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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Macchina a moto perpetuo sul permafrost. Laboratorio scientifico per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini L'aereo sorvola la taiga. Da un'altezza di dieci chilometri sono chiaramente visibili i letti di fiumi, fiumi e torrenti che tagliano la foresta. Voliamo per un'ora o due - e tutto questo è Yakutia, spazioso e ricco: oro, pellicce, diamanti. E anche... gelo! Dopotutto, se ci pensi, il freddo può anche essere ricchezza. Tuttavia, questo pensiero non appartiene a me, ma alla persona con cui stavo volando a Yakutsk per incontrarmi. ...Lev Ivanovich Faiko mi è venuto a prendere all'aeroporto. È un glaciologo che studia il ghiaccio naturale, la sua struttura, origine e proprietà fisiche. Fayko non è arrivato subito alla sua rara professione. Da ragazzo si interessò all'aviazione sportiva, volando su alianti sportivi fatti in casa; era un fotografo professionista - corrispondente della TASS, ha viaggiato per tutta la Yakutia sulle renne con una macchina fotografica in mano. E ha anche inventato: un design migliorato di una yurta Yakut pieghevole, un economico samovar per pastori, allevatori di renne e geologi, che allo stesso tempo genera elettricità per alimentare una radio o un walkie-talkie... Sulla pompa che ha costruito , che pompava l'acqua dalla Lena e la forniva alla sponda alta , gli abitanti dei dintorni venivano da lontano per vedere: era questa una macchina a moto perpetuo? La pompa non richiedeva energia; era azionata dal flusso dell'acqua. Lev Ivanovich ha realizzato molto nella sua vita: ha combattuto nella Grande Guerra Patriottica, si è laureato al college, è diventato un candidato in scienze geografiche... Solo una persona con interessi e conoscenze diversi può vedere ciò che gli altri guardano e non vedono. Bene, chi è rimasto perplesso dai laghi non ghiacciati sul permafrost? Ed è rimasto sorpreso, pensieroso e ha sentito che dietro questo piccolo segreto della natura si nascondevano opportunità senza precedenti di... energia! Tutto è iniziato con la ricerca di una risposta a una semplice domanda quotidiana: perché il ghiaccio sui laghi della Yakutia gela in inverno per 210 giorni, ma si scioglie in soli 30 giorni primaverili? Potresti dire: cosa c'è di sbagliato in questo? Pensiamo insieme. Il permafrost lega il territorio della Yakutia ad una profondità di 1500 metri e non si scioglierà. Ma i serbatoi non si comportano secondo le regole. Ad esempio, la temperatura media annuale dell'aria nelle regioni polari è di meno 19° C, mentre la temperatura dell'acqua è circa zero. Ci sono, ovviamente, giorni con temperature dell'aria superiori allo zero, ma nella media annuale è negativa. Tuttavia, l’Oceano Artico, nonostante il suo nome, non ghiaccia sempre più in profondità ogni anno. Il ghiaccio in eccesso si scioglie regolarmente a causa del calore dell'aria esterna. Aria mediamente più fredda del ghiaccio stesso... Ma questo contraddice la Seconda Legge della Termodinamica, che si basa sul postulato di Clausius: IL CALORE NON PUÒ TRASFERIRSI DA SOLO DA UN CORPO MENO RISCALDATO A UN CORPO PIÙ RISCALDATO. Già nel XIX secolo Rudolf Clausius formulò questa indiscutibile verità quotidiana, sulla quale poggia oggi l'armonioso edificio della scienza moderna. Chi penserebbe di scaldare l'acqua in un bollitore su un pezzo di ghiaccio? L’inutilità dell’idea è chiara a tutti. Ma ecco il problema. Sebbene consideriamo il ghiaccio freddo, contiene molta energia. Dopotutto, rispetto allo zero assoluto, fa 273°C più caldo! Ciascuna delle sue molecole possiede energia e la scambia costantemente con altre molecole. Allora perché le molecole di ghiaccio non cedono parte della loro energia all'acqua nel bollitore? Lascia che il ghiaccio si raffreddi ancora di più e l'acqua si scaldi! In una parola, l’esperienza è esperienza, ma il postulato di Clausius non ha alcuna prova teorica! E un tempo, il brillante fisico inglese Maxwell inventò scherzosamente una specie di "demone" impegnato nello smistamento delle molecole - quelle "calde", ad alta velocità, inviate in una direzione, quelle "fredde" - nell'altra. E un tale "demone" farebbe sicuramente bollire il bollitore sul ghiaccio! La mancanza di prova del postulato di Clausius ha fornito una scappatoia a molti inventori ossessionati dall'idea di creare una macchina a moto perpetuo del secondo tipo, un dispositivo in grado di estrarre energia dal movimento caotico delle molecole ambientali senza alcun costo. Ma il nocciolo della questione è che l'energia utile può essere ottenuta solo da differenze di temperatura o pressione, altezze... Non è il calore in sé che produce lavoro, ma solo la differenza tra caldo e freddo. Un motore a combustione interna funziona perché la differenza di pressione tra l'interno del cilindro e l'esterno spinge il pistone. Una lampadina elettrica si accende perché ad essa è applicata una differenza di potenziale. Nelle centrali idroelettriche non è l'altezza dell'acqua sul livello del mare a produrre l'opera, ma il dislivello tra la sommità e il fondo della diga. Quindi una macchina a moto perpetuo è impossibile. È un peccato. Ora, se davvero esistesse qualcosa come il demone di Maxwell... Ricordi come correvi lungo il corridoio durante la ricreazione da bambino di prima elementare? Energia: più che sufficiente! Qualcosa come il caotico movimento termico delle molecole. Probabilmente il regista ha brontolato: “La tua energia dovrebbe girare come una dinamo!” E cosa? Il ruolo del demone di Maxwell potrebbe essere svolto da un tornello rotante nella porta, come quelli installati nei negozi. Suonava la campanella della ricreazione e gli alunni della prima elementare correvano fuori dall'aula e giravano il tornello. Ed è collegato a una dinamo: viene svolto un lavoro così utile! Così Faiko, pensando allo strano comportamento del congelamento dei corpi idrici naturali, trovò in essi un simile “tornello” proibito dalla fisica classica. In natura, una tale valvola termica unidirezionale è un normale ghiaccio galleggiante! La quantità di calore ricevuta dallo scioglimento del ghiaccio sul lago durante la breve primavera Yakut e il calore sprigionato durante il lungo e freddo inverno sono esattamente la stessa. Ma il fatto è che l'acqua si congela sulla superficie inferiore del ghiaccio e si scioglie sulla superficie superiore. E quando l'acqua ghiaccia, significa che emette calore. Ed è difficile che questo calore evapori attraverso lo strato di ghiaccio, poiché la sua conduttività termica è bassa. Il calore lascia il serbatoio invernale molto lentamente e la copertura di ghiaccio si congela altrettanto lentamente. Ma in primavera è una questione completamente diversa. Sotto i raggi del sole, lo strato superiore di ghiaccio si scioglie rapidamente e l'acqua di fusione, dopo aver assorbito il cosiddetto calore di fusione, lo trasporta nel serbatoio. In questo modo il calore perso durante il lungo inverno ritorna molto velocemente all'acqua. E il processo inverso è decine e centinaia di volte più veloce. Si scopre che il ghiaccio trasferisce il calore in modo diverso in due direzioni: dall'alto verso il basso, molto più velocemente che dal basso verso l'alto. È lo stesso "demone" che crea abilmente una differenza di temperatura. E si scopre che il calore sembra spostarsi da un corpo più freddo a uno più caldo. Ma che dire del postulato di Clausius? Questo significa che non è così vero e che una macchina a moto perpetuo è possibile? Il Consiglio scientifico, al quale Faiko riferì la sua scoperta, lo accusò inizialmente di attaccare i fondamenti della termodinamica. Ma Lev Ivanovich ha salvato l’autorità di Clausius: il trasferimento di calore vietato dal postulato non avviene da solo, ma con l’aiuto della gravità e dell’energia solare. Questa gravità fa sì che il ghiaccio, che è meno denso dell’acqua, galleggi verso l’alto. (A proposito, perché è meno denso mentre tutte le altre sostanze si comprimono quando vengono raffreddate? Non c'è ancora una spiegazione soddisfacente.) E poi si libera un volume in cui può fluire l'acqua di fusione. Ma questo è impossibile negli strati della terra - e qui hai un permafrost di migliaia di metri! Passiamo ora all'energia terrena. Non trovando in natura processi naturali in grado di creare le differenze di temperatura, pressione e altitudine necessarie per produrre energia, gli uomini iniziarono a crearseli da soli: bruciando foreste, scavando la terra alla ricerca di combustibili fossili, costruendo enormi bacini idrici e dighe sui fiumi e invadendo il mondo insicuro dell'atomo... - Sì, ecco un processo naturale non lineare gratuito che può essere un'eterna fonte di energia! - dice uno scienziato della Yakutia. Il congelamento dei corpi idrici naturali fornisce differenze di temperatura che sono facili da trasformare in lavoro. E nelle trasformazioni di fase dell’acqua si nascondono riserve di calore ancora maggiori. Fayko ha calcolato che il calore latente rilasciato quando l'acqua ghiaccia è pari all'energia che si può ottenere rilasciando la stessa quantità di acqua da una diga di due chilometri. Vale quindi la pena costruire dighe quando è possibile utilizzare con successo ed in modo economico enormi riserve di calore che vengono sprecate? La costruzione della più grande centrale idroelettrica di Nizhne-Lena in Yakutia con una capacità di 22 milioni di kilowatt è stata pianificata da tempo. Ma secondo i calcoli di Faiko, dalla sola superficie del suo serbatoio congelato si può ottenere 400 volte più energia. Oggi ne viene prodotto così tanto in tutto il mondo! Tuttavia, per questo non è nemmeno necessario un serbatoio: l'area dei serbatoi naturali di congelamento può coprire i bisogni dell'umanità 1000 volte! E l'ecologia del nostro pianeta non potrà che trarne beneficio. Non resta che capire come estrarre questa energia. Ma la tecnologia moderna è già pronta per questo. Ricordiamo una pompa di calore: un frigorifero a compressore "al contrario". Il liquido che bolle nell'evaporatore ad una temperatura prossima allo zero si trasforma in vapore, entra sotto pressione nel compressore, spinge i pistoni e fa lavoro... Pertanto, le proprietà anomale dell'acqua ci aprono una fonte di energia inestimabile, rispettosa dell'ambiente e inesauribile. Una sostanza molto strana e irregolare, quest'acqua ordinaria! Autore: N.Konoplev
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