Жизнь и мечта - Ощепков Павел Кондратьевич (электронные книги без регистрации TXT) 📗
Процесс переноса энергии в описываемой системе связан не с одним электроном, а с коллективным их состоянием. При образовании электрического тока в замкнутой цепи все имеющиеся в ней электроны проводимости начинают свое движение практически одновременно.
Начало направленного движения их определяется только скоростью распространения электрического напряжения в цепи (она равна скорости света), а не фактическими скоростями перемещения каждого электрона. В этом случае в каждый момент времени через первую границу раздела переходит какое-то количество электронов и ровно столько же других электронов переходит через вторую границу раздела. Поэтому фактическое время перемещения тепловой энергии от первой границы раздела до второй границы ничтожно мало, в миллионы раз меньше времени обратной теплопередачи.
Для наглядности приведем такую аналогию.
Предположим, что вы держите длинный шланг, наполненный горячей водой (электроны в металлах и в полупроводниках тоже очень горячие — они имеют эквивалентную температуру в тысячи и десятки тысяч градусов даже при комнатной температуре проводника). Шланг через тройник присоединен одновременно к крану с холодной и к крану с горячей водой. Вы подходите к одному из них и открываете, например, кран с холодной водой.
Спрашивается: какая вода пойдет из шланга? Конечно, горячая, так как шланг был наполнен до этого горячей водой.
Холодная вода не могла мгновенно дойти до конца шланга.
264
Если бы шланг был наполнен холодной водой, а вы открыли бы в это время кран с горячей водой, то в первый момент и в течение некоторого времени из шланга лилась бы холодная вода.
Я привел это сравнение потому, что оно известно многим из житейского опыта: подобное явление при желании можно наблюдать даже в ванной комнате.
ДРУГИЕ ПРОСТЕЙШИЕ АНАЛОГИИ
Можно привести и другой пример, поясняющий суть дела.
Представьте себе очень длинный нефтепровод, например нефтепровод Баку — Батуми, весь наполненный нефтью.
В какой-то момент в Баку открыли вентиль, и нефть в Батуми польется, как известно, ровно через столько времени, сколько требуется звуковой волне, чтобы пройти по нефтепроводу расстояние от Баку до Батуми, хотя та нефть, путь которой был фактически открыт в Баку, дойдет до Батуми только через несколько дней, а может быть, и через несколько недель.
Примерно то же самое происходит и с переносом тепловой энергии движущимся электроном в описанной выше системе из двух разнородных проводников. Огромная скорость переноса тепловой энергии в этом случае делает возможным временное ее сосредоточение в одном месте за счет поглощения равного количества в другом месте.
Во времена, когда не было еще понятия об электронах, когда даже мысленно не могла быть представлена описанная здесь схема, молодой французский инженер Сади Карно писал: «Тепло есть не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид, — это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей силы.
Обратно, всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается, в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».
265
Многие теперь и ссылаются на Карно как на основоположника современной научной термодинамики, чтобы доказать, что теплота не может целиком переходить в другие формы энергии, в работу. Однако, как мы только что видели, сам Карно был определенным сторонником полной взаимопревращаемости тепловой и механической форм энергии. Если вспомнить, что он жил полтора века назад, можно только поражаться его прозорливости.
Вдумаемся в приведенные строки Карно. Они очень правильно трактуют философскую сторону поставленного здесь вопроса. Во всяком случае, в наше время он, наверное, был бы нашим союзником.
Чтобы закончить рассуждения о приведенной схеме, остановлюсь еще на одном очень важном вопросе.
Можно ли, хотя бы в принципе, осуществлять преимущественное движение электрических зарядов в замкнутой цепи?
Этот Bonpoic очень сложный, и подходов к его решению может быть несколько.
Начну еще раз с аналогий. Хотя они не служат доказательством, но очень часто помогают понять существо вопроса.
Тепловая энергия есть хаотическое, беспорядочное движение молекул. Если бы мы имели возможность наблюдать за одной какой-нибудь молекулой очень длительное время, то установили бы, что все направления движения для нее равно вероятны и все состояния энергии в пределах максвелловского распределения, установленного для данной температуры, равноценны. Молекула двигалась бы столько же раз вправо, сколько и влево, столько же раз вверх, сколько и вниз, и т. д.
В более крупных масштабах этот хаос можно наблюдать в движении ветра. Для большинства районов Земли все направления ветра равновелики и равноценны.
Конечно, есть на Земле районы, где отмечается преимущественное направление ветров. Но это только доказывает, что и в хаосе может быть определенный порядок.
Сейчас нас больше интересует полный беспорядок.
Спрашивается, можно ли из беспорядочного движения ветра получить упорядоченное, направленное течение энергии? Можно ли кинетическую энергию беспорядочного ветра, а следовательно, и беспорядочную энергию молекул воздуха превратить в упорядоченную энергию, например в потенциальную?
Оказывается, можно. Для этого надо только создать несимметричные препятствия на пути движения энергии этого вида. В простейшем случае это можно осуществить, например, так. Предположим, что в нашем распоряжении есть водное пространство достаточно большой величины.
266
И пусть над этим водным пространством в течение года или еще более длительного времени дуют ветры самого разного направления и самой разной силы. Одним словом, пусть в природе ветра будет полный хаос. И все же даже в этом случае можно преобразовать кинетическую энергию ветра в потенциальный вид энергии и затем добиться организованного перемещения водных масс, хотя сам ветер, как мы уже сказали, не имеет определенно выраженного направления.
При ветре на водной глади образуются, как известно, волны, движение которых в общем случае совпадает с направлением ветра. Если указанное водное пространство разделить несимметричным барьером (плотиной с различным наклоном стенок), то, встречая на своем пути барьер, волны будут либо отражаться от него, либо перекатываться через него. В том случае, когда волна набегает на крутую (вертикальную) стенку разделительного барьера, будет наименее вероятно ее прохождение через барьер и наиболее вероятно отражение от него. А в том случае, когда волна будет набегать на барьер со стороны пологой стенки, произойдет все наоборот — вероятность прохождения ее через барьер будет наибольшей, а вероятность отражения—наименьшей. При длительном наблюдении за такой системой мы обнаружим, что уровень воды в одной части бассейна повысится, а в другой понизится. Процесс изменения уровней будет продолжаться до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия, когда из-за высоты барьера для одной части бассейна уменьшится вероятность отражения волн, а для другой части — вероятность их прохождения через барьер.
Тогда наступит равновесие, характеризующееся образованием разных уровней воды справа и слева от барьера. Разные уровни воды означают, как известно, разные уровни потенциальной энергии, и поэтому можно сказать, что даже такая нехитрая система асимметричного барьера может привести к преобразованию хаотической, неорганизованной энергии ветра в организованное, направленное ее течение.
267
Очень наглядный и поучительный пример преобразования неорганизованного хаотического движения в организованную форму движения представляет собой классический чашечный анемометр — прибор для измерения скорости (|силы) ветра. Откуда бы и с какой бы силой ни дул ветер (кроме одного, осевого, направления), ось анемометра во всех случаях будет вращаться в одну сторону и с довольно высоким коэффициентом преобразования. Принцип действия такого анемометра основан на асимметрии лобового сопротивления чашечных крыльев.
