ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Превращение различных видов энергии в тепло из "Химические источники энергии" Зная свойства термической энергии или тепла, мы можем понять, почему любое превращение энергии всегда сопровождается образованием тепла, точнее говоря, увеличением термической энергии. Ведь термическая энергия обусловлена хаотическим движением атомов и молекул, из которых состоит тело, в то время как остальные виды энергии связаны с более или менее упорядоченным их движением. Однако упорядоченное движение легко может стать хаотическим, в то время как упорядочение хаотического движения наталкивается на значительные трудности. [c.81] Столкновение частиц тела, находящегося в макроскопическом движении, с молекулами окружающей среды приводит к тому, что компоненты скорости, направленные в сторону движения, уменьшаются макроскопическое движение тормозится. Скорость тела, свободно падающего в воздухе, меньше (а в жидкости еще меньше), чем она была бы при падении в. вакууме с той же высоты. [c.82] Таким образом, часть кинетической энергии упорядоченного движения, которой обладает падающее тело, преобразуется из-за трения в термическую энергию и рассеивается (диссипирует). [c.82] В химических процессах энергия упорядоченного движения также рассеивается в виде энергии хаотического движения. Например, при сжигании метана, сопровождающемся уменьшением химической энергии исходных веществ, образуется углекислый газ и вода (гл. I, 7). Химическая энергия зависит от суммы энергий связи между атомами продуктов химической реакции. Химически связанные между собой атомы не находятся в состоянии покоя, а колеблются. Эти колебательные движения отчасти хаотичны (направление и энергия колебаний постоянно изменяются), и в этом смысле их можно отнести к тепло вому движению но отчасти они упорядочены, так как в двухатомных молекулах атомы всегда могут колебаться приблизительно вдоль направлений связей. Хотя в многоатомных молекулах колебательные движения гораздо сложнее, все же до известной степени они также упорядочены. Это объясняется тем, что атомы в молекуле занимают более или менее определенные положения относительно друг друга и флуктуируют около этих положений (известно, что молекулы имеют вполне определенную структуру). При обычном сгорании часть освободившейся в процессе химического лревращения (окисления) химической- энергии переходит в термическую энергию практически независимых друг от друга молекул и в таком виде рассеивается. [c.83] При соответствующих условиях (например, в живых организмах или в гальванических элементах) освободившаяся химическая энергия способствует образованию энер гетически более богатых соединений, а также может быть использована для получения работы. Однако и в этом случае часть химической энергии рассеивается. [c.83] Подобные наблюдения позволяют сделать следующее заключение в существующих на Земле условиях во всех естественных макроскопических явлениях по меньшей мере часть энергии упорядоченного движения рассеивается в виде энергии теплового (хаотического) движения. Этот важнейший закон природы известен как второе начало термодинамики. Причина данного явления заключается в том, что при движении материальных тел относительно друг друга их частицы взаимодействуют между собой таким образом, что энергия их хаотического движения увеличивается. [c.84] Второе начало термодинамики -позволяет определить направление процессов, которые в природе протекают самопроизвольно (см. гл. П, 7). Как мы видим, выделение тепла связано с увеличением термической энергии, то есть энергии хаотического движения. Выделение тепла есть всеобщее явление, поскольку упорядоченное движение легко становится хаотическим. Обратить этот процесс, то есть перевести тепло в, другой вид энергии, гораздо труднее, так как хаотическое движение само по себе не становится упорядоченным, а рассеянная термическая энергия не концентрируется сама по себе, чтобы вновь стать энергией упорядоченного движения. [c.84] И все же тепло можно превратить в работу (примером тому служит всякий тепловой двигатель), но для этого требуются совершенно особые условия, которые будут подробно рассмотрены в дальнейшем. [c.84] В течение тысячелетий естествоиспытатели и изобретатели безуспешно пытались сконструировать машину, которая бы неограниченно совершала работу без потребления энергии от внешнего источника, — перпетуум мобиле (вечный двигатель). Чтобы остановить поток многочисленных предложений и проектов. Французская Академия наук еще в конце XVIII века приняла решение рассматривать изобретения перпетуум мобиле только тогда, когда вместе с проектом будет представлена действующая модель. Этой модели, естественно, никому не удалось создать. Однако еще и сегодня существуют нтазеры, придумывающие все новые и новые неосуществимые конструкции. Обычно изобретатели относят свои неудачи за чет каких-то мелких ошибок или недостатков, но эти мелочи оказываются принципиально не устранимыми. Неудачи привели естествоиспытателей к выводу, что перпетуум мобиле противоречит некоторому всеобщему закону природы. Этот закон есть закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики). Он утверждает, что энергия не может ни возникать из ничего, ни уничтожаться отдельные виды энергии могут лишь переходить друг в друга. Таким образом, перпетуум мобиле (первого рода) противоречит закону сохранения и превращения энергии, поэтому его создание невозможно. [c.85] Невозможность создания перпетуум мобиле ни в коей мере не противоречит факту непрерывного движения атомов и неразрывной связи этого движения с материей такое движение, как правило, хаотическое, а перпетуум мобиле связан лишь с упорядоченным движением, которое можно превратить в работу и которое не может поддерживаться без подвода энергии извне. [c.85] Поэтому закон сохранения энергии (хотя он абсолютно верен) — лишь часть истины. Оцыт показывает, что различные материальные превращения протекают по вполне определенным направлениям, которые в каждых конкретных условиях определяются однозначно. Так, например, при отсутствии ветра камень падает на Землю вертикально (сильный ветер может, конечно, изменить это направление) сахар на воздухе сгорает, превращаясь в углекислый газ и воду, а не в крахмал, хотя в других условиях (в живых организмах) такой процесс возможен. [c.86] Напомним, что на Земле имеется приблизительно 1 млрд. км воды. Если охладить эту воду только на 0,001 градуса, то этим можно отобрать у воды миллион миллиардов (10 ) кВт-ч энергии. Для сравнения укажем, что современное мировое потребление электроэнергии составляет по порядку величины 1000 миллиардов (10 ) кВт-ч. Таким образом, даже незначительное охлаждение мирового океана позволило бы получить столько энергии, что при современном уровне потребления ее хватило бы на 1000 лет. Более того, подобные машины, превращая эту термическую энергию в механическую, вовсе не потребляли бы энергии безвозвратно, так как из-за трения механическая энергия вновь превращалась бы в термическую. Практически это был бы перпетуум мобиле, неограниченно производящий работу, питаясь из неисчерпаемого энергетического резервуара. В отличие от перпетуум мобиле, невозможность создания которого вытекает из первого начала термодинамики, описанная выше машина называется перпетуум мобиле второго рода. [c.87] Соответствующие факты однозначно показывают, что существует всеобщий закон природы, по которому термическая энергия сама по себе не может перейти от менее нагретого тела к более нагретому. Другими словами, этот закон гласит, что при непосредственном контакте двух тел термическая энергия может перейти от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. [c.88] Термическая энергия в форме тепла может переходить сама по себе от более нагретого тела к менее нагретому. При этом процессе из тепла можно получить работу, но и в данном случае в непрерывно работающей машине принципиально невозможно полностью превратить тепло в работу. [c.89] Невозможность создания перпетуум мобиле второго рода следует из того, что термическая энергия не может быть полностью превращена в работу. Полное же превращение механической работы в термическую осуществимо. Существуют ли ограничения для взаимного превраи ения других видов энергии Опъп показывает, что не существуют. Другие виды энергии могут принципиально безгранично переходить из одного в другой, хотя при этом какая-то незначительная часть энергии любого вида, как правило, переходит в термическую. В результате к. п. д. таких превращений всегда меньше 100%. Поэтому весьма невыгодно использовать химическую энергию топлива тем способом, который на сегодняшний день наиболее распространен вначале путем сжигания превращать ее в термическую энергию, а затем из термической при помощи двигателей получать работу или электрическую энергию. Целесообразно химическую энергию непосредственно превращать в электрическую, что может осуществляться в гальванических элементах. [c.89] Поскольку изменение термической энергии связано с переходом ее в форме тепла от одного тела к другому, можно сказать, что термодинамика — это наука, занимающаяся изучением процессов превращения тепла. [c.90] Основу термодинамики составляют два закона, так называемые начала термодинамики, которые были выведены при обобщении накопленных опытных фактов . [c.90] Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии применительно к тем превращениям, при которых происходит преобразование термической энергии, сопровождаемое выделением тепла. [c.90] Все разнообразные формы энергии, встречающиеся в природе, можно с точки зрения термодинамики объединить в три группы 1) внутренняя энергия, 2) тепло, 3) работа. Согласно этой классификации, под внутренней энергией ([/) понимают всю энергию, содержащуюся в данном теле (например, в одном моле какого-либо соединения), то есть суммарную энергию вращательного и поступательного движения молекул, колебания атомов, движения электронов, а также движения атомных ядер как целого и элементарных частиц, из которых они состоят, и т. д. Таким образом, внутренняя энергия объединяет термическую и химическую энергии, но не включает ни кинетической, ни потенциальной энергии тела как целого. [c.90] Такая 4юрмулировка первого начала термодинамики как одного из видов закона,сохранения энергии справедлива для любого процесса независимо от условий, в которых он протекает. Экспериментально установлено, что как бы ни менялись Д[/, Ь или Q, они всегда связаны друг с другом уравнением (2.1). [c.91] Вернуться к основной статье