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.

---

Чем больше Вселенная приближается к этому предельному состоянию, в котором энтропия достигает своего максимума, тем больше исчезают поводы к дальнейшим изменениям, а если бы это состояние было, наконец, вполне достигнуто, то не происходило бы больше никаких дальнейших изменений, и Вселенная находилась бы в некотором мертвом состоянии инерции.

Настоящее состояние Вселенной пока что еще очень далеко от этого предельного состояния, и приближение к нему совершается столь медленно, что все те промежутки времени, которые мы называем историческими, представляют собою совершенно краткие отрезки по сравнению с теми чрезвычайно огромными периодами, в которых нуждается Вселенная, чтобы получились сравнительно ничтожные превращения. Все же остается важным результатом тот вывод, что найден закон природы, который позволяет уверенно заключить, что во Вселенной не все является круговоротом, а что она все дальше и дальше меняет свое состояние в определенном направлении и стремится таким образом к некоторому предельному состоянию».

В поддержку этого положения Клаузиуса высказался, хотя и в более осторожной форме, В. Томсон (Кельвин). В дальнейшем теория «тепловой смерти» отстаивалась учеными, стоявшими на идеалистических философских позициях. Наиболее четко их точку зрения выразил известный английский астрофизик Д. Джине (1877-1946 гг.). Будучи хорошим популяризатором, он нашел выразительный, поистине пугающий образ Вселенной в виде машины, доживающей свой век: «Машина Вселенной постоянно ломается, трескается и разрушается; реконструкция ее невозможна. Второй закон термодинамики заставляет Вселенную двигаться все время в одном направлении по дороге, которая приводит к смерти и уничтожению».

Наиболее активно за теорию «тепловой смерти» ухватились церковники, поскольку она «работала» непосредственно на них. Папа Пий XII, один из самых реакционных пастырей католической церкви, друг и защитник Гитлера, изрек по этому поводу: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность в том, …что в замкнутой материальной системе… в конце концов процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость свидетельствует существовании Необходимого Существа».

Лучше всего об ошибке Клаузиуса, обобщившего принцип возрастания энтропии на всю Вселенную (из-за чего и «загорелся сыр-бор»), написал М. Планк: «Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению».

Что же касается конкретных теорий, связанных с причинами, исключающими распространение «на всю Вселенную» принципа возрастания энтропии, то в этом направлении работали и работают многие ученые, начиная с Л. Больцмана. Этот вопрос выходит за рамки нашей задачи; с ним можно ознакомиться не только по специальной литературе [1.24-1.25], но и научно-фантастической [2.18].

Рис. 4.2. Людвиг Больцман

Из всего того, о чем говорилось выше, вывод может быть однозначным: где бы ни проходила граница применимости положения о возрастании энтропии, а следовательно, и второго закона в целом, она проходит достаточно далеко от условий, существующих в известной нам части Вселенной. Для тех, кто занимается земной и даже космической энергетикой, второе начало термодинамики незыблемо.

Правильность второго закона вовсе не определяет неизбежность «тепловой смерти» Вселенной. Точно так же отрицание «тепловой смерти» вовсе не ведет к отрицанию второго закона термодинамики — это разные вещи. Второй закон действует «в пределах своей компетенции» неотвратимо; эти пределы, как мы видим, достаточно широки.

Здесь действует тот самый принцип соответствия Н. Бора, о котором мы упоминали в «Рассуждении о законах». Более широкие законы релятивистской термодинамики, опровергающие тепловую смерть Вселенной, которые сейчас создаются, никогда не отменят ее второго закона, а будут включать его как частный случай, сохраняющий силу в определенных для него пределах (так же, как классическая механика входит как часть в механику релятивистскую).

Сторонники ppm-2, защищающие возможность использования в энергетике «концентрации энергии» на основе уменьшения энтропии, никак не могут смириться с тем, что отрицание «тепловой смерти» и отрицание закона возрастания энтропии — вещи разные. Они упорно твердят о том, что раз теория тепловой смерти неверна, то неверен и второй закон, «из которого она следует». Тот факт, что она из второго закона никак не следует и такой «логический ход» (экстраполяция закона за пределы его применимости) недопустим, игнорируется.

Из всего предыдущего ясно, что опрокинуть второй закон термодинамики перенесением дискуссии на масштабы Вселенной нельзя. Тем более невозможно доказать таким путем (несмотря на широкое использование цитат из классиков науки) существование «антиэнтропийных» процессов, т. е. идущих с уменьшением энтропии, пригодных для реализации ppm-2.[59]

Шаткость «космической» базы антиэнтропийных теорий заставляет защитников ppm-2 искать для них более надежный фундамент (не отказываясь и от прежнего). Некоторая путаница в биологической термодинамике создала для этого благоприятную почву.

4.2. Живая природа и второй закон термодинамики

Вторым, на первый взгляд убедительным доводом, предназначенным для ниспровержения всеобщей применимости второго закона, служит утверждение, что существование жизни на земле противоречит ему. О том, что жизнь — «антиэнтропийный процесс», ведущий к «концентрации», «облагораживанию» энергии, пишут не только защитники ppm-2. Они не сами это придумали, а просто ссылаются на то, что написали некоторые философы, см. например [3.11]; находятся даже и биологи [3.12, 3.26], проповедующие такие теории, не говоря уже о специалистах из других областей науки, тоже попутно затрагивающих эту интересную тему. Как всегда в таких случаях, авторы приводят большое количество соответствующих цитат из трудов классиков науки, где так или иначе говорится об энтропии и жизни. Действительно, если жизнь антиэнтропийна, то нет никаких принципиальных запретов на создание ppm-2 на основе взятых из биологии принципов.

Вот что пишет по этому поводу в предисловии к книге П.К. Ощепкова [3.1] проф. П. Остроумов: «…Да и среди непосредственно окружающего нас мира мы наблюдаем явления, в которых хаос уступает порядку, где также, хотя и временно, наблюдаются как бы отступления от законов статистики, а теория вероятностей требует углубления и расширения. Это — явления в живой природе. Здесь второй закон в его примитивной форме применим далеко не всегда. Невольно возникает мысль: нельзя ли искусственно создать механизм, упорядочивающий статистическое тепловое движение частиц, воспроизводящий функции живого организма хотя бы лишь с энергетической стороны».

Если опустить весьма неопределенные, но «ученые» слова, не имеющие конкретного содержания, вроде «временного отступления от законов статистики», «примитивной формы второго закона» и «углубления и расширения теории вероятностей», то остается достаточно четкий тезис: живая природа демонстрирует нам антиэнтропийные процессы, противоречащие второму закону; познаем их и сделаем на их основе ppm-2!

Если это так, то нужно внять призывам Остроумова и Ощепкова и развернуть усилия энергетиков в этом многообещающем направлении; если же это не так и живая природа подчиняется второму закону, то следование их призывам бессмысленно и ведет в тупик.

Итак, что же происходит с энтропией в живой природе? Чтобы разобраться в этом, нет никакой необходимости вести специальные исследования: вопрос давно решен и нужно только познакомиться с соответствующей литературой. Наиболее четко существо дела изложено в небольшой, но очень весомой классической книжке известного физика А. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика» [1.8]. В 1984 г. вышла в значительной степени посвященная этой же теме научно-популярная работа чл.корр. АН СССР К.К. Ребане [1.10]. Мы подойдем к изложению вопроса не столько с физических, сколько с более конкретных инженерно-термодинамических позиций, имея в виду конечную цель, связанную с ppm-2.

Составим для этого прежде всего в общем виде энергетический баланс, характерный для растений, а затем такой же для животных. Такой баланс можно представить достаточно надежно, если не углубляться в существо сложнейших биологических процессов, а ограничиться входящими и выходящими потоками энергии.

На рис. 4.3 представлена схема материального (потоки вещества) и энергетического балансов растения, основанных на законах сохранения массы и энергии. Чтобы составить такие балансы, окружим растение так называемой замкнутой контрольной поверхностью (штриховая линия), чтобы учесть все входящие и выходящие потоки. Если хотя бы один из них ускользнет от учета (или, наоборот, будет учтен тот, который через контрольную поверхность не проходит), баланс станет неверным. Тогда никаких мало-мальски стоящих выводов из него делать нельзя. Мы постараемся не допустить такой ошибки.