Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки

От НАУКИ К ЧУДУ

Вот ещё один случай увлечения вечным двигателем второго рода, возникший в середине шестидесятых годов ХХ века.

Корни этого заблуждения надо искать в такой обидной ситуации, как безвозвратные потери тепла в мировом пространстве: как ни топи помещение, а тепло уходит через окна, стены, пол, потолок! Не обидно ли топить улицу? И нельзя ли как-нибудь забирать обратно у зимней стужи награбленное ею добро? Чепуха? Пока ещё нет. Фактически нечто подобное осуществляет наш комнатный холодильник. Отбирая тепло от морозильной камеры с продуктами, он передаёт это тепло воздуху комнаты, в которой стоит. Нарушает ли он при этом Второй закон термодинамики? Нет. Переход тепла от холодного к тёплому идёт с затратой электроэнергии — холодильник питается от электросети.

Читатель, наверное, уже подумал: нельзя ли вынести морозильную камеру наружу, за стену дома, а теплообменник, обычно расположенный на задней стороне холодильника и передающий тепло в комнату, оставить внутри комнаты? И, отбирая тепловую энергию не от продуктов, а от окружающего воздуха, перекачивать её в комнату?

Многие, возможно, помнят газетную шумиху по поводу работ одной научно-исследовательской лаборатории. Речь шла о чудо-приборе, позволяющем отапливать дома за счёт тепла, отобранного у зимнего воздуха, реальном и полезном приборе, доказавшем свою эффективность. Сенсация вызвала всеобщий интерес, порождая надежды на получение неограниченных количеств бесплатной энергии. Многие решили, что наконец найдена возможность создания вечного двигателя.

Прежде чем вынести суждение, прежде чем отмахнуться от этого нового перпетуум-мобиле, попробуем найти то звено в рассуждениях, которое сбило с пути учёных. Проведём три мысленных эксперимента.

Предварительно включим в небольшой комнате электрическую плитку мощностью в один киловатт. Элементарный расчёт подскажет нам, что плитка, превращая электрическую энергию в тепловую, будет отдавать в комнату по двести сорок калорий каждую секунду.

Предположим теперь, что скорость повышения температуры комнаты будет при этом равна одному градусу в секунду. Конечно, такой быстрый подъём температуры не может длиться долго из-за всё возрастающей утечки тепла. Но для простоты ограничимся лишь начальным периодом.

Приступим теперь к нашим экспериментам.

Опыт первый.

Внесём в комнату кондиционер мощностью в один киловатт и поставим на столе. (Кондиционер подобен холодильнику, только он в жаркую погоду откачивает тепло от охлаждаемого помещения в более тёплое окружающее пространство, чтобы в комнате стало прохладнее, чем на улице. Кондиционер более удобен для нашего опыта, чем холодильник, потому, что он связан с внешним пространством своими обеими частями — и теплой и холодной.)

Включим его в электросеть и понаблюдаем за тем, как он работает. Мы убедимся в том, что с одной стороны из кондиционера выходит охлаждённый воздух, а с другой стороны — нагретый. Посмотрев на термометр, увидим, что при включённом кондиционере температура в комнате поднимается на градус в секунду (как в случае с электроплиткой). Повышения температуры следовало ожидать, так как вся энергия, затраченная двигателем кондиционера, в конце концов превращается в тепло и рассеивается в комнате.

Опыт второй.

Используем кондиционер по его прямому назначению. Установим его в предназначенный для него проём окна так, чтобы холодный воздух шёл в комнату, а нагретый наружу. Легко предвидеть, что температура в комнате будет понижаться.

Так и должно быть. Ведь двигатель и теплообменник кондиционера находятся за окном и отдают всё выделяющееся в них тепло внешнему воздуху, в то время как холодильный элемент находится в комнате и охлаждает её, отнимая тепловую энергию у воздуха, находящегося в комнате. Мы видим, что кондиционер перекачивает тепловую энергию из комнаты на улицу, охлаждая комнату до температуры более низкой, чем внешняя температура. Для передачи тепла от охлаждённого воздуха комнаты к жаркому летнему воздуху улицы приходится расходовать энергию в полном соответствии с законами термодинамики.

Её формулы дают нам возможность рассчитать этот процесс.

Если тепловая эффективность кондиционера составляет пятьдесят процентов, то температура в комнате будет понижаться со скоростью половины градуса в секунду. Термометр зафиксирует это понижение.

Опыт третий.

Теперь перевернём кондиционер так, чтобы нагретый воздух шел в комнату, а холодный наружу. При этом кондиционер превращается в электронагревательное устройство. Можно ли предсказать результат этого опыта? Конечно: комната начнёт нагреваться.

Кондиционер при этом играет роль электроплитки. Однако это утверждение описывает ситуацию лишь в общих чертах, это лишь качественное описание.

Количественный же расчёт покажет, что кондиционер, охлаждавший комнату в предыдущем опыте со скоростью в половину градуса в секунду, будет теперь нагревать её быстрее, чем электроплитка равной мощности. Он будет нагревать комнату со скоростью полтора градуса в секунду.

Для получения такого результата при помощи электрической плитки понадобился бы не один киловатт электроэнергии, а полтора киловатта ежесекундно. Но при работе нашего кондиционера электрический счетчик по-прежнему будет фиксировать каждую секунду затрату лишь одного киловатта!

Мы встретились с удивительной ситуацией, противоречащей нашему первоначальному опыту с электроплиткой: на каждый затраченный киловатт в комнату ежесекундно вносится не двести сорок калорий тепла, а триста шестьдесят. Но здесь нет ничего противоречащего законам природы, нет чуда.

В отличие от электроплитки, которая обогревает комнату только за счёт потребляемой из сети электроэнергии, кондиционер дополнительно перекачивает тепловую энергию с улицы, отбирая её у внешнего воздуха. Поневоле появляется желание воспользоваться таким способом для обогрева помещений.

Если бы речь шла только об этом, то следовало бы говорить об остроумном изобретении, дающем экономию топлива, но не противоречащем законам природы. Потому что эти законы отнюдь не запрещают экономить топливо или электрическую энергию. И это реально. Но от чудесного изобретения один шаг до «чуда», позволяющего безгранично черпать даровую энергию. Дальше мечты приобретают прожектёрское направление.

Итак, говорят нам, мы научились на каждый затраченный киловатт электроэнергии получать не 240, а 360 калорий тепла. Выигрыш — полтора к одному. Теперь нужно реализовать этот выигрыш! Сделаем следующий шаг. Превратим даровое тепло в электроэнергию. Что для этого нужно сделать? Для этого достаточно применить тепловую машину, которая будет ежесекундно преобразовывать 360 калорий тепловой энергии, выходящей из нашего кондиционера, в электроэнергию. Тогда, исходя из полученного выигрыша, затрачивая ежесекундно один киловатт, мы будем получать в полтора раза больше!

Итак, мы богачи. Теперь мы можем позволить себе один киловатт ежесекундно расходовать на поддержание работы кондиционера, а лишнюю половину киловатта можно использовать на другие нужды.

Замечательно, рассуждали горячие головы: комбинация кондиционера и тепловой машины не только может поддерживать свою работу, но даст совершенно даровую энергию! Вот он — вечный двигатель…

Теперь дело инженеров. Пусть они создадут огромный кондиционер мощностью в миллион киловатт и тепловую машину в полтора миллиона киловатт, соединят их между собой — и все разговоры об энергетическом кризисе канут в вечность.

Так или примерно так рассуждали энтузиасты, возбуждённые сенсационным и некритическим репортажем.

Но история — разборчивая красавица. Не легко добиться её благосклонности. В её музее два ряда полок. В первом хранятся каменный топор, прялка и другие, сыгравшие свою роль, но устаревшие орудия и машины. Проекты вечного двигателя лежат в другом ряду. Из второго ряда мы извлекли этот случай.

Где же просчёт? — спросит читатель. Всё так логично, достоверно, заманчиво! В чём же порок идеи?

Пока мы с цифрами в руках обосновывали возможность экономичного обогрева жилищ с помощью перекачивания тепла с холодной улицы в комнату, в этом не было порока или противоречия с законами природы. Противоречие возникло дальше. Оно пришло с попытками утилизировать это тепло. Пытаясь реализовать прибыль тепловой энергии, мы тотчас её потеряем.

Вспомним Сади Карно с его беспощадным выводом о невозможности полного преобразования тепла в другие виды энергии. Ещё раз сравним разные возможности, связанные с переходами одного вида энергии в другой. Кинетическая энергия летящей пули полностью обращается в другой вид энергии. Энергию пружины можно до конца затратить на поднятие груза. Каждая из этих форм энергий может быть утилизирована полностью.

Полностью, конечно, только в идеальном случае — при отсутствии трения. В действительности трение, электрическое сопротивление проводов или другие подобные процессы приведут к потере части энергии, к превращению её в тепло. Поэтому рано или поздно прекращаются колебания маятников, замолкают струны гитары и рояля. Но всегда эти потери можно уменьшить и преобразовать один вид энергии в другой почти полностью. Это справедливо для всех форм энергии. Только не для тепловой. На какие бы ухищрения ни пошли конструкторы тепловых машин, они всё равно не смогли бы полностью обратить тепло в работу. Лишь определённая доля тепла может быть превращена в механическую, электрическую или другой вид энергии. И с этим невозможно не считаться. И потери эти можно точно узнать заранее: мы уже знаем формулу, носящую имя Карно и написанную Клаузиусом. Она определяет коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины или, другими словами, предельный коэффициент лучшей реальной тепловой машины.

Пренебрежение формулой Карно приводит к печальным заблуждениям, к «сенсациям» и недоразумениям.

Порок системы, предназначенной для превращения дарового тепла в электроэнергию, состоит именно в том, что партнёром кондиционера должна быть тепловая машина. Экономия топлива при помощи обращённого кондиционера не сможет скомпенсировать потери энергии в лучших тепловых машинах. Работая в паре, они всегда будут работать в убыток.

Соединив между собой реальный кондиционер, реальную тепловую машину и реальный генератор электрического тока, мы не только не сможем получать от них избыточную энергию без затраты топлива, но и не сможем добиться того, чтобы они работали вечно, даже не вырабатывая даровой энергии. Этот неутешительный вывод справедлив и в случае, если мы попытаемся отказаться от комбинации тепловой машины с генератором электрического тока и заменим её лучшим из современных полупроводниковых термоэлектрических генераторов (сразу превращающим тепловую энергию в электрическую, минуя механическое движение). Такой термоэлектрический генератор тоже подчиняется принципу Карно и преобразует в электроэнергию тем меньшую долю тепла, чем меньше разность температур между двумя различными полупроводниками, совокупность которых образует полупроводниковый термогенератор тока. КПД такого генератора ограничивается и неизбежной утечкой тепла через границу этих двух полупроводников.

При обсуждении наших мысленных экспериментов следует учесть и то, что при попытках их реализации невозможно добиться увеличения КПД тепловой машины, заставляя кондиционер обеспечить необходимый для этого большой перепад температур. Чем больше требуемая разность температур, тем ниже тепловая эффективность кондиционера. Если нужно получить достаточно большую разность температур, то тепловая эффективность холодильной машины любого типа приблизится к нулю. Не поможет этому и попытка включить две холодильные машины в каскад одну за другой. Получаемая при этом разность температур не удвоится. Помимо прочего, этому помешают увеличивающиеся утечки тепла в механизмах и в теплоизоляции.

Автор просит читателей не пытаться проверять верность сказанного выше при помощи чисел, приведённых при описании наших мысленных экспериментов. Они выбраны лишь из соображений простоты (конечно, тепловой коэффициент 0,24 калории на джоуль соответствует действительности). Нужно учесть, что в наших мысленных экспериментах мы для простоты рассматривали только начальный период после включения холодильника или кондиционера, когда даваемая ими разность температур мала и можно не учитывать обратного потока тепла через стенки холодильника или стены здания. Эти потоки уменьшают тепловой эффект и ограничивают достижимую разность температур, что, при учёте формулы Карно, ещё более увеличивает потери в системе кондиционер — тепловая машина.

Следует подчеркнуть также, что всё сказанное относится к любым холодильникам или кондиционерам, как к наиболее распространённым, имеющим электродвигатель и компрессор, так и к термодиффузионным (не имеющим движущихся частей, а лишь нагреватель, теплообменник и испаритель, внутри которых циркулирует специальная смесь из жидкостей с низкой температурой кипения). Это же справедливо для систем, основанных на полупроводниковых элементах, которые превращаются из холодильника в нагреватель простой переменой направления проходящего через них постоянного электрического тока.

Для простоты рассуждений мы опустили много деталей процесса, упростили схему. Но мы уже знали, что можно опускать, так как учёные до нас проанализировали все аспекты «чуда» Бабьегородского переулка. Все те аспекты, которые не учли его авторы, из-за чего и впали в заблуждение…

… Насколько живуча идея перпетуум-мобиле, можно судить по словам одного из современных крупных учёных. Он сказал иногороднему коллеге:

— Обязательно покажите мне вашу статью, когда закончите. Только, посылая её по почте, предупредите меня открыткой, иначе я могу и не пойти на почту: извещение о заказной бандероли нередко означает очередной проект вечного двигателя…