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.
Казалось бы, полное и безоговорочное утверждение закона сохранения энергии и его все более широкая популяризация должны были привести к сокращению потока вновь изобретаемых ppm-1. К тому же «его величество пар» снял на долгое время проблему универсального двигателя. Однако существенного влияния на большинство изобретателей ppm-1 все это до конца первой четверти XX в. не оказало. Штурм неразрешимой задачи продолжался.
2.3. Последние вечные двигатели первого рода
Приведем для начала некоторые статистические данные по ppm-1, относящиеся к интересующему нас периоду. Естественно, они носят отрывочный характер, но все же достаточно показательны.
По данным Британского патентного бюро за время с 1617 г. (год начала выдачи патентов) по 1903 г. было подано более 600 заявок на ppm-1. Но из них только 25 относятся ко времени до 1850 г.; все остальные были поданы позже[32]. Аналогичная картина наблюдалась и в других странах. Выходит, что как раз тогда, когда наука внесла в вопрос о ppm-1 полную ясность, произошла вспышка интереса к ppm-1.
Этот очередной парадокс с вечным двигателем объясняется просто. Мы уже видели, какое ожесточенное сопротивление идеи Майера и Джоуля встретили в научных кругах. Что же говорить об инженерах и других технических специалистах, и тем более о любителях, совсем далеких от науки?
Процесс распространения, внедрения и освоения новых представлений об энергии был довольно длительным. Ведь даже точные понятия об энергии, теплоте, работе и связанных с ними величинах окончательно установились только к середине XX в.[33] Даже к этому времени волна изобретений ppm-1 еще не сошла на нет (и вместе с тем поднялась новая — пошли изобретения ppm-2; об этом — дальше).
Вернемся, однако, к изобретателям ppm второй половины XIX и начала XX в.[34] Среди них были и честные энтузиасты, и проходимцы, не уступавшие самому Орфиреусу. Если говорить о тех, кто вполне искренне верил в возможность ppm-1 и работал над ним, то большинство их творений удивительно напоминает то, что уже было изобретено раньше. Но есть и плоды новых веяний, связанных, главным образом, с электричеством.
Во всех случаях изобретатели, как и их средневековые предшественники, непоколебимо верили в успех своих разработок. Об этом свидетельствует хотя бы то, что на многих из них были предусмотрены тормоза, чтобы двигатель не разнесло при слишком больших оборотах.
Подробно описывать большую часть изобретений ppm-1, повторяющих уже известные идеи, нет смысла. Приведем для примера только четыре их образца.
Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигательТретий пример (рис. 2.8) относится к концу XIX в.; этот двигатель тоже повторяет старую «капиллярно-фитильную» идею. Жидкость под действием сил поверхностного натяжения поднимется по фитилю, но эти же силы не дадут ей стекать в верхний резервуар.
Наконец, на рис. 2.9 показан гидравлический (поплавковый) двигатель, который был предложен американцем Г. Готцем. Двухколенная трубка круглого сечения заполнена двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности (например, ртутью и водой). Трубы заполнены шарами, плотность которых такова, что они всплывают даже в более легкой жидкости. По мысли автора шары в правом колене будут постоянно (под действием веса тех трех шаров, которые находятся над жидкостью) проталкиваться в левое колено трубы и там всплывать. Очередной всплывший в левом колене шар должен сваливаться на колесо, приводя его в движение своим весом, и возвращаться в правое колено.
2.9. Гидравлический двухжидкостный вечный двигатель Г. ГотцаИз этой идеи опять, естественно, ничего не получится, так как тяжелая жидкость, несмотря на то, что ее уровень ниже, выталкивает шары с той же архимедовой силой, с которой это делает легкая жидкость. В обоих коленах уровни жидкости автоматически (как будто они знают закон сохранения энергии) установятся так, чтобы эти силы сравнялись и устройство не работало.
Разбор разных вариантов механических и гидравлических ppm-1, предложенных после установления закона сохранения энергии, можно продолжить. Анализ таких изобретений — хорошая тренировка в умении находить и применять соответствующие физические законы. Читателям, интересующимся другими вариантами этих устройств, можно обратиться к соответствующей литературе [2.1-2.6].
Мы перейдем к другим ppm-1, больше соответствующим духу времени по использованным в них силам. На первый взгляд они вносят новую, живую струю в идейную основу ppm-1.
Действительно, электрические и электрохимические явления, которые в них используются вместо шаров, колес, поплавков и фитилей, создают впечатление некоторой новизны. Но, увы, и здесь в основе все остается на том же уровне. Рассмотрим два таких новых проекта (другие в том или ином виде представляют их модификации). Имен многочисленных авторов этих изобретений можно не упоминать: борьба за приоритет здесь не имеет практического смысла.
