Виктор Бродянский - Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

• Название: Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии
• Автор: Виктор Бродянский
• Издательство: ФИЗМАТЛИТ
• Жанр: Физика
• Год: 2001
• ISBN: 5-9221-0202-8

В популярной форме рассказывается об истории вечного двигателя от первых попыток его создания до современных «изобретений». Раскрывается значение для энергетики двух фундаментальных законов — первого и второго начал термодинамики. Показана бесполезность попыток обойти эти законы независимо от сложности предлагаемых для этого устройств.

Для широкого круга читателей, интересующихся историей техники и ее современными проблемами.

---

Дело в том, что законы науки (в частности, физики) не отменяются, а дополняются и развиваются, а это совсем другое. Поясним это положение несколькими примерами.

Возьмем тот же закон Бойля-Мариотта, о котором шла речь выше. Как показали эксперименты, он оказывается верным лишь приближенно. При больших давлениях и низких температурах зависимость между р и v приобретает более сложный характер, выражающийся более сложными уравнениями (уравнением Ван-дер-Ваальса и другими — так называемыми уравнениями состояния). Но в тех достаточно широких пределах, где свойства газа несущественно отклоняются от идеального, закон Бойля-Мариотта работает с достаточной точностью. Более того, он всегда в этой области будет правильным, какие бы невероятные открытия ни произошли.

То же самое происходит и с другими законами. Например, закон всемирного тяготения Ньютона был дополнен следствиями, вытекавшими из теории относительности, которые позволили объяснить новые факты, наблюдаемые астрономами.

При наличии мощных гравитационных полей или при скоростях, близких к скорости света, ньютоновская механика уже не работает. Но у нас на Земле (и даже при расчетах движения спутников Земли) ньютоновская механика остается в силе и будет всегда работать безупречно. «Отменить» ее никто не сможет.

Закон сохранения энергии был тоже расширен на основе теории относительности после открытия эквивалентности массы и энергии. (Его выражает известное уравнение е = mс2, где е — энергия, m — масса, а с — скорость света в пустоте.) Поэтому при расчете, например, ядерных процессов это уравнение надо учитывать. Но в других отраслях техники, где скорости далеки от с, все уравнения балансов массы и энергии можно спокойно рассчитывать, совершенно не принимая во внимание это уравнение. Так же дело обстоит и в других случаях: новые законы оказываются более полными, глубокими и включают прежние как частный случай, но не отменяют их. В этой связи стоит вспомнить об одной дневниковой записи Д.И. Менделеева (10.VI. 1905 г.): «…По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает…».

Н. Бор сформулировал общее положение (1923 г.), отражающее эту закономерность развития науки: принцип соответствия, который гласит, что всякий более общий закон включает в себя старый закон как частный случай; он (старый) получается из нового при переходе к другим значениям определяющих его величин.

Применительно к закону Бойля-Мариотта это не выходящие за определенные пределы значения давления р и температуры T; применительно к механике — это значения скоростей частиц или тел и т. д. Следовательно, как бы ни развивалась дальше наука, ее «старые» законы никуда не исчезнут; «в пределах своей компетенции» они будут справедливы всегда[42].

Но как же тогда быть с теориями «флогистона», «теплорода», «эфира» и т. д.? Они-то несомненно отменены и исчезли!

Здесь тоже нужно разобраться, чтобы не впасть в ошибку.

Теория флогистона была развита Г.Э. Сталем (1660— 1734 гг.). Ее основой была мысль о том, что в состав всех горючих веществ входит одна общая составная часть («флогистон»), которая исчезает в процессе горения. Теория естественно вытекала из наблюдений хорошо всем известного процесса горения. Действительно, когда горит кусок дерева или угля, видно, что из всех его пор выходят языки пламени и газы уходят вверх; остатки превращаются в золу. Что может быть естественнее предположения, что некая огненная часть ушла, а зола осталась? Значит, дерево или уголь (или металл) — это соединение флогистона и золы (или оксида металла). Считалось также, что человеческий организм живет потому, что выделяет через легкие флогистон!

Теперь нам все это кажется смешным и алогичным. Но нельзя забывать, что в свое время теория флогистона помогла «объяснить», свести в единую концепцию и скоординировать большое количество известных в то время фактов.

Однако она, как и многие другие теоретические обобщения того времени, была чисто качественной. Никому не приходило в голову взвесить металл и его оксид и убедиться, что металл весит меньше, а не больше оксида, как следовало из флогистонной теории. Очень немногие химики и физики делали количественные опыты, да и то часто смешивали вес с удельным весом (плотностью), совершенно серьезно считая фунт свинца тяжелее фунта пуха. Но как только в химию вошли вес и мера (в чем немалая заслуга «славного Роберта Бойля», как его назвал Ломоносов, (и самого Ломоносова)), теория флогистона стала разваливаться.

Таким образом эта и другие подобные теории не могли завершиться созданием каких-либо физических законов. Их исчезновение к отмене какого-либо закона не привело. Следовательно, история флогистона «не работает» как доказательство того, что «был закон, а потом оказался неверным».

Теперь о «теплороде». Его введение позволяло уже количественно установить законы калориметрии. Теория теплорода тоже исчезла. Но все связанные с ней законы калориметрии исправно действуют до сих пор (и будут незыблемы и впредь) несмотря на то, что теории теплорода давно нет.

Аналогичная ситуация и с гипотетической всепроникающей средой — «эфиром». Все количественные законы, отражающие объективные, существующие в природе связи, только дополнялись. Следовательно, и здесь нет поводов для утверждения, что законы науки, в частности физики, могут отменяться.

Все сказанное выше показывает, что доводы типа «раньше считалось, что элементы нельзя превратить один в другой, а теперь оказывается, что можно», «раньше не предполагали, что может существовать атомная энергия, а теперь она используется» и т. д., из которых по аналогии выводится тезис: «Сейчас считают, что вечного двигателя не может быть, а потом окажется, что он возможен», не годятся. Законов науки, запрещавших эти явления (в отличие от ppm), никогда не было; их появление никаких законов не нарушило.

Наконец, о той, защищаемой некоторыми изобретателями, точке зрения, что законы науки сдерживают творческую мысль изобретателей, «не дают ей развернуться».

Ничего не может быть ошибочнее. На самом деле все обстоит как раз наоборот; категорические запреты, налагаемые законами науки, способствуют работе творческой мысли исследователей и изобретателей. И дело не только в том, что эти законы предостерегают их от напрасной траты сил и времени на поиски в тупиковых направлениях. Законы не только запрещают ошибочные ходы мысли, но одновременно наводят на правильные решения. Например, «закон сохранения», взятый применительно к механике, даже в еще несовершенной, первоначальной форме, до установления строгого понятия об энергии, навел математиков и инженеров, от Архимеда до Галилея и Стевина, на открытия как законов равновесия, так и падения тел. Он же в других его проявлениях определил направление работ С. Карно и Р. Майера: первого на анализ действия тепловых двигателей, а второго — на изучение энергетических превращений в живых организмах.

Более того, как мы увидим дальше, понятие «теплород» в его рациональной части тоже осталось в современной науке под названием «энтропия».

Так всякое обоснованное отрицание чего-либо или запрет приводят в конечном счете к открытиям и созиданию нового — ив науке и в ее практических приложениях. «Свобода в рамках закона» оставляет, несмотря на ограничения, необъятный простор для настоящего творчества; об этом свидетельствует вся история науки и техники.

Чтобы закончить рассуждение о законах, необходимо сказать несколько слов об одной важной их разновидности — статистических законах. Именно к ним относится второй закон термодинамики, запрещающий ppm-2. Однако лучше это сделать не здесь, а в следующей главе, специально посвященной второму закону. К ней мы и перейдем.

Глава третья. ИДЕЯ ppm-2 и ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

У кого не уяснены принципы во всей логической полноте и последовательности, у того не только в голове сумбур, но и в делах чепуха.

Н. Г. Чернышевский

3.1. Основная идея ppm-2. Уточнение понятий

 Утверждение закона сохранения энергии — первого закона термодинамики — сделало попытки создать ppm-1 абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей создателей ppm изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики: сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель».

Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие названия, эти двигатели остаются типичными ppm и сохраняют их основной признак — абсолютную невозможность осуществления.