ПРЕВРАТИМАЯ ЭНЕРГИЯ НА ЗЕМЛЕ

 

Нам следует теперь обратиться к рассмотрению тех родов превратимой энергии, которые теперь распре­делены на Земле:

1. На первом месте по своей величине стоит энергия вращения Зем­ли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Оба эти движения представляют собой формы энергии еще очень превратимой (по Томсо­ну — очень высокого порядка), именно механичес­кого движения. Известен расчет, по которому, если бы Земля внезапно остановилась в своем вращении вокруг Солнца, развилось бы количество тепла, рав­няющееся количеству тепла от сожжения угольного шара, превышающего массу Земли в 14 раз. Весьма значительна также энергия вращения Земли вокруг своей оси. Оба эти движения, однако, остаются почти без непосредственного влияния на распределение энергии на зем­ной поверхности. Относительно энергии вращения Земли вокруг оси, это, впрочем, не вполне верно, так как известно, что энергия эта частью превращается в теплоту через трение об отстающую, под влиянием приливов, от движения Земли массу воды, температура которой от этого немного повышается, между тем как движение Земли замедля­ется, хотя и на ничтожную величину¹. Пользуясь силой прилива для приведения в действие машин, например мельниц, мы запасаемся этой силой в период поднятия или набегания приливной волны. Мы удерживаем часть воды на известной высоте, выжидаем время отлива и затем извлекаем пользу из ее падения. Продолжая поступать таким образом в течение долгого периода и на больших протяжениях, мы нашли бы, что это может влиять на постепенное ослабление быстроты вращения Земли². Как на один из вообще немногочисленных приме­ров индустриального пользования силой прилива укажем еще на предложение Маля³, основанное на том, что в реках, при устьях которых движение прилива сильно, не происходит засорения русла илом и валунами, потому что движением сильного отлива они уно­сятся далеко в море. Устья многих рек в Англии уже раскопаны с целью пользоваться работой прилива, и Маль предлагает применить эту систему и во Франции. Из этих примеров мы видим, что пока

¹Первая мысль о подобном влиянии прилива принадлежит Канту. См. его Theorie des Himmels. Koenigsberg, 1755.

² Тэт, 1. с., стр. 150.

³ Comptes-Rendus. LI, стр. 762.

еще вращение Земли вокруг ее оси очень мало применяется как ис­точник двигательной силы на ее поверхности.

2. Мало чем бóльшую роль играет и внутренняя теплота Земли. В тех случаях, где она проявляется еще со значительной силой, т. е. во время землетрясений и извержений вулканов, деятельность ее име­ет характер слишком случайный и неправильный, чтобы служить источником энергии, могущим входить как существенная часть в строй­ное целое процесса превращения энергии на земной поверхности, процесса, принявшего вообще характер большой постепенности и по­следовательности. Вот почему землетрясения и извержения вулка­нов являются на земной поверхности только как элемент пертурба­ционный, разрушительный, неожиданный и не подчиняющийся ника­ким расчетам при распределении энергии, а тем более каким-либо промышленным применениям.

Если отнести земной магнетизм к проявлениям энергии, заключа­ющейся внутри Земли, то, конечно, он представляет собой силу, ко­торой не следует пренебрегать, так как она играет и практическую роль в мореплавании, изготовлении научных приборов и пр. Во вся­ком случае, однако, величина этой силы очень незначительна в сравнении с общим количеством энергии, постоянно находящейся в обмене на земной поверхности.

Горячие источники представляют собой хотя небольшое, но до­вольно удобно распределенное количество превратимой энергии. Теплота их может служить для некоторых технических целей, на­пример отопления жилищ, даже приготовления пищи, и таким обра­зом косвенно помогать сохранению превратимой энергии на земной поверхности. В свою очередь теплота горячих источников уж слиш­ком незначительна, чтобы быть самой в состоянии, без внешней при­бавки энергии, превратиться в форму механического движения. По крайней мере нам неизвестны случаи применения горячих источни­ков как двигательной силы, хотя в незначительной мере такое при­менение, конечно, возможно.

3. Ненасыщенное химическое сродство, за исключением свободно­го сродства кислорода атмосферы, почти не существует на земной по­верхности. Внутри Земли еще есть большие массы свободных метал­лов, серы и других веществ, обладающих достаточной химической энергией, но ее действие или вовсе не обнаруживается на земной по­верхности, или уже указано в предыдущем параграфе, например, ког­да говорилось об извержениях вулканов, землетрясениях и пр.

4. Одна из наименее превращенных форм энергии, то есть наибо­лее полезных в человеческом смысле этого слова, могущих дать зна­чительное количество механической работы при своем превращении, есть движение воздуха, или ветер. Но нам не трудно показать, что движение воздуха есть не более как часть солнечной энергии, подвергнутой обратному превращению. Для того, чтобы произвести жи­вую силу ветра, нужно потратить в несколько раз большее коли­чест­во энергии Солнца, значительная часть которой низводится при этом на еще менее превратимую ступень, рассеивается в пространстве. Ина­че и быть не может, так как низшая энергия, теплота Солнца, по за­кону рассеяния энергии никогда не может вся сполна перейти в выс­шую энергию, движение воздуха. Но часть тепла, превращенная в движение, при этом рассеивается, потому что ветер в сущности не что иное, как последствие стремления к уравнению температур.

 

Правда, таким образом часть солнечной энергии превращается в очень выгодную механическую работу, но зато вся она рассеивается без­возвратно. Мы не принимаем во внимание других источников дви­жения воздуха, кроме теплоты Солнца, так как движения, производи­мые ими, сравнительно чересчур незначительны.

5. Сказанное относительно двигательной силы, доставляемой вет­ра­ми, приложимо и к силе водных течений, и вообще к силе падаю­щей воды. Действительно, вода, падая, например на колесо мельницы, с высоты, доставляет такой процент полезной работы, какого не дает ни паровая, ни электромагнитная машина, ни даже более выгодно ус­тро­енный организм рабочего животного или человека. Но не следует за­бывать, какое громадное количество солнечной энергии было потреб­лено на то, чтобы путем испарения поднять воду на такую высоту, па­дая с которой она доставляет значительную сумму полезной работы.

6. Из всего вышесказанного мы уже начинаем замечать, что, не­смотря на огромное количество получаемой от Солнца энергии, по­верхность Земли далеко не богата не только очень превратимыми родами энергии, как, например, механическое движение, свободное химическое сродство, но даже и простой теплотой. Свободное химиче­ское сродство, как мы говорили, почти не встречается на земной по­верхности и даже вблизи поверхности, за исключением одного рода веществ, энергию которых, однако, нельзя также назвать энергией, принадлежащей Земле. Мы говорим о свободном химическом срод­стве, заключающемся в топливе органического происхождения. Ко­личество этого топлива сравнительно очень велико. По приблизитель­ному расчету, британские пласты имеют около 190 000 000 000 тонн ка­менного угля, а североамериканские, говорят, содержат до 4 000 000 000 000 тонн ¹. Но это количество, а также громадные мас­сы другого органического топлива, например торфа, нефти и пр., об­разовались из растений, покрывавших в разные периоды земную по­верхность, при помощи энергии, доставляемой Солнцем. Предполага­ют, что при помощи лучей Солнца растениям в течение долгих веков удалось насыщенное и лишенное превратимой энергии вещество, угольную кислоту, превратить в запас угля, обладающий громадным количеством такой энергии². В то же время под влиянием той же солнечной энергии кислород атмосферы освободился от соединенно­го с ним угля и заключает теперь в себе также массу превратимой энергии, представляющей основу для возможности существования высших организмов, то есть животных и человека.

7. Наконец, мы должны упомянуть еще о превратимой энергии, за­ключающейся в живых растениях, животных и людях. Пока нам до­статочно только признать, что и она есть только сбереженная энер­гия Солнца, и затем перейти к общим условиям сбережения энергии.

¹ Edinburgh Review, 1860. Coal Fields of North America and Great-Bri­tain, стр. 88—89.

² На конгрессе Британского общества для развития наук, собра­вшем­ся осенью нынешнего (1880 — Ред.) года, Sterry Hunt предложил обшир­ную и весьма интересную теорию для объяснения климатиче­ских измене­ний в течение геологических периодов. Теория эта, глав­ным образом, ос­нована на предположении, что углерод, сложенный теперь в запасах ка­менного угля, прежде находился в атмосфере под видом углекислоты. См. Revue Scientifique, № 22, 30 ноября 1878 г.

Глава III

СБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ

 

Мы ознакомились теперь с теми данными, при помо­щи которых надеемся получить основания для оп­ределения значения труда в миро­вом распределении энергии. Возьмем Землю опять в тот момент, когда она охладилась уже настолько, что поверхность ее была покрыта корой, не допускавшей теплоту рас­плавленной внутренности обнаруживать значитель­ное действие на поверхности. Когда охлаждение Земли достигло уже такой степени, что диссоциированная вода превратилась в пар, а затем пар боль­шей частью осел под видом воды, которая, увлекая за собой осевшие прежде воды соли, образовала мо­ря в углублениях земной коры, в то время боль­шинство химических процессов уже совершилось на земной поверхности. Химическое сродство было насыщено приблизительно в такой же мере, как и в настоя­щее время, если не принимать во внимание растительной жизни. Благодаря ее влиянию теперь насыщение химического срод­ства, вероятно, даже не заходит так далеко, как тогда, так как, по высказанному уже предположению, весь уголь, находимый теперь в недрах земли, тогда был в соединении с кислородом воздуха. Мы знаем, что теперь растения черпают свой углерод из углекислоты воздуха, и не имеем основания предполагать, чтобы в каменноуголь­ном периоде они поступали иначе. Итак, мы вправе думать, что энер­гия ненасыщенного сродства в начале органической жизни была очень мала на земной поверхности, а пре­вратимая энергия, еще со­храненная внутри, с постоянным возраста­нием толщины земной коры все более и более утрачивала свое дей­ствие. Земля в то время полу­чала, может быть, немного более солнечной энергии, чем в настоя­щее время, но зато и рассеивала свою энергию гораздо быстрее, чем -теперь. Главная причина этого очень простая: Земля была тогда го­раздо теплее и потому отдавала более тепла и притом тепла очень высокой температуры, легко превратимого в механическую работу, самым бесполезным образом, в пространство. Большое количество лу­чистой энергии, получаемое от Солнца, весьма мало увеличивало пре­вратимую энергию Земли, и легко понять, по­чему: химические лучи Солнца, не находя на ее поверхности таких тел, на которые бы они могли действовать, как действуют теперь, при помощи растений, т. е. разлагая насыщенные соединения и обращаясь лишь частью в превратимую энергию, в то время отражались и уходили в пространст­во. То же делалось и со световыми лучами. Тепловые лучи поглоща-

 

лись настолько, насколько поверхность Земли отдавала их опять в пространство, и увеличения превратимой энергии на земной поверх­ности от них не происходило. За исключением движения нагретого воздуха и воды, поднятой испарением, солнечная лучевая энергия не обращалась на Земле в превратимую энергию, так же точно, как мы это теперь видим на бесплодных, лишенных всякой растительности песках Сахары или на льдах, окружающих полюсы. Если не прини­мать во внимание теплоты внутренности Земли, то количество прев­ратимой энергии, почерпнутой от Солнца, было в ту эпоху гораздо менее, чем теперь. Действительно, причислив к поверхности Земли слои, заключающие каменный уголь, на что имеем право, ввиду об­разования этих слоев на поверхности, мы теперь имеем громадный запас легкопревратимой энергии. Запас этот состоит в ненасыщенном сродстве громадной массы углерода, с одной стороны, и в ненасыщен­ном сродстве кислорода всей атмосферы — с другой. В то время, когда еще не было жизни на земной поверхности, когда, по всей вероятно­сти, углерод теперешнего каменного угля с кислородом нынешней ат­мосферы составляли вместе насыщенное, т. е. лишенное превратимой энергии, соединение, углекислоту, тогда, несомненно, общий бюджет превратимой энергии на земной поверхности был меньше, чем теперь. Мы взяли каменный уголь только как пример. Этому явлению в ис­тории земного шара можно подыскать еще и другие аналоги, например торфяные залежи, асфальтовые копи, нефтяные источники и разные горные породы органического происхождения.

Разберем общий ход явлений с тех пор и до настоящего времени. Внутренняя энергия Земли, чем ближе к нам, тем меньшую роль иг­рает в составлении энергийного бюджета земной поверхности. Сол­нечная энергия получается, хотя постепенно, но в количестве все уменьшающемся. Очевидно, для того, чтобы при уменьшающихся источниках энергии на земной поверхности и в ближайших слоях под ней могло произойти накопление превратимой энергии, необходи­мо, чтобы происходил на земной поверхности процесс сбережения энер­гии, процесс, обратный рассеянию, или даже процесс превращения устойчивой энергии (теплоты) в высшую форму, более превратимую в механическое движение, потенциальное или кинетическое.

Можно сказать, не боясь сделать ошибки, что мы получаем на Зем­ле энергию Солнца не в очень превратимом, но и не в чересчур уж устойчивом виде. Высокая температура, свет, химические лучи — все это такие роды энергии, которые, правда, с большой потерей на рас­сеяние, но все-таки частью переводятся на земной поверхности в более превратимые, высшие роды энергии, каковыми являются — ме­ханическая работа машин, сокращения мышц и, вероятно, психичес­кая деятельность. В настоящее время земная поверхность, правда, с большей потерей, может быть, даже увеличивая немного ежегодные траты Солнца, возводит часть уже спустившейся по ступеням превра­щений солнечной энергии опять в наивысшие формы, самые превра­тимые, какие только способна принимать энергия.

Необходимо совершенно ясно представить себе всю трудность пе­рехода низших форм энергии в высшие, чтобы понять, как при та­ком громадном получении Землей лучевой энергии от Солнца в дей­ствительности на ней господствует такая нужда в высших родах энергии. Но зато, действительно, и способы, которыми солнечная энер­гия может быть превращаема в механическое движение, крайне не-

 

многочисленны. Вот главнейшие из них: сообщение движения воз­духу посредством изменения его упругости, поднятие воды путем ис­парения, химическая диссоциация при помощи растений, мышечная работа животных и человека, изобретение и устройство искусственных двигателей, машин при помощи психической и мышечной ра­боты человека и высших животных.

Лучевая энергия Солнца, встречая уже отверделую, но еще не по­крытую растительной жизнью поверхность Земли, отражалась от нее почти как от непроницаемой брони. Конечно, небольшая часть лучей поглощалась, но это поглощение вело за собой только временное воз­вышение температуры, которая падала через лучеиспускание в про­странство, как только прекращалось действие Солнца. Конечно, нагре­вание поверхности Земли выражалось и небольшой механической ра­ботой; вследствие расширения и сжатия образовались трещины и т. п., но понятно, что эти ничтожные проявления механического движения не могут быть названы значительными превращениями теплоты в ра­боту.

Химические лучи Солнца чересчур слабы, чтобы разложить насы­щенные кремниевые, известковые, глинистые соединения, составляю­щие поверхность Земли. Они или частью превращались в теплоту, или непосредственно отражались в пространство. Та же участь постигала и лучи света.

Вода и воздух представляют более благодарное поле для превра­щения низшей энергии в высшую, чем земля, но и они почти совер­шенно лишены способности сберегать превращенную энергию. Меха­ническое действие урагана может быть громадно. Если он сопровож­дается грозой, благодаря переходу части солнечной энергии в элек­тричество, то механическое действие его еще усиливается ударами падающих искр молнии, но и это действие сейчас же само собой истощается и сейчас же рассеивает всю свою энергию, заставляя ее падать на еще низшую ступень, чем та, на которой она была получе­на от Солнца. Ветер дает громадный процент полезной механической работы, ударяясь о какое-либо сопротивление, например парус ко­рабля или крыло мельницы, но зато запас высшей энергии, заклю­ченной в стремящемся воздухе, большей частью тут же и истощается. Запасов превратимой энергии в воздухе не собирается, потому что в природе не существует резервуаров, которые могли бы сами собой наполняться сгущенным воздухом, энергия которого потреблялась бы по мере надобности.

Вода уже более способна к сбережению превратимой энергии, чем воздух. Правда, и вода составляет при своем падении такой выгод­ный процент работы лишь потому, что, упавши, она лишается для данной высоты разом всей накопленной в ней энергии, но зато вода под влиянием лучистой энергии Солнца испаряется и накопляется в резервуарах на возвышенных местах, где она вследствие своей по­движности, повинуясь тяготению, может быть рассматриваема содер­жащей большой запас потенциальной механической работы. Следует признать, однако, что сравнительно с количеством воды, существую­щей непроизводительно на поверхности Земли, и сравнительно с гро­мадным количеством тепла, получаемого от Солнца, — несколько альпийских озер и быстрых рек представляют ничтожное накопление энергии. Этому не следует и удивляться, приняв во внимание, что сбережение в испарившейся воде происходит лишь случайно, вслед

 

ствие неровностей Земли, между тем как наибольшая часть воды па­дает непосредственно на поверхность Земли в виде дождя, снега ро­сы, инея, в таких местах, где она почти всю механическую работу совершает тотчас же при падении, не имея возможности сберегать значительную часть ее на будущее время. Тем не менее мы остано­вились на механической работе, заключающейся в движущемся воз­духе и в воде, потому что они дают бóльший процент полученной ра­боты, чем машины и даже животные, что легко станет понятным если принять во внимание, что их движение перед работой есть уже энер­гия высшего порядка, чем та, которая находится в топливе или пище перед их потреблением¹.

 

¹ Тэт, l. с., стр. 138.

Глава IV