Мистер Томпкинс внутри самого себя. - Гамов Г.
ISBN 5-7029-0343-9
Скачать (прямая ссылка):
— Вы правы, — ответил Сент. — Когда питательные вещества из продуктов питания соединяются в ваших мышцах с кислородом, некоторое тепло в мышцах действительно выделяется, но к работе мышц это имеет косвенное отношение. Электрический мотор также нагрева-
52
Мистер Томпкинс внутри самого себя
ется отчасти из-за трения между деталями, отчасти из-за того, что при прохождении тока через проводники, в последних выделяется тепло, но работу производит электрический ток, а не это тепло. Птицы и млекопитающие научились использовать тепло, выделяющееся в их мышцах, что позволяет им поддерживать постоянную температуру тела, а это полезно во многих отношениях. Например, постоянная температура тела позволяет им сохранять активность зимой, когда другие животные, например, змеи и лягушки, впадают в оцепенение. В отличие от птиц и млекопитающих у таких «хладнокровных» существ при изменениях внешней температуры изменяется скорость протекания различных жизненных процессов. Рыба в океане, попав в теплые воды течения Гольфстрим, начинает плыть несколько быстрее. Используя это обстоятельство, один из моих друзей, как-то раз сконструировал прибор, который назвал «муравей-термометр». Устроен прибор был очень просто: плоское узкое кольцо, по которому круг за кругом бегал муравей. Чем теплее воздух, тем быстрее бежит муравей. Мой приятель, мог измерять температуру, засекая по секундомеру, за сколько муравей пробегает круг. Разумеется, надежным такой инструмент никак не назовешь, это скорее забавная игрушка.
Но вернемся к работе мышц. В 1824 году молодой французский военный инженер Сади Карно показал, что наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин, т. е. доля имеющегося запаса тепла, превращаемая в механическую энергию, пропорционален разности температур между наиболее горячей частью машины, назовем ее «паровым котлом», и наиболее холодной ее частью, которую назовем «холодильником», или «стоком». Если паровой двигатель работает между точкой кипения воды и точкой замерзания льда, то максимальный коэффициент полезного действия, которого можно достичь, составляет всего лишь 27%. Так как разность температур внутри человеческого тела вряд ли превосходит 1 градус, если бы вы были тепловой машиной, то ваш коэффициент полезного действия не мог бы превышать 1%, и чтобы вы могли двинуть пальцем, вам понадобилось бы поглотить примерно в 30 раз больше пищи, чем вы съедаете теперь!
— А почему у тепловых машин такой низкий коэффициент полезного действия? — поинтересовался мистер Томпкинс. — Насколько я слышал, тепло — это движение молекул, образующих материальные тела. Разве энергия движения молекул, не та же, что энергия летящей пули?
На пляже, или как работают мышцы
53
— Ваш пример с пулей очень удачный, — сказал Сент. — Предположим, что у вас есть пуля, которая преспокойно лежит на столе, внутри нее существует сильнейшее молекулярное движение: частицы с большой кинетической энергией колеблются относительно их равновесного положения. Вы заряжаете ружье этой пулей и производите выстрел. К кинетической энергии теплового движения добавляется кинетическая энергия, полученная от сгорания пороха.
Но хотя обе эти энергии одного сорта, они, так сказать, по-разному организованы. В случае теплового движения молекулы движутся по всевозможным направлениям, и скорости их изменяются в широких пределах, тогда как дополнительные скорости, сообщенные всем молекулам при сгорании пороха, равны по величине и строго параллельны для всех молекул. В результате пуля летит прямо к цели. А когда пуля, попав в цель, останавливается, скорости движения, первоначально бывшие организованными, становятся неупорядоченными и добавляются к существовавшему еще до выстрела хаотическому тепловому движению. Пуля при этом нагревается.
— Естественно, — прокомментировал мистер Томпкинс. — Но какое отношение это имеет к низкому коэффициенту полезного действия тепловых машин?
— Самое непосредственное, — ответил Сент. — В тепловых машинах вы начинаете с топлива, будь то дрова, уголь или нефть, состоящего из высокоорганизованных молекулярных организаций, запас энергии которых определяется хорошо определенными межатомными силами. Сжигая топливо, вы получаете тепло, которое, как я уже говорил, представляет собой в высшей степени неорганизованное движение горючих веществ, или, так сказать, естественный беспорядок. Достигнув этой стадии, вы пытаетесь превратить неупорядоченное хаотическое движение молекул в упорядоченное движение поршня, рычагов, маховиков и колес. А поскольку неупорядоченное движение гораздо более вероятно, чем упорядоченное, ваша задача отнюдь не из легких, и за ее решение вам приходится платить высокую цену. Тем не менее она вполне выполнима, и часть неупорядоченной системы действительно можно привести в состояние упорядоченного движения, предоставив остальной части системы стать еще более неупорядоченной.
— Я вас понял, — кивнул мистер Томпкинс. — Но почему в таком случае нашим инженерам при проектировании различных машин и механизмов не исключать тепловую стадию?
