Владимир Келлер - Возвращение чародея
При определении работы пользуются лишь двумя величинами: протяженностью пути и силой. Человек, напиливший кубометр дров за два часа, сделает такую же работу, как и тот, кто напилит свой кубометр с перекурами за восемь часов.
При определении мощности вводится и время: мощностью называется работа, выполненная за избранную единицу времени — за час, минуту, секунду или за какую-нибудь другую. Иначе говоря:
Мощность — это быстрота совершения работы.
Со времени усовершенствования паровой машины шотландским механиком Джемсом Уаттом (1736–1819) и вплоть до наших дней, пожалуй, самая распространенная единица мощности — это лошадиная сила (л. с.). Выраженная в килограмм-силах на метр (кГм) в секунду, одна лошадиная сила равна 75 кГм/сек.
На знакомых примерах эта единица мощности означает вот что.
Хороший спортсмен-атлет на короткое время может развить мощность в 1 л. с. Но при длительной работе от нормального здорового мужчины не следует ожидать отдачи большей мощности, чем 1/6—1/4 л. с., в среднем одной пятой лошадиной силы.
Мощность двигателя в домашнем холодильнике не превышает 1/4 л. с., автомобильный двигатель развивает мощность от 30 до 300 л. с. (у автомобиля «Волга» — 75 л. с.); мощность локомотива от 1000 до 4000 л. с., Красноярской ГЭС — около 7 миллионов л. с.
Космический корабль «Восток», на котором ранним утром 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин впервые вышел на орбиту земного спутника, был оторван от Земли с помощью ракетных двигателей мощностью 20 миллионов л. с.
В системе СИ единицей мощности утверждена также известная старая единица — ватт (вт): 1 вт = 1 дж/сек.
Часто пользуются единицей мощности, в тысячу раз большей, — киловаттом (квт).
Мощность патефонного моторчика в этих единицах составляет 10 вт, а мощность Красноярской ГЭС — 5 миллионов квт.
Рекомендуется запомнить (с этим часто приходится сталкиваться на практике), что 1 л. с. = 0,735 квт, а 1 квт = 1,36 л. с.
Мощность человека в этих единицах в среднем 0,15 квт.
Нам остается дать определение последней из величин, о которой идет речь, — энергии.
Мы знаем, что падающая вода способна совершать работу. Чтобы эта способность проявилась, на пути потока можно поставить мельничное колесо или водяную турбину.
Такой способностью обладает всякое вообще движущееся тело.
Можно привести примеры того, что и неподвижное тело обладает скрытой способностью производить работу: вода, сдерживаемая плотиной, согнутый лук, из которого можно выпустить стрелу, сжатая или растянутая пружина.
Итак, энергией называется мера способности совершать работу.
Часто энергией тела называют не меру его способности совершать работу, а самую такую способность. Это нецелесообразно. Ведь под энергией в физике понимают некоторую физическую величину. А всякая физическая величина — это не свойство, а числовая характеристика, мера свойства. Бывает иногда и так, что одним и тем же словом «энергия» пользуются для обозначения как способности совершать работу, так и меры этой способности. Мы тоже в дальнейшем этого не избежим, будем только стараться, чтобы каждый раз было ясно, в каком именно смысле употребляется слово «энергия».
Примеры, которые мы приводили, относятся к одному виду энергии — механической, причем мера способности движущихся тел производить работу называется кинетической энергией, а мера аналогичной способности неподвижных тел — потенциальной энергией.
Глава физики, посвященная энергии, выросла из классической механики. Однако она была значительно обогащена наукой об электричестве, развившейся в основном лишь за последние полтораста лет, а также термодинамикой — наукой, созданной целиком учеными XIX века.
Единицы измерения энергии те же, что и у работы, — эрги, джоули. Часто применяют еще одну удобную единицу — киловатт-час (квт-ч). 1 киловатт-час — это работа, произведенная в течение одного часа при мощности в 1 киловатт.
Есть и еще одна — тепловая — единица энергии: калория (кал) или килокалория (ккал). Калория — это количество тепла, необходимое для повышения на 1 градус Цельсия 1 грамма воды, килокалория — количество тепла, нужное для повышения на 1 градус 1 литра, то есть 1 килограмма воды.
Все эти единицы связаны между собой, так что:
1 квт-ч = 3,6 млн. дж = 861 ккал.
Механика учит нас пользоваться силами. Но чтобы можно было пользоваться силой, необходима энергия. Знание законов энергии нужно для практического применения механики.
И еще одно. Очень важно уметь открывать или создавать искусственно склады энергии. Джоули не висят на ветках подобно грушам или гроздьям винограда — подойди и срывай.
Впрочем, даже фрукты, которые можно есть, сперва нужно вырастить. В определенном смысле нужно уметь «вырастить» из окружающей природы и джоули.
Это не всегда легко, потому что природа не любит ничего отдавать по доброй воле.
Превращение энергии
Не приходилось ли вам задумываться, какому виду энергии вы обязаны острым удовольствием помчаться вниз, после того как сиденьице ваших качелей достигло кульминационной высоты и замерло там на мгновение? Ясно, что ваша собственная энергия здесь ни при чем: вы можете расслабить все ваши мускулы и все равно начнете свой полет.
Конечно, вниз вас кинет из верхней точки качелей потенциальная энергия, сработает земное тяготение. Ну, а из нижней точки какая энергия вас подбросит вверх? Кинетическая энергия, это ясно. Потенциальная энергия, или энергия положения, внизу равна нулю, точно так же, как равна нулю на максимальной высоте, в момент изменения направления полета, кинетическая энергия, энергия движения.
Потенциальная и кинетическая энергии взаимно превращаются одна в другую.
Постепенно люди выяснили, что не только одна разновидность механической энергии может превращаться в другую разновидность механической, но и вообще все виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная и т. д. — способны превращаться одна в другую. Мы живем среди этих превращений, постоянно пользуемся ими, хотя часто не замечаем этого удивительного процесса.
Прижал охотника мороз: он начинает пританцовывать, в ладоши хлопать, тереть нос и уши. Механическая энергия мускулов переходит в тепловую и согревает человека.
Он стреляет в зайца. Химическая энергия пороха превращается в механическую — летящей дроби. Вернулся охотник домой. Довольная хозяйка торопливо зажигает на кухне свет — превращает электрическую энергию в световую — и ставит на плитку разогреть холодный борщ, чтобы ту же электрическую энергию сделать тепловой.
Кончается все это тем, что ублаженный всеми видами энергии, имеющими хождение в быту, охотник заваливается спать, чтобы к утру восстановить за счет всего полученного свою энергию.
Замечательной особенностью превращения энергии является то, что оно совершается не произвольно, не как-нибудь, один раз с одним количественным результатом, другой — с другим, а подчиняясь вполне определенному закону.
Манчестерский пивовар Джемс Прескот Джоуль (1818–1889) был первым, кто установил, что при превращении одной энергии в другую соотношение между механической работой и теплотой остается всегда постоянным, и потому, зная что-нибудь одно, можно совершенно точно сказать, какому количеству другого оно равно.
В результате открытия Джоуля была установлена количественная связь между единицами тепла (ккал) и единицами работы (дж), на которую мы сослались в предыдущей главе.
Кому потребуется быстро перевести джоули в килокалории или килокалории в джоули (вы, конечно, догадались о происхождении этого слова), может воспользоваться следующими постоянными соотношениями («эквивалентами»):
1 кал = 4,19 дж (механический эквивалент теплоты);
1 дж = 0,24 кал (тепловой эквивалент работы).
На практике мы совершаем превращения энергии обычно в тех или иных машинах. При помощи машин удается совсем, казалось бы, уснувшую энергию, например ту, что таится в разных топливах, заставлять совершать вполне реальную, полезную для людей работу: двигать поезда, поднимать тяжелые грузы, приводить в действие станки. Образно говоря, канистра с 15 килограммами бензина могла бы поднять полуторатонный грузовик с полным грузом и пробежать с ним 100 километров.
