Примерно таким образом граф Румфорд в 1799 г. проводил свой знаменитый опыт, показывающий превращение работы в теплоту при сверлении пушек. Энергия, подводимая в форме механической работы вращения сверла, отводилась водой, которая при этом нагревалась от температуры Т1 до температуры Т2 (Т2 > Т1). Внутренняя энергия воды (обозначим ее U) возрастала при этом от U1 до U2. Затем вода остывала снова до температуры Т1, отдавая энергию в форме теплоты Q окружающей среде. Если охладить воду до прежней температуры, то ее внутренняя энергия остается такой же, как и вначале; количества теплоты Q и работы L будут равны. Если же охладить воду до какой-либо промежуточной температуры Т3, более высокой, чем Т1, то количество отводимой теплоты будет меньше, так как часть подведенной энергии остается в виде прироста ΔU внутренней энергии воды.
Таким образом, закон сохранения энергии будет выражаться классической формулой, связывающей теплоту и работу:
L = Q + ΔU. (2.1)
Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела ΔU, так и отводиться в виде теплоты Q. Если ΔU = 0, то Q = L. Формула (2.1) и выражала закон сохранения энергии в его наиболее простой форме. Возникла и наука, которая специально рассматривала взаимные превращения теплоты и работы, — термодинамика.
Термодинамика в начале своего развития рассматривалась только как наука о взаимных превращениях теплоты и работы[28]. По мере дальнейшего развития, она постепенно охватывала и другие энергетические превращения, связанные с электрическими, магнитными, химическими, а также квантовыми явлениями. Соответственно расширялись и понятия работы L и внутренней энергии U. Таким образом, сфера действия первого закона термодинамики охватила по существу все области энергетических превращений и стала соответствовать по своему содержанию закону сохранения энергии.
Поэтому в дальнейшем мы будем использовать термин «первый закон термодинамики» как синоним термина «закон сохранения энергии». Так будет удобнее в дальнейшем при рассмотрении второго закона термодинамики и сопоставлении его с первым.
Изложим коротко некоторые формулировки и положения, связанные с первым законом термодинамики, которые понадобятся в дальнейшем при анализе новых ppm.
Существует целый ряд одинаково правильных формулировок первого закона термодинамики. Нам важно выбрать из них такую, которая в наибольшей степени была бы удобна для разоблачения ppm-1. С этой точки зрения, казалось бы, наиболее подходит самая близкая к нашей теме: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Однако при всей четкости и категоричности такой формулировки она не говорит о том, как определить, что то или иное устройство именно и есть вечный двигатель. Ведь прежде, чем запретить, нужно знать что запретить!
Рис. 2.5. Энергетический баланс системы: а — реальный двигатель; б — ppm-1
Поэтому более удобна другая формулировка: «При любых превращениях в системе[29] входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». Об этом хорошо сказано в «Фейнмановских лекциях по физике»: «…можно взять какое-то число и спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним». Здесь «число» — это значение энергии. Дня того чтобы определить, существует такое равенство или нет[30], нужно составить энергетический баланс — подсчитать все потоки входящей энергии (обозначим их знаком ' — вход) и выходящей (обозначим их знаком ʺ — выход). Чтобы не ошибиться и не пропустить какой-нибудь из них, окружим наш двигатель воображаемой оболочкой — контрольной поверхностью (она показана на рис. 2.5, штриховой линией). Потоки энергии обозначены стрелками. На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, вода, топливо и т. д.). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть выходящую теплоту Q, поток энергии, выносимый отработавшим веществом Нʺ, и, наконец, работу Lʺ. Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Нʺ, обязательно должна быть равна выходящей Wʺ, т. е. сумме Qʺ + Hʺ + Lʺ (если, конечно, внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ΔU = 0):
W' = Q' + H' = Qʺ + Нʺ + Lʺ = Wʺ. (2.2)
Поскольку по первому закону все виды энергии эквивалентны, легко подсчитать значения каждой из этих величин в одних и тех же единицах (калориях, джоулях или киловатт-часах).
Из уравнения (2.2) следует, что отводимая работа в точности равна сумме изменений энергии рабочего тела и теплоты:
Lʺ = (Q' — Qʺ) + (H' — Нʺ). (2.3)
Подсчитав их, мы найдем работу двигателя, равную Lʺ.
Из первого закона термодинамики следует, что получаемая работа не может быть ни меньше, ни больше Lʺ.
Первый случай (W' > Wʺ) нас здесь не интересует, хотя он — тоже нарушение закона сохранения (энергия исчезает), но второй (энергия берется «ниоткуда») как раз и соответствует ppm-1. Такое устройство существовать не может.
Мы взяли для анализа общий, сложный случай — с теплотой и потоком вещества (в дальнейшем он понадобится тоже). Однако все рассмотренные в гл. 1 двигатели проще — они не связаны ни с тем, ни с другим[31]. Дня них уравнения (2.2) или (2.3) будут выглядеть более просто, так как (Q = 0 и H = 0, а следовательно, и W' = 0. Тогда и
Wʺ = Lʺ = 0, (2.4)
и работа этих устройств должна быть равна нулю. Если же изобретатель утверждает, что L ≠ 0, то это будет только воображаемое, в реальности не могущее действовать устройство, противоречащее условию (2.4), т. е. ppm-1 (рис. 2.5, б).
Таким образом, первый закон термодинамики позволяет не вникать в детали устройства для того, чтобы определить — будет двигатель работать или нет. Нужно просто «заключить» его внутрь контрольной поверхности и подсчитать, сколько всего входит энергии (W) и сколько выходит (Wʺ), и если выходит больше, чем входит (Wʺ > W'), то дискуссия закончена. Налицо нарушение закона природы: получение энергии из ничего. Вечный двигатель первого рода невозможен.
Естественно, что все, о чем говорилось выше, относится к любой технической или биологической системе: выходящая за определенный отрезок времени энергия Wʺ должна быть равна входящей W'. В каждую из них, разумеется, нужно включить все потоки энергии, независимо от их вида. Кроме того, в общем случае нужно учесть и накопление (или расходование) внутренних запасов энергии ΔU:
Wʺ = W' — ΔU. (2.5)
Сказанное можно пояснить простым примером. Возьмем такую биологическую систему, как медведь. Осенью он поглощает с пищей (H’ = W') большее количество энергии, чем расходует (с теплотой Qʺ и работой Lʺ). Поэтому он накапливает с жировыми запасами энергию ΔU. Следовательно, осенью его энергетический баланс активный: WОС = Н'ОС > WʺОС = LʺОС + QʺОС. Однако зимой, во время спячки в берлоге, он вообще не получает энергию извне (W' = 0); расход энергии включает работу Lʺ = 0 (на дыхание, изменение позы и сосание лапы — он очень мал) и теплоту Qʺ = 0 для поддержания микроклимата в берлоге. Весь этот расход энергии Wʺ = Lʺ + Qʺ компенсируется уменьшением ее запасов ΔU. Следовательно, энергетический баланс для этого периода будет иметь вид 0 = Wʺ + ΔU или Qʺ + Lʺ = — ΔU. Чтобы он соблюдался, величина ΔU должна быть отрицательной: запас внутренней энергии будет уменьшаться.
Первое начало термодинамики представляет собой мощное средство как научного познания природы, так и создания «второй природы» — техники. Дня уже существующих систем оно позволяет проверить правильность любых теорий или результатов экспериментов, связанных с энергетикой. Если баланс по теории или по измерениям не сходится, значит, где-то допущена ошибка. Дня вновь изобретенных систем проверка их энергетического баланса обязательна. Если W' ≠ ΔU + Wʺ, то система существовать не может. При W' > ΔU + Wʺ энергия в ней «уничтожается», а при W' < ΔU + Wʺ — «возникает» из ничего (ppm-1). Первый закон показывает, что все это абсолютно невозможно, или, как иногда говорят, запрещено.
