Энергетика. Закон сохранения энергии для тепловых систем именуется первым началом термодинамики Тверже алмаза

Работа тепловых машин подчиняется законам термодинамики, которые по традиции называют началами. Закон сохранения энергии для тепловых систем именуется первым началом термодинамики. А вторым её началом именуется принцип, утверждающий, что все процессы, связанные с теплообменом, расширением газов и выделением тепла, самопроизвольно происходят лишь в одном направлении. Газ течёт из области с высоким давлением туда, где давление ниже; нагретое тело отдаёт тепло прохладному; электрический ток идёт от большего потенциала к наименьшему. Во время этих переходов может производиться подходящая работа. Чтобы создать разность давлений, температур либо потенциалов, необходимо сжимать газ, нагревать воду, разделять электрические заряды. И тут имеется собственного рода асимметрия: работу в тепло можно перевоплотить полностью, а тепло в работу — только частично. Какая-то доля его неизбежно уходит от двигателя к приёмнику тепла, к холодному телу. Повинно в этом не только трение, преобразующее энергию в тепло. второе начало термодинамики обосновывает, что тепло переходит в работу целиком, лишь если холодное тело имеет температуру абсолютного нуля (-273,16 °С). Но этой температуры достигнуть нереально в принципе, и хоть какой настоящий тепловой процесс неизбежно приводит к рассеянию энергии. Поэтому вечный двигатель второго рода поведёт себя совершенно так же, как и движок первого рода: исчерпав запас внутренней энергии, он остановится. «Концентрировать» и заставлять работать рассеянную энергию столь же бессмысленно, как собирать разлитую воду, заливать в бак и крутить ее потоком турбину — проще делать это вручную. Но не вся природная энергия находится в рассеянном состоянии. В атмосфере появляются перепады давления, поверхность океана нагревается, а его придонные слои остаются прохладными. Там же, где есть разница температур или давлений, имеется возможность получить энергию и перевоплотить ее в работу.

Самое твёрдое вещество в природе — алмаз. Это углеродное соединение имеет кристаллическую решётку в форме тетраэдра (пирамиды с 4-мя равновеликими треугольными гранями). Его вершины образованы 4-мя атомами углерода. Треугольник совсем жёсткая фигура: его можно сломать, однако деформировать либо смять нельзя. Именно потому крепкость алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решёткой, состоящей не из атомов, а из молекул. Если молекулы довольно велики и связи меж ними сильны, то кристаллическая решётка оказывается очень прочной. Сиим условиям в полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм. Сначала 90-х гг. XX в. русские учёные смогли получить первые эталоны нового вещества — фуллерита. Это кристаллы размером 5—6 мм; их острые грани царапают алмаз так же просто, как алмаз — стекло. Исследования проявили, что существует, по меньшей мере, два варианта «упаковки» молекул в кристалле фуллерита. В первом ячейки повторяют форму тетраэдра, а во втором имеют форму куба с отдельным фуллереном снутри. Расстояние меж молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние меж атомами в решётке алмаза. Не считая того, в ячейках обоих видов есть «особый» фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12—16 совсем маленьких и мощных межмолекулярных связей. Всё это и определяет необычайную твёрдость кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твёрдости алмаза. Неповторимые свойства нового вещества окажутся особенно ценными при изготовлении устройств для измерения твёрдости материалов и «вечных» нестираемых покрытий. Не считая того, из фуллерита можно делать такие инструменты для бурения скважин, обработки легированных сталей, керамических материалов, камней (в том числе алмазов!), о которых технологи ещё вчера могли лишь грезить. Пока нанотехнология делает 1-ые шаги, но уже сейчас разумеется: исследования в этой области — фундамент для техники принципиально другого уровня. Ведь создание нанотрубных материалов по собственной значимости сравнимо с освоением сплава старым человеком. Может быть, что нанотехнология — начало новой научно-технической революции, а мы стоим на пороге века углерода.