Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Глава II ГЛАВНОЕ ДЕЛО ТЕПЛОВЫХ МАШИН

В иерархии машин, механизмов, моторов и передач, используемых в современной технике, тепловые двигатели занимают место исключительное. Действительно, львиная доля электроэнергии на земном шаре — 80–85 % — вырабатывается тепловыми электростанциями. Автомобили, самолеты, корабли, ракеты приводятся в движение тепловыми двигателями. Только они могут считаться истинными генераторами работы. Все другие двигатели — электромоторы, гидравлические и пневматические двигатели, механические передачи играют в нашей жизни хотя и важную, но подчиненную роль — роль передаточных механизмов, распределяющих и преобразующих энергию, добытую тепловыми двигателями, которые, таким образом, стоят первыми в цепочке машин, составляющих фундамент современной промышленности. Вот почему именно тепловым двигателям присвоен титул «первичных двигателей».

В чем же состоит фундаментальное отличие тепловых двигателей от всех прочих? В чем причина их, если так можно выразиться, «первичности», их способности быть, по сути дела, единственным источником механической работы?

Причина эта не составляла секрета еще для Сади Карно. «Природа, — писал он в своем трактате, — повсюду представляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу». Действительно, скудная на механическую или электрическую энергию, наша планета богата источниками тепловой энергии — здесь и солнечные лучи, и подземное тепло, и органическое топливо, и ядерное. И все эти источники существуют только благодаря тому, что, как мы уже говорили, существует необратимость. Но стоит наложить запрет на необратимые процессы — и ценность этих источников мгновенно аннулируется. Возникает обратимый мир, в котором количество теплового движения — энтропии — постоянно, и нет никакой возможности ни увеличить, ни уменьшить его.

Что произойдет в этот момент с тепловыми двигателями? Будут они продолжать работать или нет? И если будут, то сохранится ли их исключительное место в иерархии машин?

Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо детальнее обсудить разницу между нагреванием тела и подводом к нему теплоты. В привычном нам мире это в большинстве случаев одно и то же: если нужно повысить температуру, мы просто подводим к телу теплоту. Но в мире обратимом эти операции расщепляются. В нем не может быть теплообмена между горячим и холодным телом, ибо такой теплообмен существенно необратим. Но зато здесь можно смело пользоваться другим методом: адиабатически сжимать тело до тех пор, пока его температура не достигнет нужной величины. Да вот беда — нельзя нагреть тело, не повысив при этом его давления. Но, оказывается, есть возможность обойти эту трудность…

В обратимом мире запрет накладывается не на обмен теплотой как таковой, а на обмен теплотой между горячим и холодным телом. Но если температура источника и приемника тепла одна и та же, то теплообмен между ними в обратимом мире дозволен. Конечно, такой теплообмен — абстракция, но ведь и сам обратимый мир, и идеальные машины, и т. д. тоже абстракция. Однако они помогают нам понять суть явлений, показывают, что в том или ином процессе принципиально важно, а что нет.

Так вот, в обратимом мире, сочетая адиабатическое повышение температуры с теплообменом при постоянной температуре, можно нагревать тело, не повышая его давления. Предположим, вам нужно повысить температуру в комнате с 10 до 30 °C, причем в вашем распоряжении есть источник тепла с температурой 30°. Путем непосредственного контакта нагрев произвести нельзя. Но можно адиабатическим сжатием, потребляя электроэнергию из сети, довести температуру в комнате до 30°, после чего привести ее в контакт с источником, предоставив возможность воздуху в комнате расширяться при постоянной температуре, полностью отдавая назад в сеть совершаемую им полезную работу. Когда давление воздуха снизится до первоначального, процесс останавливается, ибо поставленная цель достигнута: температура воздуха повышена, а давление осталось первоначальным. Точно таким же образом можно и понизить температуру в комнате…

Совокупность всех устройств для осуществления этих операций, в сущности, и есть тепловая машина, которой, как мы только что убедились, отводится в обратимом мире роль охладителей и нагревателей. Выходит, в мире, где нет горения и трения, где нет непосредственного теплообмена между горячим и холодным телом, главное назначение тепловой машины — обратимо повышать и понижать температуру. В таком мире они из первых рядов энергетики перекочевывают в разряд обычных преобразователей, принципиально ничем не отличающихся от электромоторов, зубчатых передач, гидротурбин. И только необратимость, делающая тепловое движение легкодоступным и получающимся практически в любых количествах, поставила тепловую машину на исключительное место — место первичного двигателя. Но это место и этот титул не даются даром…

Уже давно и прочно укоренилось мнение, будто тепловой двигатель не может «полностью превратить теплоту в работу». И действительно, из теплоты, получаемой при сгорании топлива, самые лучшие тепловые двигатели преобразуют в работу процентов 25–30. И это дало повод утверждать, что даже идеальному тепловому двигателю принципиально свойственна такая неспособность, что этим-де тепловой двигатель принципиально отличается от всех прочих машин — электрических, гидравлических, механических. В чем же источник такого недоразумения?

Оказывается, следуя по пути Карно, специалисты мысленно устранили все источники необратимости лишь внутри идеальной тепловой машины, но они забыли сделать это во всем окружающем мире. Они забыли, что теплота, которую идеальная машина должна преобразовывать в работу, получается при сгорании топлива — типичнейшем необратимом процессе, последствия которого невозможно исправить никакой самой что ни на есть идеальной машиной. Так получилось, что тепловым машинам стали приписывать ответственность за потери, вносимые необратимостью, в которых они совершенно неповинны.

Стоит поместить тепловые машины в обратимый мир, в котором тепловое движение равноправно со всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: тепловые машины ничем не хуже других, никакие особые потери им не свойственны, и по экономичности они ничем не уступают электродвигателям или зубчатым передачам. Но стоит их поместить в реальный необратимый мир, в котором необратимость придает тепловому движению особое место, отличное от места, занимаемого всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: из скромного нагревателя-охладителя тепловая машина превращается в первичный двигатель, но зато у нее появляются потери, делающие ее в несколько раз менее экономичной, чем электромоторы и зубчатые передачи.

Как же работают и чем отличаются друг от друга многочисленные тепловые двигатели современной промышленности? Раньше всех разобрался в этом Сади Карно…

Он понял, что для работы теплового двигателя прежде всего необходим перепад температур: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна. В самом деле, если бы вокруг нас были тела только такие же горячие, как и топка, каким бы образом можно было сконденсировать пар? Куда его бы деть, раз он получен? Не следует думать, что его можно… выбросить в атмосферу: атмосфера не приняла бы его. Она принимает его в обычных условиях, потому что выполняет роль большого холодильника, потому что находится при более низкой температуре: иначе она была бы им вскоре заполнена…»

Теплоизолированный цилиндр с поршнем, наполненный идеальным газом (Л), оказался чрезвычайно интересным и поучительным устройством. Когда Силач стал силой вытаскивать поршень из теплоизолированного цилиндра (Б), он с удивлением обнаружил, что при таком — адиабатическом — расширении уменьшается не только давление, но и температура Тут на помощь Силачу поспешил Огнепоклонник: он удалил теплоизоляцию и стал подогревать газ в цилиндре так, чтобы при его расширении температура оставалась постоянной (В). При таком — изотермическом — расширении Силач мог тянуть поршень уже с меньшей затратой работы. Тогда Огнепоклонник стал греть расширяющийся газ еще сильнее, так, чтобы оставалось постоянным его давление (Г). При этом — изобарном — процессе работа Силача стала еще меньше Наконец, поршень уперся в крышку цилиндра и объем газа стал постоянным В этом — изохорном — процессе вся теплота идет только на увеличение температуры и давления, а Силачу уже делать совсем нечего.

Таким образом, взглянув на процессы в цилиндре глазами Силача, мы увидим их изображенными в механических параметрах — давлении (Р) и удельном объеме (V) На рисунке внизу диаграмма P — V изображена черным цветом. А взглянув на те же самые процессы глазами Огнепоклонника, мы увидим их изображения в термических параметрах — температуре (Т) и энтропии (S). На рисунке внизу диаграмма T — S изображена красным цветом.

Изучая эти диаграммы, Силач и Огнепоклонник обнаружили их интересные особенности Площадь под линией, изображающей тот или иной процесс в диаграмме P — V, равна механической работе, совершаемой в этом процессе А площадь под линией в диаграмме Т — S ^И30’ бражает теплоту, подведенную или отведенную в процессе Действительно, в изохорном процессе механическая работа не совершается и площадь под изохорой в диаграмме Р — V равна нулю. А в диаграмме T — S равна нулю площадь под адиабатой — и это как раз тот случай, когда газ не обменивается теплотой с другими телами.

Но мало, оказывается, иметь только перепад температур. «…Теплота может быть причиной движения только тогда, когда она заставляет тела изменять объем или форму; эти изменения происходят не от постоянства температуры, но именно вследствие переменного действия тепла и холода…»

Какие же тела можно использовать для теплового двигателя? В принципе любые — «…все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении своего объема побеждать некоторые сопротивления и, таким образом, развивать движущую силу. Твердое тело, например, железный стержень, попеременно нагреваемый и охлаждаемый, увеличивается и уменьшается в длине и может двигать тела, прикрепленные к его концам. Жидкость, попеременно нагреваемая и охлаждаемая, увеличивается и уменьшается в объеме и может побеждать более или менее значительные препятствия, мешающие ее расширению. Газообразная жидкость способна к большим изменениям объема при изменении температуры: если она находится… в цилиндре с поршнем, то она производит значительные движения…»

Теперь уже примерно ясно, как, в принципе, должен работать тепловой двигатель. Самая незатейливая конструкция — металлический стержень, поднимающий груз за счет подвода и отвода теплоты. Когда стержень охлажден, на него ставят груз. После этого нагреваемый стержень расширяется и, совершая работу, поднимает груз на некоторую высоту. Сняв груз, мы охлаждаем стержень и возвращаем его в исходное состояние. В этом примитивном устройстве есть все особенности настоящего теплового двигателя. Оно работает по тепловому циклу, то есть совершает последовательность операций, в результате которых стержень возвращается в исходное состояние и готов снова претерпеть все изменения и поднять на высоту новую порцию груза.

Операций четыре: сжатие (ставим груз), подвод тепла, сопровождающийся расширением и подъемом груза, расширение (снимаем груз), отвод тепла. Если произвести очень точные измерения, можно обнаружить, что на нагревание сжатого стержня понадобилось теплоты немного больше, чем передано в холодильник при охлаждении несжатого. И эта разница в точности равна механической работе, затраченной на подъем груза.

Конечно, металл не очень-то удачное рабочее тело. Гораздо выгоднее — газ, объем которого сильно меняется при сжатии и нагревании. Но в принципе и газ должен совершать, как и металл, цикл операций: сжатие, подвод тепла, расширение, отвод тепла. Правда, каждый из этих процессов можно проводить разными способами. Скажем, охлаждать и нагревать его можно в замкнутом сосуде, объем которого постоянен. Такой процесс называют изохорным. Если же тепло подводится к газу, находящемуся в цилиндре с подвижным поршнем, — газ увеличивает объем, но давление его не меняется; это — изобарный процесс. Сжимать или расширять газ можно при постоянной температуре — он должен обмениваться теплотой с телом, температура которого не меняется — только тогда можно осуществить изотермический процесс. Если цилиндр с газом теплоизолировать, то, сжимая его поршнем, мы будем повышать его температуру. Если же он будет расширяться сам, температура его будет понижаться. Этот процесс, в котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой, называется адиабатическим.

По-разному комбинируя эти процессы, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабатических и двух изохорных процессов образует цикл бензинового двигателя. Если заменить в этом цикле изохорный процесс, по которому идет нагрев газа, изобарным, можно получить цикл Дизеля. Два адиабатических и два изобарных процесса дадут теоретический цикл газовой турбины. Кстати, по этому же циклу работает и металлический стержень, поднимающий груз. Два изотермических и два изобарных процесса складываются в цикл Эриксона, а два изотермических и два изохорных — в цикл Стирлинга. Из всех возможных циклов Карно считал наиболее простым для анализа цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат…

Он исходил из того, что в его распоряжении есть огромный источник тепла — нагреватель и столь же огромный приемник тепла — холодильник. Мы не случайно подчеркиваем, что нагреватель и холодильник огромны: благодаря этому их температура остается постоянной независимо от количества отдаваемого и получаемого тепла. Между таким изотермическим источником и приемником можно расположить тепловые машины, работающие по всевозможным циклам. Каждый из них будет превращать теплоту в работу. Но с одинаковым ли успехом? Есть ли среди этих циклов наилучший? И если есть, то какой именно?

Объединив свои усилия, попеременно на все лады сжимая, нагревая, расширяя и охлаждая газ в цилиндре под поршнем, Силач и Огнепоклонник легко получили основные типы тепловых двигателей.

А — идеальный цикл Карно: 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-2-3-5 — подведенная в цикле теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа двигателя. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.

Б — идеальные циклы Стирлинга и Эриксона.

ЦИКЛ СТИРЛИНГА (6-1-2-3-5): 1–2 — изохорное нагревание, 2–3 — изотермическое расширение, 3–4 — изохорное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-1-2-3-5.

ЦИКЛ ЭРИКСОНА (6-1-2'-3'-5'): 1–2' — изобарное нагревание, 2'-3' — изотермическое расширение, 3'-4 — изобарное охлаждение, 4–1 — изотермическое сжатие. Площадь 6-1-2'-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4-3'-5' — отведенная теплота. Площадь 1–2'-3'-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1–2'-3'-4/пл.6-1-2'-3'-5'.

В — идеальные циклы Отто и Брайтона.

ЦИКЛ ОТТО (6-2-3-5): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3 — изохорный нагрев, 3–4 — адиабатическое расширение, 4–1 — изохорное охлаждение. Площадь 6-2-3-5 — подведенная теплота, площадь 6-1-4-5 — отведенная теплота. Площадь 1-2-3-4 — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3-4/пл.6-2-3-5.

ЦИКЛ БРАЙТОНА (6-2-3'-5'): 1–2 — адиабатическое сжатие, 2–3' — изобарный нагрев, 3'-4' — адиабатическое расширение, 4'-1 — изобарное охлаждение. Площадь 6-2-3'-5' — подведенная теплота, площадь 6-1-4'-5' — отведенная теплота. Площадь 1-2-3'-4' — полезная механическая работа. КПД = пл.1-2-3'-4'/пл.6–2—3'—5'.

Карно считал, как уже говорилось раньше: «в телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема». Это значит, что в цикле не должно быть ни одного процесса, в котором рабочее тело изменяло бы свою температуру за счет подвода или отвода теплоты.

Изменять температуру можно лишь за счет адиабатических, чисто механических процессов. А подвод или отвод тепла в изотермических процессах не сопровождается изменением температуры. Вот почему цикл, составленный из двух адиабатических и двух изотермических процессов, будет самым эффективным из всех, могущих быть встроенными между изотермическим нагревателем и холодильником.

Чтобы сравнить двигатели, работающие по разным циклам, их экономичность оценивается с помощью числового коэффициента — коэффициента полезного действия, который для тепловых двигателей представляет собой отношение работы, полученной на выходе, к теплоте, подведенной на входе. Этот коэффициент — КПД — для идеального цикла Карно выражается очень простой формулой: КПД = Т₁ - Т₂/Т₁.

Здесь Т₁ — абсолютная температура нагревателя, а Т₂ — абсолютная температура холодильника. (Абсолютная температура получается прибавлением 273,16° к температуре по шкале Цельсия.)

Из этой формулы видно: для повышения КПД надо и увеличивать температуру нагревателя, и уменьшать температуру холодильника. Но температура холодильника — это температура окружающего воздуха на Земле, которая выше абсолютного нуля примерно на 300°. Поэтому сколь бы высоко мы ни поднимали температуру Т₁, нам все равно не получить КПД даже идеального теплового двигателя, равным точно 100 %. И еще один неожиданный вывод вытекает из формулы: экономичность теплового двигателя не зависит от свойств рабочего тела.

Трактат Карно оказал огромное влияние на развитие тепловых двигателей. Он внес ясность в запутанный и сложный вопрос, показал, чего можно и чего нельзя ожидать от тепловых машин. Во времена, когда паровой двигатель господствовал в промышленности, когда все попытки изобретателей заменить пар воздухом терпели провал за провалом, Карно прозорливо указывал: «…употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла на практике представит огромные трудности, но, может быть, не непреодолимые; если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед водяным паром». Наконец, Карно объяснил, почему выгодно с точки зрения экономичности повышать температуру, а следовательно, и давление пара. И именно он указал на заблуждения многих практиков, пытавшихся добиться улучшения экономичности за счет замены воды ртутью, алкоголем, серой… «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития».

Для науки это утверждение сыграло даже большую роль, чем для техники. Раз КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, мы можем применять в этом качестве мыльную пленку, стальную пластину, лед, наэлектризованный кристалл и т. д. Мысленно заставляя эти тела совершать цикл Карно, мы легко и быстро можем определить зависимость поверхностного натяжения от температуры, зависимость точки плавления льда от давления, модуля упругости от температуры и т. д. Вот как получилось, что чисто технический, казалось бы, вывод стал основой для одного из самых мощных и общих методов термодинамического анализа.

К сожалению, простота формулы Карно породила потом немало недоразумений. Последователи Карно не всегда ясно проводили различие между идеальными и реальными циклами. Порой встречалось даже такое утверждение, будто только цикл Карно может быть идеальным, а все остальные — реальные. Это неверно: все циклы могут быть как идеальными, так и реальными. Единственное различие между ними в том, что в идеальных циклах нет потерь от трения и необратимого теплообмена при конечной разности температур. Поэтому циклы Дизеля, Отто, Стирлинга, Эриксона могут быть идеальными, так же как и цикл Карно. Но для того чтобы был возможен идеальный цикл, к примеру Отто, необходимо, чтобы температуры нагревателя и холодильника были не постоянными, как для цикла Карно, а менялись точно так же, как меняется температура рабочего тела в процессе изохорного нагрева и охлаждения. Для источников с такими характеристиками цикл Отто будет единственно возможным идеальным двигателем. Для таких источников цикл Карно просто утрачивает смысл, становится невозможным, как невозможны идеальные циклы Отто и Дизеля для источников и приемников с постоянной температурой.

Но если это так, то почему не попытаться построить двигатель Карно, работающий по реальному циклу, пускай даже с некоторыми потерями? Ведь уже при 2000 °C КПД цикла Карно вдвое превышает КПД самых лучших современных тепловых двигателей.

Сади Карно прекрасно понимал, почему нет смысла гнаться за этими выгодами. «Нельзя надеяться, — писал он, — хотя бы когда-либо практически использовать всю движущую силу топлива. Попытки, сделанные для приближения к этому результату, будут скорее вредными, чем полезными, если они заставят забыть другие важные обстоятельства. Экономия топлива — это лишь одно из условий, которое должны выполнять тепловые машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно, оно часто должно уступать первенство надежности, прочности, долговечности машины, малому занимаемому месту, дешевизне ее установки и т. д.».

Потому-то и не построен до сих пор двигатель Карно, что при сравнительно небольшой мощности он должен иметь огромные размеры, прочность и вес. Действительность властно вторгается в теоретические построения, и то, что кажется сверхвыгодным на бумаге, на практике уступает место иным, теоретически не столь выгодным решениям. Мы знаем, что чем выше нагрето рабочее тело, тем экономичнее тепловой двигатель. Современные виды топлива при сгорании дают температуру около 2000 °C. Ни один из ныне существующих конструкционных материалов не в состоянии длительно выдерживать такую температуру. Поэтому приходится искусственно понижать температуру рабочего тела, подавая в камеры сгорания больше воздуха, чем требуется для горения топлива. А это — прямое снижение КПД. Нередко конструктивные особенности машины, позволяющие работать при более высокой температуре рабочего тела, оказываются важнее теоретических преимуществ цикла. Так, КПД современных газовых турбин меньше, чем у дизелей, хотя теоретически такие турбины должны быть выгоднее дизелей. Это объясняется тем, что в дизеле периодичность работы облегчает охлаждение поршней, в результате температура рабочего тела может достигать 1500–1800 °C, в то время как лопатки газовых турбин, находящиеся под непрерывным воздействием потока раскаленных газов, ограничивают температуру рабочего тела 900—1000 °C. Действительность накладывает и другие ограничения. Например, при одинаковых степенях сжатия цикл Отто, по которому работают бензиновые моторы, экономичнее, чем цикл Дизеля. Но в цилиндрах бензиновых моторов сжимается горючая смесь, которая при высоких степенях сжатия самовоспламеняется. В цилиндрах же дизеля сжимается чистый воздух, в который потом впрыскивается топливо. Здесь нет опасности самовоспламенения, допустимы более высокие степени сжатия. В результате дизель оказывается едва ли не самым экономичным тепловым двигателем в современной технике.

Все это не умаляет заслуг Карно. Он первый понял, как надо исследовать тепловые машины: он правильно указал пути развития тепловых двигателей; он указал на несостоятельность ряда направлений. Пусть попытки осуществить его двигатель на практике не удались. Но в результате таких попыток появился двигатель Дизеля. Одного этого было бы достаточно, чтобы считать весомым вклад Карно в термодинамику. Но Карно сделал не только это…

На первых порах тепловые двигатели дали термодинамике гораздо больше, чем она им. Паровые машины появились и распространились по всему свету задолго до того, как появилась наука, объясняющая их работу. Вот почему, даже и в более поздние времена, среди создателей тепловых двигателей практически нет ученых. Это главным образом изобретатели и инженеры: горный мастер Ползунов, университетский механик Уатт, кораблестроитель Эриксон, священник Стирлинг, инженеры и предприниматели Отто и Дизель.

Холодильная техника родилась иначе. Термодинамика здесь взяла реванш, а ученые вернули долг инженерам. Среди людей, прокладывающих путь к низким температурам, мы видим немало профессоров: лорд Кельвин, профессора Линде, Пикте, Дьюар, Вроблевский, Каммерлинг-Оннес, Капица…

Однако и здесь, как и в теории теплового двигателя, Сади Карно ухитрился опередить всех. Мимоходом, как бы между прочим, он в своем трактате упомянул о том; что идеальный двигатель можно использовать для создания разности температур. Он даже не счел интересным более подробно разобрать этот вопрос. Впрочем, едва ли тогда кто-нибудь, даже он, мог догадываться, что именно создание разностей температур и есть единственная и главная задача тепловых машин в обратимом мире, где энергию топлива в механическую работу можно преобразовать не с помощью теплового двигателя, а с помощью искусственной мышцы. Топливный элемент дает возможность преобразовать энергию топлива в работу электрических сил. Но в таком мире в принципе невозможно обойтись без тепловых машин, если надо нагреть или охладить какое-либо тело.

В реальном мире вопрос с нагревом решается просто: повышенную температуру можно поддерживать за счет теплообмена с раскаленными газами, получающимися при сжигании топлива. А вот поддерживать температуру тела ниже температуры окружающей среды — это гораздо сложнее, здесь без холодильной машины не обойтись. Нам могут возразить: при растворении солей в воде, например селитры — нитрата калия, температура раствора заметно понижается. Разве за счет этого процесса нельзя охлаждать тело ниже температуры окружающей среды без всяких машин?

Как ни парадоксально, такое растворение лишь подтверждает нашу правоту: оно есть часть цикла своеобразной холодильной машины. Действительно, чтобы такая установка работала непрерывно, соль из раствора надо выпаривать, конденсировать и охлаждать воду и, снова смешивая их, получать пониженную температуру. Вся эта последовательность процессов образует своеобразный холодильный цикл, далекий, кстати, от идеального. Но главный принцип получения низких температур остается одним и тем же для любых циклов: когда теплоизолированное рабочее тело совершает работу, температура его понижается. Охлаждается сжатый газ при расширении в теплоизолированном цилиндре, охлаждается раствор при растворении селитры, охлаждается парамагнитная соль при размагничивании. Но чтобы охлаждение происходило непрерывно, мы должны получать все новые и новые порции сжатого газа, воды и селитры, намагниченной парамагнитной соли.

Наиболее мощные холодильные машины, как и тепловые двигатели, получаются тогда, когда рабочим телом служит газ или пар. Какие операции нужно проделать с газом, чтобы получить пониженную температуру? Сначала нужно повысить его температуру, сжав в теплоизолированном сосуде. Потом отвести тепло, охладив до температуры окружающей среды. Если теперь этот сжатый охлажденный газ заставить расширяться в цилиндре, совершая работу, температура его понизится. Отнимая тепло от охлаждаемого тела, газ нагреется до первоначальной температуры. И он снова готов к повторению цикла.

Так же как и для тепловых двигателей, возможны разные комбинации процессов, дающие разные холодильные циклы. В принципе любому тепловому двигателю — дизелю, паровой машине, газовой турбине соответствует свой «антипод» — холодильная машина, работающая по такому же циклу, но в противоположном направлении. Если тепловой двигатель приводит в движение электрогенератор, то холодильную машину надо приводить в движение электромотором. Если важнейшая характеристика двигателя — мощность, то для холодильной машины важна «холодопроизводительность» — количество теплоты, которое она может отвести за час. Если в топках и камерах сгорания развиваются возможно более высокие температуры, то важнейшим параметром холодильной машины оказывается «мороз», который она создает в холодильной камере. И если энергетики в погоне за экономичностью осваивают все более высокие температуры и мощности, то холодильщики разрабатывают машины, которые в промышленном масштабе позволяли бы получать все более низкие температуры.

Современная энергетика началась с паровой машины, работавшей при весьма умеренных температурах и давлениях. Точно так же и холодильная техника поначалу не претендовала на большее, чем изготовлять искусственный лед с помощью машин, в которых рабочим телом были пары легколетучих жидкостей — эфира, двуокиси серы, двуокиси углерода. В этих машинах холодный, находящийся при низком давлении пар сжимается компрессором, до тех пор пока его температура не станет немного больше температуры окружающей среды. Отдавая теплоту в окружающую среду, пары конденсируются и превращаются в жидкость, имеющую температуру окружающей среды и повышенное давление. Выпуская через клапан эту жидкость в испаритель, где давление низкое, можно заставить ее мгновенно вскипеть и за счет этого понизить температуру. Вот эта-то кипящая холодная жидкость и используется для изготовления льда, охлаждения продуктов и т. д.

Некоторые специалисты считают, что холодильная техника по своему влиянию на жизнь современного человека уступает только радио. Кто не любит мороженое? Кому не знакомы замороженные мясо, овощи, фрукты? Кто не пользуется сейчас домашним холодильником? С тем большим удивлением узнаешь, как мучительно трудно входили в жизнь холодильное дело вообще и холодильные машины в частности.

В 1806 году предприимчивый бостонец Тюдор на практике испытал неумолимое действие закона спроса и предложения. В этом году снаряженный им бриг доставил на о. Мартиника 130 тонн пищевого льда. Но никому не был нужен лед, негде его было хранить. Тюдору пришлось начинать с уговоров и соблазнов. Спустя несколько лет он приучил обитателей жаркого острова к мороженому и охлажденным фруктам и напиткам. Дело пошло в гору.

Заключив контракты на массовую заготовку льда на озерах и реках Новой Англии, Тюдор развозил его по всему свету. В 1849 году его корабли перевезли около 150 тысяч тонн льда, снабжая им около 50 портов в Южной Америке, Персии, Индии. Тюдор приучил обитателей жарких стран пользоваться льдом, его гигантская ледяная империя создала спрос на лед. Один из журналов тех лет так оценивал состояние дел в этой области: «Концентрированный холод в форме льда день ото дня приобретает все большее значение как для промышленных, так и для бытовых нужд. Пивоварение требует длительной выдержки продукта вблизи точки замерзания. У кондитеров нет практически другого средства получить минус 12–18 °C, которые необходимы для изготовления мороженого. Врачи часто используют лед как незаменимое лекарство. Мясники и содержатели гостиниц едва ли смогут отказаться от этого средства хранения мяса… В химическом производстве лед широко применяют для кристаллизации солей, или, говоря более строго, для разделения различных веществ с помощью холода. Пропорционально растущему спросу увеличиваются заготовки льда зимой. Северная Америка в потрясающих количествах поставляет лед в Центральную и Южную Америку, в Индию. Лед из Норвегии идет в английские и германские порты Северного моря.

Однако наука подсказывает, как производить этот необходимый продукт искусственно!»

Холодильные машины интересовали всех, и недоверие к ним испытывали многие. Сейчас смешно об этом узнавать, но даже в 1890 годах всерьез утверждалось, что содовая вода и мороженое, хранящиеся в холодильных складах и изготовленные с помощью искусственного льда, вредны для здоровья. Замороженные продукты считались тогда безнадежно испорченными, и решение администрации одной кондитерской фабрики выпекать кексы из замороженных продуктов считалось в те годы безрассудной смелостью. Только трудности снабжения продуктами, которые стали тогда препятствием для развития больших городов, заставили преодолеть косность и предрассудки. Во многих странах строительство холодильников предписывалось законом. Поистине спасительное решение, ибо без холодильных машин едва ли смогли возникнуть крупные современные города.

Сейчас трудно поверить, что каких-нибудь 100 лет назад путешествие на корабле было сопряжено со значительным изменением меню. Из рациона питания исчезали свежее мясо, фрукты, масло. А если вспомнить, что консервы — изобретение тоже не очень старое (его сделал француз Н. Аппорт, получивший за свой способ консервирования в бутылках премию от Наполеона), то становится ясно, сколь скуден был тогда набор долгохранящихся продуктов — солонина, сухари, копченья. И эта скудость была, вероятно, не последним лишением, от которых страдали матросы великих мореплавателей, открывавших 200–500 лет назад новые земли.

«Едва ли кто-нибудь захочет есть консервы и солонину после того, как попробует блюда, приготовленные из замороженного мяса» — это заключение экспертов прекрасно объясняет, почему сейчас холодильная техника — основа пищевой индустрии. Здесь применяются главным образом машины, работающие на парах летучих жидкостей и понижающие температуру до минус 20–30 °C.

Замораживание и хранение мяса, рыбы, овощей, хотя и очень важное, но далеко не единственное применение холода в пищевой промышленности. Холодильные машины незаменимы при изготовлении многих продуктов питания. Именно благодаря им мороженое, которое в XVIII веке было деликатесом, доступным лишь немногим, сейчас стало продуктом массового потребления. Холод необходим и для изготовления напитков и концентрированных соков. В свое время мощный толчок развитию холодильных машин дало пивоварение, где процесс брожения идет при 7—12 °C. Чтобы поддерживать температуру в этих пределах, надо отводить выделяющееся при брожении тепло. Охлаждение требуется и в изготовлении вин, шоколада, конфет. Для перевозки замороженных продуктов пришлось создать суда, вагоны, автомобили, снабженные холодильными установками.

Очень скоро холодильные машины из пищевой промышленности перекочевали в другие отрасли. Химики, например, используют их во всех случаях, когда им надо замедлить реакцию, изменить растворимость, ожижить газ, вызвать кристаллизацию и отвердение жидкости. В обработке нефти холодильные машины регулируют процесс перегонки, в производстве искусственного каучука без них невозможно проведение некоторых промежуточных реакций. Пониженные температуры нужны в производстве целлюлозы — сырья для изготовления бумаги, искусственных тканей, целлофана, лаков, пластиков, взрывчатых веществ. Без холода были бы невозможны очистка и ожижение газов, производство желатина и клеев, очистка масел, изготовление красителей и лекарств.

Немного позднее холод заинтересовал металлургов, которые попытались приспособить холодильные машины для удаления влаги из воздуха, подаваемого в промышленные печи. Потом их стали применять для охлаждения электродов дуговых печей, электролитических ванн, эмульсий и масел, применяемых при обработке металла резанием.

Не забыто и самое первое применение холодильных машин — получение искусственного льда. Несмотря на быстрое распространение холодильников, потребление льда не только не сократилось, но продолжает расти. Больше того, для льдо-делательных машин появилось и новое, необычное применение. Холодильные машины еще раз бросили вызов природе: их приспособили для парадоксальной задачи — для изготовления летних катков, на которых спортсмены и артисты могли бы тренироваться и выступать даже жарким летом. Другое, гораздо более важное возможное применение — это опреснение морской воды вымораживанием. При замораживании соленой воды сначала получается пресный лед. Если его отделить от рассола, а потом расплавить, мы можем получить пресную воду — вот суть одного из самых перспективных методов снабжения водой тех районов земного шара, которые страдают от ее недостатка. Есть, наконец, и не совсем обычные льдоделательные машины, которые вовсе не производят льда, вернее, производят, но такой, что его никуда не приспособишь. Одна из таких машин применяется для устранения аварий в водопроводах. Если где-нибудь лопнула труба, с помощью холодильной машины воду замораживают в месте разрыва, течение прекращается и не мешает ремонтникам работать. Примерно так же можно устранить опасность обрушения при проходке тоннелей и шахт в водоносных грунтах. Предварительно в скважины, пробуренные вокруг будущей шахты, опускают трубы, по которым прокачивается холодный рассол. Грунт замерзает, образуя невидимый ледяной барьер, преграждающий грунтовым водам доступ внутрь котлована.

Пожалуй, уже того, что здесь перечислено, достаточно, чтобы убедиться: холодильная техника действительно оказала огромное влияние на жизнь человечества. И тем не менее мы не рассказали о еще одном, очень важном применении тепловых машин — о кондиционировании воздуха.

Почему холодные районы земного шара, где большую часть года стоят жестокие морозы, оказались более приспособленными для жизни людей, чем знойные пустыни? Почему в холодных северных странах живут люди, существуют города? Почему действие холода не столь губительно и опустошительно, как действие жары?

Оказывается, это происходит потому, что человеку гораздо легче защитить свое тело от холода, чем от зноя. Одежда из 62 оленьих шкур, в которую укутан ненец, в самую суровую стужу сохраняет вокруг его тела тонкую прослойку воздуха, столь же влажного и горячего, как воздух амазонских дебрей. Чтобы зимой воспроизвести в своем доме кусочек тропиков, северянину достаточно натопить печку. Южанину, рискнувшему обживать пустыню, пришлось бы охлаждать помещение, а это — потруднее, чем нагревать. Во-первых, ему понадобилась бы холодильная машина, которую надо еще придумать и построить. А во-вторых, нужна механическая или электрическая энергия, чтобы привести ее в действие. И то и другое стало доступно каких-нибудь 50 лет назад. На заре же развития человечеству не оставалось иного пути, кроме движения из тропиков на север, в холодные районы.

Казалось бы, первое, что должно было прийти в голову, когда появились холодильные машины, начать охлаждать дома в жарких районах. Но в действительности, как мы знаем, все развивалось иначе. Сначала холодильники приспособили для изготовления искусственного льда, потом для замораживания продуктов, потом… И только в начале нашего столетия, когда холодильные машины достигли высокой степени совершенства, появилась идея применять их для регулирования температуры воздуха в производственных помещениях.

Почему в производственных? Да потому, что человечество расселилось в таких районах, где климатические условия не угрожали существованию и нормальной жизнедеятельности организма. А когда появились и развились производства и промышленность, оказалось, что климатические условия, устраивающие человека, далеко не всегда благоприятны для технологических процессов. Скажем, влажный и сравнительно теплый климат Англии очень благоприятен для текстильной промышленности. А странам с сухим климатом, с резкими колебаниями температуры воздуха текстильная промышленность противопоказана.

Влажность и температура воздуха влияют на качество продукции не в одной лишь текстильной промышленности. Бумага, на которой печатают газеты, книги, репродукции, тоже очень чувствительна к влажности и температуре воздуха. Если во время печатания эти параметры не выдерживаются в нужных пределах, бумага садится, вытягивается, коробится, скручивается. Краска на нее ложится плохо, не точно, не просыхает, жухнет. Но хуже всего то, что бумага требует разных условий на складах и в цехах. Погода, чрезвычайно благоприятная, скажем, для хранения бумаги на складе, может оказаться неподходящей для процесса печати и т. д.

На кондитерских фабриках дело обстояло не лучше. Были времена, когда из-за неподходящей погоды приходилось останавливать фабрики на недели, а то и месяцы и, как говорится, «ждать у моря погоды». И здесь та же картина — плиточный шоколад, шоколадные конфеты с начинкой, карамели, леденцы требуют разных температур и влажностей. А выдерживать их в нужных пределах трудно еще и потому, что вся электроэнергия, потребляемая фабриками, выделяется в виде теплоты в производственных помещениях. И выделяется ее иногда так много, что зимой можно даже не топить. Зато летом отводить это тепло невозможно без холодильных машин.

Таким образом, еще до того как встал вопрос об освоении пустынь, холодильные машины освободили крупнейшие области производства от слепой игры климатических условий. Установки для регулирования влажности и температуры воздуха — их стали называть установками для кондиционирования воздуха — с текстильных и кондитерских фабрик позднее перекочевали во многие другие отрасли производства. На фабрики, изготовляющие фотоматериалы, где сырье быстро разлагается при повышенной температуре и влажности. На фармацевтические фабрики, где от температуры изготовления зависят целебные качества лекарств. В машиностроение, где невозможно изготовлять сверхточные детали и измерительные приборы без строгого регулирования температуры в цехе. В музеи, где кондиционеры создают условия, необходимые для сохранения произведений искусства.

С 1920-х годов машины, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха в помещении независимо от по-64 годы на улице, начали устанавливать в театрах, в магазинах, гостиницах, учреждениях, ресторанах и жилых домах. Вот тогда-то и настала очередь пустынь, ибо отпало главное препятствие для строительства крупных городов в этих местах земного шара. Города, возникшие после второй мировой войны в преддверии американских пустынь, разрастаются с феноменальной быстротой, ибо для жителей они представляют гораздо больше удобств, чем города севера. Улицы этих городов не нужно очищать от снега. Зимой здесь не надо топить, здесь — всегда солнце, не нужна зимняя одежда. Больше того, солнечные лучи в пустыне несут так много энергии (больше 1 л. с. на 1 м²), что ее может хватить для охлаждения помещений днем и для подогрева — ночью. Вот почему некоторые специалисты считают, что человечество сейчас стоит на пороге пустыни, готовясь к тому, чтобы обжить ее. И сделать это было бы невозможно без тепловых машин, работающих в режиме охладителей.

Итак, мы уже ознакомились с двумя областями применения тепловых машин. Это — тепловые двигатели, совершающие механическую работу за счет разности температур, и холодильные машины, понижающие температуру в изолированном объеме ниже температуры окружающей среды за счет затраты механической работы.

В 1852 году лорд Кельвин предложил еще одно применение для тепловой машины. Он предложил с ее помощью отапливать помещения. Тепловой насос — так Кельвин назвал такую установку — охлаждает холодный уличный воздух и передает полученное тепло при более высокой температуре воздуху в помещении. Конечно, такой противоестественный переход теплоты от холодного тела к нагретому не дается даром: как и холодильная машина, тепловой насос потребляет механическую работу. Решив сравнить отопление с помощью теплового насоса и непосредственного нагрева за счет сжигания топлива, Кельвин получил удивительные результаты. Образно выражаясь, каждая единица механической работы, подведенная к идеальному тепловому насосу, прежде чем пасть в отапливаемое помещение, «прихватывала» 5–8 единиц теплоты из уличного воздуха. Поэтому 427 кг/м работы на входе в насос превращалось в 6–9 ккал тепла, отведенного на выходе. Одна же килокалория, выделяющаяся при сжигании некоторого количества топлива, ничем не «обрастает» и остается одной килокалорией. Разумеется, Кельвин делал различие между 427 кг/м механической работы и 1 ккал, получающейся при сжигании топлива. Уж кто-кто, а он понимал: это не одно и то же. Но вот какой примерно расчет убедил Кельвина в том, что им изобретен перспективный способ отопления.

Как это ни удивительно, Силач может справиться с отоплением лучше, чем Огнепоклонник Это можно пояснить с помощью гидравлической аналогии Пусть нужно заполнить водой бак, расположенный на высоте 1 м над уровнем моря. В распоряжении наших героев есть источник воды, расположенный выше уровня моря на 100 м. Проще всего соединить оба бака трубой и перелить из верхнего в нижний 1 м3. Но посмотрите, во что обошлась эта простота! 99 тыс. кг. м механической работы растратились зря, превратившись в теплоту в нижнем баке. Печка — это как раз и есть такое «простое решение». Ведь топливо сгорает при 1000 °C, а в комнате нужно поддерживать всего 20 °C. При печном отоплении перепад температур в 980 °C растрачивается впустую, идет на увеличение энтропии. Именно так и действует Огнепоклонник.

Силач же предлагает более сложное, но более эффективное решение. Надо воду из верхнего бака сливать в море через водяную турбину, соединенную с насосом. Насос засасывает воду из моря и поднимает ее на высоту всего 1 м. В идеальном случае каждый килограмм воды из верхнего бака отдает турбине 100 кг. м А этих 100 кг. м, приложенных к насосу, хватает на то, чтобы поднять с уровня моря на высоту 1 м 100 кг воды! Значит, всего 10 кг воды из верхнего бака окажется достаточно для того, чтобы заполнить нижний, емкостью в 1 м3. Тепловой насос выполняет точно такую же работу, как насос в нашем примере, а тепловой двигатель играет роль водяной турбины.

Мы уже говорили, что, сжигая какое-то количество топлива в печке, можно подвести к воздуху в комнате, скажем, 1 ккал тепла. Если то же количество топлива сжечь в топке теплового двигателя, то в механическую работу удастся превратить лишь часть этого тепла, ну, процентов 20, что эквивалентно 85 кг/м. Подведем теперь эти 85 кг/м к тепловому насосу, и он «накачает» в помещение минимум в 6 раз больше теплоты, то есть 6X85 = 510 кг/м, или 1,2 ккал. Вместо 1 ккал — 1,2 ккал. Выходит, с точки зрения отопления выгоднее сжигать топливо не прямо в печке, а через цепочку «тепловой двигатель — тепловой насос».

Кельвин не ограничился только расчетами. Больше ста лет назад он сделал попытку, осуществить отопление с помощью теплового насоса. Но, увы, воздушная машина, которую он пытался приспособить для этой цели, оказалась слишком неэкономичной, большой по размерам и ненадежной. Она не смогла, конечно, конкурировать с дешевым углем. Эта идея была оставлена почти на 100 лет.

Специалисты, которые в прошлом столетии разрабатывали и совершенствовали холодильное оборудование, едва ли подозревали о том, что они своей работой подготавливают возрождение идеи, предложенной Кельвином. Ведь холодильная машина и тепловой насос — это один и тот же механизм, и обычный домашний холодильник — прекрасная отопительная система. Работая, он нагревает воздух в помещении, передавая ему превращенную в тепло механическую работу, совершенную электродвигателем, и тепло, отнятое у продуктов в камере холодильника. Чтобы улучшить экономичность такой холодильной машины и превратить ее в настоящий тепловой насос, надо охлаждать не продукты, а воду, почву или атмосферный воздух.

В странах с суровыми зимами невыгодно пользоваться атмосферным воздухом, ибо температура такого источника понижается, уменьшая эффективность теплового насоса как раз тогда, когда потребность в отоплении — наивысшая. Гораздо удобнее погружать змеевики теплового насоса на дно реки или озера. Здесь даже в самый трескучий мороз температура всегда постоянна — около 4 °C. Если же поблизости рек и озер нет, то змеевики можно закопать глубоко в землю: здесь температура тоже не зависит от времени года.

В крупных городах можно найти еще более удобные источники тепла. Например, многие химические фабрики выбрасывают воду, нагретую до 25–36 °C. Бани, гостиницы, рестораны сбрасывают горячую воду, содержащую почти 90 % подведенного к ним тепла. Источником тепла для тепловых насосов может стать теплый воздух, который нагревается, охлаждая трансформаторы подстанций.

Отопление, конечно, не единственная область применения тепловых насосов. С их помощью можно нагревать воду, получать пресную воду из морской, точно регулировать температуру различных процессов в химической промышленности. И если они применяются еще довольно редко, то лишь потому, что тепловой насос гораздо дороже печки, а электроэнергия, которую он потребляет, гораздо дороже дров или угля. Но там, где электроэнергии много и она дешева, тепловые насосы успешно конкурируют с обычными системами отопления. Самое ценное достоинство теплового насоса, сулящее ему большие перспективы в будущем, это то, что он, в отличие от печки, обратимая машина. Он может «накачивать» тепло в помещение, если нам холодно, может «откачивать» его, если нам жарко, с помощью одного и того же механизма. Сравнительно просто произвести такое переключение, превращающее отопитель в охладитель. Но ведь это же идеальный кондиционер! Он может работать круглый год, зимой — нагревая воздух, летом — охлаждая его. И не случайно в последнее время возродился интерес к тепловым насосам.

Самый совершенный тепловой насос — лишь первый, хотя и важный шаг на пути создания благоприятной для человеческого организма окружающей среды. Системы кондиционирования в будущем смогут, по-видимому, регулировать не только температуру, давление и влажность воздуха, но и содержание в нем различных ароматических веществ, влияющих на самочувствие, настроение и работоспособность человека. Это практически полностью освободит человечество от влияния даже самых суровых климатических условий, и разница между жизнью в теплом умеренном климате и жизнью в пустыне, в тундре, под землей или в космосе исчезнет. И в расселении человечества в пределах и за пределами земного шара не обойтись без теплового насоса — изобретения, которое сто лет назад было признано не представляющим интереса.

Рассказывают, был как-то в Баварии необычный судебный процесс, возбужденный владельцем пивной против соседа, который… бесплатно снабжал его энергией. Это на первый взгляд нелепость: судиться из-за того, что вам преподносят подарки. Но на самом деле можно понять кабатчика и его возмущение. Он имел неосторожность проложить трубопровод, по которому охлажденный рассол подавался от холодильной машины в подвал его пивной, через погреб соседа. Последний поспешил воспользоваться случаем, содрал тепловую изоляцию с трубы и стал даром охлаждать свой погреб. Владелец пивной быстро догадался, в чем дело: его пиво стало охлаждаться хуже, а показания электросчетчика увеличились. Он подал в суд, однако судья отклонил иск. «Кража — это незаконное присвоение предмета, — объяснил он — А ваш сосед не присваивал у вас никаких предметов». Тогда кабатчик обвинил соседа в краже энергии, но судья отклонил и это обвинение. Ведь сосед не отнимал теплоту от трубы, а, наоборот, «жертвовал» ее из своего погреба в пользу кабатчика. Так что последнему, в сущности, надо было бы еще даже приплачивать соседу.

Неизвестно, конечно, был такой случай на самом деле или нет, но в нем ярко выявлен парадокс, с которым давно уже сталкивались ученые и инженеры. Или, точнее, с которым сталкивались ученые по вине инженеров…

Вальтер Нернст — открыватель III начала термодинамики — как-то сказал в шутку, что эффект, требующий точности измерения, большей, чем 10 %, не заслуживает того, чтобы быть исследованным. Основоположников термодинамики трудно упрекнуть в том, что они не следовали этому правилу. Промышленность и техника стояли у ее колыбели. Эксперименты с пушечными стволами и паровыми машинами давали отнюдь не труднонаблюдаемые эффекты. Этот «инженерный дух» сохранился в понятиях и формулировках термодинамики и до наших дней, придавая ей основательность, практичность и трезвость прикладной науки. Цена этих достоинств — утрата всеобъемлющей общности термодинамических законов — долгое время не давала о себе знать. Но с течением времени узость понятий, несомненно, удачных с практической точки зрения, начала тормозить развитие этой науки. И понадобилось вмешательство ученых, для того чтобы восстановить былую стройность.

Трудно сказать, кто впервые ввел в обиход понятие КПД — коэффициент полезного действия. Но как бы там ни было, эта величина оказалась поначалу на редкость удобной и простой для оценки совершенства различных механизмов. А какими механизмами раньше всего начали пользоваться в технике? Простейшими — рычагами, клиньями, винтовыми и зубчатыми передачами, блоками и т. д. Все это — преобразователи механической мощности, позволяющие увеличивать силу или момент за счет соответствующего уменьшения скорости или угловой скорости. При всех таких изменениях произведение силы на скорость или момента на угловую скорость остается постоянным. Но это только в идеальном случае, когда нет трения. Когда трение есть, часть мощности превращается в теплоту, и на выходе мощность оказывается меньше, чем на входе. Отношение мощностей на выходе и на входе и есть коэффициент полезного действия — КПД. Ясно, что чем ближе эта величина к единице, тем совершеннее механизм. В идеальном случае, когда нет трения, КПД всех механических преобразователей становится равным единице.

КПД оказался на редкость удачным понятием. Его удалось с успехом применить позднее для оценки и сравнения электрических машин: электромоторов, электрогенераторов, трансформаторов. И здесь в идеальном случае он был равен единице. А в реальном — немного поменьше из-за нагревания обмоток, сердечников, подшипников.

КПД пригодился и для оценки насосов, гидравлических турбин, конденсаторов, расширителей — детандеров. И здесь зависимость оставалась прежней — в идеальном случае КПД был равен единице. Все это как будто убеждало: КПД — универсальное понятие. Если он равен единице, преобразователь — идеальный и работает без потерь.

С помощью тепловых машин Силач и Огнепоклонник смогли с успехом выполнять обязанности друг друга.

А — Огнепоклонник с помощью огня и тепловой машины получает механическую работу. Для этого газ с температурой, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его давление и температура возрастают. Затем газ изохорно нагревается 2–3, и его температура и давление возрастают еще больше. После этого газ адиабатически расширяется 3–4, совершая механическую работу. Часть ее идет на сжатие холодного газа, а оставшийся избыток и составляет полезную работу двигателя. Расширившийся, но еще нагретый газ изохорно охлаждается 4–1 для последующего сжатия. В тепловом двигателе главный интерес для нас представляет полезная работа, изображающаяся площадью 1-2-3-4. Эффективность же двигателя оценивается с помощью КПД= пл. 1-2-3-4/пл. 6-2-3-5. Очевидно, что эта величина никогда не может быть больше 1.

Б — Силач с помощью механической работы и тепловой машины может повышать и понижать температуру. Для этого газ при температуре, близкой к атмосферной, адиабатически сжимается 1–2, и его температура и давление возрастают. Затем от этого газа изохорно отводят теплоту 2–3, так что его температура и давление уменьшаются. После этого охлажденный газ адиабатически расширяют до температуры ниже атмосферной 3–4, и совершаемая им при этом механическая работа частично компенсирует затрату работы на сжатие от внешнего источника. Далее, к охлажденному ниже атмосферной температуры газу подводится теплота 4–1.

Такая тепловая машина в отличие от теплового двигателя не производит механическую работу, а потребляет ее. Взамен же она дает возможность повышать или понижать температуру тех или иных тел. Если нам нужен холод, то машину называют холодильной. В ней нас интересует прежде всего холодопроизводительность, изображаемая на диаграмме площадью 6-1-4-5. Совершенство холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом, который равен пл.6-1-4-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий холодильный коэффициент может меняться от нуля до бесконечности.

Если же нам нужно нагревание, то та же самая машина именуется тепловым насосом, полезный эффект которого оценивается площадью 6-2-3-5. Совершенство теплового насоса оценивается коэффициентом производительности, равным пл.6-2-3-5/пл.1-2-3-4. В зависимости от условий этот коэффициент может меняться от 1 до бесконечности.

Все было хорошо до тех пор, пока в игру не включились тепловые машины. С их появлением вся общность понятия КПД пошла насмарку. Мы уже знаем, с каким трудом удалось увязать опыты Румфорда и Джоуля с идеальным двигателем Карно. Но эту увязку едва ли можно считать удачной. Посмотрите, как в самом сжатом виде описывается теперь положение дел.

Для всех идеальных двигателей, кроме тепловых, КПД равен единице. А вот для тепловых двигателей, даже для идеальных, он всегда меньше единицы и зависит от температуры источника теплоты и окружающей среды. В применении к оценке работы холодильных машин и тепловых насосов КПД вообще утрачивает всякий смысл. В общем случае, чтобы вычислить КПД, надо работу на выходе из машины разделить на работу на входе. На выходе идеальной холодильной машины — холодопроизводительность — теплота, отводимая из холодильной камеры. На входе — механическая работа, затрачиваемая на привод компрессора. Величина, получаемая при делении холодопроизводительности на механическую работу, в зависимости от температуры в холодильной камере и температуры окружающей среды может изменяться от нуля до бесконечности. Назвать ее КПД ни у кого не повернулся язык, поэтому ей дали название холодильный коэффициент и с общего молчаливого согласия приняли: для холодильных машин понятие КПД неприменимо. Тепловой насос вообще не оставил от КПД камня на камне. Если холодильный коэффициент может быть равным и нулю, и единице, то отношение теплоты на выходе к работе на входе для тепловых насосов всегда больше единицы и тоже может достигать бесконечно больших значений в зависимости от температур в нагреваемом помещении и на улице. Такое отношение уж и вовсе неудобно было бы называть КПД, поэтому в теории тепловых насосов вместо КПД пользуются термином коэффициент преобразования.

Но и это не все. Попробуйте вычислить КПД электрической спирали, погруженной в бак с водой. Вы убедитесь, что он равен единице. Спираль, сунутая в воду, оказывается более экономичным устройством, чем тщательно вылизанная и выверенная газовая турбина!

В чем же дело? Почему КПД — понятие, удобное для оценки различных процессов и механизмов, утрачивает смысл, как только речь заходит о тепловом движении?

Это произошло потому, что необходимость в понятии КПД возникла прежде всего у техников. Их мало интересовали логические тонкости. Что бы там ни происходило внутри машины, для практика важно знать одно: на выходном валу реальной зубчатой передачи мощность всегда меньше, чем на входном. Это справедливо для винтовой передачи, электромотора, трансформатора и т. д. КПД, вычисленный как отношение энергии на выходе и на входе, показывал, какая часть энергии теряется.

Но почему же, когда попытались применить КПД к тепловым процессам и машинам, все получалось так неудачно? Оказывается, не учитывая теплоты при вычислении КПД реальных механизмов, практики интуитивно, не отдавая в этом отчета, сопоставляли эти механизмы с идеальными, работающими без потерь. По их мнению, утверждение: КПД зубчатой передачи 95 %, должно обозначать: мощность на выходном валу зубчатой передачи на 5 % меньше, чем на входном. На самом же деле такое утверждение означает: идеальная, работающая без потерь зубчатая передача для выполнения той же работы и в таких же условиях потребует на 5 % меньше мощности.

Казалось бы, между двумя толкованиями нет принципиальной разницы. Но это не так, ибо первое, будучи применимо к идеальным тепловым машинам, разом уничтожает всю притягательность, и общность понятия КПД заставляет вводить холодильный коэффициент и коэффициент преобразования, могущие достигать бесконечных значений, и т. д.

Второе толкование, напротив, вносит ясность в понятие КПД и спасает от той неразберихи, о которой говорилось раньше. Оно показывает, что КПД нет смысла применять для идеальных машин. В обратимом мире, как мы уже выяснили, все механизмы дают максимум того, что они могут дать, и смешно требовать от них большего. Гораздо разумнее принять идеальные механизмы за эталон для сравнения с реальными. Тогда мы увидим, что понятие КПД рождается, образно говоря, на стыке реального и идеального миров. Смысл КПД — показывать, насколько реальная машина приближается к идеальной, работающей в точно таких же условиях и выполняющей точно такую же работу.

Главное, что отличает реальную машину от идеальной, — это потери, вызванные необратимым переходом различных форм движения в тепловое, и выравнивание температур путем теплообмена без совершения работы. Что же происходит в мире при протекании таких необратимых процессов? Энергия, как мы выяснили, остается постоянной. А что меняется?

В свое время лорд Кельвин не пожелал пользоваться выдуманной Клаузиусом энтропией и предпочитал ей понятие работоспособности. Представьте себе, что в какой-то момент на нашей планете сразу выключились все источники необратимости. Тогда в химическом топливе, в воде, находящейся выше уровня океана, в движущихся по инерции телах, нагретых до температуры выше окружающей среды веществах окажется запасенным огромное количество механической энергии. В этом обратимом мире все формы движения могут бесконечно долго без всяких потерь переходить друг в друга, но общее количество этой энергии сохраняется неизменным. Включим теперь источники необратимости — количество работы начнет уменьшаться. И когда все придет к одинаковой температуре, опустится на один уровень, равномерно перемешается, когда электрический потенциал станет всюду одинаков, короче говоря, когда все мыслимые интенсивные параметры выравняются — запас работы станет равным нулю. Хотя энергия останется неизменной, в результате таких процессов исчезнет как раз то, что Кельвин называл работоспособностью и что сейчас, по предложению немецкого ученого Э. Ранта, стали именовать эксергией.

Эксергия — это та часть общей энергии тела, которая в данных условиях может быть превращена в работу. Эксергия учитывает не только параметры самого вещества или системы, но и параметры окружающей среды. Скажем, энергия одного килограмма воды, находящейся на поверхности океана, огромна, если считать ее по отношению к центру земли. Но превратить ее в работу невозможно: средний уровень Мирового океана аннулирует способность этого килограмма совершать работу. Вот другой пример: в баллоне, из которого выкачан воздух, нет никакой энергии. Однако эксергия его больше нуля: открыв клапан, мы можем создать поток воздуха внутрь баллона, поставить газовую турбинку на его пути и заставить окружающую среду совершать работу.

Если на улице температура 293 К, то газ с такой температурой имеет эксергию, равную нулю, хотя его энергия относительно абсолютного нуля довольно велика. А газ при 100 К, обладающий втрое меньшей энергией, имеет эксергию, отличную от нуля. Соединив с ним окружающую среду через идеальную тепловую машину, мы можем использовать эту разницу температур для получения механической работы. Теперь нетрудно понять, что сметливый сосед крал у простодушного баварского лавочника не энергию, как доказывал тот, а эксергию, работоспособность.

При любых изменениях в обратимом мире эксергия остается постоянной. Необратимые процессы — вот истинные «пожиратели эксергии», непрерывно уменьшающие ее запас. Это наводит на мысль, что между эксергией, которая уменьшается в необратимых процессах, и энтропией, которая в них увеличивается, есть какая-то связь. Такая связь действительно существует, но только в тех случаях, когда происходит возрастание энтропии вследствие необратимого процесса. Скажем, подводя обратимо теплоту к телу, мы увеличиваем его энтропию, но эксергия не меняется. Если же нагревать предмет необратимо — энтропия возрастает, а эксергия уменьшается. Следовательно, уменьшение эксергии связано не вообще с увеличением энтропии, а лишь с увеличением энтропии в необратимых процессах.

Понятие эксергии избавляет нас от необходимости каждый раз сравнивать реальный механизм с точно таким же и работающим в таких же условиях идеальным. Теперь достаточно эксергию на выходе из механизма разделить на эксергию на входе, чтобы получить КПД. Этот КПД для всех машин, в том числе и тепловых, меньше единицы, и чем он ближе к единице, тем меньше отличается механизм от идеального.

Основные источники потерь тепловой электростанции Силачом и Огнепоклонником оцениваются по-разному. Так, считая только по ЭНЕРГИИ, Огнепоклонник полагает, что главный источник потерь на электростанции — конденсатор. Силач же, считая по ЭКСЕРГИИ, видит: главный источник потерь — котел. И Силач прав — именно в совершенствовании котлов, в повышении параметров пара — столбовой путь развития энергетики.

Эксергия вносит ясность в понимание работы тепловых машин, она реабилитирует некоторые части тепловых установок и находит истинных виновников потерь. Например, долгое время считалось, что главные потери паровой установки — это теплота, отдаваемая в конденсаторе охлаждающей воде. И действительно, в конденсатор уходит почти половина теплоты, полученной рабочим телом в котле. Котел, наоборот, считался самой экономичной частью установки: КПД, подсчитанный по энергии, получался 96–98 %. Но стоило проследить, что происходит с эксергией, и стало ясно: конденсатор надо реабилитировать, это одна из самых экономичных частей установки, в которой эксергия уменьшается всего на 3 %. И это понятно, температура в конденсаторе всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Истинный же виновник потерь — котел.

В раздельном существовании топлива и кислорода запасено некоторое количество эксергии. Если провести реакцию окисления обратимо, с помощью идеального топливного элемента, мы не уменьшим этого первоначального количества эксергии. Если же мы сожжем топливо, то эксергия уменьшится. Насколько? Это зависит от температуры получившихся газов. В топке котла температура бушующего факела достигает 1500–1800 °C, а температура пара перед турбинами в лучшем случае достигает всего 600 °C. Теплообмен с перепадом в 900— 1200 °C — вот второй источник потерь в котле. А в общей сложности котел «пожирает» около половины эксергии. Теперь мы новыми глазами можем взглянуть на тепловые машины. Эксергия показывает нам, что всюду, где существуют большие перепады температур, таятся источники потерь: в котлах, в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, между нагретыми газами и охлаждаемыми водой стенками цилиндра, в камерах сгорания газовых турбин. Теперь нам нетрудно понять, сколь расточительно и убыточно печное отопление: при сгорании дров температура 800 °C, а в комнате надо поддерживать 25 °C. Не удивительно, что тепловые насосы имеют немалые перспективы на будущее.

Эксергетический анализ подсказывает и пути устранения потерь в тепловых машинах: разницу температур между теплообменивающимися средами надо всемерно уменьшать. Можно, например, подогревать воздух, идущий в камеру сгорания, за счет выхлопных газов. Тогда перепад температур между факелом и воздухом получится меньше, следовательно, КПД увеличится. Такой прием называют регенерацией. Впервые примененный в прошлом веке шотландцем Стирлингом и шведом Эриксоном, этот способ нашел широкое применение в паровых и газотурбинных установках. Но наибольший успех выпал на долю двигателей Стирлинга и Эриксона с регенераторами в наши дни. Оказалось, что такие двигатели в принципе имеют такую же экономичность, как и двигатели Карно. Однако они не требуют чрезмерно высоких давлений, сравнительно невелики и легки, и именно поэтому к ним во многих странах проявляется повышенный интерес.

Итак, эксергия позволила устранить противоречия и трудности, с которыми столкнулись, говоря о КПД тепловых машин.

Но всюду, где полезное действие основано на использовании необратимости, КПД теряет смысл. Академик А. Харкевич, кажется, первый обратил внимание на серьезные противоречия в понятии КПД. «Чем больше размышляешь о классическом определении КПД, — писал он в 1964 году, — тем больше недостатков в нем находишь. Величина КПД по определению меньше единицы. Это значит, что некоторую долю энергии мы всегда теряем. Единственное, на что годится КПД с его фальшивой универсальностью, — это характеризовать величину потерь… Но КПД никогда не характеризует полезного действия». В самом деле, человеку нужна не энергия сама по себе, а ткани, пища, книги, материалы и т. д., которые с помощью энергии можно получить. Изготовление этих и многих других полезных предметов и вещей возможно только благодаря необратимости. А обратимый мир, будучи чрезвычайно благоприятным местом для получения, преобразования и передачи энергии, не предоставляет никаких возможностей для потребления этой энергии. В нем не могут работать никакие устройства, полезное действие которых основано на необратимости. Для реальных ткацких, бумагоделательных, печатных и других станков нет идеального прототипа, их не с чем сравнивать и потому невозможно оценивать с помощью КПД.

Наш реальный необратимый мир гораздо богаче возможностями, чем мир идеальный, обратимый. И именно поэтому сфера приложимости КПД по необходимости ограничена. Есть в живой природе множество удивительных устройств, которые именно благодаря необратимости происходящих в них процессов позволяют живым существам слышать, видеть, осязать окружающий мир. Есть в технике приборы, позволяющие увидеть, к примеру, инфракрасное, ультрафиолетовое или рентгеновское лицо мира. Есть, наконец, устройства, в которых необратимость позволяет проще и надежнее решить проблемы, головоломные для обратимого мира. Эти устройства бессмысленно оценивать с помощью КПД. Но в энергетике, в преобразовании различных форм движения эксергетический КПД незаменим.