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

• Название: Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии
• Автор: Виктор Бродянский
• Издательство: ФИЗМАТЛИТ
• Жанр: Физика
• Год: 2001
• ISBN: 5-9221-0202-8

В популярной форме рассказывается об истории вечного двигателя от первых попыток его создания до современных «изобретений». Раскрывается значение для энергетики двух фундаментальных законов — первого и второго начал термодинамики. Показана бесполезность попыток обойти эти законы независимо от сложности предлагаемых для этого устройств.

Для широкого круга читателей, интересующихся историей техники и ее современными проблемами.

---

Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к принципиальным основам ppm-2. Становится очевидным, что его идея основана на получении работы (или, что то же самое, электроэнергии, могущей преобразовываться в работу) из равновесной окружающей среды путем использования той части ее внутренней энергии, которая связана с хаотическим тепловым движением молекул.

В.К. Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая инверсия» (инверсия — от лат. inversion — «перестановка», «переворачивание»). Другими словами, это — обратное превращение части внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или работу.

Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому, чтобы доказать возможность создания ppm-2, нужно неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон термодинамики.

Известно, что поэзия позволяет во многих случаях выразить мысль более ясно и компактно, чем проза.

С этой точки зрения представляют интерес стихи, посвященные критике Второго начала термодинамики. Их прислал один из сторонников профессора Ощепкова — М.П. Кривых. Его сочинение возрождает традицию, идущую еще от римлянина — Тита Лукреция Кара (I век до нашей эры), написавшего знаменитую поэму «О природе вещей».

С любезного разрешения автора, привожу его ниже с некоторыми несущественными сокращениями.

Вот атмосфера, мы как рыбы
С рожденья плаваем все в ней,
Но в ней энергия, в ней глыбы
Самых отличнейших углей.
Каждый просто забывает,
Что кислород, аргон, азот
В ней в форме пара пребывает
И теплоту себе несет.
«Чтоб превратить тепло в работу
Истока нужно два иметь:
Тепло и холод» — эту ноту
Усердно все привыкли петь.
Тут Клаузиус. Томсон, Тэт,
За ними племя остальное
Твердили: Невозможно! Нет!
Взять от природы дармовое.
В науке по сей день живет
Второй закон к здравствует
В себе ошибку он несет,
Но до сих пор он царствует.
И как могло так получиться
Природе всей наперекор,
Второй закон мог народиться
И столько лет прожить? Позор!
Отсюда весь Второй закон
Помехой лишь становится
Его отвергнуть нужно вон,
Коль сам он не сторонится.
Что атмосферное тепло,
Тепло реки и океана,
Уже потеряно, ушло —
Вот философия дурмана.
Тут способ нужен очень смелый,
Чтоб равновесное тепло
Непринужденно и умело
На концентрацию текло.
И вижу транспорт сухопутный, водный
Все фабрики, заводы и поля,
Расходуют энергию природную,
Не потребляя ни куска угля.

В этой «антитермодинамической поэме» достаточно четко сформулирована основная идея сторонников «энергетической инверсии». Однако доводы в ее пользу здесь, как и в большей части сочинений других авторов той же ориентации, носят в основном эмоциональный характер. В наше время этого недостаточно: нужно использовать и нечто более основательное.

Сторонники ppm-2 понимают это и используют для дискуссии целый комплекс разнообразных доводов — от общефилософских со ссылками на классиков до экспериментальных данных из различных областей науки. Все доводы, как правило, носят описательно-умозрительный характер и даются без четкого научного обоснования. Однако их красивое внешнее оформление в сочетании с убежденностью и энтузиазмом (а иногда и не очень точным изложением фактов) в некоторых случаях может показаться убедительным. Помогает тут и благородная цель — экономия ресурсов и спасение окружающей среды от загрязнения.

Поэтому прежде чем переходить к разбору различных ppm-2, нужно еще уделить и некоторое внимание разбору второго закона термодинамики, хотя это потребует от читателя, не занимающегося специально термодинамикой, определенной сосредоточенности.

Дело не только в том, что второй закон термодинамики, на первый взгляд не более трудный для понимания, чем первый, на самом деле далеко не так прост, как кажется. О нем написано очень много, мягко говоря, неквалифицированных статей и даже учебников, которые внесли, как писал академик А.В. Шубников, «невероятное количество ошибок». Именно на почве, удобренной этими ошибками, время от времени вырастают самые разнообразные псевдоученые «сочинения» — биологические, технические, экономические и другие. Некоторыми из них нам придется заняться при разборе второго закона.

3.2. Несимметричность взаимных превращений теплоты и работы. Принцип Карно

Второй закон термодинамики, так же как и первый, формировался в течение длительного периода трудами многих ученых и инженеров. Без его использования дальнейшее развитие теплоэнергетики, химической технологии и многих других направлений техники и науки было бы невозможным.

Установление общности и количественной эквивалентности различных форм движения, а затем точное формулирование на этой основе первого закона термодинамики было необходимо, но недостаточно. Нужно было установить условия, определяющие возможности перехода одних форм энергии в другие и прежде всего теплоты в работу. Практика показывала, что представление о всеобщей превратимости, эквивалентности (т.е. равноценности) различных видов энергии нуждается в уточнении даже применительно к таким ее формам, как теплота и работа. Действительно, почему переход работы в теплоту совершается очень просто, не вызывая никаких затруднений? Еще на заре цивилизации человек добывал огонь трением, производя безо всякой науки именно такое преобразование. Однако превратить теплоту в работу удалось (если не считать античных паровых игрушек вроде «эолопила» Герона) с большим трудом только во второй половине XVIII в., когда были созданы паровые машины. И дело было здесь не в технической сложности этих машин (хотя это тоже сыграло свою роль), а в принципиальной трудности такого превращения, неясности условий, необходимых для него.

Впервые правильно поставил и решил эту задачу С. Карно, о котором мы уже писали в связи с первой формулировкой закона сохранения энергии. Со знаменитой книги Карно «О движущей силе огня…» начинается не только история термодинамики, но и вся современная теоретическая теплоэнергетика[46].

По теории теплорода работа паровой машины выглядела очень просто. Теплород от дымовых газов, полученных при сжигании топлива, переходил к воде при высокой температуре, превращая ее в пар. Пар расширялся в цилиндре, производя работу. Затем пар направлялся в конденсатор, где при низкой температуре отдавал теплород охлаждающей воде.

Схема такой машины показана на рис. 3.1,а; поток теплорода Q (ширина полосы соответствует его количеству) «падает» с температуры Т1 на более низкую температуру Т2 < Т1. При этом производится работа L. Нетрудно видеть, что такое объяснение работы тепловой машины возникло по аналогии с гидравлической машиной (например, водяной мельницей); только роль воды играет «теплород», а напора, обусловленного высотой падения воды Δh = h1 — h2 — разность температур ΔT = T1—T2 (рис. 3.1, б). Количество воды G, как и количество теплорода Q, не меняется — сколько входит (Q1), столько и выходит (Q2). На первых порах такая теория была вполне приемлемой, тем более что из нее следовал правильный и очень важный вывод: тепловая машина может работать только при наличии разности температур. Если ΔT = 0, то теплота будет «мертвой», как «мертвая вода» Леонардо да Винчи при Δh = 0.

 Рис. 3.1. Схема действия паровой машины (двигателя) с позиций теории теплорода: а — «падение теплорода» с температуры Т1 до температуры Т2, б — механическая и гидравлическая аналогии

У современного читателя, однако, может возникнуть естественный вопрос. Пусть инженеры того времени и не знали закона сохранения энергии, но ведь он все равно действовал! А это означает, что количество отдаваемого внизу при T2 теплорода (т. е. теплоты) должно было быть существенно меньше, чем то, которое поступило наверху при T1, на количество произведенной работы, т. е. Q2 = Q1 — L.

Как же не заметили этого? Ответ очень прост. Самые лучшие паровые машины того времени имели очень малую эффективность: они превращали в работу не более 3-5% получаемой теплоты. А это означает, что Q2 отличалось от Q1 так, как 95 отличается от 100; но точность тепловых измерений в то время была намного меньше 5%. Поэтому разницу между Q1 и Q2 просто не могли заметить (тем более что никому не приходило в голову, что ее нужно искать).