Краткая история науки

Сейчас мы знаем намного больше о микробах, чем во времена Пастера и Коха, и мы понимаем – об этом расскажет глава 36, – насколько изворотливы и как хорошо адаптируются все эти вирусы, бактерии и паразиты. Они постепенно привыкают к нацеленным на них лекарствам и становятся резистентными – урок Дарвиновской теории. Они выживают, поскольку приспосабливаются – этому английский биолог учил в первую очередь.

Глава 28 Машины и энергия

«Я продаю здесь, сэр, то, что весь мир желает иметь – энергию».

Инженер Мэттью Болтон (1728–1809), которому принадлежит это изречение, знал, о чем говорил. В 1770-х годах Болтон и другие амбициозные люди, среди которых был изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819), использовали паровые машины в горном деле и промышленности.

Все выглядело так, что они приручили силу, или энергию.

Именно эти люди двинули вперед промышленную революцию в Британии, первой стране, где прошла индустриализация и возникла система фабрик. Это была революция, базирующаяся на научных открытиях, и она нуждалась в огромном количестве энергии, чтобы во все больших объемах производить товары и развозить их все дальше с увеличивающейся скоростью.

Наш современный мир нельзя представить без колоссального потока энергии.

И все началось с пара.

Сами по себе паровые машины очень просты, лежащий в их основе принцип вы можете увидеть всякий раз, когда кипятите воду в кастрюле с закрытой крышкой: сила пара толкает ее снизу, чтобы пар мог выйти, и крышка начинает дребезжать. Теперь представьте, что вместо кастрюли у вас закрытый цилиндр с единственной маленькой дырочкой на одном из концов. Внутрь него помещен подвижный поршень (например, диск, плотно прилегающий к стенкам цилиндра, да еще с выпуклостью, которая так же плотно входит в отверстие). Давление убегающего пара будет толкать не только поршень, но и то, что будет к нему прикреплено снаружи цилиндра: скорее всего, стержень, соединенный с ободом колеса. Таким образом паровой двигатель переводит энергию пара в движение, механическую энергию. Эта машина может выполнять полезную работу, например, катить некий механизм или выкачивать большое количество воды из шахты.

Ни Болтон, ни Уатт не изобретали паровую машину, к тому времени она использовалась около ста лет. Но ранние модели были грубыми, ненадежными и неэффективными. Уатт оказался человеком, который усовершенствовал это устройство, его образец не только обеспечил энергию для индустриализации Британии, но помог ученым открыть один из основных законов природы.

Паровой двигатель позволил увидеть, что тепло вовсе не субстанция, как думал Лавуазье, а форма энергии.

Среди мыслителей, занимавшихся двигателями во время индустриальной революции, особенно выделяется молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832). Британия и Франция были тогда соперниками, и Карно осознавал, что англичане ушли вперед в разработке паровых машин и использовании получаемой от них энергии. Он хотел, чтобы его родина не отставала, и, посвятив себя исследованию работы паровых машин, он открыл фундаментальный научный принцип.

Этот принцип относился к такому предмету, как эффективность двигателя.

Если паровая машина абсолютно эффективна, то она превратит в механическую энергию все тепло, необходимое для нагревания воды. Вы можете измерить, сколько тепла выделилось при сжигании угля или дерева для создания пара, а затем определить, какой объем работы проделал поршень.

Увы, абсолютно эффективную машину создать невозможно.

Все двигатели имеют так называемый тепловой резервуар или отстойник, где конденсируется пар после того, как выполнит работу. Вы можете измерить температуру пара на входе и температуру пара (или воды) в конце каждого рабочего цикла, и в резервуаре она всегда ниже, чем у того пара, который только вступает в процесс.

Карно показал, что вы можете использовать разницу температур для расчета эффективности машины. Если абсолютную эффективность обозначить цифрой 1, то реальная эффективность будет определяться как 1 минус температура в отстойнике, поделенная на температуру в источнике (на входе).

Единственный путь добиться единицы – заставить машину извлечь все тепло из пара. Тогда пропорция между входной и выходной температурой будет равняться нулю. Это даст нам 1–0 = 1. Чтобы это произошло, один из наших замеров температуры должен показать либо ноль, либо бесконечность: бесконечно горячий пар на входе или «абсолютный нуль» (максимально низкую температуру, возможную в теории, мы увидим ниже) выходящей в отстойник.

Ни то, ни другое не является возможным, так что эффективность всегда ниже абсолютной.

Простое уравнение Карно, предназначенное для определения эффективности двигателей, воплотило в себе и глубокий закон природы. Оно объясняет, почему «вечный двигатель», о котором иногда пишут в фантастике, не может существовать в реальном мире. Мы всегда должны использовать энергию, чтобы получать энергию, например, сжигать уголь или другое топливо, чтобы для начала нагреть воду.