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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Perpetuum Mobile auf Permafrost. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Das Flugzeug fliegt über die Taiga. Aus einer Höhe von zehn Kilometern sind die Flussbetten, Flüsse und Bäche, die den Wald durchschneiden, deutlich zu erkennen. Wir fliegen ein oder zwei Stunden – und das alles ist Jakutien, geräumig und reich: Gold, Pelze, Diamanten. Und außerdem... Frost! Denn wenn man darüber nachdenkt, kann Kälte auch Reichtum sein. Dieser Gedanke gehört jedoch nicht mir, sondern der Person, zu deren Treffen ich nach Jakutsk geflogen bin. ...Lev Ivanovich Faiko hat mich am Flughafen abgeholt. Er ist ein Glaziologe, der natürliches Eis, seine Struktur, seinen Ursprung und seine physikalischen Eigenschaften untersucht. Fayko kam nicht sofort zu seinem seltenen Beruf. Als Junge interessierte er sich für die Sportfliegerei und flog mit selbstgebauten Sportgleitern; war ein professioneller Fotograf - Korrespondent für TASS, reiste mit einer Kamera in der Hand auf Rentieren durch ganz Jakutien. Und er erfand auch: ein verbessertes Design einer zusammenklappbaren jakutischen Jurte, einen sparsamen Herd-Samowar für Hirten, Rentierzüchter und Geologen, der gleichzeitig Strom erzeugt, um ein Radio oder Walkie-Talkie zu betreiben ... An der Pumpe, die er gemacht hat , das Wasser aus der Lena pumpte und es dem Hochufer zuführte, kamen die umliegenden Anwohner von weit her, um zu sehen: War das ein Perpetuum mobile? Die Pumpe benötigte keine Energie; sie wurde durch den Wasserfluss angetrieben. Lew Iwanowitsch hat in seinem Leben viel erreicht: Er kämpfte im Großen Vaterländischen Krieg, schloss sein Studium ab, wurde Kandidat der Geowissenschaften ... Nur eine Person mit vielfältigen Interessen und Kenntnissen kann sehen, was andere sehen und was nicht. Nun, wen wunderte sich über die nicht zugefrorenen Seen im Permafrost? Und er war überrascht, nachdenklich und spürte, dass hinter diesem kleinen Geheimnis der Natur beispiellose Möglichkeiten für ... Energie verborgen waren! Alles begann mit der Suche nach einer Antwort auf eine einfache Alltagsfrage: Warum gefriert das Eis auf Seen in Jakutien im Winter 210 Tage lang, schmilzt aber in nur 30 Frühlingstagen? Sie fragen sich vielleicht: Was ist daran falsch? Lasst uns gemeinsam nachdenken. Permafrost bindet das Land Jakutien bis in eine Tiefe von 1500 Metern und wird nicht schmelzen. Doch die Stauseen verhalten sich nicht vorschriftsmäßig. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche jährliche Lufttemperatur in den Polarregionen minus 19 °C und die Wassertemperatur liegt bei etwa Null. Natürlich gibt es Tage mit Lufttemperaturen über Null, aber im Jahresdurchschnitt sind sie negativ. Allerdings gefriert der Arktische Ozean trotz seines Namens nicht jedes Jahr immer tiefer. Überschüssiges Eis schmilzt aufgrund der Wärme der Außenluft regelmäßig. Luft, die im Durchschnitt kälter ist als das Eis selbst... Dies widerspricht jedoch dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der auf dem Clausius-Postulat basiert: WÄRME KANN NICHT VON SELBST VON EINEM WENIGER ERHITZTEN KÖRPER AUF EINEN STÄRER ERHITZTEN KÖRPER ÜBERTRAGEN. Bereits im XNUMX. Jahrhundert formulierte Rudolf Clausius diese unbestreitbare Alltagswahrheit, auf der heute das harmonische Gebäude der modernen Wissenschaft ruht. Wer würde auf die Idee kommen, Wasser in einem Wasserkocher auf einem Stück Eis zu erhitzen? Die Sinnlosigkeit der Idee ist jedem klar. Aber hier ist der Haken. Obwohl wir Eis als kalt empfinden, enthält es eine Menge Energie. Immerhin ist es im Vergleich zum absoluten Nullpunkt 273° C heißer! Jedes seiner Moleküle besitzt Energie und tauscht diese ständig mit anderen Molekülen aus. Warum sollten die Eismoleküle also nicht einen Teil ihrer Energie an das Wasser in der Teekanne abgeben? Lassen Sie das Eis noch mehr abkühlen und das Wasser erwärmen! Mit einem Wort: Erfahrung ist Erfahrung, aber das Postulat von Clausius hat keinen theoretischen Beweis! Und einmal erfand der brillante englische Physiker Maxwell im Scherz eine Art „Dämon“, der damit beschäftigt war, Moleküle zu sortieren – „heiße“ mit hoher Geschwindigkeit, die in die eine Richtung geschickt wurden, „kalte“ – in die andere. Und so ein "Dämon" würde definitiv den Kessel auf Eis kochen lassen! Das Fehlen eines Beweises für Clausius‘ Postulat bot vielen Erfindern, die von der Idee besessen waren, ein Perpetuum mobile der zweiten Art zu schaffen, ein Schlupfloch – ein Gerät, das kostenlos Energie aus der chaotischen Bewegung von Umweltmolekülen gewinnen würde. Tatsache ist jedoch, dass nutzbare Energie nur aus Temperatur- oder Druckunterschieden, Höhenunterschieden usw. gewonnen werden kann. Nicht die Wärme selbst erzeugt Arbeit, sondern nur der Unterschied zwischen Wärme und Kälte. Ein Verbrennungsmotor funktioniert, weil der Druckunterschied zwischen der Innenseite des Zylinders und der Außenseite den Kolben drückt. Eine elektrische Glühbirne leuchtet, weil an ihr eine Potentialdifferenz anliegt. In Wasserkraftwerken ist es nicht die Höhe des Wassers über dem Meeresspiegel, die die Arbeit leistet, sondern der Höhenunterschied an der Ober- und Unterseite des Staudamms. Ein Perpetuum mobile ist also unmöglich. Es ist schade. Wenn es wirklich so etwas wie Maxwells Dämon gäbe ... Erinnern Sie sich noch daran, wie Sie als Erstklässler in der Pause durch den Flur gestürmt sind? Energie – mehr als genug! So etwas wie die chaotische thermische Bewegung von Molekülen. Der Regisseur grummelte wohl: „Deine Energie sollte einen Dynamo drehen!“ Und was? Die Rolle von Maxwells Dämon könnte ein rotierendes Drehkreuz in der Tür übernehmen, wie es in Geschäften installiert ist. Die Glocke läutete zur Pause, und die Erstklässler rannten aus dem Klassenzimmer und drehten das Drehkreuz. Und es ist an einen Dynamo angeschlossen – so wird nützliche Arbeit geleistet! Als Faiko über das seltsame Verhalten des Gefrierens natürlicher Gewässer nachdachte, fand er in ihnen ein ähnliches „Drehkreuz“, das in der klassischen Physik verboten ist. Ein solches Einweg-Thermoventil ist in der Natur gewöhnliches schwimmendes Eis! Die Wärmemenge, die das schmelzende Eis auf dem See während des kurzen jakutischen Frühlings aufnimmt, und die Wärmemenge, die während des langen, kalten Winters abgegeben wird, sind genau gleich. Tatsache ist jedoch, dass Wasser auf der Unterseite des Eises gefriert und auf der Oberseite schmilzt. Wenn Wasser gefriert, bedeutet dies außerdem, dass es Wärme abgibt. Und diese Wärme kann nur schwer durch die Eisschicht verdunsten, da ihre Wärmeleitfähigkeit gering ist. Die Wärme verlässt das Winterreservoir sehr langsam und die Eisdecke gefriert ebenso langsam. Aber im Frühling ist das eine ganz andere Sache. Unter der Sonneneinstrahlung schmilzt die oberste Eisschicht schnell und das Schmelzwasser trägt sie, nachdem es die sogenannte Schmelzwärme aufgenommen hat, in das Reservoir. Auf diese Weise gibt das Wasser die im langen Winter verlorene Wärme sehr schnell wieder zurück. Und der umgekehrte Vorgang geht zehn- und hundertmal schneller. Es stellt sich heraus, dass Eis die Wärme in zwei Richtungen ungleichmäßig überträgt: von oben nach unten – viel schneller als von unten nach oben. Er ist derselbe „Dämon“, der geschickt einen Temperaturunterschied erzeugt. Und es stellt sich heraus, dass Wärme von einem kälteren Körper zu einem wärmeren zu wandern scheint. Aber was ist mit dem Clausius-Postulat? Bedeutet das, dass es nicht so wahr ist und dass ein Perpetuum mobile möglich ist? Der Wissenschaftliche Rat, dem Faiko seine Entdeckung meldete, warf ihm zunächst vor, die Grundlagen der Thermodynamik anzugreifen. Aber Lew Iwanowitsch rettete die Autorität von Clausius: Die durch das Postulat verbotene Wärmeübertragung erfolgt nicht von selbst, sondern mit Hilfe der Schwerkraft und der Sonnenenergie. Diese Schwerkraft führt dazu, dass Eis, das eine geringere Dichte als Wasser hat, aufschwimmt. (Warum ist es übrigens weniger dicht, wenn alle anderen Stoffe beim Abkühlen zusammengedrückt werden? Eine befriedigende Erklärung gibt es noch nicht.) Und dann wird ein Volumen frei, in das Schmelzwasser fließen kann. Doch in den Erdschichten ist das unmöglich – und hier gibt es tausend Meter hohen Permafrost! Wenden wir uns nun der irdischen Energie zu. Da die Menschen keine natürlichen Prozesse in der Natur fanden, die die für die Energiegewinnung notwendigen Temperatur-, Druck- und Höhenunterschiede erzeugen würden, begannen sie, sie selbst zu erzeugen: Wälder niederzubrennen, die Erde auf der Suche nach fossilen Brennstoffen zu graben, riesige Stauseen und Dämme an Flüssen zu bauen und einzudringen Die unsichere Welt des Atoms. .. - Ja, hier ist ein kostenloser, nichtlinearer natürlicher Prozess, der eine ewige Energiequelle sein kann! - sagt ein Wissenschaftler aus Jakutien. Das Einfrieren natürlicher Gewässer sorgt für Temperaturunterschiede, die leicht in Arbeit umgewandelt werden können. Und noch größere Wärmereserven verbergen sich in den Phasenumwandlungen des Wassers. Fayko berechnete, dass die beim Gefrieren von Wasser freigesetzte latente Wärme der Energie entspricht, die durch die Freisetzung der gleichen Wassermenge aus einem zwei Kilometer langen Damm gewonnen werden kann. Lohnt es sich also, Staudämme zu bauen, wenn man riesige, verschwendete Wärmereserven erfolgreich und kostengünstig nutzen kann? Der Bau des größten Wasserkraftwerks Nischne-Lena in Jakutien mit einer Leistung von 22 Millionen Kilowatt ist seit langem geplant. Aber nach Faikos Berechnungen kann allein aus der Oberfläche seines Reservoirs im gefrorenen Zustand 400-mal mehr Energie gewonnen werden. So viel davon wird mittlerweile auf der ganzen Welt produziert! Allerdings braucht man dafür nicht einmal ein Reservoir: Die Fläche natürlicher Gefrierreservoirs kann den Bedarf der Menschheit um das 1000-fache decken! Und die Ökologie unseres Planeten wird davon nur profitieren. Es bleibt nur noch herauszufinden, wie man diese Energie gewinnen kann. Doch dafür ist die moderne Technik bereits bereit. Erinnern wir uns an eine Wärmepumpe – einen Kompressorkühlschrank „im Rückwärtsgang“. Flüssigkeit, die im Verdampfer bei einer Temperatur nahe dem Nullpunkt siedet, verwandelt sich in Dampf, gelangt unter Druck in den Kompressor, drückt die Kolben und verrichtet Arbeit ... Somit eröffnen uns die anomalen Eigenschaften von Wasser eine unschätzbare, umweltfreundliche und unerschöpfliche Energiequelle. Eine sehr seltsame, unregelmäßige Substanz, dieses gewöhnliche Wasser! Autor: N. Konoplev
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