Основные закономерности движения энергии

Основные закономерности движения энергии

Основные закономерности движения энергии
 
Понятие энергии определяется как способность совершать работу. Хотя вся современная наука проникнута этим понятием, природа энергии до сих пор до конца не понята. Особенно ярко это проявилось после того, как мир узнал, что E = mc2. 
Впервые наиболее полно понятие энергии было проработано в термодинамике, что вылилось в формулировку двух наиболее основополагающих законов, описывающих свойства энергии:
1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) — энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;
2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) — все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние.
Энтропия, или дословно способность к превращению, есть величина еще более непонятная, чем энергия. Некоторые вопросы, касающиеся понятия энтропии, мы уже рассмотрели в предыдущих главах. Здесь мы несколько дополним его, акцентировав внимание именно на энергетической стороне вопроса. Для этого рассмотрим сначала, каким образом термин энтропия вошел в научный лексикон.
Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот. То есть если от тела 1 с температурой Т1 и энтропией S1=Q1/Т1 отводится к телу 2 с температурой Т2 (Т1 > Т2) и энтропией S2 = Q2/Т2 некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS1 = dQ/Т1 (здесь dQ < 0, следовательно, dS1 < 0), а энтропия тела 2 изменится (увеличится) на величину dS2 = dQ/Т2 (здесь dQ>0, следовательно, dS2 > 0), причем так как Т1 > Т2, то по абсолютной величине ¦dS1¦ < ¦dS2¦, поэтому общая энтропия двух тел S = S1 + dS1 + S2 + dS2 = S1 — ¦dS1¦ + S2 + ¦dS2¦ > S1 + S2, то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает. Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия — это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и, как выяснилось, вообще любых процессов преобразования энергии.
Энтропию называют тенью энергии. Как мы уже говорили, в более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S = Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды, можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина). Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством. Так, например, упорядоченное движение частиц твердого тела (механическое движение) обладает большим качеством, чем хаотичное движение этих же частиц с той же средней скоростью (тепловое движение). Поэтому любое механическое движение при наличии трения сопровождается самопроизвольным превращением части механической энергии в тепловую. Поэтому иногда используют такие формулировки второго закона термодинамики: невозможно создать машину с КПД = 1; все естественные процессы идут в направлении ухудшения качества (деградации) энергии.
Когда мы говорим об энергии, особенно в контексте, связанном с энергетическим кризисом, следует помнить, что энергии на Земле вполне достаточно. Теплоход, идущий по океану, идет по морю энергии. Тем не менее он вынужден вести с собой запас угля, потому что энергия, запасенная в океане обладает низким качеством. Для полезного использования нужна именно высококачественная энергия, энтропия которой ниже энтропии энергии, рассеянной в окружающей среде. Энергию океана можно использовать только при наличии холодильника с более низкой температурой, чем температура океана. В качестве такого холодильника может выступать только космос, в который Земля “сбрасывает” излишки тепла. За счет этого ресурса во многом формируется энергия ветров.
Именно разность энтропий на входе и выходе энергетического потока порождает фактор, который мы обозначаем понятием силы, приводящей в движение все процессы в природе. По сут