Г лава I Что такое энергия ? Ее сохранение и рассеяние

Труд человека и тех животных, к действиям которых приложило понятие о труде, есть один из многочислен­ных видов проявления общей мировой энергии. Как ни разнообразны и сбивчивы в настоящее время понятия о труде, мы надеемся, что в таком общем виде наше определение не встретит возражений. Целью нашей будет попытка, выходя из этого общего положения, выяснить значение условий, сопровождающих проис­хождение труда, представить главнейшие проявления его в жизни организмов и указать на последствия по­требления труда, то есть на последствия воздействия трудящихся людей и животных на окружающую приро­ду. Настоящая статья есть не более как введение к такой работе, и потому вопросы эти затрагиваются в ней только самым общим образом.

Для более удобного понимания нам необходимо на­чать с краткого очерка учения об энергии, о родах ее, их взаимных превращениях и о мировом рассеянии энер­гии. Под словом «энергия» какой-либо системы тел нынешняя наука понимает сумму способностей тел этой системы к каким бы то ни было действиям. «Полная энергия системы тел есть величина неизменная д^ля всех состояний, в которые эта система может быть последовательно приведена взаимными действия­ ми различных ее точек». «Полная энергия какой - либо конечной системы есть величина конечная» ¹.

36

Так как все действия тел обусловливаются которою-либо из физических сил, то, следовательно, энергия и представляет собой сумму всех физических сил, зак­лючающихся в данной системе тел. Обыкновенно при­нимают существование семи различных физических сил: теплоты, света, электричества, магнетизма, хими­ческого сродства, частичных сил и всемирного тяготе­ния². Сумма этих семи сил, заключающихся в какой-либо уединенной системе тел, то есть такой системе, которая не подвергается никаким внешним влияниям, равна энергии этой системы и представляет собой ве­личину абсолютно неизменную. Примером такой уеди­ненной системы может служить вселенная, количество энергии которой есть величина вечно неизменная. За­кон сохранения энергии, в сущности, есть не более как недавнее обобщение давно известного закона меха­ники, начало которому положено еще Гюйгенсом в его предположении, что общий центр тяжести группы тел, колеблющихся под влиянием тяготения около горизон­тальной оси, может подняться до своей первона­чальной высоты, но не выше ее ³. Это положение, принятое в начале за аксиому, стало впоследствии за­родышем той общей идеи, из которой Лейбниц раз­вил: принцип сохранения живой силы. Еще более об­щий вид этому закону был придан Лагранжем, выра­зившим его в той форме, что сумма, виртуальных (воз­можных) действий системы, находящейся в равнове­сии, равняется нулю⁴.

Закон этот, выведенный первоначально для меха­ники, то есть для непосредственно ощущаемого че­ловеком движения, был применен впоследствии ко

¹ См. Verdet. Theorie mecanique de la chaleur. T. I, p. 4-16.

² Секки. Единство сил.

³ Duhring. Kritische Geschichte der allgemeinen Principien der
Mechanik. 1873, стр. 120.

"Duhring, I.e., стр.318.

37

всем родам энергии, как только с открытием механи­ческой теории тепла была доказана превратимость всех физических сил, всех форм энергии, одних в дру­гие. Такое широкое обобщение было значительно об­легчено тем обстоятельством, что в настоящее вре­мя все физические силы уже сведены или сводятся на различные формы движения, к которым вполне приложимы законы, выработанные механикой. Тепло­та, свет, электричество, магнетизм, химическое срод­ство и частичные силы представляются нам теперь уже не иначе, как под видом колебательных или иных движений, мельчайших частиц веществ. Одно тяготе­ние стоит пока в стороне, так как многие принимают его еще за коренное свойство материи, способное обнаруживать свое действие на расстоянии, непосред­ственно, вопреки ныне известным законам механи­ки. Но и для тяготения теперь уже существуют теории, объясняющие более или менее удовлетворительно все явления его предположением движения мельчайших частиц и непосредственными толчками их о тяготею­щие тела; такова, между прочим, известная теория Лесажа ⁵. Рано или поздно, одна из подобных теорий, вероятно, будет принята, и тогда, по справедливому замечанию Тэта ⁶, мы должны будем признать все роды энергии в конце концов кинетическими, т. е. представляющими собой движение. В различных ро­дах энергии эти движения отличаются между собой, вероятно, только скоростями и кривыми путей, прохо­димыми движущимися частицами вещества. Тем не менее с практической точки зрения теперь еще вы­годно поддерживать различие,, существующее меж­ду общепринятыми понятиями энергии кинетичес­ кой и потенциальной. Различие это, совершенно не

⁵ Le Sage. Lucrece Newtonien Memoires de Berlin, 1782. Prevost,
Deus traites de Physique mecanique. Geneve, 1818.

⁶ Тэт. О новейших успехах физических знании. 1877, стр. 328.

38

существенное, если действительно все проявления энергии основаны на движении мельчайших частиц ве­щества, — очень важно для нас, потому что в тех слу­чаях, где мы имеем кинетическую энергию, движе­ние непосредственно доступно нашему ощущению, например, в текущей воде, падающей лавине, рабо­тающей паровой машине, снаряде, выброшенном из орудия, в движении Луны вокруг Земли и т. д. Напро­тив, в потенциальной энергии движение вещества, хотя также существует, но еще не приняло формы, доступной нашему ощущению, хотя и может принять ее при известных обстоятельствах. Лавина, нависшая над обрывом, паровая машина, нагретая, но еще не работающая, заряженная пушка, пища человека, еще не превращенная в мышечное сокращение при рабо­те, — вот примеры потенциальной энергии.

Мы уже сказали, что сумма энергии всей вселенной есть величина абсолютно неизменная, но нельзя ска­зать то же о различных частях вселенной. Мы не будем входить уже теперь в рассмотрение атомистических теорий, но из самого того факта, что некоторые небес­ные тела передают различные виды энергии в большом количестве через мировое пространство другим небес­ным телам, мы вправе заключить, что эти небесные тела, солнца, содержат в себе сравнительно больше энергии, чем мировое пространство и те небесные тела, планеты и спутники, которые получают энергию под видом тепловых, световых, химических лучей, магне­тизма и т. п. от ближайших к ним солнц. Несомненно, что такая постоянная передача энергии из мест, обла­дающих большим ее запасом, в другие места, где ее менее, должна через очень долгий период времени по­вести к повсеместному уравнению энергии.

Но этого мало. Не следует забывать, что все коле­бания, которыми совершается уравновешение энергии между различными небесными телами и мировым про-

39

стракством, неоднократно сопровождаются превраще­ниями энергии одного рода в энергию другого. Свет нередко превращается в химическое действие, кото­рое в свою очередь часто дает свет и тепло. Но не все роды энергии одинаково легко превращаются в дру­гие, и всякий раз, когда происходит такое превраще­ние, в энергии появляется наклонность переходить, по крайней мере, частью, от легко видоизменяемой фор­мы, например, движения, к форме, которая видоизме­няется с большим трудом, например, теплоте.

Таким образом, энергия вселенной постоянно пе­реходит от легко превратимых форм к более устойчи­вым, и, вследствие этого, возможность превращений в ней постоянно уменьшается. После долгого проме­жутка веков вся энергия примет форму, уже неспособ­ную к превращениям, которая будет состоять в тепло­те, равномерно распространенной по всей вселенной. В таком случае всякая жизнь и всякое ощутимое нами движение, по-видимому, должны прекратиться, так как известно, что для превращения теплоты в какую бы то ни было другую форму энергии совершенно необходи­мо иметь тела различной температуры⁷. Это стремле­ние мировой энергии к повсеместному уравновешению называется рассеянием энергии, или, по Клаузиусу, энтропией ⁸. Под этим именем Клаузиус понимает ве­личину уже превращенной энергии, то есть поставлен­ной в такие условия, что она уже не совершает обрат­ных превращений. Такова, например, теплота, рассе­янная в мировом пространстве. Отсюда становятся понятными основные положения Клаузиуса: 1) энергия вселенной постоянна; 2) энтропия вселенной стремит­ся достигнуть максимума⁹.

⁷ W. Thomson. О всеобщем стремлении в природе к рассеянию энергии. Цитир. у Тэта, 1. е., стр. 19.

• Clauslus. Theorie mecanique de la chaleur. 1868. T. I, стр. 411. ^eClousius, 1.c.,T. 1, стр. 420.

40

Теория рассеяния энергии, выраженная Томсоном и Клаузиусом, вызвала возражения со стороны Ран - кина ¹⁰, который предположил, что вселенная может со всех сторон быть окружена абсолютно пустым про­странством, от вогнутой поверхности которого равно­мерно распространенная теплота вселенной будет сполна отражаться и затем собираться в фокусах с высшей температурой, способной произвести в успо­коившейся вселенной ряд обратных превращений. На это Клаузиус возразил, доказывая, что отраженное тепло, даже собранное в фокус, никогда не может пре­взойти температуры своего источника¹¹. Таким обра­зом, пока не явится новых возражений, закон рассе­яния энергии можно считать настолько же доказан­ным, как и закон ее сохранения.

Понятно, что если такова судьба всей энергии, об­ладающей высокой температурой, то легко представить себе, что совершится и с ощутимым нами движением во вселенной. Все пространство мира наполнено ве­ществом, хотя очень редким, но достаточным для того, чтобы в конце концов уравнять всякое различие в дви­жении, так же точно, как оно стремится уравнять и вся­кое различие в температуре. Таким образом, мир дол­жен превратиться в массу, равномерно нагретую и со­вершенно неспособную производить какую-либо ощу­тимую работу, так как последнее возможно только при существовании различий в температурах.

Таким образом, только в чисто механическом смысле энергия вполне сохраняется. Но эта уравно­вешенная энергия уже неспособна давать начало раз­нообразным явлениям, в том числе неспособна под­держивать жизни организмов. Они существуют не са­мой энергией, а ее превращениями, а в энергии, пре-

¹⁰ Rankine. Philosoph. Magaz. Serie 4. Т. IV.

¹¹ Clausius, 1. с, т. I, стр. 346.

41

вращенной в равномерную теплоту, нет ни малейше­го повода к началу каких бы то ни было процессов, в том числе и жизненных. Превращенная энергия пред­ставляется как бы негодным остатком мировой дея­тельности, накопляющимся из года в год все более и более. В настоящее время накопление этого остатка еще не очень заметно, но никто не может поручиться, что со временем оно не станет очень значительным и для нашего ощущения¹².

Для того, чтобы нагляднее показать, что при пол­ном уравновешении температуры и прочих физичес­ких сил, т. е. насыщении химического сродства и пр., не может проявляться никакого движения, — приве­дем следующее рассуждение Пуассона, ясно пока­зывающее, что никакая система тел, находящихся в равновесии, не может выйти из него, если всякие вне­шние влияния на эту систему совершенно устранены: «Животное, как бы оно ни старалось, никогда не мо­жет переместить свой центр тяжести при помощи од­ной своей воли, без всякой внешней точки опоры. Че­ловек и животное могут в вертикальном направлении опускать или поднимать свой центр тяжести, опира­ясь на землю. Они могут также двигаться в горизон­тальном направлении при помощи трения о ее повер­хность, но всякое передвижение станет для них невозможным, если их поместить на плоскости чрезвычайно гладкой, где сопротивление трения стало бы совершенно неощутимым ¹³.

Установив эти общие положения, мы уже можем об­ратиться к распределению энергии на нашей планете. Уже при самом своем происхождении Земля, если при­менять Канто-Лапласовскую теорию образования не­бесных тел, получила сравнительно небольшой запас

Balfotir-Stuart. Conservation de V'energie. 1875, стр. 157. Poisson. Traite de mecanique. T. II, стр. 451.

42

превратимой энергии. Близость Земли к Солнцу, не­большой объем ее и значительная плотность, именно 5,5, т. е. далеко превышающая плотность всех верхних планет и самого Солнца, ясно указывают на сравни­тельно позднее отделение Земли от Солнечной туман­ности. Тем не менее до настоящего времени Земля охладилась уже гораздо более верхних планет. Боль­шая плотность Земли способствовала этому двояким способом. Во-первых, она указывает на то, что Земля в значительной мере состоит из металлов, которые, как известно, обладают малой теплоемкостью. Во-вторых, она заставляет предполагать, что Земля произошла из самых плотных, т. е. наиболее охлажденных частей Сол­нца. При этом мы имеем право предположить, что ве­щество, из которого произошли верхние планеты, на­ходилось в большей мере в состоянии диссоциации, чем то, из которого произошла Земля. Поэтому Земля и охладилась гораздо быстрее. Из опытов Сэн - Клэр - Девилля мы знаем, например, что для того, чтобы до­вести один грамм воды до температуры 2500°, нужно всего 1680 единиц тепла, между тем как при образо­вании одного грамма водяного пара из водорода и кис­лорода развивается 3833 единицы тепла¹⁴. Отсюда по­нятно, что один грамм диссоциированной воды заклю­чает в себе 3833—1680 = 2153 единицы тепла более, чем один грамм водяного пара при 2500°. Если, как мы имеем из вышесказанного достаточное основание предполагать, верхние планеты во время своего отде­ления от Солнца получили более диссоциированного вещества, чем Земля, то легко становится понятным, почему они менее охладились, хотя отделились ранее от Солнца и получали с тех пор от него менее лучисто­го тепла, чем Земля. Наконец и небольшой объем Зем-

¹⁴ Henri Sainte-Claire-Deville. Compt. Rend. d. f'Acad. d. Scienc. T. LVI, стр. 200.

43

ли сам по себе очень важная причина ее быстрого ох­лаждения, так как понятно, что тело, имеющее сравни­тельно со своей массой большую поверхность, охлаж­дается скорее.

Тем не менее, вероятно, внутренность Земли и те­перь еще состоит из расплавленного вещества. По расчету В. Томсона¹⁵, повышение температуры, рав­ное на всей земной поверхности, средним числом, од­ному градусу на 100 футов углубления, дает возмож­ность предполагать, что около десяти миллионов лет тому назад земная поверхность уже успела отвердеть или начала отвердевать, а по истечении сравнитель­но немногих тысяч лет после этого отвердевания кора охладилась уже настолько, что могла, по крайней мере, местами, служить обиталищем для живых су­ществ в той форме, как мы знаем их теперь. Степень повышения температуры при опускании внутрь Земли равнялась тогда приблизительно 1 ° на каждые 6 или 10 дюймов, — «обстоятельство, которое не могло иметь вредного влияния на жизнь растений.

К тому же приблизительно времени нужно отнести начало преобладания на земной поверхности лучистой энергии Солнца над собственной энергией Земли. Пос­ледняя, по крайней мере, на поверхности Земли, кото­рая нас более всего интересует, находилась уже на зна­чительной степени энтропии, т. е. была довольно рав­номерно распределена или, что то же, рассеяна. Дей­ствительно, если мы представим себе, что Солнце по­тухло в то время, когда Земля покрылась корой твер­дого вещества, и посмотрим, какие из ныне действую­щих на Земле родов энергии продолжали бы свое дей­ствие, то увидим, что их осталось бы весьма немного. Единственным источником энергии оставалась бы рас­плавленная внутренность Земли, но и эта энергия рас-

Тэт, 1.с.,стр. 153.

44

сеялась бы гораздо скорее, чем теперь. Тем не менее некоторые роды энергии могли бы еще на время про­должать свое действие, например магнетизм, если вместе с Цельнером предположить, что земной маг­нетизм зависит от течений расплавленного металла внутри Земли¹⁶. Кроме того, впредь до охлаждения внутренности Земли могли бы продолжаться землетря­сения, вулканические извержения и могли бы еще су­ществовать горячие источники и небольшие атмосфер­ные течения по соседству с вулканами и горячими ис­точниками. Но этим бы, вероятно, ограничились, и то на время не очень длинное, все проявления неравно­мерного распределения энергии на земной поверхно­сти. Ныне действующие физические силы и явления, от них происходящие, не имели бы уже места. Даже приливы моря под влиянием Луны и потухшего Солн­ца, по всей вероятности, прекратились бы потому, что моря превратились бы в лед на всей своей глубине. Все метеорологические явления были бы устранены отсут­ствием водяного пара в атмосфере, почти совершен­но покойной. На поверхности Земли химические срод­ства всех веществ находятся, за небольшими исклю­чениями, в состоянии насыщения, то есть их энергия уже рассеяна. Слабая внутренняя теплота Земли, ли­шенной световых и химических лучей, не была бы в силах вызвать тех обратных процессов, восстановле­ний, которые составляют сущность растительной жиз­ни. Почва осталась бы голой и в химическом смысле бездеятельной. Оставалось бы, может быть (мы скоро увидим, что, вероятно, тогда значительная часть кис­лорода воздуха находилась в соединении с углеродом), в атмосфере ненасыщенное сродство кислорода, но при низкой температуре, которая бы господствовала, оно не могло бы ни подействовать на азот, как и теперь

Zollner. Ueber den Ursprung des Erdmagnetismus.

45

почти не действует, ни тем более на другие, уже окис­ленные или вообще насыщенные тела. Наконец весь­ма вероятно, что при отсутствии нагревания Солнца энергия газов нашей атмосферы рассеялась бы на­столько в пространстве, что они могли бы стать твер­дыми телами. Одним словом, если бы Солнце прекра­тило свое щедрое лучеиспускание, то на Земле гос­подствовали бы темнота, холод, отсутствие всякой жиз­ни и почти полное отсутствие всякого движения.

Но Солнце продолжает снабжать нас громадным количеством непревращенной энергии, и запас его еще очень велик. Мы думаем в дальнейшем ходе на­шей работы подробнее заняться теориями строения Солнца, а здесь приведем только некоторые выводы. Один квадратный метр солнечной поверхности испус­кает, по Секки ¹⁷, 5 440 640 килограммометров, или 70 642 лошадиных сил, работы. Нескольких метров солнечной поверхности достаточно, чтобы привести в движение все машины земного шара. 470 квинтилли­онов лошадиных сил представляют собой общую ра­боту Солнца. По вычислениям В. Томсона, на осно­вании данных Кулье и Гертеля, лучистая теплота Солнца соответствует приблизительно 7 000 лошади­ных сил на каждый квадратный фут поверхности. Так что вся солнечная поверхность теряет ежегодно око­ло 6x10³⁰ тепловых единиц¹⁸. Одной химической энер­гии, доходящей от Солнца до Луны, было бы доста­точно, чтобы произвести в одну минуту соединение 4,5 миллиона кубических километров смеси хлора с во­дородом. Химическая энергия, распространяющаяся от Солнца во все части вселенной, должна быть в 2 200 миллионов раз больше, потому что Земля, если смотреть на нее с Солнца, представляется всего под

Secchi. Le Soleil. Paris. 1875. Т. II, стр. 258. Тэт, 1.с.,стр. 144.

46

углом в 17,5 секунд¹⁹. Приняв наиболее распростра­ненную теперь теорию, объясняющую источник сол­нечного тепла его собственным сгущением, мы нахо­дим, что нужно 18 267 лет для уменьшения видимого диаметра Солнца на одну секунду и 3830 лет для ох­лаждения его температуры на один градус, если, как того следует ожидать, большинство вещества находит­ся на Солнце еще в химически индифферентном со­стоянии, то есть диссоциировано²⁰.

Мы привели эти цифры единственно с той целью, чтобы показать что уменьшение превратимой энергии на земной поверхности идет настолько медленно, и что запас для будущего получения ее еще настолько ве­лик, что уменьшение ее не может в сколько-нибудь близком будущем оказать неотвратимо гибельное вли­яние на жизнь человека. Но отсюда еще не следует, чтобы мы могли считать распределение превратимой энергии на земной поверхности и теперь уже наивы­годнейшим и вполне удовлетворительным для челове­ческой жизни. Напротив, мы думаем, что возможность более выгодного распределения этой энергии находит­ся, до известной степени, в руках самого человека.

¹⁹ Secchi, Le Soleil. Т. II, стр. 324.

²⁰ Secchi, 1. с. Т. II, стр. 273-277.

47