Важнейшие открытия для развития цивилизации

     Далее Карно вводит для характеристики тепловой машины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отношение работы, совершаемой рабочим телом, к количеству теплоты Q1 взятой у нагревателя:

     КПД = (А/Q1)×100%

     Основная  задача, решение которой являлось целью работы Карно, состояла в определении, от чего зависит КПД тепловой машины. При этом он демонстрирует поистине научно-теоретический подход, ибо  пытается определить КПД машины независимо от «какого-либо механизма», «какого-либо определенного агента», то есть предлагает рассмотреть идеальную тепловую машину. Основная особенность этой идеальной машины состоит в том, что все изменения в ней  должны происходить обратимым путем.

     Обратимым называется процесс, который может  идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений. Любой другой процесс называется необратимым. Оказывается, если исключить из рассмотрения явления, происходящие в микромире, то в природе строго обратимых процессов не существует. Еще Лазар Карно обратил внимание на то, что для достижения наивысшего КПД при постройке и эксплуатации механического устройства следует сводить до минимума удары, трение, иными словами, все процессы, которые приводят к потере «живой силы». Сади Карно строит свою теорию, рассматривая явление получения движения из тепла, исходя из самых общих соображений, отвлекаясь от разнообразных частных факторов в функционировании машины. Он пытается определить, от чего зависит максимальный КПД машины.

     Поэтому он и берет в рассмотрение идеализированную машину, существенной особенностью процесса которой является циклический и  обратимый характер. В качестве рабочего тела Карно использует воздух, чтобы  избежать сложностей, связанных с изменением фазы — превращением воды в пар, а затем пара — в воду. Более того, Карно приходит к верному заключению о том, что для повышения КПД надо исключить прямые контакты между нагревателем и холодильником, чтобы ни одно изменение температуры не было обусловлено прямыми потоками тепла между двумя телами, находящимися при различных температурах. Эти потоки не производили бы никакой механической работы и приводили бы к снижению КПД.

     Рассуждая подобным образом, Карно разделил цикл идеальной тепловой машины на четыре стадии.

     1-я  стадия. Рабочее тело, обладающее температурой нагревателя T1, приводится в контакт с нагревателем и получает у него количество теплоты Q1, которое целиком расходуется на работу по расширению рабочего тела. Никакая часть от полученной теплоты не расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела, не теряется зря вследствие равенства температур рабочего тела и нагревателя в начале цикла. 1-я стадия цикла протекает при постоянной температуре Т1, изотермически.

     2-я  стадия. Рабочее тело изолируется от источника, тепло не поступает и не уходит из системы. То есть количество теплоты не поглощается и не тратится. Говорят, что процесс на 2-й стадии протекает адиабатически, то есть без теплообмена. При этом рабочее тело продолжает расширяться, и работа по его расширению происходит за счет резервов внутренней энергии рабочего тела. Внутренняя энергия рабочего тела при его расширении уменьшается, и рабочее тело охлаждается. Такое адиабатическое расширение рабочего тела продолжается до тех пор, пока температура его не станет равной температуре холодильника.

     3-я  стадия. И вот тут-то рабочее тело с температурой Т2 подается в холодильник с такой же температурой Т2 . Опять достигается экономия: теплота не растрачивается зря, так как нет переноса тепла между рабочим телом и холодильником, связанного с разностью их температур. Тем не менее, рабочее тело отдает некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, вследствие чего уменьшается объем рабочего тела, оно сжимается. Процесс сжатия рабочего тела необходим для обеспечения цикличности работы машины, ибо при этом уменьшается объем рабочего тела. Вспомним, что в нагреватель на 1-й стадии рабочее тело поступало с меньшим объемом и только потом расширялось, совершая работу.

     4-я  стадия. И, наконец, на 4-й стадии рабочее тело адиабатически сжимается до первоначального объема. При этом внутренняя энергия его увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не становится равной температуре нагревателя Т1.

     Итак, цикл оказывается обратимым. Две  изотермические стадии (1-я и 3-я) при  постоянных температурах (соответственно, Т1 — на 1-й стадии и Т2 — на 3-й стадии) связаны между собой двумя адиабатическими стадиями.

     И хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной обратимой машины, и сама его книга «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать  эту силу» содержит в себе всего 45 страниц, основные принципы, выдвинутые втором в этом труде оказались фундаментальным вкладом в генезис и развитие термодинамики. Карно пришел к совершенно верному выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

Рис. 1. Цикл Карно  на диаграмме р — V (давление — объём). δQ₁ — количество теплоты, получаемой рабочим телом от нагревателя, δQ₂ — количество теплоты, отдаваемой им холодильнику. Площадь ABCD численно равна работе цикла Карно.

Рис. 2. Схема работы идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно: 1. От нагревателя Н поступает теплота δQ₁, газ под поршнем изотермически расширяется (по линии AB, рис. 1). 2. Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется (по линии BC). 3. Газ изотермически (при Т = Т₂) сжимается (по линии CD) и отдаёт теплоту δQ₂ холодильнику X. 4. Газ изолирован и адиабатически сжимается (по линии DA).

     Цикл Карно − идеальная машина, и работа ее максимальна. Работа реальной машины со всевозможными потерями заведомо меньше.

     Возможно, Карно сам выполнил бы всю работу до конца, если бы не ранняя смерть (в 36 лет). Интересно еще отметить, что у Карно приведенные рассуждения не сопровождались ни расчетами, ни графиками. Его книга была опубликована в 1824 г., но никакого резонанса не получила.

     Лишь через десять лет, в 1834 г., другой француз, Эмиль Клапейрон, придал термодинамике Карно канонический вид. Он ввел все необходимые обозначения, проделал описанные словами вычисления и построил диаграммы. Через три года статью Клапейрона перевели на английский язык и издали в Англии в сборнике Scientific Memoirs («Ученые записки»). А еще через девять лет на нее обратил внимание немецкий физик и издатель И.Х. Поггендорф, перепечатал в своем журнале Annalen der Physik und Chemie («Анналы физики и химии»), и только тогда теория Карно действительно увидела свет. 

3. Биологические законы и общество

     Общество - это объединение людей для  совместного производства, распределения  и потребления материальных и  духовных благ; для воспроизводства  рода своего и своего образа жизни. Такое объединение осуществляется, как и в животном мире, для поддержания (в интересах) индивидуального существования  особи и для воспроизводства Homo Sapiens как биологического вида. Но в  отличие от животных поведение человека - как существа, которому присуще  сознание и способность к труду - в коллективе себе подобных управляется  не инстинктами, а общественным мнением. В процессе усвоения элементов общественной жизни кандидат на человека превращается в настоящего человека. Процесс приобретения новорожденным элементов общественной жизни называется социализацией  человека. Только в обществе и от общества человек приобретает свою общественную природу. В обществе человек усваивает человеческое поведение, руководствуясь при этом не инстинктами, а общественным мнением; в обществе обуздываются зоологические инстинкты; в обществе человек усваивает выработанный в данном обществе язык, обычаи и традиции; здесь же человек воспринимает накопленный обществом опыт производства и производственных отношений...

     Главной научной концепцией естествознания, позволяющей ученым правильно понимать законы, управляющие развитием окружающей нас природы, стала естественно-историческая концепция. Только познав, как развивалось то, или иное природное явление или объект, каков их генезис, можно понять и научно объяснить современность и надежно построить научный прогноз будущего. Достаточно назвать две наиболее фундаментальные концепции в естествознании:

• учение Докучаева и Вернадского о почвах, ландшафтах и биосфере, основанное на естественно-историческом анализе происхождения и развития этих сложных природных планетарных объектов.
• дарвинизм, центральное звено которого − учение о происхождении видов путем естественного отбора, основанное на сравнительно-историческом анализе, преимущественно палеонтологическом;

     В процессе создания концепции биосферы В.И. Вернадский приходит к выводу огромного мировоззренческого значения, по существу, определяющему стратегию будущего развития естествознания. Он говорит о том, что в современное научное мировоззрение должно войти представление о геохимических функциях живого вещества и человечества как основных геологических сил, определяющих как само существование биосферы, так и формы и вектор ее развития. Концепция биосферы стала точкой отсчета нового этапа развития общего естествознания. Современное общее естествознание − это биосферное естествознание, в основе которого лежит представление о биосферных, то есть геохимических функциях живого вещества и человечества.

     В «Мыслях и набросках» он пишет: «Сознание  человечества становится той «силой», тем фактором, который мы должны принимать во внимание, когда изучаем  всякий природный процесс». Это общетеоретическое  положение сформулировано в 1920 году. А сейчас оно перешло из области  теории в практику.

     Чарльз  Дарвин в своем основном труде  «Происхождение видов путем естественного  отбора» (1859) обобщил эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики, на основе результатов собственных наблюдений во время путешествий, кругосветного плавания на корабле «Бигль», раскрыл основные факторы эволюции органического мира. В книге «Изменение домашних животных и культурных растений» (т .1-2, 1868) он изложил дополнительный фактический материал к основному труду, а в книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871) выдвинул гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка. В основе теории Дарвина - свойство организмов повторять в череде поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом - свойство наследственности.

     Наследственность  вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Одно из основных понятий своей теории эволюции - понятие «борьба за существование» - Дарвин употреблял для обозначения отношений между организмами, а также отношений между организмами и абиотическими условиями, приводящих к гибели менее приспособленных и выживанию более приспособленных особей.

     Понятие «борьба за существование» отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого  состояния, и что каждая особь  в течение своей жизнедеятельности  вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.

     Дарвин  выделил две основные формы изменчивости:

1. Определенную изменчивость - способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, почву).
2. Неопределенную изменчивость, характер которой не соответствует изменениям внешних условий. В современной терминологии неопределенная изменчивость называется мутацией.

     Мутация - неопределенная изменчивость в отличие  от изменчивости определенной носит  наследственный характер. По Дарвину, незначительные изменения в первом поколении усиливаются в последующих поколениях. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играет именно неопределенная изменчивость. Она связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые оказываются перспективными.

     Неизбежным  результатом борьбы за существование  и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания  и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.

     Механизм  естественного отбора в природе  действует аналогично селекционерам, то есть складывает незначительные и неопределенные индивидуальные различия и формирует из них у организмов необходимые приспособления, а также межвидовые различия. Этот механизм выбраковывает ненужные формы и образовывает новые виды.

     Тезис о естественном отборе наряду с принципами борьбы за существование, наследственности и изменчивости - основа дарвиновской теории эволюции.