Эксперимент: термодинамика в действии

Наполните электрочайник водой, включите его и послушайте (а если чайник прозрачный, то и посмотрите), что будет происходить. В соответствии с нулевым началом термодинамики до включения чайника передачи тепла между нагревательным элементом и водой не происходит, но, как только вы его включите, элемент нагреется с помощью электричества и вскоре его температура станет выше, чем у окружающей воды. Энергия начнет переходить от горячего вещества к холодному (второе начало).

Затем вы услышите легкое шипение, которое постепенно будет становиться все громче. Незадолго до полного закипания наступает тишина, а в самом конце процесса раздается бурление кипящей воды.

Источником шипящего звука являются многочисленные крохотные пузырьки водяного пара, которые, едва образовавшись, вновь схлопываются. Поскольку нагревательный элемент значительно горячее точки кипения, соприкасающаяся с ним вода получает большую порцию энергии и переходит в газообразное состояние, образуя пузырьки. Они перемещаются в слои воды, удаленные от нагревательного элемента и потому значительно более холодные. Там они вновь переходят в жидкое состояние, производя характерный легкий хлопок. Сливаясь, эти звуки от множества схлопывающихся пузырьков и создают знакомое всем шипение. Непосредственно перед закипанием этот звук пропадает, так как практически вся масса воды подходит к температуре кипения и пузырьки больше не образуются.

Затем, когда достигается температура кипения, в воде появляются крупные пузыри водяного пара, причем не только в точке соприкосновения с нагревательным элементом, а по всему объему жидкости. Мы воспринимаем это как бульканье кипящей воды.

Почему невозможен вечный двигатель

Первое и второе начала термодинамики неумолимы. В совокупности они доказывают невозможность создания вечного двигателя. Если у вас есть маленькие дети, то, пожалуй, вам уже приходило на ум, что их можно назвать вечными двигателями, но энергия человеческого организма постоянно пополняется за счет пищи. А как было бы здорово создать двигатель, который будет работать вечно! Достаточно подключить его к генератору – и у вас появляется неисчерпаемый источник электроэнергии.

Если бы вы могли отменить любой из этих законов, жизнь была бы прекрасна. Если бы не действовало первое начало, вы могли бы использовать больше энергии, чем вложили в систему. Запущенный двигатель давал бы больше энергии, чем потребляет, то есть он смог бы не только сам работать безостановочно, но еще и давать лишнюю энергию. Точно так же отмена второго начала позволила бы перемещать энергию от холодного тела к горячему. Эту энергию можно было бы использовать в своих целях.

Может сложиться впечатление, что холодильник нарушает второе начало термодинамики, поскольку он перемещает энергию изнутри (из холода) наружу (в более теплое помещение). Но сам по себе холодильник на такое не способен. Второе начало применимо только к замкнутым системам, работающим без поступления энергии извне, а ведь холодильник постоянно снабжается электроэнергией и при этом тратит больше, чем перемещает.

Люди пытаются построить вечный двигатель на протяжении как минимум последних 1300 лет. Это занятие оказалось настолько популярным, что патентные бюро прекратили рассмотрение подобных заявок, если не будет продемонстрирована действующая модель. Иногда складывается впечатление, что вы действительно видите перед собой вечный двигатель, но каждый раз неизменно оказывается, что к нему откуда‑то поступает энергия.

В чем фокус?

Пожалуй, самым известным примером, якобы доказывающим возможность существования вечного двигателя, является радиометр Крукса.

В этом устройстве вертушка с несколькими лопастями установлена в стеклянной колбе. Лопасти не подключены ни к какому источнику энергии. Там нет ни моторчиков, ни солнечных батарей. И все же вертушка вращается не останавливаясь. Все это очень смахивает на вечный двигатель, но на самом деле источником движения является солнце (или любой другой источник света). Стеклянная колба предотвращает воздействие на лопасти любых внешних сил, но не может служить препятствием для солнечного света, и эта форма энергии непрерывно поступает в радиометр.

Раньше считалось, что вертушка вращается из‑за давления световых лучей. Одна сторона каждой лопасти окрашена в черный цвет, а другая – в белый. Фотоны света якобы поглощаются черной стороной, но отражаются белой. Хотя фотоны не обладают массой, в них достаточно энергии, а Эйнштейн утверждает, что масса и энергия – это две разные стороны одного и того же явления. Поэтому фотоны могут создавать момент силы. В принципе можно было бы создать космический корабль с большими солнечными парусами, которые улавливали бы солнечный ветер.

К сожалению, для этого понадобились бы поистине огромные паруса. Лопасти в радиометре для этого слишком малы. На самом деле их вращает движение воздуха внутри колбы. Воздух в колбе сильно разрежен, чтобы уменьшить сопротивление, но он все же присутствует. Поскольку черная сторона лопасти поглощает фотоны, она нагревается сильнее, чем белая. Часть этого тепла передается молекулам воздуха (в соответствии со вторым началом термодинамики), те начинают двигаться быстрее и с большей силой бомбардируют черную поверхность, заставляя вертушку вращаться.

Зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Crookes in action. Видеоролик демонстрирует, как работает радиометр Крукса.

Можно без труда доказать, что причиной вращения является теплота, а не давление света, потому что радиометр крутится не в том направлении, в каком можно было бы ожидать. Если бы все дело было только в свете, то повышенное давление оказывалось бы как раз на белые стороны лопастей, а не на черные, и радиометр вращался бы в обратном направлении.