Мистер Томпкинс внутри самого себя - [18]
— Естественно, — прокомментировал мистер Томпкинс. — Но какое отношение это имеет к низкому коэффициенту полезного действия тепловых машин?
— Самое непосредственное, — ответил Сент. — В тепловых машинах вы начинаете с топлива, будь то дрова, уголь или нефть, состоящего из высокоорганизованных молекулярных организаций, запас энергии которых определяется хорошо определенными межатомными силами.
Сжигая топливо, вы получаете тепло, которое, как я уже говорил, представляет собой в высшей степени неорганизованное движение горючих веществ, или, так сказать, естественный беспорядок. Достигнув этой стадии, вы пытаетесь превратить неупорядоченное хаотическое движение молекул в упорядоченное движение поршня, рычагов, маховиков и колес. А поскольку неупорядоченное движение гораздо более вероятно, чем упорядоченное, ваша задача отнюдь не из легких, и за ее решение вам приходится платить высокую цену. Тем не менее она вполне выполнима, и часть неупорядоченной системы действительно можно привести в состояние упорядоченного движения, предоставив остальной части системы стать еще более неупорядоченной.
— Я вас понял, — кивнул мистер Томпкинс. — Но почему в таком случае нашим инженерам при проектировании различных машин и механизмов не исключать тепловую стадию?
— Они пытаются сделать это. Но не забывайте, что эволюция живого мира насчитывает несколько миллиардов лет, а инженерная мысль в ее современном виде начала развиваться лишь несколько столетий назад. Ваши мышцы, как, впрочем, и все другие части вашего тела, представляют собой химические или скорее электрохимические устройства и поэтому гораздо более эффективны, чем паровые машины доброго старого Джеймса Уатта. Но у нас уже есть батарейки для карманного фонаря, вырабатывающие электрический ток без сколько-нибудь заметного нагревания, и флуоресцентные лампы, которые не обожгут, вам пальцев если вы к ним прикоснетесь.
— А как насчет получения механической работы без тепла непосредственно из внутренней химической энергии различных соединений? Осуществима ли такая задача на современном техническом уровне? — поинтересовался мистер Томпкинс.
— Да, по крайней мере мы приступили к работе над решением этой проблемы, — сообщил Сент, подводя мистера Томпкинса к столу, на котором стоял какой-то странный механизм.
— Это так называемый механохимический двигатель, разработанный недавно тремя сотрудниками Вейцмановского института науки в Израиле, его действие основано на различии в концентрации некоторой соли, в данном случае бромида лития, в двух лабораторных стаканах А и В, стоящих рядом. Если стаканы соединить, то начнется самопроизвольная диффузия, и соль распределится поровну между обоими сосудами. Хитрость состоит в том, чтобы получить механическую энергию, пока будет происходить выравнивание концентраций. Возьмем нить из белка, который называется коллаген (из него состоит шкура животных). Если такую нить погрузить в солевой раствор, то она сократится, и ее можно использовать для создания тянущего усилия. Поместим теперь нашу нить в чистую воду. У молекул соли появляется обширное пространство, в котором они могут перераспределиться, вода вымывает их с нити, и нить расслабляется. При этом в чистую воду переходит некоторое количество соли. Затем мы переносим нить снова в солевой раствор, она сокращается, снова попадает в воду, где расслабляется и т.д. Иначе говоря, нить работает, как поршень приводящий в движение колесо. Механизм, который вы видите перед собой, устроен так, что движение колес перемещает нить из солевого раствора в чистую воду и обратно. Разумеется, в конце концов концентрация соли в обоих лабораторных стаканах выравнивается, и двигатель останавливается.
Как получить механическую энергию из двух лабораторных стаканов с водой
— И мышцы работают так же, как этот механохимический двигатель? — спросил мистер Томпкинс.
— В общих чертах примерно так, — ответил Сент. — Мышцы работают, используя то, что мы называем химическим потенциалом, источником которого служит АТФ. Чтобы объяснить, в чем здесь суть дела, мне придется показать вам, как примерно выглядит молекула АТФ. Входить в атомные детали было бы излишне, достаточно знать, что она состоит из весьма сложной органической молекулы, называемой аденозином, в которой 3 молекулы фосфорной кислоты прикреплены в следующей последовательности: аденозин-фосфорная кислота — фосфорная кислота — фосфорная кислота. Вместо АТФ, что означает аденозин-трифосфат, мы можем записать А-Ф-Ф-Ф.
— Выглядит несколько сложновато, — заметил мистер Томпкинс.
— Если поместить АТФ в воду, — продолжал Сент, — то произойдет, особенно в присутствии определенных ферментов, следующая реакция:
А-Ф-Ф-Ф + Н>2О —> А-Ф-Ф + Ф.
Иначе говоря, один из фосфатов отщепится, и образуется соединение, которое мы называем АДФ, или аненозиндифосфорной кислотой. Некоторое количество АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты в результате обратной реакции, но длинная верхняя стрелка указывает на то, что АТФ распадается гораздо быстрее, чем образуется, поэтому когда достигается равновесие, АДФ в растворе оказывается гораздо больше, чем АТФ. Поэтому мы говорим, что АТФ обладает способностью спонтанно вырождаться в АДФ. Подобно тому, как коллагеновая машина работает, когда смешиваются соль и пресная вода, мышца работает, используя энергию, которая выделяется при переходе АТФ в состояние «АДФ и фосфорная кислота».
