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.
Неисчерпаемая чистая энергия
Идея вечного двигателя зародилась, скорее всего, в викторианскую эпоху, но в 2007 году ирландская компания "Steorn" подняла большую шумиху в прессе, заявив, что ей удалось создать подобное устройство. Было дано обещание продемонстрировать машину, производящую "неисчерпаемую чистую энергию". По заявлению компании, устройство под названием "Orbo" использовало магнитные поля для выработки энергии из ничего. После массированной рекламной кампании демонстрация машины в Лондоне была отложена "из-за технических сложностей". Было дано разъяснение, что освещение создает слишком высокую температуру, приводящую к выходу из строя подшипников. Казалось, что на устранение неисправностей уйдет от силы несколько дней, однако демонстрация "Orbo" так и не состоялась.
Предполагается, что в этом устройстве используется комбинация фиксированных и подвижных магнитов, которые перемещаются по сложной траектории в магнитном поле Земли и за счет этого вырабатывают энергию. Компания "Steorn" присоединилась к длинной череде изобретателей, чьи попытки создания вечного двигателя закончились неудачей. Под вечным двигателем следует понимать машину, работающую на подлинно возобновляемых источниках энергии. Когда мы считаем "возобновляемой" энергию ветра или солнечного света, то упускаем из виду, что она поступает к нам все-таки извне – от Солнца. Несмотря на то что эти источники будут существовать еще очень и очень долго, их нельзя назвать поистине вечными.
Возрастание энтропии
Второе начало термодинамики часто формулируется как возрастание энтропии. На первый взгляд энтропия представляет собой весьма расплывчатое понятие. Попросту говоря, это мера беспорядка и хаоса в системе. В вашем теле, например, энтропия намного меньше, чем просто в наборе химических веществ, из которых оно состоит, потому что организм обладает структурой. А вот в комнате подростка энтропия достаточно велика. Чем больше беспорядка, тем выше энтропия. На самом деле энтропия – это не описательное понятие, а статистическая единица измерения. Она выражается в количестве способов, с помощью которых можно организовать различные элементы системы.
Если взять, к примеру, буквы, напечатанные на этой странице, то существует лишь один способ расставить их в таком порядке, чтобы получились именно те слова, которые вы читаете. Бесчисленное множество других вариантов расстановки не приведет к желаемому результату. Поэтому в данном случае энтропия мала, но, согласно второму началу термодинамики, для этого требуется затратить много энергии. Буквы не сами по себе сложились в слова. Мне пришлось немало потрудиться, чтобы их написать. Большой труд вложили также редакторы и печатники. Любые опечатки, пропуски букв и другие погрешности вносят беспорядок в текст и тем самым повышают энтропию.
Представляется совершенно логичным, что энтропия возрастает. Например, чашка чая, стоящая на столе, характеризуется более высоким уровнем порядка, чем осколки той же чашки, разбросанные по полу. Повысить энтропию очень просто: достаточно лишь уронить чашку. Но зато практически невозможно понизить ее уровень, собрав все осколки воедино и воссоздав из них целую чашку.
Идея возрастания энтропии использовалась как аргумент против сторонников естественной эволюции жизни на Земле. Земля родилась из хаотичного набора молекул и постепенно развилась в относительно высокоорганизованную планету, на которой обитают различные формы жизни. Кое-кто склонен полагать, что это доказывает вмешательство Творца, который создал порядок из хаоса. Однако в данном случае мы имеем дело с неверным пониманием второго начала термодинамики, в соответствии с которым энтропия возрастает (или остается прежней) только в замкнутых системах, без притока энергии извне. Но наша планета не является замкнутой системой. Мы получаем колоссальное количество энергии от Солнца, и второе начало здесь неприменимо.
Физика монстров
Связь между энтропией и развитием жизни – это не единственный пример влияния базовых законов физики на живые существа. У вашего организма нет никаких проблем с законами физики (если не считать того, что отдельные участки кожи с возрастом начинают обвисать под действием силы тяготения). Но когда мы имеем дело с монстрами, ситуация существенно меняется. К таким монстрам, порожденным нашей фантазией, чаще всего относятся пауки и насекомые огромных размеров. Что будет, если такой безжалостный убийца, как паук, вырастет до размеров, при которых его добычей вполне может стать человек? Но лучше задуматься над тем, почему мы никогда не встречались с такими чудовищами. Почему они не выросли до таких размеров, которые позволили бы им завоевать весь мир? Вспомните громадных муравьев из фильма ужасов 1950‑х годов "Они!" или гигантских пауков из "Властелина колец" и "Гарри Поттера".
Если подобные монстры являются вам в ночных кошмарах, можете успокоиться. Они не могут существовать. Представьте себе, что мы увеличили паука в 100 раз. Какой ужас! Это значит, что он стал в 100 раз шире, а его ноги – в 100 раз длиннее. Если мы разрежем такую ногу поперек, то площадь среза будет в 10 000 (100 × 100) раз больше, чем у обычного паука.
А что с весом? Вес зависит от объема, следовательно, такой паук будет в 1 000 000 (100 × 100 × 100) раз тяжелее. А это значит, что увеличившийся в миллион раз вес должны будут поддерживать ноги, ставшие толще лишь в 10 тысяч раз. Этот паук сразу же рухнет под собственным весом.
Нечто подобное произошло бы и с любым млекопитающим (включая человека), но у пауков и насекомых при увеличении размеров возникает еще одна проблема. Они дышат всей поверхностью кожи. Ее площадь при увеличении размеров в 100 раз увеличится лишь в 10 тысяч раз. Для снабжения туши, ставшей в миллион раз тяжелее, просто не хватит кислорода. Такой огромный паук умрет от удушья сразу же после того, как у него сломаются ноги. Так что причин для страха нет.
Ходьба на двух ногах
Вернемся к телу человека. На первый взгляд наши средства передвижения устроены проще, чем у паука. Ведь ему приходится одновременно управлять работой восьми ног, чтобы не запутаться в них и не споткнуться. Разумеется, при наличии всего двух ног нам нужно осваивать относительно меньше необходимых двигательных навыков. Но у нас возникает другая проблема.
Две ноги представляют собой весьма неустойчивую опору. Чтобы это понять, достаточно лишь взглянуть на малыша, который пытается делать первые шаги. Разница здесь примерно такая же, как езда на трехколесном и двухколесном велосипеде. Когда мы впервые садимся на двухколесный велосипед, поддержание равновесия дается нам с большим трудом. То же самое испытывает и тот, кто учится ходить на двух ногах. Для этого требуются постоянная практика и большие затраты энергии. Фактически ходьба на двух ногах представляет собой непрерывный процесс падения вперед, но мы вовремя успеваем подставить очередную ногу, чтобы не рухнуть на землю.
Для нервных непосед
Для того чтобы встать со стула, требуется значительно больше энергии, чем для того, чтобы сесть. Но многие из нас не в состоянии сидеть спокойно. Интересно понаблюдать за людьми, находящимися вроде бы в состоянии покоя, но при этом совершающими массу ненужных мелких движений. К примеру, руки практически всегда находятся в движении. Моя бабушка часто сидела в кресле, сложив руки, и при этом непрерывно крутила большими пальцами. Это довольно распространенная привычка, хотя трудно объяснить, зачем люди это делают.
А есть еще люди, которые постоянно хрустят суставами пальцев.
Это действует нам на нервы, и, чтобы положить конец назойливой привычке, мы говорим таким людям, что если они и впредь будут поступать подобным образом, то им неизбежно грозит артрит. Но так ли это на самом деле? Один человек поставил перед собой цель выяснить истину. Врач из Калифорнии Дональд Унгер каждый день на протяжении 60 лет вытягивал себе суставы фаланг пальцев, добиваясь характерного хруста. При этом он экспериментировал только с левой рукой.
Разумеется, трудно прийти к каким-то достоверным выводам на основании опыта одного человека (всем нам нередко приходится слышать высказывания типа "Я курю по 40 сигарет в день начиная с двадцатилетнего возраста, и мне уже 95 лет"), тем не менее левая рука доктора Унгера не претерпела никаких негативных изменений по сравнению с правой. Поэтому связь между привычкой хрустеть пальцами и артритом вполне может оказаться очередным мифом.
Но, независимо от того, есть ли у вас такая привычка, я предлагаю перейти к следующей теме.
6. Голова кругом
Прокатитесь на американских горках. В этом аттракционе вы то падаете, то взмываете вверх, вас переворачивает вниз головой и бросает из стороны в сторону. В результате вы полностью теряете ориентацию. Что при этом происходит? Как подобная забава влияет на ваши органы чувств? Когда вы выходите из кабинки, у вас продолжает кружиться голова, а земля словно уходит из-под ног. Почему так происходит? Ведь все уже закончилось.
Органы чувств чрезвычайно важны для жизни. С их помощью происходит взаимодействие с окружающей средой. Без них вы ничего не смогли бы понять во внешнем мире и ни на что не реагировали бы.
Сколько у вас чувств?
Давайте подсчитаем свои чувства. Первое число, которое приходит в голову, – пять. Но при воспоминании об американских горках выясняется, что это не так. Какое из пяти традиционных чувств (зрение, слух, обоняние, осязание и вкус) подсказывало вам, что вы сидите вниз головой? Возможно, вы скажете, что зрение, но неужели вы считаете, что с закрытыми глазами не заметите, что находитесь вверх ногами? Известная всем "большая пятерка", конечно, важна, но это лишь начало нашего путешествия в мир органов чувств.
Мы уже касались зрения, когда рассматривали звезды. А что такое слух?
Часто приходится слышать, что звук распространяется в виде волн, но точнее было бы сказать, что это последовательность импульсов. Обычно мы представляем себе волну как рябь на воде. Но гребень волны на воде перпендикулярен направлению ее движения (поперечная волна), а в звуковой волне направлен туда же, куда движется звук (продольная волна).
Эксперимент по симуляции звука
Возьмите детскую игрушку-пружинку и закрепите один конец (или дайте кому-нибудь подержать). Второй конец растяните, чтобы пружина находилась в горизонтальном положении и не сильно провисала. Держа один конец пружины, сделайте резкое движение рукой вперед и тут же отведите ее назад.
Вдоль пружины побежит волна от одного конца до другого. Попробуйте запустить сразу несколько волн подряд. При прохождении волны спираль сначала сжимается, а потом растягивается.
Если у вас нет такой игрушки, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com , выберите раздел Experiments и в нем тему Waves in Springs . Видеоролик показывает продольные волны в действии.
Именно такое продольное волнообразное сжатие и происходит при распространении звука. Когда какой-то предмет – динамик, музыкальный инструмент, ваши голосовые связки – совершает колебания, он оказывает давление на ближайшие молекулы воздуха, которые передают это сжатие соседним молекулам, а те еще дальше. Область сжатия распространяется в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду. Это и есть звук.
Если задуматься, то звук и должен представлять собой не поперечные, а именно продольные компрессионные волны, Если бы он напоминал собой волны на воде, то быстро терял бы энергию, испытывая сопротивление соседних слоев воздуха. Обычно поперечные волны распространяются только вдоль колеблющейся поверхности. Единственным исключением является свет. Если представить его себе в виде волны, то эта волна как раз является поперечной, но распространяется на огромные расстояния. Правда, необходимо учитывать, что она распространяется не в веществе, а в вакууме.
Скорость звука является одной из фундаментальных величин природы. Убедиться в том, что она существует, очень легко во время очередной грозы. Гром – это звук, распространяющийся в воздухе после разряда молнии, температура которой доходит до 20 000 °С. Молния и гром возникают одновременно, однако вы сначала видите молнию и только через некоторое время слышите гром, и это понятно, так как звуку требуется некоторое время, чтобы преодолеть расстояние до вас. Свет распространяется мгновенно. Если, допустим, молния ударила в десяти километрах от вас, то свету понадобится 1/300 000 секунды, чтобы покрыть это расстояние. Звук же, имея скорость 340 метров в секунду, запоздает по отношению к свету более чем на 29 секунд.
От компрессионной волны к волнам мозга
Проделав пульсирующий путь по воздуху, звук достигает вашего уха. Видимая наружная часть уха (ушная раковина), словно воронка, собирает и фокусирует колебания воздуха, направляя их в узкое ушное отверстие. Там воздушная волна наталкивается на барабанную перепонку, которая начинает колебаться под ударами молекул воздуха. Движения барабанной перепонки с помощью трех крохотных косточек – самых маленьких в организме – передаются на вторую мембрану, которая затягивает так называемое овальное окно. Колебания этой мембраны приводят в движение жидкость в ушной улитке.
Улитка представляет собой спиралевидную полость в костном веществе, заполненную водянистой жидкостью. Движения жидкости улавливаются крошечными ворсинками, которые напоминают волоски, но на самом деле являются выростами клеточных мембран. Эти волосковые клетки генерируют сигнал в слуховых нервах. Как и в случае с восприятием света, внешний физический феномен превращается в электрический сигнал, поступающий по нервам в мозг, который обрабатывает его и создает звуковой образ.