АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Н а у ч н о-п опулярная серия
Г. Н. АЛЕКСЕЕВ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ЭНЕРГИИ
в
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
Москва 1966

ВВЕДЕНИЕ
Самыми значительными событиями научно-технического
прогресса последних десятилетий является освоение новых
источников энергии и новых преобразователей энергии, а
также все большее проникновение в сущность энергетики
живого вещества — растений и животных.
Открывая все новые стороны энергетических превраще-
ний и каждый раз подтверждая основу закона сохранения
и превращения энергии — принцип сохранения энергии,
современные исследования ставят ряд вопросов, которые
требуют нового осмысливания этого закона, расшифровки
некоторых положений, понятий и терминов.
Это, а также стремление к открытию новых источников
энергии, изысканию путей разработки наиболее эффектив-
ных преобразователей энергии заставляет техников обра-
щаться к физике. Так возникла в энергетике наиболее яркая
тенденция последнего времени, заключающаяся во все боль-
шем сращивании естественных наук и техники, все боль-
шем их взаимном влиянии друг на друга. Физика же вместо
ясного ответа на конкретные вопросы — какие существуют
виды энергии, при каких условиях и в какие другие виды
энергии они могут быть превращены — предлагает лишь
принцип сохранения энергии, что для развития техниче-
ской теории недостаточно.
Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению существу-
ющих и возможных преобразователей энергии, необходимо
разобраться в том, что и во что в преобразователях преобра-
зуется и может быть преобразовано. Этому вопросу и пос-
вящается глава I, в которой дается классификация видов
энергии, их сравнительная характеристика, а также ука-
зываются принципы концентрации, превращения, хране-
ния и передачи энергии.
з
Преобразователи энергии представляют собой устрой-
ства, в которых происходит превращение одних видов энер-
гии в другие. К ним относятся, например, печи, котлы, ядер-
ные реакторы, механические, световые и тепловые электро-
генераторы, тепловые и электрические двигатели, электри-
ческие осветительные лампочки и оптические квантовые
генераторы (лазеры), растения и животные...
Даже на основании этого краткого перечня можно пред-
ставить, как широк круг преобразователей энергии и как
сложны и разнообразны их рабочие процессы. Поэтому
для описания рабочего процесса преобразователей исполь-
зуют всю мощь современной физики, химии, биологии и
техники. Однако когда принцип преобразования освоен и
созданы первые образцы преобразователя, различные кон-
структивные усовершенствования и приспособления скры-
вают его естественнонаучную основу. Действительно, на
первый взгляд трудно установить что-либо общее, напри-
мер, между обычной бытовой огневой печью и ядерным
реактором или электрической лампочкой и лазером... Тем
не менее при анализе принципов и физической сущности
рабочих процессов преобразователей энергии оказывается,
что общего между ними больше, чем различий. Для осущест-
вления такого анализа надо сбросить конструктивные обо-
лочки и вскрыть сущность рабочих процессов преобразова-
телей. Этому посвящается глава II, в которой рассматри-
ваются принципы работы существующих и возможных пре-
образователей, а также трансформаторов и накопителей
энергии.
Для сравнения эффективности различных преобразова-
телей энергии и оценки перспектив их развития недостаточ-
но знать принципы их действия — надо ввести какие-то
общие характеристики, критерии. Такие характеристики
разработаны и применяются для ряда хорошо освоенных
групп преобразователей. Однако для различных групп
применяются различные методы описания их действия (тео-
рии) и соответственно различные характеристики. Озна-
комлению с ними и посвящен § 28 главы III.
После того, когда уже известны основные виды энергии,
типы преобразователей и способы описания их рабочего
процесса, а также их оценки, общность между преобразо-
вателями энергии становится очевидной и можно наметить
основы теории некоего единого обобщенного преобразова-
теля энергии, или наоборот — основы общей теории пре
4
образователей энергии различных типов, что и делается в
главе III (§§ 29 и 30). Отсутствие такой теории препятству-
ет установлению наиболее выгодных путей совершенство-
вания преобразователей энергии в целом, сравнению эффек-
тивности их действия в различных условиях, определению
областей применения, выяснению перспектив развития
ит. п., а также замыкает исследователей и конструкторов в
узких рамках представлений об отдельных «отраслевых»
типах преобразователей, сужая их научно-технический
кругозор и творческие возможности.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ВИДЫ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
§ 1. Материя, масса и энергия
По современным представлениям, окружающий нас ма-
териальный мир — движущаяся материя — существует в
двух основных формах: в форме вещества и в форме физи-
ческого поля. Веществу более присущи корпускулярные
свойства, полю — волновые. Деление это относительно,
поскольку вещество (например, электроны) также обладает
волновыми свойствами, а поле — корпускулярными, при-
чем некоторые поля состоят не из «полевых» частиц, лишен-
ных массы покоя, а из «вещественных», обладающих массой
покоя (например, ядерное поле из л-мезонов).
Различают виды материи (вещественные — электрон,
атом, молекула, водород, вода и т. п.; полевые— гравита-
ционное поле, электромагнитное поле и т. п.) и формы дви-
жения материи (механическую, тепловую, электромагнит-
ную и т. п.). Движение материи обусловливает ее сущест-
вование во времени и пространстве.
Закон М. В. Ломоносова о сохранении материи и движе-
ния, или более точно — о сохранении количества материи
и количества движения, определяет основные свойства ма-
терии. По Ломоносову, сколько материи и количества дви-
жения прибавляется к одной системе, столько же отнимает-
ся от другой. На основании этого закона устанавливаются
две основные характеристики материи — масса и энергия.
Масса есть мера количества материи, определяемая ее
инерцией и гравитацией, т. е. способностью оказывать со-
противление при изменении направления или скорости дви-
жения и способностью притягиваться другой массой. В со-
ответствии со вторым законом диалектического материа-
лизма — законом перехода количественных изменений в
качественные, при определенном увеличении массы ядра
6
атома скачкообразно изменяются свойства материи, т. е.
происходит переход от одних видов материи к другим. На
этой основе построена периодическая таблица элементов
Д. И. Менделеева.
В соответствии с законом сохранения материи и движе-
ния существует и закон сохранения массы.
Энергия есть скалярная мера движения, т. е. определя-
емая только абсолютной величиной и не зависящая от нап-
равления. Векторной мерой движения, определяемой и
направлением, является импульс (произведение вектора си-
лы на время ее действия или произведение вектора скоро-
сти на массу движущейся системы). Теория относительно-
сти показала, что энергия и импульс образуют компоненты
четырехмерного вектора (три координаты — пространствен-
ные, четвертая — время).
В соответствии с законом сохранения материи и движет
ния существует и закон сохранения энергии, а также закон
сохранения импульса.
Закон сохранения энергии был окончательно установлен
в первой половине XIX в. в результате трудов многих уче-
ных — Карно, Фарадея, Гесса, Майера, Джоуля, Ленца,
Гельмгольца и других. При этом, если вначале закон со-
хранения движения понимался «лишь как простой закон
сохранения энергии, как простое выражение того, что дви-
жение не может быть уничтожено или создано, т. е. пони-
мался только с количественной стороны, то это узкое, от-
рицательное выражение все более вытесняется положитель-
ным выражением — теорией превращения энергии, где
впервые получает надлежащее признание качественное
содержание процесса и устраняется последнее воспомина-
ние о внемировом творце» Г
Слово «энергия» происходит от греческих слов «эн» (в)
и «эргон» (работа). Следовательно, уже отсюда возникает
связь между понятиями «энергия» и «работа». Исторически
же первое понятие было введено раньше — в 1807 г. Т. Юн-
гом применительно к «живой силе» — mco2 (т — масса,
со — скорость); второе ввел Ж. Понселе в 1826 г. примени-
тельно к произведению Pl (Р — сила, I — путь перемеще-
ния точки приложения силы) в механике. В 1829 г. Корио-
лис вводит для «живой силы» выражение тсо2/2, а Гельм-
1 Ф. Энгельс. Анти-Дюринг, 1938 г., стр. 13.
7
гольц в 1847 г. окончательно обосновывает и узаконивает
его.
Уже у Понселе в «Введении в техническую механику»
(1829 г.) «закон сохранения работы» и «закон сохранения
живой силы» (т. е. энергии) выражают один и тот же закон.
Однако Понселе предпочитает пользоваться первым выра-
жением, поскольку оно упрощает и подчеркивает практи-
ческое применение этого закона. Ф. Энгельс по этому по-
воду писал: «Теоретическая механика приходит к понятию
живой силы (кинетической энергии), практическая механи-
ка инженеров приходит к понятию работы и навязывает
его теоретикам» х.
Именно на этой основе возникло определение энергии,
распространенное и в настоящее время в технике. Впервые
оно было дано в 1853 г. В. Томсоном (лордом Кельвином)
в следующей форме: «Под энергией материальной системы
в определенном состоянии мы понимаем измеренную в ме-
ханических единицах работы сумму всех действий, которые
производятся вне системы, когда она переходит из этого
состояния любым способом в произвольно выбранное ну-
левое состояние» 1 2. В словах «любым способом» заключает-
ся закон сохранения энергии, определяющий величину
энергии системы вне зависимости от видов ее превра-
щения. В связи с этим часто говорят, что энергия есть
мера способности системы совершать работу, и наоборот,
что количество работы есть мера энергии системы.
Это указывает на тождественность понятий энергия и
работа, особенно легко наблюдаемую в механике («консер-
вативные системы»). Работа dW, совершаемая силой Р
на пути dl равна
dW = Pdl = 4^dl = mad® = d
ax	\ 2 /
или
PA/_	_ m(w2x —<o“)
2	2 —	2
Однако в большинстве работ, особенно по технической тер-
модинамике, эти понятия не только отделяются, но и проти-
вопоставляются друг другу. Этому способствуют главным
образом два обстоятельства: 1) наличие такого специфиче-
1 Ф. Энгельс. «Диалектика природы», 1952, стр. 72.
2 М. Л а у э. История физики. ГИТТЛ, М., 1956, стр. 103.
8
ского, склонного к непосредственному рассеянию, вида
энергии как тепловая; 2) употребление термина «работа»
не только в количественном, но и в качественном значении—
в значении процесса передачи «полезной» энергии. Пер-
вое приводит к тому, что при освобождении энергии
системы она не полностью превращается в «работу» (тре-
буемый вид энергии), но всегда еще и в тепло (а часто и в
другие виды энергии), вследствие чего количество «работы»
зависит от «пути» изменения состояния системы, в то вре-
мя как энергия должна быть лишь функцией состояния
системы. Второе, при фиксации внимания на зависимости
количества требуемого (а не всех получающихся) вида
энергии — «работы» от «пути» и отсутствии какого-либо
другого термина, кроме «работы», для обозначения процес-
са превращения энергии и приводит к отрыву и противопо-
ставлению понятий работы и энергии в тех случаях, когда
они однозначны.
Поэтому, рассматривая работу как меру полезно исполь-
зованной (требуемой) энергии, мы будем ее называть «рабо-
чей энергией» и в этом смысле сокращенно — работой.
Заметим, что импульс также имеет два выражения: как
«количество движения» — через произведение массы на
скорость р — т(я_и как «импульс» — через произведение
силы на время р = Рх. Длительное время эти термины
существовали раздельно, однако в последнее время они
слились в один (импульс), что вполне закономерно.
Масса и энергия связаны известным соотношением, рас-
пространенным в 1905 г. А. Эйнштейном в его теории отно-
сительности на все энергетические процессы и называемым
законом пропорциональности (менее точно — эквивалент-
ности) массы и энергии
Е = тс2
ШоС2
— Ец -f- 2?кио>
где Е — полное количество энергии любых видов, т — пол-
ная масса, т0 — масса покоя, с — скорость света. Кинети-
ческая энергия системы Екцп — W = (т—mQ)c2
или
9
Если (со/с)2<1 (скорость мала), то, разлагая в ряд
[1—(со/с)2]1/2 по степеням (со/с)2 и ограничиваясь только
первым членом разложения, получим классическое выра-
жение кинетической энергии движущегося тела:
2 Г 1 ! ° \2 !	1	1	2
Вкин = W?2|_y	+ . . . . J = уШо®2 .
Соотношение между энергией и импульсом найдем, исклю-
чив со/с из выражений
В общем виде получим:
(рс)2 = £2-Е20.
Или, выражая через кинетическую энергию:
(№)2 = £кин (£ 4~ £о) — ‘Е'кин (Е'кин 2Е0) =
_____________ р2 /1 ।	2£о \
— кин I 1 “Г ) •
\ скин /
Для частицы с массой покоя т0 = 0 (например, фото-
на) имеем:
рс = Е.
На основании соотношения Е = тс2 количество осво-
бождаемой энергии, пропорциональное массе вещества в
1 а, равно примерно 9* 1013 дж (25 млн. квт-ч). В практи-
чески используемых процессах превращения энергии вы-
деляется лишь ничтожная доля этого запаса. Так, напри-
мер, при химических реакциях 5ДО’9 %, при ядерных
0,09%, при термоядерных 0,65%.
Полное освобождение энергии, заключенной в веществе,
происходит в процессе аннигиляции, когда все данное ко-
личество вещества превращается в поле (например, при ан-
нигиляции электрона и позитрона, в результате чего обра-
зуется фотон). Обратный процесс — образование пар (на-
пример, электрона и позитрона из фотона при столкновении
последнего с ядром атома или другой частицей) представ-
ляет собой процесс полного превращения поля в вещество.
Указанные процессы не означают, однако, что масса
превращается в энергию, или наоборот. Даже в случае
ю
аннигиляции этого не происходит, ибо образующиеся час-
тицы поля тоже обладают массой mg = hv/c2 (где h — посто-
янная Планка, a v — частота), которую называют динами-
ческой или переменной массой, и импульсом р = hv/c.
Источником всех видов энергии на Земле в конечном
итоге является электромагнитное излучение Солнца. Солн-
це посылает на Землю лучи, концентрация энергии которых
невелика (на поверхности Земли менее 1 квт/м2'). Поэтому
для ее использования приходится применять естественные
или искусственные средства концентрации энергии. Есте-
ственным средством концентрации солнечной энергии явля-
ется процесс превращения ее во внутреннюю энергию
вещества, происходящий в растениях с помощью хлорофил-
ла — фотосинтез. Этому процессу мы обязаны всеми запа-
сами органического горючего.
Концентрация солнечной энергии в небольших количе-
ствах искусственно осуществляется оптическими средства-
ми — линзами и зеркалами, а также путем превращения в
электрическую энергию при помощи термо- и фотоэлемен-
тов и последующего накопления в аккумуляторах.
Носителями высококонцентрированной энергии явля-
ются сложные частицы вещества — молекулы, атомы и их
ядра. Внутренняя энергия этих частиц в процессе ее осво-
бождения в подавляющем большинстве случаев проходит
этап превращения во внутреннюю энергию макроскопиче-
ских тел (тепло или электричество), которая затем в дви-
гателях превращается в механическую.
Современная наука знает следующих три способа освобо-
ждения энергии, заключенной в веществе: 1) за счет изме-
нения электронных связей атомов в процессе химических
реакций; получаемую в результате этого энергию правиль-
но было бы называть не химической, а атомной, посколь-
ку наличие ее связано с существованием атомов (т. е. ядер
с электронными оболочками); 2) за счет разрушения и из-
менения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядер-
ных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения
легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная
энергия); 3) за счет аннигиляции обычного и антиобыч-
ного веществ; эту энергию, за неимением лучшего термина,
можно назвать аннигиляционной.
Первых два способа, как известно, находят широкое
применение в промышленности и военной технике, послед-
ний же находится в стадии первых этапов исследования.
11
§ 2. Эволюция представлений
о видах энергии
Очень старый, если считать с работМайера (1842—1845 гг.)
и Гельмгольца (1847 г.), и казалось бы на первый взгляд
простой и ясный вопрос о классификации видов энергии на
самом деле не так уж прост и ясен, если до сего времени
установившейся классификации не существует, а отдельные
ученые по-разному относятся к этому вопросу. Вот несколь-
ко примеров.
С чисто научной стороны рассматривая практические
задачи, касающиеся общей энергии какой-либо системы,
М. А. Леонтович пишет: «...разбиение энергии на сумму
членов, соответствующих разным родам, или как часто го-
ворят, формам энергии (кинетическая, потенциальная,
внутренняя, электрическая и т. п.) вообще говоря невоз-
можно и имеет смысл только в определенных случаях как
известное приближение. В общем случае такое разбиение
энергии часто может привести к неправильному решению
даже простых задач»1.
Еще более определенно высказывается против употреб-
ления понятия «вид энергии» А. И. Вейник: «Количествен-
ной формой выражения различных форм движения материи
является энергия. Это понятие в равной мере применимо
для количественной оценки любой формы движения. Суще-
ствует только изложенное здесь понимание термина энер-
гии. В соответствии с этим неправильно говорить «тепловая
энергия», «электрическая энергия», «механическая энергия»
и т. п., так как в действительности есть только одна энер-
гия, являющаяся количественной мерой выражения всех
различных форм движения материи. Равным образом сле-
дует говорить не о превращении энергии, а о превращении
форм движения материи. При взаимных преобразованиях
различных форм движения материи постоянной остается
энергия. Отсюда ясно, что соответствующий закон пра-
вильно называть не законом сохранения и превращения энер-
гии, а законом сохранения энергии при взаимных превра-
щениях различных форм движения материи»1 2.
Более 80 лет назад Ф. Энгельс уже ответил на это так:
«Что количество движения (так называемой энергии) не
1 М. А. Л е о и т о в и ч. Введение в термодинамику, ГИТТЛ,
1951 г., стр. 21.
2 А. И. В е й н и к. Термодинамика. Минск, 1961, стр. 11.
12
изменяется, когда оно из кинетической энергии (так назы-
ваемой механической силы) превращается в электричество,
теплоту, потенциальную энергию положения и т. д. и об-
ратно,— это теперь не приходится проповедовать как нечто
новое; мысль эта служит раз навсегда данной основой
более содержательного отныне исследования самого про-
цесса превращения, того великого основного процесса,
к пониманию которого сводится все познание природы» х.
Философы пока, как будто, не отвергают термина «вид
энергии», однако связывают его с определенными формами
движения. Некоторые из них различают пять основных форм
движения вообще: механическое, физическое, химическое,
биологическое и общественное. Причем каждое последую-
щее включает все предыдущие, т. е. каждое последующее
является более сложным, чем предыдущее. В одной из по-
следних философских работ, посвященных этому вопросу,
делается попытка доказать правомерность выделения и та-
ких форм движения, как геологическая, кибернетическая,
биологическая; электромагнитное взаимодействие рассмат-
ривается как главная форма движения электромагнитного
поля; упоминается ядерно-физическая форма движения
и т.п.1 2 Как на этой основе построить систему видов энергии?
Задачей советского физика П. Л. Капицы не являлась
разработка классификации видов энергии. Однако необ-
ходимость описания новых энергетических исследований не-
вольно заставила его продемонстрировать состояние этого
вопроса. Вот что пишет П. Л. Капица: «...под электрони-
кой больших мощностей, мне думается, следует понимать
тот отдел электротехники, в котором электроника сверхвы-
соких частот используется для получения непосредствен-
ного энергетического эффекта, т. е. для генерации электро-
магнитных колебаний, которые трансформируются не
только в электромагнитные волны, но и в тепло, в энергию
ускоренных корпускулярных пучков и в другие виды энер-
гии... Основные преимущества сверхвысокочастотной энер-
гетики уже сейчас выявляются совершенно четко — воз-
можность сосредоточения большой электромагнитной энер-
гии в малых объемах, а также исключительная гибкость,
с которой происходит трансформация высокочастотной энер-
гии в другие виды энергии (концентрированный подвод
1 Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. 1938, стр. 13.
2 См., например, Е. В. С о л о п о в. Соотношение форм движения
и видов материи в природе. «Вопросы философии», 1963, № 8.
13
тепла, ускорение элементарных частиц, создание, нагре-
вание и удержание плазмы и т. д.). Недостаточное исполь-
зование электроники в энергетике объясняется тем, что в
настоящее время отсутствует эффективный и надежный ме-
тод генерации сверхвысокочастотной энергии и метод ее
преобразования в другие виды энергии» х. Отсюда видно,
что, признавая виды энергии, П. Л. Капица весьма широ-
ко и произвольно использует это понятие.
Уже эти противоречивые высказывания различных уче-
ных заставляют поставить по крайней мере три вопроса.
Целесообразно ли продолжать пользоваться термином «вид
энергии»? Возможно ли создать какую-то определенную,
обоснованную классификацию видов энергии? Какова эта
классификация, на основе каких определяющих принци-
пов, критериев она может быть разработана?
Практика науки и техники последних лет показывает,
что термин и понятие «вид энергии», несмотря на отдельные
резкие выступления против него, не только не отмирает,
а наоборот, все более широко применяется и с каждым но-
вым исследованием и открытием наполняется все новым со-
держанием. Поэтому можно ответить на первый вопрос
положительно.
Ответить на второй вопрос труднее. Можно прийти и к
выводу, что такая классификация невозможна из-за огром-
ного многообразия видов энергии и отсутствия общего меж-
ду ними, по мнению одних авторов, или, наоборот, из-за
существенных различий, по мнению других. Однако прак-
тика науки и техники, широкое использование таких поня-
тий, как механическая, электрическая, тепловая и другие
виды энергии, позволяют по крайней мере не отвечать на
этот вопрос сразу отрицательно, а оставить его для даль-
нейшего более детального обсуждения.
При таком ответе на второй вопрос ответ на третий во-
прос не может быть более благоприятным. И, действительно,
ясности в отношении выбора принципов, критериев для
разработки классификации видов энергии нет. Суждения
на этот счет весьма редки, поэтому основные из них мы рас-
смотрим ниже.
Для этого нам придется вернуться к середине XIX века,
когда завершилось формирование закона сохранения и
1 П. Л. Капица. Электроника больших мощностей. Изд-во
АН СССР, 1962, стр. 5—6.
14
превращения энергии, и проследить кратко эволюцию
класси фикации видов энергии с тех пор и до нашего вре-
мени.
Р. Ю. Майер (1841 г.) различал пять главных форм «фи-
зической силы» (т. е. видов энергии): I — силу падения (ме-
ханические силы); II — движение (механический эффект).
III — тепло, IV — магнетизм, электричество (гальваниче-
ский ток), V — химические силы. Формы III и IV он от-
носил к «волнообразным, вибрирующим» движениям. От-
сюда видно, что уже Майер различал «силы» и «движение»,
т. е. иными словами «запас» движения (энергии) и энергию
как меру существующего движения.
Г. Гельмгольц (1847 г.) ввел в механику новое понятие
«потенциальная энергия» (под названием .«напряженная
сила») и в явной или неявной форме различал механическую,
тепловую, химическую, гравитационную, упругую, элект-
рическую, магнитную энергии, называя их «силами», а
иногда «процессами», при которых сохраняется «сила».
Однако анализу он подверг только механическую, тепло-
вую, химическую, электрическую и магнитную энергии.
Электромагнетизм был рассмотрен им лишь как взаимо-
действие тока и магнита. При этом широко использовались
понятия потенциальной и кинетической энергий, хотя виды
энергии на эти категории и не делились.
М. Планк (1887 г.), уже употребляя термин «энергия»
практически во всех его трех значениях, рассматривал ме-
ханическую, тепловую, химическую, электрическую и маг-
нитную энергии, различая кинетическую и потенциальную
части полной энергии системы, однако не подразделяя по
этому признаку виды энергии. Как известно, в более позд-
них работах (1900 г.) он исследовал лучистую (электромаг-
нитную) энергию, открыв ее квантовый характер.
О. Д. Хвольсон в «Курсе физики» (1923 г.) подразделяет
виды энергии на две группы — кинетические («явные») и
потенциальные («скрытые»). К первой группе отнесены:
энергия движения тела как целого, тепловая энергия, лу-
чистая энергия, электрическая энергия; ко второй: энер-
гия масс, притягивающихся по закону всемирного тяго-
тения, энергия положения однородных частиц (энергия
«упруго измененного тела»), химическая энергия,электроста-
тическая энергия, электромагнитная энергия (в смысле
энергия магнитного поля). В конце этого перечня с ука-
занием особенностей каждого из видов энергии автор
15
пишет:«Весьма возможно, что потенциальной энергии в мире
и вовсе не существует, что энергия только и может быть
энергией движения и что во всех случаях, когда нам кажет-
ся, что наличность энергии зависит только от наличности
определенного расположения тел, в действительности мы
имеем дело с какой-либо особой формой движения, причем
нам пока только неизвестно, что движется и каков характер
движения»1.
Интересно, что примерно через 40 лет М. Лауэ пришел
к противоположному выводу: «В ньютоновской механике
кинетическая энергия играет особую роль; она присоеди-
няется к каждому другому виду энергии как следствие дви-
жения. Согласно теории относительности, эта особая форма
движения отпадает. Вместо этого любой вид энергии умно-
жается на множитель, зависящий от скорости. Это сущест-
венное изменение в наших воззрениях тесно связано с за-
коном инертности энергии; получился бы порочный круг,
если бы мы хотели, с одной стороны, свести какую-либо
форму энергии к инерции тел, и, с другой стороны, инер-
цию свести к энергии» 1 2.
А. Ф. Иоффе в своем «Курсе физики» пишет: «В зависи-
мости от характера произведенных в теле изменений, мы
различаем виды энергии: потенциальную, проявляющуюся
в изменении положения тела в пространстве; кинетическую,
выражающуюся в появлении скорости; упругую, вызван-
ную изменением формы или размеров тела; электрическую
и магнитную при изменении электрического или магнит-
ного состояния тела; тепловую, связанную с температур-
ными изменениями; химическую — при химических реак-
циях и т. д.»3.
В других работах и курсах по физике нет и этого. Вот,
например, что пишет К. А. Путилов: «Каждая физическая
форма движения характеризуется тем или иным видом энер-
гии. Когда мы изучаем тепловое движение, то имеем дело
с внутренней энергией. В учении об электричестве и маг-
нетизме мы сталкиваемся с электрической и магнитной энер-
гией» 4.
1 О. Д. X в о л ь с о н. Курс физики. Берлин, Госиздат, 1923,
том I, стр. 105—111.
2 М. Л а у э. История физики. ГИТТЛ, 1956, стр. 105.
3 А. Ф. Иоффе. Курс физики. ГИТТЛ, 1940, том I, стр. 107.
4 К. А. П у т и л о в. Курс физики. Физматгиз, 1963, стр. 79.
16
В 1939 г. К. А. Путилов высказал мнение, что «любая
фраза, в которой о теплоте говорится как о виде энергии
(кем бы ни была сказана эта фраза — учеником или акаде-
миком, физиком или философом), есть проявление неграмот-
ности в современной терминологии» \
Тогда же он писал, что «в различных науках вследствие
неодинаковых целей и вследствие различных методов сле-
дует по-разному классифицировать виды энергии.
Например, в механике важно различать нижеследующие
виды энергии: 1) энергию движения тел (сюда относят-
ся: энергия поступательного движения, энергия вращатель-
ного движения, энергия колебательного движения); 2) энер-
гию положения тел в поле сил (сюда относятся: потенциаль-
ная энергия в поле тяготения, в поле электрических сил,
в поле магнитных сил); 3) энергию упругой деформации тел
(деформацию растяжения, сжатия, сдвига).
Иначе мы должны классифицировать энергию в термо-
динамике. Здесь мы различаем: 1) внешнюю энергию тел и
2) внутреннюю энергию тел...
...Наконец, иную, третью, классификацию мы должны
принять в прикладной физике. Здесь мы вправе различать:
1) механическую энергию; 2) потенциальную энергию тя-
жести; 3) внутреннюю энергию нагретых тел; 4) акустиче-
скую энергию; 5) лучистую энергию (подразделяя ее на
энергию света, энергию теплового излучения, фотохимиче-
скую энергию, энергию рентгеновых лучей, энергию косми-
ческих лучей); 6) электрическую энергию, подразделяя ее
на энергию зарядов и токов, и 7) энергию магнитную.
Далее следовало бы указать классификацию видов энер-
гии с точки зрения теоретической физики. В сравнении с
другими, эта классификация должна иметь большой фило-
софский интерес. Но вопрос нелегок, и разрешение его, мне
думается, неизбежно сопряжено с дискуссией по основным
вопросам теоретической физики. Дело в том, что, вследст-
вие закона пропорциональности энергии и массы, физико-
теоретическая классификация видов энергии должна быть
как-то сопряжена с классификацией «видов массы», т. е.
должна учитывать важные различия в происхождении
массы элементарных частиц (протонов, электронов, нейт-
ронов, фотонов).
1 К. А. П у т и л о в. Лекции по термодинамике. Вып. I, 1939,
стр. 68.
2 Преобразование энергии	17
Наконец, практически важная технико-экономическая
классификация видов энергии. В этой классификации с наи-
большей ясностью должно быть отражено отношение че-
ловека к природе. Ее схема такова: 1) энергия солнечной
радиации; 2) гидравлическая энергия (в широком смысле
слова, включая сюда энергию прибоев); 3) энергия ветра;
4) энергия топлива; 5) механическая энергия; 6) внутренняя
энергия пара и сжатого газа; 7) химическая энергия
(в частности энергия взрывчатых веществ); 8) электрическая
энергия; 9) мускульная энергия людей и животных» х.
Следуя за автором этих строк, можно было бы составить
еще семь или одиннадцать или сто классификаций видов
энергий для всех специалистов техники, физики, химии,
медицины и т. д. и т. п. с той же степенью обоснованности,
с которой это сделано выше.
Странные примеры классификации видов энергии дают
сторонники энергетизма. Так, основоположник этого тече-
ния, В. Оствальд (1890 г.) различал три вида энергии: энер-
гию, зависящую от расстояния, поверхностную энергию и
пространственную энергию. Он говорил, что энергией, за-
висящей от расстояния, может являться гравитация, по-
верхностной энергией может быть поверхностное натяжение
в жидкости, а пространственной энергией — объемная
энергия. Возражая против этого, М. Планк указывал, что,
например, в случае идеального газа энергия вообще не за-
висит от объема, а зависит только от температуры. Если
идеальный газ расширяется без совершения внешней рабо-
ты, то объем его увеличивается, но энергия не меняется,
хотя, по Оствальду, энергия должна была бы уменьшиться,
в соответствии с уменьшением давления.
Другой энергетист В. Гейзенберг уже в наше время
(1953 г.), исходя из пропорциональности массы и энергии
(Е = тс1 2), утверждает, что «из основных форм энергии три
формы отличаются особой устойчивостью: электрон, протон
и нейтрон. Материя в собственном смысле слова состоит
из этих форм энергии, к чему всегда следует добавить энер-
гию движения» 2.
И, наконец, отвергающий виды энергии А. И. Вейник
рассматривает вместо них следующие «явления» (в процес-
1 К. А. П у т и л о в. Лекции по термодинамике. Вып. 1, стр. 85—86.
2 В. Гейзенберг. Философские проблемы атомной физики.
ГИТТЛ, 1963, стр. 98.
18
се которых совершается работа): явления перемещения
в пространстве, явления вращения, кинетические явления
перемещения, кинетические явления вращения, гравита-
ционные явления, явления растяжения и сжатия, явления
кручения и изгиба, поверхностные явления, механические
явления (такие взаимодействия, которые сопровождаются
изменением объема системы), электрические явления, поля-
ризационные магнитные, химические, термические явления.
Для каждого из этих «явлений» дается специфическая форма
выражения «обобщенной работы» через «обобщенный заряд»
и «силу».
Конечно, если бы существовало одно значение понятия
«энергия» как меры движения, то А. И. Вейник был бы
прав: поскольку энергия есть мера движения единая и
общая, то никаких «видов» мер движения быть не может и
нет. Однако дело все в том, что тот же самый термин «энер-
гия» употребляется и в другом значении — для характери-
стики различных явлений, отличающихся по своей энерге-
тической природе, по источникам, причинам и способам
возникновения того, что поддается измерению энергией,
т. е. различных (но не всех!) форм, точнее целых групп
форм движения и напряженного состояния.
§ 3. Предпосылки классификации видов энергии
Выше были даны некоторые примеры попыток класси-
фикации видов энергии. Однако строгих оснований для
выделения тех или иных видов энергии, как правило,
в этих работах нет.
Как же хотя бы подойти к определению признаков, кри-
териев отнесения явлений к различным видам энергии и,
следовательно, к построению классификации видов энергии?
Вероятно, можно представить по крайней мере пять направ-
лений, методов классификации.
Первый метод. Можно исходить из различия физиче-
ской сущности форм движения материи, считая, что каж-
дой форме движения соответствует определенный вид энер-
гии.
Здесь прежде всего следует остановиться на разделении
видов энергии на потенциальные и кинетические. Такое де-
ление может быть относительно и зависит, как и все отно-
сительное, от положения наблюдателя. Так, например,
энергия сжатой пружины может рассматриваться внешним
19
2*
по отношению к микрочастицам пружины наблюдателем
как потенциальная, а внутренним («находящимся» среди
частиц) — как кинетическая. В связи с этим потенциаль-
ную энергию можно называть также внутренней энергией,
а кинетическую — внешней (но не всегда). «Неужели, ког-
да поднятая гиря остается спокойно висеть наверху, то ее
потенциальная энергия во время покоя тоже является
формой движения. Несомненно» \
По Энгельсу, и потенциальная, и кинетическая энергии
являются мерами движения с той лишь разницей, что ки-
нетическая энергия является мерой явного движения, а
потенциальная — мерой скрытого движения. Следователь-
но, остается лишь определить формы явного и скрытого
движения.
Однако решение задачи классификации форм движения
находится не намного в лучшем состоянии, чем реше-
ние задачи классификации видов энергии, а некоторым
предлагаемым в настоящее время формам движения трудно
сопоставить соответствующий вид энергии. Как, например,
измерить количество энергии биологической, кибернетиче-
ской или геологической формы движения? Для этого надо
знать соответствующие им массы и скорости (кинетическая
энергия) или обобщенные силы и координаты (потенциаль-
ная энергия). А каким образом, например, превратить гео-
логическую энергию в кибернетическую, или кибернетиче-
скую — в химическую?
При этом и сама предлагаемая основа классификации
форм движения — присвоение каждому виду материи ка-
кой-то определенной главной формы движения является
плохо обоснованной (так же, как и отождествление форм
движения с формами взаимодействия).
Таким образом, классификация видов энергии по фор-
мам движения, если и возможна, то только после внесения
ясности в классификацию самих форм движения материи.
Однако и в этом случае классификацию видов энергии, ве-
роятно, нельзя будет отождествить с классификацией форм
движения, ибо последнее понятие является более узким,
чем первое, и пока не раскрывает сущности потенциаль-
ной энергии.
Поэтому возможности применения первого метода разра-
ботки классификации видов энергии ограничиваются по
крайней мере следующими соображениями.
1 Ф. Энгельс. Диалектика природы. 1952, сгр. 70.
20
1.	Вероятно, не все формы движения могут представ-
лять интерес с энергетической точки зрения. В энергети-
ке следует ограничиться физическим понятием движения,
исключив из рассмотрения всякие прочие «изменения»—
общественные, математические и т. п.
2.	Нет оснований для отождествления форм движения
с формами взаимодействия. Взаимодействий известно мень-
ше, чем форм движения. Например, электрическое взаимо-
действие может вызвать электрическую, механическую,
тепловую и другие формы движения.
3.	Нельзя сопоставлять каждому виду материи какую-
то одну, определенную, пусть даже главную форму движе-
ния. Например, свободный электрон обладает механиче-
ской формой движения, электрон, движущийся по провод-
нику за счет разности электрических потенциалов, обладает
электрической формой движения, электроны в виде элект-
ронного газа обладают тепловой формой движения, и, на-
конец, тот же электрон в процессе химических реакций об-
ладает химической формой движения. Какая же из этих
форм движения является для электрона главной?
4.	Следует различать движения, происходящие без пре-
вращения энергии (и форм движения), и движения, проис-
ходящие с превращением энергии — и часто только в этом
и состоящие. Например, движение фотона или нейтрона и
вообще всякое механическое движение без трения являются
«чистыми» движениями и им можно было бы (если стать на
точку зрения однозначности видов энергии, форм движения
и форм материи) сопоставить и виды энергии тех же наз-
ваний.
Однако, как указывалось выше, некоторые авторы под
движением понимают и сложные физические и физико-хи-
мические изменения. Что означает, например, «биологиче-
ская форма движения»? Говорят, что это форма существо-
вания белков. Но белок есть химическое соединение, ка-
ким бы специфическим оно ни было. Более точно, белок—это
большая молекула — полимер. И все процессы развития
белкового вещества, т. е. роста живых организмов, есть
формы главным образом химического движения. Не случай-
но основу биологии составляет биохимия (а в последние
годы развивается и биофизика, молекулярная биология и
т. п.). Но химические процессы есть процессы превращения
внутреннего движения электронов наружных оболочек
атомов (и некоторых свободных электронов вещества^или
21
молекул в движение вновь образующихся атомов или моле-
кул, т. е. главным образом в тепловое движение. И нао-
борот, поглощая энергию извне, живой организм превра-
щает ее в другие виды энергии (химическую, механическую,
электрическую, тепловую, световую).
Спрашивается, какую же из этих «форм движения» (и
соответственно видов энергии) следует называть биологи-
ческой. Вероятнее всего — рост, увеличение количества
данного вида (органической) материи.
Но достаточны ли основания приписывать этому процес-
су название «биологическая форма движения», если по су-
ществу он является рабочим процессом действия биологи-
ческого преобразователя движения (энергии), одним из
результатов которого является накопление массы — энер-
гии покоя (часть которой сможет затем освобождаться при
химических реакциях горения). Другими результатами,
как уже было сказано выше, являются механическая, теп-
ловая, электрическая, световая и другие формы движения,
т. е. формы движения, получающиеся и с помощью других —
физических и технических преобразователей энергии Ч
Аналогичным образом к комплексу этих форм движений
могут быть сведены и другие, выдвигаемые некоторыми ав-
торами сложные формы, например, геологическая и т. п.
Теперь обратимся ко второй возможности классифика-
ции видов энергии.
Второй метод. На позиции классификации видов энер-
гии, исходя из какого-либо самого общего выражения энер-
гии (работы) путем отыскания таких явлений, которые
могли бы быть сведены к этому общему выражению, и тео-
ретически, и практически стоит большинство физиков и
термодинамиков. Первым из них был Г. Гельмгольц, пы-
тавшийся построить свои рассуждения о законе сохранения
энергии на базе выражения «живой силы» mw42, однако не
выдержавший этого условия. М. Планк уже стремится приме-
нить с этой же целью выражение работы. В 1936—1946 гг.
в качестве основы для своей «Теории энергетики» Бронстед
взял выражение энергии через работу в обобщенной фор-
ме и с его помощью охарактеризовал некоторые основные
1 Физическими преобразователями мы будем называть все естест-
венные неорганические природные преобразователи энергии.
Техническими — искусственные неорганические преобразователи энер-
гии, а биологическими — естественные и искусственные органические
преобразователи энергии.
22
виды энергии. В 1947 г. в принципе такой же подход при
изложении «Оснований термодинамики» применил А. А.
Гухман. И, наконец, в 1961 г. еще более широко осуществил
этот принцип А. И. Вейник. Правда, Бронстед и Гухман
не ставили своей целью дать классификацию видов энергии
и не дали ее. Вейник вообще отказался от понятия «вид
энергии».
Используя мало отличающуюся терминологию, все три
автора измеряют энергию количеством работы (у Гухмана
оно равнозначно «количеству воздействия»)
dW = PKdXK,
где Рк —потенциал («обобщенная сила»), Хк— обобщен-
ная координата («обобщенный заряд»).
Трудности, связанные с применением второго метода
для классификации видов энергии, сводятся по крайней
мере к решению двух задач.
1. Распространению этого метода на микроскопические
объекты. Хотя Бронстед, например, такую возможность
категорически отрицает, все же, вероятно, и для этих объек-
тов (особенно по мере их изучения и «расчленения» на еще
более мелкие) можно будет отыскать «причину движения»—
соответствующую разность потенциалов и «обобщенную
координату»—движущийся объект.
2. Выбору из различных выражений dW=PK dXK таких,
которые являются обобщающими для данного вида энергии.
Например, выражение для механической энергии можно
записать в нескольких видах (следуя «явлениям» Вейника):
для «явления перемещения в пространстве»
dW = Pdl,
где Р — сила, dl — путь;
для «явления вращения»
dW = Mdcp,
где М — момент, dq — угол поворота;
для «кинетических явлений перемещения»
dW = d = md = mad® = cod (mco)
или
dW = adK,
где К = d (ma), co — скорость. И так далее.
23
Если исходить лишь из внешнего характера, а не из
внутренней природы потенциалов и обобщенных координат
(«зарядов»), то можно сразу получить три вида энергии —
поступательную, вращательную и кинетическую.
Таким образом приходится признать, что и этот метод
не является достаточным для классификации видов энер-
гии.
Третий метод. Сущность этого метода основана на удо-
влетворении закона сохранения и превращения энергии и
сводится к отысканию таких физических (биологических и
т. п.) явлений, которые бы могли быть «превращены» * 1 в
какой-либо заведомо определенный вид энергии, например
в механическую энергию.
Этот метод (в сочетании с предыдущим) был также впер-
вые применен Г. Гельмгольцем, его использовал М. Планк, о
нем говорит В. А. Фок: «Для определения энергии сущест-
венным является, во-первых, закон сохранения энергии и,
во-вторых, способность различных видов энергии к прев-
ращению. То и другое вместе называют законом сохране-
ния и превращения энергии. Существование этого всеоб-
щего, закона позволяет сводить измерение энергии любого
вида к измерению энергии частного вида, например меха-
нической, и выражать энергию любого вида в одних и тех
же (например, механических) единицах» 2.
Однако и этот метод не позволяет исчерпывающим об-
разом ответить на поставленный вопрос — о разработке
классификации видов энергии по меньшей мере по следу-
ющим двум причинам.
1. Из-за неясности самого понятия «превращение энер-
гии» (и даже — «превращение форм движения»); ведь надо
условиться сначала, что хаотическое движение частиц по
отношению друг к другу есть тепловое движение, а преиму-
щественно направленное движение всей их массы — меха-
ническое движение; тогда можно говорить о превращении,
например, тепла в механическую энергию, в противном
случае оба указанных движения являются в принципе од-
нородными и никакого «превращения» не происходит.
2. Сказанное усугубляется другим явлением: невозмож-
ностью некоторых непосредственных превращений энергии.
1 Во всех случаях, когда речь идет о превращениях одного вида
энергии в другой, имеются в виду непосредственные превращения.
1 В. А. Фок. Теория пространства, времени и тяготения. Физ-
М31ГИЗ, 1961, стр. 153.
24
Например, такой традиционный вид энергии, как химиче-
ская, несмотря на наличие закона сохранения и превраще-
ния энергии, не может быть превращен в ядерную энергию
деления, а аннигиляционная энергия превращается только
в энергию поля и, может быть, частично — в механическую
и т. д. (речь идет, конечно, о непосредственных прямых
превращениях).
Поэтому осуществление классификации видов энергии с
помощью закона сохранения и превращения энергии тре-
бует также применения и других методов или каких-то
особых дополнительных условий. Наиболее подробно этот
круг вопросов рассмотрен в работе Р. Г. Геворкяна «О за-
коне сохранения и превращения энергии» (1960 г.).
Геворкян пишет: «...механическая (кинетическая) энер-
гия тела или системы тел является в физике эталонной энер-
гией; другие виды энергии выявляются путем сопоставле-
ния с этой энергией. Можно обсуждать вопрос о том,
следует ли в качестве эталонной формулы для энергии
пользоваться формулой Е = тсо1 2/2 или же — более точной
формулой релятивистской механики Е =—— •••
/‘-("У
Очевидно, что одна из формул, применяемых для расчета
энергии, должна быть выведена как основная формула,
определяющая понятие энергии. Формулы, предназначен-
ные для расчета других «форм энергии», должны быть по-
лучены из условия dW = dE ...Однако условие, что умень-
шение одного вида энергии на некоторую величину dW рав-
но (или строго пропорционально) увеличению эталонного
вида энергии dE, т. е. dW = dE является одной из форму-
лировок закона сохранения и превращения энергии. Поэ-
тому, определяя различные формы энергии на основании
этого уравнения, мы неявно уже используем закон сохра-
нения энергии, вследствие чего формулы для вычисления
различных видов энергии заранее подчиняются этому за-
кону» \
Это не удовлетворяет автора, он делает вывод, что «не-
обходимо иметь такое строгое определение понятия энер-
гии, которое позволяло бы сортировать различные фи-
зические величины, имеющие размерность энергии, и
1 Р. Г. Геворкян. О законе сохранения и превращения энер-
гии. Оборонгиз, 1960, стр. 12—13.
25
отделить те из них, которые не являются энергией»1. И далее:
«Измерение энергии сводится к измерению работы... Поэ-
тому понятие работы должно быть определено раньше, чем
понятие энергии, и независимо от него» 1 2.
Однако дальнейший анализ не приводит автора к како-
му-либо положительному конкретному решению в отноше-
нии классификации видов энергии (хотя он даже предлагает
«закон сохранения вида энергии»). «Простейшим видом
энергии» оказывается у него кинетическая энергия, элект-
рическая энергия становится особой формой энергии, а
магнитная вообще лишается права на самостоятельное су-
ществование. Груда вопросов и сомнений, вскрытая им, так
и остается неразобранной. Так, автор отождествляет ки-
нетическую энергию с механической, т. е. по существу
сводит все виды физического движения материи к механи-
ческому движению; в результате получается, что «ника-
кого существенного преобразования энергии нет» при пре-
вращении механической энергии в тепловую. Деление дви-
жений на «видимые» и «невидимые» (потенциальные) не
является достаточно строгим. Современные научные методы
позволили в огромной степени расширить возможности
человека «видеть». В настоящее время мы «видим» не толь-
ко движение макроскопических тел, но и движение многих
невидимых невооруженным глазом микроскопических объек-
тов — тепловое движение молекул, «полевое» движение
мезонов, электрическое движение электронов и т. п. Поэ-
тому, вероятно, не следует отождествлять потенциальные и
«невидимые» движения.
Четвертый метод. Можно попытаться дать классифика-
цию видов энергии, опираясь на закон диалектического
материализма о переходе количественных изменений в каче-
ственные и используя зависимость между энергией и мас-
сой:
£ =
Именно на подобном принципе, отнесенном к массе, по-
строена периодическая таблица элементов Д. И. Менде-
леева.
1 Р. Г. Геворкян. О законе сохранения и превращения
энергии. Оборонгиз, 1960, стр. 16.
2 Там же, стр. 17—18.
26
Подобной возможности благоприятствует как будто
бы скачкообразный (в своем роде «квантовый») характер
качественного перехода от одних превращений энергии к
другим. Так, например, как уже указывалось 1 а массы
эквивалентен 25 млн. квт-ч. Если принять эту цифру за
100%, то окажется, что при химических реакциях выделя-
ется около 5-10~9% энергии, при ядерных 0,09%, а при
термоядерных 0,65% и т. д. Рассмотрим ряд примеров, что-
бы установить отдельные энергетические эффекты в еди-
ницах пропорциональной массы.
Процесс деления урана-235 (Е^17-1012 дж/моль),
\т = 0,2 г/моль.
Процесс перестройки оболочек валентных электронов,
нап^дмер, рекомбинация электрона с протоном с образова-
нием нейтрального атома водорода (Е 12-105 дж/моль),
\т = 1,4-10~8 а/моль.
Процесс изменения в молекулярной структуре, напри-
мер реакция Н2+О2= Н2О2 (Е^6,4-104 дж/моль), Ат=
= 3-1СГ9 г/моль.
Процесс изменения агрегатного состояния (Е^ 1,1 • 104
дж/молъ), = 5-10“10 а/моль.
Процесс изменения транслатационной, ротационной и
вибрационной энергий молекулы, например процесс ох-
лаждения газообразной воды от 1000°К до 300°К (Е = 21-
• 103 дж/молъ), Дт = 2-Ю’10 г/моль.
Процесс изменения механической потенциальной (гра-
вистатической) энергии, например падение воды с высоты
Н = 167 м (Е 29 дж/моль), &т — 2,8-10“13 г!моль.
Процесс изменения механической (кинетической) энер-
гии, например остановка массы воды, двигавшейся со ско-
ростью 80 км/час (Е = 4,2 дж/моль), \т = 4-10“14 а/моль.
Если первые из приведенных примеров как будто бы и
указывают на возможность осуществления классификации
видов энергии этим методом, то последующие свидетель-
ствуют об обратном... Действительно, четкая количествен-
ная грань между видами энергии быстро стирается.
Пятый метод. Этот метод классификации видов энергии
в точном соответствии с классификацией видов взаимодей-
ствий оказался бы, вероятно, наиболее естественным и ло-
гически обоснованным как с физической, так и с философ-
ской точки зрения, если бы последняя существовала...
Заметим, что хотя на первый взгляд между третьим
методом и пятым нет разницы, на самом деле это не так.
27
Третий метод-метод феноменологической термодинамики,т.е.
макроскопический, не позволял рассматривать микроско-
пические объекты (ядра, атомы, элементарные частицы).
Кроме того, выдвигая на первый план выражение обобщен-
ной работы через количественные значения потенциалов и
зарядов (координат), он не давал оснований для вскрытия
качественных различий между ними как средствами различ-
ного рода взаимодействий.
Взаимодействие в физике рассматривается как источник
движения. В основе взаимодействия лежит передача дейст-
вия от одних тел к другим непосредственно или через тре-
тьи тела — среды (так называемая концепция близкодей-
ствия).
Взаимодействие в природе представляет собой сложное
переплетение взаимодействий тел друг с другом: макро-
скопических (механических, тепловых, электромагнитных,
химических, биологических) и микроскопических (моле-
кулярных, атомных, ядерных и т. д.).
Понятие взаимодействия, которым оперирует современ-
ная физика для объяснения тех или иных процессов, явля-
ется обобщением понятия силы. Общей сущностью этих двух
понятий является то, что они выражают причины, порож-
дающие соответствующие эффекты.
Большинство физиков 1 считают возможным различать
в настоящее время четыре основных типа взаимодействий:
«сильные», «электромагнитные», «слабые» и гравитационные.
К сильным взаимодействиям относят взаимодействия под
влиянием ядерных сил — сил между протонами и нейтро-
нами, обусловленных обменом л-мезонами, а также /С-ме-
зонами. Эти же силы обусловливают взаимодействие л- и
/С-мезонов и гиперонов с нуклонами и между собой. Мерой
этих сил является некоторая константа связи («ядерный
заряд») — новая физическая величина, которая характе-
ризует все сильно взаимодействующие частицы подобно
тому, как электрический заряд характеризует заряжен-
ные частицы.
Электромагнитные взаимодействия переносятся кван-
тами электромагнитного поля — фотонами. Мерой этих
взаимодействий является электрический заряд, которым
обладают электрон, позитрон и р,-мезон, для которых эти
1 См., например, «От классической физики к квантовой». Ред.
Б. М. Вул и Е. Л. Фейнберг. Изд-во АН СССР, 1962 г.
28
взаимодействия являются главными. Но электрический
заряд есть также у протона, заряженного л-мезона и других
сильно взаимодействующих частиц. Однако электромагнит-
ное взаимодействие последних на малых расстояниях по-
рядка размеров элементарных частиц, грубо говоря, в 100
раз слабее ядерного.
В слабых взаимодействиях участвует нейтрино. ьОни
обусловливают 0-распад (распад нейтрона на протон, эле-
ктрон и антинейтрино, или распад протона на нейтрон, по-
зитрон и нейтрино), а также распад р,-мезона на электрон,
нейтрино и антинейтрино, распады гиперонов и т. д. Слабые
взаимодействия в 1010 н- 1012 раз слабее сильных взаимо-
действий. Мерой интенсивности слабых взаимодействий
для частиц может служить соответствующий «нейтринный
заряд» частицы.
Гравитационное взаимодействие самое слабое. Зарядом
частицы по отношению к полю является ее масса. Грави-
тационное взаимодействие протонов примерно в 1038 раз
слабее их ядерного взаимодействия, когда они находятся
на расстоянии порядка 10“13 см друг от друга (например,
в атомном ядре). Оно в 1036 раз меньше их же электриче-
ского взаимодействия на любых расстояниях. Однако «гра-
витационный заряд» (масса) имеет у всех частиц одинако-
вый, положительный знак. Нейтральное в электрическом
отношении тело имеет гравитационный «заряд». Перенос-
чиками гравитационного взаимодействия являются гипо-
тетические кванты гравитационного поля — гравитоны.
Энергия их так мала, что пока их еще не обнаружили
экспериментально.
Выше мы приводили пример другого рода взаимодей-
ствий, которые «по силе» подходят к «сильным», а по ха-
рактеру отличаются от них — это аннигиляционное вза-
имодействие частиц и античастиц.
В различных работах по физике и философии использу-
ются понятия и о других видах взаимодействий — как бы
производных по отношению к рассмотренным. Так, напри-
мер, под^химическим взаимодействием подразумевается та-
кое, которое обусловливается тем или иным видом электрон-
ного обмена, приводящего к изменению качественных ха-
рактеристик системы в результате взаимодействия (вместо
исходных веществ образуются новые).
Помимо химических сил, проявляющихся только, на
близких расстояниях и приводящих к образованию новых
29
устойчивых молекул, между молекулами наблюдаются си-
лы притяжения, действующие и на значительно больших
расстояниях — это ван-дер-ваальсовы силы, или шире —
межмолекулярные силы. Они имеют различное физическое
происхождение, но по природе своей являются электромаг-
нитными. Именно этими силами объясняется взаимодейст-
вие молекул газа, приводящее к его сжижению при низких
температурах. Межмолекулярные силы обусловливают
упругие свойства тел — газов, твердых тел, жидкостей,
т. е. упругое взаимодействие.
Различают также механическое, тепловое (термическое)
и другие виды взаимодействий. Однако природа их (за иск-
лючением недостаточно исследованных процессов взаимо-
действия частиц и античастиц) не дает оснований для
таких различий. Так, например, химическое и упругое (меж-
молекулярное) взаимодействия в основе своей являются эле-
ктромагнитными, а тепловое—сложным (механическим и
электромагнитным). Это приводит к необходимости разли-
чения определяющих и неопределяющих характеристик для
выделения того или иного вида взаимодействий и еще более
запутывает вопрос. Такое положение не случайно — оно
является следствием общего неудовлетворительного состоя-
ния теории физических процессов, которая отстает от экс-
периментальных исследований и не может объяснить мно-
гие из них. Только разработка совершенно новой (и воз-
можно «сумасшедшей» — по предположению М. Борна)
теории позволит объяснить и рассортировать многие физи-
ческие явления и понятия по строгим логически обоснован-
ным системам.
§ 4. Классификация видов энергии
Краткий анализ некоторых возможных методов клас-
сификации видов энергии, приведенный, в §3, показывает,
что ни один из них не является совершенным. И это не
удивительно, поскольку опытные закономерности часто
трудно бывает доказать или «вывести» теоретически. Так
обстоит дело с опытными законами сохранения энергии
(первый закон термодинамики), вторым законом термоди-
намики, функцией состояния — энтропией и т. д.
Поэтому представляется допустимым подойти к решению
этой задачи, не привязываясь к какому-либо одному
жесткому канону, к какому-либо одному критерию
30
(«теоретическому» положению), к одной стороне движе-
ния, а исходя из всего накопленного человечеством научно-
технического опыта.
Современная наука различает четыре основные частицы
веществ^: молекула, атом, нуклон и электрон; четыре ос-
новных поля: ядер ное (мезонное), электромагнитное (фотон-
ное), нейтринное и гравитационное; два вида движения:
неупорядоченное (для микрочастиц оно называется тепло-
вым) и упорядоченное (различают несколько в зависимости
от носителя и источника движения); две группы видов энер-
гии: потенциальные (энергии положения, т. е. «напряжен-
ного состояния») и кинетические (энергии движения).
Попробуем составить классификацию видов энергии,
опираясь на эти данные. Начнем с того, что сразу же усло-
вимся свободное движение любого отдельного материаль-
ного объекта (камень, молекула, нуклон, фотон, нейтрино)
оценивать механической энергией, а хаотическое, неупо-
рядоченное движение большого числа микрообъектов —
тепловой энергией. Эти понятия известны уже более ста лет
и достаточно хорошо апробированы.
Далее. Если сжать стальную пружину или газ в балло-
не, то таким путем мы накопим, запасем некоторое количе-
ство энергии, могущей быть освобожденной в различных
видах; назовем этот вид энергии упругой энергией. В про-
цессе аннигиляции вещество может быть целиком пре-
вращено в поле, т. е. полная энергия вещества освобожда-
ется в процессе аннигиляции в виде энергии поля. Этот вид
энергии по аналогии с химической энергией (называемой
так не по получаемому виду энергии — тепловой, элект-
рической и т. п., а по процессу освобождения, т. е. хими-
ческим реакциям) можно назвать аннигиляционной энер-
гией.
Теперь осталось самое простое—«рассортировать» энер-
гии по восьми видам основных частиц вещества и полей,
названным выше. Восьми видам вещества и поля мы вправе
сопоставить следующие виды энергии: ядерную («мезонно-
статическую»), химическую (атомную), электростатическую,
магнитостатическую, нейтриностатическую, гравистатиче-
скую, электродинамическую, электромагнитную (фотонную
или «фотоннодинамическую»), мезонную («мезоннодинами-
ческую»), нейтриннодинамическую и гравидинамическую.
При этом надо считаться с тем, что установившаяся
терминология не всегда правильно отражает физическую
31
сущность или, точнее, механизм того или иного вида энергии.
Так, например, химическая энергия представляет собой
часть энергии электронов, связанных в атоме, освобождае-
мую в процессе осуществления химических реакций в раз-
личных видах (тепловая, электрическая и др.).
На основании сказанного, мы получаем следующую
классификацию видов энергии:
1.	Аннигиляционная энергия представляет собой полную
энергию системы (энергию массы покоя и энергию движе-
ния), освобождаемую в процессе аннигиляции обычного и
антиобычного вещества (например, при аннигиляции эле-
ктрона и позитрона энергия освобождается в виде энергии
фотонов—частиц электромагнитного поля).
2.	Ядерная энергия — энергия связи между нуклонами,
освобождаемая при делении тяжелых ядер (будем назы-
вать ее ядерной энергией) или синтезе легких ядер (термо-
ядерная энергия).
3.	Химическая (атомная) энергия — энергия электронов,
двигающихся вокруг атомного ядра; часть этой энергии
освобождается в результате перестройки электронных обо-
лочек атомов и молекул при их взаимодействии в процес-
се химических реакций, которые можно было бы уже на-
зывать атомными реакциями (в отличие от ядерных).
4.	Упругая энергия — энергия механически упруго из-
мененного тела — твердого, жидкого, газообразного (пру-
жина, сжатый газ и т. п.), освобождаемая при снятии
нагрузки; сюда же можно отнести так называемую поверх-
ностную энергию и другие сходные с ней по своей природе.
5.	Г равистатическая энергия — энергия ультрасла-
бого взаимодействия (притяжения) всех тел, пропорцио-
нальная их массам. Практическое значение в земных ус-
ловиях имеет энергия тела, которую оно накапливает, пре-
одолевая силу земного притяжения, т. е. действие грави-
тационного поля (поля тяготения) Земли. Освобождение
гравистатической энергии происходит при снятии «нагруз-
ки» — устранения силы, уравновешивающей силу земного
притяжения.
Предполагается, что гравистатическое притяжение осу-
ществляется путем обмена гравитонами — частицами гра-
витационного поля, аналогичными фотонам и другим час-
тицам. Согласно квантовой механике, гравитоны должны
превращаться в фотоны и другие частицы и обратно. По
Д. А. Иваненко, гравитоны должны образовываться также
32
при аннигиляции обычных и антиобычных частиц (частиц
и античастиц) вместе с фотонами и мезонами.
6.	Электростатическая энергия — энергия взаимодей-
ствия (притяжения разноименных и отталкивания одно-
именных) электрических зарядов. Иными словами, это
запас энергии электрически заряженного тела, накапливае-
мый в процессе преодоления сил электростатического
поля. Освобождение его происходит при снятии уравнове-
шивающей силы.
7.	Магнитостатическая энергия — энергия взаимодей-
ствия «магнитных зарядов» (реально не существующих).
Это запас энергии, накапливаемый телом, способным
преодолевать силы магнитного поля в процессе движения
против этих сил (торможения). При этом источник магнит-
ного поля не играет роли. Это может быть постоянный маг-
нит или электрический ток, который, как известно, всегда
сопровождается возникновением магнитного поля. Сюда
же относится и энергия, накапливаемая в процессе преодо-
ления сил магнитного поля проводником с током (от пон-
деромоторной силы).
8.	Нейтринностатическая энергия. Элементарная части-
ца нейтрино не имеет массы покоя и заряда (спин равен 1/2) и
вследствие этого может быть отнесена к частицам поля.
Предполагается, что нейтринное поле «можно считать фун-
даментальным полем в том же смысле, что и гравитацион-
ное и электромагнитное поля»1 (Дж. Уилер). Но если это
так, то, по аналогии с проводимым выше делением, можно
различать «нейтринностатическую» и «нейтриннодинамиче-
скую» виды энергии. Однако нейтринное поле (и его части-
цы — нейтрино) обладает такой огромной проникающей
способностью (нейтрино свободно проходит сквозь толщу
земного шара), что практически не может тормозить ника-
ких земных полевых или вещественных объектов. Поэтому
накопить энергию путем совершения работы против сил
нейтринного поля, хотя теоретически и возможно, практи-
чески пока не удается.
9.	Механическая энергия — энергия движущихся мак-
росистем (твердых, жидких, газообразных и т. п.) и свобод
но движущихся микросистем (одна частица).
10.	Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хао-
1 Дж. Уилер. Гравитация, нейтрино и Вселенная. ИЛ,
1962, стр. 32.
3 Преобразование энергии	33
тического) движения и взаимодействия частиц. Это понятие
является одним из самых спорных. Однако никто не спо-
рит против того, что «количество тепла», переходящее тем
или иным способом (с превращением в рабочую энергию или
без него) от одной системы к другой, может рассматриваться
как энергия. Мы остановимся на этом вопросе подробнее
в §7.
11.	Электродинамическая энергия — это энергия движе-
ния электрических зарядов, энергия электрического тока.
Известно, что движущийся заряд создает вокруг себя маг-
нитное поле. В соответствии с теорией относительности,
всякое движение может быть определено только по отноше-
нию к той или иной системе. Наблюдатель, движущийся с
зарядом, заметит только электростатическое поле, наб-
людатель же, находящийся в системе, движущейся по
отношению к заряду, заметит не только электрические, нои
магнитные воздействия на находящиеся в этой системе
приборы.
12.	Электромагнитная энергия — энергия движения
фотонов электромагнитного поля.
13.	Гравидинамическая энергия — энергия движения
гравитонов гравитационного поля (в частном случае —
Земли).
14.	Мезонная энергия — энергия движения л-мезонов
ядерного (мезонного) поля. В соответствии с мезонной тео-
рией ядерных сил Юкавы (1935 г.), ядерные силы действуют
путем обмена квантами мезонного поля, т. е мезонами меж-
ду взаимодействующими нуклонами.
15.	Нейтриннодинамическая энергия — энергия движе-
ния потока нейтрино.
По аналогии с электродинамической энергией может
быть следовало бы выделить «магнитодинамическую» энер-
гию — энергию движения «магнитных зарядов». Однако
магнитный заряд реально не существует, так как магнит-
ное поле не имеет особых источников, помимо электрических
токов. Поэтому, хотя такие понятия, как магнитный ток
(магнитные цепи), магнитодвижущая сила и т. п. и при-
меняются для упрощения расчета электромагнитных полей,
выделение особого вида энергии на этом основании предста-
вляется неправильным.
Первые восемь видов энергии можно назвать условно
потенциальными, так как они зависят от положения, сос-
тояния системы, выражают запас движения или запас энер-
34
гйи системы. Следующие семь видов энергии можно услов-
но отнести к кинетическим, так как они характеризуют дви-
жение соответствующих систем. Мы говорим «условно» по-
тому, что запасти энергию можно и в виде кинетической
энергии, например с помощью вращающихся маховых ко-
лес, и т. п. Поэтому понятие «запасенная энергия» может
относиться и к потенциальным видам энергии, и к кинети-
ческим, однако понятие «потенциальная энергия» всегда
означает «запасенная энергия».
В ряде случаев на практике различают еще инерционную
и колебательную энергии. Обосновываются они «очень про-
сто»— раз есть сила инерпии, значит она должна совершать
работу, а работа есть мера энергии... Колебательное движе-
ние есть особая форма движения — значит можно выделить
и соответствующий вид энергии... Однако и инерция, и
колебательный характер движения могут соответствовать
любому виду материи, а также любому виду энергии (напри-
мер, звуковая «энергия» есть разновидность механической
энергии и т. п.).
Часто в особый вид энергии выделяют «биологическую
энергию». Однако биоэнергетические процессы представля-
ют собой лишь особую группу обычных физико-химических
процессов, а виды энергии, участвующие в биоэнергетиче-
ских превращениях, такие же, как и в физических, и
технических—в большинстве случаев происходит превраще-
ние атомной (химической) энергии в механическую, тепло-
вую, электрическую и иногда — световую. Поэтому сле-
дует говорить не о биологической энергии, а о биологи-
ческих преобразователях энергии (растения, животные).
Некоторые исследователи (например, Н. А. Козырев),
исходя из положения теории относительности (и в частно-
сти — релятивистской теории тяготения) об искривленно-
сти пространства — времени, высказывают предположение,
что «ход времени», не изменяя общего количества движения
системы, «может создавать дополнительные напряжения в
системе и тем самым менять ее потенциальную и полную
энергию», т. е. что «ход времени может быть источником
энергии» х. Иными словами, это означает, что время можно
рассматривать как один из видов энергии. Доказательство
1 Н. А. Козырев. Причинная механика и возможности экс-
периментального исследования свойств времени. В сб. «История и ме-
тодология естественных наук». Вып. II. Физика. Изд-во МГУ, 1963,
стр. 113.
35
3*
или отрицание (имеющее пока больше оснований) этого
положения требует углубленного анализа сложнейших воп-
росов теории относительности, что в данной книге делать
нецелесообразно. Поэтому ограничимся лишь указанием
на то, что сторонников этой идеи гораздо меньше, чем про-
тивников ее и включать время в число видов энергии пока
рано... Однако последнее открытие принстонских физиков
Д. Кронина и В. Фитча (если оно подтвердится) — распад
нейтрального К-2-мезона на л-мезоны, означающий нару-
шение так называемой временной четности, повышает шан-
сы такой возможности.
Из кратких характеристик перечисленных видов энер-
гии следует между прочим, что каждому из них соответст-
вует определенный характер взаимодействия между тела-
ми с помощью полей. При этом запомним, что поскольку
современная физика рассматривает поля, обусловленные
как частицами без массы покоя, так и частицами с массой
покоя, то резкой границы между полями и телами (вещест-
вом) не существует. Доведение этого положения до край-
ности приводит к возможности представлять вещество в
виде поля. «Если, например, взять молекулу воды и рассмат-
ривать ее как частицу — квант, то можно построить соот-
ветствующее «водное поле» х. Поэтому более надежно го-
ворить о наличии взаимодействия между материальными
системами.
Не углубляясь в анализ особенностей каждой из взаи-
модействующих систем и характера взаимодействий раз-
личных родов, можно дать следующую общую характери-
стику этих взаимодействий.
Аннигиляционное взаимодействие осуществляется между
частицами и античастицами. Ядер ное взаимодействие —
между нуклонами (протонами и нейтронами) путем обмена
между ними л-мезонами, т. е. через мезонное поле. Атомное
(химическое) взаимодействие происходит между атомами
и молекулами различными средствами (в зависимости от
вида химической связи), но всегда путем обмена электро-
нами, т. е. через электромагнитное поле. Упругое взаи-
модействие осуществляется между молекулами, атомами
деформированного (сжатого для газов и жидкостей) тела,
т. е., например через электромагнитное поле, и внешней
системой, являющейся источником приложенной извне
1 М. А. М а р к о в. О современной форме атомизма. «Вопросы
философии», 1960, № 3.
36
силы. Гравистатическое взаимодействие есть взаимодейст-
вие между телами через гравитационное поле. Электроста-
тическое взаимодействие — это взаимодействие между элек-
трически заряженными телами через электрическое поле.
Магнитостатическое взаимодействие осуществляется между
магнитным телом и телом, являющимся источником магнит-
ного поля через посредство последнего. Электродинамиче-
ское взаимодействие осуществляется между движущимся
электрозаряженным телом и телом — источником электри-
ческого поля через посредство последнего. Механическое
взаимодействие представляет собой непосредственное (пу-
тем соприкосновения) взаимодействие между механически-
ми системами; таким образом, понятие «механическая энер-
гия» шире понятия «механическое взаимодействие», посколь-
ку механической энергией обладает любая свободно дви-
жущаяся отдельная система, движение которой может под-
держиваться механическими, электрическими, магнитными,
гравитационными и другими взаимодействиями. Тепловое
взаимодействие, хотя и представляет в своей основе как бы
механическое взаимодействие между хаотически движущи-
мися частицами, тем не менее, являясь понятием статисти-
ческим, вероятностным, характеризующим коллективное
действие многих частиц, относится к качественно новому
виду взаимодействия, которое осуществляется как средне
статистическое между системами, имеющими различную
температуру. Электромагнитное взаимодействие так же, как
гравидинамическое, мезонное и нейтринное (нейтриннодина-
мическое) осуществляется между полевой частицей (фотон,
гравитон, мезон, нейтрино) и системами ими обменивающи-
мися — испускающей и принимающей.
Приведенное выше так сказать «практическое», или луч-
ше — «техническое» толкование видов энергии нисколько
не противоречит «физическому» толкованию, хотя и нес-
колько отличается от последнего. Так, например, в физике
рассматривают энергию полей — электромагнитного, маг-
нитного, гравитационного и т. п. (иначе бы принцип близ-
ко действия оказался неосуществимым), выше же говорилось
о соответствующих видах энергии как об энергии тел (сис-
тем), накапливаемой в процессе преодоления сил, поля.
Однако по существу это одно и то же. В физике полям
приписывается самостоятельная энергия путем допущения
об удалении взаимодействующих систем, порождающих си-
ловое поле на бесконечное расстояние.
37
Указанный подход оправдывается и другим обстоятель-
ством — отсутствием свойства аддитивности (т. е. равенства
энергии сложной системы сумме энергий составляющих ее
систем) у самостоятельных «энергий полей», в то время
как, например, кинетическая, т. е. механическая, энергия
системы тел всегда равна сумме кинетических энергий ее
составных частей с достаточной степенью точности.
Следует также добавить и то обстоятельство, что не всег-
да можно представить превращение самостоятельной энер-
гии какого-либо поля в другой вид энергии. Это особенно
ярко видно на примере однородного магнитного поля, ко-
торое не может изменить кинетическую (механическую)
энергию единичных зарядов, находящихся внутри этого по-
ля, так как сила, действующая на электроны со стороны
магнитного поля, всегда перпендикулярна к направлению
их движения и поэтому никакой работы не совершает.
В этом случае энергия магнитного поля не может пе-
реходить в механическую, а следовательно, и обратный
процесс превращения механической энергии в магнитную
тоже невозможен. Это обстоятельство связано с тем, что
магнитное поле возникает лишь при движении электрона в
электрическом поле. Причем энергия возникающего маг-
нитного поля равна уменьшению энергии электрического
поля и одновременно равна работе (т. е. механической
энергии), совершаемой движущимся электроном. При тор-
можении электрона осуществляется обратный процесс.
Таким образом, при движении электрон обладает как ме-
ханической, так и магнитной энергией, количественное зна-
чение которых одинаково и равно уменьшению запаса энер-
гии (т. е. потенциальной энергии) электрона. Отсюда следу-
ет, что магнитная энергия возникает из ничего (что проти-
воречит закону сохранения энергии и нашему опыту), или
что магнитное и механическое действие движущегося эле-
ктрона есть лишь различные способы проявления его свя-
зи с окружающей средой, взаимодействия с ней.
Рассматривая систему из двух движущихся электронов,
можно установить, что никакого превращения энергии их
общего магнитного поля в кинетическую энергию электро-
нов (или наоборот) не происходит; обе эти величины одно-
временно увеличиваются и уменьшаются. Далее выясня-
ется, что энергия магнитного поля должна быть связана
не с общим изменением энергии электрического поля, а
только с той его частью, которая зависит от скорости дви-
38
жения электронов. Действительно, если бы изменить рас-
стояние между электронами так, чтобы их скорости в нача-
ле и в конце были равны нулю, то энергия общего элект-
рического поля изменится, тогда как энергия магнитного
поля в системе меняться не будет.
Согласно закону сохранения энергии, каждый вид энер-
гии, присущий данной системе, должен быть функцией
состояния этой системы. Теплота или тепловая энергия оп-
ределяется как часть внутренней энергии системы, связан-
ная с беспорядочным движением частиц системы — атомов,
молекул и т. п. В каждом определенном состоянии системы
всегда можно отчетливо выделить эту часть внутренней
энергии и вычислить ее по значениям соответствующих
параметров системы. Возникающие затруднения могут быть
устранены, если выбрать однозначное определение того,
что называется беспорядочным (тепловым) движением и
как-то выделить это движение среди остальных. Если бы
такое определение можно было выбрать, то для каждого
состояния системы «количество тепловой энергии» можно
было бы однозначно вычислить, а при переходе системы из
одного определенного состояния в другое изменение этого
количества было бы однозначной функциеиотначального и
конечного состояния системы.
Однако в реальных условиях такое выделение затрудне-
но. Это и приводит к различным схоластическим затрудне-
ниям, выражающимся в введении толкования тепла как
процесса передачи энергии (теплообмена). При рассмот-
рении в термодинамике трех систем: среды, откуда переда-
ется энергия, рабочего тела, которое воспринимает, и прием-
ника, которому рабочее тело отдает механическую работу,
понятие «теплота» относят к энергии, передаваемой от вне-
шней среды, считая, что «теплота», в отличие от энергии,
зависит от пути перехода системы из одного состояния
в другое. Например, увеличение объема газа при постоян-
ной температуре и снижении давления потребует меньше
затрат «теплоты», чем увеличение того же объема сначала
при постоянном давлении и растущей температуре, а затем
при адиабатическом (без подвода тепла) снижении темпера-
туры и давления до заданных величин. Такая же зависи-
мость существует и для «работы». Однако зависимость тепла
от процесса перехода системы «рабочее тело» из одного состоя-
ния в другое вызвана только тем, что от этого процесса за-
висит внешняя работа, т. е. работа других систем, и наоборот.
3»
Теплообмен (теплота) может быть однозначно выражен
через изменения параметров системы только при следую-
щих условиях:
1) если, кроме теплообмена, никаких других воздейст-
вий на систему не оказывается (т. е. внешняя работа не
совершается), а внутри системы преобразования энергии
не происходит (например, изохорный процесс, при постоян-
ном объеме, с идеальным газом);
2) если теплообмен производит изменения только тех
параметров системы, которые не изменяются при других
воздействиях на систему или при процессах преобразова-
ния энергии, происходящих внутри системы.
Но такие же условия должны соблюдаться для любого
вида энергии, в противном случае неизбежно появится
зависимость изменения этого вида энергии от «пути пере-
хода». Еще проще понимать под тепловой энергией энер-
гию движения частиц и взаимодействия между ними —
то, что называют «внутренней энергией».
§ 5. Сравнение видов энергии
Уже по рассмотренным выше материалам можно соста-
вить некоторое представление о сравнительной ценности
различных видов энергии для практического использова-
ния. Так, нейтринная энергия не только не используется,
но пока неясно, как она может быть использована (если
нейтрино не задерживается ни одним материалом и свобо-
дно «пролетает» сквозь толщу Земли и Вселенную). В то
же время без тепловой и механической энергий немыслимо
существование человека и развитие промышленности.
Практически человечество использует непосредственно
четыре вида энергии — тепловую, механическую, электри-
ческую (электростатическую и электродинамическую) и
световую (одну из разновидностей электромагнитной).
Другие виды энергии выполняют вспомогательные роли —
хранения, передачи и т. д. На долю использования тепла
в настоящее время приходится примерно 75%, механиче-
ской энергии — около 25%, а на долю света — менее 1%
(табл. 1).
Электрическая энергия непосредственно используется
мало (например, в производстве алюминия) — она служит
главным образом для передачи энергии на расстояние. Та-
ким образом, наиболее широко используются два вида
40
Таблица 1
Использование тепловой и механической энергии (в %)♦
Вид энергии	1952 г.	1975 г.	2000 г.
Тепло 		80	70	66,5
Механическая энергия стационарных			
установок 		10	19	23,0
Механическая энергия транспортных			
установок 		10	И	10,5
♦Данные ООН, доложенные в 195i г. в Женеве на Международной кон-
ференции по использованию атомной энергии.
энергии — тепловая и механическая. Потенциальные виды
энергии служат главным образом «хранилищами» энергии.
При этом важное значение имеет энергоемкость потенциаль-
ных видов энергии — количество энергии, содержащееся
в единице количества материи, т. е. их концентрация, или
плотность.
Виды энергии можно сравнивать по крайней мере по
следующим показателям:
1)	упорядоченности;
2)	концентрации (плотности);
3)	способности экономично превращаться в наиболее
широко используемые виды энергии,
4)	скорости превращения в другие виды энергии,
или скорости освобождения одного и того же вида;
5)	возможности накапливаться и сохраняться;
6)	возможности экономично передаваться на дальние
расстояния.
Далее мы рассмотрим основные из этих показателей
применительно к различным видам энергии. Здесь же на-
помним, что природа ограничивает наш выбор источников
энергии для преобразователей совершенно определенным
кругом накопленных, т. е. невозобновляемых, и регулярно
возобновляемых видов энергии. И те, и другие являются
результатом деятельности солнечного термоядерного реак-
тора — источника всех видов энергии на Земле (табл. 2).
Пока человечество широко использует химическую энер-
гию органических топлив и энергию рек, т. е. источники,
запасы которых составляют всего доли процента всех
41
Таблица 2
Природные источники энергии и их мощность (в квт-ч)
Невозобновляемые источники энергии (общие запасы)
Термоядерная энергия.......................... 100000000-1012
Ядерная энергия (деления)..................... 547000-1012
Химическая энергия ископаемых органических
горючих........................................ 55000-1012
Внутреннее тепло Земли........................ 134-1012
Ежегодно возобновляемые источники энергии
Энергия морских приливов ..................... 70000-1012
Энергия солнечных лучей, достигающих земной
поверхности ................................... 580000-1012
Энергия солнечных лучей, аккумулирующихся в
верхних слоях атмосферы (150 — 200 км} в ви-
де атомарного кислорода........................ 0,012-1012
Энергия ветра........................................ 1700-Ю12
Энергия рек................................... 18-1012
запасов энергии на Земле. Важнейшими энергетическими
проблемами поэтому являются проблема максимального
повышения коэффициента полезного действия преобразова-
телей химической энергии и проблема освоения новых
источников энергии, особенно ядерной.
Таким образом, при сравнении видов энергии по ука-
занным выше показателям надо всегда иметь в виду, как и с
каким природным источником энергии связан данный вид
энергии. Так, например, из данных табл. 2 видно, что наи-
более используемые виды энергии — тепловая и механи-
ческая — ежегодно доставляются солнечными лучами на
Землю в количестве, превышающем все вместе взятые запасы
невозобновляемых источников энергии (без термоядер-
ной). Однако концентрация солнечного тепла на поверхно-
сти Земли невелика, а главное зависит от случайных фак-
торов — погоды, а природная механическая энергия (ве-
тер, приливы — отливы) является мало упорядоченной.
Поэтому главные задачи использования этих источников
сводятся к концентрации их энергии и ее упорядочению.
С другой стороны, природные запасы потенциальных
видов энергии^(термоядерной, ядерной, химической) не-
посредственно не могут быть использованы. Поэтому глав-
ной задачей является превращение этих видов энергии
в наиболее широко используемые — тепловую и механиче-
скую, или в наиболее легко и экономично превращаемую
42
в другие виды энергии — в электрическую энергию. После
разработки в последнее время оптических квантовых гене-
раторов функцию переносчика энергии может выполнять,
помимо электрической энергии, и световая (электромагнит-
ная) энергия. Соответственно возникает и проблема вза-
имного превращения световой и всех других видов энергии.
§ 6. Упорядоченность и концентрация
энергии
Под упорядоченностью энергии понимается направлен-
ность движения, энергия которого оценивается. Строго го-
воря, полностью упорядоченным может считаться движе-
ние такого тела, все частицы которого движутся в одном
направлении, как например движение автоматической
межпланетной станции, брошенного камня и т. д. Движе-
ние струи газа по каналу в одном направлении можно счи-
тать упорядоченным лишь частично, так как, хотя в целом
все частицы двигаются в одном направлении, однако это
главное направление является лишь векторной суммой
многих других промежуточных направлений, в которых
двигаются различные частицы. Хаотическая (тепловая)
«часть» движения частиц оценивается тепловой энергией q,
« тсо2
а упорядоченная — механической -у-, т. е. полная энергия
потока газа
С учетом же гравистатической энергии получается формула
Вернули, выражающая полную энергию движущегося га-
за или жидкости
TV7	। /72 СО2 I «
= q + — + mgh,
где h — высота, g— ускорение силы тяжести.
Заметим, что понятие «газ» применяется в настоящее
время весьма широко—электронный газ,фотонный газ ит. п.
При этом, если электронный газ подобен молекулярному,
то, например фотонный, существенно отличается от послед-
него. Под фотонным газом подразумевают равновесное из-
лучение, заполняющее замкнутое пространство — сосуд.
Частицы фотонного газа беспорядочно движутся по всем
43
направлениям в сосуде. Однако взаимодействия и столк-
новения между фотонами отсутствуют, а скорость всех фо-
тонов одинакова и равна скорости света, направления же их
полета изменяются при столкновениях со стенками сосуда.
В отличие от обычных частиц (электронов, протонов или
атомов) фотоны могут исчезать или создаваться в момент
поглощения или испускания света атомами. Поэтому число
фотонов, находящихся в сосуде, нельзя считать постоянным.
Другим отличием фотонов от газовых молекул является то,
что все они движутся с одинаковыми скоростями. В фотон-
ном газе, так же как и в молекулярном, имеется некоторое
распределение частиц по импульсам и энергиям. Различие
состоит лишь в том, что это распределение в молекулярном
газе подчиняется статистике Больцмана — Максвелла, а в
фотонном — статистике Бозе — Эйнштейна.
Из сказанного выше ясно, что понятие упорядоченности
может относиться лишь к кинетическим видам энергии.
Наименее упорядоченным видом энергии является тепло-
вая и ей подобные хаотические виды, характерные для «га-
зов», хотя и здесь могут протекать направленные упорядо-
ченные процессы, например передача тепла от системы с
более высокой температурой. Потенциальные виды энергии
являются хранилищами движения (энергии) и, каково бы
ни было это внутреннее движение, при освобождении оно
может стать как упорядоченным, так и неупорядоченным.
Под концентрацией, или плотностью энергии, понимает-
ся количество энергии, сосредоточенное в весовой или объ-
емной единице количества материи. Это понятие относится
ко всем видам энергии. Однако концентрация энергии раз-
лична как для различных видов энергии, так и внутри
каждого из видов энергии. Поэтому можно говорить
о максимальной и минимальной концентрации энергии
каждого вида. Так, например, максимальная концентра-
ция химической энергии (точнее — атомной) метастабиль-
ных атомов гелия составляет около 46,8-104 дж!кг, в то вре-
мя как стехиометрическая смесь бензина с воздухом дает
2,7• 104 дж]кг. Минимальная концентрация химической энер-
гии, вообще говоря, менее определенна. Для ядерной энер-
гии деления максимальная концентрация энергии состав-
ляет примерно 1014 дж!кг (уран-235), а минимальная в
десятки раз меньше (некоторые радиоактивные изотопы).
От свойств веществ и полей зависят плотности и дру-
гих видов энергии — упругой, электростатической, маг-
44
цитостатической и т. п. Особенно в большом диапазоне зна-
чений может изменяться концентрация тепловой, механи-
ческой и электромагнитной энергий. Так, например, кон-
центрация энергии движущегося космического корабля
«Восток-2» при выходе на орбиту составляла примерно
3-107 дж!кг, а минимальная концентрация механической
энергии может быть близка к нулю. О концентрации тепло-
вой энергии в факеле термоядерного взрыва (или на Солнце)
можно судить по температуре, равной десяткам миллионов
градусов, а при температуре, близкой к абсолютному ну-
лю, энергия теплового движения стремится к нулю. Кон-
центрация электромагнитной энергии в луче лазера 1017
вт/см1, а в лучах Солнца 7-103 вт!слг поверхности Солнца.
Таким образом, качество энергии характеризуется сте-
пенью упорядоченности и степенью концентрации ее. Чем
более упорядочена и чем более концентрирована энергия,
тем, естественно, выше возможности ее применения (ибо
перейти от упорядоченности к беспорядку и от высокой
концентрации к низкой ничего не стоит, обратный же пе-
реход может быть осуществлен только при затрате энер-
гии).
Однако все виды энергии постепенно деградируют — их
упорядоченность и особенно концентрация уменьшаются
и постепенно сходят на нет. Деградация всех видов энергии
происходит одним, единственным путем — превращением
их в тепловую хаотическую и рассеянием последней (т. е.
уменьшением концентрации до концентрации тепла в
окружающей среде на Земле — воде океанов, морей и
в атмосфере). Процессам превращения различных видов
энергии в тепловую в значительной степени способствует
электромагнитное излучение, сопутствующее многим пре-
вращениям энергии или являющееся их единственным
продуктом.
Концентрация кинетических видов энергии может быть
повышена искусственно. Так, на практике концентрация
механической энергии легко повышается с помощью раз-
личных передаточных механизмов (ременная, зубчатая
передача и др.) за счет увеличения скорости движения (вра-
щения) тела. Широко известны оптические концентраторы
электромагнитной — световой энергии — линзы, зеркала.
Рассеянную световую энергию Солнца можно сконцентри-
ровать путем превращения ее с помощью фотоэлемента
в электрическую энергию. Концентрация световой энер-
45
Гии происходит с помощью хлорофилла во всех растениях,
при этом солнечная энергия превращается в химическую.
Электрическую энергию можно сконцентрировать мно-
гими способами и в том числе путем превращения ее в энер-
гию светового луча ( в полупроводниковом лазере), накоп-
ления в аккумуляторах в виде химической энергии, в кон-
денсаторах — в виде электростатической и т. п. Важное
значение имеет концентрация такого быстро деградирую-
щего и рассеянного повсюду в пространстве вида энергии,
как тепловая. Для концентрации тепловой энергии при-
меняются тепловые насосы, работающие за счет затраты
подводимой извне энергии.
Таким образом, концентрация кинетических видов энер-
гии может изменяться — искусственно повышаться или по-
нижаться путем превращения их в другие виды энергии или
без такового. При этом, естественно, что каждому виду
энергии свойствен особый способ повышения концентра-
ции и понижения ее.
Концентрация потенциальных видов энергии зависит
от свойств вещества и взаимодействующего с ним поля.
Поэтому для некоторых объектов материи (например хи-
мическая энергия смеси бензин — воздух) она не может
быть изменена, но для других (например сжатый газ) из-
меняется в широких пределах.
Говоря о способах и возможностях концентрации энер-
гии, следует иметь в виду, что при превращениях энергии
ее концентрация, как правило, меняется. Следовательно,
преобразователи энергии являются одновременно и концен-
траторами (или «рассеивателями») энергии. Таким образом,
в зависимости от цели превращения энергии мы будем
в дальнейшем говорить «преобразователь энергии» — в слу-
чае, когда задача сводится к получению определенного вида
энергии, например электрической, световой и т. п. и «кон-
центратор энергии» — в случае, когда задача сводится к из-
менению концентрации энергии, например электрический
трансформатор, тепловой насос и т. п.
§ 7. Превращение энергии
Теперь, когда мы имеем некоторое представление о клас-
сификации видов энергии и их характерных чертах, можно
рассмотреть возможности и условия превращения одних
видов энергии в другие. При этом, если толковать закон
46
сохранения Энергии как Закон сохранения и превращения
энергии, то тогда такое рассмотрение будет затруднено,
так как в соответствии с указанным толкованием любой
вид энергии должен превращаться в любой другой. Так,
А. И. Вейник, отказавшись от значения термина «энергия»
как «вид энергии», формулирует закон сохранения энер-
гии следующим образом: «Любая форма движения способ-
на и вынуждена при определенных для каждого случая
условиях превращаться, прямо или косвенно, в любую дру-
гую форму движения»1. По этой формулировке, при-
равнивающей закон сохранения энергии к закону со-
хранения движения (формально верно —энергия есть мера
движения), приходится или исключать из области
действия этого закона все потенциальные (статические) виды
энергии, или понимать под ними (по Энгельсу) «меру скры-
того движения». Как будто бы это уже сделано теорией отно-
сительности (Е = тс2), однако там остается энергия по-
коя, т. е. потенциальная энергия — запасенная энергия
в обезличенной форме. Если такой энергии не предусматри-
вать, может получиться, что энергия движения, запасаясь,
т. е. переходя в энергию покоя, исчезает.
С другой стороны, выражение «или косвенно» ставит под
сомнение обоснованность расширения закона сохранения
энергии до закона «сохранения и превращения» энергии
(движения), ибо если не все виды движения (т. е. все-таки
более широко — энергии) могут быть непосредственно
превращены друг в друга, то «косвенное» превращение их,
т. е. превращение через ряд промежуточных этапов (тепло
в электричество через механическую форму движения)
лишает понятие «превращение» его прямого смысла. Так
можно сказать и о том, что любая космическая туманность
«превращается» в человека, поскольку когда-то из такой
туманности образовалась Земля и на ней появились люди.
Следовательно, в такой трактовке закон говорит толь-
ко о принципе сохранения, отнесенном как к статическому
случаю одного вида энергии, так и к случаям превращения
одного вида в другой, вне зависимости от того, совершается
оно непосредственно, или через другие виды энергии.
Таким образом, добавление слов «или косвенно» не сни-
мает сомнений в возможности превращения любых ви-
дов энергии в любые. Вероятно поэтому некоторые авторы
1 А. И. Вейник. Термодинамика. Минск, 1961, стр. 11.
47
опускают вторую часть закона сохранения энергии, а дру-
гие, давая, не расшифровывают ее содержания.
Фактический же материал свидетельствует, например,
о невозможности непосредственного превращения химиче-
ской энергии в ядерную, механической — в аннигиляци-
онную и т. п.
Как же это объяснить?
Предположение, что приведенная ранее классификация
видов энергии составлена неправильно, так как непосред-
ственное превращение некоторых видов энергии невозмож-
но, нельзя признать обоснованным, хотя бы потому, что во
все другие виды энергии не могут быть превращены непо-
средственно даже такие традиционные виды энергии, как
ядерная, химическая и механическая, в правильности вы-
деления которых вряд ли можно сомневаться.
Предположить, что закон сохранения энергии нельзя
расширить до закона сохранения и непосредственного*
превращения энергии трудно без дополнительных строгих
доказательств, поскольку закон «сохранения и превраще-
ния» энергии прочно вошел в наше сознание как один из
самых всеобъемлющих законов природы.
Наиболее «подходящим» может показаться третий вы-
вод, обычно универсально применяемый во всех случаях,
когда человек сталкивается с неясными или не отвечающими
его прежним представлениям явлениями,— что правильны
и классификация, и широкое толкование закона, но совре-
менной науке не известны еще некоторые механизмы превра-
щения энергии.
Однако пока что больше всего имеется оснований стать
на точку зрения второго заключения. Основания эти зиж-
дутся на опыте, который, как известно, является критерием
истины. Вскрывая механизм превращения одних видов энер-
гии в другие, следует отметить, что механистический под-
ход и абстрагирование от главных качественных характери-
стик каждого из видов энергии, оценка лишь того, что при-
суще всем видам энергии — движения (или напряженного
состояния) может привести к новым затруднениям, о кото-
рых упоминает, например, Р. Г. Геворкян: «... прежде всего
необходимо уточнить, что понимается под превращением
энергии... Рассматривая вопрос о превращении одного ви-
да энергии в другой, можно иметь в виду, например, прев-
ращение механической энергии в тепловую и обратно. Од-
нако в этих процессах никакого существенного преобразо-
48
вания энергии нет; кинетическая энергия упорядоченного
движения тел переходит в кинетическую же энергию беспо-
рядочного движения атомов и молекул и обратно. При этом
вид движения и форма энергии по существу не изменяются.
Совершенно иное мы имеем в явлениях, при которых по-
тенциальная энергия переходит в кинетическую и обрат-
но. С этим переходом не связана более или менее отчетли-
вая физическая картина; кроме расчетной формулы, ничего
достоверного о потенциальной энергии не известно. Мы не
знаем, что происходит в электрическом, магнитном, грави-
тационном полях, когда в них наблюдается появление и ис-
чезновение кинетической энергии»1.
Развитие физики приводит к тому, что мы все больше
проникаем в сущность энергетических процессов, и в на-
стоящее время механизм таких потенциальных видов энер-
гии, как, например, ядерная и химическая, представляется
в виде движения в первом случае электронов, а во втором —
мезонов. Это механизм действия так называемых обменных
сил. Химическая связь однородных атомов осуществляется
в результате притяжения, вызванного при взаимном обме-
не электронами, а ядерная — при обмене мезонами. В по-
следнем случае нейтрон, отдав один отрицательный л-мезон,
превращается в протон; протон, захватив л-мезон, прев-
ращается в нейтрон. В результате возникает взаимная си-
ла притяжения, потому что общая энергия связанной или
сдвоенной таким образом системы меньше, чем сумма энер-
гий частей системы — частиц (протон — нейтрон), суще-
ствующих независимо друг от друга. Аналогично действуют
силы связи между однородными нуклонами, т. е. протон —
протон, нейтрон — нейтрон. Но роль связанного здесь играет
нейтральный мезон.
При химической связи обмен состояниями наглядно
представляют следующим образом: один из электронов
системы вылетает, например, из атома и поглощается
другим атомом. Из последнего в свою очередь вылетает
электрон, переходящий в первый атом. В процессе «выле-
та» и «захвата» электронов происходит изменение импуль-
са соответствующих атомов. Изменение импульсов атомов
означает, что между ними имеется некоторое взаимодействие.
Эти схематические и наглядные представления обмен-
1 Р. Г. Геворкян. О законе сохранения и превращения
энергии. Оборонгиз, 1960, стр. 25.
4 Преобразование энергии	49
ного взаимодействия оправдывает термин «обмен». Однако
его не следует понимать буквально. Говоря об обмене ча-
стицами, следует помнить, что этот обмен имеет виртуаль-
ный, а не действительный характер. Слово «виртуальный»
означает, что непосредственный смысл имеют только на-
чальное и конечное состояния системы.
Остановимся еще на одной стороне вопроса о превра-
щениях одних видов энергии в другие — механизме энерге-
тических превращений в неживых (естественных и искус-
ственных) и живых системах. Мы будем называть первые
системы физическими, вторые техническими, а третьи био-
логическими, хотя, как известно, характер процессов, про-
текающих в тех и других, соответствует законам физики
и химии. Однако существует и отличие. Опыт показывает,
что законов физики и химии пока недостаточно для описа-
ния процессов жизнедеятельности живых систем. Э. Шре-
дингер высказал предположение, что, основываясь на
принципе «порядок из порядка», процессы жизнедеятель-
ности высоко упорядочены, но, подчиняясь известным за-
конам природы, протекают в соответствии с одним или дву-
мя дополнительными общими принципами, т. е. они
упорядочены, но сложны.
Таким образом, закономерности превращения энергии
в живых системах, сопровождающие процессы обмена в них,
должны быть аналогичны закономерностям превращения
энергии в физических системах. При этом энергетические
превращения в живых системах относятся к превращениям
химической энергии в другие виды энергии и наоборот (мы
рассмотрим их подробнее в § 25).
Систематическое описание различных превращений
энергии было дано впервые Ю. Р. Майером в 1845 г.1 Он
различал 25 процессов превращения, или «метаморфоз»,
энергии (которую в то время, как уже отмечалось, обозна-
чали термином «сила»). Вот их примерный перечень.
1)	Превращение «силы» падения (т. е. гравистатической
энергии) в другую посредством рычага.
2)	Превращение «силы» падения в движение (т. е. в ме-
ханическую энергию) через свободное падение и через па-
дение по преднамеченному пути.
1 Р. Ю. М а й е р. Закон сохранения и превращения энергии’
1933, стр. 128—129.
50
3)	Превращение одного движения в другое: полностью
посредством упругого удара, частично — удара с трением.
4)	Превращение движения в силу падения.
5)	и 6) Превращение механического эффекта в тепло (т. е.
механической энергии в тепловую) при сжатии упругих
жидкостей, при ударе и трении; поглощение света заклю-
чается в превращении волнообразного движения в тепло.
7)	и 8) Превращение тепла в механический эффект (рас-
ширение газа); тепла — в волнообразное движение при
свечении и лучеиспускании (здесь в первом случае речь идет
о превращении тепловой энергии в механическую, а во вто-
ром — в электромагнитную, о которой в то время не было
известно).
9)	Превращение данного тепла в другое посредством теп-
лопроводности.
10)	Превращение тепла в «химическую разность»; разло-
жение химических сил (имеется в виду, вероятно, превра-
щение тепловой энергии в химическую, т. е. образование
разности химических потенциалов под действием тепла).
11)	Превращение химической разности в тепло.
12—14) Превращение «химической разности» в гальва-
нический ток и «снова в другие химические разности точно
так же, как и превращение тока в химическую разность под
действием гальванического столба» (т. е. превращение
химической энергии в электрическую и обратно).
15—17) Превращение электричества в тепло и механи-
ческую энергию: накал металлической нити, электриче-
ская искра, электрическое и электромагнитное притяжение;
при электрических разрядах, особенно в явлениях молнии.
18)	Частичное превращение одного тока в другой дает
индуцированный ток (здесь вид энергии по существу не ме-
няется).
19)	Тепло превращается в электричество при явлениях
термоэлектричества и образованиях холода в гальваниче-
ской цепи по Пельтье.
20	— 21) При возбуждении электричества посред-
ством трения и индукции механический эффект превра-
щается в электричество.
22 — 25) Превращение механического эффекта в хими-
ческую разность и наоборот: последней в первую посред-
ством перехода данной «силы» в электричество и теплоту.
Нет необходимости показывать неполноту такого пе-
речня превращений энергии, хотя для уровня развития
51
4*
физики того времени он был достаточно обширным.Темболее,
что уже в то время Ю. Р. Майер, вероятно, как врач не упу-
стил из виду биологический механизм превращений энер-
гии, посвятив ему специально вторую часть своей основ-
ной работы «Органическое движение в связи с обменом
веществ».
Г. Гельмгольц в своей знаменитой работе рассматри-
вает взаимные превращения механической, химической,
тепловой, электрической и магнитной энергии и устанавли-
вает количественные зависимости (эквиваленты) между
единицами их измерения (коэффициенты связи), так как ко-
личество энергии при превращениях одних ее видов в дру-
гие должно сохраняться постоянным.
М. Планк также сосредоточивает внимание на взаимных
превращениях этих же видов энергии, но стремится осво-
бодить их анализ от механистических представлений Гельм-
гольца (что однако не помешало Гельмгольцу получить пра-
вильные зависимости, ибо, провозгласив механистический
подход, в действительности вынужден был отказываться
от него там, где он противоречил правильному решению
соответствующих задач). Мы не будем здесь излагать его
рассуждения и выводы, поскольку они в той или иной фор-
ме и связи содержатся во всех учебниках физики.
В фундаментальном «Курсе физики» Хвольсона (1923 г.)
приводятся три принципа учения об энергии: 1) энергия
тела или системы тел есть конечная, однозначная и непре-
рывная функция состояния; 2) энергия не исчезает и не об-
разуется вновь; но энергия одного вида может перейти
в эквивалентное количество энергии другого вида; 3) в прев-
ращениях энергии существует определенная направлен-
ность. При этом указывается, что все явления окружаю-
щей нас природы, если в них заключается признак чего-
либо изменяющегося, существенно заключаются в превра-
щениях одного вида энергии в другой.
Особенно большое внимание вопросу превращения од-
них видов энергии в другие уделяется в последнее время.
Это связано с разработкой преобразователей энергии для
получения ее в наиболее удобной «электродинамической»
форме из ядерной или электромагнитной (солнечной).
Накопленные к настоящему времени опытные данные
позволяют сделать вывод, что не все виды энергии могут
непосредственно превращаться во все виды энергии. Как
это объяснить? Опыт показывает, что превращаемость од-
52
них видов энергии в другие зависит по крайней мере от
двух причин: свойств взаимодействующих систем, являю-
щихся носителями энергии, и концентрации энергии в них.
Действительно, если мы будем диэлектрическое тело пере-
мещать так, чтобы пересекать им силовые линии магнит-
ного поля, превращения механической энергии в электри-
ческую не произойдет. Если же вместо диэлектрика исполь-
зовать проводник, такое превращение возможно. Из-за
отсутствия среды, необходимой для возникновения тре-
ния, нельзя превратить механическую энергию движуще-
гося в вакууме тела в тепловую. Таких примеров можно
привести много.
С другой стороны, химическую энергию нельзя превра-
тить в ядерную исключительно вследствие относительно
малой концентрации (плотности) первой по сравнению со
второй. В обратном же направлении превращение осуще-
ствляется легко, например радиолиз (разложение под
действием ядерной энергии) воды, в результате которого
образуются водород и кислород, способные вступать в эк-
зотермическую химическую реакцию.
Анализ превращаемости видов энергии позволил соста-
вить табл. 3, которая может служить предметом для раз-
мышлений читателей и творческих поисков исследователей.
Некоторые превращения или их невозможность указаны,
вероятно, неточно, другие находятся пока еще в стадии ис-
следований (например, превращение нейтринной энергии).
Обращает на себя внимание превращаемость всех видов
энергии, кроме гравидинамической и нейтринной, в меха-
ническую. Не случайно этот признак выдвигался наиболее
часто в качестве критерия для обоснования классификации
видов энергии, а механическая энергия использовалась
как наиболее удобное мерило.
Все виды энергии, в какие бы они ни превращались,
должны одновременно превращаться и в гравистатическую
энергию, так как масса покоя в процессе энергетических
превращений всегда изменяется. Поскольку же изменяется
масса, то должен изменяться и обмен гравитонами, т. е.
изменение гравидинамической энергии (обычно — увели-
чение).
Под ядерной энергией, как указывалось выше, услови-
лись понимать энергию связи нуклонов, способную осво-
бождаться (а не всякую вообще!). Поэтому превращение
других видов энергии в ядерную надо понимать как полу-
53
Таблица 3
Взаимные превращения видов энергии
1.	Аннигиляционная . . .
2.	Ядер на я............
3.	Химическая...........
4.	Упругая..............
5.	Гравистатическая . . .
6.	Электростатическая
7.	Магнитостатическая
8.	Механическая ........
Тепловая ............
Электродинамическая
Электромагнитная . . .
Г равидинамическая
Мезоннодинамическая
Нейтринностатическая
Нейтриннодинамическая
9.
10.
И.
12.
13.
14.
15.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
	—	—	—	4	—	—	+	4	—	4	4	4	4
—		—	—	4	—	—	+	4	4	4	4	4	4
—	—	и	—	4	—	—	4	4	4	4	4	—	—
—	—	—		4	—	—	4	4	4	—	4	—	—
—	—	—	—		—	—	+	—	—	—	4	—	—
—	—	—	—	+	и	—	4	—	4	4	4	—	—
—	—	—	—	4	—	я	+	—	—	4	4	—	—
—	+	+	4	4	+	4	я	4	4	4	4	—	—
—	—	4	+	4	4	4	+	Я	4	4	4	—	—
—	—	+:	—	4	+	+	4	4	Я	4	4	—	—
+	—	—	—	4	—	—	+	4	4	Я	4	—	—
—	—	—	—	4	—	—	—	—	—	—	£	—	—
+	—	—	—	4	—	—	+	—	4	—	4		—
—	—	—	—	4	—	—	—	—	—	—	4	—	я
—	—	—	—	+	—	—	—	—	—	—	4	—	—
15
Я
* Минус — отсутствие превращения, плюс — возможное непосредствен-
ное превращение, жирный плюс — наиболее освоенные и применяемые в пре-
образователях виды непосредственных превращений.
чение за счет какого-либо вида энергии такой системы
нуклонов, энергия связи которой может освобождаться, а не
возникновение процесса деления (или синтеза), в результа-
те чего освобождается ядерная энергия, а получается сов-
сем другая. Поэтому возникновение термоядерной реакции
нельзя считать превращением тепловой энергии в ядерную,
как и деление ядер под действием нейтронов — превраще-
нием механической энергии в ядерную. Эти же соображе-
ния в принципе относятся и к получению аннигиляцион-
ной и химической энергий.
Следует иметь в виду также, что все виды превращений
можно разделить на две группы — превращения, способные
происходить при взаимодействии отдельных частиц, и —
в массе материи. Так, превращения аннигиляционной,
ядерной, химической и некоторых других видов энергии
могут происходить как при взаимодействии отдельных ча-
стиц, так и при взаимодействии масс вещества. Очевидно,
54
что при взаимодействии отдельных частиц в свободном про-
странстве энергия не может быть освобождена в виде тепло-
вой, упругой и некоторых других видов, присущих исклю-
чительно массе материи.
Для возникновения электродинамической энергии (так
же, как электростатической и магнитостатической) необ-
ходимо наличие заряженных частиц и поля. Если ни
того, ни другого в процессе превращения не возникает или
нет, то не возникнут и указанные виды энергии.
Вероятно, все виды кинетических (упорядоченных)
энергий могут переходить в тепловую (хаотическую). Труд-
но сказать, возможно ли такое непосредственное превра-
щение в тепловой вид для потенциальных видов энергии,
или оно всегда должно следовать через соответствующую
кинетическую форму энергии. Прямые взаимопревращения
потенциальных видов энергии, строго говоря, невозможны.
Как хорошо сказал Д. Томсон, энергия похожа на
деньги — ее можно накапливать, но она приносит пользу,
когда ее расходуют, т. е. когда один вид энергии превра-
щается в другой. Окончательный результат превращения
энергии имеет две стороны. Одна заключается в полезном
изменении строения вещества, его формы, расположения,
другая —в чисто энергетической затрате, произведенной
для этого. Так, например, для обеспечения движения поезда
химическая энергия органического горючего (уголь, нефть)
в тепловом двигателе превращается в тепловую, а затем
в механическую. Последняя же, в конце концов, снова пре-
вращается в тепловую при движении поезда в результате
трения его о воздух и рельсы, а тепло рассеивается в окру-
жающем пространстве. Таким образом, при перемещении
людей им, собственно говоря, не сообщается никакой по-
лезной энергии при отсутствии подъемов и спусков (расход
энергии на подъеме компенсируется ее отдачей на обрат-
ном спуске).
Соображения этого рода лишают почти всякого смысла
разговоры о полном коэффициенте полезного действия при
расходе энергии. То, что получается, качественно отли-
чается от того, что расходуется, или, правильнее сказать,
преобразуется. Большая часть способов практического ис-
пользования энергии имеет целью не ее накопление, а иное
размещение материи.
Лишь в некоторых случаях, например, когда энергия,
содержащаяся в пище, превращается в организме животных
55
(и человека) в другие виды энергии — тепловую, механи-
ческую (мускульную), электрическую (для осуществления
некоторых процессов внутри организма), можно рассмат-
ривать полный к. п. д. Другим примером может служить
выплавка (восстановление из окислов и сульфидов) металла.
Здесь тоже уместно говорить о коэффициенте полезного дей-
ствия — какая доля энергии сжигаемого на сталелитейном
заводе угля затрачивается на выделение атомов железа из
руды? В настоящее время доля эта не очень велика, она со-
ставляет всего 18%.
Однако на практике оценка эффективности работы энер-
гетических установок всех видов всегда производится по
величине коэффициента полезного действия. Дело в том, что
значение к. п. д. здесь относится не к конечному результату
(например, перемещению людей в пространстве), а к тому,
который получается в данной энергетической установке
в форме того вида энергии, который непосредственно не-
обходим для получения конечного результата (котельная —
тепло, электрическая — электроэнергия, силовая — меха-
ническая энергия). Подробнее об этом сказано в § 10.
§ 8. Закономерности превращения энергии
Закономерности превращения одних видов энергии
в другие в наиболее общей форме устанавливаются термо-
динамикой — наукой, основывающейся на трех опытных
началах, или законах (главным образом на первых двух)
и некоторых вспомогательных понятиях молекулярно-ки-
нетической и квантовой теории.
В соответствии с первым законом термодинамики — за-
коном сохранения энергии, количество освобожденной
внутренней энергии (ядерной, химической, тепловой
и т. п.) du системы должно быть равно сумме количеств полу-
ченной энергии упорядоченного движения (механической,
электрической и др.) б IF и энергии неупорядоченного дви-
жения (и взаимодействия) — тепловой 67, du = + б IF.
Соотношение между 6q и 61F зависит от условий осуще-
ствления процесса превращения (от «пути перехода» систе-
мы из одного состояния — начального в другое — конеч-
ное).
В соответствии со вторым законом термодинамики —
законом вероятного изменения состояний, всякая изолиро-
ванная система претерпевает только такие изменения, ко-
56
торые приводят ее к наиболее вероятному состоянию. Функ-
ция, указывающая направление этих изменений, называет-
ся энтропией: S = Ипдо.
Легко показать, что для тепловых обратимых процессов
S = £ , a dS = ;
для необратимых ds > у. Для изолированных — адиабат-
ных систем (dq = 0) соответственно dS > 0, где k — по-
стоянная Больцмана (k = 1,380.10“23 дж/град), w — термо-
динамическая вероятность, q — количество передаваемого
тепла, Т — температура.
Сказанное выше означает также, что упорядоченное
движение само собой стремится превратиться в неупорядо-
ченное, а концентрированная энергия — в рассеянную:
S = ИпГ.
Здесь D — количественная мера, например, атомной не-
упорядоченности в рассматриваемом теле. Неупорядочен-
ность, которую она выражает, состоит частично в тепловом
движении, частично — в том, что атомы и молекулы разных
видов смешиваются чисто случайно вместо того, чтобы быть
полностью разделенными. Всякий приток тепла увеличи-
вает интенсивность теплового движения, т. е. увеличивает
D и, таким образом, повышает энтропию.
В качестве третьего закона термодинамики часто рас-
сматривают так называемую тепловую теорему В. Нернста,
в соответствии с которой с приближением абсолютной тем-
пературы к нулю энтропия также стремится к нулю, т. е.
молекулярная неупорядоченность перестает влиять на фи-
зические явления.
Открытие Нернста было подсказано тем фактом, что да-
же при комнатной температуре энтропия играет удивитель-
но незначительную роль во многих химических реакциях
(и особенно в тех, где число молей исходных и конечных про-
дуктов реакции одинаково и, следовательно, AS 0 — без
учета необратимости).
Для простоты в термодинамике в качестве основной си-
стемы рассматривают «идеальный газ», т. е. такой не суще-
ствующий в природе газ, размер молекул которого равен
нулю, а силы взаимодействия между ними отсутствуют.
Параметры состояния такого газа — давление р, темпера-
57
тура Т и удельный объем v связаны между собой уравнением
состояния
pv = ЯрТ,
где 7?^ — универсальная газовая постоянная, равная
8315 дж/кг-град. Для каждого газа газовая постоянная
имеет значение, зависящее от молекулярного веса
7? = дж/кг- град.
г
R выражает работу, которую может совершить 1 кг иде-
ального газа при изменении температуры на один градус
в процессе при постоянном давлении. Отсюда следует, что
газы обладают различными энергетическими возможностя-
ми. Так, если изменить на 1 градус температуру воздуха, то
можно получить 284 дж/кг механической энергии, в то вре-
мя как при использовании самого легкого газа — водо-
рода это значение достигает 4162 дж/кг.
Между прочим, постоянную Больцмана можно предста-
вить себе как бы «газовой» постоянной для одной молекулы,
т. е.
где TVa — число молекул в моле любого газа (число Аво-
гадро, TVa = 6,024-1023).
В реальных условиях приходится иметь дело с газами
(и парами), молекулы которых имеют определенные, раз-
личные размеры, а силы взаимодействия между ними
(ван-дер-ваальсовы силы) имеют заметное значение. Урав-
нение состояния таких реальных газов может быть выра-
жено приближенно в следующем виде
(p+ty(v-b) = RT.
Здесь а, b — постоянные, зависящие от природы данного
реального газа (пара); а — зависит от сил взаимодействия,
b — от объема молекул.
Рассеяние энергии, как уже отмечалось выше, проис-
ходит путем превращения всех ее видов в тепло, последую-
щее превращение которого в другие виды энергии ограни-
чено коэффициентом полезного действия цикла Карно
Пк-1-р,
*1
58
где Ti — температура нагрева-
теля, Т2— температура холо-
дильника, 7\ > Т2. Это выра- т,
жение показывает, что к. п. д.
преобразования тепловой энер-
гии в любой другой, упоря-
доченный вид зависит от соот- т
ношения температур систем, 2
откуда подводится энергия (на-
греватель) и куда она отво-
дится (холодильник).
Действительно, уже в соот- Рис. 1. Цикл Карно
ветствии со вторым законом
термодинамики, получение других видов энергии из тепло-
вой может обеспечиваться только переходом к более веро-
ятному состоянию. Тепловой уровень системы должен быть
выше уровня окружающей среды, чтобы соответствующая
передача тепла, переход к более вероятному состоянию,
были возможны. Знание одной только полной энер-
гии, включая и тепловую, какой-либо системы ничего не
говорит о том, насколько полезна эта энергия на практике,
поскольку тепловой уровень окружающей среды не позво-
ляет использовать всю тепловую энергию системы полностью.
Цикл Карно позволяет получить в данном темпера-
турном интервале максимальное количество упорядочен-
ного вида энергии из тепловой. В координатах температу-
ра— энтропия он приведен на рис. 1.
По изотерме происходит изменение состояния системы при
подводе тепла и поддержании температуры постоянной и
равной температуре нагревателя. Количество подведенного
тепла определится произведением температуры на изме-
нение энтропии. По адиабате, когда теплообмена с внешней
средой нет и энтропия системы не меняется, происходит по-
нижение температуры до температуры холодильника. Сно-
ва по изотерме, но уже при температуре холодильника,
происходит отвод тепла. Его отводится меньше, так как хо-
тя и энтропия изменяется на столько же, что и при подводе
тепла, уровень температур ниже. И, наконец, по адиабате
происходит увеличение температуры, и система возвра-
щается к первоначальному положению. Очевидно, разность
подведенной и отведенной тепловой энергии превращается
в другую форму, а отношение этой разности к подведенно-
му теплу равно к. п. д. преобразования. Отсюда и полу-
59
чается выражение к. п. д. цикла Карно, зависящее только
от соотношения максимальной и минимальной темпе-
ратур.
Одной из главных задач при осуществлении экономич-
ных процессов превращения энергии (за исключением, ко-
нечно, процессов, имеющих своей целью получение тепла)
в преобразователях энергии (и других машинах и приборах)
является приближение к изотермическому протеканию
процессов и исключение или уменьшение тепловых потерь.
Максимальный выход энергии упорядоченного движе-
ния — «максимальная работа», которую система может со-
вершить при изотермическом изменении состояния, полу-
чается, если процесс протекает обратимо, т. е. бесконечно
медленно и без трения. Эта максимальная работа при со-
хранении объема системы неизменным равна разности зна-
чений свободной энергии F в начале и в конце процесса
F. — F2 = AF = A U — Г AS,
а при неизменном давлении — разности свободных энталь-
пий G (термодинамических потенциалов Гиббса)
G. — G2 = AG = М — TAS.
Энтальпия системы I — U + pv выражает ее полную
энергию: внутреннюю (U) и «внешнюю» (pv), т. е. упругую
энергию, запасенную системой в результате наличия давле-
ния внешней среды (р).
Произведение ТAS называют связанной энергией. Это
та часть внутренней (потенциальной) энергии системы, ко-
торая не может быть использована после ее освобождения
(при изменении энтропии в процессе превращения) в связи
с наличием окружающей среды с температурой Т.
Таким образом, наряду с понятием энергии большую
роль в энергетических превращениях играет понятие эн-
тропии. Некоторые исследователи придают понятию энтро-
пии даже большее значение, чем понятию энергии. Вот
что пишет А. Зоммерфельд: «В гигантской фабрике есте-
ственных процессов принцип энтропии занимает место ди-
ректора, который предписывает вид и течение всех сделок.
Закон сохранения энергии играет лишь роль бухгалтера,
который приводит в равновесие дебет и кредит»\ Иллюстри-
1 См. А. Зоммерфельд. Термодинамика и статистическая
физика. ИЛ, 1955, стр. 59—60; 429—430.
60
руя это положение, он приводит интересный пример из ра-
боты другого исследователя Р. Эмдена. Рассмотрим его.
На вопрос, почему мы топим зимой, неспециалист отве-
тит: чтобы сделать комнату теплее; «знаток» термодинами-
ки выразится, возможно, таким образом: чтобы подвести
недостающую энергию. В таком случае правым окажется
неспециалист. И вот почему.
Предположим, что давление воздуха в комнате всегда
равно атмосферному. Энергия единицы массы воздуха
в комнате равна:
ий= CVT,
где Cv — теплоемкость в процессе при постоянном объеме,
и, следовательно, энергия единицы объема равна
£71 = CvpT	(а)
(р =-----удельная плотность)
или при учете уравнения состояния:
Следовательно, количество энергии в комнате не зависит от
температуры, полностью определяясь барометрическим дав-
лением. Вся энергия, которую мы вводим в комнату при
отоплении, уходит вместе с расширившимся при нагрева-
нии воздухом через поры в стенах наружу.
Почему же мы все-таки топим? По той же самой причине,
по которой жизнь на Земле была бы невозможна без сол-
нечного излучения. При этом дело заключается не в па-
дающей энергии. Последняя будет снова излучена вплоть
до пренебрежимо малой доли, подобно тому, как человек
не меняет своего веса, несмотря на принятие пищи. Усло-
вия нашего существования требуют известной температуры
тела. Чтобы ее поддерживать, используется не увеличение
энергии, а понижение энтропии.
Энергия, подводимая при нагревании комнаты, согласно
Эмдену, вновь уходит из комнаты в виде внутренней энер-
гии воздуха, выходящего из комнаты. Однако в уравнении
Эмдена (а) упущен из виду тот факт, что энергия всегда опре-
делена лишь с точностью до некоторой постоянной. По-
этому уравнение (а) нужно заменить следующим уравне-
61
нием:
(/-t/0==G (T-П).
Здесь То может означать любую температуру выше темпе-
ратуры конденсации, при которой еще справедливо урав-
нение состояния идеального газа. Таким образом, посколь-
ку Ui = р U, имеем:
Ui = CvpT + p/t/0 — CVT$).
Здесь первый член в правой части не зависит от Т в силу
уравнения состояния рТ = pp/R. Однако этого нельзя ска-
зать о втором члене, который благодаря большой теплоте
испарения положителен и значительно превосходит первый
член. Следовательно, Эмден не прав, ограничиваясь в сво-
их уравнениях (а) и (6) только первым членом. Однако
можно показать, что второй член (опять благодаря условию
р = pp/RT) уменьшается при нагревании. Следовательно,
плотность энергии не остается постоянной, как полагает
Эмден, а даже уменьшается при отоплении. Тем более ока-
зывается справедливым достойный внимания вывод об уде-
лении большего внимания энтропии по сравнению с энер-
гией.
Заметим, однако, что это относится лишь к области чи-
сто тепловых явлений или явлений, сопровождающихся
заметными выделениями или поглощениями тепла.
§ 9. Хранение и перенос энергии
Для целей практического использования имеет особое
значение способность различных видов энергии к хране-
нию и переносу — передаче на расстояние. .
Все потенциальные виды энергии являются естествен-
ными хранилищами энергии — аннигиляционная, ядер-
ная, химическая и др. Труднее сохраняются тепловая энер-
гия, механическая. Остальные виды энергии в своем есте-
ственном состоянии хранению не поддаются, но могут быть
сохранены, превратившись в другие виды энергии. На-
пример, электродинамическая энергия сохраняется в виде
электростатической, химической и т. п.
Естественно, что выгоднее сохранять большое количе-
ство энергии в малом объеме и малом весе вещества. С этой
точки зрения самым выгодным видом энергии является
аннигиляционная, обладающая наибольшей концентрацией,
62
затем идут ядерные — синтеза и деления, потом химиче-
ская и т. д.
Обычно хранение энергии осуществляется с помощью
преобразователей энергии (путем превращения одних ви-
дов энергии в другие), поэтому более подробно мы рассмот-
рим этот вопрос после преобразователей энергии (см. § 27).
А сейчас перейдем к вопросу о переносе энергии, который
можно обсудить, не зная преобразователей энергии.
Перенос энергии можно рассматривать, так сказать,
с двух точек зрения — теоретической и практической.
В первом случае чаще употребляют термин «перенос» энер-
гии, а во втором — «передача» энергии. 1
Впервые понятие о «переносе» или «движении» энергии
было введено Н. А. Умовым в 1874 г. в работе «Уравнения
движения энергии в телах». Он говорит в ней об энергии
вообще, т. е. энергии любого вида, и отказывается от каких-
либо гипотез о характере потенциальной энергии. «Задача
нашего труда,— пишет Умов,— заключается в установле-
нии на общих началах учения о движении энергии в средах»х.
В первом, важнейшем разделе работы Н. А. Умов вводит
представление о пространственной локализации энергии
в среде (теле); энергия рассматривается как определенным
образом распределенная в пространстве. Умов вводит здесь
также понятия плотности энергии, скорости движения
энергии, потока энергии и получает математическое выра-
жение закона сохранения энергии в двух формах: в диффе-
ренциальной — в виде уравнения непрерывности для эле-
мента объема тела — ив интегральной — для всего тела
(среды).
Чтобы получить выражение закона сохранения энергии
для элемента среды, Умов пользуется аналогией между по-
током энергии и потоком сжимаемой жидкости; первый под-
чиняется закону сохранения энергии, второй — закону
сохранения вещества. Следуя методу, применяемому в гидро-
динамике для вывода уравнения неразрывности (или непре-
рывности), Умов получает уравнение закона сохранения
энергии в форме уравнения непрерывности:
dW __dW(dx I	. dWdiz
~ l) x ~ ~d~x	U)
1 H. А. Умов. Избранные сочинения. Гостехиздат, 1950,
стр. 151.
63
где W — плотность энергии, а сох, со^, со2 — слагаемые по
прямоугольным осям координат скорости, с которой энер-
гия движется в рассматриваемой точке среды.
Оно вполне аналогично уравнению непрерывности ве-
щества и может рассматриваться как уравнение непрерыв-
ности энергии.
Умов указывает, что выражение (1) открывает связь меж-
ду количеством энергии, отнесенным к единице времени,
втекающем в среду через ее границы, и изменением количе-
ства энергии в среде:
SS	dx ду dz+S w®ndl=°*
Рис. 2. Вектор Умова —
Пойнтинга (пунктиром по-
казан элемент провода,
по которому течет ток)
где тройной интеграл распространяется на весь объем сре-
ды, dl представляет элемент ее границы и <йп есть скорость
движения энергии по внешней нормали п к элементу грани-
цы, т. е. №ып = Кп — слагающая вектора плотности пото-
ка энергии в направлении нормали.
Во втором и третьем разделах работы Н. А. Умов иссле-
дует законы движения энергии для ряда конкретных слу-
чаев: движения энергии в упругих телах, в жидких средах
и, наконец, при переносе энергии между взаимодействую-
щими телами, отделенными пространственно друг от друга.
В каждом случае он получает выражения компонент
вектора плотности потока энергии («уравнения движения
энергии» — по терминологии Умо-
ва).
По существу, Умов по-новому
формулирует закон сохранения
энергии, дополняя его принципом
близкодействия.
Рассматривая перенос энергии
при взаимодействии тел на рассто-
янии, Н. А. Умов полагает, что
между взаимодействующими телами
происходит обмен энергией, причем
энергия от одного тела к другому
передается посредством промежу-
точной материальной среды. Без
последней не может быть взаимодей-
ствия. Он категорически отрицал
64
теории дальнодействия, в ту пору еще весьма распростра-
ненные. Таким образом, взаимодействие, по Умову, свя-
зано с наличием потока энергии, идущего от одного взаимо-
действующего тела к другому.
В качестве «меры скорости энергии в заданном направле-
нии и в заданной точке» Умов предлагает принять «отноше-
ние количества энергии, протекающей в этом направлении
через единицу площади, к плотности энергии в данной точ-
ке», т. е.
СО9 =K/W.
Рассмотрим в качестве примера перенос электромагнит-
ной энергии. В этом случае плотность потока энергии /С
определяется вектором Умова — Пойнтинга 1 Р.
К=Р - [ЕН],
где Е и Н — напряженности соответственно электрическо-
го и магнитного полей, Р перпендикулярен векторам по-
ля Е и Н (рис. 2).
Плотность электромагнитной энергии равна
W = ~ [еЕ2 + и#2],
где 8 и(х — соответственно электрическая и магнитная про-
ницаемости среды.
Тогда скорость переноса электромагнитной энергии бу-
дет равна	_
Р
(0э —	.
И, не приводя математических выкладок, на основе тео-
рии Максвелла получим (в гауссовой системе единиц):
т. е. в пустоте электромагнитная энергия переносится со
скоростью света с — 3 108 м/сек, а в какой-либо среде в
j/ер, раз медленнее.
По Умову, перенос энергии неразрывно связан с пере-
носом материи. Иными словами, энергия должна иметь
материального носителя. Таким носителем для электромаг-
нитной энергии являются фотоны, для электродинамиче-
1 Пойнтинг позднее Умова ввел это понятие лишь применительно
к электромагнитной энергии.
5 Преобразование энергии	65
ской — электроны, гравидинамической — гравитоны и т. д.
Таким образом, еще раз утверждается положение о том, что
без материи нет энергии.
Но обратимся к практическому примеру — переносу
электрической энергии по проводам. Каким образом элек-
троны выполняют роль носителей энергии? Перемещаются
сами на тысячи километров или используют каких-то по-
средников?
Рассмотрим провод, имеющий радиус г, по которому течет
ток плотностью j (рис. 2). Напряженность магнитного поля
1
на поверхности провода будет равна Н = у rj. Вектор
Умова — Пойнтинга будет направлен внутрь проводника,
так как напряженность поля и вектор тока совпадают по
направлению. Численное значение Р можно определить из
следующего выражения:
Р = ЕН = '^-,
а 2а ’
где о — удельная проводимость (Е = у).
Поток энергии (поток вектора Р), поступающий в уча-
сток провода длиной I, будет равен
—	72	/2
P2nrl = -!-лгЧ =
G	б ’
р
где V — объем рассматриваемого участка провода, а у —
джоулево тепло, выделяющееся в единице объема провода.
Таким образом, поток вектора Умова — Пойнтинга посту-
пает в провод и приносит энергию в количестве, как раз рав-
ном расходу ее на джоулево тепло.
Такова картина распространения электромагнитной
энергии вдоль проводов. Следовательно, если электриче-
ский ток включается в Куйбышеве, а электрическая лам-
почка загорается в Москве, то энергия доставлена электро-
магнитными волнами, а не принесена первыми электронами,
начавшими движение вдоль провода.
Таковы общие теоретические представления о переносе
энергии, введенные Н. А. Умовым и не изменившиеся в ос-
новном до сего времени.
Практическое значение переноса энергии — передачи
ее на большие расстояния — общеизвестно.
66
В принципе, любой вид энергии в его неизменном состо-
янии может быть перенесен с места на место в пространстве.
Разница будет состоять лишь в следующем: 1) в количестве
энергии, переносимой с единицей количества материи;
2) в величине потерь энергии при переносе; 3) в затратах
средств на перенос энергии; 4) в возможности и эффек-
тивности практического использования переносимого вида
энергии.
Энергию вещества, как известно, можно передать на рас-
стояние вместе с веществом: горючим или топливом — для
аннигиляционной, ядерной и химической энергии; сжатой
пружины или газа — для упругой энергии; путем переда-
чи, например, по канату груза на одном уровне от земной
поверхности, или передачи по трубам воды (жидкости) —
для гравистатической энергии; конденсаторами — для
электростатической энергии; индуктивностями — для маг-
нитостатической энергии; различного рода инерционно-
маховыми устройствами — для механической энергии; мож-
но себе представить и перенос тепла в теплоизолированном
сосуде с массами нагретых жидкостей и твердых тел и т. д.
Энергия полей переносится на расстояние фотонами,
гравитонами, мезонами, нейтрино. Особый интерес пред-
ставляет перенос энергии нейтрино, вследствие их огромной
проникающей способности, однако восприятие этой энергии
пока не представляется возможным.
Промышленность ограничена в выборе средств передачи
энергии экономическими и техническими соображениями.
Так, например, передача электроэнергии по воздушным
линиям очень высокого напряжения (400 кв) ограничивает-
ся расстояниями 1000—1200 км. Современные подводные ка-
бели позволяют передать электроэнергию через моря лишь
на расстояние, не превышающее 100 км.
Это значительно осложняет оценку возможностей тран-
спортировки различных видов энергии в зависимости от
конкретных условий. Например, если энергию надо тран-
спортировать через море, то электрическую энергию можно
«передавать» косвенным путем в готовых изделиях, напри-
мер в алюминии, производство которого требует затрат
большого количества электроэнергии.
Передача на большие расстояния по воздушным линиям
целесообразна только для гидроэнергии (т. е. электроэнер-
гии, выработанной на гидроэлектростанциях), поскольку
транспортировка электроэнергии, выработанной на тепло-
67
5*
вой электростанции, оказывается менее выгодной, чем тран-
спортировка угля, в особенности там, где последний имеет
высокое качество (большое энергосодержание). Тем более
целесообразно транспортировать на большие расстояния
вместо электроэнергии нефть и природный газ — по трубо-
проводам.
С другой стороны, при транспортировке энергии надо
учитывать величину капитальных затрат. Например, ока-
зывается, что при учете стоимости постройки линий электро-
передачи и потерь электроэнергии (потери в линиях и
трансформаторах, потери в устройствах, предназначенных
для стабилизации и регулирования режима) стоимость пере-
дачи 150 000 кет на 400 км равна половине стоимости по-
стройки тепловой электростанции той же мощности.
Транспортировка угля обходится потребителям в среднем
12% его продажной цены. Стоимость морской перевозки
нефтепродуктов, получаемых странами Запада с Ближнего
Востока (считая стоимость отгрузки с нефтеочистительного
завода), составляет около 25% от их цены. Наконец,
стоимость транспортировки природного газа при помощи
газопроводов примерно в 2 раза выше стоимости тран-
спортировки нефти по нефтепроводам (в пересчете на то же
количество джоулей). Эта цифра могла бы быть значитель-
но ниже, если бы газ транспортировался в жидком состо-
янии.
На рис. 3 и 4 приведены графические зависимости, даю-
щие представление о затратах на передачу энергии наибо-
лее известными средствами.
Не меньшее значение имеет возможность и эффективность
использования переносимых видов энергии. Так, например,
коэффициент использования электрической энергии состав-
ляет для подавляющего числа отраслей народного хозяй-
ства около 100%. Химическая энергия каменного угля,
бурого угля и кокса в промышленности используется на
55%, в быту на 40%, а на транспорте (железные дороги) —
всего лишь на 4%. Химическая энергия продуктов перегон-
ки нефти — дистиллатного нефтетоплива и мазута исполь-
зуется в промышленности на 60%, в быту на 55—60%,
в сельском хозяйстве и на транспорте на 25%; коэффици-
ент энергетического использования бензина (в основном он
применяется на транспорте) составляет 20%. Энергия, пе-
реносимая горючими газами, используется в промышлен-
ности на 80%, в быту на 60%, а на транспорте на 20—25%.
68
Эти данные объясняют стремление передавать энергию
электрическими методами, т. е. в виде электродинамической
или электромагнитной энергии.
Рис. 3. Себестоимость переноса энергии С на различные
расстояния I (ориентировочно)
1 — по железным дорогам при теплоте сгорания от 12 до 24 тыс.
кдж/кг\ 2 — горючих газов по газопроводам; 3 — электроэнер-
гии по линиям передачи переменного тока напряжением 600 кв
при разной стоимости потерь энергии (от 0,1 коп/квт-ч
&Q 0,5 коп/квт-ч)\ 4— электроэнергии по линиям передачи пос-
тоянного тока напряжением 600 кв при разной стоимости
потерь энергии (0,1—0,5 коп/квт-ч)
Пока что широкое (и единственное) распространение
получила передача электромагнитной энергии вдоль ме-
таллических проводов. Однако в последние годы взоры ис-
следователей и инженеров привлекают две другие возмож-
ности: передача электромагнитной энергии внутри трубо-
проводов (по волноводам), предложенная в 1952 г. П. Л. Ка-
пицей и его сотрудниками; и передача электромагнитной
энергии без проводов и трубопроводов, предложенная еще
в 1884 г. Николой Тесла.
Вот как аргументирует свое предложение П. Л. Капица:
«Хорошо известно, что в любой -линии электропередачи
поток энергии проходит вне проводника. Наибольшая
69
мощность, которая может быть передана по линии, опреде-
ляется интегралохм от вектора Пойнтинга
P = [EH]FdF,
где с — скорость света, Е и Н — амплитуда напряженности
электрического и магнитного полей в поперечном сечении
Рис. 4. Удельные капитальные затраты К на перенос энер-
гии (ориентировочно)
1 — электропередача переменного тока напряжением 500 кв,
2 — электропередача постоянного тока напряжением 600 кв;
3 — газопровод; 4 — железные дороги для перевозки угля
различной теплоты сгорания (от 12 до 24 тыс. кдж[кг) при
сооружении новой дороги; 6 — то же при расширении старой
дороги
(F = const) линии передачи, dF — элемент площади этого
сечения вне металла. Чтобы передавать большие мощности,
напряженность поля нужно сделать по возможности боль-
шой. На практике величину Е ограничивает диэлектриче-
ская прочность воздуха — в обычной линии передачи по-
верхность у самых проводов, где Е достигает своего наиболь-
шего значения; поэтому линии передачи приходится делать
из проводов большого сечения. Для передачи энергии
по волноводам справедливо то же выражение (а), поэтому
при больших мощностях тоже придется иметь большие зна-
чения Е, Однако внутри волновода поле распределяется
более равномерно по сечению, чем в случае цилиндриче-
ского провода, и поэтому возникновение пробоя затрудне-
но. Этим открывается возможность передачи больших
мощностей по волноводу небольшого сечения.
70
Например, если допустить пятикратный запас диэлек-
трической прочности воздуха, приняв за допустимую нап-
ряженность поля 6000 в!см, то из выражения (а) получаем,
что через сечение волновода в один квадратный метр можно
передавать до 1 миллиона киловатт»1.
К преимуществам волновода относится отсутствие необ-
ходимости в изоляции, меньшие потери в линии передачи,
а также отсутствие таких недостатков открытых передач по
проводам, как подверженность грозовым разрядам, пере-
напряжениям, коронные разряды и т. д.
Прокладка трубопроводов под землей обеспечивает пол-
ную безопасность передачи энергии.
Очень просто использовать передаваемую таким обра-
зом энергию для нагревания: достаточно направить ее пря-
мо по трубам в металлургическую печь определенной фор-
мы, где она будет поглощаться и нагревать металл до очень
высоких температур без применения особых электродов.
Таким же образом можно разогревать грунт на больших
глубинах через буровые скважины и т. п.
Недостатком такого способа передачи энергии является
пока еще малая экономичность, т. е. большие потери энер-
гии при превращении электродинамической энергии в элек-
тромагнитную и обратно в преобразователях, называемых
планотронами и магнетронами, на концах линии передачи.
Передача электромагнитной энергии в свободном про-
странстве с помощью направленного луча возможна только
при коротких длинах волн. Трудности ее осуществления
связаны с возможностями генерации таких волн, предот-
вращением потерь при передаче энергии через воздушную
среду, созданием достаточно направленного «луча» с малым
рассеиванием и эффективным превращением передаваемой
электромагнитной энергии в используемые виды энергии.
В 1899 г. Н. Тесла построил в Колорадо большую радио-
станцию мощностью 200 кет и осуществил передачу электро-
магнитной энергии на расстояние 1000 км. При этом на рас-
стоянии в 25 км ему удалось передать энергию, достаточ-
ную для свечения электроламп и работы небольших электро-
моторов. Затем Н. Тесла провел опыты по возбуждению
стоячих волн в Земле и после этого сосредоточил все
1 П. Л. К а п и ц а. Электроника больших мощностей. Изд-во
АН СССР, 1962, стр. 148.
71
усилия на разработке системы передачи электромагнит-
ной энергии через свободное пространство Земли.
Как известно, все эти весьма эффектные опыты не
имели развития и почти не нашли практического приме-
нения, вследствие указанных выше больших потерь энергии.
Однако прогресс науки и техники в последние годы дает
некоторые основания для благоприятных прогнозов в раз-
витии этого направления. Основную роль в этом отношении
сыграли успешные разработки высокочастотной техники,
и особенно успехи в изучении и разработке оптических
квантовых генераторов. Последние достижения в этой об-
ласти позволяют превратить электродинамическую энергию
с помощью полупроводникового лазера в электромагнитную
с к. п. д., близким к 100%, такая же возможность открыта и
для обратного превращения.
Таким образом, намечаются пути решения проблемы
потерь в начале и в конце «линии» передачи. Потери при
движении луча (со скоростью света) в воздушном простран-
стве уменьшаются с уменьшением длины волны. В некото-
рых оптических квантовых генераторах удалось добиться
очень малого расхождения (рассеивания) пучка излучаемой
энергии при очень ее высокой концентрации (особенно в им-
пульсном режиме). Мощность, передаваемая таким спосо-
бом, составляет 1018 квт/м?, т. е. в 1012 раз превосходит
мощность, которую способен передать волновод.
Правда, для практического осуществления таких систем
требуется решить большое количество научных и техни-
ческих проблем.
Нельзя не упомянуть об использовании электрической
и электромагнитной индукции для передачи энергии на
небольшие расстояния — от сантиметров до нескольких
метров. Такой высокочастотный электронагрев применяет-
ся, например, для поверхностной закалки стальных изде-
лий, сушки, стерилизации, плавления высококачественных
сплавов и т: п. Этот метод может быть использован и для
беспроводной передачи энергии наземному транспорту при
помощи токов высокой частоты. Подобная установка впер-
вые в мире была продемонстрирована в Москве в 1943 г.
В 1958 г. была передана в промышленную эксплуатацию
аналогичная установка подземного транспорта для одной
из шахт Донбасса.
ГЛАВА ВТОРА Я
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ
§ 10. Общие сведения
Преобразователи, или генераторы энергии, представляют
собой устройства, в которых происходит превращение од-
них видов энергии (их часто называют источниками энер-
гии) в другие виды энергии — полезные, или рабочие.
Преобразователи энергии бывают простыми, в которых
происходит один этап превращения, и сложными — со-
стоящими из нескольких простых преобразователей.
Сложные преобразователи энергии, включающие вспо-
могательные устройства (например, насосы), называют
энергетическими установками.
Поскольку основными полезными видами энергии яв-
ляются электрическая, механическая и тепловая, часто
сложные преобразователи энергии называют соответ-
ственно энергетическими, силовыми и тепловыми установ-
ками. Чтобы избежать путаницы, мы будем в дальнейшем
пользоваться обобщающими терминами — преобразова-
тель энергии и генератор энергии, стараясь применять
первый в случаях, когда надо указать источник энергии (на-
пример «преобразователи ядерной энергии»), а второй,
когда надо указать получаемый полезный вид энергии (на-
пример «генераторы электрической энергии»).
Человек использует непосредственно в своей деятель-
ности главным образом четыре вида энергии — электриче-
скую, механическую, тепловую и световую. Основными
источниками энергии являются солнечная, химическая и
ядерная энергия. В соответствии с этим уже известные
и широко применяющиеся простые преобразователи, или ге-
нераторы энергии, можно разделить на следующие четыре
группы.
73
/. Генераторы тепла — теплогенераторы
а)	химические (ХТГ) — печи, топки котлов, камеры сго-
рания и др.;
б)	ядерные (ЯТГ) и термоядерные (ТЯТГ) — реакторы,
ядерные батареи, генерирующие тепло;
в)	электромагнитные — высокочастотные установки
(ВЧУ) для поверхностной закалки, сушки и т. п.;
световые (СТГ) — солнечные печи, котельные установки,
квантовые оптические генераторы (лазеры);
г)	электрические (ЭТГ) — электрические печи (в том
числе электродуговые), плазматроны, котлы;
д)	механические (МТГ) — ударные трубы, тормозные
устройства.
2.	Генераторы электрической энергии — электрогенера-
торы
а)	химические (ХЭГ) — гальванические элементы
(включая аккумуляторы), топливные элементы;
б)	ядерные (ЯЭГ) — ядерные батареи, генерирующие
электричество, реакторы, позволяющие непосредственно
превратить ядерную энергию в электрическую;
в)	электромагнитные: волновые сверхвысокочастотные —
обращенный магнетрон, планотрон и т. п.; световые (СЭГ) —
фотоэлементы;
г)	тепловые (ТЭГ)— различные термоэлектрические и
термоэмиссионные преобразователи;
д)	механические машинные (МЭГ) — обычные ротацион-
ные электрогенераторы;
е)	механические безмашинные, термоэлектромагнитные
(ТЭМГ) — магнитогидродинамические и свободнопоршне-
вые преобразователи.
В последнее время, когда появилась возможность полу-
чать электроэнергию непосредственно из химической, теп-
ловой и ядерной энергии, электрогенераторы стали разде-
лять на машинные и безмашинные, первые включают в себя
твердые движущиеся элементы (например, ротор электро-
генератора), а вторые — нет.
3.	Генераторы механической энергии — двигатели.
а)	тепловые (ТМГ или ТД) — практически все двигате-
ли, применяющие расширительные устройства для нагре-
того газа или плазмы (поршневые, турбинные и сопловые,
включая двигатели со свободным расширением).
Тепловые двигатели можно подразделить на химические
(ХМГ или ХД) — двигатели, работающие на химической
74
энергии топлива, ядерные тепловые (ЯТМГ или ЯТД) —
двигатели, использующие нагрев рабочего тела в реакторе,
электрические тепловые (ТЭМГ или ТЭД) — двигатели, ис-
пользующие электрический нагрев рабочего тела (плазмо-
троны);
б)	ядерные (ЯМГ или ЯД) — реакторные двигатели,
использующие для создания реактивной тяги кинетиче-
скую энергию продуктов деления ядер без превращения ее
в тепловую, изотопные — ядерные батарейные двигатели,
термоядерные двигатели (ТЯД);
в)	электрические (ЭМГ или ЭД)— обычные ротацион-
ные электродвигатели постоянного или переменного тока;
г)	электромагнитные (ЭМГ или ЭМД) или электроракет-
ные двигатели (ЭРД) (плазменные, ионные и т. п.);
д)	световые (СМГ или СД) — солнечный парус, фотон-
ные ракетные двигатели;
е)	механические (ММГ или МД) — двигатели, работаю-
щие на таких механических источниках энергии, как дви-
жение воды в реках и морях (приливы и отливы), ветер.
4.	Генераторы света
а)	химические (ХСГ) — фосфор и др.;
б)	ядерные (ЯСГ) — ядерные светильники;
в)	тепловые (ТСГ) —электролампы накаливания, керо-
синовые лампы, свечи и т. п.;
г)	электрические (ЭСГ) — квантовые оптические генера-
торы (лазеры) на полупроводниках.
Источники энергии могут быть природными — есте-
ственными и искусственными. Первые называют первичны-
ми, а вторые вторичными.
В соответствии с этим преобразователи энергии можно
разделить на первичные и вторичные. К первым относятся,
например, преобразователи химической, ядерной и сол-
нечной (электромагнитной) энергии, ко вторым — преобра-
зователи электрической, механической и тепловой энергии.
(Последние два вида энергии в тех случаях, когда они полу-
чены предварительно искусственно, а не черпаются в при-
роде — энергия рек, ветра или тепло земных недр.)
С точки зрения экономии энергетических ресурсов, це-
лесообразнее, конечно, применять для получения желае-
мых полезных видов энергии первичные преобразователи
энергии, поскольку в этом случае будут исключены потери
энергии, связанные с дополнительной ступенью превра-
щения.
75
Превращение энергии в технических преобразователях
осуществляют с помощью промежуточной системы, назы-
ваемой рабочим телом, которой передается энергия от
источника. В некоторых случаях (например, в ракетной тех-
нике) рабочее тело может являться одновременно и энер-
гоносителем, имея запас энергии, например в химической
форме. Возможны и промежуточные случаи, когда рабочее
тело может являться смесью энергоносителя и массоноси-
теля.
Рабочие тела могут состоять из нейтральных частиц,
в виде газов или паров, а также частиц поля («фотонный
газ») и из заряженных частиц в виде ионизованных газов —
плазмы, электронного газа внутри твердых проводников
и полупроводников и т. п. Первые поддаются воздействию
только термических и механических сил, а вторые, кроме
того, еще и электромагнитных.
Поэтому преобразователи энергии можно разделить на
две большие группы — газовые и электронно-ионные.
Основными внешними характеристиками преобразова-
теля энергии является его мощность Nn и удельный расход
энергии источника (в единицах энергии или веса расходуе-
мого источника), приходящийся на единицу полезного вида
энергии, получаемой приемником
Легко показать, чтоб является величиной, обратной к. п. д.
преобразователя т]п =
Мощностью называют количество полезной энергии,
«вырабатываемой» преобразователем в единицу времени
или, как принято говорить, мощность есть количество ра-
боты, совершаемой преобразователем в единицу времени
у/
Уп = — (где т — время),
т
В большинстве случаев превращения упорядоченных
видов движения в упорядоченные, или получения упорядо-
ченного движения за счет запаса энергии, теоретический
к. п. д. преобразователя бывает близок к 100%. К- п. д.
превращения тепловой энергии в другие виды энергии, как
указано выше, ограничивается значениями к. п. д. цикла
Карно, а также необратимыми потерями тепла при темпе-
ратуре Л.
76
Нетрудно заметить, что мощность, т. е. работа, совер-
шенная приложенной силой на данном отрезке пути за дан-
ный отрезок времени, равна произведению силы на скорость
перемещения рабочего органа. Следовательно, мощность
преобразователя также зависит от скорости движения ра-
бочего тела и соответственно рабочего органа — поршня,
рабочего колеса турбины, ротора электродвигателя и т. п.
и приложенной к нему от рабочего тела силы (давления
газа и т. п.). С увеличением скорости мощность может
достигать огромных значений (например, мощность тепло-
вых двигателей космического корабля «Восток-2», исполь-
зующих в качестве источников химическую энергию,
составляла, как известно, 20 млн. л. с.). Увеличение силы
тоже приводит к увеличению мощности, но исходя, из тре-
бований прочности, сопровождается (при тех же материа-
лах) увеличением размеров преобразователя.
Таким образом, при одинаковом типе и размере бы-
строходный преобразователь всегда мощнее тихоходного,
а при одной и той же мощности быстроходные преобразова-
тели данного типа меньше тихоходных.
Помимо отмеченных особенностей, преобразователям
энергии многих типов свойственны еще следующие две спе-
цифические черты. Первая — это характер протекания ра-
бочего процесса: процесс может быть стационарным и пуль-
сирующим. Стационарно процесс протекает в турбинных
и реактивных двигателях, работающих с подводом тепла
при постоянном давлении, в магнитогазодинамических
электрогенераторах постоянного тока, в ядерных электро-
генераторах и двигателях, в химических электрогенерато-
рах и т. п. Пульсирующий процесс осуществляется боль-
шей частью в тепловых преобразователях — поршневых
двигателях, турбинных и реактивных двигателях с подво-
дом тепла при постоянном объеме, в магнитогазодинамиче-
ских электрогенераторах переменного тока, в некоторых
проектах ядерных и термоядерных генераторов и двигате-
лей, работающих с промежуточным выделением тепла,
импульсных ЭРД. Интересно отметить способ полу-
чения термической ионизации рабочего тела в ударных тру-
бах. При медленном сжатии до того же конечного давления
р2 достигается значительно меньшая температура /2. На-
пример, для воздуха при р2 = 1000 атм адиабатное сжатие
дает температуру t2 = 1500° С, вместо 13 700° С, получае-
мого в ударной волне.
77
Пульсирующий процесс в преобразователях с участием
первичной энергии (химической, ядерной, термоядерной)
обеспечивает обычно получение энергии активации, необ-
ходимой для инициирования основного процесса преобра-
зования энергии, одновременно он облегчает термический
режим преобразователя за счет расширения рабочего тела
в том же объеме, где происходит процесс преобразования.
Как известно из термодинамики, пульсирующие процессы
(например, в турбинных и реактивных двигателях) более
экономичны, чем стационарные. В электронно-ионных
преобразователях роль твердых поршней или клапанов,
обеспечивающих протекание пульсирующего процесса,
выполняют соответственно магнитные поршни и магнитные
пробки.
Другая черта, характерная главным образом для гене-
раторов механической энергии, это способ получения за-
данного движения объекта. Как известно, таких способов
два: активный, выгодный при малых скоростях движения
(например, для локомотивов это колесный привод) и реак-
тивный, применяющийся при больших скоростях.
В следующих параграфах мы проанализируем возмож-
ности превращения одних видов энергии в другие, не огра-
ничиваясь классификацией технических преобразователей,
приведенной выше,— чтобы представить перспективы,
имеющиеся в этой области.
§ 11. Преобразователи
аннигиляционной энергии
Таких преобразователей пока не существует ни в приро-
де, ни в технике. Однако проблема их создания уже давно
обсуждается.
Одни ученые размышляют над возможностью «подвоза»
антиобычного вещества с помощью космических кораблей
из иных миров, другие — над созданием «тары» из электро-
магнитных и гравитационных полей для его хранения и
перевозки антивещества, третьи — над созданием оружия,
выбрасывающего антиобычное вещество... Некоторые про-
екты строились на предположении, что антиобычное веще-
ство имеет отрицательную гравитационную массу, тогда
как его инертная масса может оставаться положительной.
В этом случае между планетой и космическим кораблем бу-
дут действовать вместо сил притяжения силы отталкива-
78
ния, что откроет возможности создания «антигравита-
ционных» двигательных систем...
Как известно, позитрон (антиэлектрон) был обнаружен
в 1932 г. в космических лучах, а антипротон — в 1955 г.
в мощном ускорителе бэватроне. В следующем, 1956 году,
также в ускорителе был обнаружен антинейтрон. Таким об-
разом, уже восемь лет мы имеем в своем распоряжении все
три «сорта» античастиц, необходимых для создания атомов
«антивещества» (вероятно, правильнее — «антиобычного ве-
щества»). Не говоря уже о том, что «изготовление» антиве-
щества требует огромных затрат энергии (в ускорителях)
и что сохранение его в среде вещества является весьма труд-
но разрешимой проблемой, задача соединения указанных
античастиц в антиатом тоже весьма сложна.
При взаимодействии атома и антиатома должны проис-
ходить бурные процессы аннигиляции электронно-позит-
ронных пар с образованием фотонов и нуклоно-ан-
тинуклонных пар с образованием л-мезонов, р-мезонов, фо-
тонов и нейтрино. Значительная доля энергии этих частиц
приходится на поток нейтрино, улавливать которую мы не
умеем, и очень коротковолновые у-лучи (фотоны). Наука
пока не располагает достаточным количеством данных,
которые дали бы возможность судить об эффективности ис-
пользования энергии аннигиляции.
Теория утверждает, что аннигиляция может быть выз-
вана электромагнитным и ядерным взаимодействием между
частицей и античастицей. Поэтому, вообще говоря, возмо-
жен случай, когда все продукты реакции аннигиляции
будут состоять только из электромагнитного излучения
(у-квантов — фотонов), однако вероятность этого ничтожно
мала из-за малости константы электромагнитного взаимо-
действия
__ е2 __ 1
Лэ = Ис ~ 137
по сравнению с константой ядерного взаимодействия
«я = 4- = Ю,
he ’
где — е заряд электрона, q — «ядерный заряд», И — посто-
янная Планка, деленная на 2л, с — скорость света.
Вероятность аннигиляции с испусканием п фотонов или
п мезонов пропорциональна соответственно а" или a».
79
Освобождение энергии вещества в процессе аннигиляции
можно себе представить, как и во всех прочих случаях,
когда освобождается энергия, заключенная в частицах,
в двух вариантах: при взаимодействии свободных частиц
и при взаимодействии частиц, входящих в состав некоторой
системы (тела) — газа, жидкости, твердого тела.
Рис. 5. Аннигиляционный фотонный двигатель
с размещением вещества на поверхности экрана
1 — хранилище антивещества; 2 — каналы (магнитные)
подачи антивещества; 3 — экран-отражатель; 4 — по-
ток фотонов
В первом случае энергия освобождается и может быть
использована непосредственно в виде кинетической энер-
гии вылетающих в разные стороны со световыми или около-
световыми скоростями частиц.
Практически такое получение энергии можно предста-
вить в виде организации процесса взаимодействия антиве-
щества с веществом в очень тонком (атомного размера), по-
верхностном слое последнего (рис. 5). Тогда реактивная
сила, возникающая при вылете продуктов аннигиляции,
может быть использована для перемещения соответствую-
щего устройства. Таким путем аннигиляционная энергия
будет непосредственно превращена в механическую энергию,
а соответствующее устройство по принципу своего действия
может быть отнесено к реактивным двигателям, и его мож-
но назвать аннигиляционным реактивным двигателем.
В указанной системе возникает проблема поглощения и от-
вода энергии той доли частиц, которые вылетают в сторону
экрана сопла. При хаотическом разлете на них может при-
ходиться до 50% всей выделяющейся энергии! Пробле-
ма хранения антивещества во время полета может быть ре-
шена с помощью невещественных (например, полевых)
емкостей.
80
Вследствие огромных количеств выделяемой и теряемой
энергии большую роль должна играть система охлаждения
вещественных объектов такой системы.
Принимая скорость истечения частиц равной скорости
света с и рассматривая частицы как кванты полей, имеющие
энергию, пропорциональную частоте (W = hv), а импульс
— hv
Р=— , получим следующее выражение для силы тяги ан-
нигиляционного реактивного двигателя:
г dp	dhv _ 1 dW	Wh
dx	cdx c dx c
(1УИ — энергия истекающего потока частиц, квпг).
Мощность будет равна
N = F- с (вт),
т. е., например, для тяги в 10 ньютон (около 1 кг) необхо-
димо затратить мощность N= 3-109 ватт — один миллион
киловатт (если скорость истечения частиц будет равна ско-
рости света).
Характерной чертой аннигиляционного двигателя бу-
дет зависимость в предельном случае его тяги только от под-
веденной энергии, поскольку скорость истечения близка
к скорости света и не поддается изменению.
Реакцию аннигиляции можно осуществить и вне прием-
ника энергии (рис. 6). В этом случае экран выполняет роль
паруса, который «надувается» потоком частиц, образую-
щихся в процессе аннигиляции. Как и в предыдущем слу-
чае, энергия более 50% частиц, вылетающих вперед и вбок,
будет бесполезно рассеиваться в окружающем простран-
стве.
Для того, чтобы экраны в обоих типах рассмотренных
двигателей не расплавились, они должны поглощать не
более миллионной доли (которую способна отвести систе-
ма охлаждения) падающей на них энергии.
Самые совершенные, современные экраны — зеркала
с серебряной или алюминиевой отражающей поверхностью
поглощают не менее 1% энергии инфракрасных лучей и
значительно большую долю энергии видимого света и ультра-
фиолетовых лучей. Поэтому взоры теоретиков обращены
к зеркалам из «чистого электронного газа», от которого фо-
тоны с длиной волны 10"6 — 10“3км (мягкие рентгеновские,
ультрафиолетовые и видимые лучи) отражаются с потерей
6 Преобразование энергии
81
лишь миллионной доли энергии. Однако давление в слое
электронов такого зеркала должно при этом составлять
100 миллиардов бар.
Причиной нагревания твердого зеркала является элек-
трическое сопротивление его материала микротокам, кото-
рые возникают на отражающей поверхности зеркала. Вот,
если бы изготовить зеркало из сверхпроводников, которые
3
5
Рис. 6. Аннигиляционный фотонный двигатель «па-
русного» типа
1 — запасы горючего; 2 — ускоритель частицы;
3 — ускоритель античастиц; 4 — точка аннигиляции;
5 — экран-отражатель; 6 — биологическая защита;
7 — люди,^аппаратура
при охлаждении до температур, близких к абсолютному
нулю, не оказывают никакого сопротивления электриче-
скому току, то потеря энергии тоже была бы ничтожной.
Но и здесь возникают свои технические проблемы, решение
которых также представляет большие трудности.
К. п. д. рассмотренных типов преобразователей при
самых благоприятных условиях не может достичь значе-
ний, больших 50%. Аннигиляционный преобразователь
можно использовать и для получения электрической энер-
гии. Можно улавливать энергию частиц, вылетающих с ан-
нигиляционной поверхности, экраном, способным испускать
электроны (см. рис. 9 г), называемые вторичными. Тогда,
используя возникающую разность потенциалов, можно
получить непосредственно электрическую энергию — в ви-
де электродинамической энергии (при замыкании контура,
т. е. соединении электродов), а также в виде электростати-
ческой энергии. К. п. д. преобразователей такого типа бу-
дет невелик из-за рассеяния энергии при «выбивании»
вторичных электронов на атомах. Мощность также бу-
дет невелика, а напряжения можно получить большие
(см. § 12).
82
Если когда-то удастся управлять процессом аннигиля-
ции так, чтобы изменять количественное соотношение меж-
ду различными образующимися частицами и величиной их
энергии, то аннигиляционную энергию можно будет осво-
бождать в виде электромагнитной, мезонной, нейтринной
и гравидинамической.
При облучении вещества потоком образующихся при
аннигиляции частиц можно вызвать ядерные и химические
реакции и получить атомные и нуклонные системы, об-
ладающие запасом энергии, т. е. осуществлять превраще-
ние аннигиляционной энергии в ядерную и химическую.
При втором варианте освобождения аннигиляцион-
ной энергии — в вещественной системе (газообразной,
жидкой, твердой и т. д.) будет получаться тепловая энергия.
Поскольку количество последней (его можно будет регули-
ровать изменением количества инертной части системы)
будет достаточно для образования плазмы, есть все осно-
вания рассчитывать на возможность непосредственного
получения механической энергии в результате теплового рас-
ширения рабочего тела, которую можно использовать либо
для непосредственного получения тяги, либо при дальней-
ших преобразованиях для получения электродинамиче-
ской энергии в результате взаимодействия движущегося
газообразного проводника — плазмы, состоящей из рав-
ного количества заряженных частиц разных знаков (т. е.
в целом нейтральной), с магнитным полем, наводимым из-
вне.
К. п. д. преобразователей этого типа может быть доста-
точно велик, а мощности могут достигать огромных значе-
ний.
Следует иметь в виду, что приводимые обычно ориентиро-
вочные значения к. п. д. аннигиляционных преобразовате-
лей не учитывают потерь энергии, уносимой мало взаимо-
действующими с веществом коротковолновыми у-лучами
и нейтрино. Однако, поскольку процесс аннигиляции дает
в 133 раза больше энергии, чем даже термоядерный синтез,
то в целом такие преобразователи могут быть выгоднее
(в случае, конечно, успешного решения указанных выше
проблем) термоядерных с точки зрения расхода массы но-
сителя источника энергии.
Таковы возможности освобождения аннигиляционной
энергии и перспективы соответствующих преобразователей
энергии.
83
6*
Уже этот краткий анализ показывает, как трудно удер-
жаться на позиции рассмотрения только строго непосред-
ственных превращений энергии. Действительно, анниги-
ляционная энергия, строго говоря, освобождается в виде
кинетической энергии образующихся частиц — ее можно
рассматривать как механическую энергию, поскольку ча-
стицы далее движутся свободно. Однако хаотичность дви-
жения этих частиц заставляет говорить больше о тепловом
виде получаемой энергии.
Другие виды энергии, которые могут быть получены при
освобождении аннигиляционной энергии (кроме электро-
магнитной, мезонной, гравидинамической и нейтринной,
возникающих непосредственно),— электрическая, ядер-
ная, химическая и т. п., вероятно, возникают опосредствен-
но, в результате превращения в них кинетической энергии
образующихся частиц.
Таким образом, различие между непосредственными
и опосредственными, или косвенными, превращениями од-
них видов энергии в другие может иметь в ряде случаев чи-
сто теоретическое значение, так как практически все стадии
превращения в этих случаях осуществляются в одном пре-
образователе. Однако это «чисто теоретическое значение»
является важным и принципиальным, поскольку позволяет
отличать одни превращения от других.
§ 12. Преобразователи ядерной энергии
В настоящее время применяется несколько типов ядер-
ных преобразователей: ядерные батареи (источники элек-
трического тока), ядерные двигатели и электростанции,
в которых ядерный преобразователь (реактор) использует-
ся как источник тепла — теплогенератор. Ядерные теплоге-
нераторы используются и непосредственно — для обеспе-
чения теплом промышленных объектов и отопительных
систем.
Явление освобождения ядерной энергии (естественная
радиоактивность) было открыто в 1896 г., и уже в 1897 г.
была построена на этом принципе ядерная батарея, а в де-
кабре 1942 г. в США вступил в действие первый ядерный
реактор. В 1954 г. была пущена первая ядерная электро-
станция в СССР, вскоре заработал ядерный двигатель на
ледоколе «Ленин», примерно в это же время стали строить
подводные лодки с ядерными двигателями в США. В настоя-
84
щее время разрабатываются различные проекты и испыты-
ваются опытные образцы ядерных электрогенераторов и
двигателей. В основе действия большинства их лежит схе-
ма, приведенная на рис. 7. Выделяющаяся при ядерных
реакциях энергия превращается в реакторе в тепловую,
которая в тепловой расширительной машине переходит
Рис. 7. Ядерная энергетическая установка
обычного типа (с паровой турбиной)
1 — водяной реактор под давлением; 2 — регу-
лятор давления; 3 — парогенератор; 4 — паро-
провод; 5 — турбина; 6 — электрогенератор; 7 —
конденсатор; 8 — отвод тепла
в механическую (эти два преобразователя составляют ядер-
ный двигатель), а затем в механическом электрогенера-
торе получается электрическая энергия (три преобразова-
теля образуют электрогенератор, или электростанцию).
Ядерная энергия освобождается при делении тяжелых
ядер и синтезе легких ядер. Например, используется деление
ядер урана и слияние ядер водорода.
Деление ядер тяжелых элементов может происходить
естественно, без создания специальных условий, обеспечи-
вающих протекание соответствующей реакции, и искус-
ственно — в реакторах. Вещества, у которых ядра атомов
способны делиться естественно, в большинстве своем отно-
сятся к группе искусственных радиоактивных изотопов,
получающихся в процессе осуществления реакции деления
ядерного топлива в реакторе. Искусственных радиоизото-
пов известно более 1500, а естественных, т. е. встречающих-
ся в природе,— около 50.
Синтез ядер легких элементов в естественных условиях
на Земле не встречается. Однако излучение Солнца целиком
основано на реакциях термоядерного синтеза. Как пока-
зали исследования, для поддержания деятельности такого
85
Рис/8. Энергия активации
Еа — энергия активации;
ЕСв — освобождающаяся
энергия
естественного термоядерного реак-
тора достаточно, чтобы в течение
года одному ядру из миллиона уда-
лось принять участие в реакции
слияния ядер.
Реакции деления и синтеза ядер
могут идти как цепные самопод-
держивающиеся реакции, т. е. пос-
ле затраты некоторого начального
количества подведенной извне энер-
гии—энергии активации Еа (рис. 8)
они протекают самостоятельно с вы-
делением энергии, возбуждая ядер-
ные реакции в соседних ядрах
за счет энергии части осколков
деления. Число столкновений между частицами с энергией
больше Еа, приводящее к превращениям, пропорциональ-
но e~Ea/kT (k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная тем-
пература). Тогда и скорость превращений можно представить
в виде произведения Ae~Ea/kT, в котором первый множитель
учитывает геометрические условия встречи, а второй — -
энергетическую сторону.
Количество выделяющейся при ядерных реакциях энер-
гии будет равно разности энергий связи начальных и ко-
нечных продуктов реакции.
Вещества, поддающиеся делению или синтезу ядер, на-
зывают по аналогии с химическими топливами ядерными
топливами.
Ядерными топливами деления являются практически
два: уран-235 и плутоний-239. Только у них вследствие осо-
бого соотношения между силами отталкивания и силами
притяжения между нуклонами имеются условия для энер-
гетически выгодного деления под действием освобождаю-
щихся в его процессе нейтронов. Таким образом, носителем
энергии активации в этих реакциях деления являются ней-
троны. Однако вследствие того, что только часть их вы-
зывает деление, а остальные поглощаются и рассеиваются,
существует определенная масса топлива, называемая кри-
тической, при которой может возникнуть самоподдержива-
ющаяся реакция деления. При уменьшении массы топлива
ниже критической процесс угасает вследствие рассеяния
энергии возникающих нейтронов, так как поверхность
реактора, через которую происходит утечка части нейтро-
86
нов, уменьшается медленнее (пропорционально квадрату
диаметра), чем его объем (пропорционально кубу), в кото-
ром возникают при делении ядер нейтроны.
В качестве примера рассмотрим процесс деления урана-
235.
Реакцию можно записать так:
e2U236 + оп' + Z2FA- + 2,50и'.
Символ оп означает нейтрон, а символы ZtFAi и Z2FAt — два
осколка деления, представляющие собой радиоактивные
многократно ионизированные атомы различных элементов из
средней части периодической таблицы Д. И. Менделеева.
В среднем на каждый акт деления урана-235 испускается
2,5 4; 0,1 нейтрона. Полная серия реакций выглядит так:
92U236 + оп' 40Zr97 + 62Те137 + 20п'.
При этом цирконий распадается следующим образом:
17 час
40Zr97--/ 4lNb97 + _е»
41Nb97	42Мо97 +
А теллур так:
52Те137— ^33J137 + _e°
J137 ^T84Xe137 + _e<>
s4Xe1373A.M2^65Cs137 + _е°
65Cs’37^"6Ba737+eo
(символом _e° обозначен электрон).
В результате деления тяжелых ядер получаются бо-
лее легкие осколки, различные частицы и кванты электро-
магнитного излучения, обладающие высокой кинетической
энергией. Освобождающаяся при делении ядра урана-235
энергия (в Мэе) распределяется между различными про-
дуктами деления следующим образом:
Кинетическая энергия осколков деления	168
Кинетическая энергия нейтронов деления 5
Энергия мгновенного у-излучения ...	5
Энергия Р-распада ....................... 7
Энергия ^-распада ....................... 6
Энергия нейтрино ....................... 11
Всего 202
87
Энергия, уносимая нейтрино, как уже указывалось, не
может быть уловлена, так как нейтрино практически не
взаимодействуют с веществом, и их поток беспрепятствен-
но покидает реактор.
Реакции синтеза целесообразно осуществлять между
ядрами легких элементов — водорода и его изотопов (дей-
терий и тритий), а также ядрами лития (и его изотопов).
В результате большинства таких реакций образуются ядра
гелия и нейтроны. При температуре 20 млн. градусов, со-
ответствующей необходимой энергии активации, подводи-
мой в виде тепла, наиболее легко осуществимой (вследствие
минимально требующегося времени), предполагается реак-
ция между дейтерием и тритием, в результате которой об-
разуются ядра гелия и поток нейтронов
D 4“ Т = гНе4 -j-
80% энергии приходится на долю нейтронов.
Первичные продукты реакций синтеза не содержат ра-
диоактивных (распадающихся) веществ, и поэтому являют-
ся в радиоактивном отношении безопасными.
Итак, энергия, освобождаемая в результате реакций
деления и синтеза ядер, может быть получена точно так же,
как и при освобождении аннигиляционной—в виде кинети-
ческой энергии разлетающихся равномерно в разные сто-
роны частиц (если делятся или сливаются свободные ядра)
или в виде тепловой энергии (если деление или синтез про-
исходят в какой-либо среде).
Особенно большие усилия прилагаются учеными всего
мира для осуществления управляемой термоядерной реак-
ции. Это позволит получать электродинамическую энергию,
используя тепловую ступень превращения энергии. Воз-
можны и другие способы мирного использования термоя-
дерной энергии. Можно, например, использовать горячие
сжатые газы, образующиеся при подземных взрывах тер-
моядерных бомб. Экономичность установки, работающей
на энергии подземного термоядерного взрыва, может ока-
заться не меньшей, чем на ядерных электростанциях деле-
ния. Подземные термоядерные взрывы выгодны также
с точки зрения экономии делящихся материалов (урана,
тория и др.), запасы которых ограничены.
В результате освобождения ядерной энергии радиоактив-
ных веществ энергия освобождается тоже в виде кинети-
88
ческой энергии электронов (р-частицы), ядер гелия (а-час-
тицы) и у-квантов. Если энергия этих частиц поглощается
веществом, то она вызывает тепловое движение, т. е. про-
исходит переход кинетической (или механической) энергии
в тепловую. Поэтому дальнейший анализ возможностей
создания соответствующих преобразователей энергии и их
эффективности можно было бы не делать, ибо он будет та-
ким же, как и в случае освобождения аннигиляционной
энергии.
Однако при освобождении ядерной энергии деления воз-
никают и новые возможности, связанные с тем, что среди
образующихся частиц имеются электрозаряженные. Это
позволяет проектировать и строить преобразователи ядер-
ной энергии непосредственно в электрическую.
Рассмотрим принципиальные схемы преобразователей
ядерной энергии в электрическую, тепловую и механичес-
кую, имеющие практическое значение.
Радиоизотопные электрогенераторы (РИЭГ), или, как их
чаще называют, ядерные батареи, осуществляют непосред-
ственное превращение ядерной энергии в электродинамиче-
скую и могут работать на всех трех видах излучений — (3,
а и у (табл. 4). Однако наиболее перспективным считается
p-излучение; Р-, а-частицы, будучи тяжелыми, быстро
разрушают прибор, а у-кванты опасны для жизни и поэтому
Таблица 4
Характеристика некоторых радиоактивных изотопов
Радиоактивный изотоп		Энергия излуче- ния, Мэв	Период полурас- пада	Стои- мость изото- па, долл/ МКВТ	Стои- мость изото- па*, долл! мквт	Стои- мость 1 вт-ч*, долл
Кг85	(3-излучение)	0,670	10,6 года	50	0,04	30
Н3	»	0,018	12,26 года	2	0,06	40
Sr9o	»	0,610	28 лет	500	0,09	30
Ро210	(а-излучение)	5,298	130 дней	2500	0,08	1700
Ra226	»	4,780	1622 года	35000	1,5	375
Со6о	(у-излучение)	1,33	5,3 года			
	(3-излучение)	0,308				
•К.п.д. превращения равен 2%.
89
радиоизотопные s электрогенераторы должны снабжаться
относительно тяжелой защитой.
РИЭГ являются источниками электрического тока вы-
сокого напряжения (до 800 000 в) и малой силы (10~п—
10"8 а и выше). Высокое напряжение обеспечивается боль-
шой энергией частиц, возникающих при радиоизотопном
распаде. Количественный же их выход, определяющий си-
лу тока и мощность, мал и зависит также от времени полу-
распада. Поэтому они, отличаясь длительным сроком служ-
бы (до 20—30 лет и более), обеспечивают очень малую
мощность (от 10"5—10"3 до 5 вт). К. п. д. большинства ти-
пов РИЭГ не превышает 2%, а чаще имеет значения еще
меньшие.
Различные схемы радиоизотопных электрогенераторов
изображены на рис. 9.
а)	РИЭГ работает по методу прямого переноса заряжен-
ных частиц; разность потенциалов создается за счет накоп-
ления выброшенных из эмиттера 1 при радиоактивном рас-
паде носителей зарядов (чаще это (3-частицы, т. е. элект-
роны) на каком-либо электроде.
б)	РИЭГ работает с использованием контактной раз-
ности потенциалов металлических поверхностей (составля-
ющей 1—2 в). За счет энергии излучений поддерживается
неравновесное состояние ионизованного газа (например,
воздуха), заключенного между электродами, при непрерыв-
ном переходе электронов в электрод низкого потенциала.
в)	РИЭГ работает с помощью термопары — энергия из-
лучения (обычно а-частиц) используется для нагрева го-
рячего спая термопары. За счет различной диффузии носи-
телей тока в различных проводниках от горячего спая к
холодному образуется электродвижущая сила. Особенно
эффективна полупроводниковая термопара — термогенера-
тор, где проводники обладают принципиально различной
проводимостью и противоположными по заряду носителями
тока (п- и р-проводимость, электроны и «дырки»).
г)	РИЭГ с использованием вторичной эмиссии. Поток
частиц направляется на способную к испусканию электро-
нов поверхность (эмиттер), выбиваемые электроны устрем-
ляются к поверхности более низкого потенциала. Этот
РИЭГ позволяет получить более высокую силу тока при
меньшем (порядка 20 в) напряжении.
д)	РИЭГ с использованием фотоэффекта. Здесь энергия
вылетающих частиц используется или непосредственно
90
Рис. 9. Схемы радиоизотопных электрогенераторов (РИЭГ)
а — РИЭГ со сбором зарядов; б— РИЭГ с использованием кон-
тактной разности потенциалов и диффузии носителей тока; в —
РИЭГ с термопарой; г — РИЭГ с полупроводниковым тепловым
электрогенератором; д—РИЭГ с использованием вторичной эмис-
сии электронов; е — РИЭГ с использованием фотоэффекта
/—радиоизотопный эмиттер (катод); 2—коллектор (анод); 3—
вакуум; 4 — нагрузка; 5 — электрод высокого потенциала; 6 —
электрод низкого потенциала; 7 — радиоактивный газ или
другая среда; 5— радиоактивный изотоп; 9 — горячий спай
термопары; 10 — холодный спай термопары; // — полупровод-
ник р-типа; 12 — полупроводник п-типа; 13 — радиоактивная
эмиссионная поверхность; 14 — коллектор; 15 — радиоактивный
фосфор; 16 — полупроводниковый поверхностный слой
(если это у-кванты) для осуществления фотоэффекта по мето-
ду запирающего слоя, или опосредственно — для воздейст-
вия на фосфоры (люминесцирующие вещества), электромаг-
нитное излучение которых и используется для фотоэф-
фекта (е).
Реакторные ядерные электрогенераторы непосредствен-
ного превращения ядерной энергии в электродинамическую
и электромагнитную (без предварительного превращения
ее в тепловую) пока не вышли из стадии теоретических ис-
следований или предварительных экспериментов. Дейст-
вие их основывается на следующих двух принципах.
Электростатический [принцип превра-
щения ядерной энергии в электродинамическую. В обычных
условиях заряженные осколки деления, несущие 80% энер-
гии, разлетаются равномерно во все стороны, но если их
движению придать направленность, то они могут заряжать
Рис. 10. Схематическое изображение процесса
непосредственного превращения ядерной энер-
гии деления в электрическую энергию
1 — катод; 2 — слой делящегося вещества; 3 —
источник нейтронов; 4 — анод; 5 — отрицательный
электрод; 6 — направление тока; 7 — нагрузка
(кинетическая энергия осколков равна примерно 80 Мэе,
а средний заряд + 20 е) электроды электростатического ге-
нератора, создавая потенциал примерно 4 Мэв или несколь-
ко менее. Одновременная разрядка такого генератора на
внешнюю нагрузку позволяет продолжать процесс пере-
носа зарядов и, следовательно, использовать устройство в
качестве постоянного источника электродинамической
энергии.
Простейшая схема такого устройства с посторонним ис-
точником нейтронов показана на рис. 10. Нейтроны вызы-
92
Рис. 11. Ядерный ре-
актор для непосред-
ственного превращения
ядерной энергии деле-
ния в электрическую
1 — активная зона,
вакуумная труба с си-
стемой электродов диа-
метром 4 м\ 2 — слои
графита толщиной 10 см\
3 — замедлтель толщи-
ной 0,5 м\ 4 — графито-
вый отражатель толщи-
ной 0,6 м
вают деление вещества, тонким слоем
нанесенного на пластинку — катод,
положительно заряженные осколки
деления, оседая на второй пластин-
ке — аноде, создают на ней поло-
жительный заряд. Из-за небольшой
проникающей способности осколков
в пространстве между пластинами
должен быть вакуум, а слой деля-
щегося вещества должен быть тонким
(примерно 0,0025 мм).
При соблюдении этих условий
к. п. д. получится максимальным, ес-
ли одновременно поддерживается
разность потенциалов, равная при-
мерно 1 Мэв (межэлектродное рас-
стояние при этом равно около 100 мм).
При более высоком значении этой
величины доля кинетической энер-
гии, превращаемой в электрическую,
будет малой, а при более низком уси-
ленная бомбардировка частицами
анода приведет к большим потерям энергии в виде тепла,
идущего на нагрев анода. Для предотвращения снижения
положительного заряда на аноде образующимися в про-
цессе деления электронами, на их пути (между электро-
дами) устанавливается отрицательно заряженная сетка.
Перенос этой схемы в ядерный реактор приводит к кон-
струкции, состоящей из множества таких элементов. При
определенных условиях получится система, возбуждающая-
ся, достигающая критичности и поддерживающая процесс
деления без помощи постороннего источника нейтронов.
Некоторые исследователи предполагают, что к. п.д. при
самых благоприятных условиях может достигать 80%, а
процесс может протекать при температурах до 100° С.
На рис. 11 приведена схема одного из вариантов проектов
подобного реактора.
От 1 до 20 кг распыленного делящегося материала, им-
пульсно подаваемого в полости диаметром 1 — 6 м с отра-
жателем толщиной 0,5—1,0 м из D2O, Be или С, создадут
критический реактор. Тогда можно представить себе ваку-
умную зону в виде трубы диаметром примерно 3—4 м, за-
полненную электродами, катоды которых покрыты слоем
93
делящегося вещества, и достигающую импульсно кррь
точности при общей массе 10 кг делящегося материала.
Электромагнитный принцип (превраще-
ние ядерной энергии в электромагнитную) менее разрабо-
тан, или точнее сказать — менее освещен в печати. Идея
его сводится к превращению кинетической энергии оскол-
ков деления в энергию электромагнитного излучения с
помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов типа маг-
нетронов или с помощью оптических квантовых генераторов
(лазеров).
Рис. 12. Многорезонаторный магнетрон
А — анод, в котором устроена колебательная
система; Д—- катод; Р—резонатор типа^ щель-
отверстие; М — петлевой вывод мощности
Магнетрон представляет собой вакуумную электронную
трубку (лампу), состоящую из цилиндрических коаксиаль-
но расположенных анода и катода. Анод делается или сплош-
ным или разрезается на четкое число частей — сегментов,
к которым подключается колебательная система. Электро-
ны эмиттируются с катода под действием энергии падающих
на его поверхность осколков и других продуктов ядерной
реакции деления. Для возбуждения колебаний парал-
лельно оси магнетрона создается постоянное однород-
ное магнитное поле, которое искривляет траектории эле-
ктронов, вследствие чего они движутся с ускорением по
сложным траекториям и излучают электромагнитные
волны.
В изображенном на рис. 12 многорезонаторном магнет-
роне для увеличения к. п. д. превращения до 60% и более
применяется система резонаторов «Р» в виде щелей, перехо-
дящих в цилиндрические полости. Каждый резонатор пред-
ставляет колебательный контур, причем щель эквивалентна
94
емкости, а отверстие — самоиндукции. Для вывода энер-
гии из магнетрона в один из его резонаторов вводится пет-
ля, соединенная с коаксиальным кабелем или трубой —
волноводом. Пространство между катодом К магнетрона и
внутренней поверхностью анода, в котором двигаются вы-
летающие из катода электроны, называют пространством
взаимодействия.
Оптический квантовый генератор (лазер) дает когерент-
ный высококонцентрированный пучок электромагнитного
излучения в области еще более коротких длин волн, соот-
ветствующих видимой части спектра — свету. Сущность
рабочего процесса лазера состоит в том, что электроны за
счет постороннего источника энергии, в данном случае —
излучения, возникающего при ядерных реакциях, накап-
ливаются на высоком энергетическом уровне атома. Напом-
ним, что стационарное существование электрона в атоме
возможно лишь на строго определенных орбитах, соответ-
ствующих строго определенным энергетическим уровням.
«Падая» обратно на свой уровень, электроны излучают из-
быточную энергию совершенно равными (в соответствии с
разностью уровней) квантами электромагнитного излучения.
Все системы лазеров — на рубине, газообразных веществах
и т. д. имеют к. п. д. не более нескольких процентов. И
только одна система—на полупроводниках при возбуждении
электрическим током обладает к. п. д. 80—90%, однако
имеет ничтожную мощность — 0,5—1 вт.
Тепловой электромагнитный прин-
цип превращения ядерной энергии в тепловую, затем ме-
ханическую и, наконец, электродинамическую. Если бы
удалось создать коллимированный (направленный) поток
продуктов деления, не давая им прийти в беспорядочное
тепловое движение, то можно было бы построить непосред-
ственный электромагнитный преобразователь ядерной энер-
гии в электрическую, действующий по принципу механи-
ческих электрогенераторов — при пересечении проводником
силовых линий магнитного поля в проводнике возник-
нет электрический ток.
Поскольку такая возможность пока практически равна
нулю, большинство проектов преобразователей ядерной и
термоядерной энергии в электрическую включает промежу-
точную фазу превращения — ядерной энергии в тепловую
хаотическую форму. При этом в зависимости от среды (теп-
лоносителя), воспринимающей освобождающуюся ядерную
95
энергию в виде тепловой, скорости реакций, которая под-
дается выбору и регулированию, и термической стойкости
конструкционных материалов можно получить практиче-
ски любую температуру. В существующих реакторах де-
ления температура теплоносителя имеет значения от 270° С
до 800—1200° С и выше, в проектируемых ядерных и термо-
ядерных реакторах «непосредственного» превращения ядер-
ной энергии в электрическую с газообразным теплоносителем
Рис. 13. Схема магиитогазодинамического
электрогенератора с газовым ядерным
реактором
(особенно импульсного типа) температура может дости-
гать значений 3000—6000° С и выше. При этих температу-
рах газ ионизуется, превращается в плазму и становится
таким образом хорошим проводником, проводимость кото-
рого с увеличением температуры повышается (вследствие
увеличения концентрации свободных электронов и их под-
вижности).
Имея такой проводник, за счет большого количества
энергии, выделившейся при ядерной реакции, легко при-
дать ему направленное движение с большой скоростью, т. е.
совершить вторую фазу превращения: тепловой энергии в
механическую. Тогда при пересечении проводником сило-
вых линий наведенного извне магнитного поля можно полу-
чить электрический ток, что будет представлять собой уже
третью ступень превращения энергии: механической в элек-
тродинамическую.
Один из вариантов такого преобразователя — магнито-
газодинамический ядерный электрогенератор изображен на
рис. 13. В реакторе шарообразной формы происходит де-
ление ядер урана, вводимого в него как часть рабочего
тела — гелия в смеси с калием (для увеличения степени
ионизации). Содержание урана-235 в гелии равно 1%,
калия—1%. Давление в реакторе 120 бар, температура
96
5400° К. Активная зона окружена замедлителем D2O весом
около 7 т. Электрогенератор представляет собой расширяю-
щуюся-. трубу — сопло, длиной около 6 м, окруженную
медной спиралью электромагнита весом до 120 т, который
требует 30 Мет мощности для возбуждения. Выходная
мощность такого электрогенератора будет равна 10 000 Мет,
что составляет примерно мощность десяти современ-
ных паротурбинных электростанций. Удельная мощность
будет 25 кет/кг, а плотность энергии около 1000 Мет/м?,
Другой вариант этого типа реакторов представляет
собой импульсный плазменный реактор деления (рис. 14).
Рис. 14. Принципиальная схема плазменного реактора деления
1 — ударный фронт; 2 — ионизованный газ; 3 — дрейфующий газ; 4 —• магнит
ное поле; 5 — медная обмотка; 6 — графитовое покрытие (толщиной 12,5 мм)-
7 — металлические блоки (из алюминия или циркония); 8 — бак, диаметром
8 м и длиной 45 м\ 9 — отражатель; 10 — бетонная защита; 11 — регулирую-
щие стержни; 12 — батарея конденсаторов; 13 — входная труба охлаждаю-
щего контура; 14 — выходная труба
Реактор имеет форму длинного цилиндра (длиной 45 м
и диаметром 4 ж), сделанного из жаростойкого материала,
например графита, снабженного отражателем нейтронов
и замедлителем у каждого конца и заполненного газом,
содержащим какое-нибудь делящееся вещество (например
уран-235). При равномерном распределении газа и деля-
щегося материала концентрация последнего должна быть
несколько ниже критической. Если же воздействовать на
газ, имеющий некоторую начальную ионизацию, внешним
магнитным полем, т. е. магнитным поршнем, то давление
газа повысится, реактор достигнет в одном месте критич-
ности и произойдет бурное освобождение ядерной энергии.
7 Преобразование энергии	97
Появляющаяся в результате такого ядерного взрыва удар-
ная волна, проходя по газу, будет ионизировать его и
вовлекать в движение. Это приведет к торможению газа
магнитным полем и превращению его кинетической энер-
гии в электродинамическую. Возникающий в газе электри-
ческий ток будет направлен перпендикулярно движению
газа и магнитному полю. Циклы периодически повторяют-
ся. Температура газа в таком реакторе составляет 6500° К,
температура стенок цилиндра 3500° К, давление газа около
1 бар, полная энергетическая мощность примерно 48 Мет,
к.п.д. 20—50%.
По этому же принципу может, вероятно, работать и
термоядерный реактор, в котором освобождение энергии
будет осуществляться тоже в виде тепловой.
Другой возможностью превращения ядерной энергии
в электродинамическую с включением промежуточной фазы
превращения в тепловую форму является применение
термоэлектрических и термоэмиссионных преобразовате-
телей, которые мы рассмотрим ниже, в § 19.
Следует помнить, что во всех случаях, когда в цепь
превращений энергии в преобразователе включено тепло-
вое звено, значения к.п.д. преобразователя ограничены
значением к.п.д. цикла Карно в соответствующем интер-
вале температур (гщ = 1 —	.
Другим, имеющим большое практическое значение и
интенсивно развивающимся направлением разработки ядер-
ных преобразователей энергии является разработка гене-
раторов механической энергии — двигателей. Здесь также
различают две ветви — радиоизотопные двигатели и реак-
торные двигатели.
Радиоизотопные двигатели (РИД) могут быть актив-
ного и реактивного действия. В первом случае радиоактив-
ный источник энергии помещается на подвижном элементе
двигателя и время от времени приводится в соприкоснове-
ние с неподвижным проводником, являющимся токопод-
водом зарядов к подвижным элементам. Во втором случае
радиоактивный материал размещается на приводимом в
движение теле.
В основе действия активных РИД лежит электростатика.
Самым первым радиоизотопным двигателем были радиоак-
тивные часы, изображенные на рис. 15. Радиоактивный
изотоп заключается в ампулу, Р-лучи, выделяющиеся при
98
радиоактивном распаде, уносят с собой отрицательные за-
ряды, вследствие чего на радиоактивном теле, ампуле и
двух золотых листках появляется избыток положительного
заряда. Чтобы в пространстве, окружающем листки, не
возникало ионизационных токов, воздух из сосуда выкачи-
вается до разряжений 10"4—10“5 мм рт. ст. При таких
Рис. 16. Схема преобразования
ядерной энергии деления непо-
средственно в механическую
1 — изолированная ось; 2 — радио-
активный материал; 3 — статор;
4 — корпус
Рис. 15. Радиоактивные часы
1 — кварцевый стерженек; 2 — сте-
клянная запаянная трубка с радио-
активным материалом; 3 — алюми-
ниевый лист; 4 —стеклянный сосуд
условиях листки обнаруживают непрерывно возрастающий
положительный заряд и постепенно расходятся до тех пор,
пока не коснутся заземленного алюминиевого листа 3. При-
косновение вызывает разряд и листки опадают, затем вновь
начинают расходиться до предельного положения, вновь
опадают и т. д. Этот процесс повторяется с определенной
периодичностью. Поскольку можно подобрать изотоп с
большим периодом полураспада (например радий, у кото-
рого этот период превышает 1500 лет), такие часы оказы-
ваются точнейшим прибором, действующим очень длитель-
ное время без завода.
Принцип работы активного РИД можно уяснить также
из схемы, приведенной на рис. 16. На роторную пластину
99
7*
Рис. 17. Схема радиоизо-
топного ракетного двига-
теля
наносится слой радиоактивного ве-
щества. Ротор и статор электри-
чески изолированы друг от друга.
В результате процесса зарядки
емкости появляется сила электро-
статического притяжения и возни-
кает движение подвижной плас-
тинки (ротора) относительно непод-
вижной (статора) и, следовательно,
происходит непосредственное пре-
вращение ядерной энергии в меха-
ническую. Чтобы обеспечить уста-
новившийся режим работы, необхо-
1	— радиоактивный изотоп;
2	— испускаемые а-частицы;
дима разрядка емкости; при этом
возможны два варианта работы:
3 — поглотитель а-частиц; с непрерывным вращением и на
4 — поглощенные а-частицы; рвЛаКСаЦИОННОМ (ИМПУЛЬСНОМ) ре-
5 - полезная нагрузка; 6 - ЖИМе. ОПЫТЫ ПОКаЗЗЛИ ПреИМуще-
тяга	ство второй системы. Соответствую-
щий двигатель для привода часово-
го механизма был построен в 1954 г. фирмой Патек Фи-
липп (США) и имел следующие параметры: вакуум около
10"4 мм рт. ст., напряжение 6000—7000 в, период 10 мин.,
амплитуда качаний ротора (маятника) 200°.
Схема реактивного РИД изображена на рис. 17. Прин-
цип его действия ясен из рисунка — вылетающие в резу-
льтате радиоактивного распада изотопа а-частицы (как са-
мые тяжелые) создают реактивную силу, обеспечивающую
движение соответствующего аппарата. Подобные двигате-
ли предлагались для использования на небольших спут-
никах.
Ядерные реакторные двигатели (ЯРД) можно в принци-
пе построить по тем же схемам, однако «активные» ЯРД с
непосредственным использованием кинетической энергии
осколков деления будут уступать по эффективности и га-
баритным показателям соответствующим тепловым ядерным
двигателям.
Реакторные двигатели непосредст-
венного преобразования энергии. Их
отличие от реактивных РИД состоит лишь в том, что вместо
радиоактивного изотопа источником энергии служит ядер-
ный реактор специфической формы. Этому двигателю при-
сущи все недостатки радиоизотопного: почти половина энер-
100
гии деления не участвует в создании
тяги (поглощается в ракете вследствие
равномерного разлета осколков); при
этом на каждый килограмм тяги должно
рассеиваться почти 180 Мет тепла. Не-
обходимо распределять делящийся ма-
териал в виде тонкого слоя, что приво-
дит к очень малой эффективности ней-
тронов деления; велика трудность кол-
лимации осколков и т. п.
Специфическим дефектом ЯРД этого
типа является трудность достижения
критичности реактора вследствие необ-
ходимости сохранять очень малую тол-
щину слоев делящегося материала ДЛЯ / - делящееся ядер-
обеспечения выхода осколков (рис. 18).
В связи с этим усложняется и задача
регулирования процесса в реакторе.
Тепловые реакторные
двигатели. Различные варианты
конструкций тепловых ЯРД выполняют-
3	2 1
Рис. 18. Схема ядер-
ного реакторного
ракетного двигателя
ное топливо; 2 — ох-
лаждающие трубки;
3	— отражатель ней-
тронов и поглотитель
продуктов деления;
4	— реактивная тяга
5	— осколки деления
ся по типу обычных реактивных двигате-
лей. В них ядерная энергия в реакционной камере — ак-
тивной зоне реактора — превращается в тепловую, которая
в свою очередь переходит в кинетическую — механиче-
скую энергию газового потока, истекающего через реак-
тивное сопло и преобразующуюся в механическую энер-
гию движения соответствующего аппарата по реактивному
принципу.
Можно различать две типичные схемы: двигатель, где
рабочее тело, газ, нагревается, охлаждая стержни с твер-
дым делящимся веществом. Эта схема ядерного реактивно-
го двигателя ограничена по температуре и, следовательно,
удельной тяге и скорости разгона рабочего тела жаро-
стойкостью стержней.
Вторая схема — газовый реактор, где ядерные реакции
идут в самом рабочем теле и поэтому температуры ограни-
чены меньше. Простейший вариант газового реактора —
это так называемый камерный реактор, в котором смесь
газообразного ядерного топлива и рабочего тела проходит
через активную зону, окруженную твердым замедлителем —
отражателем нейтронов, и истекает через сопло. Вследствие
большого расхода ядерного топлива (чаще всего это уран)
101
Рис. 19. Различные схемы ракетных двигателей с камер-
ным газовым реактором
а — удержание делящегося вещества магнитным полем; б —
удержание делящегося вещества газодинамическим способом;
в — удержание делящегося вещества комбинированным магни-
тогазодинамическим способом; 1 — тангенциальный ввод (про-
межуточный слой); 2 — оболочка камеры; 3 — катушки, соз-
дающие магнитное поле; 4 — рабочее тело; 5 — пористый отра-
жатель; 6 — магнитное зеркало; 7 — сопло; 8 — область вра-
щения топлива; 9 — горячее рабочее тело; 10 — катушки, соз-
дающие вращающееся магнитное поле; 11 — промежуточный
слой рабочего тела
такой реактор совершенно неприемлем по стоимости и ра-
диационной опасности.
Для удержания урана в активной зоне разработаны два
метода: электромагнитный и гидродинамический. В пер-
вом при достаточно высокой температуре тяжелые атомы
ядерного горючего подвергаются ионизации и могут быть
удержаны при помощи «магнитной ловушки» (магнитного
поля). Второй метод основан на том, что ядерное горючее
имеет большой атомный вес, а наилучшим рабочим телом
102
являются газы с малым атомным весом, что позволяет
применить центробежную сепарацию. Возможно и сов-
мещение этих двух способов, когда вращающееся маг^
нитное поле закручивает массу горючего ионизированного
топлива и таким образом создает центробежные силы, не-
обходимые для отделения топлива в активной зоне реакто-
ра (рис. 19).
Рис. 20. Комбинированный ракетный двигатель
с твердо-газовым реактором
1 — насос охладителя; 2 — регулирование охлаждения;
3 — трубопровод охладителя; 4 — подача газообразного
делящегося ядерного топлива; 5 — реакторы; 6 — пода-
ча-рабочего тела; 7 — периодически действующий смеси-
тельный клапан; 8 — коллектор рабочего тела и топлива;
Р — трубопровод конденсата; 10 теплообменник; 11 —
сопло
На рис. 20 показан один из видов ядерного реакторного
двигателя с твердо-газовым реактором. Здесь рабочее тело,
в которое добавляется газообразный уран, проходит после-
довательно через ряд реакторов с твердой активной зоной,
которые после прохождения через них содержащего уран
рабочего тела становятся критическими. В этом случае рас-
ход урана существенно меньше, чем в первой схеме, но и
температура нагрева значительно ниже, поскольку большая
часть энергии деления получается в твердом материале,
температура которого не может превышать температуру
плавления. Кроме того, большой вес системы охлаждения
вместе с собственным весом реакторов твердого топлива де-
лает эту схему практически нереальной.
Предлагались и двигатели с использованием газового
реактора и магнитогидродинамического ускорителя, спо-
103
собные создать сравнительно большую тягу с хорошим удель-
ным импульсом. Принцип их действия противоположен
принципу действия соответствующего электрогенератора
(см. рис. 13) — магнитное поле наводится извне так, чтобы
не тормозить, а ускорять поток ионизированных газов, ис-
текающих из газового реактора.
Рис. 21. Ракетный двигатель, работающий на твердом ядер-
ном топливе
1 —низкотемпературный конец двигателя (большое поглощение);
2 — поглотитель нейтронов (кадмий); 3 — высокотемпера-
турный конец двигателя (нет поглощения);^ —газообразная смесь
делящегося вещества и рабочего тела; 5—твердая смесь топлива
и рабочего тела (замедлителя)
Предлагалась схема ракетного двигателя на твердом
ядерном топливе, аналогичная обычному пороховому ра-
кетному двигателю. Она представлена на рис. 21. Делящееся
вещество равномерно введено в твердое рабочее тело,
которое одновременно служит и замедлителем. Запуск дви-
гателя осуществляется путем извлечения поглощающего
нейтроны стержня, расположенного у сопла. В результате
этого концевая часть реактора становится критический, ис-
паряется и повышает температуру соседней части, снижая
в ней эффективность поглощающего материала и тем самым
переводя следующую часть реактора в критической режим.
Однако эта зона достигает критичности настолько быстро,
что процесс по скорости приближается к взрывному и уп-
равление подобным двигателем практически невозможно.
Расход делящегося вещества в этой схеме будет чрезмер-
ным, так как для создания критичности его нужно значи-
тельно больше, чем израсходуется только на ядерные ре-
акции. На этих основаниях дальнейшая разработка
такого типа преобразователя представляется нецелесооб-
разной.
104
Рис. 22. Ракетный дви-
гатель, работающий
с помощью взрывов
ядерных бомб
1 — истекающее рабочее
тело; 2 — твердое топли-
во; 3 — несущая кон-
струкция; 4—взрыв ядер-
ной бомбы малого ка-
либра
тепловых реа ктив-
способа освобожде-
Другим типом прямого преобразо-
вателя энергии служит ракетный дви-
гатель, основанный на последователь-
ных взрывах ядерных бомб малого
калибра. Импульс ядерных бомб
в направлении движения восприни-
мается рабочим телом, которое испа-
ряется и также создает дополнитель-
ную тягу за счет отбрасываемого пара.
Рис. 22 иллюстрирует принцип работы
такого двигателя. Предварительный
анализ показал, что такой двигатель
будет характеризоваться сравнитель-
но низкой средней удельной тягой,
очень большими размерами и большим
удельным весом.
Термоядерные д в и г а'
т е л и. Принцип ускорения рабоче-
го тела и другие черты процесса пре-
вращения энергии в термоядерных
ракетных двигателях совпадают в
своей основе с таковыми для ядерных
ных двигателей. Особенности данного
ния энергии придают этому процессу специфику, которую
легко обнаружить, рассмотрев схему одного из вариантов
термоядерного двигателя, показанного на рис. 23.
Здесь полностью ионизированная дейтериевая плазма
при температуре 109° С удерживается в виде шнура линей-
ным магнитным полем соленоида с магнитными зеркалами
на концах.
Рабочее тело подается в камеру через стенки,
охлаждая их, и нагревается, обтекая плазменный шнур.
Тепловое излучение разреженной плазмы в этом двигателе
мало по сравнению с нейтронным и у-излучениями, которые
меньше поглощаются стенками двигателя, что позволяет
нагревать рабочее тело до более высокой температуры срав-
нительно с ядерными двигателями деления. Такой двига-
тель может быть использован и в качестве двигателя с элект-
ромагнитным ускорением плазмы, так как в нем имеется и
ядерный источник проводящего газа — плазмы, и магнит-
ные системы. Ослабив заднюю магнитную пробку, можно
обеспечить истечение продуктов реакции. Осевая скорость
истечения ионов на выходе из магнитного сопла может соста-
105
Рис. 23. Термоядерный ракетный двигатель
1 — система охлаждения жидким гелием; 2 —
система охлаждения водой; 3 — несущая кон-
струкция; 4 — катушки из сверхпроводников,
создающие магнитное поле; 5 — область дейте-
риевой плазмы; 6 — горячее рабочее тело; 7 —
графитовая защита; 8 — оболочка двигателя
вить 104 км/сек. Электроны, которые будут истекать с
релятивистскими скоростями, увеличивают тягу незначи-
тельно.
Преобразование ядерной энергии в химическую. Во всех
преобразователях ядерной энергии деления существует
опасность радиационного поражения живых существ и ра-
стений, поэтому ядерные реакторы снабжаются тяжелой и
громоздкой биологической защитой. Это препятствует их
использованию на легких транспортных средствах (неболь-
ших судах, локомотивах, автомобилях и т. п.), а также в
местах скопления большого количества людей — в крупных
городах.
Поэтому интересной возможностью исключения этих не-
достатков ядерной энергии является превращение ее в хи-
мическую энергию, использование которой безопасно,
иными словами, превращение ядерных горючих в хими-
ческие.
Здесь существует много возможностей, вплоть до такой
маловероятной, как получение «ядерного бензина». Ука-
жем лишь в качестве примера несколько путей получения
неорганических химических горючих. Все они основаны на
преодолении химической связи между составляющими дан-
ное вещество атомами за счет ядерной энергии. Тогда при
соединении полученных веществ в исходное в процессе хи-
106
мической реакции соответствующее количество химической
энергии будет освобождаться.
Непосредственное преобразование
в химическую энергию.
Процессы, в результате которых происходит поглощение
энергии продуктов ядерной реакции веществом, весьма
сложны. Тяжелые заряженные частицы (протоны, дейтро-
ны, а-частицы и т. д.) отдают свою энергию главным обра-
зом в процессе упругих столкновений с электронами атомов
вещества; электроны — в процессах неупругого рассеяния
(ионизация и тормозное рентгеновское излучение) и упру-
гого рассеяния (отклонение частицы полями электронов
атома и ядра без потери энергии); электромагнитное излу-
чение (рентгеновские и у-лучи) передает свою энергию в
результате трех основных процессов: фотоэлектрического
поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (уп-
ругое столкновение с электронами вещества) и образования
пар (электрон — позитрон); нейтроны взаимодействуют в
основном с ядрами атомов в процессах упругого рассеяния,
неупругого рассеяния, расщепления ядер с испусканием
заряженных частиц (протонов, а-частиц и т. п.), деления
ядер и радиационного захвата.
Наиболее энергопроизводительными химическими ис-
точниками энергии являются свободные радикалы — глав-
ным образом атомы водорода. Энергия таких систем выде-
ляется в виде тепла рекомбинации собранных в ловушке,
охлаждаемой жидким гелием или азотом, атомов. Исполь-
зование ядерной энергии для диссоциации молекул Н2 на
атомы Н явилось бы весьма интересной возможно-
стью. Работы в этом направлении проводятся.
Другим давно исследуемым направлением является ра-
диолиз воды. Выход продуктов радиолиза изменяется в
широких пределах (Н, ОН, Н2О2, НО2, Н2 и др.) в зави-
симости от вида частиц и условий «бомбардировки» моле-
кул воды и времени после ее осуществления (продукты ра-
диолиза взаимодействуют между собой), однако почти все
они являются химически активными и могут быть ис-
пользованы в соответствующих условиях как горючее и
окислители.
Преобразование с использованием
промежуточного теплового вида
энергии. Вероятно, одна из самых реальных возмож-
ностей превращения ядерной энергии в химическую со-
107
стоит в использовании тепла, выделяемого при ядерных ре-
акциях, для разложения химических соединений. На этом
принципе основано действие так называемых «хемоядерных»
или «ядерно-химических» реакторов. Один из вариантов
такого реактора соединен с топливным элементом — уст-
ройством для непосредственного превращения химической
энергии в электрическую (см. § 13). Под действием тепла,
выделяемого в ядер ном реакторе, одно из соединений ме-
таллов (лития, натрия, калия, бария и т. п.) с водородом
(гидридов) распадается на свои составляющие — металл и
водород. Соединяясь в топливном элементе, они освобожда-
ют энергию в виде электрического тока. Разложение гидри-
да может происходить как внутри реактора, так и вне его.
В первом случае гидрид будет разлагаться не только под
действием нагрева, но и под действием излучений.
Таковы практические возможности преобразователей
ядерной энергии.
Преобразование ядерной энергии в аннигиляционную и
другие виды энергий. Теоретически можно представить себе
косвенные преобразователи ядерной энергии в другие виды
энергии. Ничего не стоит превратить ядерную энергию в
упругую, например, сжатого газа путем подвода к нему теп-
ла ядерной реакции. Превращение ядерной энергии в гра-
вистатическую возможно путем подъема, например макро-
скопического тела (твердого, жидкого — воды и т. п.), за
счет хотя бы реактивной силы ЯРД на высоту, с преодоле-
нием силы земного притяжения. Действие против сил дру-
гих полей — магнитного, электрического и т. п. позволит
получить запас энергии в виде магнитостатической, элект-
ростатической и т. п.
Ядерную энергию можно превратить и в аннигиляцион-
ную в процессе образования пар — частицы и античасти-
цы. Из-за необходимости соблюдения законов сохранения
энергии и импульса образование пар может происходить
лишь в присутствии третьих частиц. Так, образование па-
ры электрон—позитрон происходит при столкновении фото-
на с ядром атома, образование пар нуклон—антинуклон —
при столкновении нуклонов с ядрами и т. д. При этом час-
тица, из которой образуется пара, например фотон, должна
обладать некоторым определенным минимальным значе-
нием энергии — порогом образования пар, эквивалентным
сумме масс образующихся частиц (т. е. 1,02 эв для элект-
ронно-позитронной пары). Все эти условия возникают при
108
делении и синтезе ядер. Однако пока что неизвестно, как
управлять при этом процессом образования пар и в какой
степени он может протекать при ядерных реакциях...
Поскольку взаимодействие между нуклонами в ядре и
разными ядрами осуществляется путем обмена л-мезонами
(и иногда /(-мезонами), можно говорить о превращении ядер-
ной энергии в мезонную.
Общим свойством всех известных мезонов является их
способность к самопроизвольному распаду. Продуктами
распада являются электроны и нейтрино. Особое положение
занимает л°-мезон, который распадается на два у-кванта, и
соответственно скорость распада определяется не слабыми,
а электромагнитными силами.
Заметим, что многие ядерные реакции сопровождаются
излучением антинейтрино, в то время как, например, раз-
личные термоядерные реакции, рассматриваемые как воз-
можные источники внутризвездной энергии звезд типа Солн-
ца, сопровождаются нейтринным, а не антинейтринным из-
лучением.
Поскольку при всех ядерных реакциях осуществляется
взаимодействие между частицами (и скоплениями частиц),
обладающими массой покоя, то, помимо указанных выше
частиц, в состав продуктов реакций могут или должны вхо-
дить и гравитоны.
Таким образом, в принципе возможно создание техни-
ческих преобразователей ядерной энергии в мезонную, эле-
ктромагнитную, нейтринную и гравидинамическую, однако
целесообразность их пока неясна, а эффективность чрезвы-
чайно низкая.
§ 13. Преобразователи химической (атомной)
энергии
Преобразователи химической энергии находят самое
широкое применение главным образом в виде теплогенера-
торов (печи, котлы, камеры сгорания тепловых двигателей)
и электрогенераторов — хранителей энергии (электриче-
ские аккумуляторы).
В последнее время интенсивно ведутся работы по внед-
рению в промышленное производство другого типа химиче-
ских электрогенераторов — топливных элементов. Преоб-
разователи химической энергии с двойным циклом превра-
щения (химическая энергия в тепловую, а последняя —
109
в электромагнитную) используются для освещения (свечи,
керосиновые лампы и т. п.).
Внешние черты механизма освобождения части атомной
энергии (т. е. совокупной энергии электронов, движущих-
ся вокруг ядер атомов) в процессе протекания химических
реакций сходны с внешними чертами механизма освобожде-
ния ядерной энергии. Для того чтобы осуществилась энер-
гетически выгодная химическая реакция, надо привести мо-
лекулы в столкновение друг с другом, сообщив им энергию,
значение которой превышает значение энергии активации
£а (см. рис. 8). В условиях осуществления химических ре-
акций эта энергия чаще всего подводится в виде тепла. Сог-
ласно законам классической кинетики, скорость химических
реакций сор определяется такими факторами, как концентра-
ция реагирующих веществ, температура, давление. По за-
кону Аррениуса
сор = k	9
где k — коэффициент, учитывающий концентрацию реагиру-
ющих веществ, — множитель, выражающий полное число
соударений молекул при максимально возможной ско-
рости реакции.
Например, при увеличении температуры на 10° скорость
реакции возрастает в два раза. При температуре около
10 000° К увеличение скорости реакции замедляется и
асимптотически приближается к прямой, соответствующей
значению полного числа столкновений — kQ.
Сущность химических реакций заключается во взаимо-
действии так или иначе, но разноименно заряженных час-
тиц, т. е. природа их — электрическая, а характер взаимо-
действия — обменный. «Обмен» осуществляется электро-
нами тем или другим способом в зависимости от вида хи-
мической связи — ионной, ковалентной и т. п.
Опыт показал, что ряд химических реакций не подчи-
няется законам классической кинетики: протекание их про-
исходит без предварительного разогрева реагирующих ве-
ществ, при низких температурах и вместе с тем с большими
скоростями. Было установлено, что механизм таких реак-
ций является цепным. К числу цепных реакций относятся,
в частности, реакции горения Н2, СО, СН4 и других угле-
водородов. Эти реакции протекают через ряд химических
превращений, ведущую роль в которых играют промежу-
точные активные центры — продукты реакций в виде сво-
110
бодных атомов и радикалов с ненасыщенной валентностью.
При столкновении с молекулами инертных веществ или со
стенкой сосуда активные частицы теряют свою избыточную
энергию и становятся неспособными для продолжения ре-
акции. Гибель активного центра вызывает обрыв цепи. Раз-
личают неразветвленные и разветвленные цепные реакции;
в первом случае каждый активный центр при взаимодей-
ствии порождает один новый активный центр, дающий на-
чало новой цепи, во втором — один активный центр при
взаимодействии вызывает образование двух и более новых
активных центров.
Таким образом, и в этом отношении механизм химических
реакций сходен с механизмом ядерных реакций.
При протекании химических реакций происходит изме-
нение числа молей вещества — оно уменьшается, остается
без изменения или увеличивается. Так как моль вещества
в газообразном состоянии занимает определенный объем
(при заданных давлении и температуре), то при химических
реакциях может происходить и изменение объема в соот-
ветствии с изменением числа газовых молей. Поэтому при
оценке числа молей реагирующих веществ обычно не при-
нимаются во внимание вещества в жидкой и твердой фазе.
Например, в реакции С + у О2 = СО число молей
исходных веществ составляет пх = число молей СО
А
А	1^1
следовательно, /хп = п2 — пх = 1 — 9- — v ,
Л	и
реакция сопровождается расширением, т. е.
объема газообразных продуктов реакции по
исходными (An 1). Реакции СО + -к-О2 =
Л
— v О2 = Н2о (пар) протекают с уменьше-
п2 = 1,
т. е. данная
увеличением
сравнению с
= СО2 и Н2
нием числ& молей, т. е. сопровождаются сжатием. А такие
реакции, как С + О2 = СО2 и СО + Н2О = СО2 + Н2 и
другие, протекают без изменения числа молей вещества.
Обратимся теперь к энергетической стороне химических
реакций, энергетическому «выходу» их и соответствующим
техническим устройствам.
Химические теплогенераторы. Будучи по своей природе
электрической, химическая энергия наиболее просто ос-
вобождается в виде тепловой энергии: молекулы конечных
продуктов реакции, приобретя скорость, большую, чем у
111
молекул исходных продуктов, двигаясь неупорядоченно
сами и придавая неупорядоченное движение инертным мо-
лекулам, создают и вызывают тепловое движение, энергия
которого может быть оценена температурой соответствую-
щего вещества. По мере увеличения температуры твердые
продукты переходят в жидкое состояние, жидкие — в па-
рообразное, частицы газа раскаляются и начинают излучать
свет — электромагнитную энергию; так получается огонь
и тепло.
Таким образом, при освобождении химической энергии в
виде тепла упорядоченное движение электронов переходит
в неупорядоченное — тепловое, движение молекул и ато-
мов. Как мы знаем, в этом случае энтропия системы возра-
стает, энергия деградирует и дальнейшее ее превращение в
другие виды энергии уже не может быть осуществлено пол-
ностью даже при обратимом протекании процессов — оно
ограничивается к.п.д. Карно.
Следовательно, этот способ освобождения химической
энергии не является наилучшим, более выгодно было бы
оставить природу химической энергии неизменной, т. е.
превратить ее в электродинамическую, сохранив упорядо-
ченность движения электронов. Однако технически это путь
более сложный, и поэтому эффективные преобразователи
этого типа стали практически осуществимыми лишь в са-
мое последнее время.
Тепловой эффект химической реакции q зависит от ус-
ловий выделения тепла — если процесс протекает при по-
стоянном давлении, то qp = z\— z2, а если при постоянном
объеме, то qv =	— и2.
Причиной химических реакций является химическое
сродство реагирующих веществ, т. е. сила их стремления
к соединению. Когда-то за меру химического сродства при-
нимался тепловой эффект — считалось, что всякая химиче-
ская реакция стремится идти в направлении наибольшего
выделения тепла. Однако некоторые реакции — эндотерми-
ческие протекают в обратном направлении.
Во второй половине XIX в. было установлено, что за
меру химического сродства следует принимать максималь-
ную работу реакции, т. е. при изотермно-изохорных реак-
циях уменьшение свободной энергии:
W7max-AF-Azz —TAs,
а при изотермно-изобарных реакциях уменьшение свобод-
112
ной энтальпии:
Wmax = AG = M — T\s.
Схематическое изображение основных типов химических
теплогенераторов дано на рис. 24. Органическое горючее
(уголь или угольная пыль, продукты перегонки нефти, го-
рючие газы) или неорганическое горючее (алюминий, нат-
рий и т. п.) и окислитель (воздух, кислород, фтор, хлор
и т. п.) подаются в камеру сгорания, где вступают в химиче-
скую реакцию. Энергопроизводительность некоторых хими-
ческих топлив указана ниже.
Теплота
Топливо	сгорания,
кдж/кг
Бензин с воздухом...................... 2	620
Перекись водорода (90%) ............... 4	050
Бензин с кислородом................... 10	000
Литий с водородом..................... 11	300
Водород с фтором...................... 13	400
Бор с фтором.......................... 16	400
Литий с фтором ....................... 23	500
Атомарный водород.................... 216	000
Метастабильные* атомы гелия . . .	468	000
* Возбужденное состояние атома, которое может существовать длитель-
ное время.
Для уменьшения габаритов камеры и обеспечения мак-
симальной полноты реакции применяются различные сред-
ства, улучшающие перемешивание горючего с окислителем
и поджигание свежих порций смеси,— турбулизация пото-
ка, придание ему вращательного (циклонного) движения
и т. п. Теплогенераторы, вырабатывающие тепло для отопи-
тельных и технологических целей, работают при низком
давлении (1—2 бар), теплогенераторы, тепло которых слу-
жит затем для получения механической энергии в тепло-
вых двигателях (поршневых, турбинных, реактивных),
работают при высоком давлении (до 50—300 бар).
Одним из основных показателей теплогенераторов являет-
ся объемная теплонапряженность (или удельная мощность),
характеризующая компактность теплогенератора и пред-
ставляющая собой количество тепла выделяемого в
единицу времени на 1 м3 объема рабочего пространства Ур
qv =	= -п— , дЖ1М-час.
р кр
8 Преобразование энергии	113
Рис. 24. Основные типы химических
тепл огенераторов
а — печь или топка парового котла;
б — камера сгорания двигателя внут-
реннего сгорания; в — камеры сгорания
турбинных иг — ракетных двигателей
в конце XVIII в. Гальвани
Эта величина изменяется
примерно со 100000 кдж/
/м3 • час — для печей до
5—10 млн. кдж/м3-час—
для циклонных топок кот-
лов и камер сгорания газо-
турбинных и особенно
реактивных двигателей.
К.п.д. теплогенераторов
зависит от различных ви-
дов потерь энергии — за
счет химической и механи-
ческой неполноты сгора-
ния, потерь тепла в ок-
ружающую среду и т. п.
и составляет обычно 80—
90%.
Преобразование химиче-
ской энергии в электроди-
намическую. Возможность
непосредственного превра-
щения химической энергии
в электродинамическую
была установлена еще
и Вольта. Первые-химиче-
ские электрогенераторы (ХЭГ) были названы гальваниче-
скими элементами. В них осуществлялись реакции по схеме
металл — электролит — металл. Несколько позже были
сделаны попытки использовать гальванический принцип
для «электрохимического» или «холодного сжигания» топ-
лива. Такие ХЭГ были названы топливными элементами
(ТЭ). В них реакции идут по схеме горючее—электролит —
окислитель. Как протекает процесс электрохимического
«сжигания» топлива?
Энергия, требующаяся для отрыва валентного электрона
(т. е. потенциал ионизации), для разных элементов различ-
на и возрастает по направлению от I к VIII группе перио-
дической системы. При сближении двух атомов, например,
атомов элементов II и VII групп они соединяются в моле-
кулы, и электрон из атома с малым потенциалом иониза-
ции переходит в атом с большим потенциалом. В резуль-
тате против поля атома элемента II группы будет произве-
дена работа eVn, а при помощи поля атома элемента VII
114
группы получена работа еУуц. Избыток энергии, получен-
ной при соединении ионов горючего и окислителя, выделя-
ется обычно в виде тепла. Это происходит вследствие очень
быстрого «короткого замыкания» многочисленных элемен-
тарных токов между молекулами и атомами с различными
электрическими потенциалами. Для предотвращения этого
надо, во-первых, замедлить движение электронов и, во-
вторых, сохранить упорядоченность его. И то и другое дос-
тигается разделением процесса на две стадии при помощи
промежуточной среды — электролита. Первая стадия со-
стоит в ионизации атомов горючего, т. е. отрыва от них
электронов, она происходит на отрицательном электроде.
Вторая стадия состоит в соединении электронов с ионами
кислорода, она происходит на положительном электроде.
Передвижение электронов — электрический ток осущест-
вляется по внешней цепи (металлическому проводнику). По
внутренней цепи — в электролите происходит движение
ионов, а на границе отрицательного электрода и электро-
лита — соответствующая химическая реакция.
По такой схеме действуют все химические электрогене-
раторы.
В гальванических элементах необходимо периодически
заменять израсходованные материалы новыми, вследствие
чего в эксплуатации они дороги и неудобны. Поэтому были
разработаны регенерируемые гальванические элементы,
позволяющие восстанавливать израсходованные материалы,
пропуская через элемент ток в обратном направлении. Так
появилась разновидность гальванических элементов, на-
зываемая аккумуляторами. На этом дальнейшая диффе-
ренциация гальванических элементов прекратилась.
Топливные элементы дифференцировались значительно
больше: в зависимости от рода топлив (горючих и окисли-
телей), агрегатного состояния электролита, расходуемости
электродов, обратимости процессов, температуры, давления
и т. п.
Однако наиболее часто топливные элементы разли-
чают по виду и агрегатному состоянию горючего — твердо-
го, жидкого и газообразного. Из твердых горючих, естест-
венно, наиболее заманчиво использовать уголь. Однако,
как показали многочисленные исследования, уголь начи-
нает электрохимически реагировать с кислородом только
при температурах более 700—1000°С. Эти реакции сопрово-
ждаются рядом нежелательных побочных явлений, вслед-
115
8*
ствие чего работоспособного и эффективного угольного
топливного элемента до сего времени не создано.
Несколько лучше обстоит дело с разработкой топлив-
ного элемента с жидкими горючими, однако продукты пе-
регонки нефти пока что не удалось заставить реагировать
с кислородом в жидком состоянии.
Рис. 25. Принципиальная схема во-
дород но-кис л сродного топливного элемента
1 — кислородный электрод (катод); 2 —
водородный электрод (анод); 3 — нагруз-
ка; 4 — вольтметр; 5 — вода
Наиболее успешно разрабатываются топливные элемен-
ты с газообразными горючими: водородом, окисью углерода,
природным газом и т. п. На рис. 25 схематически показаны
устройство и принцип действия водородно-кислородного
ТЭ. Водород и кислород пропускаются раздельно через два
пористых электрода, сделанных из каталитически активных
материалов, опущенных в электролит КОН. На водород-
ном электроде (аноде) происходит разделение молекул во-
дорода на атомы, которые, теряя свои электроны, превра-
щаются в положительные ионы. Последние стремятся пе-
рейти в электролит, создавая таким образом отрицательный
заряд на электроде. Электроны же по внешнему проводни-
ку, замыкающему цепь, переходят на кислородный электрод
(катод) и присоединяются к атомам кислорода, образуя с
ними отрицательные ионы. Последние в составе радикалов
116
ОН свободно проходят через электролит к аноду, где про-
исходит их соединение с ионами водорода с образованием
воды. Таким образом, при продолжающемся подводе водо-
рода и кислорода будет происходить реакция окисления
горючего не атомами кислорода, а ионами с одновремен-
ным образованием тока во внешней цепи. Однако напряже-
ние получающегося тока невелико — около 1 в, что за-
ставляет объединять отдельные элементы в батареи.
Электродинамическая энергия, получаемая при проте-
кании обратимых химических реакций, при изотермно-изо-
барном процессе должна быть равна, как показали Гиббс
и Гельмгольц, изменению свободной энтальпии, т.е.—AG =
= А/ + TAS, но —А/ = Qp (так как тепло отдается сис-
темой), следовательно, —AG = —Qp + 7"AS.
Следует помнить, что тепловой эффект реакции Qp сам
по себе будет отрицательным, если при реакции выделяется
(отдается) тепло, и положительным, если оно поглощается.
Таким образом, в реакциях с выделением тепла, где чи-
сло молей газообразной фазы возрастает и, следовательно,
AS > 0, а первый член становится положительным, AG >
> Qp. В противоположном случае AS < 0 и AG < Qp,
а когда число молей при реакции не меняется, то и AS О
и AG = Qp.
При AG > Qv электродинамическая энергия в топлив-
ных элементах получается не только за счет химической
энергии топлива, но и за счет тепловой энергии (ТAS),
черпаемой из окружающей среды. При полной тепловой
изоляции топливный элемент будет охлаждаться. При AG<^
<Z Qv химическая энергия частично превращается в элект-
рическую, а частично в тепловую (—TAS), которая рассе-
ивается в окружающей среде. При полной тепловой изоля-
ции топливный элемент будет нагреваться.
При составлении точного баланса энергии следует учи-
тывать необратимые потери в топливном элементе — тепло-
вые, омические и т. п., которые при изотермическом проте-
кании процессов можно учесть добавлением в правую часть
приведенного выше уравнения члена Т S ASn, где 2 ASa
есть сумма возрастаний энтропии за счет указанных потерь.
Тогда
AG = — Qp + TAS — T2AS«.
В теоретических расчетах, вследствие трудности расче-
та 2ASn, необратимыми потерями обычно пренебрегают.
117
Тогда выражение к. п. д. топливного элемента можно на-
писать в виде
ДО 1 о.
Пт. Э.= Qp - 1 -FT Qp .
откуда следует, что т]т. э может быть больше, меньше и рав-
ным 100%. Превышение 100% при AS 0 в реакции с
выделением тепла, т. е. при отрицательной величине
объясняется не совсем строгим определением к. п. д., так
как в качестве затраченной энергии берется только тепло-
вой эффект реакции, без учета тепла, поглощаемого из ок-
ружающей среды.
Практически наиболее совершенные топливные элемен-
ты позволяют получить к. п. д. до 60—80%, т. е. более вы-
сокий, чем любые другие преобразователи ядерной и хими-
ческой энергии.
Преобразование химической энергии в механическую.
Непосредственное превращение химической энергии в ме-
ханическую может происходить только путем увеличения
объема продуктов химической реакции, протекающей при
постоянной температуре, равной температуре окружающей
среды. А это возможно лишь в случае, если реакция прохо-
дит с участием газообразной фазы, конечное число молей
которой больше, чем начальное. При этом, как показал
Вант-Гофф, такие реакции в принципе можно провести об-
ратимо и получить механическую энергию в количестве,
равном разности свободных энтальпий до и после оконча-
ния реакции, т. е. максимальной работе. Следовательно,
теоретический к. п. д. соответствующего преобразователя —
двигателя будет выражаться той же зависимостью, что и
к. п. д. рассмотренного выше топливного элемента и может
достигать значений, близких к 100%.
Представить себе такую систему проще всего на следую-
щем примере (рис. 26). Если в сосуд с жидкой серной кисло-
той бросить кусочек цинка, то произойдет реакция
Zn	H2SO4 —> Н2 “Г" Zn2SO4,
в результате которой общее число молей реагирующих
веществ увеличится на 1,0 (так как появится один моль водо-
рода), соответственно повысится давление (можно исполь-
зовать и «топливную реакцию», протекающую с увеличе-
нием числа молей 2С + О2 = 2СО при температуре окру-
118
жающей среды). Струю водорода можно направить на ко-
лесо турбины или использовать для перемещения поршня,
получая ту механическую энергию, в которую непосредст-
венно превращается химическая. Однако осуществление
такого технического преобразователя с показателями,
близкими к теоретическим, весьма трудно'1 из-за малого
изменения объема газов при протекании изотермических
Рис. 26. Принцип непосредственного
превращения химической энергии в ме-
ханическую
А — сосуд, в котором происходит реакция
между натрием и серной кислотой; Б —
сосуд с водой; В — гидравлическая тур-
J бина
химических реакций при температуре, равной температуре
окружающей среды. Мощность соответствующего преобра-
зователя будет мала, а потери (на трение в процессе расшире-
ния, в турбине, на механическое трение и т. п.)—велики.
В этом отношении такой двигатель похож на поршневой га-
зовый двигатель Карно, показатели которого теоретически
должны быть наилучшими, а практически оказываются
очень низкими.
Другие возможные превращения химической энергии
также пока не имеют перспектив широкого применения.
К ним относится, например, непосредственное превращение
химической энергии в электромагнитную — свет (свечение
фосфора на воздухе, светляков и т. п.).
Непосредственное превращение химической энергии в
упругую, например сжатого газа, легко осуществляется в
изотермическом процессе протекания химической реакции
с увеличением числа молей, рассмотренном выше. Ряд дру-
гих превращений химической энергии (и соответствующих
преобразователей) может быть осуществлен путем исполь-
зования промежуточных этапов превращения — в тепловую
119
и механическую энергии. К такого рода превращениям от-
носятся, например, превращения химической энергии в
электростатическую, магнитостатическую, гравистатиче-
скую и, весьма косвенно, в аннигиляционную, ядерную
и др.
Превратить химическую энергию непосредственно в ан-
нигиляционную, ядерную, мезонную, нейтринную и другие
не удается. «Идеи» таких превращений, например, хими-
ческой энергии в ядерную путем деления ядра вращающи-
мися вокруг него электронами при уменьшении орбит их
движения до диаметра ядра под действием «сверхнизких»
температур пока рассматриваются как фантастические.
§ 14. Преобразователи упругой энергии
Возможность накопления упругой энергии в твердых
телах и газах (и в меньшей степени в жидкостях) обуслов-
ливается наличием межмолекулярных сил — в первых пре-
обладают силы притяжения, определяющие форму тел, во
вторых силы отталкивания, от которых зависит давление
газов. Не имея возможности касаться деталей природы и
проявления указанных сил, перейдем сразу к возможно-
стям их использования для накопления и освобождения уп-
ругой энергии.
Упругая энергия твердых тел есть часть их энергии свя-
зи и не может ее превысить, так как в этом случае тело раз-
рушится. Энергия связи твердых кристаллических тел за-
висит от вида связи и может быть от 1200 до 10 кдж!молъ.
Теория упругости, исходя из представлений о сплош-
ности и изотропности упругих тел, дает сложную систему
математических зависимостей на основе тензорного исчис-
ления, которая описывает упругую деформацию и напря-
жения, возникающие при ней.
Основными видами деформации твердых тел, к которым
сводятся все другие виды деформаций, являются линейное
растяжение и сжатие и простой сдвиг.
Энергия упругих напряжений может быть определена
по следующей зависимости
lFnp = Ы/ =
где Е — модуль Юнга, К —	— относительная деформа-
ция.
120
Наиболее широко для накопления упругой энергии
используются пружины. Для цилиндрической круглой пру-
жины энергию кручения, накапливаемую пружиной, можно
вычислить по формуле:
w/ __ 32P*R*n
w пр ~ Gd^ ’
где 7? — радиус витка пружины, d — диаметр проволо-
ки, п — число витков, G — модуль упругости при сдвиге,
Р — прилагаемая внешняя сила. При отсутствии необхо-
димых данных lFnp можно оценить по средней величине по-
тенциальной энергии, которую способен накопить 1 кг луч-
шего пружинного материала — инструментальной стали
(модуль упругости 2,06-1011 н/м\ предел упругости 8,23-
108 н/м2), равной примерно 212 дж/кг.
Упругая энергия газов. Определить максимальную,
энергию, которую способен накопить 1 кг сжатого газа,слож-
нее, так как с увеличением давления газа увеличивается
вес баллонов, в которых он должен сохраняться, а в случа-
ях транспортного применения его надо учитывать тоже.
Запас энергии сжатого газа, освобождаемый, например,
при адиабатическом расширении (без подвода тепла), оп-
ределяется по формуле
ft—1
W^ = T^TRT[1-^) k \дж1кг-
Тогда энергия 1 кг сжатого до рг — 1,962-107 н/м2 воздуха,
преобразовавшаяся в механическую, в случае его расшире-
ния до р2 = 2-Ю5 н/м2 при начальной температуре Т =
=300° К будет равна примерно 220 000 дж, т. е. более, чем в
1000 раз превышает запас энергии твердого тела. Если вме-
сто воздуха использовать самый легкий газ — водород,
имеющий газовую постоянную/? = 4157 дж/кг-град против
7? = 287 дж/кг-град для воздуха, то приведенное выше зна-
чение запаса энергии сжатого газа увеличится еще в 14,5
раз. Учет веса баллонов значительно уменьшает эти цифры.
Для приведенных выше условий на 1 кг сжатого воздуха
будет приходиться до 20 кг веса баллонов, а на 1 кг сжато-
го водорода — примерно в 14,5 раз больше. (Вес газа в
объеме V при температуре Т и давлении р равен G = pV/
/РТ, а следовательно, отношение весов воздуха и водорода
при равных V, Т и р GB : бн2 = /?н2 • /?в = 14,5.) Таким
121
Рис. 27. Осмотическое
давление
1 — растворитель; 2 —
раствор; 3 — полупрони-
цаемая перегородка
образом, если учитывать вес балло-
нов, то выигрыша при использова-
нии водорода на единицу веса не
получится.
Упругая энергия жидкостей. А что
можно сказать о жидкостях? Как из-
вестно, жидкости не обладают опре-
деленной формой и практически нес-
жимаемы. Поэтому межмолекулярные
силы в них проявляются только в ви-
де поверхностного натяжения и свя-
занных с ним капиллярных явлений—
капиллярном подъеме (или опус-
кании) жидкости, сцеплении смачи-
ваемых пластин и т. п. Однако вели-
чины энергии, накапливаемой таким
способом, невелики, поэтому технического энергетиче-
ского воплощения он не находит.
Упругая энергия в жидкой (и газообразной) фазе может
быть накоплена и с помощью растворов, а освобождена в
виде сил осмотического давления. Подобно тому, как газ
оказывает давление на стенки сосуда, а при расширении
может совершить работу перемещения стенки, если она под-
вижна (поршень), растворенное вещество тоже оказывает
давление на ту границу, которая разделяет раствор и чис-
тый растворитель или два раствора с различными концент-
рациями (разность концентраций здесь играет такую же
роль, как в газах — разность давлений). Осмотическое
давление проявляется, если поместить между раствором и
чистым растворителем полупроницаемую перегородку, че-
рез которую легко проходит растворитель, но не проходит
растворенное вещество. Тогда растворитель будет перехо-
дить в раствор, и уровень жидкости в той части сосуда, где
находится раствор (рис. 27), будет повышаться. Подъем уро-
вня жидкости будет продолжаться до тех пор, пока возник-
шее гидростатическое давление не окажется равным осмо-
тическому давлению. Осмотическое давление пропорцио-
нально концентрации раствора и обратно пропорционально
его объему. В соответствии с законом Вант-Гоффа
nV = nR7\
где л — осмотическое давление, V — объем раствора, п —
число молей растворенного вещества.
122
Полное сходство уравнения Вант-Гоффа с уравнением
состояния идеального газа позволяет сделать заключение,
что осмотическое давление, оказываемое растворенным ве-
ществом, равно давлению, которое производило бы это же
вещество в газообразном состоянии в том же объеме и при
той же температуре. Отсюда следует, что количество упру-
гой энергии, которое можно накопить таким путем, ничто-
жно мало по сравнению с тем, которое может быть накоп-
лено путем сжатия свободных газов. Поэтому технического
развития и это направление не получило. Однако осмоти-
ческое давление играет большую роль в жизни биологиче-
ских систем, так как оболочки многих органов животных
и растений представляют собой полупроницаемые перего-
родки, а циркулирующие вещества — водные растворы.
Энергия растворения. Заметим, что с некоторой натяж-
кой можно отнести к случаю освобождения упругой энер-
гии и процесс растворения. Отнести его к химическим
реакциям также трудно потому, что при этом не образует-
ся нового химического соединения — растворенное ве-
щество и растворитель остаются в неизменном состоя-
нии, образуя смесь двух веществ. Поэтому процесс раство-
рения можно рассматривать как своего рода расширение
растворяемого вещества. При этом разделение его частиц,
связанных силами притяжения, совершается за счет энер-
гии взаимодействия между частицами растворяемого вещест-
ва и растворителя. В результате (как и при всяком расшире-
нии) происходит охлаждение раствора. Получаемую разность
температур (между окружающей средой и растворителем)
можно использовать для выработки полезных видов энергии.
В некоторых же случаях происходит нагревание жидкого
раствора, вследствие того, что между частицами растворя-
емого вещества и растворителя действуют особенно большие
силы притяжения, благодаря которым частицы с большими
скоростями устремляются друг к другу и соединяются в
особые комплексы. Выделяющееся за счет этого тепло не
только компенсирует, но и значительно превосходит эф-
фект охлаждения при растворении. Обычно количество пог-
лощенного и выделенного тепла при образовании растворов
значительно меньше, чем при протекании химических реак-
ций или освобождении упругой энергии твердых тел и сжа-
тых газов. Поэтому указанный энергетический эффект по-
ка не находит технического применения.
Энергия сжиженных газов. Укажем еще на один способ
накопления упругой энергии, вероятно, самый эффектив-
на
ный — это доведение газов до сжиженного состояния. Пра-
вда, в этом случае энергия накапливается не только в виде
упругой энергии, но и в виде тепловой — за счет отбора ее
у сжижаемого газа и отвода во внешнюю среду. Поэтому
освобождение упругой энергии проходит как бы две
стадии: превращение тепловой энергии, подводимой из
внешней среды к сжиженному газу, в упругую энергию —
до момента выравнивания температур газа и среды; и пре-
вращение упругой энергии сжатого газа в механическую
энергию — до выравнивания температур газа и среды. По-
скольку тепловая энергия окружающей среды имеется в
неограниченном количестве, расход ее нет необходимости
учитывать. Ясно без расчетов, что запас энергии, приходя-
щейся на весовую и особенно объемную единицу сжиженно-
го газа, будет значительно выше, чем в случае накопления
энергии сжатым газом.
Преобразование упругой энергии. Природа и возможности
накопления упругой энергии в общих чертах были изло-
жены. В какие же виды энергии она может быть превра-
щена? Во всех рассмотренных выше случаях упругая энер-
гия в идеальных условиях («идеальное» твердое тело, иде-
альный газ) превращается в механическую энергию — пу-
тем удлинения сжатой пружины или расширения сжатого
газа. В реальных условиях в процессах превращения уча-
ствует (выделяется или поглощается) тепловая энергия, но
вклад ее в общее количество освобождаемой энергии обычно
незначителен.
Пружины бывают самых разнообразных типов, но в ос-
новном пластинчатые и цилиндрические. Расширительные
машины бывают трех типов: поршневые, турбинные и реак-
тивные (рис. 28). В первых поступающий в цилиндр рас-
ширяющийся газ давит на поршень, который, двигаясь посту-
пательно, передает энергию через шатун и кривошип колен-
чатому валу, получающему вращательное движение. Во
вторых расширяющийся в сопловом аппарате (и частично
в межлопаточных каналах рабочего колеса) газ, приобре-
тая большой запас кинетической энергии, передает его через
лопатки рабочего колеса валу, получающему вращательное
движение. И, наконец, в третьих —• истекающий с большой
скоростью через реактивное сопло газ создает реактивную
силу, действующую в противоположном направлении и при-
ложенную к оболочке двигателя — транспортного аппара-
та, получающего поступательное движение.
124
Однако упругая энергия может быть непосредственно
превращена и в другие виды энергии, например, электро-
динамическую, электростатическую, магнитностатическую.
Превращение упругой энергии, определяемой разностью
давлений (концентраций) одного и того же газа, в электро-
динамическую энергию происходит в концентрационных
Рис. 28. Основные типы расширительных машин
а — поршневая; б —турбинная (лопаточная и безлопа-
точная); в — реактивная
гальванических элементах. В таких элементах электриче-
ский ток возникает вследствие самопроизвольного вырав-
нивания концентраций двух растворов одного и того же
электролита.
Простейшим примером концентрационного элемента яв-
ляется комбинация двух водородных электродов из плати-
ны, работающих при различных давлениях этого газа:
рх и р2. Платина выполняет роль носителя, электроли-
том может служить любая кислота. Если рх р2, то на
левом электроде будет происходить ионизация водорода в
большей степени, чем на правом. Протекающий в элементе
процесс состоит в переносе водорода от большего давления
к меньшему, возникающая электродвижущая сила Е опре-
деляется уравнением
где Ф — число Фарадея (Ф = 96493 Е).
На поверхности платины, насыщенной водородом, воз-
никает скачок потенциала, отвечающий работе окисления
125
— восстановления водорода Н2 2Н+ + 2е. Подобным же
образом могут быть осуществлены и другие газовые элект-
роды. Из двух различных газовых электродов можно сос-
тавить цепь — газовый элемент, в котором не происходит
превращений одних соединений в другие, а осуществляется
образование раствора.
Например,
— (Pt)H2^2H++ 2СГ^С12 (Pt)+
на левом электроде происходит окисление (Н2—>2Н+), на
правом—восстановление (С12—>2СГ)« Э. д. с. элемента будет
выражать максимальную работу образования раствора хло-
ристого водорода заданной концентрации из газов водорода
и хлора.
Особый случай концентрационного элемента представ-
ляет цепь, образованная двумя амальгамами одного и того
же металла, но различной концентрации, находящимися
в одном и том же растворе соли.
Переход упругой энергии в электростатическую и маг-
нитостатическую происходит в результате соответствующих
пьезоэффектов, состоящих в возникновении разности эле-
ктрических потенциалов (поляризации) в твердом кристал-
лическом теле под действием давления (пьезоэлектричество),
т. е. сжатия или растяжения. Пьезоэлектричество было об-
наружено в 1880 г., пьезомагнетизм исследован совсем не-
давно, они объясняются смещением электрических зарядов
из равновесного состояния, которое свойственно свободно-
му кристаллу, в неравновесное, возникающее в результате
искажения его формы под механическим действием давле-
ния.
Возникающие электрический или магнитный потенциалы
очень малы, и поэтому указанные эффекты используются
для измерения давлений, а энергетического применения не
имеют.
Превращение упругой энергии в гравистатическую можно
представить по крайней мере в четырех вариантах: 1) путем
подъема груза; 2) в результате уменьшения поверхности
сопротивления тела при сжатии, что увеличит его потенци-
альную гравистатическую энергию в пределах земной атмо-
сферы; 3) в результате расширения легкого сжатого газа в
оболочке («воздушный шар»), что приведет к возникнове-
нию подъемной силы и движению оболочки вверх от по-
верхности Земли; 4) в результате выпуска сжатого или
126
сжиженного, обладающего большим весом, чем вода, газа
из сосуда под водой, что приведет к возникновению подъ-
емной силы, и т. п.
В принципе можно говорить о непосредственном превра-
щении упругой энергии в химическую в редких случаях,
когда происходит разложение некоторых веществ, вызы-
ваемое большим давлением.
Непосредственное превращение упругой энергии в ан-
нигиляционную, ядерную, мезонную, нейтринную и другие
технически пока не представляется возможным.
§ 15. Преобразователи гравистатической энергии
Гравитационные силы действуют между любыми двумя
материальными телами в соответствии с законом
р__	/П1/И2
Т Г2 >
где у — гравитационная постоянная, тг и т2 — массы тел,
г — расстояние между ними.
Пропорциональность массам приводит к тому, что гра-
витационные силы между частицами пренебрежимо малы,
например, в атоме водорода (один протон и один электрон)
силы гравистатического притяжения равны 4-10“47 н, в то
время как силы электростатического притяжения состав-
ляют 9-10“8 н.
Однако огромная масса земного шара обусловливает си-
лы притяжения между ним и находящимися на его поверх-
ности или вблизи нее телами, имеющие большую величину.
Соответственно велика и гравистатическая энергия
U/гр = mgh,
где т — масса тел, взаимодействующих с Землей,
g — ускорение силы тяжести, h — расстояние от поверх-
ности Земли. Значение И/гр на единицу массы равно при-
мерно IFrp = 6,16* 107 дж/кг, т. е. примерно в 1,5 раза
больше химической энергии 1 кг бензина.
Благодаря гравистатическим силам существует земная
атмосфера («борьба» между тепловым движением и весом
заставляет молекулы парить около Земли) и вода в морях
и океанах. Они являются «хранителями» огромного коли-
чества гравистатической энергии, освобождение которой
не так-то просто, ибо нарушение существующего равнове-
127
сия требует в свою очередь затраты энергии. Взаимные пре-
вращения гравистатической и механической энергий исполь-
зуются при движении геофизических и боевых ракет. Ис-
пользуется также и разность давлений по высоте в водном
и воздушном океанах, подобная разности давлений сжатой
пружины в двух состояниях, путем нарушения баланса ве-
сов и давлений газовых или жидкостных столбов за счет
вытеснения части объема более легким, чем окружающая
среда, веществом.
Последнее позволяет превращать гравистатическую
энергию в механическую с помощью такого, например, пре-
образователя энергии, как аэростат или воздушный шар.
На основе закона Архимеда можно себе представить и дру-
гие преобразователи, работающие в водной и воздушной
(атмосфера) среде.
Под водой, как известно, тело обладает подъемной си-
лой, равной весу вытесненной им воды. Этот же закон
применим и к атмосфере. Таким образом, если из некото-
рой сохраняющей свою форму жесткой (например, пласт-
массовой) легкой герметически закрытой оболочки выка-
чать воздух и положить ее на дно океана, то эта оболочка
не только всплывет на поверхность, но и взлетит в воздух
под действием подъемной силы Архимеда (если вес самой
оболочки будет достаточно мал).
В данном случае мы будем иметь дело с преобразователя-
ми гравистатической энергии в механическую. Правда, для
откачки воздуха из оболочки придется затратить энергию.
На основе указанного принципа при должном искусстве
конструкторов, изобретателей и ученых можно разработать
ряд преобразователей энергии, работающих с большой
эффективностью под водой и «под атмосферой» Земли.
Приведем в качестве примера один из них — вакуум-
новоздушный ускоритель, сообщающий ракете или снаряду
начальную скорость перед включением собственных двига-
телей. В этом преобразователе предполагается использовать
огромную скрытую потенциальную энергию, запасенную
в земной атмосфере благодаря гравистатическим силам,
т. е. гравистатическую энергию. Атмосферное давление
на уровне моря равно примерно 10,1 н!см2. Если взять
ракету (снаряд), имеющую диаметр 4,9 м, и запускать ее
из предварительно откачанной трубы того же диаметра,
как показано на рис. 29, то можно получить начальную
силу тяги свыше 2 260 000 н, которая соизмерима с
128
Рис. 29. Вакуумновоздушный ускоритель (преоб-
разователь гравистатической энергии в механиче-
скую)
1 — поток воздуха; 2 — плоскость установки клапана;
3 — снаряд; 4 — область низкого давления (вакуум);
5— давление	; 6 — крышка, разрушаемая при вы-
стреле; 7 — атмосферное давление р
эффективной силой тяги, обеспечиваемой
химической энергией, заключенной в топ-
ливе теплового двигателя. Правда, при-
веденное значение тяги относится к не-
подвижному снаряду; как только начинает-
ся движение, тяга уменьшается. Хотя
затраты энергии на откачку будут равны
работе дополнительной силы тяги, отсут-
ствие аэродинамического сопротивления
воздуха в откаченной трубе улучшит эф-
фективность такого запуска, если отвлечься
от конструктивных трудностей создания
7
вакуумвоздушного ускорителя.
Другим примером технического преобразователя гра-
вистатической энергии в механическую является глубоко-
водный керн, применяющийся для взятия проб грунта со
дна океанов и морей и проникающий на глубину до 50 м
ниже поверхности дна (рис. 30). Здесь используется сила
давления воды, обусловленная также гравитационным
притяжением Земли. В нижней части цилиндра 1 закреп-
лена стальная трубка. Такую трубку опускают с корабля
на троссе с петлей 2. Когда ее конец с грузом 3 коснется
грунта, автоматически открывается кран 4. Заполняя по-
лость цилиндра 5, вода с огромной силой (5-^6 • 107 н/м2
и более) ударяет в поршень, заключенный в нем, и загоняет
трубку в грунт.
Также можно непосредственно использовать подъемную
силу воды для «безмоторного» движения аппаратов под
водой. Опустим в море обтекаемое тело, обладающее неко-
торым запасом плавучести, в носовой части которого укреп-
лен груз. Тело начнет тонуть, при этом гироскопически
управляемые рули заставят его двигаться не вертикаль-
но, а по наклонной траектории. На определенной глубине
груз отцепляется, а тело под действием подъемной силы
воды всплывает, управляемое рулями, тоже под наклоном.
Проведенные за рубежом опыты показывают, что тело при
9 Преобразование энергии
129
этом может достигать скоростей дви-
жения более 14 м/сек.
Сенсацией конца 50-х годов наше-
го столетия были идеи об электрогра-
витационных или антигравитационных
преобразователях энергии — установ-
ках, в которых создавались бы силы,
преодолевающие силы земного притя-
жения и позволяющие таким образом
осуществлять безмоторные полеты.
Теория относительности А. Эн-
штейна и аналогия с электромагнит-
ными явлениями позволяют теорети-
чески признать возможность создания
такой установки. Напряженность и
другие характеристики гравитацион-
ного поля описываются в этой теории
уравнениями, аналогичными уравне-
ниям электромагнитного поля. На ос-
нове этих уравнений .были рассчитаны
параметры установки, способной соз-
давать гравитационные силы, равные
силе притяжения Земли. Гипотетиче-
ская установка представляет собой
тор диаметром в несколько километ-
ров, на который в виде спирали «намо-
тана» труба диаметром в несколько де-
сятков метров. В трубе ускоряется вещество, имеющее удель-
ный вес порядка 1011—1015 кг/м3 (предполагается, что такой
удельный вес имеет вещество карликовых звезд). Тогда в
центре тора создается гравитационная сила Р = 10“9а я,
где а — ускорение вещества. Если бы удалось сообщить
веществу ускорение порядка 1011 м/сек2, то в центре тора
на несколько миллисекунд возникли бы гравитационные
силы, равные земному притяжению (через несколько мил-
лисекунд скорость вещества достигла бы скорости света и
дальнейшее ускорение стало бы невозможным).
Другой, аналогичной по перспективам, являлась идея
антигравитационной установки, основанной на использо-
вании антиобычного вещества. Антивещество, как предпо-
лагалось некоторыми исследователями, имеет отрицатель-
ную гравитационную массу, тогда как ее инертная масса
может оставаться положительной. В этом случае между
Рис. 30. Глубоковод-
ный керн (преобразо-
ватель гравистатиче-
ской энергии в меха-
ническую)
1 — стальная труба; 2 —
тросе с петлей; 3— груз;
4 — кран; 5 — цилиндр
с поршнем
130
Землей и соответствующим телом из антивещества будут
действовать вместо сил притяжения силы отталкивания,
что и открывает возможность создания различных антигра-
витационных двигательных систем. Однако создание и хра-
нение антивещества, как было показано в § 11, является
не менее трудной проблемой, чем, например, создание сил,
уравновешивающих гравитационные.
Во всех рассмотренных выше случаях гравистатическая
энергия непосредственно преобразовывалась в механиче-
скую; непосредственное получение других видов энергии
пока что трудно себе представить. Однако механическую
энергию можно превратить во многие другие виды энергии
и таким образом использовать гравитационные силы для
получения косвенным путем различных видов энергии.
§ 16.	Преобразователи
электростатической энергии
Вызванное тем или иным путем неравновесное распре-
деление электрических зарядов характеризуется потенци-
альной энергией, называемой электростатической, которая
может быть освобождена при переходе системы в состоя-
ние равновесия. «Внешне» электростатическая энергия по-
добна упругой энергии и гравистатической энергии, однако
природа ее другая.
Наиболее распространенным источником электростати-
ческой энергии является накопитель ее, называемый кон-
денсатором (рис. 31). Конденсатор представляет собой си-
стему, состоящую из двух (или более) проводников — об-
кладок (электродов), разделенных диэлектриком, толщина
которого мала по сравнению с линейными размерами об-
кладок. Обкладки обладают взаимной
электрической емкостью С, во много
раз большей емкости каждой из них по
отношению к другим удаленным провод-
никам, в частности по отношению к
Земле. Емкость конденсатора пропор-
циональна диэлектрической проницае-
мости диэлектрика 8 и тем больше, чем
меньше толщина диэлектрика и чем
больше площадь обкладок. Диэлектриком
служат газы, жидкости и твердые элек-
троизоляционные вещества с 8 от 1 (га-
131
9*
зы) до 104 (сегнетокерамика). При подключении конденса-
тора к источнику постоянного напряжения U на его об-
кладках накапливается электрический заряд, а в диэлектри-
ке создается электрическое поле с энергией:
W9 = ±CU*.
Поскольку С = -уг, W 3=~qU.
U	А
Выражение IF3 = -у С U2 аналогично выражению для
механической энергии IFM = тсо2, где т — масса, по-
добно емкости С, обозначает постоянное свойство системы,
со — скорость, подобно напряжению (/, характеризует со-
стояние системы.
Разноименные заряды притягиваются. Поэтому, если
обкладки конденсатора при зарядке удерживаются на рас-
стоянии d друг от друга, то между ними возникает механи-
ческая сила притяжения Р, при действии которой пластины
будут двигаться навстречу друг другу, освобождая меха-
ническую энергию, равную
w = pd=^-d=^-,
а2, а ’
где 91, 92 — величины зарядов на пластинах конденсатора,
обычно 91 = 92.
На этом принципе основано действие электростатических
двигателей и ускорителей элементарных частиц.
Используя другое выражение для силы притяже-
ния между пластинами конденсатора Р = у Е2 F, где
F — площадь пластин (Р остается постоянной, так как ве-
личина заряда 9, плотность смещения D и напряженность
поля Е = — не меняются), получим следующее соотноше-
ео
ние для величины энергии
Г9 = Pd = EFI = Ц- &V,
Z	Zj
132
где V — объем пространства между пластинами, т. е. про-
странства, занятого электрическим полем.
Отсюда следует, что в электростатической форме удает-
ся запасти относительно небольшое количество энергии.
Например, в 1 л (10“3 л*3) при технически осуществимом
значении напряженности поля Е = 107 в можно запасти
всего лишь 0,44 дж. Эта энергия, однако, может играть
значительную роль при включении конденсаторов в цепь
переменного тока, меняющего 100 раз в секунду свое на-
правление, где конденсатор заряжается или разряжается в
1
течение сек., так что отдаваемая при разрядке или
требуемая при зарядке средняя мощность составит 0,44 :
: '2бо'= 2500 вт-
Заметим, что примерно половина энергии, передаваемой
источником конденсатору, теряется на сопротивлении (пре-
вращаясь в тепло), так как к.п.д. зарядки составляет око-
ло 50%. Его можно несколько увеличить с помощью спе-
циального режима зарядки.
В последние годы в связи с исследованиями, имеющими
целью осуществление контролируемого термоядерного син-
теза, исследованиями элементарных частиц, а также для
получения высоких температур, необходимых для других
целей, большой интерес проявляется к конденсаторам вы-
сокой напряженности. Так, например, тороидальный кон-
денсатор, построенный с целью получения при разряде вы-
сокотемпературной искры, позволяет получить напряжение
U = 50—60 кв, силу тока i = 97—500 ка при индуктив-
ности L = 0,15—0,04 мкг к, емкости С = 0,57—28 ф, т. е.
(j
отношении -J- = 3,8 — 7000, при разряде за время т
^1,90—2,1 мксек. Максимальная температура гелия в раз-
ряде при этих условиях была равна примерно 250 000° К.
Другие принципиальные возможности превращения
электростатической энергии основываются на результатах
взаимодействия тел с электростатическим полем. Так,
например, с 1672 г. (опыт Герике) известны опыты с «паре-
нием» заряженных тел между пластинками конденсатора.
Изменяя расстояние между пластинками, можно заставить
тело подниматься, падать или свободно парить (поле между
пластинками неоднородно). Другим примером является
втягивание тела (в любом агрегатном состоянии) из пара-
133
электрического или из диэлектрического материала в об-
ласть наибольшей напряженности поля. Сюда относятся и
древнейшие наблюдения притяжения обрывков ткани или
бумаги заряженными телами, например натертым янтарем.
Малые силы и низкие к.п.д. превращений делают неце-
лесообразным создание соответствующих технических пре-
образователей.
Таковы принципиальные возможности превращения эле-
ктростатической энергии в электродинамическую и меха-
ническую. Превращение электростатической энергии в
остальные виды энергии возможно лишь в тех пределах,
которые накладываются возможностями превращения в
эти виды энергии электродинамической и механической
энергии.
§ 17.	Преобразователи магнитостатической
энергии
Магнитное поле — одна из форм проявления электро-
магнитного поля, особенностью которой является то, что
это поле действует только на движущиеся тела, обладаю-
щие электрическим зарядом, и на тела, обладающие магнит-
ным моментом, независимо от их состояния движения. Ис-
точниками магнитного поля являются намагниченные тела,
проводники с током и движущиеся электрически заряжен-
ные тела. Например, движущийся электрон обладает меха-
нической и одновременно магнитной энергией; при этом с
увеличением скорости движения электрона увеличивается
и магнитная энергия, т. е. энергия магнитного поля, воз-
никающего вокруг электрона перпендикулярно направле-
нию его движения. Поэтому нельзя сказать, что магнитная
энергия получается в результате превращения в нее меха-
нической энергии. Нет, магнитное поле является лишь од-
ной из форм взаимодействия электрона со средой, одной из
форм проявления его энергии.
Поэтому и «превращение» магнитостатической энергии
следует понимать (как и «превращение» упругой, электро-
статической и гравистатической) как превращение энергии
тела, накопленной в результате его взаимодействия с дру-
гим телом (системой) через посредство магнитного поля.
Простейшим примером такого случая является отталкива-
ние или притяжение электропроводных тел постоянным
магнитом. Магнитные поля постоянных магнитов также
134
существуют за счет движения электронов. Процесс намаг-
ничивания заключается в придании упорядоченности мик-
ротокам, существующим в железе, до внесения его в магнит-
ное поле. Оси микротоков располагаются параллельно оси
катушки.
После удаления магнетика из намагничивающего поля
часть микротоков снова принимает неупорядоченное рас-
положение, а часть продолжает двигаться упорядоченно;
за счет последней части и сохраняется действие магнита со
временем, однако, все уменьшающееся. В электромагните
ток поддерживается постоянно за счет постоянного внеш-
него источника, поэтому его действие не ослабляется.
По аналогии с определением запаса электростатической
энергии можно определить и запас магнитостатической
энергии однородного магнитного поля объема V
WU = ^H*V = ^V.
Взаимодействие тел с магнитным полем зависит от свойств
их вещества. Различают диамагнитные, парамагнитные
и ферромагнитные вещества.
Диамагнитные вещества (Н2, Си, Н2О, NaCl, Bi и др.)
вытесняются из областей высокой напряженности магнит-
ного поля. Это объясняется тем, что атомы диамагнитных
веществ сами по себе не имеют магнитного момента. Послед-
ний создается в них только в поле как результат возник-
новения индукционных токов. Направление этих токов
противоположно направлению токов в катушках, поэтому
все тело в целом приобретает магнитный момент, направлен-
ный против поля, в результате чего оно и вытесняется по-
лем. Диамагнитные вещества могут свободно парить в не-
однородном магнитном поле соответствующего вида, подоб-
но парению электрически заряженных тел в электростати-
ческом поле.
Парамагнитные вещества (Al, Pt, О2 и др.) наоборот
втягиваются в область больших значений напряженности
магнитного поля, поскольку их молекулы, помимо приобре-
таемых благодаря индукции магнитных моментов, обладают
и постоянными, не зависящими от поля. При помещении
парамагнетика между полюсами магнита на его концах воз-
никают полюса, разноименные с близлежащими полюсами
магнита. Поэтому парамагнетики и втягиваются в магнит-
135
ное поле. На характер взаимодействия пара- и ферромаг-
нитных тел с магнитным полем оказывает влияние темпера-
тура. В качестве примера рассмотрим взаимодействие воз-
духа с неоднородным магнитным полем, которое может
быть создано постоянным магнитом за счет увеличивающего-
ся зазора между его полюсами. Холодный воздух втяги-
вается в область поля высокой напряженности, а горячий —
в область низкой напряженности. На этом принципе
можно построить, например, реактивный или другого типа
двигатель, а также насос или компрессор.
Ферромагнетики притягиваются к любому магниту; они
обладают отдельными микроскопическими (линейные раз-
меры около 1(Г4 см) областями — доменами, которые на-
магничены до насыщения и в отсутствие внешнего поля.
Однако магнитные моменты доменов ориентированы хао-
тически, и магнитный момент микроскопического объема
равен нулю. При внесении ферромагнетика во внешнее маг-
нитное поле по полю ориентируются не магнитные моменты
отдельных атомов, а целые домены; силы, ориентирующие
частицы внутри доменов, носят квантово-механический ха-
рактер.
С помощью магнитного поля можно превращать одни
виды энергии в другие, но подобные устройства нельзя на-
звать преобразователями «магнитной» энергии. Так, напри-
мер, при пересечении проводником силовых линий маг-
нитного поля в проводнике возникнет электрический ток,
т. е. произойдет превращение механической энергии в эле-
ктродинамическую. Интересен и другой пример. Если на-
гревать в одном месте железное колесо, помещенное в маг-
нитное поле, то оно начинает вращаться. Дело в том, что
при 817° С (точка Кюри) железо теряет свои ферромагнитные
свойства, и тогда магнит втягивает более холодные, остав-
шиеся еще ферромагнитными участки колеса. Средняя плос-
кость магнита проходит через ось вращения колеса. В за-
висимости от того, в какую сторону желательно вращать
колесо, подогреватель устанавливается впереди или позади
этой плоскости. В рассмотренном примере происходит пре-
вращение тепловой энергии в механическую с помощью маг-
нитного поля. Можно привести аналогичные примеры и по
другим превращениям, например, тепловой энергии в эле-
ктрическую и т. п.
Итак, магнитостатическая энергия непосредственно пре-
вращается, строго говоря, только в механическую энергию.
136
Все прочие возможности дальнейшего ее превращения сво-
дятся к таковым для механической энергии.
В последние годы, особенно в связи с развитием исследо-
ваний элементарных частиц, большой интерес проявляется
к различного рода преобразователям энергии, в которых
используются сильные магнитные поля (104—105 ас), полу-
чаемые с помощью электромагнитов со сверхпроводящими
обмотками. Сила тока в последних достигает значений
5-Ю8 а/м2 и более без существенных потерь.
Пока сверхпроводящие магнитные системы имеют боль-
шой вес и требуют больших затрат энергии, так как сверх-
проводимость обеспечивается поддержанием температур,
близких к абсолютному нулю. Однако недавно была вы-
двинута идея о возможности создания эффекта сверхпрово-
димости при нормальной температуре.
§ 18.	Преобразователи механической
энергии
Механическая энергия, т. е. энергия движущихся тел
(твердых, жидких, газообразных и др.), измеряется поло-
виной произведения массы тела т на квадрат скорости его
движения со.
На практике наиболее широкое распространение полу-
чили преобразователи механической энергии в электриче-
скую — электрогенераторы различных типов, использу-
ющие магнитное поле. Как известно, еще из школьных кур-
сов физики, если перемещать проводник перпендикулярно
магнитному полю («магнитным силовым линиям»), в нем воз-
никнет движение электронов — электрический ток.
Причиной возникновения движения электронов являет-
ся то, что магнитные силовые линии, стремясь занять
кратчайшее расстояние между полюсами, сокращаются J
оказывают давление на электроны. Таким образом, причи-
ной, создающей электродвижущую силу, вызывающую дви-
жение электронов, является сила давления магнитного поля,
зависящая как от напряженности поля (р = -Ц^-), так и
от скорости перемещения проводника, т. е. от его механи-
ческой энергии. Обычно твердый проводник этого типа
137
Рис. 32. Электроста-
тический электрогене-
ратор Ван-де-Граафа
1— резиновая лента; 2—
полый шар; 3 — подуш-
ка, о которую трется
лента при движении; 4 —
контактный валик, с по-
мощью которого положи-
тельный заряд снимается
с ленты и передается
шару; 5 — изолирован-
ные подставки, поддер-
живающие шар; 6 — ва-
лики; 7 — земля
электрогенераторов наматывается на
коллектор, который вращается с боль-
шим числом оборотов внутри статора,
являющегося источником магнитного
поля. Если используется жидкий или
газообразный (плазма) проводник, то
он движется по гладкой трубе, или
соплу, пересекая магнитное поле,
наводимое извне, и в нем перпенди-
кулярно полю и направлению дви-
жения возникает электрический ток,
как и в твердом проводнике. Во
внешнюю сеть ток отводится с по-
мощью электродов или индукцион-
ным методом.
В другом типе механических элек-
трогенераторов — электростатических
получение электрической энергии осу-
ществляется с помощью электри-
ческого поля. Одним из наиболее дав-
них типов электростатических гене-
раторов является генератор, действую-
щий на принципе трения. Современ-
ные электрогенераторы этого типа
позволяют получать напряжение до
10 000 кв. На рис. 32 изображена схе-
ма электростатического электрогене-
ратора Ван-де-Граафа. Внутрь метал-
лического шара диаметром 3 м вхо-
дит бесконечная резиновая лента (ти-
па транспортерной), надетая на вали-
ки. Нижний валик является обычно
устанавливается
ведущим. Вблизи нижнего валика
подушка, соединенная с землей. При
движении лента трется о подушку, вследствие чего
происходит электризация. Отрицательный заряд, возника-
ющий на подушке, отводится в землю, а положительный
переносится лентой внутрь шара, где он снимается с ленты
при помощи контактного валика и по проводнику переда-
ется шару.
Подобные генераторы дают ток очень малой силы и вы-
сокого напряжения, но имеют небольшую мощность. Пред-
лагаются способы устранения этого недостатка и создания
138
простых (по сравнению с магнит-
ными) и мощных электростатиче-
ских электрогенераторов. В основе
их лежит следующий принцип.
Если одну обкладку конденсатора
оставить неподвижной (рис. 33),
а вторую заставить вращаться по
часовой стрелке, а к коллектору
и неподвижным обкладкам присо-
единить возбудитель, то генератор
будет давать ток большой силы и
высокого напряжения. Однако
к.п.д. его будет низок из-за малой
диэлектрической постоянной возду-
ха. Но вместо воздуха было пред-
ложено применить титанат бария,
а воздух в зазоре ротор — статор
ионизовать с помощью радиоактив-
ных изотопов. Такой усовершенст-
вованный генератор исследуется.
Рис. 33. Усовершенство-
ванный электростатиче-
ский электрогенератор
1— обкладки конденсаторов,
между которыми вводится
радиоактивное вещество и
титанат бария; 2 — возбуди-
тель; 3 — нагрузка
Одной из форм механической энергии является звуковая
энергия— колеблющегося столба газа, в частном случае —
воздуха. Единица объема обладает энергией, равной 1F3 =
= ypoAnax (р — плотность, т. е. масса единицы объема,
а (дпгах — амплитудное значение скорости колебания).
Если заменить coznax = vA (v— частота, А— амплитуда
смещения), то W3 = ypvM2. Эта энергия распространяет-
ся со скоростью а, поток ее, т. е. количество энергии,
проходящее в единицу времени через единицу площади,
называемый в акустике интенсивностью волны, будет ра-
вен I = W3a.
При прохождении звуковой волны в жидкой и газооб-
разной среде возникает дополнительное давление — звуко-
вое, представляющее собой переменную часть давления,
т. е. колебания давления относительно среднего значения.
Звуковые давления в воздухе изменяются в широких пре-
делах —от 10"5 н/м2 вблизи порога слышимости до 103 н/м2
при самых громких звуках, например, шуме реактивных са-
молетов. В воде на ультразвуковых частотах порядка
нескольких мегагерц получают с помощью фокусирующих
излучателей значения звуковых давлений до 107 н/л?.
139
Механическая энергия звуковых колебаний (особенно
высоких частот — ультразвук) широко применяется в про-
мышленности и медицине как непосредственно, так и в про-
цессе превращения в другие виды энергии — химическую,
тепловую и т. п.
Недавно в печати появилось сообщение, что одна из анг-
лийских фирм сконструировала телефонный аппарат, кото-
рый не получает энергии от электросети, аккумуляторов
или батареек. Механическая энергия, создаваемая голосом
говорящего по такому телефону человека, превращается в
аппарате в электрическую с помощью пьезоэлектрического
эффекта. Двухстороннюю связь по такому телефону можно
наладить на расстоянии от 20 до 50 км.
Хорошо известны различные способы превращения ме-
ханической энергии путем трения или сжатия газа в тепло,
а косвенным образом (в редких случаях) и в химическую
энергию. Особенно широкое применение находят в области
различных видов физических исследований такие механи-
ческие теплогенераторы, как ударные трубы. Быстрое удар-
ное сжатие газа по сравнению с обычным адиабатным по-
зволяет получить значительно более высокие температуры.
Так, например, при адиабатном сжатии воздуха до давления
р2 = 10"8 н/м2 температура имеет значение /2 = 1500° С,
а при ударном 13 700° С. Все разновидности упругой энер-
гии — упругая, электростатическая, магнитостатическая,
гравистатическая также получаются непосредственным пре-
образованием механической энергии.
Однако сказать, что механическая энергия может непо-
средственно превращаться в ядерную, было бы неправиль-
но, хотя, например, деление ядра и вызывается нейтроном,
обладающим большой кинетической энергией. Не менее
трудно представить себе превращение механической энер-
гии в термоядерную, электромагнитную нейтринную, хотя
и известно, что тела обмениваются фотонами, нейтрино
и т. п. при движении.
§ 19. Преобразователи тепловой энергии
Наиболее широко распространены преобразователи теп-
ловой энергии в механическую — тепловые двигатели, затем
преобразователи тепловой энергии гв электромагнитную —
различные светильники — от лучины и керосиновой
лампы до электролампочек. В последнее время широко раз-
140
рабатываются различные теплоэлектрогенер'аторы (ТЭГ).
Как уже отмечалось, к.п.д. любого преобразователя теп-
ловой энергии ограничен в данном температурном интервале
нагревателя 7\ и холодильника Г2, к.п.д. Карно
1 Т2
Лк
независимо от того, в какой вид
тепловая энергия.
энергии превращается
Рис. 34. Основные типы тепловых двигателей
а — поршневой; б — турбинный, в — реактивный
(К — компрессор; Г—турбина; К.С. —- камера сгорания; Д—диффузор;
С — сопло) j
Механическая энергия в тепловом двигателе, состоящем,
как правило, из теплогенератора и расширительной маши-
ны, получается в процессе расширения газообразного или
парообразного рабочего тела в расширительной машине.
По конструкции расширительной машины различают три
основных типа тепловых двигателей — поршневые, турбин-
ные и реактивные (рис. 34), по виду рабочего тела — паро-
вые, газовые и электронно-ионные.
Помимо этого, тепловую энергию можно превратить в
механическую и с помощью, например, магнитного поля,
как это было показано в § 17.
Мощность тепловых двигателей имеет значения от нес-
кольких ватт до 15-109 вш (мощность химических реактив-
ных двигателей космического корабля «Восток-2») и более,
к.п.д. от 3—5% (паровыемашины локомотивов) до 30—50%
(комбинированные турбопоршневые двигатели различных
типов).
141
Непосредственное превращение тепла в электричество
может быть осуществлено с помощью электрического (кон-
тактного электростатического) и магнитного полей.
Преобразователи первого типа делятся на термоэлект-
рические и термоэмиссионные. Принцип и механизм их дей-
ствия заключаются в следующем. Если в замкнутой цепи,
состоящей из двух различных металлов или разного типа
полупроводников, нагревать один из контактов (рис. 35),
то в ней появляется электродвижущая сила dE и соответ-
ствующий электрический ток di. При этом по закону Зеебе-
ка (1821 г.) dE = adT, где а — удельная термическая э.д.с.
(или коэффициент Зеебека), dT — разность температур
контактов.
а=—In —, '
е п02 ’
Здесь k — постоянная Больцмана, е — з$ряд электрона,
йот и Мог — концентрации электронов (количество электро-
нов в единице объема) в каждом из проводников.
Появление э.д.с. объясняется тем, что концентрацион-
ные контактные разности потенциалов в спаях с темпера-
турами 7\ Т2 оказываются различными. Это приводит
к появлению разности потенциалов между контактами (спа-
ями), которая зависит от разности температур. Сущность
этого явления, грубо говоря, состоит в том, что в конце,
нагретом до более высокой температуры, электроны полу-
чают большую скорость (а в полупроводниках и большую
концентрацию) по сравнению с электронами, находящими-
ся в холодном конце, и поэтому способны диффундировать
от горячего конца к холодному, концентрируясь в послед-
нем в большом количестве. Подбирая проводники с макси-
мальным различием концентрации и диффузии (подвижно-
сти) электронов, получают максимальную термоэлектро-
движущую силу цепи. Таким образом, в данном случае источ-
ником контактной разности потенциалов Аф в цепи (между
спаями) является различие концентраций л01 и nQ2 носи-
телей зарядов (в металлах — электронов проводимости, в
в полупроводниках — электронов и дырок) в контактирую-
щих материалах
дф =^1п'М
т е riQ2
(k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температу-
142
ра). Порядок величины Дф = 10“4 Т; при комнатной тем-
пературе е = 0,03 в.
Однако при таком превращении тепловой энергии в эле-
ктрическую — термоэлектрическом большая часть тепло-
вой энергии передается от одного контакта к другому не
за счет энергии упорядоченного движения электронов (эле-
Рис. 35. Схема термоэлектриче-
ского электрогенератора
Рис. 36. Схема термоэмисси-
онного электрогенератора
ктрического тока), а за счет теплопроводности. Поэтому
к.п.д. подобных преобразователей невысок— всего 10—15%.
Простым способом, позволяющим исключить потери
тепла теплопроводностью, является «удаление» кристалли-
ческой решетки, т. е. удаление твердого проводящего тела
из межконтактного пространства.
Такой тип теплоэлектрогенератора — термоэмиссионный
показан на рис. 36. «Проводником» электронов, образую-
щихся в результате термоэмиссии с горячего (1500—ЗООО'К)
электрода — катода, служит вакуум или ионизованный
газ — плазма, контакта между твердыми проводниками
(электродами) нет. Возникновение термоэлектродвижущей
силы происходит за счет термоэмиссии электронов с горя-
чего катода и движения их на холодный (1000—1500° К)
анод. Величина же э. д. с. (разности потенциалов) опреде-
ляется главным образом величиной разности работ выхода
электронов с катода в вакуум фк и с анода в вакуум фа,
т. е. Аф = фк — фа- Тепловая составляющая энергии
электронов, вылетающих с катода 2 kT!e, невелика. Поэто-
му в случае фк = фа и Дф = 0 At/ 2 kTle Дф.
143
В межэлектродном пространстве термоэмиссионных ТЭГ
образуется пространственный заряд из электронов, находя-
щихся там в данный момент времени. Этот заряд препятст-
вует работе теплоэлектрогенератора, снижает его показа-
тели: величину тока и мощность. Устранение пространст-
венного заряда осуществляется различными средствами,
основными из которых является уменьшение межэлектрод-
ного расстояния до 0,01 мм и меньше или введение в зазор
положительных ионов какого-либо постороннего вещества
(цезий, калий).
К.п.д. термоэмиссионных ТЭГ имеет более высокое
значение, чем термоэлектрических. Еще большее значение
к.п.д. в соответствии с расширением температурных гра-
ниц может быть достигнуто у комбинированного ТЭГ,
в котором на более высоком температурном уровне (2000—
800° С) работают термоэмиссионные преобразователи,
а на низком (800—100° С) — термоэлектрические.
Новые перспективы откроются для совершенствования
ТЭГ при освоении метода дальнейшего «разогрева» электро-
нов без повышения температуры катода. Сущность его сво-
дится к тому, что, воздействуя магнитным полем определен-
ной напряженности на катод, можно добиться такого уве-
личения энергии электронов, что они начнут эмиттировать
(или двигаться внутри проводника — в термоэлектрическом
ТЭГ) и без значительного повышения температуры. Прав-
да, будет ли при этом величина энергии, затрагиваемой на
такой метод эмиссии, меньше или больше, чем при термо-
эмиссии, пока неясно.
Превращение тепловой энергии в магнитогазодинамиче-
ском электрогенераторе (МГДГ) не является, строго гово-
ря, непосредственным, так как проходит этап превраще-
ния в механическую (кинетическую) энергию газового по-
тока. Принцип действия такого преобразователя был рас-
смотрен в § 18. На рис. 37 показана полная схема тепловой
электростанции с МГДГ. Возникающий при пересечении
газовым потоком, обладающим электропроводностью о и
скоростью со, поперечного магнитного поля магнитной
индукции В электрический ток i будет пропорционален
о, со и В (i — crcoB, a W = псо2В2). Отсюда ясны пути совер;
шенствования и ограничения эффективности МГДГ. Про-
блема получения электропроводного газа решается путем
повышения его температуры до 2500—3000° С и добавления
легко ионизующихся присадок (калий и его соединения,
144
цезии и т. п.)— около 1%. Необходимость поддержания
таких высоких значений температуры (требующая присое-
динения к МГДГ обычных тепловых двигателей с механи-
ческими электрогенераторами для использования тепла
отработавшего в МГДГ газа, имеющего температуру 2000—
1500°С) в последнее время пытаются преодолеть, применяя
так называемую неравновесную ионизацию, т. е. ионизацию
за счет энергии, подводимой от постороннего источника (ра-
диоактивные изотопы и т. п.).
Рис. 37. Магнитогазодинамический электрогенератор
1 — термически ионизованное рабочее тело (газ); 2 — магнитное поле; 3 —
электромагнит; 4 — электроды; 5 — электрический ток; 6 — к теплообменни-
ку; 7 — камера сгорания; 8 — воздух; 9 — компрессор; 10 — теплообменник;
11 — генератор; 12 — сеть; 13 — выхлоп
Увеличение скорости ограничивается многими фактора-
ми. Возможности увеличения магнитной индукции зависят
от материалов электромагнитов. Применение сверхпрово-
дящих обмоток позволяет рассчитывать на возможность
достижения В = 5—6 вб/м2 и более, в то время как
обычные магнитные системы с железом дают не более
В = 1,5—2 вб/м2.
Единичная мощность можетМГДГ достигать многих сотен
мегаватт при к. п. д. 50—60%. Помимо этих широко и ин-
тенсивно разрабатывающихся преобразователей тепловой
энергии в электрическую предлагаются и многие другие.
Так, например, предлагается принцип действия ТЭГ,
основанный на явлении частичного упорядочения хаотиче-
ского теплового движения заряженных частиц (электронов)
10 Преобразование энергии
145
в неоднородном магнитном поле Ч Если в пространстве, за-
полненном электронным газом, имеется неоднородное маг-
нитное поле, то под действием этого поля заряды будут сме-
щаться в направлении убывания напряженности. Как из-
вестно, заряды в магнитном поле движутся по спиральным
траекториям, направленным вдоль силовых линий поля.
Таким образом, электрон обладает как бы поперечной и
продольной кинетическими энергиями. Если при спираль-
ном движении вдоль силовой линии электрон попадает в
область, где напряженность магнитного поля уменьшится
в п раз, то его поперечная кинетическая энергия также
уменьшится в п раз. Вейлу сохранения кинетической энер-
гии при движении в магнитном поле, энергия продольного
движения возрастет на величину W± (где lFj_ — кине-
тическая энергия движения в направлении, перпендикуляр-
ном к силовой линии).
Таким образом, в электронном газе возникает упоря-
доченное движение электронов; средняя кинетическая энер-
гия такого движения будет равна t^1kT (так как сред-
няя кинетическая энергия теплового движения электрона
з
Гср. — 2^^)- Эквивалентная разность потенциалов, не-
обходимая для сообщения электрону подобной энергии,
определяется формулой Д<р =	1.
Теоретический к. п. д. преобразования
п— 1
__ ~T~kT _ 2 и —1
””	3	3 п
2^Т
Отсутствие явной зависимости к. п. д. от разности тем-
ператур не противоречит требованиям термодинамики, пос-
кольку в качестве температуры холодильника следует по-
нимать величину, пропорциональную средней кинетической
энергии неупорядоченного движения электронов в конеч-
ном состоянии. Одной из возможностей является использо-
вание этого механизма ускорения электронов в сочетании
с термоэмиссионным ТЭГ для увеличения суммарного к.п.д.
преобразования.
1 Э. В. Т е о д о р о в и ч. Об одной возможности при преобразо-
вании тепловой энергии в электрическую. ЖТФ 1962, т. XXXII,
1490—1492.
146
г
Рис. 38. Превращение теп-
ловой энергии в механиче-
скую (и можно сразу
в электрическую) с по-
мощью гравитационного
поля
/ — горячий сосуд («нагре-
ватель»); 2 — «холодный со-
суд («холодильник»); 3— це-
зий; 4 — трансформатор
МГД-генератора. Съем
Известны способы непосредствен-
ного превращения тепловой энер-
гии в электрическую путем перио-
дического нагревания и охлаждения
сердечника нелинейной катушки
индуктивности вблизи точки Кюри
(температура, при которой изменя-
ются электрические ки магнитные
свойства вещества). В результате
периодического изменения магнит-
ной проницаемости материала сер-
дечника возбуждается переменный
ток.
Можно превратить тепловую
энергию в электрическую в устрой-
стве, где движение ионизованных
паров цезия происходит с исполь-
зованием гравитационного поля
(рис. 38).
Нагретый.до высокой темпера-
туры в горячем резервуаре цезий
испаряется, ионизуется и двигается
по трубке вверх, проходя канал
электроэнергии производится через электроды. Затем, под-
нявшись в холодный резервуар, цезий охлаждается, пере-
ходит в жидкое состояние и стекает под действием силы
тяжести обратно в горячий резервуар. Затем цикл повто-
ряется.
Частичное превращение тепловой энергии окружающей
среды в электрическую происходит в топливных элементах,
в которых химическая реакция протекает с увеличением
числа молей Ап >> 0 (см. § 13).
Существуют и другие возможности, основанные на из-
вестных принципах при их сочетании. Можно произвести
превращение тепла в электричество по методу, основан-
ному на эффекте Клейна, открытом в 1960—61 гг., а объяс-
ненном лишь недавно. Суть эффекта Клейна сводится к
возникновению разности потенциалов (~2 в) в потоке иони-
зованного газа или пара, омывающем два нагретых до
разной температуры электрода (при отсутствии разности
температур электродов можно один из электродов обдувать
кислородом), за счет явления «плавающего потенциала»,
осуществляемого в определенных условиях.
147
10*
«Плавающий потенциал» возникает между куском ме-
талла, погруженного в пламя, и самим пламенем (^1 в),
вследствие разницы в подвижности легких электронов, ко-
торые быстро диффундируют в металл, заряжая его отри-
цательно, и тяжелыми ионами. Если внести в пламя два
куска металла, то оба зарядятся отрицательно, и разность
потенциалов будет равна нулю. Чтобы это предотвратить,
через электроды пропускают электроотрицательные газы
(например О2) или пары (Н2О), атомы которых обладают
способностью захватывать электроны и превращаться в от-
рицательные ионы. Изменяя тем или иным путем концент-
рацию электронов у электродов (например, при охлаждении
горящего газа концентрация электронов вследствие непол-
ноты сгорания будет меньше у более холодного электрода),
получают разность потенциалов около 2 в. К- п. д. преоб-
разователя достигает пока 12%. На этом принципе уже
работает опытная ядерная установка во Франции.
Преобразователи тепловой энергии в другие виды при-
меняются значительно реже. Укажем лишь на принципи-
альные возможности, имеющиеся в этом направлении.
Так, если получить излучение фотонов нагретым телом
(твердым или газообразным) с энергией, превышающей по-
роговое значение образования пар (1,02 эв), то можно рас-
считывать, что при столкновении двух фотонов образуется
пара — позитрон и электрон, т. е. произойдет превращение
тепловой энергии (через электромагнитную) в аннигиля-
ционную.
А возможно ли превращение тепловой энергии в ядер-
ную? Здесь имеется в виду не освобождение ядерной энергии
с помощью подвода энергии активации в виде тепла, а со-
здание таких ядерных систем, которые способны были бы
затем делиться или сливаться с выделением энергии. На-
пример, возможно ли синтезировать из конечных продуктов
деления урана-235 уран-235? Или разделить гелий, обра-
зующийся в большинстве термоядерных реакций синтеза,
на исходные составляющие термоядерного горючего — дей-
терий и тритий? Нельзя сказать, что в принципе таких
возможностей не существует, но вероятность их реализа-
ции пока что невелика.
Другие же ядерные реакции с поглощением тепла изве-
стны и сейчас.
Широко используется превращение тепловой энергии в
химическую. При подводе тепла многие химические соеди-
148
нения образуются из исходных продуктов или распадаются
на составные части. В дальнейшем, при отборе тепла (пони-
жении температуры), они могут выделять накопленную хи-
мическую энергию в виде тепла или другого вида энергии.
Так же широко известны и применяются (главным обра-
зом для освещения) превращения тепловой энергии в элект-
ромагнитную — энергию излучений. Этот процесс подчи-
няется закону Стефана — Больцмана, в соответствии с ко-
торым энергия излучения нагреваемого тела пропорцио-
нальна температуре в четвертой степени
Е - 8ОТ4,
где е — степень черноты тела, от константа излучения.
Механизм этого процесса излучения прост: «нагретые»,
возбужденные электроны атомов, переходя с орбиты на
орбиту, или, если это металл и электроны свободны,— с
одного энергетического уровня на другой, отдают избыточ-
ную энергию в виде электромагнитного излучения.
Другие превращения тепловой энергии носят скорее ха-
рактер косвенных, нежели прямых, и ограничиваются воз-
можностями превращений механической, электродинамиче-
ской, химической, электромагнитной и других видов энер-
гии, в которые тепловая превращается непосредственно.
§ 20- Преобразователи
электродинамической энергии
Электродинамическую энергию чаще называют просто
электрической, или электрическим током, подразумевая
энергию движения электрических зарядов под действием
любых электродвижущих сил.
Широко известны преобразователи электрической энер-
гии в механическую — электромоторы, и в тепловую —
электронагреватели.
Механическая энергия в электромоторах возникает как
результат взаимодействия поля тока, который течет по
проводнику ротора, и магнитного поля статора. В резуль-
тате появляются пондеромоторные (механические) силы
давления, стремящиеся вытолкнуть одиночный проводник
с током из пространства, занятого полем, а поскольку про-
водник намотан на ротор, то — повернуть последний на его
оси. Так возникает вращательное движение ротора в обыч-
ных электромоторах с твердым проводником. Поскольку
149
промежуточных превращений электродинамической энергии
в тепловую при этом не происходит, то к. п. д. таких преоб-
разователей достигает значений до 90% и более, остальная
часть энергии рассеивается в окружающее пространство в
виде тепла трения ротора о воздух, в подшипниках и т. п.
Рис. 39. Схема типичной установки ионного дви-
гателя
1 — поток конденсата; 2 —- поток пара; 3 — ядерный
реактор; 4 — газовая турбина; 5 — насос; 6— радиатор;
7 — рабочее тело; 8 — электрический силовой генератор;
9 — источник ионов; 10 — камера ионной тяги; 11 —
фокусирующие электроды; 12 — ускоряющие электроды;
13 — ионный пучок (струя); 14 — эмиссия электронов
для нейтрализации пространственного заряда за лета-
тельным аппаратом
В последнее время разрабатываются системы электро-
ракетных двигателей (ЭРД), действующих на том же прин-
ципе, что и электромоторы, но с газообразным (плазменным)
проводником — плазменные двигатели. В них термически
ионизованный газ ускоряется и выбрасывается через реак-
тивное сопло в результате взаимодействия с ним магнитного
и электрического полей, создавая реактивную тягу. Плаз-
менные ЭРД позволят получить удельные импульсы более
10 000 сек., в то время как обычные химические ракеты
не могут иметь импульс более 400 сек., а ядерные теплооб-
менные ракетные двигатели — более 750 сек. Используя
ускорение заряженных частиц — ионов в электростатиче-
ском поле, для ионных двигателей можно получить удель-
ные импульсы более 100 000 сек.
150
Заметим, что в ЭРД одновременно происходит и частич-
ное превращение тепловой энергии в механическую. На рис.
39 дана схема типичной ионной установки, вкпючающая
пять основных элементов: комбинированный прээбпазова-
тель, вырабатывающий электродинамическую энергию; ио-
низатор — устройство, ионизующее рабочее тело и разде-
ляющее разноименно заряженные частицы; ускоритель
электростатического типа; нейтрализатор пространственно-
го заряда и холодильник — система отвода тепла.
Рис. 40. Электроискровой подводный реактивный двигатель
1 — впускные клапаны; 2 — электроды
Превращение электродинамической энергии в механи-
ческую осуществляется и в электрогидравлических устрой-
ствах (например, насосах или реактивных двигателях),
действующих на основе электрогидравлического эффекта.
Последний выражается в том, что при электроразрядах
в жидкость возникают гидравлические (механические) им-
пульсы, или удары, при которых не выделяется тепло.
Электрогидравлический эффект имеет широкие перспекти-
вы применения во многих областях техники. В качестве
примера на рис. 40 показана схема электроискрового под-
водного двигателя.
Превращение электродинамической энергии в тепловую
наиболее широко известно применительно к нагреватель-
ным приборам, в которых электроны, двигаясь по провод-
нику высокого сопротивления, рассеивают свою энергию
на окружающие частицы, приводя их в хаотическое движе-
ние — выделяется так называемое джоулево тепло, количе-
ство которого по закону Джоуля — Ленца равно Q — PRx
(/ — сила тока, R — сопротивление проводника, т — вре-
мя).
Однако превращение электродинамической энергии в
тепловую возможно и другим путем — термодинамически
151
обратимым — при явлениях Пельтье и Томсона (Лорда
Кельвина).
При протекании электрического тока в цепи, состоящей
из двух различных спаянных металлов 1 и 2 (рис. 41), поми-
мо джоулева тепла, дополнительно выделяется тепло
Пельтье на одном спае и поглощается на другом. Если
Та Ть, то спай b нагревается, а спай а охлаждается. При
Рис. 41. Взаимодействие тепла и тока
изменении направления тока, наоборот, спай b охлажда-
ется, спай а нагревается. Это — явление Пельтье, объяс-
няется оно возникновением контактной разности потенциа-
лов на границе двух металлов. Если металл 1 спая а заря-
дился отрицательно, а металл 2 спая b — положительно,
то при движении электронов в направлении 1—2 они испы-
тывают дополнительное ускорение, и их кинетическая энер-
гия возрастает за счет внутренней энергии спая. В резуль-
тате спай а охлаждается. В спае b электроны, движущиеся
в направлении 2—1, замедляются электрическим полем
контакта и отдают часть своей энергии спаю. Это приводит
к нагреванию спая Ь.
Количество выделяемого (поглощаемого) тепла равно
dQn — Udi,
где П — коэффициент Пельтье.
Явление Томсона состоит в том, что при прохождении
электрического тока через однородный проводник, по длине
которого поддерживается разность температур, проводник
выделяет или поглощает тепло. При движении тока от на-
гретого конца к холодному тепло выделяется, а при движе-
152
нии в обратном направлении — поглощается. Количество
тепла равно
dQx = xdi^dx,
где т — коэффициент Томсона, di — сила тока, dTIdx —
градиент температур, dx — длина участка однородного про-
водника.
Коэффициенты Зеебека, Пельтье и Томсона связаны
между собой следующей зависимостью:
аП1-2 \	\
---Ь (^1 —	— OCi—2-
В 1924 г. Бриджмен показал, что изменение направле-
ния тока в кристалле так же связано с выделением или
поглощением тепла, как и в эффекте Пельтье.
Превращение электрической энергии в химическую наи-
более ярко может быть продемонстрировано на примере
электролиза воды (разложения воды электрическим током)
на водород и кислород. Другим примером является зарядка
аккумуляторов.
Преобразование электродинамической энергии в электро-
статическую происходит при зарядке конденсаторов, а в
магнитную при «зарядке» индукционных катушек (индук-
тивностей).
Поскольку под электродинамической энергией мы усло-
вились понимать энергию движения электрических зарядов,
то мы вправе рассматривать в качестве ее преобразователей
устройства типа магнетронов (планотронов и др.) и опти-
ческих квантовых генераторов — лазеров, в которых энер-
гия колеблющихся электронов превращается в энергию
электромагнитных излучений.
Особый интерес представляют полупроводниковые лазе-
ры, позволяющие превратить электродинамическую энер-
гию в электромагнитную (в оптическом диапазоне излуче-
ния) с к.п.д., близким к 80—90%, правда пока еще
при небольшой мощности — 0,5—1,0 вт.
Предпосылкой к появлению полупроводниковых лазеров
было исследование некогерентного излучения полупровод-
никовых диодов, конструктивное выполнение одного из ко-
торых приведено на рис. 42. Диод из арсенида галлия
прикреплен на молибденовом лепестке, покрытом сплавом
олова и золота. Длина лепестка составляет около 1 мм.

Рис. 42. Полупровод-
никовый оптический
квантовый генератор
(лазер)
1— молибденовое основа-
ние, покрытое сплавом
золото-олово; 2 — пла-
стинка из арсенида гал-
лия «-типа; 3 — не-
диффундированный цинк
— слой р-типа; 4 —
р — «-переход; 5 — мик-
росплавная свинцовоцин-
ковая точка
К лепестку подводится электрический ток, который при
протекании через р — n-переход приводит к излучению
фотонов света. Первые исследования показали, что это из-
лучение некогерентно и довольно широко по спектру. С уве-
личением тока интенсивность светового потока возрастает,
а ширина линии излучения (при
достижении плотности тока порядка
10 000 а/см2) сужается со 100 до 5 А.
Однако для получения когерентно-
го излучения полупроводникового ди-
ода только увеличения плотности тока
недостаточно. Кроме того, на двух
противоположных и строго параллель-
ных сторонах диода (стороны перпен-
дикулярны р — n-переходу) необхо-
димо создать отражающие зеркала.
Конструктивно это выполняется пу-
тем полировки двух противополож-
ных сторон кристалла. В результате
этого граница между кристаллом
и воздухом приобретает свойства от-
ражающей поверхности. Остальные
стороны кристалла подвергаются хи-
мическому травлению. Такая обработ-
ка диода позволила получить коге-
рентное монохроматическое излучение
с малым углом раствора луча.
Лазер на арсениде галлия обладает
следующими характеристиками: плот-
ность тока, необходимая для генера-
ции когерентного излучения, 104—
10е а!см2\ пороговое значение тока,
протекающего через прибор, 8,13 а;
длительность импульса 50 н/сек\ ши-
рина линии излучения 5 А. В табл. 5 приведены некоторые
характеристики других полупроводниковых лазеров.
Таковы принципиальные возможности преобразовате-
лей электродинамической энергии в механическую
тепловую химическую, электростатическую, магнитную
и электромагнитную. Превращения электродинамической
энергии в другие виды носят характер косвенных, про-
межуточным этапом которых является получение одного
из перечисленных видов энергии.
154
Таблица 5
Характеристики полупроводниковых лазеров
Активное вещество |	Излучаемая длина волны мк	Режим работы	Рабочая температу- ра °к
Арсенид галлия . . .	0,84	Импульсный и непре-	320
		рывный	104
Фосфид индия ....	0,91	То же	147
			47
Арсенид индия . . .	3,1	То же	104
Арсенид-фосфид гал-			31
лия 		0,61—0,84	Импульсный	125
§ 21. Преобразователи
электромагнитной энергии
Основные практические проблемы преобразователей
электромагнитной энергии связаны пока что с двумя глав-
ными задачами — использованием энергии, доставляемой
на Землю солнечными лучами, и осуществлением беспрово-
лочной и свободной передачи энергии, зависящим от воз-
можности превращения передаваемой электромагнитной
энергии в используемые виды энергии — электрическую,
тепловую и механическую.
В результате цепи ядерных реакций, протекающей при
синтезе ядер водорода и углерода на Солнце («углеродный
цикл»), освобождается огромное количество энергии в виде
тепла и электромагнитного излучения. Каждый квадратный
метр поверхности Солнца излучает 60000 кет электромаг-
нитной энергии. Из этого количества поверхности Земли
достигает лишь 1/2200000000 часть. Но и эта доля, состав-
ляющая в год 580 000-Ю12 квт-ч, обеспечивает жизнь на
Земле, поддерживая необходимый уровень температуры и
энтропии.
Превращение солнечной энергии в электродинамическую
является наиболее заманчивым и давно известно под назва-
нием фотоэффекта. Фотоэффект выражается в выбивании
электронов фотонами света с поверхности тел (внешний
фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри
тела, например, полупроводника (внутренний фотоэффект),
155
а также в возникновении под действием света, падающего
на границу металл — полупроводник (или п-полупровод-
ник и р-полупроводник), электродвижущей силы, вызываю-
щей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект
запирающего слоя). Эти явления в принципе аналогичны
явлениям термоэмиссии и термоэлектричества, рассмотрен-
ным выше (§19).
Различные конструкции фотоэлектрических преобразо-
вателей энергии были построены на основе указанных видов
фотоэффекта, однако к. п. д. их не превышал 1% и поэтому
перспектив энергетического применения они не имели.
И только в 1954—1955 гг. на основе фотоэффекта запираю-
щего слоя удалось создать полупроводниковый преобразо-
ватель, позволяющий получить теоретический к. п. д. до
25% и более, а эффективный к. п. д.— до 11—15%. Пер-
спективы такого преобразователя легко себе представить,
если сравнить площади водохранилищ Волжской ГЭС
имени В. И. Ленина и солнечной электростанции на фотоэле-
ментах в южной части Средней Азии при условии равенства
их мощностей. Соответствующий подсчет показал, что вто-
рая площадь будет в 80 раз меньше первой.
В соответствии с законом А. Г. Столетова (1877 г.), ко-
личество «выбиваемых» светом электронов, а следовательно,
и величина фототока пропорциональна световому потоку,
облучающему тело, т. е. интенсивности света /ф = пфе=
=7<Ф, где /ф— фототок, п— число выбиваемых (эмиттируе-
мых) электронов, Ф — световой поток, К — коэффициент
пропорциональности.
Эйнштейн в 1905 г., исходя из квантовых представлений
о природе света, установил, что кинетическая энергия вы-
летающих электронов не зависит от интенсивности света,
а определяется только функцией частоты световых колеба-
ний = hv + ф, где hv — энергия фотона, ф — ра-
Л
бота выхода электрона. Если hv = ф, т. е., если энергия
фотона равна работе выхода, то электрон покинет тело с
нулевой кинетической энергией. Если же hv > ф, то элек-
трон будет обладать дополнительно некоторой кинетиче-
ской энергией, равной hv — ф.
Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888 г.,
т. е. со времени открытия этого эффекта <\льяниным (уче-
ником Столетова), однако их к* п. д. при использовании
металлов не превышает 1%. Применение полупроводников
1*6
Энергия
электронов
Область	Область
р- проводимости л - проводимости
в ।
б
Рис. 43. Принцип действия солнечного электрогенератора
а — схема использования эффекта запирающего слоя; б — схема энергетичес-
ких уровней р — п-перехода
1 — зона проводимости; 2 — запрещенная зона; 3 — зона насыщения; 4 —
место соединения; 5 — появление пары электрон — дырка при поглощении
фотона солнечного излучения
с различными типами проводимости дало значительно луч-
шие результаты. Принцип действия такого фотоэлемента
состоит в следующем.
Дырки из p-области, где их много, диффундируют в п-
область, где их мало. Электроны наоборот из и-области в
p-область. Поэтому область n-полупроводника на границе
сп — р-переходом заряжается положительно, р-полупро-
водника — отрицательно. В результате на границе полу-
проводников электронной и дырочной проводимости обра-
зуется двойной слой разноименных зарядов толщиной
КГ4—1СГ5 см (рис. 43, а}. Контактное электрическое поле
двойного слоя имеет контактную разность потенциалов
в несколько десятых долей вольта и препятствует тепло-
вому движению носителей тока электронов и дырок (т. е.
равновесный контактный слой является запирающим и
обладает повышенным сопротивлением). На рис. 43, б пока
зано соответствующее этому случаю расположение энер-
гетических уровней электронов при контакте п и р-полу-
проводников. Потенциальный барьер для электронов вы-
соты ф£, образующийся на протяжении запирающего слоя,
объясняется различием потенциальной энергии электронов
в полупроводниках п и р-типов.
157
Под действием света, проникающего сквозь тонкий
слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний
фотоэффект — образуются пары зарядов электрон — дыр-
ка. Если теперь соединить полупроводники внешней цепью,
то вновь образованные электроны, не имея возможности
пройти сквозь запирающий слой, устремляются во внеш-
нюю цепь. Дырки же легко проходят сквозь запирающий
слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация.
Естественно, что при таком процессе сопротивление запи-
рающего слоя падает, поскольку концентрация зарядов
на границе уменьшается за счет частичной рекомбинации
с зарядами противоположного знака, образующимися под
действием света.
В элементах, строившихся раньше (до 1954—1955 гг.),
в том числе селеновых, связи электронов в атомах были
велики и количество освобождающихся электронов было
ограничено, поэтому к.п.д. имел ничтожные значения.
Тщательное исследование свойств полупроводников и
явлений в запирающих слоях позволило создать фотоэле-
менты из кремния и германия с к. п. д. до 11% и выше,
мощностью 100 etn на 1 м* поверхности, непосредственно
освещаемой лучами Солнца.
Кристалл кремния представляет собой совокупность
атомов, каждый из которых окружен четырьмя соседними
атомами и связан с ними валентной связью. Ни один из
валентных электронов правильного кристалла («чистого»)
не способен участвовать в переносе электрического заряда,
т. е. чистый кремний (как и германий), лишенный примеси
и структурных дефектов, при комнатной и более низких
температурах является диэлектриком. Однако введение
ничтожных количеств (10“5 %) атомов примесей элементов
III и V групп периодической системы Менделеева, выпол-
няющих роль доноров, или акцепторов, позволяет управ-
лять механизмом электропроводности кремния и германия.
Так, например, если в один из узлов решетки кристалли-
ческого кремния ввести пятивалентный атом мышьяка,
выполняющего роль донора, то окажется, что пятый элект-
рон остается свободным. Слабая связь между ним и дру-
гими частицами действует только при низких температу-
рах. В результате, если в кристалле кремния, объемом
1 см3 среди 5 • 1022 атомов кремния имеется 1015 атомов
мышьяка, то концентрация свободных электронов также
составит почти 1015 см~3, а в кристалле германия, где пя-
158
тый электрон мышьяка связан еще слабее, содержится
точно 1015 см~3.
Если в качестве примеси использовать, например, трех-
валентный атом бора, выполняющего роль акцептора, то
последний, не имея достаточного числа электронов для
заполнения валентных связей с соседними атомами, захва-
тит электрон у одного из этих атомов, в результате чего
появится свободная дырка. Для создания в данном полу-
проводнике электронно-дырочной пары квант излучения
должен обладать определенной энергией Ed, т. е. определен-
ной частотой, обычно лежащей в области частот видимой
части спектра.
В неосвещенном полупроводнике существует термодина-
мическое равновесие. Оно нарушается при освещении полу-
проводника светом, энергия квантов которого достаточна
для возникновения пар электрон—дырка (ED)- Созданные
светом пары являются неравновесными. При выключении
света они рекомбинируют, и термодинамическое равновесие
вновь восстанавливается.
Мы подробно остановились на одном из самых перспек-
тивных направлений развития преобразователей энергии —
солнечных электрогенераторах.
Преобразователи солнечной энергии в механическую на-
зываются солнечными парусами, так как движение (косми-
ческого) тела происходит за счет давления «солнечного вет-
ра» — потока фотонов солнечного излучения. На поверхно-
сти Земли это давление составляет около 5-10“7 кг/м2 и
уменьшается обратно пропорционально квадрату расстоя-
ния от Солнца. При отражении лучей от идеальной отра-
жающей поверхности давление удваивается в соответствии
с зависимостью р = (1+ 7?) W, где R — коэффициент
отражения, W — х/2 (еЕ2+ цЯ2) — плотность энергии элек-
тромагнитного поля.
При R = 1, р = 2 w.
При использовании солнечного паруса как основного
двигателя космического корабля (рис. 44) можно достичь
ускорения около 1,5-10“7 м/сек2 в течение года. Несмотря
на малость этой величины, расчеты показывают, что, на-
пример, с таким двигателем можно долететь до Марса за
105 дней.
Превращение солнечной энергии в тепловую происходит
само собой при достижении лучами вещественных объектов
на Земле. Однако, вследствие малой концентрации солнеч-
159
Рис. 44. Солнечный
парус
1 — направление потока
солнечных лучей; 2 —
регулируемый каркас па-
руса; 3 — парус; 4 —
кабина
ной энергии, возникающая тепловая
энергия также имеет малую концен-
трацию, что выражается в низкой
температуре нагреваемого объекта.
Другим недостатком солнечной энер-
гии является неравномерность ее ве-
личины на поверхности Земли в те-
чение суток.
Поэтому преобразователи солнеч-
ной энергии в тепловую, как правило,
представляют собой те или иные ком-
бинации концентраторов солнечной
энергии (в большинстве случаев раз-
личных оптических систем — зеркал)
и накопителей (аккумуляторов) ее.
Наиболее простым и широко рас-
пространенным устройством является
«горячий ящик» (рис.45),представляю-
щий собой обычный ящик, деревянный
или бетонный, с толстыми стенками и хорошо изолирован-
ным дном; он покрывается сверху одним или несколькими
слоями оконного стекла, установленного на замазке.
Оконное стекло частично поглощает инфракрасные лучи
с длиной волны от 0,8 до 3,0 мк, т. е. именно ту часть спек-
тра, в которой сосредоточено наибольшее количество сол-
нечной энергии. Прошедшие с частичным поглощением
сквозь стекло лучи попадают на установленную внутри
ящика металлическую пластинку, покрытую матовой чер-
ной краской, и, поглощаясь, нагревают ее. Нагретая
пластинка теряет тепло частично путем теплопроводности,
через днище и стенки, а частично через стекло, которому от-
дает некоторое количество тепла путем излучения и кон-
векции. Температура пластины не превышает 70—90° С,
поэтому излучение ее находится в диапазоне больших
длин волн, для которых оно малопрозрачно. Конвектив-
ные потери тоже невелики, так как поверхность плас-
тины изолирована от окружающей среды и не обдувается
воздухом (нет ветра). Поэтому, несмотря на простоту уст-
ройства, «горячий ящик» может уловить значительное коли-
чество солнечной энергии.
Увеличивая количество защитных слоев стекла, можно
значительно повысить температуру, достигаемую внутри
ящика. Так, при семи слоях стекла температура поднима-
ло
ется до 200° С, однако одновременно сильно возрастают
потери тепла в окружающую среду через стекло, днище,
стенки и т. д., и производительность установки сильно
уменьшается.
Из низкотемпературных нагревателей применяются еще
трубчатые водонагреватели, получившие широкое распро-
странение у нас и в США, опреснители морской воды, рабо-
тающие по принципу «горячего ящика», и разновидности
этих типов преобразователей электромагнитной энергии
Солнца в тепловую. В этих преобразователях солнечная
энергия, превращаясь в тепловую, концентрируется и накап-
ливается, правда, в незначительных количествах и на ко-
роткое время.
2
6 л дл у уд дд у 1 з у л > z //
Рис. 45. Горячий ящик
1 — поток солнечных лучей; 2 — стекло;
3 — нагреваемая поверхность; 4 — изоляция
Недавно было предложено накапливать в жарких стра-
нах солнечную энергию, превращенную в тепловую, в осо-
бых прудах, названных солнечными. Вода в солнечных
прудах как бы разделена на слои путем добавления в нее
различного количества соли на разных уровнях. Различие
в плотности препятствует конвективному перемешиванию
нагретых Солнцем слоев и уменьшает потери тепла за счет
поверхностного испарения. Естественно, что наиболее горя-
чим оказывается при этом самый нижний слой воды. Рас-
четным путем определены оптимальные габариты такого
пруда: площадь около 1000 м2, глубина 1 м. Предваритель-
ные эксперименты подтвердили реальность предложенной
идеи. На дне пруда таких размеров была достигнута тем-
пература 90° С. Эту энергию можно извлекать с помощью
теплообменника или путем превращения в пар низкокипя-
щего вещества.
В высокотемпературных нагревателях применяются спе-
циальные оптические концентраторы — зеркала различной
11 Преобразование энергии	161
Рис. 46. Портативный солнечный кипятильник
формы, чаще всего параболические. Линзы из-за высокой
стоимости в гелиоустановках не применяются.
На рис. 46 показан простейший высокотемпературный
солнечный нагреватель — транспортабельный кипятильник
с параболоцилиндрическим (корытообразным) отражателем,
состоящим из двух листов электрополированного алюми-
ния. Приемник тепла представляет собой удлиненную тру-
бу, в которой вода доводится до кипения. Получающийся
пар можно использовать для приготовления пищи. К. п. д.
кипятильника 40—42%.
Существуют другие разновидности подобных нагревате-
лей.
Современные гетиоустановки позволяют получать тем-
пературы до 5000° С при отсутствии каких бы то ни было
продуктов горения, что является ценным качеством гелио-
печей для получения материалов высокой чистоты (напри-
мер, полупроводников). При этом размеры отражателей до-
стигают 100 м2 (печь в Мон-Луи, Франция). Для наиболее
полного улавливания солнечной энергии создаются автома-
тически поворачивающиеся в течение суток системы из мно-
гих зеркал. Соединение таких нагревательных систем с
паротурбинной установкой позволяет получить механиче-
скую энергию, которая обычными средствами превраща-
ется в электрическую. Совокупность этих преобразователей
представляет собой солнечную паротурбинную электростан-
цию (рис. 47). Такие электростанции в настоящее время
разрабатываются для использования как на Земле, так и
в космосе.
162
Таковы основные принципиальные и практические воз-
можности превращения электромагнитной энергии Солнца
в наиболее широко используемые виды энергии — электри-
ческую, механическую и тепловую.
Выше (§ 11) мы говорили о возможности превращения
электромагнитной энергии в аннигиляционную при столкно-
вении фотонов с энергией не менее 1,05 эв (пороговое значе-
ние), в процессе образования пар электрон — позитрон.
Электромагнитная энергия может вызывать ядерные
реакции, называемые фотоядерными. Одной из распростра-
ненных реакций этого типа является фоторасщепление дей-
трона d + у —> п + р, которое становится возможным,
когда энергия ^-кванта превысит энергию связи протона
и нейтрона в дейтроне (2,23 Мэв). Можно ли говорить о по-
добных реакциях как о процессах превращения электро-
магнитной энергии в ядерную? Очевидно, в том смысле, в
каком мы условились понимать ядерную энергию,— нет.
Энергия фотонов (^-квантов) при протекании указанных
реакций не накапливается в виде ядерной энергии связи
нуклонов, способной к освобождению, а переходит в кине-
Рис. 47. Общий вид паротурбинной солнечной электростанции
163
11*
тическую (механическую) энергию «выбиваемых» протонов
или нейтронов.
Электромагнитная энергия, в частности световая, может
непосредственно превращаться в химическую энергию. На-
пример, хлористое или бромистое серебро может неограни-
ченно долго сохраняться в темноте, но при действии света
постепенно распадается на составные части. На этом про-
цессе основана современная фотография.
Превращение солнечной энергии в химическую энер-
гию органических веществ является основой существова-
ния жизни на Земле. В настоящее время ведутся большие
исследовательские работы по превращению солнечной энер-
гии в химическую энергию органических горючих. Так,
например, в специальных условиях уже достигнут урожай
водорослей хлорелла, в 20 раз превышающий урожаи обыч-
ных культур в естественных условиях.
Превращение электромагнитной энергии в гравидина-
мическую в принципе возможно при столкновении потоков
соответствующих частиц и передаче части энергии первых
вторым в результате своеобразного «упругого удара». То
же самое может произойти и при столкновении фотонов с
мезонами или нейтрино.
Превращение электромагнитной энергии в упругую,
электростатическую, магнитостатическую и другие может
быть осуществлено косвенно с использованием промежу-
точных превращений в электродинамическую, механиче-
скую и другие виды энергии.
§ 22.	Преобразователи гравидинамической энергии
Таковых пока не существует. Более того, даже наличие
гравитонов опытным путем пока что не обнаружено, вслед-
ствие очень малой величины их энергии. Даже за космиче-
ские промежутки времени роль гравитационного излучения
ничтожна. Так, например, для двойных звезд доля теряе-
мой в течение года энергии равна приблизительно 10"12 части
их полной энергии; мощность излучения системы Юпитер —
Солнце около 450 вт, что составляет 10“24 от электромагнит-
ного излучения Солнца. В настоящее время предлагаются
различные системы для опытного обнаружения гравита-
ционного излучения, например система, позволяющая на-
блюдать взаимодействие кристалла с гравитационной вол-
ной. Излучение, получаемое таким способом, примерно на
164
семнадцать порядков больше, чем в случае вращающегося
стержня (предложенного еще Эйнштейном и Эддингтоном)
той же длины, что и кристалл. Для вычисления мощности
гравитационного излучения вращающегося стержня Эйнш-
тейн и Эддингтон предложили следующую формулу:
N = 1,73.10“66/,п2со6 дж/сек,
где 1т — момент инерции, со — угловая частота. Частоту со
можно увеличивать до тех пор, пока стержень не разру-
шится. Длина гравитационных волн, которые могут излу-
чаться стержнем, по крайней мере в 106 раз больше длины
стержня. Стержень длиной 1 м может излучать около
10“37 дж!сек.
В пьезоэлектрическом кристалле можно создать (при
подводе электрической энергии) зависящие от времени на-
пряжения, которые вызовут значительно более интенсив-
ные излучения гравитонов.
Сказанное выше позволяет сделать два вывода: 1) вслед-
ствие очень малой величины гравидинамической энергии,
ее практическое значение в земных условиях вряд ли когда-
либо станет заметным; 2) вследствие отсутствия каких-либо
опытных данных по гравидинамической энергии, пока труд-
но представить конкретные конструктивные формы соответ-
ствующих преобразователей энергии; общие принципы пре-
вращений будут, вероятно, подобны таковым для электро-
магнитной энергии.
§ 23.	Преобразователи мезонной энергии
Мы выделили этот вид энергии в связи с тем, что нейт-
ральные л-мезоны и 7<-мезоны рассматриваются в настоя-
щее время как частицы поля ядерных сил — мезонного
поля. Поэтому и под мезонной энергией мы будем подразу-
мевать энергию движения указанных частиц. Мезоны явля-
ются нестабильными частицами. В конечном счете продук-
тами распада мезонов оказываются электроны и нейтрино.
Хотя для л-мезонов наиболее характерно участие в процес-
сах сильных взаимодействий (<?2/Йс^ 14), они участвуют
также в процессах электромагнитных (е2/Йс = V137) и сла-
бых (С2/[(Йс)2-(й2/цс)4]	10“14) взаимодействий. Отсюда
следует возможность передачи энергии мезонов другим ча-
стицам с превращением частиц или без такового. Соответст-
венно можно себе представить и преобразователи энергии.
165
Однако короткое время жизни мезонов (КГ8—10"16 сек)
сводит на нет практические перспективы подобных преоб-
разователей энергии и поэтому о них трудно что-либо ясное
сказать в настоящее время. Теория же мезонных полей
(«мезодинамика») и взаимодействий мезонов уже достаточно
широко разработана и излагается в специальной литера-
туре.
§ 24.	Преобразователи нейтринной
энергии
Как уже отмечалось выше (§ 11), вследствие огромной
проникающей способности, частица нейтрино практически
не может взаимодействовать с веществом. Нейтрино явля-
ется единственной частицей, не участвующей ни в сильных,
ни в электромагнитных взаимодействиях. Единственный вид
взаимодействий (помимо гравитационного), в котором может
принимать участие нейтрино, это слабое взаимодействие.
В исследованиях обычно используют различные методы кос-
венного наблюдения, основанные на том, что в реакциях
с участием нейтрино оно уносит не только энергию, но и
импульс. Прямое наблюдение нейтрино стало возможным
только после появления мощных ядерных реакторов, да и то
с помощью антинейтрино, которые образуются при (3-рас-
паде продуктов деления. Поток антинейтрино от реактора
мощностью в несколько сотен тысяч киловатт за защитой,
обеспечивающий достаточную очистку от нейтронов и у-
квантов, составляет примерно 1013 см~* сек"1. Потери такого
реактора на излучение антинейтрино (и нейтрино) могут
составить десятки тысяч киловатт.
Б. Понтекорво предложил регистрировать нейтрино с по-
мощью хлора. Поглощая нейтрино, хлор превращается в
радиоактивный аргон-37, который довольно легко выделить.
Попытки американца Дэвиса использовать этот метод с по-
мощью бака с четыреххлористым углеродом (СС14) емкостью
15 ж3, помещенного на глубину 57 ж, не принесли успеха.
Недавно Д. Франк-Каменецкий и Г. Хлебников предложили
использовать с этой же целью скважину километровой дли-
ны в толще залежей каменной соли (NaCl). Если эту сква-
жину продуть инертным газом, не содержащим аргон, то
все образующиеся на этой глубине атомы аргона будут
обязаны своим происхождением только нейтрино (приноси-
мым с солнечными лучами).
166
Из сказанного выше следует, что превратить энергию
нейтрино в какой-либо другой вид энергии по крайней мере
в земных условиях практически невозможно.
§ 25.	Биологические преобразователи
энергии
Выше мы рассмотрели принципы действия физических
(естественных) и технических (искусственных) преобразо-
вателей энергии, т. е. преобразователей энергии, представ-
ляющих собой неживые системы. Теперь кратко остановим-
ся на принципах превращений энергии в живых системах —
биологических преобразователях энергии. Как уже было
отмечено в § 4, какого-то особого «биологического вида
энергии» не существует. В биологических преобразователях
энергии происходят взаимные превращения главным обра-
зом химической энергии, с одной стороны, и тепловой, меха-
нической, электрической и упругой (поверхностной), с дру-
гой.
Поэтому оба закона термодинамики — первый и второй
приложимы и к живым системам. Вопрос же о значении
энтропии продолжает оставаться спорным. Одни ученые,
например Э. Шреденгер, И. Пригожин, придают ей особо
важное значение, сводя жизнь к поглощению из окружаю-
щей среды отрицательной энтропии с пищевыми продукта-
ми; другие, например Д. Батлер, А. Г. Пасынский, считают,
что при переходе от неживых систем к живым роль и значе-
ние энтропии изменяется и ограничивается. Они считают,
что направление химических реакций обмена веществ в
организме не определяется стремлением к увеличению энтро-
пии, а регулируется биологическими закономерностями:
необходимостью наилучшего приспособления данного вида
организма к условиям его существования и действием есте-
ственного отбора; усложнение живых организмов в процессе
эволюции также не имеет ничего общего с изменением энт-
ропии.
Основная роль в жизни всех организмов отводится сво-
бодной энергии окисления пищевых продуктов (углеводов,
жиров, белков). Основные химические превращения в жи-
вых организмах обеспечиваются относительно небольшим
числом ферментов. Одни и те же катализаторы используются
в различных типах брожения, в дыхании клеток и в реак-
циях синтеза основных веществ живой материи.
167
При этом, однако, освобождающаяся в процессе распада
питательных веществ химическая энергия, если только она
не превращается сразу в тепло, переходит в особый вид
химической энергии макроэргических связей, которой об-
ладает прежде всего аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
и некоторые другие соединения. Таким образом, первой
наиболее важной стадией превращения энергии в биоэнерге-
тических преобразователях является расходование свобод-
ной энергии, выделяющейся в процессе распада питатель-
ных веществ, на синтез АТФ. Общий к. п. д. этого процесса
химических превращений составляет 40—70%, т. е. являет-
ся довольно невысоким.
В зависимости от нужд организма в целом или отдель-
ных его органов энергия, заключенная в АТФ, может пре-
вращаться в другие виды энергии — механическую, электро-
динамическую, электростатическую, тепловую и т. п. Одна-
ко процесс превращений является достаточно сложным,
проходит ряд стадий, разность потенциалов в каждой из
которых (т. е. разность свободных энергий) составляет 12—
20 кдж/моль. Отметим, что и дыхание живой клетки (окисле-
ние продуктов, содержащихся в пище), и фотосинтез имеют
некоторые общие черты. Например, и в том и в другом
случае происходит разложение воды на водород и кислород.
В процессе фотосинтеза водород воды идет на восстановле-
ние углекислоты, а освободившийся кислород пополняет
запасы этого газа в атмосфере. При дыхании кислород
воды используется как окислитель углерода пищи, а водо-
род служит основным биологическим горючим. Особо важ-
ную роль в обоих процессах играют пигменты. Благодаря
им становится возможным фоторазложение воды и образо-
вание активного электрона, используемого для восстанов-
ления углерода при фотосинтезе. И они же являются основ-
ными, решающими участниками заключительного этапа ды-
хания — окисления водорода кислородом (переноса элект-
рона на кислород) и образования воды.
В процессе фотосинтеза из такого простого вещества, как
углекислый газ, образуется сложный биологический поли-
мер — крахмал, обладающий запасом химической энергии.
Одной из особенностей энергетических процессов в живой
клетке является отсутствие тепловой стадии превращения.
В клетке химическая энергия превращается непосредственно
в механическую энергию в мышце, в электрическую — в
нерве и т. п. Это достигается, например, тем, что энергия,
168
заключенная в макроэргических связях, переходя на бел-
ковые полимеры, из которых состоят мышцы, способна
быстро изменять их свойства — более компактно упаковы-
вать составные части мышечного волокна, т. е. сокращать
его.
Многое становится все более ясным в механизме превра-
щений энергии в живых организмах, однако многое все еще
остается непонятным. «Мы обладаем поразительными зна-
ниями о процессах, в которых наши пищевые вещества
используются, чтобы строить наше тело, воздвигать здание
жизни, конструировать ее механизм; но как энергия приво-
дит в движение эту машину, как производится работа, будь то
работа механическая, осмотическая или электрическая, од-
ним словом, как энергия управляет жизнедеятельностью —
этого мы не знаем»1. Автор этих строк А. Сент-Дьердьи
высказывает догадку о природе и характере энергетических
превращений в живых организмах. Основная гипотеза фор-
мулируется им из наличия двух различных видов энергии
в биологических явлениях, а именно, «неподвижной» энер-
гии валентных связей, запасенной в химических соедине-
ниях, и «подвижной» энергии, переносимой или, как гово-
рят, «мигрирующей», в биохимических процессах. Дополни-
тельная гипотеза автора состоит в предположении об особой
структуре воды, находящейся в связанном состоянии в био-
логических объектах и представляющей собой не только
своего рода «жесткую» среду, но также среду, благоприят-
ствующую накоплению и распространению «подвижной»
энергии. Эта последняя отождествляется автором с энер-
гией электронного возбуждения (живая система содержит
более, чем два электрона) молекул или систем молекул,
входящих в состав белков, нуклеиновых кислот и других
компонентов живого вещества.
Более просто перенос энергии в биосистемах можно
представить в виде двух механизмов — механического и
электронного.
Являясь аккумулятором энергии, АТФ переносит ее из
одной точки организма (или клетки) в другую, передви-
гаясь по воде под влиянием диффузии и внутриклеточных
токов жидкости. Однако перенос энергии таким способом
происходит очень медленно. Поэтому в тех случаях, когда
энергия где-либо требуется немедленно, механизм ее пере-
1 А. Сен т-Д ь е р д ь и. Биоэнергетика. Физматгиз, 1960, стр. 12.'
169
носа имеет другой характер, носящий название миграции
энергии. Этим путем энергия переносится по внутриклеточ-
ным образованиям, состоящим из белка, практически мгно-
венно. Такой перенос обеспечивается электронной природой
его, которая объясняется полупроводниковыми свойствами
белков. В белке формируется зона проводимости, по кото-
рой свободные электроны могут двигаться почти беспрепят-
ственно. Образуется она за счет строгого упорядочения в
пространстве химических связей, плотно соединяющих
между собой составные части белков — аминокислоты. Мо-
лекулы белка обладают исключительной упругостью, вслед-
ствие особо плотной упаковки их: они дважды закручены —
один раз в виде спирали, а затем уже сама спираль свернута
в клубок. Это и обеспечивает белку полупроводниковые
свойства, так как между соседними, сближенными группами
атомов такой «спирали» как бы перекидывается водородный
«мостик», который позволяет электрону свободно переме-
щаться в пределах всей сложной молекулы белка. Так и
осуществляется миграция энергии, при которой энергия
передается быстро и без потерь с к. п. д. до 100%. Миграция
энергии широко осуществляется в живых организмах не
только для переноса энергии, но и для выработки нужного
вида энергии как при внутриклеточном дыхании, так и осо-
бенно в процессе фотосинтеза в зеленых листьях растений.
Определить способность вещества к миграции энергии
можно с помощью света. Белки обладают флуоресцирующей
способностью — они сами излучают свет при попадании на
них ультрафиолетового излучения. При этом в белке све-
тится только одна составляющая его часть — ароматические
аминокислоты. Однако и свет других длин волн также вызы-
вает сильную флуоресценцию белка. Это происходит за счет
миграции энергии, поглощенной другими составными частя-
ми, к аминокислотам. При болезненных нарушениях функ-
ций организма флуоресценция белков не наступает. На этом
факте основан ряд методов диагностики.
Приведем в заключение несколько характерных примеров
превращения энергии биологическими преобразователями.
Мышечное сокращение связано с потреблением мышцей
энергии, содержащейся в гликогене,— своеобразном раство-
ренном в воде углеводе [С6(Н2О)51п, где п — большое число.
При работе зернышки гликогена растворяются и превра-
щаются в сахар, который затем окисляется в молочную
кислоту, переходящую в конце концов в угольную кислоту.
170
Главным источником гликогена является печень, где он
накапливается при мышечном покое. Твердо установлено,
что ключевую роль в качестве переносчика энергии при
мышечных сокращениях играет АТФ. Запирающая створки
мышца маленького моллюска адононты (беззубки) работает
с к. п. д. 80%. Мышца человека при сокращении совершает
работу с к. п. д. 95%. На основе принципа ее действия
делаются попытки создания «биологического двигателя».
Один из вариантов его представляет собой эластичную пласт-
массовую ленту, один конец которой соединяется с гру-
зом, а другой погружается в кислоту. При этом лента
сокращается и груз поднимается. При погружении в щелочь
лента снова расправляется и груз опускается.
Еще в 1897 г. японский ученый Шиока обнаружил, что
светлячок испускает рентгеновские лучи. Предполагалось,
что последние воздействуют на другую группу клеток, кото-
рые при этом начинают излучать видимый свет, зеленовато-
голубой — его то мы и видим.
Совсем недавно удалось более точно объяснить механизм
этого явления. В теле светлячка растворено особое азотсо-
держащее вещество — люциферин, которое в присутствии
особого фермента (люциферазы) и источника энергии (АТФ
и др.) переводит один из электронов люциферина на верх-
ний электронный уровень. Обратный переход электрона с
возбуждаемого уровня на исходный сопровождается осво-
бождением электромагнитной энергии. Заметьте, что этот
механизм в принципе аналогичен механизму превращения
энергии в полупроводниковом оптическом квантовом гене-
раторе (лазере). Естественно, что к. п. д. составляет вели-
чину 97%. Превращение химической энергии в электриче-
скую постоянно происходит в живых системах. Как и в
неживых преобразователях энергии, электрическая энергия
служит переносчиком энергии и для целей управления
организмом. Известны живые существа, например, морской
скат, которые вырабатывают электричество, так сказать,
для внешних нужд — защиты и т. п.
В поисках новых источников энергии в последнее время
пытаются «построить» биологические источники электриче-
ской энергии. В них в качестве катализаторов используется
органическая среда — различные ферменты и бактерии.
Такой средой может быть морская вода, отходы обмена
веществ человека, продукты разложения биологических
объектов. В качестве «горючих» могут применяться углево-
171
дороды, кислоты хлорного ряда, спирты, углеводы, мочеви-
на и др. Наиболее подходящими окислителями для них
являются анионы нитратов, сульфатов и карбонатов.
По своему устройству такие преобразователи делятся
на две группы. Для первой характерно наличие отдельного
генератора горючего, в котором происходят биохимические
реакции, и в результате взаимодействия биологической сре-
ды и исходного горючего получаются активные горючие,
например водород. Последний используется в обычном
топливном элементе. Такой процесс предлагался уже давно.
Помимо водорода, таким же путем с помощью биологиче-
ской среды можно получать и окислитель.
Во второй группе исходное горючее и биологическая
среда подаются непосредственно к электроду топливного
элемента. Получающееся активное горючее сразу же всту-
пает в токообразующую реакцию на электроде. По некото-
рым данным, покрытие электродов микроорганизмами, при
условии обеспечения их питанием, позволяет увеличить
плотность электрического тока и избежать поляризации.
Сообщается, что в США создан генератор электроэнер-
гии, в котором используются бактерии, «пожирающие»
электроны. Он имеет большое сходство с топливным элемен-
том и состоит из двух отделений, имеющих электроды, соеди-
ненные проводником. В одном отделении находятся сульфат
железа и серная кислота. Бактерии содержатся в другом
отделении в растворе кислоты в воде. Сульфат и кислота
взаимодействуют друг с другом, высвобождая электроны,
которые по проводнику направляются к электроду в отделе-
ние с бактериями, где в результате цепи электрохимических
реакций поглощаются этими бактериями. Серная кислота,
очевидно, является электролитом, обеспечивая ионную про-
водимость. Для питания бактерий кислородом предусматри-
вается продувка отделения воздухом.
§ 26.	Концентраторы энергии
Мы уже знаем, что энергия может переноситься в про-
странстве, а следовательно, и характеризоваться плотно-
стью ее в данной единице объема пространства. Знаем и то,
что различным видам энергии часто присущи различные
плотности энергии, и вместе с тем внутри некоторых видов
энергии плотность изменяется весьма широко. Поэтому в
процессе превращений одних видов энергии в другие в боль-
172
шинстве случаев происходит изменение и плотности энергии
как в зависимости от взаимопревращающихся видов энер-
гии, так и в зависимости от рода объектов носителей этих
видов энергии. Эта сторона процесса превращения энергии
обычно остается в тени, не подчеркивается, так как основ-
ная задача преобразования состоит в получении нужного
вида энергии, а не в изменении ее плотности. Однако в ряде
случаев ставится задача именно повышения плотности энер-
гии. Решение ее осуществляется с помощью устройств, на-
зываемых обычно трансформаторами энергии (от латинского
trans-formare — преобразовывать). Однако мы, как усло-
вились в § 6, будем называть эти устройства концентрато-
рами энергии.
Термин «трансформаторы энергии» возник в электротех-
нике применительно к устройствам, изменяющим плотность
электродинамической энергии, а затем стал распространять-
ся и на другие подобные устройства. Так, например, в ряде
случаев тепловые насосы (устройства, повышающие плот-
ность тепловой энергии) тоже называют трансформатора-
ми — тепловыми.
Электрический трансформатор служит практически для
изменения напряжения и силы тока в цепях переменного
тока, в связи с тем, что передавать удобно ток высокого
напряжения и малой силы, а потреблять — наоборот. При
передаче тока низкого напряжения и большой силы возра-
стают тепловые потери (AU7 = Ргхдж) и требуется большое
сечение проводов, т. е. повышается расход металла.
Электрический трансформатор — концентратор энергии
состоит из замкнутого стального сердечника, служащего
магнитопроводом, и первичной и вторичной обмоток с раз-
ным числом витков пх и п2; изолированных друг от друга
и от сердечника (рис. 48). Основную роль в рабочем про-
цессе трансформатора играет магнитный поток, связываю-
щий первичную и вторичную обмотки и переносящий энер-
гию от первичной цепи к вторичной.
Энергия электронов, движущихся по первичной обмотке,
переходит в энергию движения электронов вторичной об-
мотки с помощью магнитного поля, т. е. на расстоянии
путем магнитной индукции. При этом э. д. с. в обмотках
трансформатора создается только при изменениях магнит-
ного потока Ф. Поэтому трансформатор — устройство пере-
менного тока. Вследствие разного числа витков двух об-
моток возникающий во второй обмотке электрический ток
173
имеет другое напряжение U и силу тока I. Отношение
напряжений называют коэффициентом трансформации
U1 __ ^2 _ 1
и. “ /21 “ *•
Рис. 48. Электрический трансформатор
Рис. 49. Тепловой насос
1 — компрессор; 2 — конден-
сатор — обогреватель помеще-
ния; 3—дроссельный вентиль;
4 — испаритель низкокипящей
жидкости, отбирающий тепло у
окружающей среды (река, атмо-
сферный воздух)
тратора осуществляется
Поскольку же величина электродинамической энергии
пропорциональна U (dW9 = Ude) (de — элементарный за-
ряд электричества), то объемная плотность энергии при
переходе от к п2 возрастает
примерно в k раз. Мощность же
на выходе из трансформатора
остается примерно равной мощ-
ности тока на входе в трансфор-
матор (тепловые потери соста-
вляют около 2%).
Тепловой концентратор (теп-
ловой насос) представляет собой
довольно сложную установку,
включающую несколько преоб-
разователей энергии (рис. 49).
Тепловые концентраторы широ-
ко применяются в виде холо-
дильных машин и относительно
мало — для целей отопления.
С помощью теплового концен-
отбор тепла от источника низ-
кой температуры Т2 и передача его к источнику высокой
температуры («перекачка» тепла, отсюда и термин
«тепловой насос»). Поскольку такой процесс, будучи
необратимым, не может протекать по второму закону
термодинамики без затраты энергии, она подводится к
концентратору в виде электрической или механической.
174
Отопительная установка действует следующим образом
(см. рис. 49). Компрессор сжимает пар низкокипящей жид-
кости, повышая ее температуру от Т2 до 7\. В теплообмен-
нике — отопителе тепло от пара, имеющего более высокую
температуру, чем температура воздуха в отапливаемом по-
мещении, передается воздуху, нагревая его. Затем охлаж-
денный пар проходит дроссельный вентиль (или другое
расширительное устройство), где его температура еще более
понижается, вследствие чего происходит частичная кон-
денсация пара. Парожидкостная смесь поступает в тепло-
обменник — испаритель, где происходит отбор тепла у
окружающей низкотемпературной (Т2) среды (речная или
морская вода, атмосферный воздух, тепло Земли и т. п.) за
счет испарения сконденсированной части и нагрева испа-
ренной части смеси. После этого пар низкокипящей жидко-
сти поступает в компрессор, и цикл повторяется.
Эффективность действия такого концентратора тепловой
энергии принято оценивать коэффициентом использования
тепла (или отопительным коэффициентом), представляющим
собой отношение количества тепла, отданного в отопитель-
ную систему ^1 = q2 + WKf к работе компрессора IFK
ёт
При работе такой установки по циклу Карно
В - Т1
ёт Л — Т2 *
Если принять, что Т2 = 275° К, а температура, при кото-
рой тепло отдается в отопительную систему, 7\ = 340° К,
то получим gT = 34qo3^ 275о = 5,2, a qr = gT = 5,2 IFK.
Этот результат показывает, что тепловой концентратор в
данном случае передавал бы в отопительную систему коли-
чество тепла в 5,2 раза больше теплового эквивалента энер-
гии, израсходованной на привод компрессора.
По принципу тепловых насосов действуют некоторые
химические преобразователи энергии (топливные элементы
при протекании реакций, в которых число молей возра-
стает), а также термоэлектрические (основанные на явлении
Пельтье). Типичными концентраторами и одновременно
накопителями — аккумуляторами энергии являются такие
рассмотренные нами выше преобразователи энергии, как
конденсаторы, индукционные катушки.
175
Особый интерес в качестве трансформаторов — концент-
раторов, а равно и накопителей энергии, представляют зеле-
ные, хлорофилл содержащие растения. Эти растения концент-
рируют рассеянную солнечную, электромагнитную энергию
в виде химической энергии и накапливают последнюю, в то
время как все прочие организмы растрачивают ее. Процесс,
посредством которого эти растения синтезируют органиче-
ские вещества из СО2 и Н2О с помощью солнечного света,
является важнейшим из всех процессов биологических
преобразователей энергии.
Конечно, органические синтезы того или иного рода со-
вершаются всеми организмами, но только зеленые растения
дают исходный материал. Некоторые из этих преобразова-
ний дают соединения с большей энергией, чем энергия
углеводов, созданных растениями, например, когда в нашем
теле из сахаров образуются жиры. Такое концентрирование
химической энергии может произойти лишь за счет распада
другой части растительного материала. Например, при
спиртовом брожении крахмала одна часть этого углевода
превращается в богатый энергией спирт, а другая в бедную
энергией СО2.
При восстановлении СО2 до углеводов концентрация
энергии возрастает примерно на 27 кдж на 1 грамм-атом
углерода. При превращениях углеводов в жиры, которые
энергетически богаче любых других органических соедине-
ний, прирост химической энергии составляет всего около
7 кдж на 1 грамм-атом углерода.
В процессе фотосинтеза не только увеличивается кон-
центрация энергии, но также происходит переход от более
беспорядочного и потому более устойчивого состояния,
в котором молекулы СО2 и Н2О могут свободно двигаться в
газовом пространстве или жидкости, к более «плотному»,
более упорядоченному и потому менее устойчивому состоя-
нию крупных органических молекул. Другими словами,
в процессе фотосинтеза происходит уменьшение энтропии.
Поскольку же изменение свободной энергии (AF) равно
изменению внутренней (общей) энергии (At/) минус член,
пропорциональный уменьшению энтропии (ТAS)
AF = A U — ТAS,
то свободная энергия фотосинтеза оказывается больше
внутренней (общей) энергии.
Этот результат совпадает с результатом действия одного
176
из вариантов топливного элемента, а именно — при проте-
кании реакций с увеличением числа моле й (2С + О2 = 2СО).
Это неудивительно, так как внутренняя (общая) энергия
(или «тепловой эффект») есть характерная константа хими-
ческой реакции при данной температуре, а свободная энер-
гия зависит от концентрации исходных компонентов реак-
ции и продуктов реакции. Фотосинтез представляет собой
резко эндергонический (т. е. протекающий с увеличением
свободной энергии) процесс. Именно поэтому Жолио Кюри
писал, что не столько атомная энергия, сколько массовый
синтез молекул, аналогичных хлорофиллу, произведет под-
линный переворот в энергетике мира.
§ 27.	Накопители — аккумуляторы энергии
Проблема «сбора», «накопления» и «хранения» энергии
с каждым годом становится все более важной, а приложе-
ния ее — все более широким. Так, например, чем больше
удастся накопить и сохранить энергии на подводной лодке
и космическом корабле, тем большее расстояние они смогут
преодолеть без дополнительной заправки «горючим». Ветря-
ные и солнечные электростанции вообще не могут работать
без аккумуляции энергии в периоды максимальной интен-
сивности этих источников энергии (сильный ветер, день) и
использования ее в периоды их минимальной интенсивности
(слабый ветер, ночь). Даже обычные электростанции для
более экономической работы нуждаются в аккумуляции
энергии в периоды малых нагрузок (ночное время) для ис-
пользования ее при пиковых нагрузках (днем, когда рабо-
тают многие потребители одновременно). Накопление энер-
гии необходимо для возбуждения термоядерной реакции
и для многих других целей, включая такие общеизвестные,
как работа часового механизма.
Накопители энергии представляют собой, как правило,
хранилища носителей потенциальных видов энергии или
соответствующие устройства. К первым относятся различ-
ные топлива: аннигиляционное, ядерное, химическое; ко
вторым — упруго измененные системы: сжатые газы, пру-
жины, гравистатические системы (искусственные пруды,
расположенные на большой высоте, в которые вода подается
в ночное время работы электростанций, а днем ее грависта-
тическая энергия используется для выработки электро-
энергии), электро- и магнитостатические системы (конден-
12 Преобразование энергии
177
саторы, индуктивности и т. п.), электрические аккумуля-
торы, солнечные пруды и т. п. Все эти системы были рас-
смотрены в соответствующих разделах как преобразователи
энергии.
Накопитель энергии может представлять собой и носи-
тель механической энергии, например, систему вращающих-
ся грузов в виде маховиков. Маховики — это вращающиеся
Рис. 50. Блок-схема механического аккумулирования энергии
в противоположных направлениях роторы двух бесщеточ-
ных моторов-генераторов (рис. 50). В такой системе проис-
ходит превращение электродинамической энергии в меха-
ническую энергию, которая накапливается и по мере необ-
ходимости вновь преобразуется в механическую, потребляе-
мую нагрузкой. Удельная емкость системы примерно 15 вт-
• час/кг при общем запасе энергии 500 вт-час. Существенный
недостаток механических накопителей энергии — износ
трущихся поверхностей преодолен применением магнитных
подшипников и индуктивной связи вместо щеток.
Выдающуюся роль накопителя энергии в масштабе всей
Земли, как уже говорилось ранее, играет процесс фотосин-
теза, протекающий в растениях. Энергия солнечного излу-
чения, накапливаемая в виде энергии химических связей
(около 3-1011 т органического углерода ежегодно), при-
мерно в 100 раз больше энергии всего добываемого за соот-
ветствующий период времени угля и в 10 000 раз больше
энергии движения воды, используемой во всем мире. Инте-
ресно отметить, что помимо накопления органического угле-
178
рода фотосинтез дает начало и естественному циклу кисло-
рода. Атмосфера содержит примерно 2,8-1014 т этого эле-
мента. Если живые фотосинтезирующие организмы потреб-
ляют ежегодно 15-1010 т СО2, что эквивалентно выделению
12’1020 т кислорода, то они должны обновить весь кисло-
род воздуха за 2000 лет и разложить всю воду океанов за
2-Ю6 лет. Это короткий срок сравнительно с возрастом
Земли, и мы, таким образом, должны заключить, что кис-
лород, ныне присутствующий на земной поверхности в виде
Н2О и О2, повторно переходил в предшествующие геологи-
ческие эпохи из атмосферы через биосферу в гидросферу
и обратно.
12*
ГЛАВА
ТРЕТЬЯ
ПРИНЦИПЫ ТЕОРИИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
§ 28.	Методы теории и расчета
преобразователей энергии
Исторически так сложилось, что развитие преобразова-
телей энергии происходило независимо друг от друга, и
часто не параллельно, а последовательно — одного за дру-
гим. Соответственно возникали и отрасли техники: топоч-
ная и котельная техника — теплотехника, электротехника
и т. д. и развивались теоретические дисциплины — механи-
ка, термодинамика, газовая динамика, теоретическая элект-
ротехника и т. д.
В силу различной физической природы явлений, изучав-
шихся в каждой из этих отраслей техники и соответствую-
щих теоретических дисциплин, сложились и свои различные
методы описания рабочего процесса и оценки показателей
каждого типа преобразователей энергии. Все эти методы
можно объединить по крайней мере в следующие группы —
механистический метод, энергетический, электромагнитный,
термодинамический, энтропийный, статистический, матема-
тический. Рассматривая возможности классификации видов
энергии и принципы действия различных преобразователей
энергии, мы в той или иной степени коснулись почти всех
этих методов. Напомним их сущность.
Так, при механистическом подходе все виды энергии рас-
сматриваются как меры различных форм механического
движения (группирующиеся, по Гельмгольцу, в «живые
силы» и «напряженные силы», т. е. в кинетические и потен-
циальные виды энергии). Тогда рабочий процесс преобразо-
вателя энергии мог бы оцениваться с точки зрения потерь
механической энергии при его осуществлении, а общийк.п.д.
его — отношением полученной энергии IFn =	---т~°
180
« TF/ MW* МШ12	Wn	IVZ IV7
к затраченной W 3 = —~------, t. e. r] = где w и и w 3
Z	Z	w 3
относятся к различным системам, одна из которых
(массы Л4) теряет энергию, а другая (массы т) приобре-
тает ее.
Как показала неудавшаяся попытка Гельмгольца, при-
менить этот метод ко всем превращениям энергии нельзя,
вследствие качественного различия, т. е. различия физиче-
ской сущности видов энергии.
Энергетический метод берет свое начало еще от Остваль-
да и его ошибочного представления о том, что материя
исчезла, и мы имеем дело лишь с энергией в различных ее
проявлениях. Приверженцы этой теории есть и в наше
время. Но в данном случае имеется в виду не столько фи-
лософская концепция этой теории, сколько техническое ис-
пользование уравнения Эйнштейна Е = тс2. Эта зависимость
бесспорно приложима ко всем видам энергии, но при-
менение ее имеет смысл лишь при больших изменениях
энергии, в противном случае придется иметь дело с очень
малыми числами (поскольку, например, при химических
реакциях освобождается 5-10"9% 1 г массы).
Е. Зенгер успешно использовал указанное соотношение
и его производные при разработке физических основ ракет-
ной техники, где масштабы превращений энергии (включая
аннигиляционную и ядерную) огромны и скорости движе-
ния рабочего тела могут приближаться к скорости света.
Электромагнитный метод имеет специфическое приме-
нение в электротехнике и включает оперирование электри-
ческими потенциалами, силой тока, напряженностью полей
и т. п. Иными словами, это метод, применимый к тем пре-
образователям энергии, которые работают с участием заря*
женных частиц. Поскольку процессы превращения энергии
всегда предполагают взаимодействие между системами с по-
мощью полей (так называемое «близкодействие»), то этот
метод можно было бы расширить и сделать всеобъемлющим,
если бы удалось установить связь между различными по-
лями и создать их общую теорию. Пока эта важнейшая
проблема физики не решена.
Под термодинамическим методом обычно понимают та-
кое описание превращений энергии и преобразователей
энергии, при котором рассматривается изменение состоя-
ния некоторого вспомогательного макроскопического объек-
та — «рабочего тела» (на практике это чаще всего газ или
181
пар) с помощью его макроскопических параметров состоя-
ния: температуры, давления, удельного объема и др. и
термодинамических потенциалов: внутренней энергии, эн-
тальпии, свободной энергии и т. п. Этот метод находит все
более широкое применение. Например, разработана термо-
динамика магнитных явлений, в которой состояние магне-
тика, кроме указанных термодинамических параметров,
определяется заданием в каждой точке одного из векторов
силы тока, магнитной индукции или напряженности поля.
Поэтому термодинамический потенциал магнетика является
так же функцией одной из этих величин. Связь магнитной
термодинамики с атомной теорией магнетизма осуществля-
ется с помощью формул статистической физики.
Энтропийный метод можно рассматривать как разно-
видность термодинамического метода, поскольку энтропия
является термодинамической функцией состояния системы.
Как отмечено в § 8, все реальные процессы сопровождаются
потерями энергии главным образом в виде рассеяния тепла,
энтропия (dS при этом увеличивается, а работоспо-
собность энергии уменьшается. Энергетическая потеря в
изолированной системе равна произведению низшей абсо-
лютной температуры в системе на приращении энтропии
системы. Используя это свойство энтропии, можно дать
описание рабочего процесса преобразователя как цепочку
возрастаний энтропии и оценить его эффективность. Правда,
хотя понятие энтропии является в настоящее время одним
из самых популярных и находит все более широкое приме-
нение, все же не для всех преобразователей энергии оно
«готово» к использованию (это относится к некоторым тер-
моэлектрическим явлениям, а также к гравистатическим,
механическим и др.). На этом же принципе, но методически
по-другому, строится так называемая «неравновесная тер-
модинамика», или иными словами, «термодинамика необра-
тимых процессов». Она позволяет на основе принципа изме-
нения энтропии и соотношений Онзагера (характеризующих
взаимное влияние различных энергетических процессов) про-
анализировать и оценить эффективность различных преоб-
разователей энергии. Беда лишь в том, что понятия нерав-
новесной термодинамики мало отражают физическую сущ-
ность явлений, а математический аппарат весьма сложен.
Получаемые по этой методике данные мало применимы на
практике, так как реальные условия протекания рабочего
182
процесса в преобразователе не всегда могут быть надежно
оценены по этой методике.
Статистический метод не следует понимать как способ
учета изменения энергии каждой микрочастицы данной си-
стемы, т. е. будто бы для каждой частицы решается своя
система уравнений движения и потом находится некоторое
среднее значение для всех частиц, входящих в моль газа.
При таком методе для моля газа потребовалось бы составить
3-6-1023 уравнений, чтобы рассмотреть 6-6-1023 граничных
условий (для каждой частицы 6 начальных условий, 3 на-
чальных положения — х, у, г и 3 начальных скорости —
Хо, #0, Z0).
Как показывают вычисления, для такого расчета потре-
бовалось бы 7-Ю16 т бумаги и около 100 лет времени.
Электронные вычислительные машины позволят сократить
и то и другое, тем не менее задача останется достаточно
громоздкой.
Являясь, как и энтропийный метод, разновидностью тер-
модинамического, статистический метод заключается в учете
изменения возможных состояний системы, характеризуемых
определенными параметрами, и отыскании наиболее вероят-
ных. Этот метод наиболее последовательно и строго разра-
ботан Д. У. Гиббсом, однако сложность его такова, что
через 100 лет после публикации работы Гиббса пришлось
издать два тома (1700 страниц!) комментариев к ней.
И, наконец, в группе математических методов можно
объединить все частные и общие способы описания действия
преобразователей энергии в отрыве от физической природы
процессов путем подгонки их под различные математиче-
ские функции. Например, однофамилец упоминавшегося
выше крупнейшего ученого прошлого века Д. У. Гиббса —
современный математик У. Д. Гиббс применяет к описанию
электромагнитных преобразователей энергии матричные и
тензорные методы анализа. Другой американский ученый
создал математическую теорию жизни, т. е. всего процесса
деятельности биологического преобразователя энергии —
с момента рождения (создания) до момента смерти (разру-
шения) .
Таковы в принципе возможности описания рабочего про-
цесса и оценки показателей различных преобразователей
энергии. Обычно, в зависимости от условий и специфики
действия данного преобразователя энергии, применялся тот
или иной метод. В последнее же время, в связи с бурным
183
развитием различных преобразователей энергии и внедре-
нием в каждую отрасль одновременно по нескольку типов
их, появилась острая потребность в их сравнении как по
внешним показателям (к. п. д., удельная мощность и т. п.),
так и по внутренним (давление — механические напряже-
ния, температура — термические напряжения и т. п.). Это
сравнение можно осуществить, пользуясь различными для
каждого преобразователя методами, но оно было бы проще
и ярче при использовании единой методики. Выбор ее из
перечисленных выше или разработка некоторой новой воз-
можны лишь при условии, что обнаружены общие черты
у сравниваемых преобразователей энергии, однородные по
исполняемым функциям элементы.
§ 29.	Обобщенный преобразователь энергии
В своем первом сообщении о законе сохранения энергии
(«О законе сохранения силы») 23 июля 1847 г. Гельмгольц
между прочим сказал: «Цель... наук заключается в разы-
скивании законов, благодаря которым отдельные процес-
сы в природе могут быть сведены к общим правилам и могут
быть из этих последних снова выведены» \ Попытаемся
применить эту рекомендацию к преобразователям энергии.
Как ясно из изложенного выше, в каждом преобразова-
теле энергии происходит превращение одного вида энергии
в другой. Назовем исходный вид энергии источником энер-
гии, одновременно подразумевая под этим термином и
носитель исходного вида энергии, т. е. первую из взаимо-
действующих систем. Конечный, получающийся в процессе
превращения вид энергии, передаваемый третьей системе,
назовем рабочей энергией, или сокращенно — работой.
Систему же, которая воспринимает энергию источника и
является носителем рабочей энергии, можно назвать при-
емником энергии, хотя в термодинамике ее принято назы-
вать рабочим телом.
Можно с уверенностью сказать, что любой простой
преобразователь энергии состоит из двух элементов — ис-
точника и приемника энергии, а сложный — из нескольких
таких пар, причем приемник энергии предыдущей пары
является источником энергии последующей.
1 Г. Гельмгольц. О сохранении силы. Госиздат, 1922 г.,
стр. 5.
184
Теперь определим условия, при которых можёт начаться
процесс превращения энергии источника в энергию прием-
ника. Рассмотренные выше принципы действия преобразо-
вателей энергии позволяют сделать заключение, что общим
условием действия преобразователей энергии является на-
личие разности концентраций, разности плотностей энергии
в двух точках пространства. Поскольку же количество
энергии, заключенной в единице объема пространства, при-
нято называть потенциалом (потенциальной энергией), то
указанное условие сводится к наличию разности потенциа-
лов (в ряде случаев низший потенциал определяется свойст-
вами окружающей среды, поэтому источник энергии обес-
печивает создание и поддержание высшего потенциала) —
движущей силы. Так, например, движение электронов —
электродинамическая энергия возникает при наличии раз-
ности электрических потенциалов. В электрогенераторах
разных типов приемником энергии всегда служат электро-
ны, источниками же энергии, являющимися по-существу
источниками разности потенциалов или электродвижущей
силы (э. д. с.), могут служить различные виды энергии.
Но раз имеется разность потенциалов, то некоторый
носитель энергии должен совершать движение от высшего
потенциала к низшему, воспринимая энергию источника. Это
движение может или начинаться, если приемник энергии
находился в покое, или ускоряться, если приемник энергии
уже двигался. Следовательно, каждый преобразователь
энергии представляет собой ускоритель приемника энергии.
Но ускорение приемника энергии осуществляется за счет
подвода энергии от источника энергии, т. е. можно было бы
сказать — за счет замедления источника энергии, если рас-
сматривать потенциальные виды энергии как скрытые виды
кинетической энергии. Однако, хотя это и представляется
некоторым ученым допустимым, пока что полной ясности
в этом вопросе нет. Поэтому мы будем говорить твердо
лишь об ускорителе, предполагая, что рабочие виды энергии
(главным образом механическая, электродинамическая, теп-
ловая и световая) являются кинетическими.
Таковы основные элементы и функции обобщенного пре-
образователя энергии, в котором отражены все типы пре-
образователей энергии. Это легко показать, если рассмот-
реть каждый тип преобразователя как бы сквозь призму
обобщенного. При этом вскроется, что различия между
преобразователями сводятся к величине разности потен-
185
циалов, определяющей энергопроизводительность (или
мощность) преобразователя, и типу приемника энергии, от
которого зависят потери энергии при движении приемника,
а следовательно, и к.п.д. (а также мощность) преобразова-
теля. Величина же разности потенциалов (или высшего
потенциала) зависит от свойств источника энергии. Такой
анализ позволит выявить существо количественных раз-
личий между преобразователями энергии, которые сейчас
скрыты за внешней оболочкой качественных различий.
§ 30. Принципы теории
обобщенного преобразователя
Построив схему обобщенного преобразователя энергии,
можно перейти к выяснению принципов его теории, которая
должна выражать связь между внутренними и внешними
характеристиками преобразователя и позволит оценить
эффективность его действия в различных условиях эксплуа-
тации.
К внутренним характеристикам относятся характери-
стики приемника энергии (рабочего тела).
На практике чаще всего приходится иметь дело с при-
емниками энергии в виде газов (паров), электрозаряженных
частиц (электроны, ионы) и фотонов. Характеристиками —
параметрами состояния (зависящими от свойств приемника)
первых являются обычно температура, давление и т. п.,
вторых — дополнительно сила тока, магнитная индукция
или напряженность и т. п., третьих — частота, энергия
фотона или напряженность поля.
Основными внешними характеристиками преобразова-
теля энергии являются расход энергии источника (в едини-
цах энергии или массы расходуемого источника), приходя-
щийся на единицу рабочего вида энергии приемника В =
а также мощность А^п- Легко показать, что В является
величиной, обратной к.п.д. преобразователя т] =
М/ и
Удельным расходом называют расход энергии источника,
отнесенный к мощности преобразователя b =	. Мощность
определяется количеством рабочей энергии, вырабатывае-
те
мой преобразователем в единицу времени N„ = — (т —
т
186
время). Удельная мощность выражается отношением мощно-
сти преобразователя к его объему (объемная удельная
мощность) A^nv=77^ или к массе (массовая удельная мощ-
и п
ность) NnM=j^ • Рабочую энергию приемника в общей фор-
ме можно выразить следующим соотношением:
= ф^Х,
где ф — движущая сила, равная единичной разности по-
тенциалов или высшему потенциалу — в случае, когда
величина низшего принята за начало отсчета (ноль), dX —
переносимая (или изменяющаяся) субстанция (электриче-
ский заряд, элементарный объем, элементарный путь, прой-
денный точкой приложения силы и т. п.).
В зависимости от природы движущей силы, приведенное
общее соотношение можно представить в других видах.
Например, если ф — сила механическая и dX = dl (I —
путь), а
Ф(/) dl = md-^dl = mada (q> — скорость, т — время),
то
X	со	2
W7 С 4V f J	тС°0
и/п =	4>dX = \ mada — —---------•
о	о
Если ф — сила упругости газа, т. е. его давление ф = р,
то рабочая энергия адиабатного расширения системы
X	v2
ГС	1
= \ <pdX = \ pdv =	[ (Pilh — p2Vi) =
0	Vi
Если ф—сила электрического взаимодействия и ф = —
(еь е2 — величина зарядов, г — расстояние между ними), то
х	г2
Wn = — jj фйХ = — ydr =	.
о	ГХ
И т. д.
обычно задается (количество подведенного тепла,
освобожденной химической или ядерной энергии и т. д.).
187
Зная IFn, IFH, а также объем Vn и массу Л4П преобразовате-
ля, можно установить с помощью выражений, аналогичных
приведенным выше, связь между внутренними и внешними
характеристиками преобразователя — Л^п,Лп, Л^пу, Л^пл1 и
т. п.
Анализ основных типов преобразователей на основе
указанных принципов позволяет получить ясную и полную
картину их возможностей, относительных достоинств и не-
достатков, а следовательно,— и перспектив развития.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение ..................................................... 3
Глава I. Виды и превращения энергии........................... 6
§ 1.	Материя, масса и энергия............................. 6
§ 2.	Эволюция представлений о видах энергии.............. 12
§ 3.	Предпосылки классификации видов энергии............. 19
§ 4.	Классификация видов энергии......................... 30
§ 5.	Сравнение видов энергии............................. 40
§ 6.	Упорядоченность и концентрация энергии.............. 43
§ 7.	Превращение энергии................................. 46
§ 8.	Закономерности превращения энергии.................. 56
§ 9.	Хранение и перенос энергии.......................... 62
Глава II. Преобразователи энергии . . ....................... 73
§ 10.	Общие сведения..................................... 73
§ 11.	Преобразователи	аннигиляционной энергии........... 78
§ 12.	Преобразователи	ядерной энергии.................... 84
§ 13.	Преобразователи	химической (атомной) энергии . . .	109
§ 14.	Преобразователи	упругой энергии................... 120
§ 15.	Преобразователи	гравистатической энергии.......... 127
§ 16.	Преобразователи	электростатической энергии.......	131
§ 17.	Преобразователи	магнитостатической энергии.......	134
§ 18.	Преобразователи	механической энергии.............. 137
§ 19.	Преобразователи	тепловой энергии.................. 140
§ 20.	Преобразователи электродинамической энергии......	149
§ 21.	Преобразователи	электромагнитной энергии.........	155
§ 22.	Преобразователи	гравидинамической энергии........	164
§ 23.	Преобразователи	мезонной энергии.................. 165
§ 24.	Преобразователи	нейтринной энергии................ 166
§ 25.	Биологические преобразователи энергии............. 167
189
§ 26.	Концентраторы энергии............................. 172
§27.	Накопители — аккумуляторы энергии ................ 177
Глава III. Принципы теории преобразователей энергии . .	180
§ 28.	Методы теории и расчета преобразователей энергии .	180
§ 29.	Обобщенный преобразователь энергии................ 184
§ 30.	Принципы теории обобщенного преобразователя . . .	186
Георгий Николаевич Алексеев
Преобразование энергии
У тверждено к печати
редколлегией научно-популярной литературы
Академии наук СССР
Редактор издательства Л. А, Квасников
Художник В. Я. Седов
Технический редактор И, Н. Дорохина
Сдано в набор 24/1 1966 г. Подписано к печати 3/VI 1966 г.
Формат 84xlO8Ve2. Печ. л. 6. Уч.-изд. л. 9,4.
Тираж 13 000 экз. Изд. К» 748. Тип. зак. 130 Т-08161.
Цена 29 коп.
Издательство «Наука»
Москва, К-62, Подсосенский пер., 21
2-я типография издательства «Наука»
Москва, Г-99, Шубинский пер., 10