Не скроем, что замысел этой книги возник у нас во время путешествия из Софии в Пловдив. Перенесемся в «Волгу», несущуюся по новенькому шоссе. Куда и с какой скоростью она движется? Предположим, что скорость «Волги» равна 120 км/ч, или 3333 см/с. Это скорость автомобиля, рассматриваемого как единое целое. Но мы уже твердо решили ничего не рассматривать как единое целое, потому что при этом, как правило, теряешь самое главное. «Волга» для нас — это облако, состоящее из молекул, которые к тому же непрерывно обновляются. Какая-то часть из них отлетает назад вместе с выхлопными газами, какая-то часть добавляется, например, вместе с частицами пыли, налипающими на ветровое стекло. Но это обновление нас пока не интересует. Интересует нас вопрос: какова средняя скорость одной молекулы?
Температура «Волги» равна, скажем, 23°С, или 300 К. Этому соответствует средняя энергия, приходящаяся на одну молекулу, 4,14-Ю-14эрг (температуру мы умножили на постоянную Больцмана). Средняя масса молекулы равна 3,3-Ю-23 г (масса 20 протонов). Подсчитываем на карманном калькуляторе и получаем среднюю скорость молекулы 50 ООО см/с. Что же отсюда следует? Среди молекул, составляющих «Волгу», несущуюся в Пловдив ср скоростью 120 км/ч встречаются такие, которые движутся по направлению из Пловдива в Софию со скоростью, в 10 раз большей. Подобных молекул не так уж мало. Если считать все направления движения молекул равновероятными, то в направлении, противоположном направлению движения «Волги», каждый раз движется около половины молекул, правда, с различными скоростями.
То, что мы называем скоростью движения «Волги», и то, что мы воспринимаем как таковую, получается следующим образом. Нужно сложить между собой количества движения всех молекул и полученную сумму разделить на массу «Волги», т. е. опять-таки на сумму масс всех молекул. Еще раз подтвердилась важность понятия количества движения. Но хватит разъезжать в чужих автомобилях, пора изобрести свой, ни на что не похожий.
Антиавтомобиль
Энергия не исчезает и не возникает из ничего, поэтому источником энергии может быть только система, способная энергию накапливать. Не желаете ли принять участие в одном необычном деле? Давайте изобретем автомобиль наоборот или, если хотите, антиавтомобиль. Но прежде надо решить одну проблему. В вашем распоряжении имеется 1 кг водяного пара с температурой чуть больше 100°С и 1 кг льда с температурой — 100°С. Что вы предпочтете для приведения в движение даже не автомобиля, а хотя бы игрушечной тележки?
— Конечно, пар,— наверное, ответите вы.— Что же тут сомневаться? Пар вращает огромные турбины, да и, вообще, горячий пар содержит больший запас энергии, чем холодный лед.
Вы, несомненно, правы, но, чтобы привести в движение игрушечный или настоящий автомобиль, лед может послужить ничуть не хуже водяного пара. Водяной пар совершает работу потому, что его температура выше температуры окружающего воздуха. С тем же успехом можно использовать какую-нибудь жидкость с температурой кипения, скажем, —80° С.
Проведите сначала такой опыт. Обложите закупоренную бутылку с низкокипящей жидкостью кусками льда, температура которого—100° С. Как вы думаете, что-нибудь случится? Ничего особенного, жидкость останется жидкостью.
Тогда откройте пробку. Пусть теперь жидкость соприкоснется с окружающей средой, имеющей температуру, предположим, 0°С (ни зима, ни лето). Теперь кое-что случится: жидкость закипит, ведь температура ее кипения на 80° ниже температуры окружающей среды. В результате кипения образуется пар, который сразу же нагревается до 0°С. Он совершает работу ничуть не хуже водяного пара, хотя его температура нуль градусов, а не сто. Отработавший и поэтому охладившийся пар на» правьте в холодильник. Отдав льду остатки тепла, полученного от окружающей среды, пар превратится в жидкость, и все начнется сначала.
Проект антиавтомобиля готов. Заливаете в герметически закрывающуюся систему низкокипящую жидкость (физики говорят, рабочее тело). Обкладываете топливный бак льдом. Можно ехать. От соприкосновения с отработавшим паром лед постепенно нагревается и тает. Не беда. Проехав определенное количество километров, подъезжаете к заправочной станции, где вместо бензоколонок установлены электрические холодильники. Переливаете воду (растаявший лед) из бака в холодильник. Через несколько минут вынимаете из холодильника брикеты льда, загружаете их в бак и едете дальше. Что важно? Жидкость с низкой температурой кипения не расходуется, и ее запаса возобновлять не надо.
