Знание-сила, 2005 № 01 (931)

Тепло из холода

Обычно мы имеем дело с процессами, в которых тепло перетекает от горячего тела к холодному. Однако формулы термодинамики убеждают нас в том, что возможны явления, при которых тепло течет в обратном направлении, — когда оно, образно говоря, извлекается из холода.

Используя такие явления, наши дома можно обогревать за счет охлаждения наружного воздуха. С первого взгляда это кажется просто невероятным! Правда, чтобы привести в действие такие «высасывающие тепло» устройства, нужно затратить некоторое количество энергии. Тем не менее с учетом тепла, выделяющегося при выполнении этой работы, энергетический баланс оказывается положительным.

Если это так, то, казалось бы, перед нами открываются фантастические перспективы — к нашим услугам практически неисчерпаемый океан экологически чистой энергии земной атмосферы, а если заглянуть чуть дальше, то и безбрежного космоса с размазанным там остаточным теплом первичного взрыва. В последние годы появилось немало книг и статей, пропагандирующих такую технологию. Почему же тогда мы медлим и не строим батареи тепловых насосов? Виновата наша инертность, как говорится, руки не доходят — или туг есть какие-то подводные камни?

Вопрос о направлении тепловых потоков важен не только с практической точки зрения. Он связан с прогнозами дальнейшей эволюции Вселенной, когда будут исчерпаны, превратившись в тепло, все источники энергии и, если верить космологическим предсказаниям, безгранично расширяющийся Мир перейдет в состояние теплового покоя вблизи абсолютного нуля температур. Философы утверждают, что ни один процесс, ни одно состояние не могут быть вечными и в силу каких-то, возможно, не вполне ясных нам сегодня причин непременно сменятся качественно иными.

Трудно сказать, что это будет. Может, произойдет скачок на энергетически более низкий уровень вакуума, как уже не раз было в истории нашей Вселенной, и Мир в очередной раз разогреется... Или станут важными квантовые процессы обмена энергией с соседними вселенными, у которых иной тепловой уровень... А нельзя ли с помощью тепловых насосов, по крайней мере в какой-то ограниченной области, повернуть вспять эволюцию Вселенной, осуществив, пока она еще далека от нулевой температуры, вечный круговорот тепла и энергии?

О том, что энергия не возникает «из ничего», не может исчезнуть без следа и лишь «переливается» из одной формы в другую, сегодня знает каждый школьник. В вечный двигатель, который работал бы «сам по себе», без притока энергии, мало кто верит. Тем не менее всегда находятся энтузиасты, уверенные в том, что наши знания не полны и может найтись область, где «все не так». Нужно сказать, что наука многим обязана энтузиастам-дилетантам. Ими были открыты новые кометы, юрист Ферма сформулировал теорему, над доказательством которой несколько столетий бились самые выдающиеся математики, а солдат из далекого дальневосточного гарнизона первым придумал способ удержания плазмы в термоядерных устройствах.

Плохо другое — когда не считаются с законами там, где они хорошо проверены. Например, один наш упорный многолетний корреспондент, гордо называющий себя экспертом по вечным двигателям, раз за разом присылает проекты устройств, противоречащие элементарным законам механики, и жалуется во все мыслимые инстанции на то, что его не хотят понять[¹ Покойный академик В.А. Фок рассказывал. что однажды ему пришлось обращаться даже к адмиралу, чтобы избавиться от комиссий, проверявших жалобы чрезмерно настойчивого моряка-энтузиаста!].

Конечно, абсолютных законов, верных всегда и повсюду, не существует. Природа слишком сложна и многогранна, чтобы ко всем явлениям, в том числе и к тем, которые только еще предстоит открыть, были бы заведомо применимы известные нам понятия и законы. Это относится и к закону сохранения энергии. Так, микрочастицы могут испускать частички материи, которые тяжелее их самих, — явление, казалось бы, несовместимое со здравым смыслом и заведомо невозможное в рамках классической ньютоновской физики. Но это становится возможным за пределами классической физики на очень короткое время, такое короткое, что, не успев отойти на сколь-нибудь значительное расстояние, они поглощаются обратно. Ньютон и Ломоносов, возможно, сказали бы, что на малых расстояниях царит энергетический хаос. В глубинах микромира могут стать неверными многие представления, кажущиеся нам сегодня очевидными.

Еще одна область, где может быть неверным закон сохранения энергии, это — сильные гравитационные поля. Если верить Общей теории относительности Эйнштейна, то понятия энергии там просто не существует, поэтому и о законе ее сохранения там говорить не имеет смысла. Можно, конечно, сомневаться в справедливости самой этой теории, но это уже другой вопрос[² См. об этом статью одного из авторов в январском номере «ЗС» за 2003 год.].

Рис. 1. Кольцор Лазарева.

Два сообщающихся сосуда.

В левом уровень жидкости ограничен пористой пробкой и воздушной прослойкой между нею и жидкостью. Это прослойке играет важную роль в механизме просачивания падающей сверху капли.

Однако если исключить ультрамалые расстояния, окрестности черных дыр и других объектов с огромными полями тяготения, то закон сохранения энергии можно считать строгим и, как говорил Ломоносов, сколько в одном месте убудет, ровно на столько в другом месте прибудет.

А нельзя ли на проблему вечного двигателя взглянуть с несколько иной стороны — не нарушая закон сохранения энергии, попытаться концентрировать для повторного использования тепловую энергию, равномерно или почти равномерно распределенную в окружающей среде? В воде или в воздухе, ведь их температура даже в самые сильные морозы намного выше абсолютного нуля (минус 273 градуса по Цельсию)? Практически бесконечный, неисчерпаемый резервуар тепла.

И вот туг мы встречаемся с еще одним фундаментальным законом природы. Если закон сохранения энергии количественно характеризует ее трансформацию, то другой закон определяет направление этой трансформации. Он говорит, что любой вид энергии стремится стать менее концентрированным, так сказать, размазаться, расплыться по окружающей среде. Обратный процесс происходит лишь под действием внешних сил. Например, электромагнитная волна всегда стремится рассеяться в пространстве, тепло само по себе течет лишь от более нагретого тела к менее нагретому. В то же время заморозить продукты в домашнем холодильнике, «перелив» их тепло в более нафетый воздух комнаты, можно лишь с помощью силы, включив электродвигатель. Сам по себе подобный процесс никогда не происходит.

Физическая причина такой асимметрии состоит в том, что всякий обладающий избыточной энергией объект, взаимодействуя с окружающими телами, делится с ними своей энергией. Вероятность обратного события, когда воздействия окружающих тел вдруг сложатся таким образом, что их сумма станет энергетически более мощной, очень мала. Число переходов в состояния с меньшей энергией всегда больше, чем в обратном направлении. Импульсы хаотически движущихся молекул асфальтовой дорожки, на которой лежит кирпич, могут сложиться и забросить его на крынгу соседнего дома, однако и пятнадцати миллиардов лет жизни нашей Вселенной не хватит, чтобы такой феномен мог с достоверностью произойти хотя бы один раз.

Можно сказать, что эволюция любой независимой, предоставленной самой себе системы протекает по линии наименьшего сопротивления. Любая попытка сместить систему с этой «линии» требует внешнего вмешательства. Этот закон природы называют вторым началом, предполагая, что первое — это закон сохранения энергии.

Если с первым началом сегодня мало кто станет спорить, то второе часто вызывает сомнения. Наверное, многие помнят популярную несколько лет назад телепрограмму Димы Диброва. На его столе всегда стояла игрушка с непрерывно вращающимися лопастями то в одну сторону, то в другую. Стоит подсоединить их к заводному устройству, и можно построить, например, «вечные» часы (их можно купить в магазине) или какой-либо другой концентратор рассеянной энергии, ее случайных флуктуаций.

Еще один весьма впечатляющий концентратор рассеянной энергии — кольцар Лазарева (так он называется по имени своего изобретателя, новосибирского инженера). Это — цилиндр с пористой перегородкой, под которой находится воздушный пузырь, а ниже жидкость, например обычная вода, заполняющая сообщающуюся с цилиндром вертикальную трубку (рис. 1). Жидкость заполняет ее до уровня чуть-чуть выше горизонтального колена. Стоит капле жидкости упасть на пористую перегородку, она просачивается сквозь нее, повышая уровень жидкости в присоединенной трубке. Это порождает новую каплю в цилиндре и так далее. Такой прибор нетрудно изготовить самому, и он будет работать месяцами, пока не понизится уровень жидкости благодаря ее постепенному испарению. В принципе, под капли можно поставить что-то вроде мельничного колеса и аккумулировать концентрируемую энергию. Конечно, она очень мала, но нам сейчас важна сама принципиальная возможность.

Объяснить безостановочный круговорот жидкости в кольцаре труднее, чем работу «вечных часов». Причиной могут быть спорадические вздрагивания основания прибора, случайные перепады атмосферного давления и так далее. Существует несколько теорий на этот счет.

Известно еще несколько конструкций подобных устройств. Они действительно собирают рассеянную энергию, однако абсолютно независимыми, работающими сами по себе такие устройства назвать нельзя. Их приводят в действие слабые внешние воздействия, хотя и не целенаправленные. Такие концентраторы второе начало не нарушают. Если их изолировать от внешних воздействий, например, поместить в термостат с крепкими стенками и виброзащитним основанием, где все флуктуации только на уровне молекулярных тепловых шумов, они, не имея энергетической подпитки, замирают.

То, что второе начало не мешает концентрации рассеянной энергии в офаниченных частях большой системы, возможно, имеет важные космологические следствия, так как не исключено, что собирающие энергию метастабильные образования могут существовать и в космосе, влияя на происходящие там процессы. Гипотеза с первого взгляда довольно фантастическая, но кто знает...

Второе начало запрещает создание концентраторов, аккумулирующих энергию флуктуаций в системах с установившимся тепловым равновесием и флуктуаций на уровне тепловых шумов, когда флуктуации молекулярной структуры самих концентраторов такого же порядка величины. Как же тогда быть с «тепловыми насосами», отапливающими помещения как раз за счет «высасывания» равновесного (молекулярного) тепла окружающей среды? Такие установки с мощностью в несколько киловатт уже созданы.

Чтобы получить представление о том, как действует тепловой насос, вспомним известную еще со школы паровую машину. Если забыть о конструктивных особенностях, то, с принципиальной точки зрения, паровая машина и тепловой насос различаются тем, какая температура выше — при расширении или в процессе сжатия пара в рабочем цилиндре. Тепловой насос при каждом цикле, включающем расширение и сжатие, часть энергии внешней среды, содержащейся в расширившемся газе, оставляет в рабочем цилиндре как бесплатную добавку к теплу, в которое трансформировалась энергия внешнего двигателя.

Теорию паровой машины и ее зеркального отражения — теплового насоса — 175 лет назад создал французский инженер Сади Карно. Эти два режима часто называют прямым и обратным циклами Карно. Сегодня существует огромное количество конструкций тепловых машин, и все они подчиняются этой теории, которая говорит, что эффективность машины, ее КПД тем выше, чем больше разность температур, при которых происходят расширение и сжатие в рабочем объеме. А вот тепловой насос работает с наибольшим КПД, то есть с максимальным переносом тепла при наименьшей затрате энергии приводящего его в действие двигателя, когда разность температур расширения и сжатия минимштьна и обе они достаточно высоки. Такие условия — в тропиках, где тепловой насос мало полезен. Там важнее обратный процесс — охлаждение помещений. Однако и в холодном климате, для которого характерны большие перепады температур, тепловые насосы, тем не менее, могут быть весьма эффективны. Если для жилых помещений нужна температура в 20 градусов, то для многих подсобных помещений — гаражей, складов — вполне достаточно 5—10 градусов, а для овощехранилищ — всего лишь несколько градусов выше нуля. Для такого низкотемпературного обогрева, особенно в условиях не слишком холодных зим, вполне пригодны тепловые насосы.

Изатекая из окружающей среды рассеянное там тепло, тепловые насосы увеличивают наши энергоресурсы. При этом возвращается и однажды уже отработанное тепло. Казалось бы, это позволяет создать нескончаемый круговорот энергии — своеобразный маятник, когда сброшенное при работе паровой машины тепло вновь возвращается тепловым насосом, и все это повторяется раз за разом. Однако, как и механический маятник, такой закольцованный процесс будет постепенно затухать, поскольку благодаря трению и другим диссипативным процессам часть тепла будет уходить из кольца, рассеиваться в окружающей среде, и для ее компенсации, чтобы безостановочно работал мотор, приводящий в действие тепловой насос, необходим приток энергии со стороны. Увеличивая энергоресурсы, тепловые насосы, тем не менее, не спасают Мир от энергетического «увядания».

Недавно одного из авторов пригласили на демонстрацию очень простого по своей конструкции устройства, разделявшего засасываемый с улицы холодный воздух на две струи холодную, которая выпускалась наружу, и теплую, обогревавшую небольшой дачный домик. Это так называемая вихревая труба, изобретенная французским инженером Ранке. Небольшой компрессор вдувает тонкую струю наружного воздуха по касательной к внутренней поверхности трубы (рис. 2). Периферическая, близкая к стенкам вихреобразно вращающаяся часть струи нагревается и через узкую щель между трубой и конусообразной пробкой выходит в обогреваемое помещение. В обратном направлении течет и сквозь небольшое отверстие выхолит наружу охлажденный поток воздуха. Разогрев периферической струи можно приписать трению о стенки и на границе при встрече с центральным воздушным потоком. Труднее объяснить, почему понижается температура потока. Предложено несколько гипотез, но общепринятой теории пока нет. Однако установка растает и действительно обогревает помещение, хотя экономическая выгода от такого способа обогрева незначительна.

Есть случаи, когда тепловой насос может дать ощутимый экономический эффект. На тепловых и атомных электростанциях происходит сброс огромных масс воды, использованных для охлаждения системы. Ее температура — около 25 градусов по Цельсию — достаточно высока, чтобы попытаться утилизировать ее с помощью тепловых насосов. Конечно, КГ1Д мал, но благодаря очень большому объему сбрасываемой воды это может оказаться экономически оправданным, особенно если принять во внимание экологические соображения.

Рис. 2.

Вихревая трубе Ранке. Заначиваемый в трубу воздух (или жидкость) расщепляется на две струи — вихревую периферическую и движущуюся е обратном направлении ламинарную. Из узкой кольцевой щели выходит нагретый воздух; из отверстия в заслонке на противоположном конце трубы — охлажденный.

У американского гшеателя-фантаста Азимова есть роман о том, как изучавшие вакуум ученые неожиданно для себя обнаружили энергетический кана!, соединяющий нашу Вселенную с соседней, о существовании которой ранее и не догадывались. По этому канату можно было перекачивать тепло и другие виды энергии. Благодаря разнице энергетических уровней вакуума канал фойтанировал энергией, подобно мощной газовой скважине, и вскоре такие каналы — тепловые проколы Вселенной — стали использоваться для приведения в действие различных машин и механизмов. Читатель, желающий узнать, к каким экологическим катаклизмам это привело в обеих вселенных и почему их обитателям пришлось договариваться о строительстве тепловых насосов для обратной перекачки тепла, может обратиться к роману Азимова, мы же хотим заметить, что, несмотря на всю фантастичность сюжета, идея энергетических проколов в соседние вселенные, возможно, имеет связь с реальностью.

Изучение так называемых суперсимметричных теорий подсказывает, что наряду с нашей, не исключено, существует еще перекрывающаяся с ней «теневая» Вселенная, вещество которой взаимодействует с нашим лишь посредством гравитационных сил. Слои и сгустки теневой материи, возможно, пронизывают нашу Вселенную, но мы их просто не замечаем. Мир-невидимка. Однако гравитационная связь остается, и с помощью сил тяготения можно создать канал перекачки.

Пока гипотеза теневого мира остается умозрительной, и далеко не все физики ее разделяют. Никаких следов теневого вещества, по крайней мере в окрестностях Солнечной системы, до сих пор не обнаружено, хотя они, как показывают расчеты, должны бы проявить себя изменением силовых полей внутри Солнца, что сказалось бы на его температуре и светимости. Возможно, теневая материя прячется в скоплениях таинственного, не излучающего свет вещества, о существовании которого недавно стало известно по создаваемым им сильным полям тяготения. Так что, кто знает, возможно, наша Вселенная еще будет черпать тепло из космического холода соседей! Достижения науки фантастичнее любого романа, особенно если учесть, что наблюдения астрономов и расчеты астрофизиков доказывают, что Вселенная более чем на 90 процентов состоит именно из такого непонятного для нас вещества. Несмотря на поразительные успехи последних десятилетий, следует признать, что наука делает еще только первые шаги в познании космоса, и тут нас ждут потрясающие сюрпризы.

Есть немало интересных вопросов, касающихся взаимоотношений тепла и холода во Вселенной. Например, мы уверены, что -273 градуса по Цельсию — абсолютный минимум температуры, когда прекращаются все тепловые. молекулярные движения. В современном мире это так, однако квантовая теория говорит, что в первые минуты после рождения нашего Мира в катаклизме Первичного Взрыва вакуум был несравненно более «густым». По мере остывания он переходил в менее плотные состояния. Такой «обвал» произошел, когда от первородной праматерии отщепились кванты гравитационного поля, которое в то время было чрезвычайно сильным, а последний раз — когда один из сортов элементарных частиц распался на наблюдаемые сегодня кванты электромагнитного поля и очень тяжелые кванты, так называемые Z- и W-бозоны. Но, может, существует какой-то еще более глубокий уровень, и тогда наши представления о судьбах Мира будут иными...

Время — самое фундаментальное, интуитивно понятное каждому и вместе с тем крайне трудно определимое понятие. Что мы знаем о нем? До начала прошлого века — почти ничего. Следуя Ньютону, физики рассматривали время как абсолютную, неизменную, однонаправленную длительность (хотя что такое «длительность», оставалось за скобками). Философы определяли время как всеобщую форму существования материи, однако едва ли это проясняет суть дела и порождает массу вопросов. Сегодня, после создания теории относительности и многочисленных экспериментов, известно, что время может сжиматься, растягиваться и даже искриачяться. Вот, пожалуй, и все...

Понятию времени посвящены сотни научных и богословских статей, толстые книги. Однако все определения времени, по существу, являются пояснениями научным языком простого и очевидного факта: время — это наиболее общая характеристика всякого изменения. Дальше пока продвинуться не удается.

Рис. 3.

Плоскость двумерного времени.

Вселенная эволюционирует вдоль определенной траектории.

Ощущаемое нами одномерное время — длина этой траектории.

Скорость течения времени, его темп — это такое же изначальное свойство нашего мира, как величина заряда электрона, массы элементарных частиц, скорость света и другие фундаментальные константы. В другом мире они могут быть совершенно иными. Голубая мечта физиков — найти Уравнения Мира, решая которые можно было бы предсказывать и изучать свойства иных миров.

В физических теориях, как в кино, время можно направить вспять. Это потому, что число учитываемых тел и параметров их взаимодействий конечно. Если конечное число заменить понятием «много», как это имеет место в реальной жизни, где любая частица имеет неизмеримо офомное количество связей, которые нельзя все сразу направить вспять, время становится необратимым. Так возникает «стрела времени» — эволюция Вселенной идет в сторону дезинтефации материальных структур и диссипации энергии. Вот это свойство природы физики формулируют как Второе Начало.

Конечно, такая дезиншграционная эволюция в полной мере характерна лишь для больших почти изолированных пространственно-временных интервалов. В их локальных областях, где часты макроскопические флуктуации, возможны, вопреки Второму Начату, усложнения структур и концентрация рассеянной энергии. Локально любой тепловой насос — нарушение Второго Начала, тем не менее это не означает изменения направления временной стрелы, которая определяется всей совокупностью изменений. Так, в микроскопических процессах взаимодействия элементарных частиц благодаря квантовому соотношению неопределенностей время вообще оказывается неопределенным, но общая временная стрела, синхронизирующая различные микро- и макрособытия, остается неизменной.

В последние годы возник еще один интригующий вопрос о свойствах времени и направлении эволюции. Если существует множество независимых вселенных, то почему у них должна быть одна и та же стрела времени? Не логичнее ли предположить, что каждая из них имеет свое направление времени и свое Второе Начато? Другими словами, не является ли время, подобно пространству, многомерным, и мы по ряду причин просто не видим его дополнительных осей (рис. 3)? Вопрос крайне интересный, но это — уже предмет следующей статьи.