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

Многие сторонники «инверсии энергии» очень любят и рекламируют эту игрушку. Действительно, чем не прообраз ppm-2? Она действует, «извлекая тепло из окружающей среды», и «концентрирует» его, превращая в работу. Часто и объяснения, приводимые в популярной литературе, даже посвященной вечному двигателю, вносят путаницу, например, фразы такого типа: «Постоянные качания утки происходят только благодаря тому, что она отбирает тепло от окружающего воздуха». Дело, конечно, не только (и не столько) в этом. Никакое устройство, в том числе и утка (даже принадлежащая самому Хоттабычу), не могло бы «отбирать тепло» от окружающего воздуха без затраты на это какой-либо эксергии, получаемой извне. Для этого нужно располагать разностью потенциалов между окружающей средой и находящимся в ней каким-либо телом. Но откуда в данном случае берется эксергия? И температура, и давление в окружающей среде — воздухе не имеют никаких перепадов, которыми можно было бы воспользоваться. Вода, которую «пьет» утка, тоже имеет ту же температуру, что и воздух. Однако здесь существует все же один перепад, за счет которого утка и работает. Этот перепад связан с разницей давлений водяного пара над поверхностью воды и в воздухе. Так как воздух обычно не насыщен водяным паром (относительная влажность (φ < 100%), то на поверхности воды все время происходит ее испарение с соответствующим понижением температуры. В сосуде это не чувствуется — воды много, а поверхность испарения мала. Но вата на головке утки — другое дело: ее поверхность велика, а воды в ней немного. Поэтому она охлаждена всегда; ее температура ниже температуры окружающей среды. Эта разность температур и обеспечивает работу «утки Хоттабыча». Но она вторична и возникает как следствие разной упругости пара в окружающей среде (воздухе) и над поверхностью воды. Если накрыть утку колпаком, то воздух под ним быстро насытится влагой, испарение ее с головки прекратится и «извлечение тепла из окружающей среды» на этом закончится[87].

Таким образом, «утка Хоттабыча» живет и движется в полном соответствии со вторым законом. В этом отношении она не отличается от обычной живой утки.

Теперь мы можем перейти к другой группе устройств, которые хоть и не доведены до уровня действующих вечных двигателей, но могут, по мнению некоторых сторонников «энергоинверсии», стать основой для их проектирования. Такие устройства создают разность температур; очевидно, что, имея ее в своем распоряжении, сделать двигатель уже нетрудно — это дело техники. Именно поэтому мечта о том, чтобы создать без затраты работы разность температур, — один из вариантов мечты о ppm-2.

Знаменитый английский физик К. Максвелл придумал в 1879 г. для таких мечтателей специальную мистическую фигуру — так называемого «демона Максвелла». Этот демон должен был делать очень нехитрую, на первый взгляд, работу — разделять в газе молекулы с большими скоростями («горячие») и с малыми («холодные»), Известно, что в любом газе есть и те, и другие; общая температура газа определяется неким средним значением всех скоростей.

Демон должен находиться у перегородки, разделяющей сосуд с газом на две части, и сторожить небольшое отверстие в ней, открывая и закрывая его так, чтобы пропускать в одну сторону только «горячие» молекулы, а в другую — только «холодные». Для других проход закрыт. Тогда через некоторое время работа демона-вратаря приведет к тому, что в одной половине сосуда будет горячий газ, а в другой — холодный. Цель достигнута! В гл. 3 мы показали на основе статистики, что самопроизвольно такое разделение произойти не может. А здесь «демон», не затрачивая работу, получил разделение.

Демон Максвелла вызвал много споров. Всем серьезным термодинамикам было ясно, что такого демона быть не может; его «деятельность» явно нарушала бы второй закон термодинамики. Но строго научно прикончить этого демона оказалось не так просто. В конце концов это было сделано[88]. Оказалось, что «просто так» демон работать не может. Затраты на его деятельность не могут быть меньше той работы, которую способны дать обе порции газа при выравнивании разности температур между ними.

Однако мечта сделать что-то в этом роде у некоторых противников второго закона оставалась. И вот появилось устройство, которое оживило их надежды. Это была вихревая труба или труба Ранка (названная в честь ее изобретателя — французского инженера Ж. Ранка).

Вот что пишет об этом устройстве один из пропагандистов «энергоинверсии» [3.10]: «Если способ отделения горячих компонентов воздуха от холодных (быстрых молекул от медленных) с помощью максвелловских демонов, открывающих в перегородке сосуда дверцы перед быстрыми молекулами, видимо, невозможен, то вот с помощью вихревой турбины… это осуществить удалось. Она представляет собой мундштукоподобное устройство, закручивающее в вихрь прокачиваемый сквозь него обычный воздух так, что наружу выходят из него две струи — горячая и холодная. Перед этой простой, не имеющей движущихся частей турбиной большое будущее».

Если заменить в этой тираде несуществующую «вихревую турбину», которая к тому же «не имеет движущихся частей», на «вихревую трубу» и убрать слова о «компонентах» (компоненты воздуха — это совсем другое), то все будет правильно. Вихревая труба действительно разделяет подаваемый в нее газ на два потока — нагретый и охлажденный; она действительно имеет не только большое будущее, но уже давно широко используется в технике [1.20]. Все это так. Однако никакой «энергетической инверсии», а следовательно, и ppm-2, с ее помощью создать нельзя.

Разберемся, в чем тут дело. На рис. 5.15 показаны схема работы вихревой трубы и ее внутреннее устройство.

Поток сжатого газа (например, воздуха) подводится к сопловому вводу, расположенному касательно к стенке трубы. В трубе газ закручивается в спирально движущийся поток. Внешняя часть 3 этого потока, выпускаемая через кольцевую щель, оказывается нагретой, а внутренняя часть 2, выходящая через отверстие в диафрагме, — охлажденной. Меняя положение конуса 5, можно изменять расходы и температуры горячего и холодного потоков. Однако во всех случаях температура потока Т2 меньше, чем входящего Т1, а горячего Т1 — больше. Разности температур Т1 — Т2 = ΔТX и Т3 — Т1 = ΔТГ могут составлять десятки градусов. Это парадоксальное, но вполне объяснимое явление возникает в результате сложных газодинамических явлений, которые мы здесь разбирать не можем[89]. Для нас важен конечный результат — возникновение в трубе разности температур без какого-либо специального нагрева или охлаждения. Можно ли использовать эту разность, чтобы получить работу? Несомненно, да. Работу можно получить. Но нужно ли ее получать таким способом? Имеет ли такое преобразование смысл?

Увы, нет. В этом легко убедиться, посмотрев на схему включения вихревой трубы на рис. 5.16. Ведь для того, чтобы она действовала, нужно подать в нее сжатый газ, а чтобы сжать его, нужен компрессор, а чтобы компрессор работал, нужно подвести к нему работу L' от двигателя. Так вот, если сравнить эту затраченную работу L' с эксергией, работоспособностью горячего Е3 и холодного Е2 потоков газа, та она будет значительно больше: L' >> Е2 + Е3. Разность L' — (E2 + Е3) даст потерю D эксергии в этом процессе. Оказывается, что она в самом лучшем случае составляет 88-90% подведенной работы. Другими словами, КПД всей системы составит не более 12%.

Ясно, что никакой «инверсии энергии» здесь нет; напротив, как и во всяком реальном техническом устройстве, эксергия теряется (а энтропия растет). Можно, конечно, и здесь получать электроэнергию Lʺ, но при этом неизбежно получится тот же плачевный результат, что и с другими «концентраторами энергии», например тепловым насосом: Lʺ по отношению к L' составит 10-12%. Кстати, автор и той, и другой идеи — одно и то же лицо.

Интересно отметить, что мысль о том, что вихревая труба — жилище демона Максвелла и что ее действие нарушает второй закон, приходила в голову многим. Характерна в этом отношении статья М. Силвермэна, помещенная в 1982 г. в журнале Европейского физического общества под интригующим названием «Вихревая труба: нарушение второго закона?» [2.15]. Подробно разобрав вопрос на пяти страницах, автор с грустью все же приходит к выводу, что второй закон термодинамики в вихревой трубе не нарушается.