Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

5.1. Какие ppm-2 изобретают теперь?

Различных проектов ppm-2 предлагается очень много, и принципы их действия самые разнообразные: термомеханические, химические, гравитационные, электрические… Есть и такие, к которым трудно подобрать научный термин, чтобы объяснить принцип их действия.

Вместе с тем, независимо от принципа действия, все предложенные двигатели можно разделить на два больших класса.

Первый из них включает правильные, «идейно чистые» вечные двигатели второго рода, основанные на «энергетической инверсии», о которой уже говорилось. Естественно, что ни один из них не работает, несмотря на все усилия их авторов. Эти «настоящие» ppm-2 большей частью основаны на простых термомеханических принципах. В зависимости от области, к которой тяготеет изобретатель, проекты таких ppm-2 опираются либо на теплотехнику, либо на холодильную технику. Однако многие изобретатели, разочаровавшись в возможностях и той, и другой, ищут «новые пути». Отсюда — появление проектов электрических, химических и даже электрохимических ppm-2. Реализация любого из этих проектов и пуск соответствующего двигателя сразу сняли бы вопрос о возможности осуществления ppm-2 и перевернули бы всю термодинамику. Однако ни одного акта о внедрении такой системы нет.

Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне могут работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой ppm-2. Это уже «не настоящие» ppm-2; их можно назвать псевдо-ppm. Принцип их действия находится в полном согласии с законами термодинамики. Однако делаются попытки выдать их за настоящие ppm-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии в них нет.

«Настоящим» ppm-2 посвящены §5.2 и 5.3.

В них показано, что те двигатели, которые действительно могут работать, — не «вечные» (не ppm-2), а те, которые действительно «вечные» (ppm-2), — не могут работать.

В §5.4 описаны наиболее интересные псевдо-ppm.

5.2. Проекты термомеханических ppm-2

Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что это произошло более 100 лет назад.

Первым известным изобретателем в этой области был некий американский профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 г.

Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей среды», был тоже американец Ч. Триплер, человек более известный, чем Гэмджи, в связи с тем, что он сконструировал (правда, на основе уже известных разработок) действующую установку для сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триплера появилась впервые в 1899 г.

Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды. Именно здесь, в специфической области низких температур, где «на холоде», казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения, что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов ppm-2 связано с сенсационными успехами техники низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х-90-е годы XIX века.

Самая низкая температура, которую до этого удалось получить М. Фарадею в 1840 г., составила —110 °С, но в 1877 г. Л. Кайете и независимо от него Р. Пикте добились температуры —180 °С, а в 90-х годах К. Ольшевскому удалось понизить рубеж рекордно низких температур до —200 — 230 °С. Наконец, Д. Дьюар в 1898 г. сжижил водород при — 253°С. Этот резкий прорыв в область небывало низких температур произвел очень сильное впечатление на современников.

Одновременно развивались и технические приложения низких температур. Ш. Телье (1867 г.), а затем К. Линде в 70-х годах были разработаны аммиачные холодильные машины, а в 1895 г. К. Линде и Р. Хэмпсон почти одновременно создали промышленные установки для сжижения воздуха.

Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени — аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха — послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их назвать можно только условно, поскольку идея была совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане — как двигатели.

Авторская схема «нуль-мотора» приведена на рис. 5.1. В дальнейшем она была усовершенствована (добавлен еще один котел, введен струйный эжектор). Однако принципа работы «нуль-мотора» эти изменения не касались.

Как же, по мысли автора, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300 К = 27 °С) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа (10 ат)[69]. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление пара. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (так называемый детандер). В этом случае он расширяется, и давление становится, например 0,1 МПа (1 ат), отдавая внешнюю работу, соответственно охлаждается до 250 К (—23 °С) и частично при этом ожижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной, — детандером. В насосе давление аммиака снова поднимается до 1,0 МПа (10 ат). Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Q_О.С., поступающей из более теплой атмосферы (напомним, что аммиак после расширения имеет температуру — 23 °С), он снова испаряется. Пар отводится в детандер, и цикл повторяется. Таким образом, двигатель работает, отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).

Никакого нарушения первого закона термодинамики — закона сохранения энергии — здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Q_О.С., столько и отводится в виде работы (L = Q_О.С.). Вроде бы все в порядке.

Но… Всегда это проклятое «но», как только дело касается ppm. Но двигатель почему-то не работал. В чем же дело?

Чтобы ответить на этот вопрос, составим энтропийный и эксергетический балансы «нуль-мотора». С энтропийным балансом дело обстоит хуже, чем с энергетическим: с теплотой вносится некоторая энтропия Q_О.С./ T_О.С., а с работой энтропия не выносится, так как энтропия потока работы равна нулю. Следовательно, энтропия не только уменьшается, а даже исчезает. Это явное нарушение второго закона.

То же показывает эксергетический баланс. Эксергия поступающей теплоты равна нулю, она неработоспособна, так как имеет температуру окружающей среды T_О.С.. Получаемая работа равна эксергии, следовательно, эксергия отводится, но не подводится — она возникает «из ничего». КПД «нуль-мотора» равен бесконечности:

Таким образом, «нуль-мотор» — это типичный «монотермический двигатель» — ppm-2.

Представим себя на минуту в положении того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижен, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково — 1,0 МПа (10 ат). Как сдвинуть все части машины с места? Попробуем самый простой способ — начнем раскручивать маховик и затем отпустим его, чтобы машина уже сама продолжила работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в самостоятельное движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.

Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за ней было ниже, чем перед ней. Гэмджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачивая работу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаваться в окружающую среду.

Другими словами, «нуль-мотор» будет вместо работы выдавать энтропию, приближая, если верить Клаузиусу, конец света. Таким образом, название «нуль-мотор», придуманное Гэмджи, сыграло с ним дурную шутку: двигатель действительно в полном смысле слова оказался нуль-мотором, но не из-за нулевой потребности в топливе, а из-за нулевого результата — отсутствия полезно производимой работы.

Можно ли что-нибудь сделать, чтобы заставить «нуль-мотор» производить работу, а не «съедать» ее? Эта задача решается очень просто. Нужно перед насосом включить в схему еще один аппарат — конденсатор, как показано на рис. 5.3, и отводить от него теплоту Q при более низкой температуре T₀ < T_О.С.. Тогда аммиак будет в нем сжижаться, и давление его соответственно снизится. Если, например, проводить конденсацию при T₀ = 250 К (—23 °С), то, как видно из кривой на рис. 5.2, давление в конденсаторе установится около 0,16 МПа (1,6 ат). Двигатель сразу оживет, так как на детандере появится перепад давлений; он начнет работать, расширяя аммиак с 1,0 МПа (10 ат) до 0,16 МПа (1,6 ат). Часть произведенной работы пойдет на насос, а остальная — полезная работа — будет выдана потребителю. Это будет большая часть работы детандера, так как насос отберет только небольшую ее часть (он перекачивает жидкость, объем которой в десятки раз меньше, чем пара; соответственно меньше и нужная работа).

Такой двигатель заработал бы потому, что было бы выполнено требование второго закона — имелась бы разность температур (T_О.С. – T₀). При T_О.С. подводилась бы теплота Q_О.С., а при T0 отводилась бы теплота Q₀ < Q_О.С. Разность Q_О.С. — Q₀ давала бы работу L = Q_О.С. — Q₀ в полном соответствии не только с первым, но и со вторым законом термодинамики. «Монотермический» двигатель превратился бы в обычный, работающий между двумя температурными уровнями.

Возникает вопрос, почему же Гэмджи не додумался до такого решения? Это осталось неизвестным. Однако очевидно и другое. Даже если бы подобная идея пришла ему в голову, делу бы это не помогло. Действительно, если отводить теплоту Q₀ при низкой температуре T₀, то двигатель заработает. Но куда эту теплоту девать дальше? Ведь для этого нужно иметь какой-то теплоприемник, который будет получать ее. А такой теплоприемник должен быть еще холоднее (например, при T₀ = — 23 °С он должен иметь температуру, скажем, — 25 °С). Иначе теплота Q₀ к нему просто не пойдет, так как в соответствии опять же со вторым законом термодинамики она может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, а никак не наоборот.

Чтобы создать такой теплоприемник при T < T₀ < T_О.С., обязательно нужна холодильная машина (тепловой насос), которая отводила бы теплоту Q₀ обратно на уровень окружающей среды T_О.С.. А для этого нужно даже в идеале затратить ровно столько же работы, сколько дает идеальный двигатель в таком же интервале температур, т. е. все, что «заработано» на двигателе, тут же «съел» бы тепловой насос. В итоге — опять нулевой результат. В реальном же случае будет еще хуже. Двигатель даст меньше работы, чем идеальный (L^ДВ_ДЕЙСТВ < L^ДВ_ИД), а тепловой насос потребует больше работы, чем идеальный (L^Т.Н._ДЕЙСТВ < L^Т.Н._ИД). Поскольку L^ДВ_ИД = L^Т.Н._ДЕЙСТВ, то L^Т.Н._ДЕЙСТВ > L^ДВ_ДЕЙСТВ, т. е. эту систему, чтобы она двигалась, нужно крутить извне с затратой работы L = L^Т.Н._ДЕЙСТВ — L^ДВ_ДЕЙСТВ. Опять получился «нуль-мотор».

Следовательно, искусственный второй уровень температур тоже не решает задачи, поскольку его создание требует в лучшем случае столько же работы, сколько при помощи двигателя можно получить. Настоящий двигатель можно создать только тогда, когда во внешней среде уже есть неравновесность любого вида — разность каких-либо движущих сил (например, ΔT, Δр и др.), которую можно преобразовать в работу. Располагая только одним уровнем температуры окружающей среды, никакую работу получить нельзя.

Легко видеть, что двигатель, показанный на рис. 5.3, по принципиальной схеме точно соответствует паровой машине. Только внешние условия работы у паровой машины другие: верхний температурный уровень у нее соответствует не температуре окружающей среды, а более высокой — горячих дымовых газов. Нижний уровень температур уже не искусственный Т₀, а окружающей среды T_О.С.. Здесь используется разность потенциалов, уже имеющаяся во внешней среде (по химическому составу: топливо — кислород воздуха). За счет этой разности путем сжигания и создается тепловой поток на уровне Т > T_О.С., который используется в настоящих двигателях.

Другой изобретатель низкотемпературного ppm-2, о котором мы уже упоминали — Триплер — пошел дальше Гэмджи. Во-первых, он пытался использовать именно ту идею, с помощью которой мы пробовали запустить нуль-мотор Гэмджи: с помощью другой машины, соединенной с первой, создать искусственный низкий температурный уровень. Во-вторых, он работал не с аммиаком, а с жидким воздухом (нижняя температура T₀ = —190 °С). Однако ни то, ни другое не помогло — двигатель не получился.

Конечно, испаряя жидкий воздух теплотой, отбираемой из окружающей среды, можно получить сжатый воздух и заставить его крутить мотор. А дальше? Опять возникает тот же «проклятый вопрос», что и у Гэмджи, — нужно воздух опять сконденсировать, т. е. отвести от него теплоту при очень низкой — криотемпературе[70]. А для этого опять же нужен жидкий воздух, получение которого требует как минимум столько же энергии, сколько дает двигатель (а в реальных условиях еще больше). Опять вместо получения работы — только ее затраты.

В марте 1899 г. в журнале «Макклюрз мэгэзин» была опубликована популярная статья, посвященная лаборатории Триплера и проводимым им замечательным работам. Статья была написана Реем Бейкером. Автор опровергал второй закон термодинамики и провозглашал Триплера создателем вечного двигателя, приводя собственные слова изобретателя: «Использовав в своей машине 3 галлона воздуха, я получил в ожижителе около 10 галлонов жидкости. Таким образом, возникла прибавка в 7 галлонов, которая ничего мне не стоила и которую я могу использовать где угодно для совершения полезной работы».

Следует заметить, что Триплер здесь ввел в заблуждение Бейкера, пользуясь его неосведомленностью. Установка Триплера для сжижения воздуха была по существу копией той, которую К. Линде сделал в Мюнхене еще в 1895 г. В такой системе из 1 кг воздуха получалось в ожижителе около 50 г жидкого воздуха, т.е. 5%. Поэтому получить из «3 галлонов воздуха прибавку в 7 галлонов» Триплер никак не мог.

Триплер не сознался в провале своей идеи. Все эксперты, которые к нему пытались проникнуть, почему-то приходили «не вовремя» и разрекламированного двигателя так и не увидели.

Нельзя не отметить особый интерес, проявлявшийся к военным применениям вечного двигателя второго рода. Действительно, что может быть заманчивее для решительно настроенных военных деятелей, чем корабль или самолет с таким двигателем, автономно работающим практически неограниченное время?

Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.

Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б. Айшервуд своему шефу[71], рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно».

Характерно, что Айшервуд не забывает и о «всем человечестве», но на первое место ставит нужды военно-морского флота США. Далее он поясняет: «В отличие от европейских морских держав, владеющих колониями и базами с запасами топлива в разных районах земного шара, держав, которые следует рассматривать как потенциальных противников в будущих военных конфликтах, США не имеют ни того, ни другого. Поэтому в ходе военных действий вдали от своих берегов флот США может оказаться в крайне невыгодном стратегическом положении из-за отсутствия баз с топливными запасами. Позиции сторон будут в этом отношении уравнены, если военно-морские силы США получат двигатели нового типа. В этом случае наши крейсеры смогут проникнуть на самые удаленные акватории столь же просто, как и флоты тех стран, которые располагают там запасами топлива».

Из текста письма видно, что в стратегических проблемах главный инженер разбирался намного лучше, чем в энергетических. Однако известно, что президент Гартфильд слушал доклад об этом двигателе. Что было дальше и как развивались события, установить не удалось; но это и не так уж важно, поскольку «нулевой» конец всей истории был неизбежным. Следует отметить только, что редактор газеты «Канзас-Сити ревью», в которой была опубликована восторженная статья о моторе Гэмджи, прокомментировал ее так: «Практика в конечном счете покажет истинные достоинства этого изобретения».

Такая осторожность и уважение к эксперименту могут служить хорошим примером для некоторых современных редакторов, публикующих рекламные статьи о ppm-2.

В восточном полушарии тоже не прошли мимо возможности военного применения ppm-2. За два года до начала первой мировой войны (в 1912 г.) некий Гофман предложил свой проект вечного двигателя. Это был один из термомеханических вариантов ppm-2, хотя и сложный, но, естественно, как и другие, неработоспособный. Его автор принадлежал к числу теоретиков, которые не только изобретают ppm-2, но и подводят под свои идеи «научную» базу. С работами таких теоретиков мы уже встречались. Однако труд Гофмана не просто прославлял вечный двигатель. В нем явно отразился тот военно-патриотический дух, который в то время усиленно насаждался в Германии.

В небольшой брошюре, опубликованной в Лейпциге под названием «Теория перпетуум мобиле», Ф. Гофман писал о возможностях применения ppm-2 в военной авиации: «Сегодня в Германии не понимают важности создания вечных двигателей, уподобляясь скептикам, которые еще лет десять назад отрицали возможность появления летательных аппаратов тяжелее воздуха. Следствием этого неверия явилось то, что несколько лет назад в Реймсе французы и американцы доказали, что именно они, а не немцы являются нациями, лидирующими в воздухоплавании. Дай бог, чтобы благосклонная фортуна уберегла немцев от еще одного реймского позора. А ведь похоже на то, что до тех пор, пока американец Джон и француз Пьер не нагрянут в Гамбург или Берлин на кораблях, оснащенных вечными двигателями, немецкий Михель не очнется от летаргического сна».

Опасения Гофмана связаны с тем, что на международных соревнованиях 1909 г. в Реймсе немецкие самолеты оказались намного хуже американских и французских. Выход он видит в том, чтобы опередить будущих противников в применении ppm-2. Однако призыв Гофмана к военному использованию ppm-2 остался нереализованным.

Идеи о низкотемпературных термомеханических ppm-2 возникали еще не раз в самых различных модификациях. После Гэмджи и Триплера их разрабатывали Липпман (1900 г.), Сведберг (1907 г.) и многие другие. Выдвигаются подобные проекты и теперь.

В качестве примера можно привести машину Г. Джерсена, на которую был выдан патент США с приоритетом от 3.12.1981 г. [3.13].

Описание и иллюстрации в патенте сделаны очень путано (по-видимому, это интернациональная особенность всех изобретателей ppm-2) и с ошибками. Естественно также, что предлагаемое устройство не называется прямо вечным двигателем, а носит вполне благопристойное название «тепловая машина». Однако после расшифровки становится очевидным, что это типичный ppm-2, но несколько усовершенствованный.

Принципиальная схема машины Джерсена приведена на рис. 5.4. Она включает два контура, объединенных общим компрессором I. Первый из них, показанный сплошной линией, представляет собой классический тепловой насос. Давление циркулирующего в нем рабочего тела при сжатии в компрессоре повышается с р₁ до р₂; одновременно возрастает и его температура. Горячее рабочее тело (аммиак или фреон[72] в состоянии, соответствующем точке 2, поступает сначала в теплообменник V, где отдает теплоту Q₃, и затем дополнительно охлаждается в конденсаторе II. При этом от него отводится теплота Q₂. Жидкий хладагент дросселируется в вентиле III, в результате его давление снижается с p₂ до р₁. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает. Холодная жидкость выкипает в испарителе IV при подводе извне теплоты Q₁.

Таким образом, действие машины приводит к отбору теплоты Q₁ на низком температурном уровне от какого-либо теплоотдачика и выдаче теплоты Q₂ на более высоком уровне. Изобретатель указывает, что можно использовать предлагаемое им устройство и как холодильную машину, и как тепловой насос. В первом случае теплота Q₁ отбирается при низкой температуре Т₁ < T_О.С., а количество теплоты Q₂ отдается при высокой температуре (от T₃ до T₄) близко к T_О.С.. Во втором случае теплота Q₁ отбирается у окружающей среды при T_О.С., a Q₂ отводится при высокой температуре T₃ > T_О.С.. Здесь все пока правильно. Такие установки существуют и благополучно работают в качестве как холодильных, так и теплонасосных. Но, естественно, при одном условии: компрессор нужно приводить в движение посредством работы, подводимой извне. Но как обойтись без этого? Чтобы избежать получения работы извне (тогда не было бы никакого изобретения), Джерсен идет «классическим» путем, характерным для всех изобретателей ppm-2: он пытается обойтись «внутренними ресурсами». Тепловой насос сам должен обеспечить себя энергией для привода компрессора. Для этого и создается второй контур, обозначенный на рисунке штриховыми линиями. Он, собственно, состоит из одной турбины-двигателя VI, действие которой обеспечивается частью сжатого рабочего тела, отбираемого в точке 2 после компрессора. Расширяясь в турбине от давления р₂ до давления р₁, оно производит определенную работу и возвращается после подогрева в теплообменнике V во всасывающую линию компрессора. По мысли изобретателя этой работы должно хватить и на то, чтобы вращать компрессор (работа L’), и на внешнего потребителя (работа L). Автор не забыл и о запуске установки, который делается от специального внешнего привода (на схеме он не показан) и компрессора VII. Все предусмотрено!

Если бы это «все» могло быть в действительности, то человечество получило бы двигатель, работающий только за счет теплоты, отводимой от окружающей среды. Мало того, этот двигатель дополнительно давал бы либо холод (если бы первый контур работал как холодильная машина), либо теплоту (если бы он действовал как тепловой насос). Но, увы, второй закон запрещает оба варианта. И в первом и во втором случае простой расчет показывает, что работы турбины не хватит даже на привод компрессора, не говоря уже о внешнем потребителе.

Энергетический баланс здесь, как и в любом приличном ppm-2, сходится, и нарушения первого закона нет.

Действительно, для этого необходимо только, чтобы Q₂ = Q₁ — L. Величины L' и Q₃ в баланс не входят, так как они характеризуют внутреннюю передачу энергии от одной части установки к другой. Видно, что ничего невозможного (с точки зрения первого закона) в этом уравнении нет: сколько энергии с тепловым потоком поступает, столько с работой и теплотой отводится.

Эксергетический баланс двигателя Джерсена будет выглядеть по-разному в зависимости от режима.

Для режима теплового насоса

0 = E_q + L.

Эксергия теплоты Q₁, взятой от окружающей среды, равна нулю, и из него (нуля) получается у Джерсена и эксергия теплоты Q₂, даваемой тепловым насосом (E_q = Q₂∙(T_Г — T_О.С.)/T_Г)), и еще внешняя работа. Явно невозможная ситуация — эксергия теплоты и работа из ничего: КПД η_e был бы равен бесконечности:

Для режима холодильной установки тоже 0 = E_q + L. Здесь опять же эксергия ниоткуда не поступает, но расходуется по двум направлениям. Во-первых, она отдается в виде «холода» (E_q = Q∙(T_Х – T_О.С.)/T_Х), так как приход теплоты при Т > T_О.С. соответствует расходу эксергии (Q₁ и E_q имеют разные знаки, поскольку E_q = (T_Х – T_О.С.)/T_Х < 0). Во-вторых, эксергия отводится в виде работы L. Опять два полезных результата «из ничего» и бесконечно большой КПД!

Наряду с «холодными» ppm-2 разрабатывались и «теплые», предназначенные для работы только при температурах выше температуры окружающей среды. Источник энергии у них оставался тот же — «теплота окружающей среды». Их авторы опирались уже на традиции теплотехники. Некоторые из них тоже защищены авторскими свидетельствами или патентами [3.14]—[3.17].

Разберем один из них, наиболее характерный [3.14]. Автор (проф. А.Н. Шелест) назвал предложенный им двигатель «машиной будущего». Другое ее название — «машина атмосферного тепла» [3.17].

Схема машины показана на рис. 5.5. Она состоит из двух контуров. Первый, включающий в себя турбокомпрессор 1 и турбину 2, соединен на входе и выходе с атмосферой и запускается в работу пусковым электродвигателем, который на схеме не показан. Засасываемый в компрессор атмосферный воздух (при p_О.С. и T_О.С.) сжимается; температура его соответственно возрастает. В теплообменнике 3 горячий сжатый воздух охлаждается (в пределе — до исходной температуры), нагревая рабочее тело второго контура. После этого холодный сжатый воздух поступает в турбину 2, расширяется с отдачей внешней работы и выбрасывается в атмосферу. Поскольку температура перед турбиной близка к T_О.С., температура отработанного расширенного воздуха Т за турбиной будет ниже температуры окружающей среды T_О.С.. Развиваемая турбиной 2 мощность используется для привода компрессора 7, что позволяет уменьшить необходимую для работы компрессора мощность пускового электродвигателя. Таким образом, первый контур играет, по мнению А.И. Шелеста, роль теплового насоса, «перекачивая» теплоту из атмосферного воздуха на повышенный уровень температур T_Г, используемый в теплообменнике 3.

Второй контур представляет собой обычный теплосиловой цикл, в котором циркулирует какое-либо низкокипящее рабочее тело, испаряемое в теплообменнике 3 теплотой Q, поступающей из первого контура. Сконденсированное в конденсаторе 6 при температуре, близкой к T_О.С., это рабочее тело подается насосом 5 через теплообменник в главную турбину 4, где расширяется, производя работу. Эта работа L при установившемся режиме отдается на привод первого контура (электродвигатель отключается), а оставшаяся часть идет на электрогенератор 7, производящий энергию W для внешнего потребления.

В результате за счет атмосферной теплоты производится электроэнергия. Затрата топлива (и электроэнергии, если не считать пусковой период) исключается.

Из этого описания видно, что предлагаемая «машина атмосферного тепла» представляет собой классический ppm-2 — «монотермический двигатель». Понимая, что тепловая машина не может произвести работу, не используя два температурных уровня, изобретатель пытается обойти второй закон, искусственно создавая этот другой, более высокий уровень посредством сочетания компрессора 1 и расширительной турбины 2. Но второй закон неизбежно себя проявляет: такой тепловой насос заберет всю работу, производимую в тепловом цикле, и никакого эффекта установка не даст; она просто вскоре после запуска остановится.

Проведем, пользуясь методом, описанным в гл.4, анализ энергетического и эксергетического балансов «машины атмосферного тепла». Начнем с энергетического баланса.

В установку (в компрессор 1) поступает атмосферный воздух. Количество вносимой им энергии (его энтальпию) обозначим Н₁. Эта энергия расходуется по трем статьям:

1) выносится с выходящим воздухом (энтальпия Н₂);

2) отдается в форме теплоты Q_О.С. в окружающую среду через конденсатор 7;

3) отдается в виде полезной работы L электрогенератором 7. Тогда энергетический баланс будет иметь вид

H₁ = H₂ + Q_О.С. + L.

Он никаких сомнений не вызывает: с точки зрения первого закона термодинамики все сходится.

Эксергетический баланс в отличие от энергетического будет включать только два члена — эксергию Е₂ отводимого в атмосферу из турбины холодного воздуха и полезную работу L. Эксергия засасываемого из атмосферы воздуха Е₁ = 0, так как его температура Т_О.С. и давление Р_О.С. соответствуют параметрам атмосферы. Точно так же равна нулю эксергия теплоты, отдаваемой через конденсатор в окружающую среду при ТО.С.. Эта теплота полностью неработоспособна. Следовательно, эксергетический баланс системы (если бы она работала) был бы таким:

0 ≥ L + E₂,

поскольку поступающая эксергия должна быть больше (или в идеале равной) выходящей. Иначе говоря, приходная часть баланса эксергии равна нулю, а расходная — сумме L + Е₂. Это означает, что «машина будущего», должна не только делать «из ничего» работу, но и давать холодный воздух, эксергия которого больше нуля, так как он, отличаясь по температуре от окружающей среды, обладает определенной работоспособностью.

В идеальном случае (знак равенства) машина может в принципе работать, но как холодильная, выдавая холодный воздух при затрате работы L (поскольку — L = Е₂). В реальном случае будет тоже холодильник, но холода при той же затрате работы он будет давать меньше (—L > Е₂). Ни о каком получении работы тут и думать не приходится.

КПД системы (если предположить, что машина могла бы работать как двигатель) будет равен отношению результата (L + E₂) к затратам эксергии. Поскольку затраты равны нулю,

Если бы машина работала, ее КПД был бы равен бесконечности. Такой КПД характерен для всех ppm — не только второго, но и первого рода, ведь все они делают эксергию (т. е. и работу) из ничего.

Эта машина, так же как и машина Джерсена, — классический пример попытки осуществить двигатель, работающий за счет энергии равновесной окружающей среды. Эта энергия действительно необозрима, но поскольку ее эксергия равна нулю, она абсолютно неработоспособна.

В заключение разбора «машины будущего» приведем отрывок из заметки о ней, помещенной в «Экономической газете» [3.17]. Автор заметки, возмущаясь косностью тех, кто прекратил работу по созданию этой машины, писал:

«Высокий КПД этой машины, достигающий 60-80%, обеспечивается использованием тепла атмосферного воздуха. Он засасывается в компрессор установки при атмосферной температуре, а выходит из турбины при более низкой температуре. Так в этой машине используется известный в физике принцип теплового насоса.

Машина системы проф. А.Н. Шелеста, использующая атмосферное тепло, может быть применена для тепловых электростанций, коэффициент полезного действия которых будет в два раза выше существующих».

Даже если поверить автору этой заметки, что машина будет работать, остается непонятным, почему КПД будет выше «в 2 раза» (80%)? Ведь на тепловой электростанции расходуется топливо; чтобы поднять КПД в 2 раза, нужно расходовать его на 1 кВт∙ч в 2 раза меньше. А в «машине будущего» топливо вообще не расходуется. Почему же так скромно: «в 2 раза»?

Уже после выхода в свет первого издания этой книги в журнале «Техника молодежи» (№3, 1991) появилась заметка, в которой приведены доводы канд. техн. наук Павла Шелеста (сына профессора А. Шелеста) в защиту «машины атмосферного тепла» изобретенной его отцом. П. Шелест уже не отстаивает вариант машины, описанный выше. Он приводит новую схему, несколько видоизмененную по сравнению с основной, показанной на рис. 5.5. В нее введен тепловой насос, компрессор которого приводится в движение двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Этот тепловой насос снабжает теплом второй, рабочий контур с насосом и турбиной, которая, как и в первом варианте, отдает полезную работу L генератору, вырабатывающему электроэнергию. Дополнительное достоинство этой схемы П. Шелест видит в том, что «не пропадает зря тепло, отводящееся от двигателя — оно подогревает воздух в первом контуре». Все это и ряд других особенностей дает возможность получить КПД всей установки 70%.

К сожалению, и система, устроенная по этому варианту, бесполезна. В отличие от основного варианта «машины атмосферного тепла» она работать будет, поскольку в ее состав входит дизель. Но «привешенный» к нему тепловой, насос (который имеет в лучшем случае КПД не выше 0,5-1-0,6, а не «примерно 1,3», как утверждает П. Шелест), только «съест» часть мощности, которую дает дизель. В результате вся система будет иметь КПД существенно меньший, чем дизель, работающий без паразитной системы «машины атмосферного тепла»[73].

Мы не будем рассматривать других попыток осуществить тепловой «монотермический двигатель» на основе термомеханических преобразований. Все они удивительно похожи, и разница проявляется только в деталях. Так же, как и при создании ppm-1, их изобретатели наивно полагают, что изменив какие-нибудь частности, все же удастся обойти закон науки.

В этом убеждении им помогают некоторые теоретики, которые подводят под ppm-2 серьезную «научную базу». По ходу изложения нам в предыдущих главах уже приходилось на них ссылаться. Однако все они, как мы видели, больше опирались на идеи философскокосмологического характера или на общие рассуждения.

Сейчас, имея в своем распоряжении информацию о реальных проектах ppm-2, можно сделать следующий шаг: рассмотреть научные теории, непосредственно обосновывающие возможность создания «монотермического» двигателя. Для этого создается новая «термодинамическая» база с неизбежной, естественно, ликвидацией второго закона.

Работы по созданию такой «научной базы» и дискуссии, выплескивающиеся и на страницы средств массовой информации, проходили как у нас в стране, так и за рубежом. В Польше, например, статью с описанием «монотермического» двигателя под названием «Тепловик» и его теоретическое обоснование опубликовал магистр-инженер Я. Мордасевич [3.20]. Правда, редакция журнала поступила очень разумно, поместив вслед за ней статью проф. С.Отщедушко и И. Сикоры [3.21], в которой была ясно показана вздорность идей Мордасевича (авторское свидетельство на свой «тепловик» Мордасевич все же получил).

Казалось бы, на этом история должна была закончиться — научная истина восторжествовала, а автор «тепловика» получил желанный документ. Однако прошло больше 20 лет и идея «тепловика» всплыла снова. В газете «Политика» появилась статья о Мордасевиче с интригующим названием «Безумец или гений?» [3.22].

Нам нет необходимости анализировать эту или другие иностранные работы, поскольку имеются в достаточном количестве аналогичные отечественные публикации на русском языке.

Остановимся в этой связи на работах проф. М.А. Мамонтова [3.16; 3.18]. Читателям приходится вникать в подобного рода теоретические построения — это почти всегда тяжелая работа. Тяжела она не из-за трудности постижения глубоких мыслей, а вследствие особой формы изложения.

Известен мудрый афоризм: «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает». Не менее верно и обратное утверждение. Как правило, ошибочные теории излагаются очень путано, с применением массы ученых слов и новых терминов, новых понятий. Выбраться из получающегося в результате лабиринта не так просто. Это и естественно: при четком и последовательном изложении тех же положений их несостоятельность выявилась бы сама собой. Ложные антинаучные концепции могут жить только в условиях путаницы в мыслях и словах, это их «питательная среда».

Итак, познакомимся с теоретической базой ppm-2 — «обновленной» термодинамикой. Поступим так: сначала приведем соответствующие цитаты, расположив их по возможности в логической последовательности, а затем будем их распутывать и анализировать. Начнем с главы «Принципиальная возможность создания теплового двигателя с одним источником тепла» в [3.16].

Автор выбирает в качестве объекта, в котором происходят явления, «находящиеся в явном противоречии с некоторыми положениями классической термодинамики»[74], — пневматические инструменты, работающие на сжатом воздухе.

«Регулярно наблюдаемые явления конденсации паров воды в рабочей полости пневматических двигателей и отказы в работе этих двигателей вследствие замерзания выделившихся капель воды представляются бесспорным свидетельством реальности охлаждения рабочего тела пневматического двигателя до температуры значительно более низкой, чем температура атмосферного воздуха». И далее:

«Причины столь резкого расхождения приведенных положений классической термодинамики с бесспорными реальными фактами заключаются в классической концепции теплоты, положенной в основу классического анализа. Вопреки этому анализу подвод тепловой энергии в рабочую полость пневматического двигателя совершается посредством тепловой миграции при температуре подводимого рабочего вещества, близкой к температуре окружающей среды (атмосферы). В этих условиях с первых моментов этапа расширения рабочего объема создаются условия, при которых температура рабочего вещества становится ниже температуры окружающей среды. В результате чего:

изменение состояния тела начинается при температуре рабочего вещества, близкой к температуре окружающей среды;

работа совершается за счет охлаждения рабочего вещества ниже температуры окружающей среды;

передача тепла от рабочего тела теплоприемнику производится при отрицательной разности температур (тепло переходит от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой)».

Следующая цитата:

«Отмеченные выше явления переохлаждения рабочего тела, наиболее отчетливо наблюдающиеся в пневматических двигателях без подогрева воздуха, имеют принципиальное значение, так как открывают возможность подвода тепла к рабочему телу за счет тепловой энергии атмосферы.

Если обеспечить значительное увеличение внутренней поверхности рабочей полости (поверхности нагрева) и медленное движение поршня, то, используя возникшую разность температур между стенками рабочей полости и рабочим телом, можно процесс расширения из адиабатического превратить в процесс, близкий к изотермическому. Так как изотерма при расширении проходит существенно выше адиабаты, то указанное изменение процесса приведет к существенному увеличению полезной работы.

Таким образом, от пневматического двигателя можно будет получать работу не только за счет энергии воздуха в аккумуляторе, но также за счет использования дарового тепла атмосферы.

Если учесть, что классическая термодинамика в соответствии с ее концепциями категорически отрицает возможность прямого преобразования тепла окружающей среды в работу, то установление возможности такого преобразования в пневматических (газовых) двигателях имеет большое принципиальное значение».

Все изложенное в этих цитатах уже не просто «философия», а конкретные выводы из конкретных явлений. Эти выводы автор в дальнейшем кладет в основу проекта двигателя. Поэтому прежде чем продвигаться дальше, разберем их.

Вначале необходимо подтвердить тот несомненный, хорошо известный факт, что сжатый воздух, расширяясь в пневматических двигателях, охлаждается до температуры более низкой, чем температура окружающей среды. Удивительного в этом ничего нет, и странно, почему М.А. Мамонтов делает отсюда такие далеко идущие выводы. Действительно, хорошо известно, что воздух, как и любой другой газ, нагревается, если его сжимать в адиабатных[75] условиях. Этот факт наблюдает любой велосипедист или автомобилист, накачивающий шины своей машины. Затрачиваемая работа переходит во внутреннюю энергию газа, и его температура повышается. Точно так же при расширении газа с отдачей работы (как, например, в пневмоинструменте) сжатый воздух охлаждается. Отметим, что это охлаждение может быть довольно значительным. Если, например, давление воздуха 4 ат (0,4 МПа) и температура +20 °С (293 К), то при расширении до атмосферного давления он охладится примерно до — 75 °С (198 К), т.е. на 95 °С. В реальных условиях вследствие теплопритока охлаждение будет меньшим, но все же достаточно существенным. Все это происходит «по науке», и никто существование такого процесса не отрицает. Диаграммы потоков энергии для этих случаев показаны на рис. 5.6.

Двинемся дальше и расшифруем вторую, более длинную цитату. В ней речь идет о другом процессе расширения — уже не адиабатном, а изотермическом. Он отличается тем, что по ходу расширения к газу подводится теплота из окружающей среды, причем в таком количестве, чтобы не дать ему охладиться. В результате температура газа остается неизменной (отсюда и термин «изотермический»).

Разберем этот процесс в соответствии с классической термодинамикой, а потом сопоставим результаты с трактовкой проф. М.А. Мамонтова.

На рис. 5.7 показаны графики изменения температуры Т и давления р газа в процессе его расширения в цилиндре пневмоинструмента в зависимости от хода l поршня. Точка 1 соответствует начальному положению поршня, точки 2’ и 2” — конечным его положениям.

При адиабатном расширении (вертикальная штриховка) температура газа падает, так же как и давление, по мере движения поршня вправо. В конечной точке 2' давление снижается до атмосферного р_О.С.., а температура — до Т_О.С. значительно более низкой, чем Т_О.С.. Отведенная в виде работы энергия Lад соответствует вертикально заштрихованной площадке. По первому закону термодинамики она будет равна уменьшению внутренней энергии газа: Lад = ΔU_1-2.

При изотермическом расширении (наклонная штриховка) температура газа только в первый момент снижается на очень малую величину ΔT — разность температур, необходимую для того, чтобы теплота из окружающей среды могла сообщаться газу. Дальше температура будет до самого конца расширения постоянной, равной Т = Т_О.С. — ΔT. Давление газа будет падать медленнее, так как к газу постоянно подводится теплота. Поэтому поршень к моменту, когда р станет равным р_О.С., пройдет большой путь и остановится только в точке 2''. Соответственно и работа L_ИЗ, проделанная газом, будет больше и ход поршня, и давление здесь, больше. Добавочная работа соответствует площадке, заштрихованной наклонно; суммарная работа равна количеству подведенной теплоты Q_О.С. (L_ИЗ = Q_О.С.)[76].

Теперь мы можем возвратиться к цитатам из М.А. Мамонтова.

Во втором и третьем пунктах, следующих за словами «В результате чего», все, что происходит в двигателе, почему-то понимается наоборот. Работа, как мы видели, совершается не «за счет охлаждения» (как в адиабатном процессе), а напротив, путем постоянного нагрева рабочего вещества. Ведь теплота Q_О.С., которая обеспечивает работу двигателя, все время подводится к рабочему телу, а не отводится от него. Поэтому второй пункт неверен. Третий пункт совсем непонятен. Передача теплоты идет не «от рабочего тела», а наоборот, к рабочему телу (газу). И не при «отрицательной» разности температур, а при положительной (ΔT = Т_О.С. — T), и не «от тела с низкой температурой» (газа), а напротив, к нему из окружающей среды.

В последующей части цитаты нет таких «перевертышей». Если не с читать слова «переохлаждение»[77], которое здесь ни к чему (нужно просто «охлаждение»), то фактическая сторона дела изложена без ошибок. Но трактовка событий неверна принципиально. Автор полагает, что от изотермического двигателя можно получать работу «также за счет использования дарового тепла атмосферы». На первый взгляд, это действительно может показаться правильным: ведь работа L_ИЗ равна подведенной из окружающей среды теплоте Q_О.С.. Но такой вывод был бы преждевременным. Подумаем: если бы воздух не был предварительно сжат, мог бы работать двигатель «за счет дарового тепла атмосферы»? Очевидно, нет. А откуда взялось давление? Из компрессора, в котором происходит процесс, обратный тому, который идет в двигателе. Там газ сжимается от Р_О.С. (точка 2'') до р₁. При этом его температура (если вести процесс тоже изотермически) будет не ниже, а выше T_О.С. на ΔT и теплота Q_О.С. будет отдана среде, а двигатель столько же теплоты взял у нее обратно. В итоге выходит нуль! Работа L получается только за счет точно такой же работы, затраченной на сжатие в компрессоре. Так будет в идеальном случае, если компрессор и двигатель точно изотермические. В реальных условиях работа, подведенная к компрессору, и количество отведенной в окружающую среду теплоты будут больше, чем работа, полученная в двигателе, и намного больше, чем теплота, которую он заберет из окружающей среды. В итоге будет все та же классическая картина — суммарная энтропия вырастет, эксергия, напротив, частично потеряется, поскольку эксергия сжатого воздуха после компрессора будет меньше подведенной работы, а работа пневматического двигателя — меньше эксергии сжатого воздуха (практически остается от 5 до 10% затраченной на компрессоре работы). Читатель может сам при желании это проверить, составив соответствующую схему потоков энергии и эксергии.

Изложенное показывает всю беспочвенность последней тирады М.А. Мамонтова против классической термодинамики. Мы видели, что при анализе пневмодвигателя нет никакого расхождения с бесспорными фактами и они вполне вписываются в ее понятия.

Как тут не вспомнить, что сказал еще в XVII в. великий английский ученый Р. Гук [1.28]: «Большинство ученых очень поверхностны…, из нескольких неопределенных и недостоверных положений они делают самые общие выводы и с помощью их устанавливают законы, правящие миром и природой». Если заменить в этом высказывании слово «большинство» на «меньшинство», то оно вполне годится и для нашего времени.

Профессор М.А. Мамонтов не ограничился теоретическими изысканиями. Осуществляя связь науки и производства, он предложил и соответствующий теории двигатель «с одним источником тепла». Приведем рисунок и описание, взятые из уже упомянутой книги автора.

«Рассмотрим теперь поршневой двигатель, индикаторная диаграмма которого представлена на рис. 8.[78]

До начала движения поршня в рабочую полость при неизменном начальном ее объеме впрыскивается низкокипящая жидкость, которая испаряется и нагревается до температуры окружающей среды (атмосферного воздуха) под действием температуры этой среды.

В результате давление в рабочей полости повышается до некоторого давления, превышающего давление окружающей среды. Перепад давлений в рабочей полости и в окружающей среде вызывает движение поршня и расширение рабочего вещества. При значительной внутренней поверхности стенок рабочей полости, имеющих температуру окружающей среды, и при медленном движении поршня обеспечивается изотермическое расширение рабочего вещества за счет получения тепла из окружающей среды. Движение поршня вправо заканчивается в момент, когда давление в рабочей полости будет равно атмосферному. На обратном ходе рабочее вещество, имеющее температуру атмосферы, выталкивается в атмосферу.

В точке с диаграммы давление равно атмосферному. Участок диаграммы ab отвечает процессу нагревания рабочего вещества, полученного испарением низкокипящей жидкости, при неизменном начальном объеме рабочей полости.

Как видно из изложенного, цикл состоит из изотермы bc, изобары ca и изохоры ab. Работа цикла выражается площадью аbс и совершается полностью за счет тепла, полученного из окружающей среды (так как внутренняя энергия рабочего вещества при изотермическом процессе остается без изменения).»

В этом тексте все относительно благополучно, кроме одной последней фразы. Более того, предложенный двигатель осуществим, и он вполне может работать. Однако если исправить ошибку в этой последней фразе, то все изобретение сразу потеряет, как говорят, «товарный вид». «Работа цикла выражается площадью abc и совершается полностью за счет тепла, полученного из окружающей среды (так как внутренняя энергия рабочего вещества при изотермическом процессе остается без изменения).»

Здесь автор допускает ошибку, рассматривая только изотермический процесс. Все остальное его не интересует, а там-то и лежит то, «за счет чего» двигатель может работать. Работу двигателя обеспечивает жидкость, подаваемая в него с температурой ниже T_О.С. (при давлении p_О.С.) и выходящая в виде пара при тех же давлении и температуре. Откуда она берется и куда девается полученный пар, автор не пишет. Он только отмечает, что «… расход низкотемпературной жидкости в рассматриваемом процессе можно истолковать как своеобразную компенсацию за превращение тепла в работу, но подобная компенсация по своей природе эквивалентна передаче тепла холодильнику».

Между тем в этой «своеобразной компенсации» вся соль и состоит. Чтобы получить эту низкотемпературную жидкость, имеющую определенную эксергию, нужно обязательно затратить работу. Эта работа как раз пойдет на то, чтобы отвести при низкой температуре теплоту конденсации жидкости и отдать ее при температуре T_О.С. в окружающую среду. Так что «своеобразная компенсация» требует, во-первых, затраты работы и, во-вторых, именно «передачи тепла холодильнику». При этом затраченная работа и отведенная в окружающую среду теплота в лучшем (идеальном) случае будут равны соответственно полученной от двигателя Мамонтова работе и получаемой им из среды теплоте. В реальных же условиях на получение этой рабочей жидкости придется затратить работу и отвести при этом в среду значительно больше теплоты, чем может компенсировать двигатель. Опять в итоге получится общий рост энтропии и соответствующая потеря эксергии! Заслуги холодной жидкости (которую изобретатель должен был бы хвалить, ибо без нее ничего бы не двинулось) автор отметает напрочь. Об этой жидкости, которая играет здесь ту же роль, что бензин в двигателе внутреннего сгорания, он пишет такие нехорошие слова: «…подвод малокалорийной и низкокипящей жидкости оценивается как обычное материальноконструктивное обеспечение процесса».

Из всего этого делаются общие выводы — «законы, правящие миром и природой», как сказал Р. Гук. М.А. Мамонтов пишет:

«Изложенное показывает, что расширенные концепции тепла, работы и рабочего тела вносят радикальные изменения в анализ условий действия теплового двигателя. В частности, с позиций этих концепций оказывается неправомерным известный постулат Планка:

«Невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и соответствующему охлаждению теплового резервуара».

Этот постулат предполагает обязательность «компенсации» за возможность периодического превращения теплоты в работу[79]. Такая компенсация выражается потерей части подведенной теплоты вследствие передачи этой теплоты в окружающую среду (холодильнику) в фазе пониженного давления.

Так как в рассматриваемом периодически действующем двигателе в фазе повышенного давления работа совершается за счет подвода теплоты из окружающей среды, то отвод теплоты в фазе пониженного давления обратно в ту же среду невозможно отождествить с отмеченной выше компенсацией».

Идеи М.А. Мамонтова не остались без продолжателей. Не дожидаясь реализации этих идей (ждать пришлось бы долго), канд. техн. наук Н.Е. Заев тоже предложил двигатель, в цилиндр которого впрыскивается жидкий азот (температура —196 °С). Эта мысль, родственная предложенной Триплером, действительно обеспечит движение двигателя. Азот, получая теплоту из окружающей среды, будет испаряться, давление вырастет и пневматический двигатель заработает. Но, восхищаясь этой блестящей идеей, и ее автор, и его поклонники [3.10] забывают ту же «мелочь», что и М.А.Мамонтов. Ведь жидкий азот надо получить! А это потребует затраты куда большей работы, чем даст двигатель.

Опять эта старая термодинамика со своей неизбежной «компенсацией»!

В другом труде проф. М.А. Мамонтова [3.18] излагается несколько иная концепция, которую он непосредственно связывает с той, которую мы разобрали. Эта «новая доктрина» изложена в статье, скромно названной автором «От структуры Карно к структуре Прометея». Она сводится по существу к уже известным положениям о возможности осуществления двигателя, работающего за счет «круговорота тепла». Если устранить терминологические наслоения вроде «термогенный», «термомассогенный», «структура Хоттабыча», «реверторная работа», «термомодераторная работа», «топливная система Прометея», «многопозиционная система Уатта» и т. д., то останется старая идея, основанная на полном непонимании свойств теплового насоса.

Автор подобно другим «инверсионщикам» думает, что тепловой насос может сделать то, чего он на самом деле не может — совершить чудо. Получив работу от тепловой машины, он должен выдать ей на верхнем температурном уровне столько теплоты, чтобы ее не только хватило на производство этой работы, но был бы и некоторый избыток. За счет этого избытка и будет произведена дополнительная работа, отдаваемая внешнему потребителю. Однако мы знаем, что насос такую задачу в принципе решить не может.

Корень заблуждения здесь тот же, что и у других теоретиков ppm-2, — непонимание качественной стороны энергетических превращений. Радуясь, что тепловой насос дает много теплоты («больше, чем затрачено работы»), они забывают об ограниченной работоспособности — эксергии этой теплоты, которая в идеальной установке равна затраченной работе, а в реальной — меньше ее. Поэтому утверждение: «…постулат Клаузиуса, в обычной его формулировке, неполно отображает закономерность действия тепловых насосов; Реальная закономерность выражается расширенным постулатом Клаузиуса: «Регенерация тепла сама собой, без компенсации, неосуществима: при ее осуществлении количественно компенсация значительно меньше регенерированного тепла» неверна.

На этой основе вместо «структуры Карно» создается «структура Прометея». Чтобы дать представление о ней, приведем несколько цитат. Комментировать их нет необходимости: они говорят сами за себя. Нужна только расшифровка мудреных терминов. Отметим для начала, что ТСП означает «теплосиловое превращение», ТНП — «теплонасосное превращение», а ТМП — «тепломеханическое превращение».

«Как уже отмечалось, невозможность полного превращения тепла в работу в закрытых ТСП обусловлена значительным отводом тепла от рабочего агента в охлаждающую воду.

Так как согласно постулату Карно исключить этот отвод тепла невозможно, то остается только один путь полного превращения тепла в работу — каким-либо способом вернуть все тепло, отданное охлаждающей воде, обратно рабочему агенту в термоприточном органе.

В порядке решения рассматриваемой задачи ниже, в качестве «пристройки» к структуре закрытых ТСП, использован однофидерный теплонасосный блок». Полученный таким путем гибрид теплового двигателя и теплового насоса автор называет «топливной структурой Прометея».

«Характерная особенность синтезированной структуры заключается в том, что органы механизма ТСП выполняют функции периферийных органов ТНБ и наоборот. Для того, чтобы топливная структура Прометея могла действовать (выдавать полезную работу), необходимо, чтобы работа, переданная теплонасосному блоку от теплосилового, была меньше работы, производимой теплосиловым блоком.

Указанное условие выполняется в ходе подбора органов синтезированной системы.»

Отсюда смелый вывод:

«…Изложенным устанавливается, что полезная работа природной системы Прометея равна (при идеальном исполнении системы) теплоте, введенной в механизм системы из окружающей природной среды, и что термический КПД системы равен единице.»

И заключение, в котором взамен устаревших положений Карно, Клаузиуса, Кельвина и Оствальда вводятся новые, «безусловно достоверные» замены:

«Указанные структуры приводят к утверждению, прямо противоположному постулату Кельвина-Оствальда: «Полное превращение тепла в работу и превращение природного тепла в работу осуществимы». Если постулат Кельвина-Оствальда по его физическому содержанию может быть назван законом диссипации тепла, то данное утверждение с учетом его физического содержания можно условно именовать законом круговорота тепла.

Доказательство правомерности закона круговорота тепла заключено не только в структурах, адекватно отображающих действительные ТМП, но и в факте существования тепловых насосов и их особых закономерностей».

И, наконец, расширенная окончательная формулировка:

«…закон круговорота тепла выразится следующей расширенной формулировкой:

1. Полное превращение тепла в работу осуществимо, если компенсация за регенерацию сточного тепла будет меньше работы, полученной за счет регенерированного тепла.

2. Превращение природного тепла в работу осуществимо, если компенсация за регенерацию природного тепла будет меньше работы, полученной за счет регенерированного природного тепла.

Безусловная достоверность расширенного постулата Клаузиуса означает безусловную достоверность закона круговорота тепла и безусловную реальность структур Прометея».

Все это было бы замечательно, если бы «если» в пп. 1 и 2 превратились в «поскольку». Мы видели, что это, увы, не так. В этом и причина невозможности создать такой действующий гибрид тепловой машины и теплового насоса. Казалось бы, чего проще — и то, и другое есть в любой приличной теплотехнической лаборатории: соединить их и показать «структуру Прометея» в работе. Со «структурой Карно» и другими классиками было бы покончено одним нокаутирующим ударом.

Остается сделать только одно замечание: едва ли стоило беспокоить для всего этого тень титана Прометея, давшего, по преданию, людям огонь. Ведь его имя в переводе с греческого означает «провидец» — человек, смотрящий далеко вперед. Покровителем теории «круговорота тепла», которая смотрит назад почти на два века, нужно взять другое лицо. Здесь больше подходит кандидатура брата Прометея. Эта фигура менее популярная, что и неудивительно. Эпиметей (что значит «крепкий задним умом») представлял собой полную противоположность своему героическому брату. «Круговорот тепла» — «принцип Эпиметея» — не заменит принципа Карно.

5.3. Новые идеи: химические, оптические и электрохимические ppm-2

Несмотря на все попытки, вплоть до привлечения в союзники самого Прометея, бесполезность создания ppm-2 на классических термомеханических принципах становится постепенно очевидной даже для самых закоренелых его сторонников. Поэтому многие из них переключились на новые области в поисках таких эффектов, которые помогли бы обойти второй закон.

Эти надежды большей частью основаны на одной из двух ошибочных предпосылок (или обеих сразу).

Первая из них связана с тем, что изобретатели не видят задачу в целом. Ведь независимо от цепочки любых промежуточных преобразований энергии, на входе любого ppm-2 обязательно должна вводиться теплота, т. е. и энтропия, а на выходе выводиться работа (иногда и теплота тоже). Следовательно, независимо ни от чего с этой энтропией что-то должно происходить, чтобы она «по дороге» преобразовалась; ppm-2 связан с энтропией неразрывными узами. А где энтропия, теплота, «микробеспорядок» — там и второй закон.

Вторая ошибочная предпосылка опирается на представление, что химические, оптические, электрические, магнитные и некоторые другие явления «не подвластны» второму закону. Эта наивная иллюзия возникла вследствие непонимания того факта, что любые явления, в которых есть (или может появиться) микробеспорядок, неизбежно связаны с энтропией, а следовательно, и со вторым законом. От него никуда не уйдешь, даже используя для создания ppm-2 любые, самые хитрые эффекты.

Можно было бы привести здесь много вариантов ppm-2 такого рода: их изобретают более чем достаточно. Однако мы приведем для примера только три наиболее характерных — химический, оптический и электрохимический.

Начнем с химических ppm-2. Об этих устройствах написано меньше, чем о других видах вечных двигателей, однако коснуться их необходимо. Естественно, что авторы не называют такие машины «вечными двигателями»; обычно выбираются более приемлемые термины.

Химические ppm-2 встречаются двух видов.

К первому относятся те, в которых используется «теплота окружающей среды» для получения работы. Идея стандартная: сначала в тепловом насосе получается теплота высокого потенциала, а затем она используется для теплового двигателя, который кроме своей основной работы крутит «между делом» и тепловой насос.

Это, так сказать, традиционный вариант ppm-2, но реализуемый с участием химических реакций. Обычно предлагается использовать сочетание экзотермических (с выделением теплоты) и эндотермических (с поглощением теплоты) реакций каких-либо веществ.

Реакцию первого вида проводят на верхнем температурном уровне, а второго — на нижнем с поглощением теплоты, отводимой от окружающей среды. В результате, по мысли авторов, должен получиться «сверхэффективный» тепловой насос; использовать его для двигателя — уже дело техники.

Однако каждый раз и расчет, и эксперимент показывают, что реакция или не идет вообще, или через некоторое время замирает, если пустить двигатель толчком извне. Для постоянной работы такой «двигатель» нужно либо подогревать, либо охлаждать, либо вращать извне. При этом, как всегда, затрата эксергии, нужной для привода, оказывается большей, чем эксергия той теплоты, которую дает химический тепловой насос. Второй закон и здесь неумолимо работает.

Подробный разбор вариантов таких тепловых насосов в этой книге занял бы много места, но не дал бы ничего существенно нового.

Более интересны другие, «гибридные» ppm-2.

К химическим ppm-2 такого вида относятся более оригинальные устройства. Это тепловые двигатели, в которых, как обычно, происходит подвод теплоты от какого-либо внешнего источника при высокой температуре (например, путем сжигания топлива). Казалось бы, тут ppm-2 ни при чем и принцип Карно не нарушается. Однако это не так. Изобретатели утверждают, что, используя специальное рабочее тело, в котором протекают химические реакции, можно получить работу большую, чем это позволяет принцип Карно. А это значит, что добавочная работа получается уже вопреки второму закону. Поэтому двигатель подобного вида, хотя внешне был бы вполне респектабельным, представлял бы собой ppm-2, выдавая «незаконную» дополнительную работу.

Несколько вариантов такого двигателя и достижения его изобретателей весьма эффектно рекламировал Е. Муслин в статье под многообещающим, но не очень грамотным заголовком «Выше цикла Карно» [3.3]. Этой статьи вполне достаточно, чтобы увидеть, в чем дело. Она построена, очень любопытно. Автор начинает с чрезвычайно почтительного отзыва о С. Карно, называя его труд (и совершенно правильно) гениальным. Портрет С. Карно даже открывает статью. Но, проведя необходимый цикл поклонов и расшаркиваний перед гением, Е. Муслин, «не переводя дыхания», пытается под корень принцип Карно изничтожить. Он делает это, ссылаясь на одного из изобретателей нового двигателя — И.М. Ковтуна.

Цитируем: «Он (т. е. Ковтун) снова и снова вчитывался в отточенные формулировки термодинамических теорем, пытаясь найти хоть какие-нибудь неиспользованные лазейки в неприступном фундаменте «королевы наук». И, представьте себе, нашел! Нашел в самой сердцевине, в святая святых термодинамики, в знаменитой фундаментальной теореме Карно, гласящей, что КПД цикла зависит только от температуры нагревателя и холодильника и не зависит ни от конструкции тепловой машины, ни от природы рабочего газа. Ковтун, конечно, не собирался опровергать эту теорему, в правильности которой сомневаться не приходилось. Но он пришел к выводу, что несмотря на кажущуюся общность, она не всеобъемлющая и справедлива далеко не во всех случаях. В самом деле, что значит «КПД не зависит от природы рабочего газа?» То, что газ может быть любой — и гелий, и водород, и азот? Справедливо. Но при этом в неявной форме еще подразумевается, что коль газ уже выбран, он все время остается одним и тем же, что свойства его во время работы не меняются. А если мы выберем такие газы или их смеси, в которых на протяжении цикла происходят обратимые химические реакции? Очевидно, что на этот случай теорема Карно уже не распространяется и ее ограничения можно обойти».

Начнем разбор этой длинной цитаты с констатации того, что Е. Муслин исказил до неузнаваемости теорему Карно, превратив ее четкое содержание в бессмыслицу Сделал это он очень просто: убрал из формулировки только одно слово — «максимальный». У Карно, пользуясь современными терминами, речь идет о максимальном, предельном значении термического КПД, а не КПД вообще, любой машины. Все остальные неточности в муслинском изложении теоремы Карно по сравнению с этой «поправкой» несущественны.

Настоящий смысл положения Карно совсем не тот который ему приписал Е. Муслин. Карно утверждал то чем мы уже говорили в гл.4: что при любом рабочем теле (а не только газе, как у Муслина) и любом типе двигателя количество полученной из теплоты Q работы не может превышать величины Q∙(T-T_О.С.)/T.[80] Учтем эту поправку и вернемся к рассуждениям Е. Муслина. Из нее прежде всего следует, что Карно нигде не утверждал, что для реальных машин-двигателей КПД не зависит от природы газа. Он прекрасно понимал, что зависит. И не только газа, но и любого рабочего тела в любом агрегатном состоянии.

Двигатели, используемые в технике, работают на самых разных рабочих телах — от воды до гелия; в каждом случае разработчики этих машин, стремясь повысить КПД, выбирают как процессы, так и наиболее подходящие рабочие тела. Как известно, эти тела вопреки Муслину меняют в цикле свои свойства. Но при всем том перейти предел, установленный Карно для идеального цикла, нельзя, можно только к нему приблизиться. Этим и занимаются настоящие энергетики. Они не устанавливают никаких принципиальных запретов на свойства рабочего тела. Все диктуется целесообразностью. Если в рабочем теле происходят обратимые химические реакции и это повышает КПД — пожалуйста! Принцип Карно, повторяем, разрешает использовать любое рабочее тело (чистое вещество, смесь, раствор, что угодно). Поэтому утверждение, что «на этот случай теорема Карно не распространяется», не имеет никакого разумного обоснования. Использование химических реакций в рабочем теле может быть полезным, в частности, и в двигателях Стирлинга[81]. Однако никакого «КПД выше КПД цикла Карно» нет и не будет.

Так Е. Муслин опроверг С. Карно. Ничуть не лучше он обошелся с Р. Клаузиусом.

Атаку на него Е. Муслин начинает под абсолютно верным лозунгом, звучащим даже несколько консервативно: «Законы верны и незыблемы, но их надо правильно понимать». Цитируем: «У самого Рудольфа Клаузиуса, творца второго начала, имеется еще одна формулировка, в которой говорится, что этот «переход (тепла от менее нагретого тела к более нагретому) невозможно осуществить с помощью каких-либо машин и приборов без того, чтобы в природе не произошло еще каких-либо изменений».

Далее из этого делается смелый и четкий вывод: «Таким образом, если изменения есть, то второе начало уже не при чем и цикл Карно нам не указ».

Здесь, как и при разборе постулата Карно, Муслин просто исказил классика, который никогда ничего подобного не писал. Берем работу Клаузиуса [1.13] и читаем соответствующее место: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому невозможен без компенсации». Вместо двух слов «без компенсации» Е. Муслин написал о «машинах и приборах» и «каких-либо»… «изменениях в природе».

Между тем Клаузиус, говоря о компенсации, имел в виду очень четкую и ясную мысль (на то он и классик!). Она состоит в том, что переход теплоты «снизу вверх» требует компенсации, например затраты работы (говоря по-современному, в более общем плане, эксергии любого вида). Другими словами, действие каждого теплового насоса (а именно он производит отбор теплоты у более холодного тела и передачу его более теплому) возможно только при затрате работы. Это и есть «компенсация». Поэтому вывод, что «цикл Карно нам не указ» и все дальнейшее никак не вытекает из постулата Клаузиуса.

Все, о чем говорилось выше, Е. Муслин написал, по его собственному признанию, «не углубляясь в термодинамические тонкости». Что верно, то верно!

Оптические ppm-2 представляют собой еще более оригинальный пример поисков обхода второго закона, чем химические.

Примером может служить устройство преобразования излучения, описанное Г. Лихошерстых [3.10], о «вкладе» которого в науку о тепловых насосах мы уже говорили. Он без тени сомнения утверждает, что, используя свойства люминофоров, можно получать «энергетическую прибавку»… «за счет концентрации тепловой энергии окружающей среды и эта прибавка может быть очень значительной». Как источник научной информации он использует книгу Ю.П. Чуковой «Антистоксова люминесценция и новые возможности ее применения». Это вполне серьезная книга, в которой нет ни атак на второй закон, ни «энергетических прибавок».

Напомним, что люминесценцией называется процесс испускания телом (люминофором) под действием какого-либо энергетического возбуждения (например, светового) дополнительного излучения, отличного от его собственного теплового излучения.

Многие люминофоры переизлучают падающее на них излучение так, что испускаемый ими свет имеет большую длину волны, чем поступающее излучение. Это так называемая стоксова люминесценция[82]. Позже стала известна и антистоксова люминесценция, при которой испускаемое излучение имеет меньшую длину волны, чем возбуждающее. В первом случае испускаемые кванты излучения имеют меньшую среднюю энергию, чем поступающие, во втором — большую. Разница в энергетическом балансе компенсируется за счет внутренней энергии люминофора.

Очевидно, что антистоксова люминесценция должна вызывать (и действительно вызывает) охлаждение люминофора, поскольку уходящее излучение выносит больше энергии, чем приносит входящее.

В стационарных условиях в этом случае к люминофору нужно подводить теплоту Q, компенсирующую разницу (рис. 5.9, а). Теплоту можно подводить откуда угодно, в частности и из окружающей среды при T_О.С.. Именно за этот факт и ухватился Г. Лихошерстных; он усмотрел в нем «концентрацию энергии окружающей среды». На самом же деле, если разобраться в этом процессе серьезно, ничего подобного здесь не происходит; более того, дело обстоит как раз наоборот.

Всякое излучение, кроме всех прочих характеристик (яркость, спектральный состав, поляризация и т. д.), характеризуется и энтропией (опять той самой проклятой энтропией, которую на горе всем «инверсионщикам» придумал Р. Клаузиус). Она равна нулю только у монохроматического (одноцветного) когерентного излучения, где все кванты имеют совершенно одинаковую частоту синхронных колебаний. Такое «высококачественное» излучение имеет эксергию, равную энергии, и может, следовательно, в принципе целиком быть преобразовано в работу. Если же поток излучения характеризуется широким спектром разных частот, то его энтропия может быть значительной: она тем больше, чем больше «беспорядок», получающийся при наложении разных частот в одном общем потоке излучения. Так вот, антистоксова люминесценция как раз характеризуется тем, что накачка люминофора энергией ведется излучением с узким спектром частот (т. е. с малой энтропией), а выдает он излучение с широким (т. е. с большой энтропией); поэтому радоваться тому, что W₂ > W₁, a Q извлечено из окружающей среды и «концентрируется», нет оснований. Наоборот, следует признать, что процесс идет с «ухудшением» энергии; уходящий поток излучения уносит большую энтропию, чем приносят входящие потоки энергии (рис. 5.9, б). Прирост энтропии ΔS связан с необратимостью реального процесса в люминофоре. Налицо явная, как говорят шахматисты, «потеря качества». Это видно и из эксергетического баланса (рис. 5.9, в): выходящая эксергия меньше входящей на величину потери D.

Таким образом, процесс преобразования энергии излучения в люминофоре идет по всем законам термодинамики с деградацией энергии и ростом энтропии. Никакой «концентрацией» энергии здесь и не пахнет. Нетрудно видеть также, что процесс в люминофоре аналогичен в определенной степени, как указано в [2.10], тому, который протекает в тепловом насосе; разница состоит в том, что поток теплоты трансформируется в поток энергии излучения. Из Q_О.С. получается W₂, причем коэффициент трансформации W₂/Q_О.С. > 1. В качестве приводной высококачественной энергии здесь используется не электроэнергия, а излучение с энергией W₁. При этом эксергия Е₂ потока энергии W₂, меньше, чем эксергия Е₁ потока излучения, несущего энергию W₁ (т. е. Е₂ < Е₁). Все как в обычном тепловом насосе!

Электрохимические генераторы энергии в последнее время привлекают все большее внимание. И это вполне оправдано. Действительно, возможность получать электроэнергию, не сжигая топлива, а превращая химическую энергию его и окислителя сразу в электроэнергию, чрезвычайно заманчива. Длинная цепочка энергетических превращений [химическая энергия топлива и окислителя — внутренняя энергия горячих продуктов сгорания — теплота — внутренняя энергия рабочего тела (вода, пар) — механическая энергия турбины — электроэнергия], проводимых в сложных устройствах со значительными потерями эксергии (более 50%), заменяется одним процессом в одном устройстве — электрохимическом генераторе электроэнергии (ЭХГ). КПД этих устройств очень высок. Пока ЭХГ дороги и их использование ограничено, но интенсивная работа по их совершенствованию идет весьма успешно.

Очевидно, что некоторые изобретатели не могли не обратить внимание на ЭХГ с целью использовать эту идею для ppm-2. Главной приманкой тут было высокое значение КПД. И в популярной [3.19], и даже в серьезной научной литературе можно встретить упоминания о значениях КПД электрохимических преобразователей энергии, намного превышающих 100% (и 120, и 130, и даже 150%).

Такие цифры появились в связи с тем, что электрохимики, авторы соответствующих работ, прекрасно владеющие своим предметом, не очень основательно знакомы с понятием КПД. Поэтому они подсчитали для своих ЭХГ коэффициент преобразования (который действительно может быть как больше, так и меньше 100%, как мы показали в гл. 3), назвали его, не мудрствуя лукаво, КПД и были очень довольны столь высокими показателями своей техники.

Однако, как и в случае с тепловым насосом, значения КПД, большие 100%, вызвали у недостаточно грамотных людей большие ожидания. И опять «пошла писать губерния». И как писать! Приведем для примера только три цитаты.

Уже упоминавшийся нами канд. техн. наук Н. Заев [3.5]: «Разработаны устройства, так называемые топливные элементы, КПД которых может достигать 1,3. Обычная теплосиловая установка всегда двухтемпературная (отсюда и потоки тепла, и идеальный цикл Карно), топливный же элемент — однотемпературный генератор энергии, в котором фактически решена задача α». (Задачей α Н. Заев называет такую: «Непрерывно или циклически отбирать тепловую энергию из данной открытой системы, причем отбирать больше, чем затрачивать на отбор, вследствие чего система будет охлаждаться и к ней потечет тепло из окружающей среды».)

Доктор техн. наук Ю.Чирков [3.19]: «КПД энергетической установки — отношение полученной электроэнергии к теплотворной способности топлива (тому запасу энергии, которое в нем заключено)». Безоговорочно используя значение КПД, основанное на этом определении, и очень образно называя процесс в ЭХГ «холодным горением», он далее пишет: «Оно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100%».

Г. Лихошерстых [3.10]: «Интригующая особенность подобного рода концентраторов энергии окружающей среды состоит в том, что они работают за счет понижения температуры окружающей среды». Смущает обычно здесь то, что в данном случае как бы нарушается запрет В. Томсона и М. Планка. «В природе невозможен процесс, полный эффект которого состоял бы в охлаждении теплового резервуара и в эквивалентной механической работе». Этот запрет был сформулирован в эпоху господства тепловых машин, непосредственно превращавших теплоту в работу. Разумеется, что обычная тепловая машина не способна работать за счет охлаждения теплового резервуара. Описываемые же концентраторы энергии получают энергию из среды окольным путем, причем без нарушения второго начала термодинамики, конкретизацией которого является упомянутый выше «запрет».

Несмотря на некоторые различия в деталях «идеологическая база» у авторов всех трех приведенных отрывков одна. Это наивная вера в неприменимость второго закона к электрохимическим процессам. Здесь нет огульного его отрицания — ничего подобного! Напротив, для «старья» — «обычных» тепловых машин — принцип Карно вполне подходит. А вот для нового — топливных элементов, у которых есть «интригующая особенность» — возможность получать «энергию из среды окольным путем», он уже не годится. Эти устройства «лишены ограничений, установленных Карно».

Все это, разумеется, неверно. Второй закон термодинамики, в том числе и принцип Карно, остается полностью в силе и применительно к любым электрохимическим процессам. Ничего эти процессы не «лишены»; их КПД всегда меньше 100%, и если есть у них «интригующие особенности», то совсем не в области законов термодинамики, а в задачах, которые нужно решать для дальнейшего развития этого направления.

Прежде чем коротко разобрать ошибки в трактовке электрохимических процессов, нагроможденные в приведенных цитатах, нужно сказать несколько слов о попытке оставить В. Томсона и М. Планка в «эпохе господства тепловых машин, непосредственно превращавших теплоту в работу».

Здесь тоже все перепутано. Прежде всего такой «эпохи» просто не было. Более того, и машин таких тоже не было (и нет еще, кроме опытных образцов, и теперь). Теплота и во времена В. Томсона (1824-1907 гг.), и в не очень далекие времена М. Планка (1858-1947 гг.), как и в наше время, превращается в работу не «непосредственно», а, как известно, сложным, длинным путем.

Во-вторых, как раз В. Томсон заложил основы термодинамики термоэлектрических явлений, посредством которых это самое «непосредственное превращение» и происходит. М. Планк тоже сделал огромный вклад в новые направления термодинамики. Попытка представить их как нечто древнее и устаревшее не только неграмотна, она направлена на то, чтобы устранить все, что мешает получать энергию «окольным путем», в том числе и упрямых классиков науки.

Все разговоры об «интригующих особенностях» ЭХГ опираются на непонимание действительных особенностей их энергетического баланса и связанное с этим неверное определение их КПД. Здесь сказываются традиции подсчета термического КПД электростанций, работающих на органическом топливе. Термический КПД η_Г для них подсчитывается по отношению полученной электроэнергии L_ЭЛ к теплоте сгорания использованного топлива ΔН. Он равен, по существу, отношению полученной электроэнергии к затраченной теплоте: η_Г = L_ЭЛ /ΔН. Строго говоря, поскольку в нем сопоставляются качественно различные формы энергии — теплота и работа, ηГ представляет собой не КПД, а коэффициент преобразования энергии.

Дня тепловых электростанций это различие не очень существенно, так как эксергия (работоспособность) топлива Е_Т примерно (с разницей до ±8-10%) совпадает с его теплотой сгорания ΔН. Поэтому здесь эксергетический КПД η_e = L_ЭЛ /ΔЕ примерно равен коэффициенту преобразования η_T = L_ЭЛ /ΔН, который по традиции называют термическим КПД η_T = η_e. Однако при переходе к ЭХГ это равенство нарушается. Здесь разность эксергий ΔЕ исходных химических веществ (реагентов), например Н₂+С₁₂, 2Н₂+O₂, N₂H₄+2H₂O₂, 2C+O₂, и продуктов реакции — НCl, Н₂O, N₂, СО может существенно отличаться от теплоты реакции ΔН. В этом проявляется естественное отличие максимальной работы процессов от их теплового эффекта. Поэтому и значение коэффициента преобразования, полученное по формуле η = L_ЭЛ/ΔН для ЭХГ, не равно КПД; неучет этого различия приводит к ошибочным оценкам.

Действительно, максимальная (для идеального случая) электрическая работа L_ЭЛ.М., как известно из термодинамики, определяется уменьшением величины G — так называемого потенциала Гиббса:

L_ЭЛ.М = -ΔG = -(ΔН — TΔS).

Из этой формулы видно, что L_ЭЛ.М может быть как больше ΔН (если ΔS отрицательна, т. е. энтропия S при реакции уменьшается), так и меньше (если ΔS положительна, т. е. энтропия при реакции возрастает). На практике встречаются оба случая. Например, в водородно-кислородном ЭХГ реакция протекает с уменьшением энтропии (ΔS < 0), что соответствует выделению теплоты. При этом L_ЭЛ.М будет меньше ΔН. Так, при Т = 298 К значение ΔН = -286 кДж/кмоль Н₂, a ΔS = —0,163 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, ΔG = L_ЭЛ.М = —286 + 298 ∙ 0,163 = —273,4 кДж/кмоль. Значит, максимальное значение коэффициента преобразования η_T = ΔG/ΔН составит здесь 237,4/286 = 0,83.

Этот вариант ЭХГ, в котором ηT существенно меньше 100%, естественно, не привлекает «инверсионщиков». Зато другой, в котором η_T > 1, вызывает энтузиазм. Действительно, например, для угольно-кислородного ЭХГ ΔG > ΔН, поскольку энтропия в результате реакции растет вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Здесь при той же температуре, что и в предыдущем примере, ΔН = -110,6 кДж/(кмоль-К), a ΔS = 0,089 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, Δg = —137,2 кДж/кмоль, что больше, чем ΔН. Отсюда η_T = 137,2/110,6 = 1,24, т. е. 124%, что намного больше 100%! Вот пример, когда «электрическая энергия, выдаваемая подобным элементом, есть в конечном счете трансформируемая энергия окружающей среды.»

Увы, это совсем не так. Вся электрическая энергия, как в этом случае, так и при η_T < 1, получается за счет химической энергии реагентов, а теплота (как подводимая, так и отводимая) идет на изменение энтропии реагентов. Если они уходят с меньшей энтропией, чем поступают («более организованные»), — теплота отводится, а если с большей энтропией («менее организованные») — теплота подводится.

Величины η_T, к сожалению, этого не показывают, ибо коэффициенты преобразования (в том числе и термический КПД η_T не дают, в общем случае правильной информации о термодинамическом совершенстве процесса. Идеальный процесс в ЭХГ должен всегда иметь КПД ровно 100%, а не 86 или 124. Действительно, строго определяемый КПД η_T топливного элемента должен иметь вид η_e = L_ЭЛ/ΔЕ, где ΔЕ — затраченная эксергия. Поскольку в рассматриваемых примерах Т = T_О.С., то ΔG = ΔН — TΔS равно ΔЕ = ΔН – T_О.С.ΔS и η_T = L_ЭЛ/ΔG. Тогда получаем для идеального ЭХГ во всех случаях η_e = 1, т. е. 100%. Реальный КПД будет, естественно, меньше 100%, поскольку L_ЭЛ < L_ЭЛ.М..

Превращения энергии в ЭХГ, проходящие с поглощением теплоты, и η_T > 100% вовсе не свидетельствуют ни о получении электроэнергии «за счет теплоты окружающей среды», ни о неподвластности этих «однотемпературных» устройств принципу Карно. Это наглядно видно из диаграмм потоков, представленных для этого случая на рис. 5.10.

Первая диаграмма (рис. 5.10, а) показывает ход потоков энергии; ΔН = H₁ — H₂ и L_ЭЛ = (H₁ + Q_О.С.) — H₂. Из этой диаграммы может действительно сложиться впечатление, что Lm возникает, хотя бы частично, и из Q_О.С.. Но энтропийная и эксергетическая диаграммы неопровержимо свидетельствуют о том, что дело обстоит иначе. Вся поступившая энтропия идет только на ее увеличение в реагентах (S₂ > S₁). Безэнтропийная электроэнергия ее не уносит. Эксергетический баланс показывает, что вся эксергия, необходимая для получения электроэнергии — L_ЭЛ образуется за счет разности входящих и выходящих ее потоков. Тепловой поток при T_О.С. не имеет эксергии (E_О.С. = 0) и не добавляет в этом смысле ровно ничего.

В реальных условиях L_ЭЛ < L_ЭЛ.М. вследствие потерь; для этого случая величины L_ЭЛ показаны штриховыми линиями. Из диаграммы можно снять величины, определяющие коэффициент преобразования (термический КПД):

и эксергетический КПД:

Для идеального процесса η_e равна единице; (Е'₁ + Eʺ₁) — Е₂ для реального меньше единицы, как и должно быть «по науке».

Таким образом, электрохимическое получение электричества проходит в полном соответствии со вторым началом термодинамики и никак не «концентрирует энергию окружающей среды». Напротив, реальный ЭХГ, выдающий L_ЭЛ < L_ЭЛ.М., увеличивает энтропию, как и любое реальное устройство преобразования энергии (и вообще все на свете — от микроорганизма и растения до велосипедного насоса и атомной электростанции).

Этим примером мы закончим рассмотрение «избранных» проектов ppm-2. Все остальные идеи такого же рода при тщательном анализе неизбежно оказываются неработоспособными.

Постоянные неудачи, преследующие всех изобретателей ррм-2, никак не охлаждают порывов наиболее активных их сторонников; они продолжают не только отстаивать, но и развивать свои идеи.

В качестве примера полезно привести отрывок из трудов к.т.н. Н.Е. Заева, который в 1976 г. громил термодинамику[83], а потом, через 15 лет, перенес свои пророчества уже с теории на практику. Вот как он представляет себе энергетику ближайшего будущего [5.5].

«Энергетическое изобилие, как видим, может придти совсем не от изобилия огня, а с другой стороны… Концентраторы энергии окружающей среды (КЭС, кэссоры) на самых различных принципах — вот, основа энергетики изобилия. Для нее характерна локальность: как правило, энергия будет добываться на месте потребления (в домах, часах, приемниках). Автомобили станут электромобилями с непривычными формами. Новая деталь их — сильно развитые постоянно заиненные теплообменные поверхности. Эти радиаторы и будут поглощать тепло воздуха — преобразуемое в электроэнергию. Вдоль побережий озер и морей будут электростанции помощнее: ведь вода более богата теплом. Всеобщая доступность энергии положит конец урбанизации мира, начнется эрозия, растворение городов… Исчезнут всевозможные ЛЭП-100,500,1000 — ведь потери в них достигают 20%, остынут котлы ТЭЦ, утихнут гидротурбины, истлеют за ненадобностью подземные кабели».

Этот образец нового литературного жанра — «антинаучной фантастики» наглядно показывает, как далеко в сторону от реальности могут зайти «пророчества» людей, которые никак не могут усвоить научные положения, противоречащие их желаниям.

Бывают, правда, хотя и редко, случаи, когда «вечные двигатели» исправно работают. Но тогда в конечном счете неизбежно выясняется, что в основе их действия лежит вполне законная идея, не имеющая отношения к ppm-2. Некоторые из таких устройств описаны в следующем параграфе.

5.4. Работающие вечные двигатели (псевдо-ppm)

В этом разделе будут описаны некоторые действительно работающие (или могущие работать) двигатели, которые по всем внешним признакам соответствуют ppm. На самом деле, естественно, они никакого отношения к ppm не имеют. Отсюда и приставка «псевдо» — «не настоящие, поддельные».

Секрет работы некоторых из них теперь известен, однако есть и такие, которые можно принять (или выдать) за ppm, так как найти и объяснить причину их движения не всегда просто.

Эти двигатели появились давно. Они очень разнообразны по устройству; чаще всего их применяли для привода «вечных» часов, не нуждавшихся в заводе, движущихся игрушек, моделей машин и т. д. Общая черта таких моделей ppm заключается в том, что они действительно работают неограниченно долго, казалось бы, без каких-либо видимых причин. На людей, не знакомых с принципами их действия, они производят сильное впечатление. У некоторых сторонников «энергоинверсии» эти игрушки возбуждают даже надежды как «прототипы» ppm-2. Однако вполне научное объяснение всегда находится. Но есть и такие псевдо-ppm, секрет которых пока не открыт; сведения об одном из них мы приведем ниже.

Насколько известно, первым изобретателем, придумавшим и осуществившим двигатель, который работал, извлекая без помощи какого-либо постороннего источника нужную энергию из окружающей среды, был голландский инженер и физик Корнелиус Дреббель (1572-1633 гг.). Этот очень знаменитый в свое время человек, о котором теперь незаслуженно редко вспоминают, был несомненно выдающимся исследователем и изобретателем с необычайно широким кругозором, исключительным даже при сравнении с другими светилами конца XVI — начала XVII в. Биографы писали о нем, например, так: «Он был человеком высокого разума, остро мыслящий и переполненный идеями, касающимися великих изобретений… Он жил как философ…». Большая часть его работ была проделана в Англии, где он служил при дворе короля Иакова I.

Его книга на латинском языке с характерным для тех времен названием «Послание к просвещеннейшему (sapientissimus) монарху Британии — Иакову — об изобретении вечного двигателя» была издана в 1621 г. в Гамбурге. Насколько далеко он смотрел вперед, можно видеть из краткого перечисления только некоторых его достижений.

Дреббель разработал первый известный в истории техники термостат — устройство, в котором автоматически поддерживалась заданная температура независимо от ее изменений снаружи. Он сам изготовил и наладил всю необходимую для этого, говоря посовременному, «систему автоматического регулирования». Идея этого термостата была использована в инкубаторе, честь изобретения которого тоже принадлежит Дреббелю.

Дреббель изобрел, сконструировал, построил и испытал на Темзе подводную лодку, которая успешно преодолела дистанцию от Вестминстера до Гринвича (около 12 км). Она представляла собой нечто вроде вытянутого в длину водолазного колокола. Приводилась лодка в движение гребцами (от 8 до 12), сидящими внутри на скамейках, установленных так, что ноги людей не доходили до уровня воды. Самое, пожалуй, интересное, это навигационные средства и особенно система жизнеобеспечения экипажа, которые тоже были созданы Дреббелем.

Направление определялось традиционным путем — посредством компаса, но глубина погружения — поновому, посредством ртутного барометра. Это был достаточно точный прибор, так как каждый метр глубины погружения соответствовал 76 мм высоты ртутного столба.

Дня обеспечения дыхания экипажа изобретатель применил селитру, которая при нагревании выделяла кислород. Оценить талант (если не гениальность) Дреббеля можно, если учесть, что кислород был открыт шведским химиком К. Шееле в 1768-1773 гг., т. е. только через полвека. Дреббель, несомненно, был отличным химиком. Об этом свидетельствуют не только разработка им химической системы жизнеобеспечения, но и другие изобретения — детонаторы для мин из гремучей ртути Hg(ONC)2, технологии получения серной кислоты действием азотной кислоты на серу (это отметил Д.И. Менделеев в «Основах химии»), использования солей олова для закрепления цвета при окраске тканей кошенилью. Если ко всему перечисленному выше добавить, что Дреббель был специалистом по оптическим приборам, линзы для которых он шлифовал на изобретенном им самим станке, то этого будет вполне достаточно, чтобы оценить его заслуги.

Дреббель занимался и вечным двигателем. Однако такой человек, как он, не мог пойти стандартным путем, очередной раз изобретая колеса с грузами или водяные мельницы с насосами. Ему было совершенно ясно, что таким путем вечный двигатель не создать.

В 1607 г. он продемонстрировал Иакову I «вечные» часы (запатентованные им еще в 1598 г.), приводимые в движение, естественно, столь же «вечным» двигателем. Однако в отличие от многочисленных других устройств с таким же названием, он действительно в определенном смысле был «вечным». После показа королю часы были выставлены во дворце Этлхем на обозрение всем желающим и вызвали сенсацию среди лондонцев.

В чем же был секрет этих часов (вернее, их двигателя)? Вечные часы Дреббеля работали от привода, использующего, как и любой другой реальный двигатель, единственный возможный источник работы — неравновесности (разности потенциалов) во внешней среде. Мы уже говорили о них — разностях давлений, температур, химических составов и других, заторможенных и незаторможенных, на которых основана вся энергетика.

Но неравновесности, которые использовал Дреббель, — особого рода, отличные от тех, о которых говорилось в гл. 3, хотя они и связаны тоже с разностями температур и давлений. Они могут действовать в совершенно равновесной окружающей среде, во всех точках которой совершенно одинаковые температура и давление. В чем же тут дело и откуда тогда берется работа?

Секрет в том, что разности потенциалов (давлений и температур) здесь все же существуют, но они проявляются не в пространстве, а во времени. Наиболее наглядно это можно пояснить на примере атмосферы. Пусть в том районе, где находится двигатель, в ней нет никаких существенных разностей давлений и температур[84]: все тихо и спокойно. Но общие (во всех точках) давление и температура все же меняются (например, днем и ночью). Эти-то разности и можно использовать для получения работы (в полном согласии с законами термодинамики). Энтропия здесь, естественно, как и при всяком выравнивании разности потенциалов, будет расти.

Простейший способ использования колебаний параметров равновесной окружающей среды — поместить в нее барометр или термометр с подвижными элементами и заставить их работать — делать что-нибудь полезное. Именно так и поступил Дреббель. В его часах находился жидкостной «термоскоп», в котором уровень жидкости поднимался или опускался при изменении температуры и давления. Соединить поплавок на поверхности жидкости с приводом часов было уже делом механики, которой изобретатель владел в совершенстве.

Дреббель объяснял работу своего двигателя действием «солнечного огня». Это было не только в духе времени, но и совершенно правильно с современных позиций. Действительно, все изменения температуры и давления атмосферы определяются в конечном счете солнечным излучением.

Чертеж атмосферного двигателя Дреббеля до нас не дошел. Однако его идея вечного привода повторялась в разных модификациях и многократно использовалась другими изобретателями. По описаниям их приборов можно в определенной степени судить о том, каким мог быть двигатель Дреббеля.

Около 1770 г. англичанин Кокс предложил баромерический двигатель. На рис. 5.11 приведена его принципиальная схема. Сосуд, заполненный ртутью, привешен на тросах, соединенных с ободом колеса. Сосуд уравновешивался грузом, установленным на стержне, жестко связанном с колесом. В сосуд погружена барометрическая трубка, закрепленная в верхней части. При изменениях атмосферного давления высота столба ртути в трубке менялась; соответственно часть ртути либо выливалась из трубки в сосуд (падение давления), либо вталкивалась в нее из сосуда (повышение давления).

В первом случае сосуд становился тяжелее и опускался вниз; во втором, напротив, поднимался. Это возвратно-поступательное движение заставляло колесо попеременно вращаться в противоположных направлениях. Посредством установленной на нем собачки храповому колесу сообщалось однонаправленное движение.

Эта машина была довольно крупной (в сосуде было около 200 кг ртути) и могла постоянно заводить большие часы. Вот какой отзыв дал о ней Фергюсон в 1774 г.: «Нет основания полагать, что они когда-нибудь остановятся, поскольку накапливающаяся в них двигательная сила могла бы обеспечивать их ход в течение целого года даже после полного устранения барометра[85]. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное ознакомление с этими часами, по своей идее и исполнению они представляют собой самый замечательный механизм, который мне когда-либо приходилось видеть…».

Точно так же, как колебания давления, могли использоваться для привода часов и колебания температуры. Очень простой и остроумный двигатель такого рода создал швейцарский часовщик П. Дроз (ок. 1750 г.).

Он изготовил двухслойную пружину (рис. 5.12), внешняя часть которой была сделана из латуни, а внутренняя — из стали. Уже тогда было известно, что коэффициент теплового расширения латуни существенно больше, чем стали. Поэтому при повышении температуры пружина будет сгибаться (сплошная стрелка), а при понижении — распрямляться (штриховая стрелка). С помощью системы рычагов это разнонаправленное движение преобразуется в однонаправленное вращение зубчатого колеса, поднимающего груз или заводящего пружину. Сейчас идея Дроза широко используется в самых разнообразных тепловых приборах.

В дальнейшем было создано довольно много таких барических или термических двигателей, конструктивно более совершенных, но повторяющих по существу идеи Кокса и Дроза. Если скрыть весь механизм двигателя под кожухом, то доказать, что это не ppm, практически невозможно.

Нужно отметить, что такие и им подобные двигатели, основанные на использовании колебаний температуры и давления окружающей среды, весьма выгодны экономически вследствие своей простоты и практически неограниченного ресурса.

Иногда в литературе, в том числе и посвященной вечным двигателям, появляются оценки устройств такого рода, которые могут дезориентировать читателя.

Нельзя, например, признать правильными расчеты экономичности микродвигателя, которые приводятся в [2.6]. Автор рассуждает так: «…для суточного завода обычных ручных часов требуется работа примерно 0,4 Дж, что составляет около 5∙10-6 Дж на каждую секунду хода часов. А поскольку 1 кВт равен 1000 Дж/с, то мощность пружины нашего часового механизма составляет всего 5∙10-9 кВт. Если расходы на изготовление основных частей такого устройства, действующего по принципу теплового расширения, принять равными 0,01 кроны, то за машину мощностью 1 кВт нам пришлось бы заплатить 2 млн. крон (250 тыс. руб.)». Отсюда делается вывод: «Конечно же, создание и использование таких дорогих источников энергии в широком масштабе абсолютно нерентабельно».

Конечно, так рассуждать нельзя. Расходы, особенно в малых технических системах, при сравнении их с большими нельзя считать пропорциональными их размерам. (Тогда, например, железнодорожный костыль будет дороже булавки в 10000 раз!). Таким путем можно получить совершенно фантастические цифры. На самом деле суточные (и сезонные) колебания, например, температуры воздуха или воды могут успешно, с большим экономическим эффектом использоваться для решения локальных энергетических задач. Кроме работы возможно получение и других полезных результатов. В общем случае возможный полезный эффект определяется максимальной работой (эксергией), которую можно получить, приводя какое-либо тело в равновесие со средой дважды: сначала при одних ее крайних параметрах (р'_О.С., T'_О.С.), а затем при других (рʺ_О.С. ≠ р'_О.С., Tʺ_О.С. ≠ Tʺ_О.С.). Если, например, зимой при T'_О.С. запасти большое количество льда с температурой, скажем, —10 °С, то летом при Tʺ_О.С. = 20°С 1 кг льда (даже если учитывать только его теплоту плавления) будет обладать большой эксергией. Точно так же нагретый летом до температуры окружающей среды грунт может служить (и уже используется) для теплоснабжения в зимнее время.

Использование таких энергетических резервов может дать существенный экономический эффект (и в малом, и в крупном масштабе).

Другая группа псевдо-ppm не связана с изменением параметров окружающей среды. Их действие происходит, на первый взгляд, без использования каких-либо разностей потенциалов.

Среди них особенно известны «самобеглый шарик» и «пьющая утка», которую иногда называют у нас в стране «утка Хоттабыча»[86].

«Самобеглый шарик»устроен очень просто (рис. 5.13). На свинцовые кольцевые концентрические «рельсы» треугольного сечения кладется медный или бронзовый шар, диаметр которого в 2-3 раза больше размера колеи. Как только экспериментатор отпускает шар, поставленный на рельсы, он начинает без всякой видимой причины катиться по рельсам, описывая безостановочно один круг за другим. Если шар остановить, а затем отпустить, то он покатится снова. Этот опыт производит большое впечатление, так как, на первый взгляд, причина движения шарика совершенно непонятна. Однако объяснение здесь очень несложное. Шарик предварительно нагревают. Теплопроводность свинца сравнительно невелика. Поэтому шарик, соприкасаясь с рельсами, нагревает места контакта. Свинец, расширяясь, образует небольшие бугорки на рельсах, с которых шарик скатывается; дальше такие бугорки образуются непрерывно вслед за движением шарика и постоянно толкают его дальше. К тому моменту, когда он вернется к исходному месту, рельсы успевают остыть, и образование бугорков на них продолжается. Так шарик будет кататься довольно долго, пока его температура и температура свинцовых колец рельсов практически выравняются.

Этот опыт очень наглядно иллюстрирует принцип Карно. Есть разность температур — есть движение; нет разности температур — движения нет (а внутренней энергии и в шарике, и в плите с рельсами — хоть отбавляй, почти столько же, сколько было и перед началом движения; она только распределилась равномерно).

«Утка Хоттабыча», внешний вид и разрез которой показаны на рис. 5.14, не нуждается в предварительном нагреве, она и не останавливается так быстро, как шарик (а может и вообще не останавливаться). Она исправно качается вокруг горизонтальной оси, каждый раз опуская клюв в воду, чтобы напиться, и снова поднимая голову вверх. Эти движения все время повторяются без всякой видимой причины и продолжаются, пока в стаканчике есть вода. Никакой разности температур между этой водой и окружающим воздухом, которую можно было бы использовать для движения, тут нет: их температуры одинаковы. Причина движения утки становится ясной, если познакомиться с ее устройством. «Голова» утки представляет собой сосуд, соединенной прямой трубкой с «туловищем» — другим большим сосудом, в который эта трубка входит так, что достает почти до его дна. Внутренняя полость заполнена легкокипящей жидкостью — диэтиловым эфиром (Н₅С₂-О-С₂Н₅) так, чтобы при горизонтальном положении ее уровень был примерно на середине трубки. Чтобы пустить утку в ход, нужно окунуть ее клюв в воду. Тогда вата, закрепленная на головке, увлажняется и вследствие испарения воды головка несколько охлаждается. Это приводит к некоторому понижению давления пара внутри утки и понижению температуры эфира. В этом горизонтальном положении утки паровые пространства головки и туловища сообщаются через трубку и давление в них становится одинаковым. Поскольку количество жидкости в туловище немного больше, оно перевешивает, головка поднимается и утка принимает наклонное положение, показанное на рисунке штриховыми линиями. Жидкость перекрывает сообщение между паровыми пространствами головки и туловища. Жидкость в туловище подогревается до температуры окружающей среды, частично испаряется и образовавшийся пар выталкивает большую часть жидкости через трубку в головку, которая перевешивает, и утка снова опускает клюв в воду. Обе полости снова сообщаются, давление выравнивается, и жидкость опять стекает в туловище. Процесс повторяется и может продолжаться до тех пор, пока в стаканчике, откуда утка пьет, будет вода.

Многие сторонники «инверсии энергии» очень любят и рекламируют эту игрушку. Действительно, чем не прообраз ppm-2? Она действует, «извлекая тепло из окружающей среды», и «концентрирует» его, превращая в работу. Часто и объяснения, приводимые в популярной литературе, даже посвященной вечному двигателю, вносят путаницу, например, фразы такого типа: «Постоянные качания утки происходят только благодаря тому, что она отбирает тепло от окружающего воздуха». Дело, конечно, не только (и не столько) в этом. Никакое устройство, в том числе и утка (даже принадлежащая самому Хоттабычу), не могло бы «отбирать тепло» от окружающего воздуха без затраты на это какой-либо эксергии, получаемой извне. Для этого нужно располагать разностью потенциалов между окружающей средой и находящимся в ней каким-либо телом. Но откуда в данном случае берется эксергия? И температура, и давление в окружающей среде — воздухе не имеют никаких перепадов, которыми можно было бы воспользоваться. Вода, которую «пьет» утка, тоже имеет ту же температуру, что и воздух. Однако здесь существует все же один перепад, за счет которого утка и работает. Этот перепад связан с разницей давлений водяного пара над поверхностью воды и в воздухе. Так как воздух обычно не насыщен водяным паром (относительная влажность (φ < 100%), то на поверхности воды все время происходит ее испарение с соответствующим понижением температуры. В сосуде это не чувствуется — воды много, а поверхность испарения мала. Но вата на головке утки — другое дело: ее поверхность велика, а воды в ней немного. Поэтому она охлаждена всегда; ее температура ниже температуры окружающей среды. Эта разность температур и обеспечивает работу «утки Хоттабыча». Но она вторична и возникает как следствие разной упругости пара в окружающей среде (воздухе) и над поверхностью воды. Если накрыть утку колпаком, то воздух под ним быстро насытится влагой, испарение ее с головки прекратится и «извлечение тепла из окружающей среды» на этом закончится[87].

Таким образом, «утка Хоттабыча» живет и движется в полном соответствии со вторым законом. В этом отношении она не отличается от обычной живой утки.

Теперь мы можем перейти к другой группе устройств, которые хоть и не доведены до уровня действующих вечных двигателей, но могут, по мнению некоторых сторонников «энергоинверсии», стать основой для их проектирования. Такие устройства создают разность температур; очевидно, что, имея ее в своем распоряжении, сделать двигатель уже нетрудно — это дело техники. Именно поэтому мечта о том, чтобы создать без затраты работы разность температур, — один из вариантов мечты о ppm-2.

Знаменитый английский физик К. Максвелл придумал в 1879 г. для таких мечтателей специальную мистическую фигуру — так называемого «демона Максвелла». Этот демон должен был делать очень нехитрую, на первый взгляд, работу — разделять в газе молекулы с большими скоростями («горячие») и с малыми («холодные»), Известно, что в любом газе есть и те, и другие; общая температура газа определяется неким средним значением всех скоростей.

Демон должен находиться у перегородки, разделяющей сосуд с газом на две части, и сторожить небольшое отверстие в ней, открывая и закрывая его так, чтобы пропускать в одну сторону только «горячие» молекулы, а в другую — только «холодные». Для других проход закрыт. Тогда через некоторое время работа демона-вратаря приведет к тому, что в одной половине сосуда будет горячий газ, а в другой — холодный. Цель достигнута! В гл. 3 мы показали на основе статистики, что самопроизвольно такое разделение произойти не может. А здесь «демон», не затрачивая работу, получил разделение.

Демон Максвелла вызвал много споров. Всем серьезным термодинамикам было ясно, что такого демона быть не может; его «деятельность» явно нарушала бы второй закон термодинамики. Но строго научно прикончить этого демона оказалось не так просто. В конце концов это было сделано[88]. Оказалось, что «просто так» демон работать не может. Затраты на его деятельность не могут быть меньше той работы, которую способны дать обе порции газа при выравнивании разности температур между ними.

Однако мечта сделать что-то в этом роде у некоторых противников второго закона оставалась. И вот появилось устройство, которое оживило их надежды. Это была вихревая труба или труба Ранка (названная в честь ее изобретателя — французского инженера Ж. Ранка).

Вот что пишет об этом устройстве один из пропагандистов «энергоинверсии» [3.10]: «Если способ отделения горячих компонентов воздуха от холодных (быстрых молекул от медленных) с помощью максвелловских демонов, открывающих в перегородке сосуда дверцы перед быстрыми молекулами, видимо, невозможен, то вот с помощью вихревой турбины… это осуществить удалось. Она представляет собой мундштукоподобное устройство, закручивающее в вихрь прокачиваемый сквозь него обычный воздух так, что наружу выходят из него две струи — горячая и холодная. Перед этой простой, не имеющей движущихся частей турбиной большое будущее».

Если заменить в этой тираде несуществующую «вихревую турбину», которая к тому же «не имеет движущихся частей», на «вихревую трубу» и убрать слова о «компонентах» (компоненты воздуха — это совсем другое), то все будет правильно. Вихревая труба действительно разделяет подаваемый в нее газ на два потока — нагретый и охлажденный; она действительно имеет не только большое будущее, но уже давно широко используется в технике [1.20]. Все это так. Однако никакой «энергетической инверсии», а следовательно, и ppm-2, с ее помощью создать нельзя.

Разберемся, в чем тут дело. На рис. 5.15 показаны схема работы вихревой трубы и ее внутреннее устройство.

Поток сжатого газа (например, воздуха) подводится к сопловому вводу, расположенному касательно к стенке трубы. В трубе газ закручивается в спирально движущийся поток. Внешняя часть 3 этого потока, выпускаемая через кольцевую щель, оказывается нагретой, а внутренняя часть 2, выходящая через отверстие в диафрагме, — охлажденной. Меняя положение конуса 5, можно изменять расходы и температуры горячего и холодного потоков. Однако во всех случаях температура потока Т₂ меньше, чем входящего Т₁, а горячего Т₁ — больше. Разности температур Т₁ — Т₂ = ΔТ_X и Т₃ — Т₁ = ΔТ_Г могут составлять десятки градусов. Это парадоксальное, но вполне объяснимое явление возникает в результате сложных газодинамических явлений, которые мы здесь разбирать не можем[89]. Для нас важен конечный результат — возникновение в трубе разности температур без какого-либо специального нагрева или охлаждения. Можно ли использовать эту разность, чтобы получить работу? Несомненно, да. Работу можно получить. Но нужно ли ее получать таким способом? Имеет ли такое преобразование смысл?

Увы, нет. В этом легко убедиться, посмотрев на схему включения вихревой трубы на рис. 5.16. Ведь для того, чтобы она действовала, нужно подать в нее сжатый газ, а чтобы сжать его, нужен компрессор, а чтобы компрессор работал, нужно подвести к нему работу L' от двигателя. Так вот, если сравнить эту затраченную работу L' с эксергией, работоспособностью горячего Е₃ и холодного Е₂ потоков газа, та она будет значительно больше: L' >> Е₂ + Е₃. Разность L' — (E₂ + Е₃) даст потерю D эксергии в этом процессе. Оказывается, что она в самом лучшем случае составляет 88-90% подведенной работы. Другими словами, КПД всей системы составит не более 12%.

Ясно, что никакой «инверсии энергии» здесь нет; напротив, как и во всяком реальном техническом устройстве, эксергия теряется (а энтропия растет). Можно, конечно, и здесь получать электроэнергию Lʺ, но при этом неизбежно получится тот же плачевный результат, что и с другими «концентраторами энергии», например тепловым насосом: Lʺ по отношению к L' составит 10-12%. Кстати, автор и той, и другой идеи — одно и то же лицо.

Интересно отметить, что мысль о том, что вихревая труба — жилище демона Максвелла и что ее действие нарушает второй закон, приходила в голову многим. Характерна в этом отношении статья М. Силвермэна, помещенная в 1982 г. в журнале Европейского физического общества под интригующим названием «Вихревая труба: нарушение второго закона?» [2.15]. Подробно разобрав вопрос на пяти страницах, автор с грустью все же приходит к выводу, что второй закон термодинамики в вихревой трубе не нарушается.

Другой, не менее любопытный вариант «самопроизвольного» получения разности температур привел известный советский кристаллограф академик (тогда еще профессор) А.В. Шубников в статье «Парадоксы физики» [2.16]. Автор ставит вопрос: можно ли нагреть стоградусным паром жидкость выше 100°? Дальше он пишет: «Этот вопрос был предложен 25 лет назад профессором физической химии Крапивиным выпускникам Московского университета, к которым принадлежал и автор настоящей заметки. С тех пор мне много раз приходилось задавать этот вопрос рядовым физикам и химикам и не было случая, когда я получил бы правильный ответ. Один из видных химиков так обиделся на мой вопрос, что не пожелал даже продолжать разговор на эту тему, объявив, что сама постановка вопроса может свидетельствовать только о моем глубочайшем невежестве в физике; надо думать, что он причислил меня к сумасшедшим изобретателям перпетуум мобиле. Дело кончилось тем, что мне пришлось обманом завлечь умного химика в лабораторию, где заранее был приготовлен опыт, показывающий, что стоградусным паром можно нагреть жидкость до 110°С и много выше. Опыт делается очень просто».

Далее описана установка для опыта. В колбу Вюрца (рис. 5.17, а) наливается вода; в горлышко колбы вставляется пробка с термометром, причем шарик термометра, как полагается, помещается возле боковой пароотводной трубки колбы; свободный конец этой трубки погружается в насыщенный раствор поваренной соли, в который помещен второй термометр. При нагревании воды в колбе до кипения ртуть термометра в колбе, поднявшись до метки 100 °С, будет оставаться в этом положении, пока кипит вода; ртуть же второго термометра будет подниматься до тех пор, пока раствор соли тоже закипит. Температура кипения насыщенного раствора соли равна примерно 110°С. Эту температуру и покажет второй термометр. Для большей убедительности опыта можно поменять термометры местами; все равно термометр покажет, что раствор соли имеет температуру 110°С! Следовательно, водяной пар, имеющий температуру 100 °С, нагрел рассол до 110 °С. Как же быть со вторым законом термодинамики?

Опыт действительно интересный, и в его результатах необходимо разобраться. Сделать это нужно с особой тщательностью, поскольку, как мы уже видели, любая самая маленькая неточность может привести к большим ошибкам, в том числе к очередному «перпетомобилю».

Начнем поэтому, как всегда в таких случаях, с терминов. Отметим, прежде чем разбирать вопрос по существу, одну небольшую, но очень существенную неточность в самом названии опыта. Строго говоря, в опыте производится не «нагрев стоградусным паром жидкости до 110°С и выше», а нечто более сложное.

Чтобы наглядно показать это, представим опыт в таком виде, чтобы он точно соответствовал названию. Тогда колба с нагреваемой жидкостью выглядела бы немного иначе — так, как показано на рис. 5.17, б. Греющий пар нужно было бы пропустить по змеевику, не смешивая с соленой водой в стакане, а только нагревая ее через стенку трубки. Вот тогда был бы действительно «нагрев стоградусным паром» жидкости в стакане. И если бы в этих условиях жидкость — соленая вода — нагрелась до 110 °С, то второму началу тут же пришел бы конец к радости всех изобретателей вечного двигателя второго рода. Но, увы, этого не произойдет; при таком устройстве прибора любая жидкость, в том числе и соленая вода, никогда не нагреется выше температуры пара — 100 °С. Любой желающий может легко это проверить. Выходит, что тот «химик-скептик», которого Шубников обманом затащил в лабораторию, был абсолютно прав, в своем возмущении: «нагреть» (в точном смысле этого слова) «стоградусным паром» рассол до 110°С действительно нельзя.

Теперь мы можем вернуться к «опыту Крапивина» и рассмотреть его точно в том виде, как он описан в заметке. Здесь происходит не просто нагрев, а смешение водяного пара с соленой водой. В этом, как уже, наверное, догадывается читатель, вся «соль» вопроса и содержится. Пузырьки пара, как совершенно правильно в дальнейшем объяснит А.В. Шубников, конденсируются в растворе соли, все время разбавляя его. При этом лежащая на дне сосуда соль постепенно переходит в раствор, поддерживая его в состоянии, близком к насыщению. Эти два процесса растворения — пузырьков пара в рассоле и соли в нем — и приводят к нагреванию рассола до температуры, существенно более высокой, чем 100 °С.

Тепловой эффект, возникающий при взаимном растворении газов, жидкостей и твердых тел, хорошо известен. Он может сопровождаться, зависимости от знака теплоты растворения, как охлаждением (например, при смешении льда и соли), так и нагреванием (например, при смешении этилового спирта и воды).

Разогрев рассола в «опыте Крапивина» до температуры выше 100° С не имеет никакого отношения к «передаче теплоты наоборот» — от более холодного тела к теплому и, следовательно, к нарушению второго начала. Здесь теплота вообще не передается.

Все дело в теплоте растворения, дающей добавочный эффект разогрева, который определяется двумя составляющими. Первая из них и основная — это теплота растворения пара в насыщенном растворе соли, приводящая к нагреву образующегося раствора. Вторая — теплота растворения твердой соли в рассоле, имеющая противоположный знак и ведущая к охлаждению раствора. Но поскольку первая величина намного больше, в итоге и получается значительный разогрев раствора. Как в любом процессе смешения, энтропия при этом возрастает.

«Эффект Крапивина», так же как и любая экзотермическая (т. е. проходящая с выделением теплоты) реакция, представляет собой явление, никоим образом не противоречащее второму закону термодинамики[90]. Создать на его базе ppm-2 никак нельзя.

Существует еще много явлений, которые в очередной раз вселяют в сердца «энергоинверсионщиков» надежды на «обход» второго закона, но каждый раз научный анализ беспощадно их разбивает.

В заключение нельзя не упомянуть еще об одном направлении в разработке псевдо-ppm — создании специальных игрушек или моделей, имитирующих вечные двигатели. Их авторы прекрасно понимают, что ppm создать нельзя, но они пользуются всеми возможностями современной техники, вплоть до использования микропроцессоров, чтобы сделать такую модель ppm, в которой секрет ее привода был бы спрятан возможно лучше.

Устройство некоторых из таких игрушек подробно описывается в литературе. Примером может служить модель магнитного ppm-1 с шариком, скатывающимся по желобу и снова притягиваемым магнитом, описанного в гл.1 (см. рис. 1.18). Все там продумано и спрятано настолько искусно, что создается полная иллюзия работающего вечного двигателя [2.14]. Однако рекорд в создании действующей модели ppm поставил один англичанин, сделавший ее на основе велосипедного колеса (опять велосипедное колесо!).

Каждый год Британская ассоциация содействия развитию науки собирает свой съезд. В 1981 г. такой съезд, посвященный 150-летию этой организации, состоялся в городе Йорке. На нем по традиции была организована выставка. Несмотря на обилие разнообразных научных экспонатов, наибольшее внимание привлек действующий вечный двигатель, представленный редакцией журнала «New Scientist». Машина, сооруженная на базе велосипедного колеса без камеры и покрышки, заключена в герметически закрытый стеклянный ящик. Колесо крутится с постоянной скоростью — 14 об/мин безостановочно, без всякого шума. Фотография этого двигателя представлена на рис. 5.18.

Всем желающим было предложено отгадать секрет движения колеса. Была установлена и премия: годовая бесплатная подписка на журнал плюс фирменная рубашка с эмблемой.

За время конгресса (а он длился месяц) редакция получила 119 ответов; ни один из них не был правильным. Самое интересное, что 16 человек сочли двигатель настоящим ppm и соответственно объяснили его работу! Когда изобретатель модели говорил им, что его колесо вовсе не вечный двигатель, они отходили очень разочарованные. «Он специально обманывает нас, чтобы скрыть свой секрет» — сказал один из них.

Нашелся даже один отчаянный студент, который ухитрился украсть двигатель, покопался в нем и с позором вернул обратно, так и не поняв, в чем дело; двигатель продолжал работать.

Изобретатель этой машины, химик из Ньюкасла Дэвид Джоунс, на вопросы корреспондентов ответил: «Единственное, что отличает мою машину от других вечных двигателей, — это то, что в ней спрятан источник энергии. Я использовал всем известные принципы, но так, как до сих пор не приходило в голову ни одному разумному человеку; даже присниться не могло».

На этом интервью закончилось, и от дальнейших объяснений изобретатель категорически отказался. Так тайна и осталась нераскрытой.

На этом, самом загадочном из всех ppm и единственном, который работает, мы закончим рассмотрение вечных двигателей — «настоящих» и ложных.

В заключение осталось коротко коснуться еще одного, последнего вопроса — в какой связи находятся поиски ppm с настоящей энергетикой и смогут ли они дать что-либо полезное для нее, если не сейчас, то хотя бы в перспективе?