"Радио Всем", №6, март 1928 год
Инж. А. Н. Попов.
Для того чтобы сделать какую-нибудь работу, необходимо наличие так называемой энергии. В физике энергию и определяют как способность тела производить работу. Возьмем несколько примеров.
Человек пилит дрова, рубит их; он может строить, ковать и т. д. Все эти работы делаются за счет нашей мускульной энергии, а мускулы черпают свою энергию в пище, которую мы ежедневно потребляем. Итак, продукты питания заключают в себе запас энергии. Как человек, так и лошадь, — да и любое другое рабочее животное, — сильны тогда, когда хорошо питаются. «Плохой корм» понижает работоспособность: пища содержит различное количество энергии.
Известно, что грубо можно представить себе процесс питания человека как сгорание пищи внутри него. Поэтому количество энергии в продуктах, их питательность, определяют по теплу, которое они дают.
Количество тепла измеряется особыми единицами калориями. Малой калорией называется то количество тепла, которое нужно сообщить одному грамму воды, чтобы температура его поднялась на один градус Цельсия. Большая калория в 1000 раз больше. Есть выражение калорийность пищи. Жиры, — масло, сало, — обладают большой калорийностью, т. е. питательностью; овощи, хлеб в т. п. — малой. Мы видим, вопервых, что тепло — это один из видов энергии, вовторых, что мы можем извлекать энергию посредством химических процессов (сгорания).
Человек — довольно сложный по своему устройству двигатель. Проследим различные превращения энергии на более простом примере.
Всем известно, как широко пользуются сейчас в технике паром. Простейшую паровую установку, — железнодорожный паровоз, — может видеть всякий. Во всех подобных сооружениях, куда бы пар в конечном счете ни подавался, мы можем наблюсти следующие основные элементы: 1) топку, где происходит сгорание каменного угля, нефти, дров или какого-нибудь иного топлива: 2) котел, где происходит образование пара; 3) трубы, которые ведут пар из котла к машине и, наконец, 4) самую паровую машину или турбину.
Топка пожирает свою пищу, например, каменный уголь. В угле находится запас энергии, который мы вытягиваем посредством химического процесса горения. Уже в топке мы получаем энергию в виде тепла. Далее этим теплом «заряжается» пар. Теперь уж он является носителем энергии и передвигает ее дальше по паропроводу к машине. В паровой машине подведенный пар давит на поршень и толкает его то в одну, то в другую сторону. Здесь тепловая энергия пара превращается в механическую энергию движущегося поршня. Дальше идет шатун, кривошип и маховое колесо, с которого мы можем передать энергию на трансмиссию, а оттуда на станки.
Начавши с химической энергии топлива, совершенно, так сказать, незаметной, мы, после ряда превращений, получаем очень ощутимую энергию и работу на станке.
Во всяком большом техническом вопросе мы встречаемся с этими тремя основными моментами: 1) добыча энергии из недр природы и превращение ее в удобопередаваемый вид; 2) передвижение энергии, т. е. подача ее в нужное нам место, и 3) последнее превращение энергии в нужную нам работу (вращение токарного станка, вращение колес паровоза и т. п.).
Передвижение энергии в зависимости от различных условий приобретает то большее, то меньшее значение. Так, например, на электрической станции, где паровые машины или турбины находятся в том же здании, что и котельное отделение, — передача энергии (при помощи несущего пара) играет чисто второстепенную роль. Будет ли паропровод на несколько метров длиннее или короче, — разница не велика.
Совсем другая картина получается в так называемых районных электрических станциях. Они строятся там, где удобнее всего проделать первый процесс, т. е. добыть энергию из недр природы — на торфяных болотах, там, где источником энергии служит торф (наша Шатурская станция), на месте залежей каменного угля (Кашира), или на реке, где можно прямо получать механическую энергию движущейся воды (Волховская ЭС, ЗАГЭС и т. д.). Потребители же энергии находятся лишь редко вблизи; чтобы подвести к ним ток, приходится строить линию электропередачи, — канал, по которому течет энергия (причем линия входит, как весьма. важная часть, в общее сооружение).
Еще большее значение приобретает вопрос о переносе энергии в технике связи. Здесь энергия не представляет самоцель, как в силовых установках, а служит лишь для транспортирования человеческой мысли. Отсюда появляется ряд специфических условий по отношению к энергии в установках связи. Действительно, при силовой передачи мы бережем каждую каплю энергии, каждую лошадиную силу, так как именно их-то нам и нужно передать. Если бы в Москву по линии приходило несколько процентов того, что подается в Кашире, — мы назвали бы эту линию негодной. Когда же при передаче по линии связи (например телефонной) мы получим в конце 1000 долю той энергии, которая подана в начале, — мы скажем, что эта линия хороша — лишь бы только разговор доходил внятным. Вот почему совершенно нелепо говорить об энергетическом коэффициенте полезного действия в установках связи. И всякое зубоскальство насчет того, что в приемной антенне мы получаем многомиллионные доли той энергии, которая тратится на передатчике, показывает лишь ограниченность этих жалких острот. Единственный коэффициент полезного действия, о котором здесь можно и нужно говорить, — это отношение числа принятых слов к числу переданных.
Вернемся к вопросу о переносе энергии. Мы познакомились с тем явлением, что пар, текущий по трубе, несет с собою энергию. Здесь энергия связана с определенным физическим телом, частицами воды, превращенными в пар, причем сами эти частицы передвигаются. Иначе говоря, здесь энергия движется поступательно вместе со своим носителем, — определенным телом. Такая же картина имеет место при движении воды в реке. «Напор», который движет мельничное колесо или лопатки водяных турбин, не что иное, как энергия движущихся поступательно водяных частиц.
Теперь является вопрос: нельзя ли передвигать энергию, не сдвигая с места (в направлении потока энергии) тех частиц, которые ее несут? Оказывается, можно, и ряд примеров такого свободного, не связанного, распространения энергии мы имеем в природе. Положим, что в тазе с водой мы заставили по краям его плыть кусочки пробки или щепки. Будем болтать воду посредине таза вверх и вниз рукой. По воде побегут волны, и наши щепки начнут танцевать. Раз они двигаются, — это означает, что им сообщена энергия. С другой стороны, легко проследить что вода не движется поступательно к краям таза; частицы воды лишь колеблются, грубо говоря, вверх и вниз, и вместе с тем передвигают энергию, сообщаемую воде от движения нашей руки. Такова же картина и больших волн, например на море; а о том, какие запасы энергии тут могут быть, мы знаем потому, как волнение вертит океанские судна и какие разрушения на берегу производит прибой.
Звук представляет собой колебания воздуха. Звучащее тело (например колокольчик) приводит в колебание около себя частицы воздуха и, следовательно, сообщает им энергию, которая распространяется во все стороны. Проход этой энергии мы чувствуем нашей барабанной перепонкой.
Из этих примеров видно, что для свободного переноса энергии, т.е. такого передвижения, когда носитель энергии не передвигается в направлении ее движения, необходимы колебания той среды, где энергия распространяется. В первом примере средой была вода и колебаться должны были ее частицы, во втором воздух. Распространяющиеся колебания образуют волну. На воде мы знаем волны очень хорошо; однако, особыми приспособлениями можно обнаружить волны и в воздухе при распространении звука. Мы видим, что волна несет с собою энергию и свободный перенос энергии происходит именно посредством волн, возникающих в определенной среде.
О том, что является при передвижении электрической энергии ее носителем, как происходит ее связанное и свободное распространение, и как он используется для целей связи мы поговорим в следующий раз.
