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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
Máquina de movimiento perpetuo sobre permafrost. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños El avión vuela sobre la taiga. Desde una altura de diez kilómetros, son claramente visibles los cauces de ríos, arroyos y arroyos que cortan el bosque. Volamos durante una hora o dos, y todo esto es Yakutia, espacioso y rico: en oro, pieles, diamantes. Y también... ¡escarcha! Después de todo, si lo piensas bien, el frío también puede ser riqueza. Sin embargo, esta idea no me pertenece a mí, sino a la persona con la que volé a Yakutsk para encontrarme. ... Lev Ivanovich Faiko me recibió en el aeropuerto. Es glaciólogo y estudia el hielo natural, su estructura, origen y propiedades físicas. Fayko no llegó de inmediato a su rara profesión. De niño, le gustaba la aviación deportiva, volaba planeadores deportivos caseros; era un fotógrafo profesional - corresponsal de TASS, viajó por todo Yakutia en renos con una cámara en sus manos. Y, sin embargo, inventó: un diseño mejorado de una yurta Yakut plegable, una estufa-samovar económica para pastores de renos y geólogos, que al mismo tiempo genera electricidad para alimentar una radio o un walkie-talkie ... En una bomba que hizo que bombeó agua de Lena y la suministró a un banco alto, desde lejos, los residentes de los alrededores llegaron a ver: ¿es realmente una máquina de movimiento perpetuo? La bomba no requería energía, se ponía en movimiento por el flujo de agua. Lev Ivanovich logró mucho en su vida: luchó en la Gran Guerra Patria, se graduó del instituto, se convirtió en candidato de ciencias geográficas ... Solo una persona con diversos intereses y conocimientos puede ver lo que otros miran y no ven. Bueno, ¿quién estaba desconcertado por los lagos que no se congelan en el permafrost? Y se sorprendió, reflexionó y sintió que este pequeño secreto de la naturaleza esconde oportunidades sin precedentes para... ¡energía! Todo comenzó con la búsqueda de una respuesta a una simple pregunta cotidiana: ¿por qué el hielo de los lagos de Yakutia se congela en invierno durante 210 días y se derrite en solo 30 días de primavera? Usted podría decir: ¿qué hay de malo en eso? Pensemos juntos. El permafrost encadena la tierra de Yakutia a una profundidad de 1500 metros y no se va a derretir. Pero los embalses no se comportan según las reglas. Por ejemplo, la temperatura media anual del aire en las regiones polares es de menos 19 °C, y el agua es de aproximadamente cero. Hay, por supuesto, días con temperatura del aire positiva, pero en promedio para el año es negativa. Sin embargo, el Océano Ártico, a pesar de su nombre, no se congela más y más cada año. El exceso de hielo se derrite regularmente debido al calor del aire exterior. Aire, en promedio, más frío que el propio hielo... Pero esto contradice la Segunda Ley de la Termodinámica, que se basa en el postulado de Clausius: EL CALOR NO SE PUEDE TRANSFERIR POR SÍ MISMO DE UN CUERPO MENOS CALIENTE A UN CUERPO MÁS CALIENTE. En el siglo XIX, Rudolf Clausius formuló esta indiscutible verdad mundana, sobre la cual ahora descansa el edificio armonioso de la ciencia moderna. ¿Quién pensaría en calentar agua en una tetera sobre un trozo de hielo? La futilidad de la idea es clara para todos. Pero aquí está el truco. Aunque pensamos que el hielo es frío, contiene bastante energía. Después de todo, en comparación con el cero absoluto, ¡hace 273 °C más caliente! Cada una de sus moléculas tiene energía y la intercambia constantemente con otras moléculas. Entonces, ¿por qué las moléculas de hielo no le dan parte de su energía al agua en la tetera? ¡Deja que el hielo se enfríe aún más y que el agua se caliente! En una palabra, la experiencia es experiencia, ¡pero el postulado de Clausius no tiene prueba teórica! Y en un momento, el brillante físico inglés Maxwell bromeó con una especie de "demonio" que clasificaba las moléculas: "calientes", a altas velocidades, enviadas en una dirección, "frías" en la otra. ¡Y tal "demonio" definitivamente haría hervir la tetera en hielo! La falta de prueba del postulado de Clausius proporcionó una escapatoria para muchos inventores obsesionados con la idea de crear una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo, un dispositivo que extrajera energía del movimiento caótico de las moléculas del medio ambiente sin costo alguno. . Pero el quid de la cuestión es que la energía útil sólo puede obtenerse a partir de una diferencia de temperatura o presión, alturas... El trabajo no lo realiza el calor en sí, sino sólo la diferencia entre calor y frío. El motor de combustión interna funciona porque la diferencia de presión dentro del cilindro y fuera empuja el pistón. Una bombilla eléctrica se enciende cuando se le aplica una diferencia de potencial. En las centrales hidroeléctricas, no es la altura del agua sobre el nivel del mar la que hace el trabajo, sino la diferencia de niveles en la parte superior e inferior de la presa. Así que una máquina de movimiento perpetuo es imposible. Es una pena. Ahora, si realmente existiera algo como el demonio de Maxwell... ¿Recuerdan cómo ustedes, como alumnos de primer grado, corrían por el pasillo durante el recreo? Energía - ¡más que suficiente! Algo así como el caótico movimiento térmico de las moléculas. El director, probablemente, se quejó: "¡Tu energía haría girar la máquina de dinamo!" ¿Y qué? El papel del demonio de Maxwell podría ser interpretado por un torniquete giratorio en las puertas, similar a los que se colocan en las tiendas. La campana sonó para un descanso, y los alumnos de primer grado, saliendo corriendo del salón de clases, rotarían el torniquete. Y está conectado a una dínamo: ¡eso es un trabajo útil! Entonces, Faiko, pensando en el extraño comportamiento de los reservorios naturales congelados, encontró en ellos un "torniquete" similar prohibido por la física clásica. ¡Tal válvula térmica unidireccional en la naturaleza es hielo flotante ordinario! La cantidad de calor recibido durante el derretimiento del hielo en el lago durante la corta primavera de Yakut y el calor emitido durante el largo y frío invierno son exactamente iguales. Pero el hecho es que la congelación del agua se produce en la superficie inferior del hielo y el derretimiento se produce en la parte superior. Y cuando el agua se congela, significa que desprende calor. Y es difícil que este calor escape a través de la capa de hielo, ya que su conductividad térmica es baja. El calor abandona el estanque de invierno muy lentamente y la congelación de la capa de hielo es igual de lenta. Pero en la primavera, un asunto completamente diferente. Bajo los rayos del sol, la capa superior de hielo se derrite rápidamente y el agua derretida, que ha asimilado el llamado calor de fusión, la lleva al depósito. De esta forma, el calor perdido durante el largo invierno vuelve muy rápidamente al agua. Y el proceso inverso va decenas y cientos de veces más rápido. Resulta que el hielo transfiere el calor de manera desigual en dos direcciones: de arriba hacia abajo, mucho más rápido que de abajo hacia arriba. Es el mismo "demonio" que hábilmente crea una diferencia de temperatura. Y resulta que el calor, por así decirlo, pasa de un cuerpo más frío a uno más caliente. Pero ¿qué pasa con el postulado de Clausius? Entonces, ¿no es tan cierto y es posible una máquina de movimiento perpetuo? El Consejo Científico, al que Faiko informó de su descubrimiento, al principio lo acusó de invadir los fundamentos de la termodinámica. Pero Lev Ivanovich salvó la autoridad de Clausius: la transferencia de calor prohibida por el postulado no ocurre por sí sola, sino con la ayuda de la gravedad terrestre y la energía solar. Esta gravedad hace que el hielo que es menos denso que el agua flote. (Por cierto, ¿por qué es menos denso cuando todas las demás sustancias se encogen durante el enfriamiento? Todavía no hay una explicación satisfactoria). Y luego se libera un volumen donde el agua derretida puede fluir. Pero esto es imposible en las capas de la tierra, ¡y aquí tienes un permafrost de mil metros! Ahora pasemos a la energía de la tierra. Al no encontrar procesos naturales en la naturaleza que crearan las diferencias de temperatura, presión y altura necesarias para la energía, la gente comenzó a crearlos ellos mismos: quemar bosques, excavar la tierra en busca de combustibles fósiles, construir enormes embalses y represas en los ríos, invadir el mundo inseguro del átomo. .. - ¡Sí, aquí hay un proceso natural no lineal gratuito que puede ser una fuente eterna de energía! - dice un científico de Yakutia. La congelación de reservorios naturales proporciona caídas de temperatura que son fáciles de convertir en trabajo. E incluso mayores reservas de calor están ocultas en las transformaciones de fase del agua. Fico calculó que el calor latente que se libera cuando el agua se congela es igual a la energía que se puede obtener dejando caer la misma cantidad de agua desde una presa de dos kilómetros. Entonces, ¿vale la pena construir represas cuando se pueden utilizar con éxito y de forma económica enormes reservas de calor que se desperdician en vano? Durante mucho tiempo se planeó construir en Yakutia la central hidroeléctrica Nizhne-Lenskaya más grande con una capacidad de 22 millones de kilovatios. Pero según los cálculos de Faiko, solo de la superficie de su depósito, al congelarse, se puede obtener 400 veces más energía. ¡Mucho de él se produce ahora en todo el mundo! Sin embargo, tampoco se necesitan reservorios para esto: ¡el área de reservorios de congelación natural puede cubrir las necesidades de la humanidad por 1000 veces! Y la ecología de nuestro planeta solo se beneficiará de esto. Queda por descubrir cómo extraer esta energía. Pero la tecnología moderna ya está lista para esto. Recordemos la bomba de calor: el refrigerador de compresor "por el contrario". El líquido que hierve en el evaporador a una temperatura de aproximadamente cero se convierte en vapor, ingresa al compresor bajo presión, empuja los pistones y realiza trabajo ... Así, las propiedades anómalas del agua nos ofrecen una fuente de energía inestimable, respetuosa con el medio ambiente e inagotable. ¡Una sustancia muy extraña e incorrecta, esta agua ordinaria! Autor: N.Konoplev
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