Нурбей Гулиа - Удивительная механика

Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более 100 лет назад. Как я уже говорил, во Франции, в городе Нанте в конце позапрошлого века ходил трамвай, работавший на сжатом воздухе. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и кипятком.

Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда газ сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Таким образом, пользуясь дополнительным накопителем тепла, можно получать от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона.

Такой же принцип, но с заменой кипятка на горелку со змеевиком, был использован в американском пневмокаре, о котором мы уже говорили. Таким образом, получался своеобразный «гибрид» теплового двигателя и пневматического накопителя.

Разумеется, я не смог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какой продается в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом, протянутым через накопитель тепла со змеевиком, с пневматическим гайковертом, который по официальной версии приобрел в магазине инструментов, а в действительности «реквизировал» с заводского конвейера. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей заднее колесо тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.

Открывая вентиль баллона, я подавал углекислоту в гайковерт, он вращал колесо, и микромобиль катился. Но теперь пневмодвигатель не замерзал, как в моем недавнем опыте с воздуховозом. Я поставил на пути газа из баллона в пневмодвигатель накопитель тепла, используя кастрюлю, и внутри поместил змеевик из металлической трубки (он был взят из выброшенного холодильника). В кастрюлю заливалась кипящая вода, а впоследствии и расплавленный парафин. Углекислый газ, проходя через змеевик, сильно нагревался и отдавал микромобилю значительно больше энергии.

Если правильно подобрать передаточное число цепной передачи от патрона гайковерта к колесу, то на таком микромобиле можно проехать около километра. Позднее я додумался применить здесь цепную «коробку скоростей» от гоночного велосипеда и несколько баллонов с углекислотой, вследствие чего длина пробега микромобиля еще больше увеличилась. Баллоны с углекислотой нужно было периодически заряжать на тех же станциях, где заряжают водители свои автомобильные огнетушители. Или покупать уже заряженные баллоны в автомагазинах. Что и говорить, дороговатым получалось катание, но зато было интересно.

Мой микромобиль всем очень нравился, сверстники любили на нем кататься. Каждый приходил со своим огнетушителем, а в автомагазине были рады, что залежалые баллоны хорошо распродаются. Только продавцов удивляло, что спрашивают именно углекислотные, а не другие типы огнетушителей.

У меня уже был опыт составления заявки на изобретение, и вскоре я подал ее на свой микромобиль. В ответ пришло письмо, в котором меня уведомляли о том, что моя заявка признана изобретением. Еще одно изобретение, а настоящей «капсулы» все нет…

Чтобы избавиться от дорогих баллонов с углекислотой, я решил поставить на микромобиль вместо пневмодвигателя паровую машину, которую мне обещали дать из школьного физического кабинета, а огнетушитель заменить обыкновенным паровым котлом. Правда, расчеты показали, что ни парафин, ни глауберова соль мне здесь не помогут – слишком низкая у них температура плавления. Тут вполне подошел бы гидрид лития с его 650 градусами. Однако все мои попытки достать гидрид или сходный с ним фторид лития не увенчались успехом. В хозяйственных магазинах его не было, в магазинах химреактивов мне постоянно советовали обратиться в конце месяца.

А пока я ждал очередного конца месяца, мне попалась на глаза – по-моему, в журнале «Техника молодежи», – информация как раз об использовании тепловых накопителей на транспорте. В маленькой заметке сообщалось, что в тепловой накопитель, установленный на мотороллере с так называемым двигателем Стирлинга мощностью в 3 лошадиные силы (2,2 кВт), заливали ведро расплавленного фторида или гидрида лития, и двигатель работал 5 ч, используя накопленное тепло.

Значит, мне уже не нужно тратить время на поиски гидрида лития, тепловой накопитель с ним уже есть. Вот только что это за двигатель Стирлинга?

Так и не вспомнив, где мне попадалось это название, я обратился к энциклопедии и узнал, что принцип действия двигателя, изобретенного в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом, основан на нагревании одной его части и охлаждении другой; в самом двигателе находится газ – водород или гелий – под большим давлением. Двигатель Стирлинга сейчас считают одним из самых перспективных тепловых двигателей, он работает даже от тепла человеческих рук.

Я еще раз внимательно прочитал заметку в журнале и прикинул, сколько потребовалось бы горючего для совершения той же работы. Сравнение оказалось не в пользу теплового накопителя – горючего понадобится всего около 3 кг, или чуть больше 3 л!

В чем дело? Почему столь энергоемкий накопитель, как тепловой, менее эффективен, чем бак с горючим?

Когда же я вычислил массу всего силового агрегата, необходимого для автомобиля, то есть массу двигателя Стирлинга вместе с тепловым накопителем, то понял, в чем причина столь неутешительных результатов. Дело в том, что силовой агрегат оказался почти в 300 раз тяжелее теплового накопителя!

Это происходит прежде всего потому, что двигатель Стирлинга и тем более паровая машина очень тяжелы сами по себе. Кроме того, в механическую энергию, как выяснилось, можно перевести с помощью этих машин только около трети энергии накопителя. Две трети энергии, а следовательно, и массы накопителя для нас теряются.

Так или иначе, но для прохождения 100 км пути автомобилю понадобился бы силовой агрегат массой около 3 т, что в три раза больше, чем весит сам автомобиль! Ни о какой «капсуле» здесь говорить, естественно, не приходится…

Кое-что об энергии и работе

Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.

Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», да мало ли еще какими, – их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильником, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.

Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию движения атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.

Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью перешло в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они бы не передали, осталась бы еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.

Вот почему КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что КПД любого теплового двигателя не может превышать величину, равную частному от деления разности абсолютных температур нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя (это по Кельвину; чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса).