Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
Я еще раз внимательно прочитал заметку из журнала и прикинул, сколько потребовалось бы горючего для совершения той же работы. Сравнение оказалось не в пользу теплового накопителя – горючего понадобится всего около трех килограммов, или чуть больше трех литров!
В чем дело? Почему столь энергоемкий накопитель, как тепловой, менее эффективен, чем бак с горючим?
Когда же я попытался вычислить массу всего силового агрегата, необходимого для автомобиля, то есть двигателя Стирлинга вместе с тепловым накопителем, то пришел к совершенно неутешительным выводам. Масса агрегата становится настолько большой, что раз в триста превышает тот же показатель для чисто теплового накопителя.
Это происходит прежде всего потому, что двигатель Стирлинга и тем более паровая машина очень тяжелы сами по себе. Кроме того, в механическую энергию, как выяснилось, можно перевести с помощью этих машин только около трети энергии накопителя. Две трети энергии, а следовательно, и массы накопителя для нас теряются.
Так или иначе, но для прохождения ста километров пути автомобилю понадобился бы силовой агрегат массой около трех тонн, или в три раза больше, чем весит сам автомобиль! Ни о какой «капсуле» здесь говорить, естественно, не приходится...
Кое-что об энергии и работе
Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.
Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», и мало ли еще какими, их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильников, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.
Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.
Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью превратилось в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они не передали бы, останется еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.
Вот поэтому-то КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать величины, равной частному от деления разности абсолютных температур (это по Кельвину, чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса) нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя.
Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200° по Цельсию, то есть 473° по Кельвину, а уходит при температуре 100°C, то есть 373°К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21%. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10...15%.
Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, и не пытаться получать от них механической работы. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы обогрев салона тех же автомобилей, работающих на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».
Тепловая смерть и «демон Максвелла»
Честно говоря, на невеселые мысли навели меня рассуждения о переходе механической, да и других видов энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже не извлечешь ничего путного.
Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается в окружающей среде, поднимая ее температуру!
Но если повышается температура окружающей среды – естественного «холодильника» тепловых машин, одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин в мире сразу. Это доказал в прошлом веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей выровняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и получить работу будет уже нельзя... Существование человечества станет невозможным!
Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил для себя, энтропия есть некая величина, увеличение которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло и обратно) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла.
Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространяя свои выводы на всю Вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» Вселенной.
Конечно, понятие энтропии сложно, оно с трудом воспринимается неподготовленным человеком, но мне помог прекрасный эмоциональный образ энтропии, энергии и их «отношений» в этом мире, найденный мною в одной старой книге: «Над всем, что совершается в беспредельном пространстве, в потоке преходящего времени властвует Энергия, как царица или богиня, озирая своим светом и былинку в поле, и гениального человека, здесь даря, там отнимая, но сохраняясь в целом количественно неизменной... Но где свет, там и тень, имя которой – Энтропия. Глядя на нее, нельзя подавить в себе смутного страха – она, как злой демон, старается умалить или совсем уничтожить все то прекрасное, что создает светлый демон – Энергия. Все мы находимся под защитой Энергии, и все отданы в жертву скрытому яду Энтропии... Количество Энергии постоянно, количество же Энтропии растет, обесценивая Энергию количественно. Солнце светит, но тени становятся все длиннее. Всюду рассеяние, выравнивание, обесценивание...».
Этот отрывок весьма живо рисует ужасную картину приближения «тепловой смерти». И оказывается, до сих пор не найден процесс, защищающий Вселенную от предсказанной Клаузиусом гибели. Но, несомненно, он должен существовать. Во всяком случае, мне показалось достаточно убедительным высказывание Н.Г. Чернышевского по этому поводу: «Формула, предвещающая конец движения во Вселенной, противоречит факту существования движения в наше время. Эта формула фальшивая... Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение...».
Последняя фраза Чернышевского как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли бы теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру, ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причем не боялись бы при этом нагревания, «теплового загрязнения» окружающей среды.
Эту идею поддерживал и К.Э. Циолковский, он сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам ее рассеяния. Поэтому «получается вечный круговорот материи», вечно возникающая юность Вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода – вот задача, которую ставил Циолковский.
