Глава физики, посвященная энергии, выросла из классической механики. Однако она была значительно обогащена наукой об электричестве, развившейся в основном лишь за последние полтораста лет, а также термодинамикой — наукой, созданной целиком учеными XIX века.

Единицы измерения энергии те же, что и у работы, — эрги, джоули. Часто применяют еще одну удобную единицу — киловатт-час (квт-ч). 1 киловатт-час — это работа, произведенная в течение одного часа при мощности в 1 киловатт.

Есть и еще одна — тепловая — единица энергии: калория (кал) или килокалория (ккал). Калория — это количество тепла, необходимое для повышения на 1 градус Цельсия 1 грамма воды, килокалория — количество тепла, нужное для повышения на 1 градус 1 литра, то есть 1 килограмма воды.

Все эти единицы связаны между собой, так что:

1 квт-ч = 3,6 млн. дж = 861 ккал.

Механика учит нас пользоваться силами. Но чтобы можно было пользоваться силой, необходима энергия. Знание законов энергии нужно для практического применения механики.

И еще одно. Очень важно уметь открывать или создавать искусственно склады энергии. Джоули не висят на ветках подобно грушам или гроздьям винограда — подойди и срывай.

Впрочем, даже фрукты, которые можно есть, сперва нужно вырастить. В определенном смысле нужно уметь «вырастить» из окружающей природы и джоули.

Это не всегда легко, потому что природа не любит ничего отдавать по доброй воле.

Не приходилось ли вам задумываться, какому виду энергии вы обязаны острым удовольствием помчаться вниз, после того как сиденьице ваших качелей достигло кульминационной высоты и замерло там на мгновение? Ясно, что ваша собственная энергия здесь ни при чем: вы можете расслабить все ваши мускулы и все равно начнете свой полет.

Конечно, вниз вас кинет из верхней точки качелей потенциальная энергия, сработает земное тяготение. Ну, а из нижней точки какая энергия вас подбросит вверх? Кинетическая энергия, это ясно. Потенциальная энергия, или энергия положения, внизу равна нулю, точно так же, как равна нулю на максимальной высоте, в момент изменения направления полета, кинетическая энергия, энергия движения.

Потенциальная и кинетическая энергии взаимно превращаются одна в другую.

Постепенно люди выяснили, что не только одна разновидность механической энергии может превращаться в другую разновидность механической, но и вообще все виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная и т. д. — способны превращаться одна в другую. Мы живем среди этих превращений, постоянно пользуемся ими, хотя часто не замечаем этого удивительного процесса.

Прижал охотника мороз: он начинает пританцовывать, в ладоши хлопать, тереть нос и уши. Механическая энергия мускулов переходит в тепловую и согревает человека.

Он стреляет в зайца. Химическая энергия пороха превращается в механическую — летящей дроби. Вернулся охотник домой. Довольная хозяйка торопливо зажигает на кухне свет — превращает электрическую энергию в световую — и ставит на плитку разогреть холодный борщ, чтобы ту же электрическую энергию сделать тепловой.

Кончается все это тем, что ублаженный всеми видами энергии, имеющими хождение в быту, охотник заваливается спать, чтобы к утру восстановить за счет всего полученного свою энергию.

Замечательной особенностью превращения энергии является то, что оно совершается не произвольно, не как-нибудь, один раз с одним количественным результатом, другой — с другим, а подчиняясь вполне определенному закону.

Манчестерский пивовар Джемс Прескот Джоуль (1818–1889) был первым, кто установил, что при превращении одной энергии в другую соотношение между механической работой и теплотой остается всегда постоянным, и потому, зная что-нибудь одно, можно совершенно точно сказать, какому количеству другого оно равно.

В результате открытия Джоуля была установлена количественная связь между единицами тепла (ккал) и единицами работы (дж), на которую мы сослались в предыдущей главе.

Кому потребуется быстро перевести джоули в килокалории или килокалории в джоули (вы, конечно, догадались о происхождении этого слова), может воспользоваться следующими постоянными соотношениями («эквивалентами»):

1 кал = 4,19 дж (механический эквивалент теплоты);

1 дж = 0,24 кал (тепловой эквивалент работы).

На практике мы совершаем превращения энергии обычно в тех или иных машинах. При помощи машин удается совсем, казалось бы, уснувшую энергию, например ту, что таится в разных топливах, заставлять совершать вполне реальную, полезную для людей работу: двигать поезда, поднимать тяжелые грузы, приводить в действие станки. Образно говоря, канистра с 15 килограммами бензина могла бы поднять полуторатонный грузовик с полным грузом и пробежать с ним 100 километров.

Воспользовавшись соотношениями Джоуля, нетрудно подсчитать, какое количество энергии вводится в машину, а какое соответствует проделанной работе. Сразу бросится в глаза, что на выходе энергии всегда бывает меньше, чем на входе.

Загадки в этом нет никакой, и над причинами явления голову особенно никто не ломал: часть энергии теряется в машине на трение, на теплоизлучение в пространство, на преодоление сопротивления воздуха или другой среды, и т. д.

Потерянная для пользы человека энергия — нечто вроде платы, взимаемой природой с человека за использование ее богатств.

Чтобы получить достаточную ясность об эффективности того или другого превращения, а значит, об экономичности процесса и машины, договорились ввести особую величину — коэффициент полезного действия, сокращенно к. п. д.

Коэффициент полезного действия — это та доля энергии, затраченной на работу машины, которая используется на нужные человеку цели.

Обычно к. п. д. выражают в процентах или в виде десятичной дроби. Понятно, что всего лучше та машина, к. п. д. которой будет ближе к 100 % или 1.

К сожалению, почти во всех действующих ныне установках значение к. п. д. еще очень и очень далеко от идеала.

Даже если не вспоминать почти совсем исчезнувшие у нас паровозы (их к. п. д. редко превышал 5 %), то все равно положение не из блестящих. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания, например, имеют к. п. д. от 10 до 25 %. У дизелей (в частности, на тепловозах) он может достигать 40 %.

Правда, многих эти числа не смущают. Они говорят:

— А вы взгляните на высшее творение природы — человека. Разве он в энергетическом смысле совершеннее? Его к. п. д. тоже не ахти какой.

Что верно, то верно: к. п. д. человека действительно не потрясает величиной. Если пищу рассматривать как своего рода топливо (энергия того, что мы едим и пьем, используется нашим организмом для поддержания температуры тела, для питания и возобновления тканей, наконец, для физической работы), то в среднем, как показывают опыты, в мышечную энергию превращается только 28 % энергии всей пищи. Такова полная величина к. п. д. человека.

Считая, что нормальный суточный рацион взрослого человека должен содержать 3000 ккал (а также 75 г белков, 0,69 г кальция, 1,32 г фосфора и 0,015 г железа), получаем что в его мышечную энергию перерабатывается только 840 ккал.

Если же человек и впрямь работает как источник механической энергии (а некоторое количество людей на Земле, особенно в экономически отсталых странах, и до сих пор работает наряду с лошадьми и буйволами, обрабатывая землю, крутя жернова мельниц или колеса мелиоративных сооружений и т. д.). то такой человек, как и животное, которое он заменяет, отдает еще меньше энергии: в среднем 17 %. Остальные 11 % он тратит на себя, на труд в «нерабочее» время.

Но уместно ли ставить на одну доску к. п. д. человеческого тела и к. п. д. машин? Человек ведь славен не одной физической отдачей, а в гораздо большей степени отдачей умственной. Его достоинство не в том, что он автоматически берет одно и превращает его в другое (как машина), а в том, что он находит все лучшие и лучшие сочетания вещей. Следующую главу мы посвятим тому, как известный русский естествоиспытатель Климент Аркадьевич Тимирязев однажды очень остроумно пояснил, что значит подлинно человеческий к. п. д., как много может сделать человек, способствуя действительно полному превращению энергии.