Откуда берется и куда девается энергия?

 

Деньги не появляются на вашем банковском счете и не исчезают из кошелька необъяснимым образом. Мы зарабатываем и тратим в процессе постоянного обмена с другими. С энергией происходит то же самое. Если вы нуждаетесь в ней, вы должны где-то ее «заработать» (потребив некоторое количество пищи или залив в бак своего автомобиля бензин). Если вы хотите что-то сделать, вы «тратите» свою энергию и сокращаете имеющиеся запасы. С финансовой системой можно манипулировать, печатая или даже подделывая деньги и заставляя их появляться буквально из ниоткуда, а с энергией такие трюки не проходят, сколько бы вы ни старались. Во Вселенной есть строго определенное количество энергии, и мы можем только «торговать» ею с нулевым результатом: если где-то мы получаем какое-то количество энергии, где-то ее ресурсы на такую же величину уменьшаются. Это фундаментальный закон физики, который называется законом сохранения энергии (не путайте с тем, что в быту мы понимаем под экономией энергии).

Эксперименты Джеймса Джоуля помогли представить этот закон в его самой известной и действующей до сих пор форме: мы не можем ни создавать, ни уничтожать энергию; мы способны только переводить ее из одного вида в другой. В подтверждение своей теории Джоуль предложил остроумный и живописный пример с водопадом, показав, что температура воды в месте ее падения будет чуть выше, чем в месте срыва вниз. Причина в том, что часть энергии падающей воды превращается в тепло. Произведя несколько быстрых вычислений, Джоуль подсчитал, что температура воды в нижней точке Ниагарского водопада должна быть на 0,2 градуса выше, чем в верхней[29]. К сожалению, практический эксперимент Джоуля по доказыванию этой гипотезы не удался (во время медового месяца он пробовал провести его на водопадах в Шамони во Франции с использованием высокочувствительных термометров). Вода при падении на ложе водопада разбивалась на слишком мелкие капли, и ученый не смог измерить ее температуру достаточно точно[30].

Что происходит, когда вы кипятите литр воды? Вы сообщаете сосуду, в котором находится вода, энергию в количестве 378 кДж. Это может быть соответствующий объем электроэнергии, который поступит по электропроводу к тепловыделяющему элементу электрочайника и превратится в тепло. Или соответствующий объем газа, который сгорит в конфорке и сообщит такую же энергию воде. Теоретически, если удастся исключить все тепловые потери у сосуда с водой, это могут быть 378 кДж энергии, произведенной сверхбыстрыми движениями вашего запястья с ложкой. В этом случае источником энергии станет ваше тело – возможно, пополнившее свои ресурсы за счет шоколадного печенья, которое вы до этого съели. Предположим, вам все же удалось разогреть ложкой литр воды. К моменту, когда она закипит, ваше тело должно потерять 378 кДж энергии, а вода получит столько же в виде тепла. Если вы потом выпьете эту горячую воду, то вернете себе часть затраченной энергии. Вода согреет ваше тело и восполнит количество энергии, которое вам нужно для поддержания нормальной температуры.

 

Почему нам больно?

 

Когда мы начинаем понимать, что такое количество энергии, то более ясно осознаём и многие другие явления нашей жизни, которые вроде бы прямого отношения к ней не имеют. Например, почему страдают машины во время аварий; почему ожог паром болезненнее, чем ожог кипятком, и почему так опасно падать с лестницы. Во всех случаях ответ один: потому что энергия должна во что-то трансформироваться. Здесь тоже действует закон ее сохранения.

 

Автоавария

 

Если вы едете по скоростному шоссе со скоростью 150 км/ч (40 м/с) в полуторатонной спортивной машине, в процессе движения она приобретает энергию. Мы называем эту энергию кинетической и можем рассчитать ее по простой формуле: это половина массы движущегося тела, умноженная на скорость в квадрате[31]. Подставив нужные числа, вы легко найдете, что машина обладает энергией немного более 1 мДж. Как только она сталкивается с препятствием, ее скорость падает до нуля и она утрачивает кинетическую энергию. Так что разбить автомашину в ДТП значит высвободить энергию в 1 мДж в мгновение ока. А появляющаяся в результате мощность будет равна энергии, деленной на количество секунд, в течение которых происходит авария. Так что если ваша машина сжимается в гармошку, скажем, в течение половины секунды, то возникает мощность: 1 мДж / 0,5 с = 2 мВт. Это (как видно из табл. 3) примерно равно мощности паровоза. Именно поэтому автоаварии часто приводят к летальному исходу и поэтому машина в процессе серьезного ДТП так деформируется. Чем дольше длится сам процесс аварии, тем меньше время воздействия сил (на сам автомобиль и сидящих в нем людей), и тем больше у ее участников шансов выжить.

Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым[32].

 

Ожог чайником

 

Тот же принцип применим и к ситуации, когда вы обжигаетесь чайником: энергия кипящей воды должна куда-то уйти, и она уходит в ваши пальцы, поражая живую плоть. Пар при температуре 100 °C содержит гораздо больше энергии, чем кипящая вода той же температуры. Ведь для отделения молекул воды друг от друга в паре необходимо вложить в него б о льшую энергию. Если ваша рука попадает в струю пара, она испытывает двойное поражающее действие высокой температуры. Сначала она абсорбирует ее и превращает пар в кипящую воду, а затем охлаждает воду до температуры вашего тела.

 

Падение с лестницы

 

Чтобы забраться на строительную лестницу, нужна энергия. Если вы упадете с нее, то эта энергия (которая называется потенциальной, поскольку существует в накопленном виде и ее можно использовать в будущем) должна будет высвободиться и куда-то перейти. Она и перейдет – в ваше тело. Если вы забираетесь по лестнице на крышу дома (высота около 10 м) и весите 75 кг, то потенциальная энергия составит 7500 Дж[33]. Ст о ит вам сорваться с лестницы и при падении удариться головой о бетон при длительности импульса удара около 0,1 секунды, на ваше тело обрушится мощность в 75 000 Вт (75 кВт). Сила, которая будет при этом воздействовать на вашу голову, обратно пропорциональна времени воздействия: чем быстрее уйдет энергия, тем больший ущерб она нанесет. Если вы подставите числа в соответствующее уравнение, то получится, что при ударе на вашу голову будет действовать такая же сила, как если бы на ней сомкнулись челюсти крокодила[34]. Этого достаточно, чтобы сломать кости и даже убить человека. Почему же вам может быть нанесен такой ущерб? Почему вы можете даже погибнуть? Потому что энергия должна перейти в другую форму и переместиться на другой объект.