистине волшебное зрелище представляют собой красочные изображения отдельных участков звездного неба.

Сквозь тонкую пелену космической пыли светится неравномерно красным цветом туманность «Северная Америка», получившая свое название потому, что ее причудливые очертания напоминают карту североамериканского материка — от Ньюфаундленда до Панамского перешейка. Только пояс молодых раскаленных звезд, обрамляющих схожую по массам и размерам с нашей Галактикой туманность Андромеды, излучает синий свет; более древние и холодные звезды, находящиеся в центре туманности Андромеды, отсвечивают красным. Красны щупальца Крабовидной туманности — по-видимому, это газы, атомы которых подвергаются бомбардировке атомными частицами. Созвездие Лебедь напоминает паутину, усеянную драгоценными камнями преимущественно красного и отчасти белого и голубого цветов. Преобладает красный цвет и на других снимках.

Даже ближняя к нам звезда — наше Солнце — если разобрать ее по элементам оптического спектра, дает явное предпочтение одному цвету: ширина красной полосы спектра больше ширины любого из других шести цветных участков.

Природа, по-видимому, отдает предпочтение красному цвету и в условиях нашей планеты.

Известно, что все растения, способные к фотосинтезу, иначе говоря, к созданию из стойких неорганических веществ при помощи света основных органических веществ — белков, углеводов и жиров, — содержат хлорофилл. Из всех растительных пигментов только хлорофилл поглощает красные лучи. Таким образом, фотосинтез может протекать вполне удовлетворительно при одном лишь красном свете; он оказывается важнейшей частью спектра. Животные получают свою долю преобразованной солнечной энергии, поедая растения или тела других животных. Значит, и жизнь животных в определенном смысле зависит от красного света.

Красная Вселенная! Или, выражаясь физическим языком, Вселенная, в видимом диапазоне которой преобладают электромагнитные волны с частотой около 5·1014 гц.

Случайности эволюции сделали наш глаз именно таким, а не иным, воспринимающим лишь небольшую оптическую гамму, тянущуюся от красного цвета до фиолетового. Благотворной ли была подобная случайность для возникновения и развития человеческого рода? Способен ли разум развиться у существ, воспринимающих иную электромагнитную гамму, невидимую для нас?

Какое значение имеет красный цвет Вселенной (если предварительный вывод о «красноте» ее подтвердится и дальнейшими исследованиями) для жизни вообще?

Прав ли был Тимирязев, придававший своему любимому цвету столь большое значение?

Пока вопросы остаются без ответа. Но они поставлены, а это очень важно. Это возбуждает мысль и манит ее искать там, где раньше не искали.

Вполне может подтвердиться гипотеза Тимирязева о том, что красный цвет (не желтый — самый яркий, не фиолетовый — самый энергичный, а именно красный) — самый животворный для всего живого. Тогда пророчески прозвучат слова великого естествоиспытателя из статьи, о которой мы упоминали:

«Теперь мы можем смело сказать, что из всех волн лучистой энергии солнца, возмущающих безбрежный океан мирового эфира и проникающих на дно нашей атмосферы, обладают наибольшей… работоспособностью именно красные волны, они-то и производят ту химическую работу в растении, благодаря которой возникает возможность жизни на Земле».

 

Три качества

Мы говорили о различных видах энергии, об ее способности превращаться из одного вида в другой. Закон сохранения требует, чтобы при этом общее количество энергии не изменялось. Количество — одна из важных характеристик энергии. Но у энергии есть еще и качество. Эта ее характеристика, пожалуй, даже поважнее.

Как же отличать энергию по качеству? Что служит здесь мерилом?

Прежде всего степень концентрации энергии в какой-то обусловленной единице объема.

Нетрудно гвоздь заколотить хорошим молотком. Но попытайтесь сделать то же самое подушкой весом в молоток и вы потерпите фиаско. У вас не получится ничего, хотя в обоих случаях вы применяли одинаковое количество кинетической энергии.

Попробуйте сварить на двух конфорках газовой плиты одновременно два яйца. Но одно яйцо вы положите в маленькую металлическую кружку, а другое — в обычную кастрюлю. Налейте, разумеется, заранее воды и в кружку и в кастрюлю. Что получится? Вода в маленькой посуде закипит быстро, и яйцо сварится минут через десять. В кастрюле же оно сварится гораздо позднее. В обоих случаях затрачено одно и тоже количество энергии, а результат различен.

Объемная плотность энергии, ее концентрация — важнейшая качественная характеристика энергии или, точнее, того предмета, который можно рассматривать для данного процесса как ее источник.

Из всех известных людям и используемых на практике источников энергии наибольшей ее объемной плотностью обладает атом. В атоме — этом карлике-невидимке — скрыты титанические запасы энергии. Одна из истин, открытых наукой наших дней, заключается в том, что чем мельче объект исследования и чем, казалось бы, он дальше от живой практики, тем больше он сулит ей. Чем меньше лилипутик, тем больший великан скрывается под этой маской.

В конце концов лилипутик-атом приобрел такую ценность, что его стали продавать и покупать. Вполне естественно, что именно у нас — в стране, создавшей первую атомную электростанцию и первый атомный ледокол, в стране, надевшей на атом спецовку доброго труженика, — впервые атом появился на прилавке.

Существует один магазин, не похожий на все остальные. Товар в кем необычный — атомы. Известен адрес магазина: Москва, Ленинский проспект, 70.

Клиноподобные буквы вывески «Изотопы» видны издалека.

А у больших окон-витрин постоянно толпится публика: привлекают необычные приборы и сооружения, выставленные там, и прекрасная сверкающая модель атома, воспроизводящая его условный облик. Но мы не задержимся у витрин, а сразу пройдем в помещение — в просторный демонстрационный зал магазина.

Давно ли неисчерпаемые ресурсы атомного ядра стали доступны людям! А сегодня атомная энергия служит человеку в самых различных областях.

— Ядерные излучения, — скажет вам старший инженер (продавцы там — физики и инженеры), — то есть излучения, испускаемые радиоактивными изотопами и возникающие в ядерных реакторах, работают двояко. С одной стороны, как мощные средства воздействия на вещества и процессы, с другой — как тонкие инструменты исследования в бесчисленных областях науки и техники. Важнейшие мирные применения атомной энергии, радиоактивных изотопов — это медицина, сельское хозяйство, промышленность, научные исследования. Физика и химия, металлургия и автоматика, биология с ее многообразием областей применения, начиная с физиологии высшей нервной деятельности и кончая агрономией, стали широкой областью применения радиоактивных изотопов.

— Вы продаете изотопы представителям всех этих областей?

— Да, мы поставляем по заявкам учреждений и организаций источники ядерных излучений всех видов: альфа, бета, гамма и нейтронных. Мы продаем соединения изотопов, не только излучающих, радиоактивных, но и не излучающих, стабильных. Но, кроме того, мы принимаем заказы на облучение образцов материалов и деталей нейтронами и продаем средства защитной техники для безопасной работы с радиоактивными веществами. Вот взгляните-ка сюда.

Мы подходим к отделению защитной техники. Посредине зала стоят внушительные вытяжные шкафы, предназначенные для защиты обслуживающего персонала лабораторий от альфа- и бета-облучения и не допускающие загрязнения воздуха рабочего помещения радиоактивными газами, аэрозолями и токсическими (ядовитыми) веществами.

В конце зала мы невольно задержимся перед защитным пневмокостюмом. Он удивительно напоминает те, в которых летчики-космонавты завоевывают космическое пространство.

— И у вас много зарубежных покупателей? — интересуемся мы.

— Да, очень много. Все народно-демократические страны и значительное число капиталистических.

— Что же особенно интересует ваших зарубежных покупателей?

— В сущности, то же самое, что и советских. Особенно часто зарубежные заказчики интересуются приборами и оборудованием, приспособленными для геологоразведывательных работ.

Мы остановимся перед небольшими ящичками, надписи к которым поясняют, что это поисковые радиометры типа «Кристалл» и «Разведчик-1»… Ценное приобретение для геологов!

В самом центре зала наше внимание привлечет большая светящаяся доска. Это расширенная таблица Менделеева: на ней изображены символы и характеристики радиоактивных и стабильных изотопов. В настоящее время, вместе с искусственно полученными, известно 104 элемента. Но каждый элемент имеет разновидности — изотопы. Сколько же изотопов и вообще источников радиоактивного излучения может продемонстрировать и предложить своим покупателям московская контора «Изотопы»?

На этот вопрос нам отвечают так:

— Стабильных, нерадиоактивных изотопов примерно 350–400 наименований, радиоактивных же вместе с источниками ядерных излучений — 400–500. Сегодня это, пожалуй, превышает практическую потребность в разновидностях «мирного атома». Производственники, врачи, работники сельского хозяйства, ученые не используют еще всех возможностей изотопов. Поэтому мы придаем большое значение всем способом наглядной демонстрации способностей радиоактивных материалов. У нас здесь есть кинозал, в котором мы демонстрируем научно-популярные кинофильмы, рассказывающие, как работают изотопы в разных областях.

— Кто же больше всего посещает магазин? — обращаемся мы к девушке, работающей здесь в качестве инженера-физика и экскурсовода.

— Пожалуй, врачи. Медицинские учреждения покупают у нас много изотопов. Покупают также дозиметры — приборы для проверки уровня радиации в помещениях. А многие приходят просто познакомиться с применением изотопов в медицине. С помощью радиоактивных изотопов диагностируют болезни, лечат злокачественные опухоли, заболевания щитовидной железы, экземы.

— Вероятно, много интересного здесь находят для себя и труженики полей?

— Конечно. С помощью радиоактивных препаратов сейчас производят очень сильные ядохимикаты для борьбы с вредителями сельского хозяйства. Или, скажем, хранение овощей. Сколько картофеля гибнет весной от прорастания! Но попробуйте облучить его при помощи простейшей установки, испускающей гамма-лучи, и он не будет прорастать год и даже больше. Такая установка доступна многим нашим колхозам и совхозам с емкими овощехранилищами. Это куда выгоднее опыливания картофеля дорогостоящими и дефицитными химическими препаратами. К тому же надо учесть, что радиоактивно обработанный картофель не прорастает даже при хранении в обычных, то есть специально не охлаждаемых хранилищах.

Удивительный магазин мирного атома на Ленинском проспекте в Москве кажется витриной будущего. Впрочем, если судить по интенсивной деятельности магазина, оно уже в какой-то мере становится настоящим.

Но вернемся к качественным особенностям энергии. Чем еще, кроме концентрации, один вид энергии может отличаться от другого?

Вторая качественная особенность энергии — это ее способность превращаться в другие виды. Все виды превращаются, но не все одинаково легко и быстро. Понятно, что из разных видов энергии ценнее признается та, которая с наименьшими потерями может быть превращена во что-нибудь нужное другое.

Третья качественная особенность — это способность энергии дешево и легко передаваться на большие расстояния.

Если в смысле концентрации атомная (ядерная) энергия стоит на первом месте, то по второму и третьему качественным признакам нет энергии лучше электрической.

Электрическая энергия легко и с незначительными потерями превращается в другие виды. По проводам она передается тоже с очень высоким к. п. д. на очень большие расстояния. Ни одна другая энергия таким счастливым даром не обладает. Поэтому, хотя киловатт-час солнечной энергии, уловленный зеркальной установкой, физически равноценен киловатт-часу электрической, выработанной на тепловой электростанции, единица электрической энергии ценнее той же единицы, если за ней стоят солнечная и любая другая энергии.

Откуда бы люди ни извлекали нужную им энергию — из каменного ли угля или из морских приливов, из ядер ли атомов или из отходов сельского хозяйства, — они во всех случаях стараются прежде всего прикинуть: а много ли при этом можно получить электрической энергии?

Обычно такая прикидка делается с помощью относительной величины, показывающей, какая доля содержащейся в источнике и характерной для него энергии может быть превращена в электрические киловатт-часы. Эту величину можно назвать электрическим к. п. д. источника.

Максимальный электрический к. п. д. каменного угля — 38 %. Интересно, что самым высоким к. п. д. такого рода обладает падающая вода — 94–95 %. Это значит, что гидроэлектростанции — особенно выгодные экономически установки, что почти вся энергия текущей воды может быть превращена в электрическую.

 

Спектр энергии

К обилию энергии для техники, науки, бытовых нужд стремятся все народы. Ведь это одно из основных условий нормальной жизни. Можно хорошо работать, безбедно жить, пользоваться всеми благами культуры.

Ну, а как в действительности?

Есть такое понятие — «установленная мощность». Это выраженная в киловаттах мощность работающих генераторов электрического тока (динамо-машин). Понятно, что чем она выше, тем больше электричества могут выработать электростанции, тем богаче страна и ее возможности.

Какая же установленная мощность приходится на одного человека?

Если говорить о земном шаре в целом, до обилия здесь далеко. По подсчетам академика Н. Н. Семенова, на одного человека в среднем приходится сегодня 0,1 установленных квт электрической мощности. Это в полтора раза меньше мускульной мощности человека (в среднем 0,15 квт). Человек, занимающийся физическим трудом, за семь часов может выработать 0,15 х 7 — примерно 1 квт-ч (количество энергии, которой можно вскипятить 6,2 литра воды). А невидимый электрический помощник, созданный человеком себе в подмогу, за то же время выработает всего 0,7 квт-ч. Меньше, чем сам человек способен. Нерачительный пока что помощник!

Конечно, 0,1 квт — это среднее число. В СССР и в других экономически развитых странах оно гораздо больше. Зато есть страны с экономикой, расшатанной господством колониалистов, где соответствующие числа много ниже среднего.

Так, в странах Африки на душу населения приходится установленной электрической мощности в 26 раз меньше, чем на душу населения в промышленно передовых странах.

Во сколько же раз человечество должно повысить мощность своих электростанций, чтобы добиться энергетического изобилия, чтобы сказать: «Теперь хватит на всё задуманное; есть все технические возможности для построения богатой жизни»?

Но не праздный ли это вопрос? Ясно, что 0,2 квт на человека лучше, чем 0,1 квт, а 1 квт лучше двух десятых. Могут ответить в том смысле, что предела человеческому аппетиту на энергию установить нельзя и сколько бы электростанций на Земле ни настроили, всегда будут стараться построить еще.

В действительности есть предел для повышения общей мощности электростанций. Мы его назовем, чтобы показать, как он далек от того, что сейчас имеется на планете, как много еще надо трудиться будущим поколениям, чтобы приблизиться к нему. Впрочем, может быть, люди и не будут стремиться его достигнуть?

Больше всего электроэнергии в недалеком будущем будут вырабатывать так называемые термоядерные электростанции, подробнее о которых мы скажем чуть позже. Но для того чтобы эти электростанции работали, необходимо осуществлять термоядерные реакции, а они всегда сопровождаются выделением в атмосферу или в почву больших количеств тепла.

Академик Н. Н. Семенов, специально интересовавшийся этим вопросом, пришел к выводу, что, когда выделяющееся от термоядерных котлов тепло составит 10 % от всей солнечной энергии, падающей на Землю, средняя температура на Земле повысится, по-видимому, на 7 градусов. Это, вероятно, вызовет бурное таяние снегов Арктики и Антарктики, может грозить всемирным потопом и другими неприятными последствиями. Поэтому, считает Н. Н. Семенов, вряд ли добыча термоядерной энергии будет превышать 5 % от солнечной энергии.

Но даже и в этом случае электроэнергии можно получить в 12 500 раз больше, чем теперь. Если так и сделают, то на одного человека при сегодняшней численности населения Земли придется не по 0,1 квт, а по 1250 квт. Даже если население резко увеличится, и тогда не будет оснований обижаться на энергетиков: при десятикратном увеличении численности людей на душу населения придется 125 квт. Куда уж богаче!

Но это далекий-далекий предел, к которому, повторяем, люди, возможно, не будут и стремиться. Как, однако, они собираются просто улучшать сегодняшнее положение, за счет чего думают извлекать столь нужные им киловатт-часы?

Термоядерные электростанции — это дело будущего, хотя бы и не столь далекого. Есть и другие способы добывать электроэнергию; да и в будущем рядом с термоядерными электростанциями, несомненно, будут действовать другие, основанные на иных источниках энергии.

Исторически не так еще давно всего три стихии — огонь, ветер и вода — были чуть ли не единственными известными человеку источниками энергии. Теперь их гораздо больше.

Среди важнейших современных источников — реки и многочисленные топлива, ископаемые и неископаемые: уголь, нефть, природный горючий газ, горючий сланец, торф, дрова. Делаются попытки запрячь в колесницу человеческого прогресса «новые» стихии: солнечное излучение, приливы океанов, внутреннее тепло Земли. Работает и ветер. Применяется пока что и мускульная энергия человека и его домашнего скота — источник, некогда игравший основную роль в преобразовании природы. Можно назвать и другие источники…

Лет тридцать назад разным видам энергии любили давать названия «цветных углей»: энергия водопадов — «белый уголь», ветра — «голубой уголь» и т. д. Потом почти перестали — много условного. А зря! Условности, конечно, есть, но есть и определенные удобства. Цвета «углей» напоминают их происхождение. «Голубой» — вызывает в памяти образ неба, «красный» — цвет огнедышащего вулкана, «желтый» — солнца, «перламутровый» — переливы пролитой нефти или керосина и т. д. Похоже по существу и поэтично.

Давайте же восстановим образы! Где не было «угля» и цвета, придумаем название. Атомную энергию (расщепляющие материалы) назовем «оранжевым углем» — напоминает цвет урана. Водородно-ядерному горючему (дейтерий, тритий) название придумать трудно, потому что горючее физически не имеет цвета. Что ж, его можно назвать «бесцветным углем».

Не будем отождествлять с цветами спектра мускульную энергию. Как к элементу жизни, к ней неуместно применение терминов неживого. К тому же это отмирающий источник промышленной энергии, он скоро полностью исчезнет.

Еще ряд общих замечаний, и мы рассмотрим основные количественные и качественные характеристики «цветных углей».

При всем своем многообразии известные нам источники энергии могут быть разбиты на четыре группы: вызванные солнечным теплом и светом (все виды топлива, кроме ядерного, солнечная радиация, ветер, реки, тепло морей и океанов, мускульная энергия); вызванные вращением Земли и лунным притяжением (приливы и отливы); вызванные известными нам ядерными перестройками (атомная и термоядерная энергия); последняя группа — внутреннее тепло Земли.

С другой стороны, есть «угли» невосполняющиеся, ограниченные в своих запасах, и есть восполняющиеся ежегодно, то есть в известном смысле неограниченные (они ограничены лишь ежегодной нормой расхода: нельзя, например, сжечь больше дров, чем это позволяют природные ресурсы). Невосполняющиеся — это ископаемое топливо, включая сырье для атомных электростанций (расщепляющиеся материалы) — уран и торий. Восполняющиеся, условно неограниченные — все остальные.

Вообще говоря, к ограниченным источникам относится и сырье для будущих термоядерных электростанций. Однако энергии в них запасено так много, что мы их будем считать неограниченными источниками, поставим в один ряд с источником солнечной энергии.

Люди привыкли иметь дело с ограниченными источниками энергии (хотя и считали их неограниченными). Но, не говоря уж о том, что сжигать их — пережиток (все равно что сжигать ассигнации, деньги, как выразился Д. И. Менделеев), их просто мало: хватит на несколько столетий.

Ученые, инженеры направляют теперь свои усилия на то, чтобы поскорее научиться извлекать энергию из тех неограниченных источников, из которых или еще не умеют ее извлекать, или делают это плохо. Пора кончать с расточительными привычками предков, пора установить с природой связь не одностороннюю — на истощение одного партнера, а двустороннюю, основанную на взаимности; природа обеспечивает людей источниками энергии, люди делают все от них зависящее, чтобы отданное природой возвращалось к ней обильным и доброкачественным.

— Человек тоже тело природы, — говорил один учитель. — Берегите природу, если себя сберечь хотите. Одно взяли, другое отдайте. Греетесь ее угольком — деревцо посадить не забудьте.

Какими запасами энергии располагает все человечество? Каждый год на это отвечают чуточку иначе: находят новые источники, уточняют и исправляют данные по старым… Перелистаем различные — не только наши, но и зарубежные — журналы, газеты, справочники и энциклопедии последних лет, включая год выпуска настоящей книги (1970). Выпишем то, что говорится в них о мировых запасах топлив. Отбросим сомнительные данные, прикинем на глазок, где современных данных нет, но известно, какую долю в общем энергетическом балансе, в общих мировых запасах составляло интересующее нас топливо несколько лет назад. В конце концов мы получим приблизительный ответ на вопрос, который задавали.

Разберем полученное.

Посмотрим сперва, как обстоит дело с невосполняющимися, ограниченными источниками энергии.

Невосполняющиеся (ограниченные) источники энергии

В таблице собраны последние результаты поисков источников энергии, прячущихся в земле. Разведанные запасы переведены по общей емкости энергии в квт-ч. В предпоследней графе указано, сколько энергии в среднем находится в килограмме топлива: эта величина, характеризующая объемную плотность энергии, называется еще теплотворной способностью и по традиции выражается в килокалориях. В последней графе — максимально достигаемая теперь (во всяком случае, в массовых масштабах) доля всей энергии, которую удается превратить в электричество.

Как видно, самым богатым источником энергии среди ископаемых топлив являются расщепляющиеся материалы. Считают, что одного из этих материалов — активного урана (урана-235) — 2 миллиона тонн, а другого — тория — 2,74 миллиона тонн. Всего получается 4,74 миллиона тонн.

В 1 килограмме урана содержится, как известно, 8·1013 дж, или 18,9 миллиарда ккал, или 22 миллиона квт-ч энергии (в 2,7 миллиона раз больше, чем в 1 килограмме угля). Это дает общую энергоемкость запасов расщепляющихся материалов 1017 квт-ч.

К. п. д. атомных электростанций невелик, и мы его принимаем равным 17 %.

Запасов каменного угля на Земле примерно 10 тысяч миллиардов тонн. Считая среднюю теплотворную способность угля 7000 ккал/кг, что соответствует 8,1 квт-ч, делаем отсюда вывод, что всего в земле, в не извлеченных пока еще на-гора угольных массивах, затаено для человека 81 миллион миллиардов квт-ч энергии.

Если уголь содержит в себе еще сравнительно большие запасы киловатт-часов, не очень сильно отличающиеся от запасов атомного горючего, то с остальными ископаемыми топливами дело хуже: сланец, торф, природный горючий газ и нефть таят в себе все, вместе взятые, гораздо меньше энергии, чем один только уголь.

С расчетами этих «цветных углей» дело обстоит сложнее: временами появляются в газетах радующие сознание известия, что то тут, то там открыли новый источник энергии. Богатые, например, запасы нефти открыты в Сибири и в Татарии. В Сибири нашли и газ, чего там никогда не видывали. И все же, чтобы не пропустить и эти «цвета» энергии, мы поступим так: воспользуемся соотношением между различными топливами, существовавшими до последнего времени (по опубликованным данным), и, ориентируясь на уголь, высчитаем количества энергии в сланцах, нефти и т. д. Думаю, что принципиальной ломки указанных там соотношений не произошло и вряд ли она произойдет в ближайшем будущем. Для приблизительных подсчетов это подойдет.

Соотношения таковы. Если все запасы ископаемого топлива (кроме ядерного) на Земле выразить в тепловых единицах и принять за 100 %, то:

95,4 % этого тепла будет заключено в каменном и буром угле,

2,4 % — в горючем сланце,

1,9 % — в торфе,

0,3 % — в нефти и в естественном горючем газе (обычно связанном с нефтяными месторождениями).

Выходит, что если 95,4 % соответствует 81·1015 квт-ч энергии, содержащейся в мировых запасах каменного и бурого угля, то энергии во всем горючем сланце на Земле (2,4 %) — 2·1015 квт-ч, в торфе — 1,6·1015 квт-ч, а в нефти и природном газе только 25·1013 квт-ч.

В таблицу «Восполняющиеся (неограниченные) источники энергии» сведены все основные данные по таким источникам энергии, которые практически вечны, то есть могут считаться неограниченными, если, разумеется, использовать их целесообразно, не переходя известных пределов.

Восполняющиеся (неограниченные) источники энергии

1 Энергия всего дейтерия на Земле.

Здесь лишь запас «бесцветного угля» — топлива для будущих термоядерных электростанций — может быть подсчитан до конца и выражен определенным числом. По остальным источникам энергии мы показали, какое количество киловатт-часов они способны безболезненно отдавать людям ежегодно.

Вот краткие пояснения ко всем девяти «цветным углям».

«Бесцветный уголь». Топливом для будущих термоядерных электростанций являются тяжелые разновидности (изотопы) легчайшего элемента — водорода. Эти разновидности — дейтерий и тритий. Тритий в природе практически не существует, он получается искусственным путем, дейтерия же в общей сложности очень много. На каждые 5–6 тысяч молекул воды морей, океанов, рек приходится одна молекула «тяжелой воды»; в ней вместо обыкновенного водорода — тяжелый водород: дейтерий.

В каждом литре, или килограмме, воды содержится около 0,02 грамма дейтерия. Кажется, немного, а теплотворная способность этой порции соответствует 3800 квт-ч, то есть теплотворной способности примерно 300 литров бензина. Это значит, что если бы все наши океаны, моря, озера и реки были бы наполнены не водой, а бензином, то в этом случае мы оказались бы беднее энергией раз в триста против того, чем фактически располагаем (точнее, будем располагать, когда научимся использовать дейтерий как топливо для электростанций).

Приняв во внимание общий вес воды во всех земных водоемах 14·1020 килограммов, мы с помощью простых арифметических действий получим, что общие запасы термоядерной дейтериевой энергии на Земле близки к 5·1024 квт-ч — в 50 миллионов раз больше запасов расщепляющихся материалов.

Если положить ежегодные затраты на выработку энергии для всевозможных нужд в 5·1015 квт-ч, то есть в 100 раз больше современной ежегодной выработки, то получится, что дейтерия в качестве топлива для электростанций хватит на миллиард лет.

«Желтый уголь». Солнечные лучи — родоначальник большинства других восполняющихся источников энергии. Это солнечные лучи, как мы говорили, поддерживают постоянную многоводность рек. Это они, неравномерно нагревая атмосферу, приводят к различию ее плотностей и тем порождают ветер. Каменный и бурый уголь, торф, нефть, природный газ — все это аккумуляторы солнечной энергии: они образовались в далекие или недалекие времена в результате поглощения лучистой энергии листьями и стеблями растений.

«Запасы» солнечной энергии во много раз превосходят все остальные восполняющиеся источники. Струясь непрерывным благодатным потоком на Землю, солнечные лучи приносят на каждый квадратный метр земной поверхности в среднем 1 квт мощности. Если это перевести в энергию, учтя неравномерность солнечного освещения в зависимости от времени года и дня, а также от географической широты, то получается, что годовой приход солнечной энергии на Земле составляет 15·1016 квт-ч. Это в десятки тысяч раз больше той энергии, которую вырабатывают сейчас все электростанции планеты.

За три минуты Солнце дает столько энергии, сколько расходуется ее на нашей планете за год.

К сожалению, к солнечной энергии, как к никакой другой, подходит выражение: «По усам течет, а в рот не попадает». Очень трудно сконцентрировать эту наиболее обесцененную из-за ее равномерной рассеянности энергию. Вогнутые зеркала и зачерненные поверхности для поглощения солнечной энергии, кассеты со светочувствительной жидкостью и другие ловушки солнечных лучей — все это не дает пока желаемого эффекта.

Только в самые последние годы в этом смысле появились перспективы: стали создавать полупроводниковые генераторы, способные превращать лучистую энергию в электричество. К. п. д. их сравнительно (против обыкновенных гелиоустановок) высок — до 11 %.

Недавно был обнаружен аккумулятор солнечных лучей буквально у нас над головой — в верхних слоях атмосферы. Выяснилось, что на высоте 150–200 километров над землей кислород под действием солнечных лучей находится не в молекулярном, как обычно, а в атомарном состоянии — его молекулы расщеплены на атомы. Расщепленные атомы сравнительно нетрудно объединить снова. Зачем? При этом выделяется немалая энергия. Ее запасы таковы, что если взять на той высоте пятидесятикилометровый слой, то он способен дать энергию 1012 ккал — столько, сколько освобождается при сгорании нескольких миллионов тонн угля.

Впрочем, и здесь тот же недостаток, что у солнечной радиации, — малая объемная плотность.

«Зеленый уголь». Растения, их зеленые листья, стебли и лепестки — это разбросанные по всей планете маленькие фабрики по переработке молекул воды и углекислого газа при помощи энергии солнечных лучей в органические вещества с большим запасом энергии в молекулах.

Процесс этот имеет малый к. п. д. — всего 1 %, но в целом ежегодно улавливаемая от Солнца и запасаемая растениями энергия составляет около 2 миллионов миллиардов квт-ч. Это в сотни раз выше выработки энергии всеми электростанциями Земли. Если бы, не касаясь основных зеленых фондов, люди научились использовать (сжигая, как дрова, перерабатывая сперва на горючий газ, и т. д.) 1/10 энергии растений, это давало бы ежегодно 2·1014 квт-ч.

«Синий уголь». Приливы и отливы обладают довольно большой общей мощностью. К сожалению, заставить их работать на человека пока довольно трудно: они «пульсируют» и поэтому не могут дать равномерного притока энергии. Приходится создавать новые типы горизонтальных турбин, работающих в четырех режимах: турбинном и насосном, один раз при прямом, другой раз при обратном направлениях потока через машину. Есть и другие технические трудности, о которых здесь можно не распространяться.

Затрудняет использование энергии приливов и то, что береговая линия морей очень вытянута, а также, что не везде приливы достаточно высоки. При небольшой же высоте объемная плотность энергии воды невелика, добывание энергии становится невыгодным.

Пока в различных странах (Аргентина, Франция и др.) работают небольшие приливные электростанции (ПЭС), крупнейшая из них — недавно пущенная около порта Сен-Мало (Франция). Строительство очень крупной — на 340 тысяч квт — ПЭС заканчивается во Франции на северо-западном побережье, в устье реки Ранс (высота приливов достигает там 8–9 метров).

На долю нашей страны приходится небольшая часть приливной мощности земного шара: 72 миллиарда квт из примерно 8000 миллиардов квт. В СССР строится в Кислой Губе, в районе Мурманска, первая ПЭС. На основе ее опыта будут сооружены уже проектируемые приливные электростанции в Лумбовском и Мезенском заливах Белого моря.

«Белый уголь». Энергия текущей, в частности падающей воды — один из стариннейших источников обузданной энергии. Древнегреческий поэт Антипатр настолько был восхищен водяным колесом, что воспел его в следующих стихах:

«Дайте отдых своим рукам, о работницы, и спите безмятежно! Напрасно будет петь петух, возвещая вам о наступлении утра. Део поручила работу девушек нимфам, и они легко теперь прыгают по колесам, так что сотрясаемые оси вертятся вместе со своими спицами и заставляют вращаться тяжелый жернов. Будем же жить жизнью отцов и без труда наслаждаться дарами, которыми нас наделила богиня».

Тысячи лет водяные колеса были основными преобразователями энергии падающей воды. И лишь с конца прошлого столетия их стали вытеснять, пока не вытеснили почти совершенно, водяные турбины — колеса с изогнутыми лопастями, вращающиеся под влиянием напора протекающей через них воды.

В настоящее время гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают примерно 7 % всей мировой электроэнергии. Эта сравнительно небольшая цифра бесспорно будет расти, особенно у нас в Сибири и на Дальнем Востоке. Могучие реки наших восточных областей — Обь, Ангара, Лена, Енисей, Амур — и их многочисленные притоки несут в себе запасы «белого угля», в девять раз превышающие запасы всех остальных рек страны.

Мощность всех рек земного шара составляет примерно 4 миллиарда квт. Это значит, что ежегодно они способны вырабатывать 4 х 109 х 8760 (число часов в году) приблизительно 35·1012 квт-ч энергии. Фактически же используется лишь 1 %.

Потенциальная мощность рек Советского Союза — 400 миллионов квт, а используется пока около 20 миллионов квт.

Чтобы получить расчетную плотность энергии речной воды, взяты данные Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина. Турбины, установленные там, развивают мощность каждая 75 тысяч квт при расчетном напоре 36,3 метра. Максимальный расход воды — 240 кубометров в секунду.

Итак, 240 кубометров, или тонн, падающей воды вырабатывают 75 тысяч квт-сек, или 75 000 : 3600 = 20,8 квт-ч электроэнергии. Но 1 квт-ч равен 861 ккал. Значит, в переводе на килокалории 240 тысяч килограммов воды на Днепровской ГЭС вырабатывают 20,8 х 861 = 17 900 ккал. С учетом к. п. д. — 94 % — плотность этого источника энергии составляет: 17 900/240 000 х 0,94 = 0,083 ккал/кг.

«Голубой уголь». Океан газов, омывающий нашу Землю, весит 5·1015 тонн. Огромные газовые массы заряжены а соответствующей энергией: полная кинетическая энергия их движений равна примерно 1020 дж (то есть 28·1012 квт-ч). А используется эта мощь людьми крайне недостаточно.

Ветер как источник энергии стал применяться много раньше, чем энергия каменного угля и нефти. Когда-то ветряные и водяные мельницы были чуть ли не единственными промышленными механизированными предприятиями Европы. Сейчас их, однако, много только в странах, бедных другими видами энергии, например в Голландии.

Главный недостаток ветряных двигателей — именно их «ветреность», непостоянство: количество вырабатываемой ими энергии зависит от случайностей и потому неравномерно. Инженер, работающий на ветросиловой установке, похож на рыбака на паруснике в открытом море: он может попасть в штиль, сидеть сложа руки и ожидая ветра; может, наоборот, оказаться в страшном шторме.

Многие из-за непостоянства голубой стихии не верят в будущее воздушной энергетики. Есть, однако, идеальные условия для работы ветряков. Академик А. И. Берг однажды привел пример возможного использования «голубого угля»: подъем воды на поля из глубоководных подземных морей Казахстана. Эта республика стоит на воде, а по ее степям и пустыням «бродит» неприкаянный ветер. Почему бы ему не дать хорошую работу, почему не создать на плодородных, но сухих пространствах этой большой среднеазиатской республики лес ветросиловых установок, высасывающих подземную воду для полей? Тем более, что как раз здесь строгой периодичности, постоянства ветра вовсе и не нужно.

За образец для расчета плотности энергии воздушного потока принята установка, работающая с учетом скорости ветра в 13,3 м/сек. В этом случае 1 килограмм воздуха несет в себе 6,7 ккал энергии.

Смирить как-то ветер, направить его в русло порядка, сделать бесперебойным источником полезной для людей энергии — задача, которую еще предстоит решить.

«Красный уголь». На Земле свыше 400 действующих вулканов, множество гейзеров и других горячих источников. Энергия рвется из глубоких недр, ее там много. Но пока «красный уголь» не нашел себе еще достаточного и достойного применения.

Сравнительно давно работающая геотермическая установка расположена в городе Лордерелло в Италии. Вырывающийся из земных недр пар с довольно высокой температурой и под значительным давлением очищается и пускается на лопасти паровых турбин. Тепловая плотность пара — 670 ккал/кг. В других местах подземное тепло идет просто на отопление домов. Так, столица Исландии — Рейкьявик — отапливается вообще исключительно таким теплом. Удачные опыты в том же направлении ведутся в некоторых городах Советского Союза: в Грозном, Махачкале, Тбилиси и др.

Первая опытная электрогеотермическая станция на 5 тысяч квт построена на Камчатке на горячих источниках Паужетской долины, в 300 километрах от Петропавловска. Там же, недалеко от местечка Паратунки, строится Больше-Банная геотермическая электростанция мощностью 25 тысяч квт.

У «красного угля» большое будущее и как у источника энергии, способной вырабатывать электричество. Принципиально этот источник энергии позволяет строить электростанции мощностью до 10–20 миллионов квт.

«Фиолетовый уголь». Использование термической энергии морей основано на температурной разнице в 10–20 градусов между верхними и нижними слоями воды в некоторых жарких странах. Электрическую энергию можно вырабатывать с помощью термоэлементов, помещаемых в холодный и теплый слои воды. Есть и другой способ: создавать вакуум в котле и пускать туда горячую воду; она будет превращаться в пар при температурах меньше обычной точки кипения; если такой пар пропускать через лопасти турбины, а затем охлаждать холодной водой, получится настоящая установка, способная вырабатывать электрический ток.

Именно такая установка построена в Абиджане — столице Берега Слоновой Кости (Западная Африка). Для турбин мощностью 7 тысяч квт там требуется около 30 тысяч кубометров в час глубиной воды с температурой 8 градусов (температура же поверхностной воды колеблется от 26 до 30 градусов). Плотность энергии получается очень низкой — 14 ккал/кг. Другие недостатки этого способа извлечения энергии — крайняя ее рассеянность, а также низкий к. п. д. — 1–1,4 %.

Мускульная энергия. Три с лишним миллиарда человек — сегодняшнее население Земли — владеют примерно равноценным по физической силе поголовьем тяглового скота. Общая приблизительная годовая энергетическая отдача грубой силы работающих существ составляет не больше 3 миллиардов квт-ч. Однако и это число практически стремится вниз: машины повсеместно, хотя и не всюду одинаково быстро, принимают на себя физические работы.

Конечно, это хорошо: научный и технический прогресс, стимулируемый прогрессом социальным, несовместим с образом лошадки, тянущей примитивную соху, хотя этот образ сохранился лишь в немногих странах.

 

Беспорядок, который нас пугает, а должен бы, напротив, радовать

«Куда же девался Боря? Посмотрю сперва за домом, потом в гараже у соседа, потом в Сережином подъезде».

Конечно, мать не помнит, что находила своего Борю за домом 65 раз, в гараже — 44 и у Сережи — 32 раза, но это соотношение оставило свой след, и она уверенно начинает поиски по нисходящим вероятностям.

Инженер командируется в Таллин. Он слышал, что в столице Эстонии солнечных дней в году не больше тридцати, и берет в дорогу плащ. Он едет только на неделю, быть может, будет солнце, но статистика за дождь, и инженер склоняется перед статистикой.

Мы часто пользуемся статистикой (сознательно или бессознательно), чтобы угадать событие из нескольких возможных. С ее помощью мы хотим узнать стремление предмета предвидеть ситуацию. Детали предмета при этом нас, как правило, не интересуют, они в известном смысле здесь не играют роли, хотя, конечно, сами по себе ценны, и при другом — нестатистическом — подходе могут нас даже очень интересовать.

И что же, большей частью мы не ошибаемся. Равнодушная к причинам, неинтересующаяся — «почему», статистика с высокой точностью может сказать о любом предмете: «как». Лишь бы было много событий в прошлом, лишь бы было где искать статистическую закономерность.

Воспользуемся замечательными свойствами статистики, чтобы разобраться в одном чрезвычайно важном для нас вопросе — в «механических свойствах» времени, точнее, в том, как, в какую сторону с течением времени развиваются механические (и вообще физические) процессы в системах, состоящих из очень многих тел (ими могут быть и молекулы газов, жидкостей и твердых тел; наука, изучающая процессы в телах, рассматриваемых как собрания большого числа частиц, называется статистической физикой).

В одной из предыдущих главок («„Покорный вектор“ — величайшее изобретение человечества») мы упомянули о дачниках, обнаруживающих весной на даче какой-то беспорядок. Кто его делает? Мыши? Майские жуки, пролезшие сквозь щели? Нет, его делает Время.

Да, время, образно говоря, обладает чисто механическим свойством перемещать предметы. Конечно, на самом деле предметы перемещаются воздействием на них других предметов. Но нам кажется, что повинно время, и при этом чувствуется тенденция: вопреки тому, как часто говорится, «время работает на нас», «время все улучшает» и т. п., — оно, в рассматриваемом сейчас смысле, всегда и очень определенно работает против нас. Оно «старается» разрушить созданное нами, «стремится» все перемешать, сровнять с землей, уравновесить. Где нет людей, там нет порядка, а тот, что был, неукоснительно идет на нет, все больше переходит в беспорядок.

Но как говорить о «работе», о «стремлении» чего-то неосязаемого? Ведь время, если можно так сказать, еще невидимее таких материальных сущностей, как поля. Электромагнитное поле отклоняет стрелку прибора, тяжесть растягивает пружину безмена. В обоих случаях через нечто промежуточное (прибор, датчик) мы делаем невидимое видимым, с помощью физического инструмента обнажаем движения, таящиеся в полях. А как обнажить тенденции, стремления, таящиеся во времени?

Одно только свойство времени мы научились делать зримым: равномерный ход вперед (по крайней мере, «равномерный» в условиях Земли, в условиях инерциальной системы; см. стр. 52). Но часы, помогающие нам в этом, не годятся для показа более активных свойств. Вообще тут нужны не только физические средства, но и математические — те, которыми располагает статистика и ее основа — теория вероятностей, так называемый закон больших чисел.

Не будем пересказывать основные положения статистики, известные по учебникам математики и физики. Приведем пример, убедительный и без цифр, пример, показывающий, чтó выбирает Время, предоставленное само себе, — порядок или беспорядок.

Поставим следующий воображаемый опыт (опыты подобного рода часто «ставят» физики, и такой прием рассуждений не вызывает никаких сомнений). Посадим за миллион пишущих машинок миллион мартышек, предварительно показав им, что делают с машинками люди, и научив мартышек вставлять и выдергивать бумагу. Обезьяны, обезьянничая, захлопают по клавишам, из машинок полетят потоки абракадабры. Как раз вот этим самым — чепухой, примерно одинаковым числом повторов каждой буквы на каждом из листков, — листки будут поразительно похожи один на другой. Мы с полным основанием сможем сказать: «Не мартышки печатают листки, печатает их Время, и все одно и то же — чепуху. Вот оно каково — оно стремится к беспорядку».

В конце концов оно смогло бы сотворить и что-нибудь порядочное, осмысленную фразу вроде: «Я помню чудное мгновенье…» Но для того чтобы листок с подобной фразой стал реальностью, нам нужно было бы, как говорит статистика, не выходить из мартышечьего машинописного бюро в течение многих миллионов лет.

Итак, время не просто идет вперед, идет от прошлого в будущее, оно ведет с собой беспорядок. Факт этот имеет для всей нашей жизни исключительно большое значение, потому что мы вынуждены вечно воевать со временем. А это нелегко: время очень могуче. Куда как проще быть с ним заодно (и сеять беспорядок), чем с ним бороться (создавать порядок).

Легко перетасовать колоду карт; разложить их в правильной последовательности сложнее. Ничего не стоит перемешать соль и сахар; а кто сумеет восстановить порядок — разложить полученную смесь на составляющие!

Физики придумали для меры беспорядка, к которому стремится изолированная, предоставленная самой себе физическая система, особое название: энтропия (исторически сперва ввели термин «энтропия», позднее стали говорить о беспорядке). На первых порах, как это обычно бывает с новыми понятиями физики, энтропия казалась чем-то невероятно сложным. Знаменитый французский математик конца прошлого и начала этого столетия Анри Пуанкаре назвал понятие энтропии «чудовищно абстрактным». А теперь (точнее, после того как доказали, что энтропия характеризует беспорядок) слово «энтропия» не вызывает, как правило, никаких нравственных страданий. Так же, как и тот физический закон, в выражении которого оно применяется, так называемый закон возрастания энтропии:

Энтропия изолированной физической системы может только возрастать, но не может уменьшаться.

Иногда этот закон называют еще «вторым законом термодинамики», так как он обычно применяется в учении о теплоте, а последнее широко пользуется главой теоретической физики, называемой термодинамикой.

А где «первый закон термодинамики»? Есть и такой. Он говорит о том, что изменение энергии большой физической системы складывается из тепловой и нетепловой частей, причем общая сумма этих частей при таком изменении не меняется. Первый закон термодинамики часто (но не совсем точно) называют законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам.

В учебниках для иллюстрации действия закона возрастания энтропии часто приводят пример с двумя сообщающимися сосудами: первый наполнен газом с давлением в 1 атмосферу, во втором нет ни молекулы. Открыли оконце в перегородке между сосудами, и газ из наполненного резервуара тотчас заструился в вакуум. Через очень короткое время убеждаются, что в каждом из сосудов — поровну молекул газа. Потом можно ждать хоть вечность, но это положение практически не изменится.

Но что, если вечности не ждать, а повернуть время вспять? Физически сделать это, разумеется, невозможно, но можно чуточку схитрить. Если бы мы сумели снять на кинопленку расширение газа, то потом нам уж ничего не стоило бы пустить пленку наоборот. И мы увидим странную картину: из одного равнонаполненного газом сосуда молекулы вдруг стали быстро вылетать в другой сосуд, и вот через несколько мгновений в одном сосуде образовалось давление в 1 атмосферу, а в другом — идеальный вакуум.

Этот воображаемый опыт нам понадобился для иллюстрации очень важного положения: и в случае превращения беспорядка в порядок не нарушается ни один закон микроскопической физики. Все эти законы допускают обратимость процессов в природе, «обратимость времени».

Но в общем-то избежать влияния закона возрастания энтропии невозможно. А он ограничивает применение других законов физики: он требует, чтобы в результате всякого процесса в конечном счете порядок хоть чуточку уменьшился бы, а беспорядок хоть чуточку возрос. Принцип возрастания энтропии по самому своему смыслу является принципом необратимости макроскопических процессов.

Как все сказанное связать с энергией, с взаимным превращением одних ее форм в другие?

Мы делили энергию на сконцентрированную и рассеянную, на восполняемую и невосполняемую, на четыре группы по происхождению: от Солнца, от притяжения Луны, от ядерных перестроек, от внутреннего тепла Земли. Мы можем делить ее еще на «благородную» и «неблагородную», или высшие и низшая формы. Первая, высшие формы энергии, — механическая, электромагнитная; вторая, низшая форма энергии — тепловая. В чем главное различие между ними, в чем «неблагородство» тепловой энергии?

Благородные формы энергии способны целиком превращаться в другие, полезные формы энергии, в работу. Тепловая, в лучшем случае, может быть превращена в полезную энергию лишь частично.

Почему?

Высшие виды энергии — все упорядоченные. Механическая энергия связана с упорядоченной частью движения молекул — по траекториям, одна рядом с другой. Падает ли вода, вращается ли колесо турбины, движется ли взад-вперед поршень двигателя — все это движения порядка, все это выделяется из стихий, находится в резком с ними неравновесии. Электромагнитная энергия вызывает образ строгого потока волн, движения по проводам потока электронов. У этих форм есть куда изменяться: от своего порядка к беспорядку; они способны соблюсти требование роста энтропии.

Иное — тепловая энергия. Она — сама беспорядок. Это энергия хаотического движения молекул вещества. Энергия теплового движения частиц не может перейти сама собой в механическую энергию, способную совершить работу, потому что это значило бы самопроизвольное превращение беспорядка в порядок, что запрещено законом физики.

Как бы ни были велики запасы тепловой энергии, они не могут быть превращены в работу, стать полезными, если речь пойдет о том, чтобы только «поднять их вверх». В Земле хранится очень много такой энергии. Охладив планету, масса которой равна 6·1024 (6 миллионов миллиардов миллиардов) килограммов, всего на 1 градус, мы получили бы 1,2·1024 килокалорий тепла — в миллиард раз больше, чем вырабатывают сейчас каждый год все вместе электростанции мира. Но это невозможно; такого рода тепло бесполезно для электростанции: извлечь его не позволяет закон роста энтропии.

Мы не смогли бы превратить в работу тепловую энергию Земли, даже если бы вся планета вдруг резко разогрелась бы, а мы в жаростойких костюмах поспешили воспользоваться этим для выработки электроэнергии.

Многие убеждены, что, для того чтобы заработала паровая машина, достаточно дать пар. Но это совершенно неверно. Беспорядок не может сам по себе превратиться в порядок.

Чтобы работали тепловые двигатели, обязательно находят где-то холодильник, может быть обыкновенную воду при обычной температуре. Почему? Нетрудно догадаться. Хотя «с двух сторон» машины и будут находиться два источника тепла низшей формы энергии: горячий пар и холодная вода для охлаждения, — но само по себе соединение этих двух источников создаст какое-то упорядоченное движение. Им будет переток более «горячих» (то есть обладающих более высокой средней кинетической энергией) молекул в сторону менее «горячих» молекул (то есть молекул с менее высокой средней кинетической энергией). А это уже порядок, это уже возможность стремиться к беспорядку и, значит, совершать работу.

Здесь та же логика, как в утверждении, что большая потенциальная механическая энергия озера на горе бесполезна для электростанций, пока озеру не найдут хорошего слива. Горячий пар — одна потенция, вода — другая. Лишь в соединении они способны создать энергетический поток, который может производить работу.

Теперь, пожалуй, вы можете спросить: почему так странно названа эта глава? Чем пугает нас беспорядок и чем он должен вдруг радовать?

С тех пор как был открыт закон возрастания энтропии, многие ученые стали развивать «теорию тепловой смерти»: раз все идет от высших форм энергии к низшей, тепловой, — остывает, односторонне превращается в беспорядок, — то, дескать, мир рано или поздно весь остынет. Ведь беспорядок порядком уже не сделать.

То, что предсказывали пессимисты, было бы истинным холодом смерти. Даже если бы все вещество Вселенной можно было уничтожить, превратив его массу в энергию (а 1 грамм массы вещества смог бы быть преобразован в 9·1020 эргов энергии), то и тогда мировое пространство нагрелось бы от минус 270–273 градусов всего до минус 260 градусов, то есть лишь примерно на 10 градусов.

Бояться этого, однако, не приходится, даже если думать о поколениях людей, которые будут жить через многие миллионы лет. Прежде всего закон возрастания энтропии сформулирован и многократно проведен для ограниченных физических систем. Что такое «энтропия всей Вселенной» — это вряд ли кому-нибудь сегодня ясно.

Человек уже показал, что разум в состоянии находить всё новые источники энергии, способные поддерживать бесконечный перепад температур, и это в принципе может продолжаться вечно.

А радоваться чему? Тому, что основные законы физики со временем не изменяются. Само существование порядка и беспорядка в раз навсегда положенной последовательности, немыслимость их поворота — тоже благотворный порядок.