Яков Перельман - Физика на каждом шагу
Энергия водяного пара
Невидимый пар скрывает в себе огромные запасы энергии. И не только тот пар, который добывается под усиленным давлением в паровом котле, но даже и обыкновенный пар, образующийся при кипении чайника. Откуда эта энергия берется? Мы сами заряжаем пар энергией, когда кипятим воду на огне: переводим энергию огня в воду, а затем и в пар. Займемся арифметикой нагревания и кипячения воды; мы лучше поймем тогда, что здесь происходит.
Нагревая килограмм воды на один градус (стоградусного термометра), мы затрачиваем порцию тепла, которая называется «калорией». Когда же эта порция теплоты, калория, превращается полностью в механическую работу, получается запас энергии, достаточный для подъема килограммовой гири на высоту 427 м.
Зная это, вы можете точнее оценить, сколько энергии сообщили одному стакану воды, нагрев его до кипения. Если первоначальная температура воды была, скажем, 10°, а теперь 100°, то нагревать пришлось на 90°, весит же стакан воды 1/4 кг. Значит, на нагревание пошло 90 раз по четверти калории, т. е. 221/2 калории. Превращенное в механическую работу, это количество тепла достаточно для поднятия груза в 22 1/2 кг на высоту 427 м, или – что то же самое – полутонны на крышу пятиэтажного дома. Вот сколько энергии кроется в одном стакане горячего чая!
Но запас этот еще очень скромен по сравнению с энергией пара. Дело в том, что для превращения воды в пар недостаточно нагреть ее до 100°. Если бы было так, если бы вода, доведенная до 100°, сразу превращалась в пар, никогда не пришлось бы нам пить горячего чая: вся вода в самоваре, нагретая до 100°, мгновенно превращалась бы в пар; самовар разрывался бы, как бомба. Ничего подобного, к счастью, не наблюдается: вода при 100° превращается в пар постепенно и только до тех пор, пока продолжается приток тепла. Эта дополнительная теплота, которую надо подводить к воде, уже нагретой до 100°, чтобы превратить ее в пар (тоже 100-градусный), называется «скрытой теплотой кипения». Она целиком расходуется на внутреннюю работу превращения жидкой воды в пар той же температуры. Скрытой теплоты требуется очень много: для полного превращения 1 кг воды при 100° в пар тоже 100° надо сообщить воде 536 калорий – вшестеро больше, чем нужно «явной» теплоты для нагревания того же килограмма воды от 10 до 100°. Вот почему пар заключает в себе гораздо больший запас энергии, чем вода при той же температуре (100°).
Обратимся опять к подсчету. У вас стоит на огне чайник с двумя литрами воды; чайник кипел так долго, что вся вода выкипела, превратилась в пар. Какой запас энергии сообщен этому пару? Два литра воды весят 2 кг. Составим счет тепловых расходов.
На нагревание 2 кг воды от 10° до 100°…. 180 кал.
На превращение в пар 2 кг воды при 100°
(по 536 калорий на 1 кг)……………. 1 072 кал.
________________________________________________
Итого…….. 1 252 кал.
Переведем этот запас тепла в механическую работу. Получим 427 × 1 252, т. е. около 535 тыс. килограммометров. Таким количеством энергии можно поднять целый каменный дом на высоту нескольких этажей.
Неудивительно, что энергия пара движет тяжелые поезда и огромные пароходы, приводит в действие многочисленные станки целого завода, а в случае катастрофы разносит вдребезги паровой котел и рушит каменные стены.
Невидимый богатырь в стакане чая
Стакан чая был горяч, а теперь остыл. Теплота вышла из него и рассеялась кругом. Вы и не подозреваете, какой могучий богатырь вышел вместе с теплотой из этого чая. Он невидим, этот богатырь, но о его могуществе вам может рассказать несложный расчет.
В нашем стакане было примерно четверть килограмма горячей воды; значит, при остывании на каждый градус она теряла четверть калории. А так как чай остыл с 100° до 20° (от температуры кипения до комнатной), т. е. на 80°, то всего чай потерял 1/4 × 80 = 20 калорий.
Двадцатью калориями можно сделать очень много, если превратить всю эту теплоту в механическую работу. Одна калория, превращаясь полностью в работу, могла бы поднять груз в 1 кг на высоту 427 м, округляя – на 430 м. Значит, та теплота, которая вышла из нашего чая (20 калорий), могла бы поднять на 430 м 20 кг, или на 1 м огромный груз – 8 600 кг. Такую же работу совершает молотобоец, делая 400 ударов, или огромный 5-тонный паровой молот, падающий с высоты человеческого роста! Разве не богатырская мощь скрывается в стакане горячего чая?
Вот еще более поразительное сопоставление. Та же самая энергия заключается в 20 ружейных пулях, летящих со скоростью 700 м в секунду. Залп из 20 винтовок – вот мощь, скрытая в стакане горячего чая!
Можно было бы заставить этого богатыря выполнять и другую работу, например, светить в электрической лампочке. Тогда он сможет в течение целого часа посылать вам свет 25-ваттной лампочки. Это тоже очень почтенная работа!
Не так-то просто однако заставить этого богатыря работать нам на пользу. Теплоту вообще трудно превратить в механическую работу; человеческой изобретательности удается заставить теплоту выполнять только часть – меньшую часть – той механической работы, на которую она способна.
Что такое желтый уголь?
Путешествующие по Калифорнии (Америка) могут заметить на крышах многих домов ящики, похожие с виду на дымовые трубы, но никогда не выпускающие из себя дыма. Это не что иное, как баки теплой воды, запасаемой для хозяйства – для стирки, мытья посуды, умыванья и т. п. На первый взгляд в этом ничего необычного нет: бак ставят на крышу, потому что оттуда, сверху, легко подводить по трубам воду к любому месту дома. Замечательно здесь не это, а то, как вода нагревается. Жители не расходуют на нагревание этой воды ни угля, ни дров, ни керосина, ни электрического тока, а возлагают работу нагревания всецело на Солнце. На крыше устроен плоский трубчатый котел, трубы которого, заключающие воду, подвергаются действию солнечных лучей. Нагретая вода, как более легкая, скопляется в баке, который помещен выше труб. Получается, правда, не кипяток, а вода 40–60°, вполне однако пригодная для многих хозяйственных надобностей.
Перед нами пример того, как можно заставить Солнце работать непосредственно на пользу человека. В сущности Солнце и без того работает нам на пользу, работает давно, – с тех пор как существует человек. Солнце – почти единственный источник всего тепла и всей работы, какой мы пользуемся. Не думайте, что когда машина работает у нас на угле, на нефти, на дровах или даже от падающей воды, то мы обходимся без Солнца. Ведь уголь не что иное, как остатки растений, а образование горючих составных частей в растениях происходит не иначе, как при участии солнечных лучей. Та теплота, которую дерево или уголь развивают в топке машины, есть солнечная энергия, раньше накопленная растениями и теперь освобождающаяся. Мускульная работа – тоже видоизмененная энергия Солнца, почерпнутая нами (или животными, которыми мы питаемся) из растений. Водные массы водопада подняты были на высоту также Солнцем, его лучами.
Итак, каждый двигатель, работающий на угле, есть в сущности двигатель солнечный. Но каменный уголь приходится извлекать из недр земли с немалой затратой труда.
Нельзя ли миновать дорогое посредничество угля и получить энергию прямо от солнца, по крайней мере, в тех странах, где небо ясно и солнце жарко греет? В странах капиталистических это привело бы, правда, лишь к увеличению безработицы и углублению хозяйственного кризиса. Зато в условиях нашего социалистического хозяйства последствия «желтого угля» (так называют энергию солнечных лучей) были бы совсем иные: освободилась бы огромная армия шахтеров и приложила бы свой труд в других отраслях социалистической промышленности.
Но возможно ли это? Теоретически это легко осуществимо. В южных странах каждый квадратный метр земной поверхности получает за день от солнца столько теплоты, что, превращенная в механическую работу, она могла бы дать около двух лошадиных сил. Однако превращение тепла в механическую работу на практике связано с большими потерями, поэтому удается получить лишь десятую долю той энергии, которую обещает теория. До сих пор попытки заставить солнце нагревать котел паровой машины оказывались поэтому мало выгодными. Установка обходилась дорого, уход также стоил немало, и польза оказывалась недостаточной для оправдания расходов. Лошадиная сила, полученная от солнца, обходилась дороже, чем извлеченная из угля.
Другое дело – использование солнечных лучей не для приведения машин в движение, а для надобностей нагревания. Здесь польза солнечных установок должна оправдываться не только теоретически, но и практически. В знойных частях нашего Туркестана, где в течение теплой половины года небо безоблачно, солнечные нагреватели должны быть особенно полезны. Такие установки есть в Ташкенте, в Самарканде, на нефтяных промыслах острова Челекена (Каспийское море). Вот полезные в народном хозяйстве источники энергии:
