Скорость, с которой человечество превращает в тепловую все остальные формы энергии, начинает уже угрожать самому факту существования цивилизации. «Тепловая смерть» в обозримом будущем из-за всё нарастающего потребления энергии с последующим ее рассеянием в виде тепла уже кажется неизбежной при сохранении нынешних темпов экономического развития. Но если человечество попытается затормозить их, то пойдет поперек законов эволюции и все равно погибнет.
Есть ли выход? Вполне возможно, что он пока не просматривается просто из-за неправильного понимания одного физического принципа. Преобразование энергопотребления в круговорот энергии в принципе позволило бы наращивать его интенсивность, не нарушая равновесия со средой. Это доказывает опыт органического мира, который, на протяжении тысячелетий сохраняя массу биосферы более или менее постоянной, многократно увеличил за время своей эволюции ежегодное потребление вещества и энергии.
Ныне пропускаемые им ежегодно через себя массы вещества сравнимы с массой земной коры, а по некоторым оценкам — превышают ее.
Вечный двигатель второго рода невозможен?
Поскольку почти вся потребленная нами энергия рано или поздно рассеивается в виде тепла, из-за чего нам угрожает «тепловая смерть», постольку круговорот энергии должен будет принять форму круговорота тепла. Другими словами, нам предстоит научиться собирать рассеянное тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию.
Идеальной тепловой машиной принято считать ту, которую теоретически разработал в 1824 году французский физик Сади Карно (Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796–1832). Ее идеальность заключается в том, что коэффициент полезного действия (КПД) любой другой машины, использующей те же холодильник и нагреватель, будет меньше, чем у машины, придуманной им. А то, что КПД его машины отличен от единицы, следует из самого факта наличия у нее холодильника: получив определенную энергию от нагревателя (например, в виде тепла от сжигания топлива), рабочее тело (в идеальной машине это, разумеется, идеальный газ), выполняя полезную работу, совершенно бесполезно отдает часть своей энергии в виде тепла холодильнику.
Сегодня для собирания рассеянного тепла используются энергетические установки классического типа (с холодильником) — гео- и гидротермальные энергоустановки и тепловые насосы с КПД меньшими, чем КПД Карно.
Французский физик Сади Карно создавал свою теорию тепловых машин, когда был еще совсем молодым. Хотя в основе его рассуждений лежала отвергнутая впоследствии теория о неуничтожимом тепловом флюиде, многие его выводы оказались точными и обладали большой практической пользой
Разумеется, использование рассеянного тепла возможно только потому, что среда нагрета неравномерно, то есть с перепадами температуры, которые и используются собирающими тепло тепловыми машинами. Коль скоро величина этих перепадов невелика, КПД классических тепловых машин зарезается до чрезмерно малых значений. Поэтому круговорот тепла в энергетике может стать реальным лишь при ее базировании на энергетических установках без холодильника, КПД которых не был бы ограничен КПД Карно.
Такие энергетические установки называют вечными двигателями второго рода. Принято считать, что они запрещены
вторым началом термодинамики. Однако угроза «тепловой смерти» заставляет нас максимально благожелательно рассмотреть аргументы в их защиту.
Положение не безнадежно. Не может быть так, чтобы на протяжении миллионов и миллиардов лет законы эволюции подстегивали органический мир, а затем и человечество к развитию в определенном направлении (в сторону интенсификации потребления вещества и энергии), а потом это развитие вдруг наткнулось бы на закон физики, который, делая невозможным круговорот тепла, обрекал бы человечество на гибель. Законы эволюции и физики, думается, входят в единый и непротиворечивый свод законов природы. Если это и на самом деле так, то запрет на вечные двигатели второго рода должен оказаться несостоятельным.
Ошибки классиков
Конечно, науки без ошибок не бывает, однако в истории запрета на вечные двигатели второго рода ошибок особенно много. Начать с того, что вывод Сади Карно об обязательности холодильника был сделан на основании принципа неуничтожаемости теплорода, согласно которому потребление тепла подобно потреблению энергии. Потребляя энергию, мы ведь не уничтожаем ее (поскольку действует закон сохранения энергии), но только превращаем одну ее форму в другую. Потребление теплорода, говорит Карно, означает не его уничтожение, но лишь его переход от более теплого тела к менее теплому. Вот это менее теплое тело и является, полагает Карно, холодильником, обязательным для всякой тепловой машины:
Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному […] этот принцип приложим ко всем машинам, приводимым в движение теплотой […] Согласно этому принципу, недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод.
Отбросив теорию теплорода, шедшие за Карно классики термодинамики оставили в силе его вывод о наличии у всякой тепловой машины холодильника. Мягко говоря, это удивляет, поскольку сегодня хорошо известно, что, превращаясь в другие формы энергии, тепло перестает существовать как тепло. Иначе говоря, потребляя теплород (тепло), мы его уничтожаем, что подрывает аргументацию Карно.
Еще более удивительна история возникновения понятия вечных двигателей второго рода. Его ввел Вильгельм Оствальд (
Wilhelm Friedrich Ostwald, 1853–1932) в 1888 году, и сделал он это абсолютно некорректно:
Работа, доставляемая гигантской машиной океанского парохода, целиком переходит в теплоту, так как энергия движения движущегося судна по прибытии становится равной нулю и превращается в теплоту. Если бы можно было сообщенную морской воде теплоту обратно превратить в энергию движения, то пароход мог бы совершить свой обратный путь без затраты угля, что, конечно, невозможно […] Исполнение этого было бы равносильно perpetuum mobile […] так как одно и то же количество энергии постоянно можно было бы употреблять для одинаковых превращений, то техническую задачу дарового получения работы можно было бы считать разрешенной. Что этого на самом деле нет, выражают в следующей форме: perpetuum mobile второго рода невозможен. При этом под perpetuum mobile второго рода подразумевают машину, которая может приводить покоящуюся энергию в движение или превращать ее в другие формы.
Покоящейся энергией Оствальд, как это было тогда принято, называет рассеянное в среде тепло:
Даровая теплота находится повсюду в безграничном количестве […] она представляет [собой] покоящуюся энергию.
Обратим внимание: Оствальд запрещает не тепловую машину без холодильника, но любую тепловую машину, потребляющую рассеянное тепло. Однако мы-то с вами сегодня точно знаем, что такие тепловые машины существуют! Оствальд, положим, мог о них и не знать (первая вырабатывающая электроэнергию геотермальная установка появилась в 1904 году, аналогичная гидротермальная — в 1929 году, первый патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году), однако не может не удивлять, что его формулировки воспроизводятся на протяжении XX века и другими авторами. Действующую на Земле тенденцию к рассеянию нетепловых форм энергии в виде тепла все они, начиная с Оствальда, некорректно трансформируют в не знающий исключений закон.
Холодильник обязателен?
Но вернемся к запрету на тепловые машины без холодильника. Последователи Карно, отказавшись от теплорода, не исправили его ошибку, на мой взгляд, потому, что работали исключительно с классическими тепловыми машинами, имеющими две особенности, которые делают холодильник для них и на самом деле необходимым:
1) цикличность;
2) однофазное рабочее тело (газ или жидкость).
Возвращая такое рабочее тело в начальное состояние, мы вынуждены отдавать часть полученного от нагревателя тепла холодильнику. Между тем, для нециклических тепловых машин он не обязателен, как не обязателен он, по-видимому, и для циклических тепловых машин с двухфазным рабочим телом газ-жидкость.
Примером нециклической тепловой машины без холодильника может служить работающий в вакууме ракетный двигатель, для которого говорить об охлаждении продуктов сгорания за бортом не приходится — расширение газа в пустоту, как известно, происходит изотермически. Еще один пример нециклической тепловой машины без холодильника будет приведен далее.
Что же касается циклических тепловых машин с двухфазным рабочим телом, то, как это доказывают в последние десятилетия независимо друг от друга несколько отечественных исследователей, возвращение рабочего тела в начальное состояние может в них осуществляться не с передачей части тепла холодильнику, но с ее возвращением нагревателю. Точнее, часть полезной работы одной фазы рабочего тела используется для адиабатического расширения и, следовательно, охлаждения другой. Внешний холодильник становится ненужным, а КПД — не ограниченным КПД машины Карно.
Второе начало термодинамики
Излюбленный аргумент защитников вечных двигателей второго рода — ограниченность второго начала термодинамики. Моя позиция иная. Я считаю, что второе начало — это закон природы, действующий, если исключить микроскопические флуктуации, без ограничений. Другое дело, что надо правильно его прочитать.
В современных учебниках и научных монографиях содержание второго начала чрезмерно размыто, о чем свидетельствует разнообразие его формулировок. Я собираю их уже много лет, и к настоящему моменту в моей коллекции 48 формулировок, но в реальности их еще больше. Это разнообразие контрастирует, например, с формулировками закона сохранения энергии, которые в разных источниках практически слово в слово повторяют друг друга.
Часто приходится читать о тождественности разных формулировок второго начала. Это и так, и не так. Конечно же, все многочисленные формулировки второго начала не могут быть тождественными, как не могут они все быть и разными. Я попытался вышелушить ядро закона природы, который за всем этим стоит, и у меня получились две такие его компоненты: 1) действует закон возрастания полной энтропии; 2) существует асимметрия между превращениями нетепловых форм энергии в теплоту, с одной стороны, и превращениями теплоты в другие формы энергии — с другой: первые, в отличие от вторых, не требуют компенсации.
Самый распространенный источник путаницы я вижу в неумении провести различие между тепловой и нетепловой энтропией. Между тем, различие между ними легко продемонстрировать. Если смешать горячий воздух с холодным, мы получим теплый воздух — то же самое, что при передаче определенного количества тепла от горячего воздуха холодному. Энтропия выросла при участии теплового процесса.
Есть ли выход? Вполне возможно, что он пока не просматривается просто из-за неправильного понимания одного физического принципа. Преобразование энергопотребления в круговорот энергии в принципе позволило бы наращивать его интенсивность, не нарушая равновесия со средой. Это доказывает опыт органического мира, который, на протяжении тысячелетий сохраняя массу биосферы более или менее постоянной, многократно увеличил за время своей эволюции ежегодное потребление вещества и энергии.
Ныне пропускаемые им ежегодно через себя массы вещества сравнимы с массой земной коры, а по некоторым оценкам — превышают ее.
Вечный двигатель второго рода невозможен?
Поскольку почти вся потребленная нами энергия рано или поздно рассеивается в виде тепла, из-за чего нам угрожает «тепловая смерть», постольку круговорот энергии должен будет принять форму круговорота тепла. Другими словами, нам предстоит научиться собирать рассеянное тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию.
Идеальной тепловой машиной принято считать ту, которую теоретически разработал в 1824 году французский физик Сади Карно (Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796–1832). Ее идеальность заключается в том, что коэффициент полезного действия (КПД) любой другой машины, использующей те же холодильник и нагреватель, будет меньше, чем у машины, придуманной им. А то, что КПД его машины отличен от единицы, следует из самого факта наличия у нее холодильника: получив определенную энергию от нагревателя (например, в виде тепла от сжигания топлива), рабочее тело (в идеальной машине это, разумеется, идеальный газ), выполняя полезную работу, совершенно бесполезно отдает часть своей энергии в виде тепла холодильнику.
Сегодня для собирания рассеянного тепла используются энергетические установки классического типа (с холодильником) — гео- и гидротермальные энергоустановки и тепловые насосы с КПД меньшими, чем КПД Карно.
Французский физик Сади Карно создавал свою теорию тепловых машин, когда был еще совсем молодым. Хотя в основе его рассуждений лежала отвергнутая впоследствии теория о неуничтожимом тепловом флюиде, многие его выводы оказались точными и обладали большой практической пользой
Разумеется, использование рассеянного тепла возможно только потому, что среда нагрета неравномерно, то есть с перепадами температуры, которые и используются собирающими тепло тепловыми машинами. Коль скоро величина этих перепадов невелика, КПД классических тепловых машин зарезается до чрезмерно малых значений. Поэтому круговорот тепла в энергетике может стать реальным лишь при ее базировании на энергетических установках без холодильника, КПД которых не был бы ограничен КПД Карно.
Такие энергетические установки называют вечными двигателями второго рода. Принято считать, что они запрещены
вторым началом термодинамики. Однако угроза «тепловой смерти» заставляет нас максимально благожелательно рассмотреть аргументы в их защиту.
Положение не безнадежно. Не может быть так, чтобы на протяжении миллионов и миллиардов лет законы эволюции подстегивали органический мир, а затем и человечество к развитию в определенном направлении (в сторону интенсификации потребления вещества и энергии), а потом это развитие вдруг наткнулось бы на закон физики, который, делая невозможным круговорот тепла, обрекал бы человечество на гибель. Законы эволюции и физики, думается, входят в единый и непротиворечивый свод законов природы. Если это и на самом деле так, то запрет на вечные двигатели второго рода должен оказаться несостоятельным.
Ошибки классиков
Конечно, науки без ошибок не бывает, однако в истории запрета на вечные двигатели второго рода ошибок особенно много. Начать с того, что вывод Сади Карно об обязательности холодильника был сделан на основании принципа неуничтожаемости теплорода, согласно которому потребление тепла подобно потреблению энергии. Потребляя энергию, мы ведь не уничтожаем ее (поскольку действует закон сохранения энергии), но только превращаем одну ее форму в другую. Потребление теплорода, говорит Карно, означает не его уничтожение, но лишь его переход от более теплого тела к менее теплому. Вот это менее теплое тело и является, полагает Карно, холодильником, обязательным для всякой тепловой машины:
Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному […] этот принцип приложим ко всем машинам, приводимым в движение теплотой […] Согласно этому принципу, недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод.
Отбросив теорию теплорода, шедшие за Карно классики термодинамики оставили в силе его вывод о наличии у всякой тепловой машины холодильника. Мягко говоря, это удивляет, поскольку сегодня хорошо известно, что, превращаясь в другие формы энергии, тепло перестает существовать как тепло. Иначе говоря, потребляя теплород (тепло), мы его уничтожаем, что подрывает аргументацию Карно.
Еще более удивительна история возникновения понятия вечных двигателей второго рода. Его ввел Вильгельм Оствальд (
Wilhelm Friedrich Ostwald, 1853–1932) в 1888 году, и сделал он это абсолютно некорректно:
Работа, доставляемая гигантской машиной океанского парохода, целиком переходит в теплоту, так как энергия движения движущегося судна по прибытии становится равной нулю и превращается в теплоту. Если бы можно было сообщенную морской воде теплоту обратно превратить в энергию движения, то пароход мог бы совершить свой обратный путь без затраты угля, что, конечно, невозможно […] Исполнение этого было бы равносильно perpetuum mobile […] так как одно и то же количество энергии постоянно можно было бы употреблять для одинаковых превращений, то техническую задачу дарового получения работы можно было бы считать разрешенной. Что этого на самом деле нет, выражают в следующей форме: perpetuum mobile второго рода невозможен. При этом под perpetuum mobile второго рода подразумевают машину, которая может приводить покоящуюся энергию в движение или превращать ее в другие формы.
Покоящейся энергией Оствальд, как это было тогда принято, называет рассеянное в среде тепло:
Даровая теплота находится повсюду в безграничном количестве […] она представляет [собой] покоящуюся энергию.
Обратим внимание: Оствальд запрещает не тепловую машину без холодильника, но любую тепловую машину, потребляющую рассеянное тепло. Однако мы-то с вами сегодня точно знаем, что такие тепловые машины существуют! Оствальд, положим, мог о них и не знать (первая вырабатывающая электроэнергию геотермальная установка появилась в 1904 году, аналогичная гидротермальная — в 1929 году, первый патент на технологию тепловых насосов был выдан в 1912 году), однако не может не удивлять, что его формулировки воспроизводятся на протяжении XX века и другими авторами. Действующую на Земле тенденцию к рассеянию нетепловых форм энергии в виде тепла все они, начиная с Оствальда, некорректно трансформируют в не знающий исключений закон.
Холодильник обязателен?
Но вернемся к запрету на тепловые машины без холодильника. Последователи Карно, отказавшись от теплорода, не исправили его ошибку, на мой взгляд, потому, что работали исключительно с классическими тепловыми машинами, имеющими две особенности, которые делают холодильник для них и на самом деле необходимым:
1) цикличность;
2) однофазное рабочее тело (газ или жидкость).
Возвращая такое рабочее тело в начальное состояние, мы вынуждены отдавать часть полученного от нагревателя тепла холодильнику. Между тем, для нециклических тепловых машин он не обязателен, как не обязателен он, по-видимому, и для циклических тепловых машин с двухфазным рабочим телом газ-жидкость.
Примером нециклической тепловой машины без холодильника может служить работающий в вакууме ракетный двигатель, для которого говорить об охлаждении продуктов сгорания за бортом не приходится — расширение газа в пустоту, как известно, происходит изотермически. Еще один пример нециклической тепловой машины без холодильника будет приведен далее.
Что же касается циклических тепловых машин с двухфазным рабочим телом, то, как это доказывают в последние десятилетия независимо друг от друга несколько отечественных исследователей, возвращение рабочего тела в начальное состояние может в них осуществляться не с передачей части тепла холодильнику, но с ее возвращением нагревателю. Точнее, часть полезной работы одной фазы рабочего тела используется для адиабатического расширения и, следовательно, охлаждения другой. Внешний холодильник становится ненужным, а КПД — не ограниченным КПД машины Карно.
Второе начало термодинамики
Излюбленный аргумент защитников вечных двигателей второго рода — ограниченность второго начала термодинамики. Моя позиция иная. Я считаю, что второе начало — это закон природы, действующий, если исключить микроскопические флуктуации, без ограничений. Другое дело, что надо правильно его прочитать.
В современных учебниках и научных монографиях содержание второго начала чрезмерно размыто, о чем свидетельствует разнообразие его формулировок. Я собираю их уже много лет, и к настоящему моменту в моей коллекции 48 формулировок, но в реальности их еще больше. Это разнообразие контрастирует, например, с формулировками закона сохранения энергии, которые в разных источниках практически слово в слово повторяют друг друга.
Часто приходится читать о тождественности разных формулировок второго начала. Это и так, и не так. Конечно же, все многочисленные формулировки второго начала не могут быть тождественными, как не могут они все быть и разными. Я попытался вышелушить ядро закона природы, который за всем этим стоит, и у меня получились две такие его компоненты: 1) действует закон возрастания полной энтропии; 2) существует асимметрия между превращениями нетепловых форм энергии в теплоту, с одной стороны, и превращениями теплоты в другие формы энергии — с другой: первые, в отличие от вторых, не требуют компенсации.
Самый распространенный источник путаницы я вижу в неумении провести различие между тепловой и нетепловой энтропией. Между тем, различие между ними легко продемонстрировать. Если смешать горячий воздух с холодным, мы получим теплый воздух — то же самое, что при передаче определенного количества тепла от горячего воздуха холодному. Энтропия выросла при участии теплового процесса.
Обсуждения Вечный двигатель второго рода