Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки - Ирина Львовна Радунская
Опыт третий.
Теперь перевернём кондиционер так, чтобы нагретый воздух шел в комнату, а холодный наружу. При этом кондиционер превращается в электронагревательное устройство. Можно ли предсказать результат этого опыта? Конечно: комната начнёт нагреваться.
Кондиционер при этом играет роль электроплитки. Однако это утверждение описывает ситуацию лишь в общих чертах, это лишь качественное описание.
Количественный же расчёт покажет, что кондиционер, охлаждавший комнату в предыдущем опыте со скоростью в половину градуса в секунду, будет теперь нагревать её быстрее, чем электроплитка равной мощности. Он будет нагревать комнату со скоростью полтора градуса в секунду.
Для получения такого результата при помощи электрической плитки понадобился бы не один киловатт электроэнергии, а полтора киловатта ежесекундно. Но при работе нашего кондиционера электрический счетчик по-прежнему будет фиксировать каждую секунду затрату лишь одного киловатта!
Мы встретились с удивительной ситуацией, противоречащей нашему первоначальному опыту с электроплиткой: на каждый затраченный киловатт в комнату ежесекундно вносится не двести сорок калорий тепла, а триста шестьдесят. Но здесь нет ничего противоречащего законам природы, нет чуда.
В отличие от электроплитки, которая обогревает комнату только за счёт потребляемой из сети электроэнергии, кондиционер дополнительно перекачивает тепловую энергию с улицы, отбирая её у внешнего воздуха. Поневоле появляется желание воспользоваться таким способом для обогрева помещений.
Если бы речь шла только об этом, то следовало бы говорить об остроумном изобретении, дающем экономию топлива, но не противоречащем законам природы. Потому что эти законы отнюдь не запрещают экономить топливо или электрическую энергию. И это реально. Но от чудесного изобретения один шаг до «чуда», позволяющего безгранично черпать даровую энергию. Дальше мечты приобретают прожектёрское направление.
Итак, говорят нам, мы научились на каждый затраченный киловатт электроэнергии получать не 240, а 360 калорий тепла. Выигрыш — полтора к одному. Теперь нужно реализовать этот выигрыш! Сделаем следующий шаг. Превратим даровое тепло в электроэнергию. Что для этого нужно сделать? Для этого достаточно применить тепловую машину, которая будет ежесекундно преобразовывать 360 калорий тепловой энергии, выходящей из нашего кондиционера, в электроэнергию. Тогда, исходя из полученного выигрыша, затрачивая ежесекундно один киловатт, мы будем получать в полтора раза больше!
Итак, мы богачи. Теперь мы можем позволить себе один киловатт ежесекундно расходовать на поддержание работы кондиционера, а лишнюю половину киловатта можно использовать на другие нужды.
Замечательно, рассуждали горячие головы: комбинация кондиционера и тепловой машины не только может поддерживать свою работу, но даст совершенно даровую энергию! Вот он — вечный двигатель…
Теперь дело инженеров. Пусть они создадут огромный кондиционер мощностью в миллион киловатт и тепловую машину в полтора миллиона киловатт, соединят их между собой — и все разговоры об энергетическом кризисе канут в вечность.
Так или примерно так рассуждали энтузиасты, возбуждённые сенсационным и некритическим репортажем.
Но история — разборчивая красавица. Не легко добиться её благосклонности. В её музее два ряда полок. В первом хранятся каменный топор, прялка и другие, сыгравшие свою роль, но устаревшие орудия и машины. Проекты вечного двигателя лежат в другом ряду. Из второго ряда мы извлекли этот случай.
Где же просчёт? — спросит читатель. Всё так логично, достоверно, заманчиво! В чём же порок идеи?
Пока мы с цифрами в руках обосновывали возможность экономичного обогрева жилищ с помощью перекачивания тепла с холодной улицы в комнату, в этом не было порока или противоречия с законами природы. Противоречие возникло дальше. Оно пришло с попытками утилизировать это тепло. Пытаясь реализовать прибыль тепловой энергии, мы тотчас её потеряем.
Вспомним Сади Карно с его беспощадным выводом о невозможности полного преобразования тепла в другие виды энергии. Ещё раз сравним разные возможности, связанные с переходами одного вида энергии в другой. Кинетическая энергия летящей пули полностью обращается в другой вид энергии. Энергию пружины можно до конца затратить на поднятие груза. Каждая из этих форм энергий может быть утилизирована полностью.
Полностью, конечно, только в идеальном случае — при отсутствии трения. В действительности трение, электрическое сопротивление проводов или другие подобные процессы приведут к потере части энергии, к превращению её в тепло. Поэтому рано или поздно прекращаются колебания маятников, замолкают струны гитары и рояля. Но всегда эти потери можно уменьшить и преобразовать один вид энергии в другой почти полностью. Это справедливо для всех форм энергии. Только не для тепловой. На какие бы ухищрения ни пошли конструкторы тепловых машин, они всё равно не смогли бы полностью обратить тепло в работу. Лишь определённая доля тепла может быть превращена в механическую, электрическую или другой вид энергии. И с этим невозможно не считаться. И потери эти можно точно узнать заранее: мы уже знаем формулу, носящую имя Карно и написанную Клаузиусом. Она определяет коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины или, другими словами, предельный коэффициент лучшей реальной тепловой машины.
Пренебрежение формулой Карно приводит к печальным заблуждениям, к «сенсациям» и недоразумениям.
Порок системы, предназначенной для превращения дарового тепла в электроэнергию, состоит именно в том, что партнёром кондиционера должна быть тепловая машина. Экономия топлива при помощи обращённого кондиционера не сможет скомпенсировать потери энергии в лучших тепловых машинах. Работая в паре, они всегда будут работать в убыток.
Соединив между собой реальный кондиционер, реальную тепловую машину и реальный генератор электрического тока, мы не только не сможем получать от них избыточную энергию без затраты топлива, но и не сможем добиться того, чтобы они работали вечно, даже не вырабатывая даровой энергии. Этот неутешительный вывод справедлив и в случае, если мы попытаемся отказаться от комбинации тепловой машины с генератором электрического тока и заменим её лучшим из современных полупроводниковых термоэлектрических генераторов (сразу превращающим тепловую энергию в электрическую, минуя механическое движение). Такой термоэлектрический генератор тоже подчиняется принципу Карно и преобразует в электроэнергию тем меньшую долю тепла, чем меньше разность температур между двумя различными полупроводниками, совокупность которых образует полупроводниковый термогенератор тока. КПД такого генератора ограничивается и неизбежной утечкой тепла через границу этих двух полупроводников.
При обсуждении наших мысленных экспериментов следует учесть и то, что при попытках их реализации невозможно добиться увеличения КПД тепловой машины, заставляя кондиционер обеспечить необходимый для этого большой перепад температур. Чем больше требуемая разность температур, тем ниже тепловая эффективность кондиционера. Если нужно получить достаточно большую разность температур, то тепловая эффективность холодильной машины любого типа приблизится к нулю. Не поможет этому и попытка включить две холодильные машины в каскад одну за другой. Получаемая при этом разность температур не удвоится. Помимо прочего, этому помешают увеличивающиеся утечки тепла в механизмах
