Древние изобретатели старались отыскать в природе дополнительные источники энергии. Первым таким источником стала вода. Люди обратили внимание на её мощные потоки и придумали, как извлечь пользу из этого движения. Так появилось водяное колесо, которое изначально было предназначено для орошения полей. Сначала в воду опускали колесо с черпаками и вращали его вручную, поднимая воду на поверхность, но вскоре догадались, что если к колесу приделать лопатки, то текущая вода сама будет вращать его и доставлять воду наверх. Вскоре на основе водяного колеса были созданы водяные мельницы (рис. 8), которые сначала использовали для помола зерна, а начиная с XIII в. – для изготовления бумаги, ковки железа, резки брёвен и многих других работ, а впоследствии и для выработки электроэнергии. В тех местах, где течение рек и ручьёв было недостаточно быстрым, стали создавать плотины, с высоты которых вода падала с большой скоростью. Несмотря на очевидную выгоду водяных мельниц, их работа вызывала у людей непонимание и боязнь, считалось, что в их окрестностях обитают русалки и водяные, а мельников подозревали в преступных связях с нечистой силой.

Вторым источником дополнительной энергии для человека стал ветер. Мощность ветра меньше, чем мощность падающей воды, да и дует он не всегда, зато он не привязан к рекам и может использоваться в любом месте. О том, что сила ветра может вызывать полезное движение, было известно очень давно, ещё со времени изобретения парусов. Примерно в VII в. люди из засушливых степей Азии, видевшие, как работают водяные мельницы, но не имевшие собственных водных источников, изобрели ветряные мельницы, которые могли вращать жернова. Из жёрнова выходил вертикальный вал с парусами, который поворачивался, когда дул ветер. С помощью таких мельниц можно было молоть зерно, а также качать воду из– под земли. Впоследствии ветряные мельницы сделали вращающимися, для того чтобы «ловить» ветер, когда он меняет своё направление (рис. 9).

Самый главный источник энергии долгое время оставался неосвоенным. Конечно, им пользовались очень широко, но не для производства механической работы. Речь идёт о химической энергии, запасённой в таких органических веществах, как древесина, торф или каменный уголь, и способной легко превращаться в энергию тепловую. Уже далёкие предки человека были знакомы с этой энергией, когда научились использовать, а затем и добывать огонь.

Рис. 8. Водяная мельница

Все знали, что в процессе горения образуется огромное количество теплоты, но проходили десятки тысяч лет, а эту энергию использовали только для обогрева, освещения и приготовления пищи.

Рис. 9. Ветряные мельницы

Прежде чем мы познакомимся с историей появления тепловых машин и с их устройством, задумаемся над одной проблемой. А зачем вообще для совершения работы требуются какие-либо источники энергии, ведь энергии всегда и везде достаточно? Мы уже говорили о законе сохранения энергии и знаем, что она не может никуда исчезнуть. Мы говорим, что для совершения работы требуется затратить энергию. Но что означает слово «затратить»? Ведь количество энергии после совершения этой работы останется таким же, как и было, иначе будет нарушен закон её сохранения.

Вернёмся к водяным и ветряным мельницам. Откуда берётся энергия, необходимая для того, чтобы их жернова вращались? Конечно, она складывается из кинетических энергий воды или ветра, но легко понять, что для приведения в движение мельничных жерновов этого недостаточно. Опустим водяное колесо в стоячий пруд и убедимся в том, что, хотя молекулы воды в нём непрерывно движутся, колесо вращаться не будет. Для того чтобы оно стало вращаться, необходимо, чтобы его окружала текущая вода. То же самое относится и к ветряным мельницам, а заодно и к парусам. В безветренную погоду ни жернова, ни корабль двигаться не будут, хотя о них каждое мгновение ударяются миллиарды миллиардов молекул, несущих в сумме огромную кинетическую энергию. Причина этого заключается в том, что, хотя давление воды или воздуха, оказываемое на лопасть водяного колеса, крыло ветряной мельницы или парус, может быть очень большим, оно одинаково со всех сторон. Все удары молекул уравновешиваются, и механизм остаётся неподвижным. Для того чтобы он пришёл в движение, требуется, чтобы в каждый момент времени об одну сторону его лопасти ударялось больше молекул, чем о другую, что и происходит, если вода или воздух движутся в постоянном направлении.

Таким образом, для того чтобы энергия могла совершать работу, её количество должно быть неодинаковым в различных местах. Молекулы газа или жидкости будут двигаться в различных направлениях по– разному, если между определенными точками в пространстве существует какая-либо разница. Вода течёт, потому что её уровень в различных участках русла неодинаков. Ветер дует, когда между различными местами существует перепад давлений. Песок или зерно, использовавшиеся в машинах Герона, приводили в движение различные предметы потому, что они изначально находились на разной высоте, т. е. обладали разной потенциальной энергией.

Рис. 10. Г. Гельмгольц

Если энергия в разных местах системы неодинакова, то такая система может совершить работу. В этом случае говорят, что система обладает свободной энергией. Если же энергия во всех частях системы одинакова и даже очень велика, она не сможет выполнить работу. Такую бесполезную энергию называют связанной. Понятия свободной и связанной энергии предложил в 1881 г. выдающийся немецкий физик, физиолог и психолог Герман Гельмгольц (1821–1894) (рис. 10). Когда в изолированной системе совершается работа, общая энергия этой системы не меняется, но часть её переходит из свободного состояния в связанное и, таким образом, обесценивается. С этим обстоятельством столкнулись создатели первых тепловых машин.

1. Как в прошлые века люди использовали энергию воды и воздуха для решения практических задач?

2. Что требуется для того, чтобы машины, приводимые в действие водой или воздухом, могли работать?

3. Что такое свободная и связанная энергия?

4. Что происходит с энергией в процессе совершения работы?

Проведите исследование. Для этого возьмите пластинку из негорючего материала, лучше всего металлическую, и укрепите её на стойке так, чтобы она могла свободно вращаться. Поместите под одной половиной пластинки газовую горелку. От пламени горелки будет подниматься тёплый воздух, который будет заставлять пластинку вращаться. Теперь поместите точно такую же горелку симметрично под второй половиной пластинки. При этом поступающая на пластинку энергия увеличится вдвое, но вращение прекратится. Объясните, почему это произошло.