Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Превращение тепла в работу. Невозможность создания вечного двигателя

В течение тысячелетий естествоиспытатели и изобретатели безуспешно пытались сконструировать машину, которая могла бы неограниченно совершать работу без потребления энергии от внешнего источника, - перпетуум мобиле (вечный двигатель). Чтобы остановить поток многочисленных предложений и проектов, Французская Академия наук еще в конце XVIII века приняла решение рассматривать изобретения перпетуум мобиле только тогда, когда вместе с проектом будет представлена действующая модель. Этой модели, естественно, никому не удалось создать. Однако еще и сегодня существуют фантазеры, придумывающие все новые и новые неосуществимые конструкции. Обычно изобретатели относят свои неудачи за счет каких-то мелких ошибок или недостатков, но эти "мелочи" оказываются принципиально неустранимыми. Неудачи привели ученых к выводу, что перпетуум мобиле противоречит некоторому всеобщему закону природы. Этот закон есть закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики). Он утверждает, что энергия не может ни возникать из ничего, ни уничтожаться: отдельные виды энергии могут лишь переходить друг в друга. Таким образом, перпетуум мобиле (первого рода) противоречит закону сохранения и превращения энергии, поэтому его создание невозможно.

Согласно первому началу термодинамики, различные виды энергии могут переходить друг в друга в определенных количественных соотношениях. Так.например, если превращение будет полным, т.е. без возникновения других видов энергии, из 1 кгм механической работы возникает 2,34 кал тепла. Однако закон сохранения энергии ничего не говорит о том, любой ли вид энергии может превращаться в другой и в каком направлении идут процессы превращения энергии. С точки зрения этого закона все виды энергии и направления их превращений равнозначны.

Поэтому закон сохранения энергии (хотя он абсолютно верен) -лишь часть истины. Опыт показывает, что различные материальные превращения протекают по вполне определенным направлениям, которые в каждых конкретных условиях определяются однозначно. Так, например, при отсутствии ветра камень падает на Землю вертикально (сильный ветер может изменить это направление); сахар в воздухе сгорает, превращаясь в ОСЬ и НгО, а не в крахмал, хотя в других условиях (в живых организмах) такой процесс возможен.

Закон сохранения энергии ничего не говорит об особенностях тепла, поэтому полное превращение термической энергии в тепло ему не противоречит. Именно это натолкнуло многих изобретателей на мысль сконструировать машину, способную производить работу на основе возможно более полного превращения термической энергии. Например, на корабле такая машина могла бы работать следующим образом: она отбирала бы от воды термическую энергию в виде тепла, несколько охлаждая при этом воду. При помощи судового двигателя эта энергия^ превращалась бы в механическую работу, при этом тепло, выделяемое в результате трения различных частей двигателя^ снова бы передавалось воде, слегка ее нагревая. Круговой процесс повторялся бы на протяжении всего движения судна, обеспечивая это движение.

Подобная машина превращала бы, таким образом, термическую энергию в механическую в определенных пропорциях, вытекающих из первого начала термодинамики, а затем переводила бы ее обратно в термическую в тех же пропорциях. Возможность создания машины, производящей полезную работу через нормальный круговой цикл превращения энергии, не противоречит закону сохранения энергии. Но практически такая машина, временно забирающая энергию из почти неисчерпаемого водного резервуара Земли и возвращающая эту энергию обратно, все же была бы перпетуум мобиле.

Известно, что на Земле имеется приблизительно 1млрд.км3 воды. Если охладить эту воду только на 0,001 градуса, то этим можно отобрать у воды 1013 кВт/ч энергии. Для сравнения укажем, что современное мировое потребление электроэнергии составляет около 1012 кВт/ч. Таким образом, даже незначительное охлаждение мирового океана позволило бы получить столько энергии, сколько хватило бы при современном уровне потребления на 1000 лет. Более того, подобные машины, превращая эту термическую энергию в механическую, вовсе не щлребляли бы энергии безвозвратно, так как из-за трения механическая энергия вновь превращалась бы в термическую, Практически это был бы перпетуум мобиле, неограниченно производящий работу, питаясь из неисчерпаемого энергетического резервуара. В отличие от перпетуум мобиле, невозможность создания которого вытекает из первого начала термодинамики, описанная выше машина называется перпетуум мобиле второго рода.

Перпетуум мобиле второго рода - это машина, которая непрерывно отбирает термическую энергию из окружающей среды, преобразует ее в работу и вновь превращает последнюю в термическую энергию. Однако все попытки создать такую машину оказались безрезультатными, как и попытки создать перпетуум мобиле первого рода. По-видимому, существование перпетуум мобиле второго рода также противоречит какому-то закону природы. В чем заключается этот закон?

Направление перехода тепла

На данный вопрос можно ответить, наблюдая и правильно оценивая явления природы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной практике. Когда у нас мерзнут руки, мы их трем, превращая таким образом, механическую энергию в термическую, или приближаем к горячей печи, с тем чтобы термическая энергия из нее в форме тепла перешла в наши руки. Мы знаем из опыта, что бесполезно прикладывать руки к нетопленной печи или стене - они не станут от этого теплее, - хотя как нетопленная печь, так и стена обладают запасом термической энергии, а переход части ее в наши руки и их согревание не противоречили бы закону сохранения энергии. С точки зрения этого закона безразлично, в каком направлении происходит переход термической энергии.

Существующие факты однозначно показывают, что есть всеобщий закон природы, по которому термическая энергия сама по себе не может перейти от менее нагретого тела к более нагретому. Другими словами, этот закон гласит, что при непосредственном контакте двух тел термическая энергия может перейти от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот.

Вышесказанное не, означает, что термическую энергию вообще1 невозможно передать от менее нагретого тела к более нагретому. Ведь происходит же, например, этот процесс постоянно в холодильнике, где от охлаждаемых тел, находящихся примерно О С, отнимается тепло и .передается окружающему воздуху, температура которого, скажем, 20 С. Однако осуществить это можно только в том случае, если подвести к холодильнику энергию из внешнего источника, т.е. питать его электрической или химической энергией. Но как только мы прекратим подачу энергии, процесс пойдет в обратном направлении, и все, что находится внутри холодильника, начнет отбирать тепло от окружающего воздуха. Невозможно также создать такую длительно работающую машину, в которой происходил бы переход термической энергии между двумя телами с одинаковой температурой.

Термическая энергия в форме тепла может переходить сама по себе от более нагретого тела к менее нагретому. При этом процессе из тепла можно получить работу, но и в данном случае в непрерывно работающей машине нельзя полностью превратить тепло в работу.

Невозможность создания перпетуум мобиле второго рода следует из того, что термическая энергия не может быть полностью превращена в работу. Полное же превращение механической работы в термическую осуществимо. Существуют ли ограничения для взаимного превращения других видов энергии? Опыт показывает, что не существуют. Другие виды энергии могут принципиально безгранично переходить из одного в другой, хотя при этом какая-то незначительная часть энергии любого вида, как правило, переходит в термическую. В результате КПД таких превращений всегда меньше 100%. Поэтому весьма невыгодно использовать химическую энергию топлива тем способом, который на сегодняшний день наиболее распространен: вначале путем сжигания превращать ее в термическую энергию, а затем из термической при помощи двигателей получать работу или электрическую энергию. Целесообразно химическую энергию непосредственно превращать в электрическую, что может осуществляться в гальванических элементах.