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永久凍土上の永久機関。 子ども科学実験室
飛行機はタイガの上空を飛びます。 XNUMXキロメートルの高さから、森を貫く川、小川、小川の水路がはっきりと見えます。 私たちはXNUMX時間かXNUMX時間飛行しますが、これはすべてヤクートであり、金、毛皮、ダイヤモンドなど、広々としていて豊かです。 そしてまた...霜！ 結局のところ、よく考えてみれば、寒さは富にもなり得るのです。 しかし、この考えは私のものではなく、私が会うためにヤクーツクに飛んだ人のものです。 ...レフ・イワノビッチ・ファイコが空港で私を出迎えてくれました。 彼は氷河学者であり、天然の氷、その構造、起源、物理的特性を研究しています。 フェイコはすぐに自分の珍しい職業に就きませんでした。 少年の頃、彼はスポーツ航空が好きで、手作りのスポーツグライダーを操縦していました。 彼はプロの写真家であり、タス通信特派員であり、カメラを手にトナカイに乗ってヤクート中を旅しました。 それなのに、彼は改良されたデザインの折りたたみ式ヤクートのパオ、トナカイ飼育者や地質学者のための経済的なストーブサモワールを発明しました。これは同時にラジオやトランシーバーに電力を供給するための電気を生成します...彼はポンプでそれを作りましたレナから水を汲み上げて高い堤防に供給すると、周囲の住民が遠くから見に来ました。これは本当に永久機関ですか？ ポンプはエネルギーを必要とせず、水の流れによって動き始めました。 レフ・イワノビッチは人生で多くのことを管理しました。彼は大祖国戦争で戦い、研究所を卒業し、地理科学の候補者になりました... 多様な興味と知識を持つ人だけが、他の人が見ているものと見ていないものを見ることができます。 さて、永久凍土の上にある不凍湖に困惑した人はいないでしょうか。 そして彼は驚き、思慮深く、この自然の小さな秘密には、エネルギーを得る前例のない機会が隠されていると感じました。 すべては、日常の単純な疑問に対する答えを探すことから始まりました。なぜヤクートの湖の氷は、冬には 210 日間凍り続けるのに、春にはわずか 30 日で溶けるのですか? あなたはこう言うかもしれません：それの何が問題なのですか？ 一緒に考えてみましょう。 永久凍土はヤクートの土地を深さ1500メートルまで縛り付けており、溶けることはありません。 しかし、貯水池はルールに従って行動しません。 たとえば、極地の年間平均気温はマイナス19℃で、水はほぼゼロです。 もちろん、気温がプラスになる日もありますが、年間の平均気温はマイナスです。 しかし、その名前とは裏腹に、北極海は毎年ますます深く凍っていくわけではありません。 余分な氷は外気の熱により定期的に溶けます。 平均して、空気は氷そのものよりも冷たいです... しかしこれは、クラウジウスの仮説に基づいた熱力学の第 XNUMX 法則に矛盾します。熱は、それ自体では熱度の低い体から高温の体に移動することはできません。 XNUMX 世紀に遡ると、ルドルフ クラウジウスはこの議論の余地のない世俗的な真実を定式化し、現在、その上に現代科学の調和のとれた構築が基礎を置いています。 氷の上でやかんの水を加熱するなんて誰が考えますか。 この考えが無駄であることは誰の目にも明らかです。 しかし、ここに落とし穴があります。 氷は冷たいものだと思っていますが、実はかなりのエネルギーを含んでいます。 やはり絶対零度に比べると273℃も熱い！ それぞれの分子はエネルギーを持っており、常に他の分子とエネルギーを交換します。 では、なぜ氷の分子はエネルギーの一部をやかんの中の水に与えないのでしょうか? 氷をさらに冷やして水は温めましょう。 一言で言えば、経験は経験ですが、クラウジウスの公準には理論的な証明がありません。 そしてある時、英国の優秀な物理学者マクスウェルは、冗談めかして、分子を分類する一種の「悪魔」を思いつきました。「熱い」分子を高速で一方向に送り、「冷たい」分子を別の方向に送ります。 そして、そのような「悪魔」は間違いなくやかんを氷で沸騰させます！ クラウジウスの仮説の証明の欠如は、第二種の永久運動機械、つまりコストをかけずに環境分子の混沌とした動きからエネルギーを抽出する装置を作成するというアイデアに取り憑かれた多くの発明家に抜け穴を提供しました。 。 しかし実際には、有用なエネルギーは温度や圧力、高さの差からのみ得られるということです...仕事は熱そのものによってではなく、熱と冷たさの差によってのみ行われます。 内燃機関はシリンダー内と外の圧力差によってピストンを押すことで作動します。 電球は電位差を加えると点灯します。 水力発電所では、海抜の高さではなく、ダムの上部と下部のレベルの差が発電に影響を与えます。 したがって、永久機関は不可能です。 それは残念だ。 さて、もし本当にマクスウェルの悪魔のようなものが存在したとしたら… XNUMX年生だった皆さんが休み時間に廊下を急いでいたのを覚えていますか? エネルギー - 十分すぎるほどです！ 分子の混沌とした熱運動のようなもの。 おそらく監督は「あなたのエネルギーでダイナモマシンが回ってしまうよ！」とぼやいたことだろう。 そして何？ マクスウェルの悪魔の役割は、店舗に設置されているものと同様に、ドア内で回転する回転式改札口によって果たされる可能性があります。 休憩のベルが鳴り、XNUMX年生が教室から飛び出して回転式改札口を回した。 そしてそれはダイナモに接続されています - これは有益な作業です! そこで、ファイコ氏は、自然の貯水池が凍結するという奇妙な挙動について考え、その中に古典物理学で禁じられている同様の「回転式改札口」を発見した。 自然界におけるこのような一方向熱弁は、普通の浮氷です。 ヤクートの短い春の間に湖の氷が溶けるときに受け取る熱量と、長く寒い冬の間に放出される熱量はまったく同じです。 しかし実際には、水の凍結は氷の下面で起こり、融解は氷の上面で起こります。 そして水が凍るということは熱を発するということです。 そして氷層は熱伝導率が低いため、この熱が逃げにくいのです。 熱は冬の貯水池から非常にゆっくりと去り、氷床の凍結も同様にゆっくりと進みます。 しかし、春になると、まったく別の問題になります。 太陽光線の下では、氷の最上層が急速に溶け、いわゆる融解熱を同化した溶けた水が氷を貯水池に運びます。 このようにして、長い冬の間に失われた熱は非常に早く水に戻ります。 そして、その逆のプロセスは数十倍、数百倍の速度で進みます。 氷は、上から下の XNUMX つの方向に不均等に熱を伝え、下から上よりもはるかに速く伝わることがわかりました。 温度差を巧みに作り出す彼もまた「悪魔」だ。 そして、熱は、いわば、冷たい体から熱い体へと伝わることが分かりました。 しかし、クラウジウスの公準はどうなるのでしょうか？ では、それは真実ではなく、永久機関は可能でしょうか？ ファイコが彼の発見を報告した科学評議会は、当初、彼が熱力学の基礎を侵害していると非難した。 しかし、レフ・イワノビッチはクラウジウスの権威を救った。仮説によって禁止されている熱伝達はそれ自体で起こるのではなく、地球の重力と太陽エネルギーの助けを借りて起こる。 この重力により、水より密度の低い氷が浮かび上がります。 （ところで、冷却中に他のすべての物質が収縮するのに、なぜ密度が低くなるのでしょうか？まだ満足のいく説明はありません。）そして、溶けた水が流れることができる体積が解放されます。 しかし、これは地球の層では不可能です - そしてここには千メートルの永久凍土があります！ さて、地球のエネルギーに目を向けてみましょう。 エネルギーに必要な温度、圧力、高低差を生み出す自然のプロセスが自然界に見つからなかったため、人々はそれらを自分たちで作り出すようになりました。森林を焼き、化石燃料を求めて大地を掘り、川に巨大な貯水池やダムを建設し、自然を侵略しました。原子の危険な世界.. - はい、これは永遠のエネルギー源となり得る無料の非線形自然プロセスです。 -ヤクートの科学者は言う。 自然の貯水池が凍ると温度が低下し、それが影響を及ぼしやすくなります。 そして、水の相変化にはさらに大きな熱の蓄えが隠されています。 フィコ氏は、水が凍るときに放出される潜熱は、22キロメートルのダムから同量の水を落とすことで得られるエネルギーに等しいと計算した。 それでは、無駄に浪費されている膨大な熱の埋蔵量をうまく低コストで利用できるのに、ダムを建設する価値はあるのでしょうか? ヤクートには、出力400万キロワットの最大規模のニジネ・レンスカヤ水力発電所を建設することが長年計画されてきた。 しかし、ファイコの計算によると、その貯蔵庫の表面からのみ、凍結すると1000倍のエネルギーを得ることができます。 現在、世界中でその多くが生産されています。 しかし、これにも貯水池は必要ありません。自然の凍結貯水池の面積は、人類のニーズをXNUMX倍カバーすることができます。 そして、私たちの地球の生態系はこれによってのみ恩恵を受けるでしょう。 このエネルギーをどのように抽出するかはまだ解明されていません。 しかし、現代のテクノロジーはすでにこれに対応する準備ができています。 ヒートポンプ、つまり「逆に」コンプレッサー冷蔵庫を思い出してみましょう。 蒸発器内で約ゼロ度の温度で沸騰している液体は蒸気に変わり、圧力を受けてコンプレッサーに入り、ピストンを押して仕事をします... このように、水の異常な性質は、貴重で環境に優しい無尽蔵のエネルギー源を私たちに提供します。 とても奇妙で間違った物質、この普通の水！ 著者: N.コノプレフ
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