Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ОБ ЭТОЙ КНИГЕ
Так называемый вечный двигатель занимает в истории науки и техники особое и очень заметное место, несмотря на то что он не существует и существовать не может. Этот парадоксальный факт объясняется прежде всего тем, что поиски изобретателей вечного двигателя, продолжающиеся более 800 лет, связаны с формированием представлений о фундаментальном понятии физики — энергии. Более того, борьба с заблуждениями изобретателей вечных двигателей и их ученых защитников (были и такие) в значительной степени способствовала развитию и становлению науки о превращениях энергии — термодинамики.
Анализ истории вечного двигателя вполне соответствует той задаче, которую поставил В.И. Ленин, когда писал о необходимости «диалектической обработки всей истории естествознания и техники». Такая история должна включать не только прозрения, великие открытия и изобретения, но и заблуждения и неудачи. Только тогда она будет живой и полной.
Этот интересный и вместе с тем поучительный сюжет из истории науки и техники не могла, естественно, обойти и научно-популярная литература. Однако отечественной литературы на эту тему, если не считать одной брошюры, вышедшей в 1911 г., не было. В последние годы были изданы две переводные книги о вечном двигателе, содержащие довольно большой и интересный материал.
Предлагаемая книга на ту же тему написана крупным специалистом в области термодинамики и низкотемпературной техники, доктором техн, наук профессором
В.М. Бродянским. Будучи не менее занимательной, чем другие (в частности, благодаря примерам из художественной литературы), она отличается от них, по крайней мере, в трех существенных аспектах.
Первый из них связан с содержанием книги. У всех без исключения авторов, писавших о вечном двигателе, основное внимание уделялось так называемому вечному двигателю первого рода, которым занимались изобретатели прежних времен. Вечные двигатели второго рода, которые пытаются создать теперешние изобретатели, почти не рассматриваются. Между тем именно здесь находится центральный пункт полемики, связанной с предложениями о создании «инверсионных» энергетических устройств, могущих, якобы, обеспечить человечество энергией навечно и без расходования каких-либо возобновляемых или невозобновляемых ресурсов. О живучести подобных проектов вечных двигателей свидетельствует хотя бы тот факт, что даже после выступления в центральной печати таких авторитетных ученых, как академики П. Капица, Л. Арцимович и И. Тамм (Правда, 1959. 21 ноября), с протестом против распространения лженаучных сенсаций, связанных с новыми вечными двигателями, через 18 лет понадобилась новая статья на ту же тему академиков Е. Велихова, А. Прохорова и Р. Сагдеева (Правда. 1987. 22 авг.). Поэтому вполне оправдано, что в книге В.М. Бродянского сделан решительный поворот от «прежде» к «теперь»: основное внимание уделено именно вечному двигателю второго рода. При этом, однако, перед автором возникает несравненно более трудная задача. Действительно, положение о невозможности осуществления вечного двигателя первого рода очевидно для современного читателя, который со школьных лет знает закон сохранения энергии. Здесь автору нужно при разборе каждого двигателя только показать, где спрятано противоречие с этим законом.
При рассмотрении идеи вечного двигателя второго рода нужно не только выявить противоречие с законом природы, но и убедить читателя в незыблемости самого этого закона. Однако второй закон термодинамики далеко не так очевиден, как закон сохранения энергии, он не входит и в курс физики средней школы.
Автор приложил много сил и умения, чтобы просто, без педантизма довести до читателя содержание второго закона термодинамики. При этом существенное внимание уделено и полемике с «ниспровергателями» второго закона, и раз-
бору их внешне убедительных, но научно несостоятельных доводов. Такой показ столкновения научных и антинаучных позиций проводится автором в довольно острой форме. Однако это вполне оправдано, так как читатель сам вовлекается в дискуссию и получает возможность отделить сущность от словесной оболочки, увидеть проблему объемно, с разных сторон и утвердиться в правильном ее понимании.
Вторая особенность книги состоит в том, что автор сумел отойти от описательного стиля, принятого до сих пор в книгах о вечных двигателях. Ему удалось без излишней «учености» найти стиль изложения, позволяющий дать ответы на трудные или редко освещаемые вопросы в форме, нужной для читателя, не имеющего специальной подготовки. К таким вопросам относятся не только физические или технические, но и психологические (например, мотивы, определяющие невосприимчивость к критике изобретателей вечного двигателя).
Третье отличие этой книги от предшествующих связано с необходимостью найти методику, позволяющую наглядно, но не слишком упрощенно представить суть ошибок изобретателей вечного двигателя второго рода. Автор использовал для этого широко распространившееся за последнее время понятие эксергии, в разработке которого он принимал непосредственное участие. Опыт применения этой величины в научно-популярной литературе у нас и за рубежом показал, что она позволяет наиболее просто изложить следствия второго закона термодинамики в его технических приложениях. В результате гл. 3 и 4, содержащие самые трудные для популяризации материалы, сделались интересными и понятными, хотя и требуют от читателя в некоторых местах определенной сосредоточенности.
Опыт многих лет выпуска научно-популярных книг и журналов в нашей стране показывает, что уровень подготовки читателей, как взрослых, так и школьников, весьма вырос. Подавляющее большинство читателей, в том числе и молодежь, предпочитает не облегченное развлекательное чтиво, а литературу интересную, заставляющую думать. Именно к такой категории относится и книга В.М. Бродян- ского о вечном двигателе: в ней найдено оптимальное соотношение научного и занимательного. Ее чтение даст много нового всем, кто интересуется историей науки и техники — как далекой, так и близкой к нашему времени.
Академик АПН СССР В.А. ФАБРИКАНТ
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Написать эту книгу меня побудило не только стремление рассказать историю вечного двигателя по-новому. Несомненно, длительная история попыток создания вечного двигателя, столкновения его сторонников и противников чрезвычайно интересна и поучительна. В ней фигурируют самые разные люди — ученые и проходимцы, короли и ремесленники, архитекторы и богословы, бизнесмены и священники, мужчины и женщины. История вечного двигателя — это одновременно и история становления и развития многих направлений науки, в частности механики, гидравлики и, конечно, энергетики.
Вместе с тем существует и другая причина, приводящая к необходимости писать о вечном двигателе именно теперь. Она состоит в том, что попытки создать вечный двигатель не прекратились и в наш ученый век. Многочисленные изобретатели работают над новыми проектами; многие инженеры и научные работники создают для них «теоретическую базу», а сами авторы и некоторые журналисты пропагандируют соответствующие идеи в печати.
В отличие от прошлых времен авторы избегают термина «вечный двигатель», вводя другие, более «научные» слова (например, «инверсия энергии»). Однако дело от этого, естественно, не меняется.
Мне пришлось неоднократно участвовать как в экспертизе такого рода изобретений, так и в разборе жалоб изобретателей на консерватизм экспертов, отвергающих их предложения. В результате не только накопилась интересная информация (и негативные эмоции), но и сформировалось убеждение, что необходима новая популярная книга о вечном двигателе, которая содержала бы развернутый анализ ошибок современных его изобретателей. Их заранее обреченные на неудачу попытки продолжаются уже много
лет; даже выступления в печати авторитетнейших ученых не смогли прекратить это пагубное поветрие.
Одна, по-видимому определяющая, причина стремления создать новый, необычный двигатель, работающий без использования каких-либо ресурсов, состоит в быстром развитии науки и техники: многие «чудеса» становятся реальностью. Поэтому представление о невозможности чего- либо часто воспринимается с большим трудом (или вовсе не воспринимается). Такой общественный настрой, особенно у молодежи — явление вполне естественное. Однако на этой питательной почве иногда, при недостатке соответствующих знаний, растут и сорняки — идеи внешне очень прогрессивные, но научно несостоятельные и потому в принципе нереализуемые. Новые вечные двигатели (так называемые вечные двигатели второго рода) относятся именно к этой категории.
Поэтому часть книги, которая посвящена современным изобретателям вечного двигателя второго рода, характеризуется явно выраженной критической, негативной направленностью.
Критиковать, не предлагая чего-либо лучшего, — неблагодарная задача для научного работника и инженера, которые по самому роду своей работы должны не столько отрицать, сколько создавать и помогать другим делать то же самое. Здесь же предложить лучшее (более совершенный вечный двигатель) в принципе нельзя. Остается только разъяснение и отрицание. Утешением может служить лишь то, что такая работа помогает направить на настоящее, полезное дело средства и усилия, которые были бы растрачены на бесперспективные, химерические прожекты.
Нужно еще отметить, что критический научный анализ вечных двигателей и других подобных им устройств полезен тем, что вырабатывает умение отличать настоящие идеи от суррогатов — внешне заманчивых, но по существу негодных теорий и прожектов. Это особенно важно для молодежи. Здесь нужна не просто ссылка на нарушение закона природы, а терпеливый разбор этого закона. Практика показывает, что даже в этом случае не всегда удается убедить наиболее упорных изобретателей; но это уже другой вопрос, требующий психологического анализа. Главное — выработать соответствующее общественное мнение.
В конечном счете цель этой книги — способствовать по мере сил выполнению завета, который оставили в известной статье «О легкомысленной погоне за научными сен-
сациями» академики Л. Арцимович, П. Капица и И. Тамм. Она заканчивается призывом выполнить важную задачу популяризации достижений науки и техники, чтобы закрыть дорогу рекламе «чудес», дискредитирующих науку.
Введение к книге знакомит с некоторыми общими положениями и с терминами, относящимися к вечным двигателям.
Две первые главы посвящены вечному двигателю первого рода, три последующие главы — вечному двигателю второго рода. В кратком заключении иллюстрируется мысль о том, что «энергетического тупика», от которого хотят спасти человечество современные изобретатели вечного двигателя, в действительности не существует и что настоящая энергетика имеет возможности обеспечить все разумные потребности человечества в энергии.
В конце книги приведена библиография для тех, кто захочет подробнее ознакомиться с темой. Список разделен на четыре части. Первая содержит литературу, как относящуюся к общим положениям, затрагиваемым в книге, так и к научным, связанным с энергетикой. Во второй собраны книги и статьи, непосредственно относящиеся к истории вечных двигателей и критике ошибок его сторонников. Третья часть включает статьи, авторские свидетельства и книги, в которых изобретатели, а также вольные и невольные защитники вечных двигателей излагают свои взгляды. В последней, четвертой, части перечислены произведения художественной литературы, действующие лица которых — изобретатели вечных двигателей.
В работе мне оказали большую помощь и поддержку акад. АПН СССР В.А. Фабрикант, рецензент книги засл, деятель науки, проф. А.А. Гухман и редактор В.Д. Виленский. Им я приношу глубокую благодарность. Считаю своим долгом также отметить помощь, оказанную в поиске библиографии по теме редактором Публичной библиотеки им. М.Е. Салтыкова-Щедрина О.В. Звегинцевой.
Автор
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Эта книга, первое издание которой вышло в 1989 г., была написана с целью способствовать выполнению задачи, поставленной нашими выдающимися физиками — академиками Л.А. Арцимовичем, П.Л. Капицей и И.Е. Таммом — «закрыть дорогу рекламе чудес, дискредитирующих науку».
Первое место среди таких «чудес» занимал (и теперь занимает) т.н. «вечный двигатель». Истории попыток его создания и современному состоянию дел с ним и была посвящена книга.
Судя по отзывам, полученным издательством и автором, она была благоприятно встречена читателями и быстро разошлась.
В отзывах, в частности, отмечалось, что книга может быть полезной и для самообразования, и в качестве пособия при изучении физики в средней школе и термодинамики — в высшей. На книгу откликнулись и изобретатели «вечного двигателя», от них пришло более 200 писем. Большинство этих писем было посвящено опровержению научных положений, изложенных в книге, а также описанию проектов различных устройств, взятых из литературы или разработанных самими авторами. Что касается последних, то я отвечал всем изобретателям одинаково: «приносите (привозите) Вашу машину или пригласите меня на ее испытания. Если она будет работать, я публично отрекусь от своих убеждений, стану Вашим сторонником и буду помогать «пробивать ее в жизнь».
Ни одного приглашения так и не пришло...
Три письма надо отметить особо. Два из них содержали поэтические произведения, восхваляющие вечные двигатели: одно в виде поэмы (часть стихов я привожу в этом издании книги), другое в виде песни (но без нот). Наконец, одно письмо, совершенно уникальное, было написано
кандидатом технических наук. Оно содержало просьбу указать, «где можно прочесть о действующих вечных двигателях и патентах на них, а, если возможно, увидеть их в работе». При всем желании я ответить ученому автору, всерьез верящему в существование таких «действующих машин», не мог.
Все это лишний раз показывает, что идея «вечного двигателя», возникшая много лет назад, не умирает. Именно поэтому дискуссия вокруг perpetuum mobile должна быть продолжена и на страницах специальных изданий и в научно-популярной литературе (включая СМИ). Она, надеюсь, окажет влияние на ход мыслей и деятельность значительной части изобретателей, выдумка и усилия которых могут быть направлены на более реальные проблемы. К сожалению, в начале XXI века все еще находятся люди, всерьез занимающиеся этим безнадежным делом, несмотря на все усилия как экспертов, так и преподавателей средней и высшей школы.
Нельзя пройти мимо и того неожиданного факта, что к защите такой деятельности подключаются в поисках сенсаций не только некоторые журналисты, но и люди, имеющие научные степени и ученые звания. Самое тревожное, что «ученые труды» последних проникают даже на страницы серьезных академических научных изданий. Такого рода поддержка, естественно, вдохновляет изобретателей на новые попытки штурмовать «устаревшие догмы».
Повышение интереса к проблеме «вечного двигателя» в последнее время не случайно. Оно определяется не только современной ситуацией в энергетике, но и актуальными проблемами экологии, тесно с ней связанными. Против соблазна услышать, что эти проблемы могут быть решены сразу, «под корень», не в силах устоять и некоторые, даже, казалось бы, достаточно образованные люди. Они, как и изобретатели, в большинстве своем соглашаются с тем, что энергию «из ничего» получить нельзя. Поэтому только немногие защищают «устаревшие» вечные двигатели Первого рода. Но они никак не могут примириться с более трудным для понимания положением, вытекающим из Второго закона термодинамики: можно иметь огромное количество энергии в равновесной окружающей среде, которую в принципе нельзя использовать для получения полезной энергии.
Эта ситуация по-видимому, в какой-то степени неизбежна не только в силу сложности развития, свойственной
любому направлению техники. Она в значительно! связана с недостаточной научной подготовкой ка! тателей «вечных двигателей», так и тех, кто их п< вает. Соответственно не снимается с повестки дш димость продолжать работу как по разъяснению с законов природы и анализу ошибок искренне заС щихся изобретателей, так и разоблачению всякого магогии, часто сопровождающей дискуссии об из энергии «разлитой в окружающей среде».
Все эти обстоятельства показывают, что выпус издания книги «Вечный двигатель прежде и тепер] быть полезен.
Второе издание книги подверглось доработке советов читателей и новых материалов, полученн] выхода первого издания. Пополнен также списоб туры.
Автор выражает благодарность академику РАН онтьеву и чл. корр. РАН Э.Э. Шпильрайну за ш работы и полезные советы, а также редактору эт< ния Е.С. Артоболевской за помощь при работе на^ книги.
ВВЕДЕНИЕ
ФИЗИКА, ЭНЕРГЕТИКАИ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Всякое ложное искусство, всякое суемудрие длится лишь положенное ему время, так как в конце концов оно разрушает само себя и высшая точка его развития есть вместе с тем начало его крушения.
И. Кант
Приступая к разбору истории вечного двигателя, нужно, по-видимому, начать с того, откуда взялось это понятие и что, собственно, оно означает.
Идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу людей и животных, ни силу ветра и падающей воды, возникла впервые, насколько известно, в Индии в XII в. Однако практический интерес к ней проявился в средневековых городах Европы в XIII в. Это не было случайностью: универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен средневековому ремесленнику. Он мог бы приводить в движение кузнечные меха, подававшие воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать грузы на стройках. Говоря современным языком, создание такого двигателя позволило бы сделать существенный шаг и в энергетике, и в развитии производительных сил в целом.
Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время еще не было. Естественно поэтому, что люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось «perpetuum mobile naturae» — естественное, природное вечное движение. Существование такого природного вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного движения — «perpetuum mobile artificae». Надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины.
В результате такого переноса слово «perpetuum» («вечный») приобрело в этом термине несколько иной смысл. Применительно к технике оно уже означало не «бесконечный», а скорее «непрерывный», «постоянно действующий». Было очевидно, что любая искусственная машина, созданная человеком, не вечна, она в конце концов неизбежно износится. Но пока двигатель существует — он постоянно должен действовать.
В этом смысле — как обозначение постоянно, самого по себе действующего двигателя — сочетание «perpetuum mobile ariificae» дожило и до наших дней. Слово «artificae» постепенно исчезло, так как ясно было, что термин относится к искусственному устройству. Для краткости «perpetuum mobile» часто пишут сокращенно — ppm.
Таким образом, русский термин «вечный двигатель» не совсем точно отражает понятие ppm. Однако, поскольку он вошел во всеобщий обиход, мы будем им пользоваться наряду с сокращенным обозначением ppm. Кроме того, мы по возможности постараемся избегать частого упоминания перед словами «вечный двигатель» прилагательных типа «воображаемый», «нереализуемый», «неосуществимый» и т.д., так как это подразумевается с самого начала. По этой же причине словосочетание «вечный двигатель» везде, начиная с заголовка, пишется без кавычек. Ведь упоминают же в литературе без кавычек чертей, ведьм и всякую прочую нечистую силу, хотя прекрасно известно, что в настоящем виде они не существуют, как и вечный двигатель.
Представление о вечном двигателе со временем существенно менялось в соответствии с развитием науки, в частности физики, и задачами, которые возникали перед энергетикой.
В первый период развития ppm (XIII-XVIII вв.) его изобретатели не понимали принципиальной разницы между вечным движением небесных тел и связанных с ним явлений (например, морских приливов) и тем движением, посредством которого они хотели производить работу в двигателях. Как это ни покажется странным теперь, вопрос о том, откуда должна была взяться эта работа, тогда вообще не возникал. Только примерно с XVI в., когда постепенно начала формироваться мысль о некой «силе» как источнике движения и о том, что эта сила не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть бесследно, появились сомнения в возможности, а затем и убеждение в невозможности создания ppm. Однако, как мы увидим далее, этого мнения придерживался очень небольшой круг наиболее квалифицированных ученых-физиков и механиков. Общим достоянием такое понимание не стало. Все же официальным решением Парижской академии наук в 1775 г. было прекращено рассмотрение любых проектов perpetuum mobile. На этом закончился первый период истории ppm.
Второй период продолжался примерно до последней четверти XIX в. За это время было определено понятие энергии, и закон ее сохранения получил окончательное научное оформление. Были заложены основы термодинамики — науки об энергии и ее превращениях. Однако усилия изобретателей, работающих над созданием различных вариантов ppm, нисколько не ослабели.
Создалась интересная ситуация — сосуществование (правда, совсем не мирное) науки и антинаучной изобретательской деятельности. Этот парадокс объяснялся, с одной стороны, возросшими требованиями к энергетике, потреблявшей много топлива, и с другой — тем, что первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) не был еще достаточно хорошо известен широкому кругу людей, занимавшихся техникой.
На этом, по существу, заканчивается история так называемого вечного двигателя первого рода — ррт-1, изобретатели которого пытались нарушить первый закон термодинамики. Напомним, что он требует, чтобы общее количество энергии, поступающей в двигатель, было в точности
равно общему количеству выходящей из него; энергия не может исчезать или возникать из ничего. А ррт-1 производил бы работу, вообще не получая энергии извне!
Третий период развития ppm продолжается и теперь. Этот период характерен тем, что современные изобретатели ppm в отличие от своих коллег, работавших в предыдущие времена, знают о существовании научных законов, исключающих возможность его создания. Поэтому они пытаются создать ppm совсем другого рода. Такой вечный двигатель не должен нарушать закон сохранения энергии — первый закон термодинамики. Здесь все в порядке. Но он должен действовать вопреки второму закону термодинамики. Этот закон определенным образом ограничивает превращаемость одних форм энергии в другие. Такой двигатель был назван вечным двигателем второго рода — ррт-2.
Простейшим ррт-2 был бы такой, который, получая тепло от окружающей среды (например, от воды или атмосферного воздуха), полностью или частично превращал бы его в работу. Он позволил бы обойтись не только без затраты органического или ядерного топлива, но и без загрязнения окружающей среды. Есть за что бороться! Но второй закон термодинамики это превращение запрещает, а поскольку этот закон известен и существует, изобретателям ррт-2 не остается ничего другого, как бороться именно с ним. Нападки на второй закон ведутся ими с самых разных сторон — физической, философской и даже политической. Эта борьба вокруг второго закона термодинамики составляет, по существу, основное содержание третьего периода истории ppm.
На начальном этапе истории ppm дискуссии вокруг него способствовали в определенной степени прогрессу физики, а на последующих этапах — и развитию термодинамики, и прогрессу энергетики. Более того, оба закона термодинамики родились из положения о невозможности осуществления вечного двигателя. В целом эти этапы истории ppm можно характеризовать как движение от утопии к науке. В конечном счете сам вечный двигатель породил, если так можно выразиться, те фундаментальные научные положения, которые вырвали из-под него почву и обусловили конец его многовековой истории.
К сожалению, современные попытки возродить ppm на новой основе уже ничего науке не дают и дать не могут.
Напротив, они только вносят путаницу и отвлекают людей от настоящего дела. Теперешний этап истории вечного двигателя характеризуется попытками продвинуться в обратном направлении — от науки к утопии.
Чтобы разобраться во всех этапах истории ppm и двинуться дальше, надо обязательно сформулировать определение того, о чем пойдет речь. Итак, вечный двигатель — это воображаемое устройство, способное производить работу в нарушение первого (ррш-1) или второго (ррш-2) законов термодинамики.
Займемся подробнее как этими двигателями, так и соответствующими законами — сначала первым, а затем и вторым.
Глава первая
ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА:ОТ РАННИХ ПОПЫТОК ДО «ОПЫТНЫХОБРАЗЦОВ»
Мартын:
Что такое perpetuum mobile?
Бертольд:
Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому... видишь ли, добрый мой Мартын: делать золото — задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное — но найти perpetuum mobile... о!..
А. С. П у ш к и н. «Сцены из рыцарских времен»
Зарождение идеи
Трудно более кратко и выразительно сказать о значении энергетики для человечества, чем это сделал А.С. Пушкин устами средневекового монаха. Отозвавшись о создании золота как «задаче заманчивой», Бертольд совсем иначе говорит о perpetuum mobile: «Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому...» Все, что позже было сказано о роли энергетики, не идет дальше этих замечательных слов.
Может быть и не с такой предельной ясностью, но эта мысль действительно впервые была сформулирована в «рыцарские времена» — в XIII в.
Поистине пророческое высказывание о будущем техники, которое не могло бы возникнуть без понимания значения универсального двигателя, принадлежало средневековому монаху. Это был великий Роджер Бэкон (ок. 12141292), названный современниками doctor mirabilis (удивительный доктор); это, впрочем, не помешало церковникам продержать его почти 20 лет в тюрьме.
Вот что он писал: «Прежде всего я расскажу о чудесных творениях человека и природы, чтобы назвать дальше причины и пути их созидания, в которых нет ничего чудодейственного.
...Ведь можно же создать крупные речные и океанские суда с двигателями и без гребцов, управляемые одним рулевым и передвигающиеся с большей скоростью, чем если бы они были набиты гребцами. Можно создать и колесницу, передвигающуюся с непостижимой быстротой, не впрягая в нее животных. Можно создать и летательные аппараты, внутри которых усядется человек, заставляющий поворотом того или иного прибора искусственные крылья бить по воздуху, как это делают птицы. Можно построить небольшую машину, поднимающую и опускающую чрезвычайно большие грузы, машину огромной пользыНаряду с этим можно создать и такие машины, с помощью которых человек станет опускаться на дно рек и морей без ущерба для своего здоровья».
Это и прогноз, и призыв: «Ведь можно же!», а не сказочные мечты вроде ковра-самолета или скатерти-самобранки. И главное в этих прогнозах, как отчетливо понимал Бэкон, — это двигатель, без которого самостоятельное движение ни судов, ни колесницы, ни летательных аппаратов невозможно.
Отсюда видно, что Роджер Бэкон был, по-видимому, первым, кто, говоря языком современных терминов, достаточно ясно представлял себе первые три из основных функций техники: энергетическую, технологическую и транспортную, и, более того, необходимость обеспечить первую для развития двух остальных.
Он не упомянул только логическую функцию, необходимую для помощи при умственной деятельности человека. Первый шаг в этом направлении сделал в том же XIII веке его младший современник, другой монах — Раймун Лул-
лий (1235-1316), сконструировавший первую машину для решения логических задач.
При всей гениальности Р. Бэкона1 и творческих способностях Р. Луллия, они не смогли бы создать ничего подобного, если бы к этому времени не сформировался определенный уровень представлений о дальнейших потребностях и возможностях развития техники, опирающихся на скромные, но достаточно весомые ее успехи. В частности, уже «витало в воздухе» представление о том, что создание универсального двигателя, пригодного для привода машин, возможно.
Потребность в таком двигателе была естественной для ремесленного производства тесного средневекового города, где не хватало рабочих рук.
Ответом на эту потребность и были попытки создания perpetuum mobile, первые проекты которого появились в том же XIII в., в котором жил и работал Р. Бэкон. Теперь, в XX в., легко критиковать ошибки изобретателей XIII в. Современному школьнику, который «проходил» закон сохранения энергии, очевидно, что путь, на который вступили тогда изобретатели универсального двигателя, был ложным. Однако судить на этом основании с высокомерием и даже с иронией (так бывает) о трудах мастеров и изобретателей «мрачного средневековья» нельзя.
В.И. Ленин писал «Исторические заслуги судятся не по тому, что не дали исторические деятели сравнительно с современными требованиями, а по тому, что они дали сравнительно со своими предшественниками» [1.1]. С этих позиций смелая попытка оторваться от «биологической» и «ветро-водяной» энергетики представляет огромный шаг вперед. Работа средневековых изобретателей perpetuum mobile была необходимым этапом проб и ошибок, на базе которых постепенно выкристаллизовался закон сохранения энергии (а затем все те необходимые научные и технические результаты, которые он помог получить).
У самых гениальных мыслителей, ученых и инженеров античного мира, даже таких, как Архимед (ок. 287-212 до и. э.), нет и намека
Интересно сопоставить прогноз Р. Бэкона с прогнозом (сделанным в 1900 г.!) американского ученого-астронома Ньюкома: «Все данные современной науки указывают, что никакие возможные сочетания известных веществ, типов машин и форм энергии не позволят построить аппарат, практически пригодный для длительного полета человека в воздухе». Эта ученая тирада была произнесена за три года до полета братьев Райт!
на идею об универсальном двигателе. Не двинулся в этом направлении и такой инженер, как Герои Александрийский (ок. 1 в.), несмотря на то, что он знал намного больше, чем средневековые мыслители. Даже движущая сила нагретого воздуха и водяного пара была ему хорошо известна. Его «эолопил» (рис. 1.1) — прообраз реактивной паровой турбины — был только интересной игрушкой, так же как и устройство, открывавшее двери храма (рис. 1.2). Мысль о том, чтобы приспособить
его к делу — использовать как двигатель для машин, даже не возникала. Это и понятно: была дешевая рабочая сила многочисленных рабов, до
машних животных, наконец, воды и ветра.
Вспомним, что в Римской империи на одного рабовладельца приходилось в среднем 10 рабов (а у некоторых патрициев их было даже до 1000), Если принять мощность каждого раба за 0,1 кВт, то (даже
не считая работу животных) «энерговооруженность» среднего римля
нина превышала 1 кВт, и богатого патриция — 10 кВт. Это примерно
Почему идея созда
соответствует современному уровню!соответствует современному уровню!ния универсального двигателя, как и первые его проекты в виде ppm, появилась именнов XIII в.?
соответствует современному уровню!
соответствует современному уровню!
Это, конечно, не случайность, а результат, исторически обусловленный ходом развития производительных сил средневекового общества; XIII в. занимает в нем особое место. Именно в это время уже в достаточной мере проявились преимущества развитого феодального общества перед рабовладельческим.
Рост городов1 приводил к созданию крупных городских общин с са
мостоятельным управлением. Бюргерство, поддерживаемое королевской властью, укреплялось в борьбе с феодалами,
ХВ Германии в течение XIII в. было основано около 400 городов; аналогичный процесс шел и в других странах Европы. В домонгольской Руси было так много городов, что скандинавы называли ее «Гар- дарик» — страна городов.
и влияние его росло. Труд свободного ремесленника, практическое мастерство (art) стали, в отличие от античных времен, занятием, достойным уважения. Объединявшие ремесленников профессиональные корпорации — цехи были достаточно сильны, чтобы отстаивать интересы своих многочисленных членов. В Париже, например, по данным податной переписи 1291 г. было 4159 цеховых мастеров. В этих условиях мастера были заинтересованы в развитии техники и технологии своей области.
Рис. 1.2. Тепловой привод Терона для открывания дверей храма
Количественный и качественный рост ремесленного производства и торговли привел к тому, что средневековая Европа стала собирать и осваивать технические новинки и изобретения со всех стран: из Византии, арабских владений, Индии и даже Китая. Грамотность перестала быть только привилегией монахов — она широко распространяется среди городского населения (вспомним хотя бы средневековый Новгород). Наиболее «весомо и зримо» технический прогресс проявился в XIII в. в архитектуре и строительстве. Стремящаяся вверх каркасная ажурная готика требовала высокого инженерного искусства.
К XIII в. относится и открытие первых университетов (Кембридж — 1209, Падуя — 1222, Неаполь — 1224, Саламанка — 1227 г.), только Оксфорд был основан еще в 1167 г.
Список технических изобретений этого времени (как европейских, так и ввезенных извне и получивших распространение) достаточно солиден. Это усовершенствованный компас (в виде иглы), порох, бумага (ХП-ХШ вв.), механические часы, очки, стеклянные зеркала, литье чугуна, шлюзы на каналах, ахтерштевень (вертикальная стойка руля) и бушприт на мирских судах и даже соление сельди (XIII в.). В последующем все эти изобретения совершенствовались и распространялись. Это дало основание Д. Берналу сделать вывод о том, что «технические изменения происходили на протяжении всего средневековья, и они действительно представляют собой его наиболее значительный вклад в научную цивилизацию будущего» [1.9].
Как ни странно, находятся историки техники, разделяющие давно опровергнутые представления о средних веках как о «мрачном провале» истории человечества. Один из них написал так: «Мы можем смело опустить следующие полторы тысячи лет. Шестнадцатый век начал с того, на чем остановился первый» [1.16].
Мы не будем настолько «смелыми» и продолжим поучительное изучение средневековой техники, обратившись после обзора общей картины к той ее части, которая относится к perpetuum mobile.
Первые проекты механических, магнитныхи гидравлических ppm
Сейчас трудно установить точно, когда, кем и где был предложен самый первый проект ppm. Есть данные о том, что в трактате великого индийского математика и астронома Бхаскара Ачарья (1114-1185 гг.) «Сиддханта Сиро- манн» (ок. 1150 г.) есть упоминание о ppm. Об этом же говорится в сочинении араба Фахра ад-дин-Ридваи бен Мохаммеда (ок. 1200 г.).
В Европе первые известия о ppm связаны с именем одного из выдающихся людей XIII в. — Виллара д’Синекура — французского архитектора и инженера.
Как и большинство деятелей того времени, он занимался и интересовался многими делами; строительством
соборов, созданием грузоподъемных сооружений, пилы с водяным приводом, военной стенобитной машины и даже... дрессировкой львов. Он оставил дошедшую до наших дней «Книгу рисунков» — альбом с записями и чертежами (ок. 1235-1240 г.), которая хранится в Парижской Национальной библиотеке. Для нас представляет интерес прежде всего то обстоятельство, что в этом альбоме приведены рисунок и описание первого из достоверно известных проектов perpetuum mobile.
Оригинальный чертеж автора показан на рис. 1.3<2. Текст, относящийся к этому чертежу, гласит: «С некоторого времени мастера спорят, как можно было бы заставить колесо вращаться само собой. Эгого можно достигнугь посредством нечетного числа молоточков или ртути следующим образом» (следует рисунок).
Рис. 1.3. Вечный двигатель Виллара д’Оннекура: а — оригинальный рисунок; б — модель
Д’Оннекур не пишет, сам он придумал двигатель или заимствовал эту идею у другого мастера. Да это и не так важно. Главное — существо дела. Обратим прежде всего внимание на то, что автор совершенно не сомневается, что заставить колесо вращаться само собой можно. Вопрос только в том, как это сделать! В тексте говорится о двух вариантах ppm — с молоточками и с ртутью. Начнем с первого. Из текста в сочетании с рисунком идею изобретения можно понять. Поскольку число молоточков на ободе колеса нечетное, всегда с одной стороны их будет
больше, чем с другой. В данном случае слева будет четыре молоточка, а справа — три. Следовательно, левая сторона колеса будет тяжелее правой и колесо, естественно, повернется по направлению против часовой стрелки. Тогда следующий молоточек повернется в том же направлении и перекинется на левую сторону, снова обеспечивая ее перевес. Таким образом колесо будет постоянно вращаться.
Идея колеса с грузами или тяжелой жидкостью, неравномерно распределенными по окружности колеса, оказалась очень живучей. Она разрабатывалась в самых различных вариантах многими изобретателями в течение почти шести веков и породила целый ряд механических ppm.
Анализ этих двигателей мы проведем позже и рассмотрим их совместно, с общей позиции.
Обратимся ко второй, не менее интересной идее ppm, возникшей тоже в XIII в. и также породившей большую серию изобретений. Речь идет о магнитном ppm, предложенном Петром Пилигримом из Мерикура в 1269 г. В отличие от практика-инженера д’Оннекура Петр Пилигрим все же был больше «теоретиком», хотя занимался и экспериментами; поэтому его проект ppm, показанный на рис. 1.4, выглядит скорее как принципиальная схема, чем как чертеж.
По мнению Петра, таинственные силы заставляющие магнит притягивать железо, родственны тем, которые заставляют небесные тела двигаться по круговым орбитам вокруг Земли. Следовательно, если дать магниту возможность двигаться по кругу и не мешать ему, то он при соответствующей конструкции реализует эту возможность. Насколько можно судить по схеме, двигатель состоит из двух частей — подвижной в неподвижной. Подвижная часть — это стержень, на одном (внешнем) конце которого закреплен магнит, а другой (внутренний) насажен на неподвижную центральную ось (axis). Таким образом, стержень может двигаться по окружности подобно стрелке часов. Неподвижная часть представляет собой два кольца — наружное а и внутреннее Ь, между которыми находится магнитный материал с внутренней поверхностью в форме косых зубцов. На подвижном магните, установленном на стержне,
написано «северный полюс» (pol. septentrionalis), на магнитном кольце — «южный полюс» (pol. meridianus). Отметим, кстати, что Перегрин первый установил два вида магнитного взаимодейст
вия — притяжение и отталкивание и ввел обозначения полюсов магнита — северный и южный.
Автор, по-видимому, полагал (точно понять это из описания нельзя), что магнит, установленный на стержне, будет поочередно притягиваться к зубцам магнитов, установленных в кольцевой части, и таким образом совершать непрерывное движение по
Рис. 1.4. Магнитный ppm Пьера де МерикураРис. 1.4. Магнитный ppm Пьера де Мерикураокружности.
Рис. 1.4. Магнитный ppm Пьера де Мерикура
Рис. 1.4. Магнитный ppm Пьера де Мерикура
Несмотря на явную неработоспособность такого устройства, сама идеи вос-
пользоваться магнитными силами для создания двигателя
была совершенно новой и очень интересной. Она породила в дальнейшем целое семейство магнитных ppm. В конечном счете не нужно забывать, что и современный электродвигатель работает на магнитном взаимодействии статора и ротора.
Несколько позже появились и ppm третьего вида — гидравлические. Идеи, положенные в их основу, не были столь новыми; они опирались на опыт античных водоподъемных сооружений и средневековых водяных мельниц.
Механические ppm
Все механические ppm средневековья (и многие более поздних времен) основаны на одной и той же идее, идущей от д’Оннекура: создании постоянного неравновесия сил тяжести на колесе или другом постоянно движущемся под их действием устройстве. Это неравновесие должно вращать колесо двигателя, а от него приводить в действие машину, выполняющую полезную работу.
Все такие двигатели можно разделить на две группы, отличающиеся видом груза — рабочего тела, К первой
группе относятся те, в которых используются грузы из твердого материала (назовем их условно «твердотельными»), ко второй — те, в которых грузом служат жидкости (назовем их «жидкостными»). Количество разных вариантов ppm в обеих группах огромно. Описывать их здесь нет смысла, так как это уже сделано многими авторами [2.1-2.6].
Мы ограничимся лишь несколькими образцами, на при
мере которых можно проследить их эволюцию и ход дискуссий о возможности получения работы.
Начнем с твердотельных двигателей. Примерами могут служить три варианта ppm, разработанные в разное время и в разных местах. Итальянский инженер Мариано ди Жакопо из Сиены (недалеко от Флоренции) в рукописи, датируемой 1438 г., описал двигатель, повторяющий по существу идею д’Синекура, однако здесь дана уже четкая конструктивная проработка (рис. 1.5). Грузы, представляющие собой толстые
прямоугольные пластины,
Рис. 1.5. Двигатель Мариано ди Жа- закреплены так, ЧТО МО- копогуг откидываться только
в одну сторону. Число их нечетно; поэтому слева при любом положении колеса всегда будет больше пластин, чем справа (в данном случае 6 против 5). Это и должно вы
звать непрерывное вращение колеса в направлении против часовой стрелки.
Англичанин Эдуард Соммерсет, тоже разработавший механический ppm в виде колеса с твердыми грузами и в 1620 г. построивший его, принадлежал, в отличие от своих предшественников, к самым аристократическим кругам общества. Он носил титул маркиза Вустерширского и был придворным короля Карла I. Это не мешало ему серьезно заниматься механикой и разными техническими проектами. Эксперимент по созданию двигателя был по-
ставлен с размахом. Мастера изготовили колесо диаметром 14 футов (около 4 м); по его периметру были размещены 14 грузов по 50 фунтов (около 25 кг) каждый. Испытание машины в лондонском Тауэре прошло с блеском и вызвало восторг у присутствующих, среди которых были такие авторитеты, как сам король, герцог Ричмондский и герцог Гамильтон, К сожалению, чертежи этого ppm до нас не дошли, так же как и технический отчет об этом испытании; поэтому установть, как оно проходило по существу, нельзя. Известно только, что в дальнейшем маркиз этим двигателем больше не занимался, а перешел к другим про
ектам.
Александре Капра из Кремоны (Италия) описал еще один вариант ppm в виде колеса с грузами. Из рис. 1.6 видно, что двигатель представлял собой колесо с 18 расположенными по окружности равными грузами. Каждый рычаг, на котором закреплен груз, снабжен опорной деталью, установленной под углом 90° к рычагу. Поэтому грузы на левой стороне колеса, находящиеся по горизонтали на большем расстоянии от оси, чем справа, должны всегда по
Рис. 1.6. Двигатель Александре КапраРис. 1.6. Двигатель Александре Каправорачивать его по часовой
Рис. 1.6. Двигатель Александре Капра
Рис. 1.6. Двигатель Александре Капра
стрелке и заставлять непрерывно вращаться.
Заманчивая идея исполь-
зовать силу тяжести для создания простого и надежного двигателя оказалась чрезвычайно живучей. Может показаться невероятным, но она не потеряла привлекательности для изобретателей и благополучно дожила до XX века. Как пример, можно привести такой «двигатель, использующий силу тяжести», запатентованный во Франции в 1972 г. неким Ж.Леландэ (патент № 2.102.884, класс F 03, 3/00). Его изобретение не только по идее, но и по конструкции точно повторяет «двигатель» Александре Капра, показанный на рис. 1.6. Разница состоит только в том,
что грузы представляют собой не шары, а прямоугольные бруски, и подвешены не прямо к колесу, а на висящей на нем цепи.
В официальном описании изобретения сказано «двигатель вырабатывает энергию... снимаемую с его оси без всякого расхода топлива или толчка извне... Автоматическая система «цепь-грузы» надета на зубчатое колесо, вращающееся в подшипнике»... Описание заканчивается так. «Энергия, вырабатываемая патентуемым двигателем, может заменить дорогостоящую энергию, вырабатываемую сложными двигателями, использующими дорогое топливо, энергию тепловых и атомных электростанций, гидростанций». Из этого описания видно сразу, что изобретение сделано в наше просвещенное время, а не в каком-то мрачном средневековье, когда электростанций вообще не было!
Однако для дальнейшего разбора таких «гравитационных двигателей» нужно вернуться к старым временам и вспомнить машины с жидкими грузами.
Жидкостные механические двигатели (с жидкими грузами) принципиально ничем не отличаются от описанных твердотельных. Разница состоит только в том, что вместо перемещающихся относительно колеса грузов используется жидкость, переливающаяся при его вращении так, чтобы ее центр тяжести перемещался в нужном направлении.
Все такие двигатели в разных видах развивали идею уже упоминавшегося индийца Бхаскара (1150 г.). По описанию можно представить лишь принципиальную схему двигателя [2.6] так, как она показана на рис. 1.7. На окружности колеса под определенным углом к его радиусам закреплены на равных расстояниях замкнутые трубки, заполненные тяжелой жидкостью — ртутью. В зависимости от положения колеса жидкость переливается либо во внешнюю, либо во внутреннюю часть каждой трубки, создавая таким образом разницу веса правой и левой частей колеса.
Не вдаваясь в подробности1, Бхаскара пишет: «...наполненное таким образом колесо, будучи насажено на ось, лежащую на двух неподвижных опорах, непрерывно само по себе вращается».
Историки отмечают, что древнеиндийские ученые, как правило, не прибегали к подробным доказательствам, рассчитывая, по-видимому, на достаточно сообразительного читателя. Они просто давали схему и писали: «Смотри».
Все последующие проекты механических ppm как с жидкими, так и с твердыми грузами в сущности повторяли ту же идею: создать так или иначе постоянный перевес одной стороны колеса над другой и тем заставить его непрерывно вращаться. Можно было вместо одного колеса использовать несколько связанных между собой колес, как в проекте Вильгельма Шретера (1664 г.); можно было сделать грузы в виде перекатывающихся шаров или роликов или тяжелого ремня. Все они и множество других проектов описаны в литературе [2.3-2.6].
Рис. 1.7. Принципиальная схема двигателя БхаскараРис. 1.7. Принципиальная схема двигателя БхаскараБыла даже идея заставить ко
Рис. 1.7. Принципиальная схема двигателя Бхаскара
Рис. 1.7. Принципиальная схема двигателя Бхаскара
лесо катиться, сделав его в виде барабана, разделенного вертикальной перегородкой (рис. 1.8). По обе ее стороны должны были быть залиты две жидкости разной плотности (например, вода и ртуть). Автор этой идеи Клеменс Септимус был учеником Галилея (правда, ничем не прославившимся). Описание этого двигателя помещено в книге известного физика Джиованни Альфонсо Борелли (1608— 1679 гг.), члена Флорентийской академии. Любопытно, что в комментариях Борелли доказывал неработоспособность этого двигателя. Он считал, что нет никаких причин, чтобы барабан Септимуса катился; если бы он и сдвинулся, то достиг бы положения равновесия и остановился. Основанием для такого утверждения служила мысль о том, что сила тяжести, действующая одинаково на все части устройства, не может стать причиной постоянного нарушения равновесия. Сила тяжести не может производить работу, передаваемую какой-либо машине, которая ее использует.
Очевидно, что Борелли уже хорошо понимал, что силы тяготения не могут производить работу, если тело нахо-
дится на горизонтальной плоскости и его центр тяжести не опускается.
Средневековая идея применения для создания двигателя сил тяжести, которую отвергал еще Борелли, не исчезла со временем; она дожила до XX в. и была использована в самом передовом направлении техники — для космических полетов. Правда, это произошло в фантастическом романе Г. Уэллса «Первые люди на Луне» (1901 г.). Его герой Кэйвор изобрел необычайный материал — «кэйворит», сделанный из «сложного сплава металлов и какого-то нового элемента — кажется, гелия». Этот материал был непроницаем для тяготения. «Какие чудеса, какой переворот во всем!» —восклицает другой герой книги — Бэдфорд. «Например, для поднятия тяжести, даже самой громадной, достаточно было бы подложить под нее лист нового вещества и ее можно было бы поднять соломинкой».
Нетрудно представить себе, что самое обыкновенное колесо, даже без хитрых грузов, стало бы само вращаться со страшной скоростью, если бы под одну его половину положить лист «кэйворита». Половина его, сохранившая вес, всегда перетягивала бы другую, ставшую невесомой; средневековая идея ppm была бы легко реализована.
Кэйвор и Бэдфорд использовали «кэйворит» для полета на луну. Такой же материал под названием «лунит» был применен коротышками — героями известного романа-сказки Н. Носова «Незнайка на луне», чтобы улететь с луны на землю. Но коротышки пошли еще дальше — нашли другой материал — «антилунит», нейтрализовавший действие первого!
Д. Борелли не был пер-
Рис. 1.8. Катящийся вечный двигатель, описанный Д. БореллиРис. 1.8. Катящийся вечный двигатель, описанный Д. Борелливым, кто отвергал уже в то время возможность создания механического ppm, основанного на использовании сил тяжести. Его позиция отражала более общую тенденцию. Пока изобретатели механических ppm ломали головы над очередными вариантами своих машин, постепенно развивалась механика (и не без их помощи оттачивала свои положения в дискуссиях с ними). Она вырабатывала новые пред
Рис. 1.8. Катящийся вечный двигатель, описанный Д. Борелли
Рис. 1.8. Катящийся вечный двигатель, описанный Д. Борелли
ставления, которые шли дальше античной механики и позволяли количественно точно определить результат одновременного действия на тело нескольких сил. Тем самым новая наука подрывала «под корень» идейную базу механических ppm. Действительно, если выработано четкое
правило, как подсчитать результат действия сил, прилагаемых к колесу (или колесам) ppm, то всегда легко определить, будет колесо в равновесии или нет. В первом случае двигатель работать не сможет. Если же, напротив, будет доказано, что неравновесие будет существовать постоянно, то ppm «может жить». Дело, таким образом, сводилось к установлению соответствующего закона механики (точнее, ее раздела — статики).
Первый шаг в этом направлении сделал, по-видимому, великий Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). В рукописи 1515 г. он ввел понятие,
которое теперь называется в механике «статическим моментом силы». Со времен Архимеда был известен закон, который определял условия равновесия прямого рычага. Он составлял содержание VI теоремы Архимеда из сочинения по механике: «Два соизмеримых груза находятся в равновесии, если они обратно пропорциональны плечам, на которые эти грузы подвешены». Другими словами (рис. 1.9, а), если силу тяжести (т. е. силу, с которой грузы притягиваются к земле) изобразить в виде отрезков А и В соответствующих направлений и длины, то условие равновесия будет таким: А : В = ОЬ : Оа,
Рис. 1.9. Схема, иллюстрирующая развитие Леонардо да Винчи VI теоремы Архимеда: а — прямой рычаг; б — ломаный рычагРис. 1.9. Схема, иллюстрирующая развитие Леонардо да Винчи VI теоремы Архимеда: а — прямой рычаг; б — ломаный рычагили, что то же самое (следует из свойств пропорции), А • Оа = В • ОЬ.
Рис. 1.9. Схема, иллюстрирующая развитие Леонардо да Винчи VI теоремы Архимеда: а — прямой рычаг; б — ломаный рычаг
Рис. 1.9. Схема, иллюстрирующая развитие Леонардо да Винчи VI теоремы Архимеда: а — прямой рычаг; б — ломаный рычаг
Таким образом, условие равновесия рычага может быть выражено и так: «Произведения веса каждого груза на дли
ну того плеча рычага, на котором он подвешен, должны быть равны».
При всей его важности закон рычага Архимеда не мог быть использован для анализа равновесия любого колеса механического ppm, работающего с твердыми или жид-
кими грузами. Дело в том, что для такого анализа нужно было уметь определять равновесие и для случая, когда сила веса груза направлена не под прямым углом к рычагу, как у Архимеда, а под любым углом — острым или тупым. Действительно, стоит посмотреть на рис. 1.3 или 1.6, чтобы
увидеть, что сила тяжести направлена под самыми разными углами к соответствующим радиусам колеса. Выделим для примера два груза: один (В) расположен выше оси колеса,
а другой (А) ниже (рис. 1.9, б). Как решить задачу в этом, более общем случае?
примерах (соответствующиепримерах (соответствующиеРис. 1.10. Рисунки Леонардо да Винчи,Рис. 1.10. Рисунки Леонардо да Винчи,относящиеся к равновесию рычагаотносящиеся к равновесию рычагаЛеонардо нашел такое решение, он показал его на двух
примерах (соответствующие
примерах (соответствующие
Рис. 1.10. Рисунки Леонардо да Винчи,
Рис. 1.10. Рисунки Леонардо да Винчи,
относящиеся к равновесию рычага
относящиеся к равновесию рычага
рисунки из его рукописи показаны на рис. 1.10).
Относящийся к левому рисунку текст предельно ясен: «Пусть АТ — рычаг, вращающийся вокруг точки А. Груз О подвешен в точке Т. Сила N уравновешивает груз О. Проведем
линии: АВ перпендикулярно ВО и АС перпен-
дикулярно СТ. Я называю АТ действительным
рычагом, АВ и АС — «потенциальным рычагом». Существует пропорция N : О = АВ : АС».
Очевидно, что это соотношение может быть переписано так: О • АВ = N • АС. Другими словами, для равновесия ломаного рычага нужно, чтобы произведения сил на соответствующие «потенциальные рычаги» были равны. Эти «потенциальные рычаги» есть не что иное, как проекции рычага АТ на соответствующие оси, перпендикуляр
ные направлению сил, т. е., говоря по-современному, на «плечо силы». Условие равновесия состоит в равенстве статических моментов сил, т.е. произведений сил на проекции плечей рычага на оси, перпендикулярные направлению этих сил.
Аналогичное соотношение было выведено Леонардо для случая, показанного на правом рисунке. Здесь F : М = АС : АМ. Из него тоже вытекает равенство моментов сил: F • АМ = М • АС.
Вернемся к примеру, показанному на рис. 1.9, б. Пользуясь условием Леонардо, получаем, что равновесие насту-
пит при соблюдении равенства Л • аЮ = В • ЪЮ. Для проверки возможностей любого механического ppm нужно сложить все моменты сил (грузов), расположенных справа от оси О, и то же проделать с грузами, расположенными слева. Первые стремятся повернуть колесо по часовой стрелке, вторые — против. Если общая сумма моментов будет равна нулю (так как их знаки противоположны), то колесо не двинется — наступит равновесие.
Таким путем легко показать, что несмотря на все ухищрения, сумма моментов сил у всех механических ppm равна нулю. Леонардо понимал это очень четко. Стоит только вспомнить слова из одной его записи по поводу ppm: «Искатели вечного движения, какое количество пустейших замыслов пустили вы в мир!»
К сожалению, записи Леонардо остались неизвестными ни его современникам, ни ближайшим потомкам. Только с конца XVIII в. началась планомерная расшифровка его тетрадей.
Задачу создания теории, позволяющей научно подойти к анализу механических ppm и ответить на вопрос об их работоспособности, решил англичанин Джон Уилкинс, епископ Честерский (1599-1658 гг.). Его работа была вполне самостоятельна, поскольку ему не были известны результаты Леонардо, полученные более чем на столетие раньше.
Уилкинс опубликовал свою теорию в книге «Математическая магия», вышедшей в 1648 г. на английском (а не на латинском!) языке. В ней совершенно четко говорится о статическом моменте силы — одном из основополагающих понятий статики.
Изобретатели механических ppm с грузами, основываясь на известном архимедовом законе рычага, полагали, что чем дальше от центра колеса находится груз, тем он сильнее должен поворачивать колесо. Это правило действительно верно, но только для горизонтального рычага (именно его рассматривал Архимед). Распространять его на все грузы, независимо от их расположения на окружности колеса, неверно. Уилкинс наглядно это показал. Ход его мыслей легко проследить с помощью рис. 1.11, на котором изображена схема колеса с центром в точке А. Горизонтальный диаметр DC колеса разделен на 10 равных частей, и через соответствующие точки проведены концентрические окружности с центром в точке А. В разных точках окружностей расположены одинаковые по весу грузы, характер движения которых надо определить. Если грузы
расположены на горизонтальном диаметре, задача решается просто — на основе правила Архимеда. Например, груз в 1 фунт в точке С
Рис. 1.11. Схема Уилкинса для вывода закона равновесия грузов, рас- полоенных на разных расстояниях от центра колесаРис. 1.11. Схема Уилкинса для вывода закона равновесия грузов, рас- полоенных на разных расстояниях от центра колесадругой. Очевидно, что грузыдругой. Очевидно, что грузыуравновесит 5 фунтов в В, поскольку плечо АС в 5 раз длиннее плеча АВ. Уилкинс отмечает, что это соотношение останется в силе, даже если груз будет в точке Е или F, лишь бы они были на той же вертикали, что и С. Другая ситуация возникнет, когда грузы будут находиться не на горизонтальном диаметре, а выше или ниже его, как, например, грузы G, Н или I, К. Уилкинс правильно понял, что в этом случае сила, с которой они будут стремиться вращать колесо в соответствующую сторону, будет I, К вообще в этом отно-
Рис. 1.11. Схема Уилкинса для вывода закона равновесия грузов, рас- полоенных на разных расстояниях от центра колеса
Рис. 1.11. Схема Уилкинса для вывода закона равновесия грузов, рас- полоенных на разных расстояниях от центра колеса
другой. Очевидно, что грузы
другой. Очевидно, что грузы
шении бесполезны, а грузы G и Н потеряют часть своей силы. Чтобы определить действие каждого из них, нужно
умножить его вес на длину того отрезка горизонтального диаметра, который находится между точкой А и вертикальной линией, проходящей через точку привеса груза. Для грузов G или Н это будет точка М.
Таким образом, Уилкинс показал, что воздействие груза, вращающего колесо, определяется произведением силы (в данном случае — веса груза) на плечо (в данном случае — отрезок горизонтального радиуса до пересечения с вертикалью, проходящей через центр груза). Равенство всех таких произведений — моментов сил, действующих на колесо, обусловит его равновесие; неравенство — постоянное вращение. Остается только показать, что в любом из механических ppm такое равенство всегда соблюдается, и невозможность их действия доказана.
Уилкинс, правда, не ввел термина «момент силы», но от этого дело не меняется: важнейший закон статики был установлен. Работа Уилкинса помогла в дальнейшем механикам выдвинуть положения, которые вплотную подвели
Рис. 1.12. Вечный двигатель с «неуравновешанным ремнем»Рис. 1.12. Вечный двигатель с «неуравновешанным ремнем»их к закону сохранения энергии и окончательно похоронили идею ррт-1. Но до этого было еще далеко.
Рис. 1.12. Вечный двигатель с «неуравновешанным ремнем»
Рис. 1.12. Вечный двигатель с «неуравновешанным ремнем»
Однако тучи над ppm сгущались не только со стороны теории. Неудачи с практической реализацией самых разных моделей тоже постепенно делали свое дело. Поэтому у некоторых (правда, очень немногих) изобретателей появлялось разочарование в идее ppm. Нашелся и достаточно мужественный человек, чтобы признаться не только самому себе, но и другим в бесполезности своей многолетней работы над такими машинами. Это был немец Иоганн Иоахим Бехер, который создал довольно сложный «физикомеханический» ppm для привода часового механизма. Идея двигателя та же, что и других, описанных ранее, — движение перекатывающихся шаров — грузов, которые должны были приводить в движение систему взаимосвязанных шестерен и рычагов. Работа шла столь успешно, что курфюрст г. Майнца приказал воздвигнуть специальную каменную башню для размещения часов
с двигателем Бехера. (Было это в 1660 г., почти в то же время, когда вышла книга Уилкинса.) Однако в дальнейшем это устройство не оправдало возлагавшихся на него надежд.
Бехер подвел итоги своей работы такими словами: «Десять лет я занимался этим безумием, потеряв кучу времени, денег и погубив свое доброе имя и славную репутацию — все это лишь для того, чтобы сегодня с полной убежденностью сказать: вечное движение — неосуществимо». Это признание осталось, к сожалению, неизвестным многочисленным изобретателям ppm.
Вопрос о несостоятельности механических ppm с колесами и грузами был теоретически решен, хотя еще долгое время его понимание не стало общим достоянием. Но метод Уилкинса не мог непосредственно помочь при спорах о другом варианте механического ppm, например таком, который показан на рис. 1.12, где ремень (или цепь с грузами) с одной стороны тяжелее, чем с другой. Должна ли «работать» эта разница в весе или нет?
Теорию, которая позволила решить этот вопрос, разработал еще раньше замечательный голландский математик, механик и инженер Симон Стевин (1548-1620 гг.). Эта теория относится к равновесию тел, находящихся на наклонной плоскости, но выводы из нее имеют и более общее значение. Самое интересное в ходе рассуждений Стевина то, что он даже не считает необходимым доказывать невозможность создания ppm; он считает это истиной, не требующей доказательства, — аксиомой. Такую четкую позицию занимал до Стевина только Леонардо да Винчи.
Рисунок, относящийся к теории равновесия тел на наклонной плоскости, Стевин счел настолько важным, что вынес его на титульную страницу своего трактата «О равновесии тел», изданного в Лейдене (1586 г.). На рисунке Стевина (он воспроизведен на рис. 1.13) показана трехгранная призма, грани которой имеют разную ширину. Самая широкая грань установлена горизонтально, ниже других. Две другие, наклонные, сделаны так, что правая имеет ширину вдвое меньшую, чем левая. На призму накинута замкнутая цепь с 14 тяжелыми одинаковыми шарами. Рассматривая равновесие этой цепи, можно видеть (если исключить нижние восемь шаров, которые, очевидно, уравновешены), что на меньшей грани находятся два шара, а на большей — четыре. «Будет ли цепь находиться в равновесии?» — спрашивает Стевин. Если это так, то происходит чудо. Четыре шара уравновешиваются двумя!
«Не будь это так, — пишет он, — ряд шаров должен был бы (придя в движение) занять то же положение, что и раньше. По той же причине восемь левых шаров должны были бы, как более тяжелые, чем шесть правых, опускаться вниз, а шесть — подниматься вверх, так что шары совершали бы непрерывное и вечное движение».
Таким образом, возникает вопрос, ответ на который вынесен на надпись рисунка, помещенного на титульном листе: «Чудо не есть чудо» (на фламандском языке).
Рис. 1.13. Рисунок с титульной страницы трактата С.Стевина «О равновесии тел»
Стевии, исходя из невозможности вечного движения, утверждает, что никакого чуда нет и два шара совершенно «законно» уравновешивают четыре. Он выводит теорему: «Тело на наклонной плоскости удерживается в равновесии силой, которая действует в направлении наклонной плоскости и во столько меньше его веса, во сколько длина наклонной плоскости больше высоты ее».
Если взять два груза Gi и G^ (рис. 1.14, а), то условие их равновесия для данных задачи Стевина запишется так:
Gi _ ab _ 1
G^ “ Ьс “ 2
Четыре шара весят как раз вдвое больше, чем два.
Пользуясь современной терминологией, можно выразить эту теорему в более удобной форме (рис. 1.14, б): сила
Ff удерживающая груз на наклонной плоскости и равная по значению противоположно направленной силе F, стремящейся его сдвинуть, определяется (если пренебречь трением) произведением его веса G на синус угла а наклона плоскости к горизонтали:
F = Gsin а.
Если плоскость вертикальна, то а = 90° и sin а = 1, тогда F = G; если плоскость горизонтальна, то а = 0 и F = 0.
Рис. 1.14. Равновесие тел на наклонной плоскости: а — по Стевину; б — в современной трактовке
Стевин уверенно, опираясь на бесчисленные практические данные, вывел один из важнейших законов статики. Применяя этот закон к проектам ppm вроде показанного на рис. 1.12 и аналогичных ему, легко видеть, что вес наклонных частей тяжелого ремня (или грузов), висящих по диагонали, нельзя считать равным силе, с которой они поворачивают колеса двигателей. Нужно учитывать, что эта сила тем меньше, чем больше отклоняется ремень (или цепь с грузами) от вертикали. Если в каждом конкретном случае произвести соответствующий расчет, то выяснится, что силы, действующие с обеих сторон на колесо (или колеса) двигателя, будут неизбежно в точности одинаковы.
Таким образом, Уилкинс и Стевин создали научную базу, позволяющую показать нереализуемость любого механического ppm. Тем не менее отсутствие общей теории, показывающей неосуществимость любого ppm, оставляло возможности поиска как новых решений ppm, так и обоснований возможности его существования.
Это особенно чувствуется при ознакомлении с магнитными ppm. Наука о магнитах, в отличие от механики, была в самом зачаточном состоянии; поэтому и дискуссия вокруг них велась, главным образом, в общефилософском плане.
Магнитные ppm
Первым известным магнитным ppm была машина Петра Пилигрима (1269 г.), уже описанная в начале этой главы (рис. 1.4).
Новые виды магнитных вечных двигателей, появившиеся позже, основывались, так же как и первый, на аналогии между силой тяжести и силой притяжения магнита.
Такая аналогия была совершенно естественной, она подкреплялась общефилософскими соображениями; кроме того, силу притяжения магнита можно было непосредственно сравнить с силой тяжести.
Действительно, если на одну чашу весов положить кусок железа, а на другую — равную по весу гирю, то, воздействуя снизу на железо магнитом, можно определить его силу. Для этого нужно вновь уравновесить весы, добавочный груз будет равен силе притяжения магнита. Такое измерение произвел Николай Кребс (1401-1464 гг.), известный под именем Николая Кузанского (по селению Куза на Мозеле). Именно совместное действие двух тождественных сил — магнита и тяжести — служило идейной основой почти всех предложенных после Петра Пилигрима магнитных ppm.
Первым из них был двигатель, изобретенный Иоганном Теснериусом, Кельнским архиепископом конца 50-х годов XVI в. Он отдал много лет изучению всего, что связано с магнитами; это привело его к выводу, что «ни в одном случае вечное движение не достижимо никаким способом, кроме использования магнитного камня».
В сочинении о природе магнитных явлений он излагает своеобразную инструкцию для тех, кто пожелает сделать магнитный ppm, и приводит его схематическое изображение (рис. 1.15).
Перевод с латинского главной части этой инструкции опубликован в [2.4]. Этот любопытный документ заслуживает того, чтобы привести его здесь.
«Возьми вместилище из железа, вроде вогнутых стекол, снаружи украшенное различными выгравированными узорами не только ради красоты, но также ради легкости, ибо чем легче сосуд, тем лучше его можно привести в движение. Но он не должен быть при этом прозрачным, так что можно было бы видеть заключенную в нем тайну.
Рис. 1.15. Схематическое изображение магнитного ppm Иоганна Тесне- риусаРис. 1.15. Схематическое изображение магнитного ppm Иоганна Тесне- риусаНа внутренней стороне вместилища должны быть многочисленные маленькие одинаково тяжелые кусочки железа, толщиной в горошину или боб. Колесо внутри вместилища должно быть одинаково тяжело во всех своих частях. Приспособление, на котором колесо может вращаться, поставлено в середине так, что оно остается совершенно неподвижным. К нему прикрепляется серебряный штифтик В, на самой высокой точке которого находится магнит А. Когда магнитный камень таким образом приготовлен, он должен быть приведен в круглую форму; затем определяются полюсы. Потом, оставляя полюсы неподвижными, обе противоположные стороны в середине вы
Рис. 1.15. Схематическое изображение магнитного ppm Иоганна Тесне- риуса
Рис. 1.15. Схематическое изображение магнитного ppm Иоганна Тесне- риуса
пиливают на манер яйца; кроме этого те две стороны должны быть сплющены, дабы низкая часть занимала самое низкое место и, таким образом, она придет в соприкосновение со стенками вместилища, которое как бы колесо. Когда это исполнено, надевают камень на штифтик так, чтобы северный полюс был немного наклонен по направлению к железной полоске, дабы сила
действовала на нее не непосредственно, а под определенным углом.
Таким образом каждая полоска приблизится к северному полюсу и затем, когда она вследствие вращения колеса пройдет мимо северного полюса, она придет к южному, который ее отгонит прочь, и тогда она
опять притянется к северному полюсу, так что останется в движении.
Дня того чтобы колесо исполняло свою работу скорее, следует включить во вместилище маленький металлический или серебряный камешек Е такой величины, чтобы он легко помещался между двумя полосками. Когда колесо подымется вверх, камешек упадет на про
тивоположную сторону и так как движение колеса по направлению к самой низкой части вечно, то так же вечно будет падение камешка между двумя полосками, ибо он вследствие своей тяжести стремится к центру земли и самому нижнему месту...»
Создать реальную машину на основе такой «технической документации» в стиле алхимических руководств едва ли возможно; сам ученый архиепископ такой попытки, по-видимому, не предпринимал. Более того, он скорее всего не сам придумал такой двигатель, а заимствовал
его у кого-то из предшественников.
Несмотря на недостаток сведений о машине Теснери- уса, ее идея в общем ясна. Она заключается в том, что
каждая железная пластинка, закрепленная на колесе, сначала притягивалась к северному полюсу магнита А, а потом
отталкивалась в том же направлении от южного, получая таким образом два последовательных импульса в одну сторону. Затем, при повороте колеса, на ее место приходит
следующая пластинка и т.д.
Интересна роль шарика Е, который, периодически падая при вращении колеса с левой его стороны на правую,
дает, по мнению автора, дополнительные силы, помогающие его вращению. Таким образом, двигатель Теснери- уса представляет собой некий «гибрид» основного (магнитного) и вспомогательного (механического) ppm.
Никаких данных о попытках экспериментальной проверки этого устройства в литературе нет.
Еще более любопытный магнитный ppm предложил любитель науки, изобретатель и коллекционер, иезуит Анастасиус Кирхер1 (16021680 гг.). Его двигатель предельно прост. Как видно из рис. 1.16, он состоит из железного круга ABCD, на котором радиально расположены направленные наружу железные стрелы. Этот круг должен вращаться под действием четырех магнитов I, F, G, Н, расположенных на внешнем кольце.
Рис. 1.16. Магнитный ppm А. КирхераРис. 1.16. Магнитный ppm А. КирхераПочему Кирхер решил, что круг со стрелами будет вращаться, совершенно непонятно. Все предыдущие изобретатели таких кольцевых двигателей пытались создать какую-то асимметрию, чтобы вызвать силу, направленную по касательной. У Кирхера таких мыслей не возникло. Он
Рис. 1.16. Магнитный ppm А. Кирхера
Рис. 1.16. Магнитный ppm А. Кирхера
мыслит еще в совершенно схоластическом средневековом
’Он занимался и механическим ppm, доказывая теоретически на основе положения, что «меньшим грузом можно поднять больший», что такой двигатель возможен. Несмотря на не очень глубокий теоретический багаж, Кирхер был способным изобретателем. Достаточно свидетельствует об этом хотя бы тот факт, что он изобрел проекционный («волшебный») фонарь.
духе. Он даже серьезно утверждал, что притягательная сила магнита увеличится, если его поместить между двумя листьями растения Isatis Sylvatica.
МагнитМагнитОтверстие, в которое проваливается докатившийся до него шарикОтверстие, в которое проваливается докатившийся до него шарикПредполагаемое движение шарика под действием силы притяжения магнитаПредполагаемое движение шарика под действием силы притяжения магнитаПредполагаемый путьПредполагаемый путьпадения шарикападения шарикаРис. 1.17. Схема магнитного ppm, описанного в книге «Сотня изобретений» Д. УилкинсаРис. 1.17. Схема магнитного ppm, описанного в книге «Сотня изобретений» Д. УилкинсаПерекатывающийся шарикПерекатывающийся шарик
Магнит
Магнит
Отверстие, в которое проваливается докатившийся до него шарик
Отверстие, в которое проваливается докатившийся до него шарик
Предполагаемое движение шарика под действием силы притяжения магнита
Предполагаемое движение шарика под действием силы притяжения магнита
Предполагаемый путь
Предполагаемый путь
падения шарика
падения шарика
Рис. 1.17. Схема магнитного ppm, описанного в книге «Сотня изобретений» Д. Уилкинса
Рис. 1.17. Схема магнитного ppm, описанного в книге «Сотня изобретений» Д. Уилкинса
Перекатывающийся шарик
Перекатывающийся шарик
Более интересный и оригинальный магнитный ppm описал в своей книге «Сотня изобретений» (1649 г.) уже известный нам Джон Уилкинс. Схема этого двигателя представлена на рис. 1.17. К шаровому магниту, расположенному на стойке, ведут два наклонных желоба: один (А) прямой, установленный выше, и другой (Б) изогнутый, установленный ниже. Изобретатель считал, что железный шарик, помещенный на верхний желоб, покатится вверх, притягиваемый магнитом. Но так как перед магнитом в верхнем желобе сделано отверстие, шарик провалится в него, скатится по нижнему желобу и через его изогнутую часть снова выскочит наверх и двинется к магниту и т. д. до бесконечности.
Уилкинс, который, как мы уже видели, хорошо разобрался в принципиальных вопросах механических ppm, оказался на высоте и в этом случае. Закончив описание этой конструкции, он пишет: «Хотя это изобретение на первый взгляд кажется возможным, детальное обсуждение покажет его несостоятельность». Основная мысль Уилкинса в этом обсуждении сводится к тому, что если даже магнит достаточно силен, чтобы притянуть шарик от нижней точки, то он тем более не даст ему провалиться через отверстие, расположенное совсем рядом. Если же, наоборот, сила притяжения будет недостаточна, то шарик просто
не будет притягиваться. В принципе объяснение Уилкинса правильно; характерно, что он четко представляет себе, как быстро уменьшается сила притяжения магнита с увеличением расстояния до него.
Возможно, Уилкинс учел и взгляды знаменитого Уильяма Гильберта (1544-1603 гг.) — придворного врача королевы Елизаветы Английской, который тоже не поддержал идею этого двигателя.
В книге Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» (1600 г.) не только дана сводка уже известных к тому времени сведений о магнетизме, но и описаны новые результаты, полученные в многочисленных экспериментах.
В предисловии к книге Гильберт писал: «В открытии тайн и исследовании скрытых причин вещей от точных опытов и доказанных положений получаются более прочные выводы, нежели от непонятных догадок и мнений рутинных философов». Как далека эта четкая позиция от рассуждений философа-архиепископа Теснериуса!
Рис. 1.18. «Усовершенствованный» магнитный ppm XX в.Рис. 1.18. «Усовершенствованный» магнитный ppm XX в.катится внизкатится вниз
Рис. 1.18. «Усовершенствованный» магнитный ppm XX в.
Рис. 1.18. «Усовершенствованный» магнитный ppm XX в.
катится вниз
катится вниз
В XX в. была все же найдена возможность осуществить устройство с шариком, «вечно» бегущим по двум желобам, в точности соответствующее по внешнему виду магнитному ppm, описанному Уилкинсом. Такой «усовершенствованный» двигатель показан на рис. 1.18. Верхний желоб изготовляется из двух электрически изолированных одна от другой металлических полос, а вместо постоянного магнита на стойке устанавливается электромагнит. Обмотка электромагнита присоединена
к аккумулятору или другому источнику электропитания так, чтобы цепь замыкалась через железный шарик, когда он находится на верхнем желобе, касаясь обеих его полос. Тогда электромагнит притягивает шарик (левый рисунок). Докатившись до отверстия, шарик размыкает цепь, проваливается и скатывается по нижнему желобу (правый рисунок), возвращаясь по инерции на верхний желоб, и т. д. Если спрятать аккумулятор в стойку (или незаметно провести через нее провода для питания электромагнита извне), а сам электромагнит поместить в шаровой футляр, то можно считать, что действующий ppm готов. На тех, кто не знает (или не может отгадать) секрета, он производит большое впечатление.
Нетрудно видеть, что в такой игрушке как раз устранен тот недостаток, на который указывал Уилкинс, — возможность того, что шарик притянется к магниту и не провалится в отверстие. Магнит перестает действовать как раз в тот момент, когда шарик должен провалиться в отверстие, и снова включается тогда, когда нужно тянуть шарик вверх.
Подобных игрушек, разными способами имитирующих ppm, в последнее время придумано и изготовлено довольно много. Дальше, в гл. 5 помещен специальный раздел о псевдо-ppm, где разобраны различные устройства, принимаемые (или выдаваемые) за ppm.
Представляет интерес еще один проект магнитного ppm, предложенный неким доктором Якобусом. Как видно из рис. 1.19, это по существу полугравитационный — полумагнитный ppm. На оси СВ установлено колесо Е с накинутой на него цепью AD железных тяжелых шаров. Магнит Н, расположенный сбоку, оттягивает цепь в сторону, создавая асимметрию по отношению к оси колеса. С той его стороны, где расположен магнит, будет больше шаров, причем часть этих шаров будет дальше от оси. По всем этим причинам, как считал автор, колесо должно вращаться. Этого, естественно, не произойдет. Общее действие магнита на шары, расположенные как с одной его стороны, так и с другой, создаст, конечно, определенные моменты сил, однако они будут направлены в противоположные стороны и их сумма с учетом моментов сил притяжения всегда будет равна нулю.
В дальнейшем были предложены и многие другие магнитные ppm, в том числе и довольно замысловатые [2.12.6]; некоторые из них были построены, но их постигла та же судьба, что и остальные. Идея одного из таких построенных магнитных двигателей была выдвинута уже в конце XVIII в. Некий шотландский сапожный мастер по фамилии Спенс нашел такое вещество, которое экранировало притягивающую и отталкивающую силу магнита. Известно даже, что оно было черного цвета. С помощью этого вещества Спенс обеспечил работу двух изготовленных им магнитных ppm.
Успехи Спенса были описаны шотландским физиком Дэвидом Брюстером (1781-1868 гг.) в серьезном французском журнале «Анналы физики и химии» в 1818 г. Нашлись даже очевидцы: в статье написано, что «мистер Плейфер и капитан Кейтер осмотрели обе эти машины (они были выставлены в Эдинбурге) и выразили удовлетворение тем, что проблема вечного двигателя, наконец, решена». Вот так! Дальше, как обычно, никаких
Рис. 1.19. Гравитационно-магнитный ppm доктора ЯкобусаРис. 1.19. Гравитационно-магнитный ppm доктора Якобуса«актов о внедрении» не последовало.
Рис. 1.19. Гравитационно-магнитный ppm доктора Якобуса
Рис. 1.19. Гравитационно-магнитный ppm доктора Якобуса
Нужно отметить, что в части открытия вещества, экранирующего магнитное поле, Спенс ничего особенного не сделал и его «черный порошок» для этого не нужен. Хорошо известно, что для этого достаточно листа железа, которым можно заслонить магнитное поле. Другое дело создать таким путем ppm, поскольку для движения листа, экранирующего магнитноеполе, нужно в лучшем случае затратить столько же работы, сколько даст магнитный двигатель.
Общее количество магнитных двигателей все же было меньше, чем механических и особенно гидравлических. К последним мы и перейдем.
Гидравлические ppm
Большое внимание, которое уделяли изобретатели ppm попыткам использовать для них гидравлику, конечно, не случайно.
Хорошо известно, что гидравлические двигатели были широко распространены в средневековой Европе. Водяное колесо служило, по существу, основной базой энергетики средневекового производства вплоть до XVIII в.
В Англии, например, по земельной описи было 5000 водяных мельниц. Но водяное колесо применялось не только в мельницах; постепенно его стали использовать и для привода молота в кузницах, ворота, дробилки, воздуходувных мехов, станков, лесопильных рам и т. д. Однако «водяная энергетика» была привязана к определенным местам рек. Между тем техника требовала двигатель, который мог бы работать везде, где он нужен. Совершенно естественной поэтому была мысль о водяном двигателе не зависимом от реки. Действительно, половина дела — как использовать напор воды — была ясна. Тут накопился достаточный опыт. Оставалась другая половина дела — создать такой
напор искусственно.
Способы непрерывно подавать воду снизу вверх были известны еще с античных времен. Самым совершенным из нужных для этого устройств был архимедов винт. Если соединить такой насос с водяным колесом, цикл замкнется. Надо только для начала залить водой бассейн наверху. Вода, стекая из него, будет крутить колесо, а насос, приводимый от него, снова подаст воду вверх. Таким образом, получается гидравлический двигатель, работающий, так сказать, «на самообслуживании». Никакой реки ему не нужно; он сам создаст необходимый напор и одновременно приведет в движение мельницу или станок.
Рис. 1.20. Эскиз гидравлического ppm из тетрадей Леонардо да ВинчиРис. 1.20. Эскиз гидравлического ppm из тетрадей Леонардо да ВинчиДля инженера того времени, когда понятия об энергии и законе ее сохранения еще не было, в такой идее не было ничего странного. Множество изобретателей работало, пытаясь воплотить ее в жизнь. Только некоторые великие умы понимали, что это невозможно; и одним из первых среди них был универсальный гений — Леонардо да Винчи. В
Рис. 1.20. Эскиз гидравлического ppm из тетрадей Леонардо да Винчи
Рис. 1.20. Эскиз гидравлического ppm из тетрадей Леонардо да Винчи
его тетрадях был найден эскиз гидравлического ppm (рис. 1.20). Горизонтальная линия внизу рисунка показывает уровень в резервуаре, из которого машина берет воду. Машина состоит из двух связанных между собой вращающихся устройств А и В, между которыми установлена чаша,
заполняемая водой. Устройство А представляет собой архимедов винт, подающий воду из нижнего резервуара в чашу. Устройство В вращается, приводимое в движение водой, сливающейся из чаши, и крутит насос А — архимедов винт; отработавшая вода сливается снова в резервуар.
Леонардо вместо известного в то время водяного насоса употребил водяную турбину, сделав мимоходом одно из своих изобретений. Эта турбина В — обращенный насос — архимедов винт. Леонардо понял, что если лить на него воду, то он будет вращаться сам, превратившись из водяного насоса в турбину.
В отличие от современных ему и будущих изобретателей гидравлических ppm такого типа (водяной двигатель + водяной насос) Леонардо знал, что он работать не сможет. Воду, в которой нет разности уровней, он назвал очень образно и точно «мертвой водой» (aqua morta). Он понимал, что падающая вода может в идеальном случае поднять то же количество воды на прежний уровень и только; никакой дополнительной работы она произвести не может. Для реальных условий проведенные им же исследования трения дали основания считать, что и этого не будет, так как «от усилия машины надо отнять то, что теряется от трения в опорах». И Леонардо выносит окончательный приговор: «невозможно привести мельницы в движение посредством мертвой воды».
Эта идея о невозможности получения работы «из ничего» (например, «мертвой воды») была развита потом Р. Декартом и другими мыслителями; в конечном итоге она привела к установлению всеобщего закона сохранения энергии. Но все это произошло намного позже. Пока же изобретатели гидравлических ppm разрабатывали все новые их варианты, объясняя каждый раз свои неудачи теми или иными частными недоработками.
Классическим примером гидравлического ppm может служить машина, показанная на рис. 1.21. Более сложный вариант такого двигателя (рис. 1.22), используемого в практических целях, взят из книги Г. Беккера «Новый театр машин» изданной в Нюренберге (1661). Этот двигатель, предназначенный для вращения точильного камня, был предложен итальянцем Якобом де Страда в 1575 г. (по другим источникам — в 1629 г.). Из нижнего водоема S винтовой насос О шестерней, приводимой в движение от зубчатого колеса R, перекачивает воду в верхний лоток. Отсюда она сливается на колесо С, приводящее через вал
D в движение точильный камень. Через сложную систему передач (червяк и зубчатые колеса Е, G, L и R) колесо С приводит в движение и насос О. Для равномерности движения на вертикальном валу установлен маховик К.
Рис. 1.21. «Типовой» гидравлический двигатель
Автор настолько уверен, что в поток А вода подается с избытком и ее хватит на все нужды, что через трубку Р сливает часть ее на смачивание точильного камня, у которого работает мастер. Здесь сделано все, что может предусмотреть опытный конструктор. Но в машине, которую он назвал «искусство верчения и кручения с двойной передачей», не учтено только одно обстоятельство: насос никогда не сможет поднять наверх столько воды, сколько нужно для рабочего колеса. Опыт каждый раз именно это и показывал.
Одно из ухищрений, призванных обойти трудности, состояло в том, чтобы заставить воду подниматься (и сливаться) в меньшем перепаде высот. Для этого предусматривалась каскадная система из нескольких последовательно соединенных насосов и рабочих колес. Такая машина, описанная в книге уже известного нам Д. Уилкинса, показана на рис. 1.23. Подъем воды осуществляется винтовым насосом, состоящим из наклонной трубы АВ, в которой вращается ротор LM, показанный внизу отдельно. Он при-
Рис. 1.22. Гидравлический двигатель для привода точильного камня
водится в движение тремя рабочими колесами Н, /, К, вода на которые подается из трех расположенных каскадом сосудов Е, F, G. В оценке этого двигателя Уилкинс, как и в описанных ранее случаях, оказался на высоте. Он не только отверг этот двигатель из общих соображений, но даже подсчитал, что для вращения спирали «нужно втрое больше воды для вращения, чем то количество, которое она подает наверх».
Отметим, что Уилкинс, как и многие его современники, начал заниматься механикой и гидравликой с попыток изобрести вечный двигатель. Еще один пример стимулирующего действия ррш-1 на науку того времени!
«В первый раз, когда я подумал об этом изобретении, я с трудом удержался от того, чтобы подобно Архимеду не закричать «эврика».
Рис. 1.23. Трехступенчатый каскадный гидравлический ppm с одним архимедовым винтом
Казалось, что, наконец, найдено легкое средство реализовать вечный двигатель», — писал он в 1684 г., вспоминая свои попытки создать гидравлический ppm из водяного колеса и винта Архимеда для подъема воды. Однако под влиянием экспериментальных неудач он нашел в себе силы провести теоретический анализ и перейти от беспочвенных фантазий к научному анализу.
Уилкинс дал первую классификацию способов построения вечных двигателей:
с помощью химической экстракции (эти проекты до нас не дошли);
с помощью свойств магнита;
с помощью сил тяжести.
Гидравлические ppm он относил (и совершенно правильно) к третьей группе.
В итоге Уилкинс написал четко и однозначно: «Я пришел к выводу, что это устройство не способно работать». Этот любитель науки — епископ — дал в XVII в. достойный пример того, как надо
преодолевать заблуждения и находить истину. Если бы ему следовали дипломированные изобретатели ppm XX в.!
Среди других гидравлических ppm следует отметить машину польского иезуита Станислава Сольского, который для приведения в движение рабочего колеса использовал ведро с водой. В верхней точке насос наполнял ведро, оно опускалось, вращая колесо, в нижней точке опрокидывалось и пустое поднималось вверх; затем процесс повторялся. Королю Казимиру эта машина, которую патер демонстрировал в Варшаве (1661 г.), очень понравилась. Однако даже светские успехи титулованных изобретателей не могли скрыть того факта, что гидравлические ppm системы «насос — водяное колесо» на практике не работали. Нужны были новые идеи, используя которые, можно было бы поднять воду с нижнего уровня на верхний без затраты работы, не применяя механический насос. И такие идеи появились — как на основе использования уже известных явлений, так и в связи с новыми физическими открытиями.
Первая из идей, о которой нужно вспомнить, — использование сифона. Это устройство, известное еще с античных времен (оно упоминается у Герона Александрийского), использовалось для переливания воды или масла из сосуда, расположенного выше, в другой, расположенный ниже (рис. 1.24, а\ Преимущество такого простого устройства, используемого и до сих пор, заключается в том, что можно отбирать жидкость из верхнего сосуда сверху, не делая отверстия в его дне или стенке. Единственное условие работы сифона — полное предварительное заполнение трубки жидкостью. Поскольку между верхним и нижним сосудами существует разность уровней, высота столба жидкости в длинном колене трубки больше, чем в коротком, на величину Н. Естественно, что жидкость будет самотеком переливаться из верхнего сосуда в нижний.
Возникает вопрос — как же можно использовать сифон для подъема воды, если его назначение обратное — слив воды? Однако именно такая парадоксальная идея была выдвинута около 1600 г. и описана в книге «Новый театр машин и сооружений» (1607 г.) городским архитектором Падуи (Италия) Витторио Зойка. Она заключалась в том, чтобы сделать верхнее, короткое колено сифона толще — больше по диаметру (D ^> d), как показано на рис. 1.24, б. В этом случае, считал Зойка, вода в левом, толстом колене, несмотря на его меньшую, высоту перевесит воду в тонком колене и сифон потянет ее в противоположном
Рис. 1.24. Принцип действия сифонного гидравлического ppm: а — обычный сифон; б — «обратный» сифон с расширенным верхним коленом
направлении — из нижнего сосуда в верхний. Он писал: «Сила, которая проявляется в толстом колене, будет тянуть то, что входит через более узкое колено». На этом принципе и должен был работать ppm Зонки, показанный на рис. 1.25. Сифон забирал воду из, нижнего водоема справа в узкую трубу (правое колено сифона); вода из широкой трубы (левое колено сифона) сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало мельничный жернов.
Эта оригинальная машина, естественно, работать не смогла, так как по законам гидравлики направление движения жидкости в сифоне зависит только от высот столбов жидкости и не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки об этом четкого представления у практиков не было, хотя уже в работах Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он продемонстрировал (1586 г.) «гидростатический парадокс» — давление в жидкости зависит только от высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и более широко поставлены Блезом Паскалем (1623-1662 гг.). Но и они не были поняты многими инженерами и уче-
ными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем
больше давление содержащейся в нем жидкости. Жертвами подобных заблуждений
были иногда даже люди, работавшие на самом переднем крае современной им науки и техники. Примером может служить сам Дени Папин (1647-1714 гг.) — изобретатель не только «папйнова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а главное — первых паровых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил зависимость давления пара от температуры и показал, как получать
Рис. 1.25. Сифонный гидравлический ppm В. Зонки для привода мельницыРис. 1.25. Сифонный гидравлический ppm В. Зонки для привода мельницына ее основе и вакуум,
Рис. 1.25. Сифонный гидравлический ppm В. Зонки для привода мельницы
Рис. 1.25. Сифонный гидравлический ppm В. Зонки для привода мельницы
и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с Лейбницем1 и другими
крупными учеными своего времени, состоял членом английского Королевского общества и Академии наук в Неаполе. И вот такой человек, который по праву считается крупным физиком и одним из основоположников современной теплоэнергетики (как создатель парового двигателя), работает и над вечным двигателем! Мало этого, он предлагает такой ppm, ошибочность принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).
Идея ppm Папина очень проста — это по существу перевернутая «вверх ногами» труба Зонки (рис. 1.26). Поскольку в широкой части сосуда вес воды больше, его сила должна превосходить силу веса узкого столба воды в тонкой трубе С. Поэтому вода будет постоянно сливаться из
который и подсказал Д. Папину идею сочетания поршня с цилиндром.
конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю водяное колесо и ppm готов!
1.26.1.26.Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в тонкой трубке установится на том же уровне, что и в толстой, как в любых сообщающихся сосудах (как в правой части рис. 1.26).
1.26.
1.26.
Рис.Рис.Судьба этой идеи Папина была той же, что и других вари-
Рис.
Рис.
Модель гидравли- антов гидравлических ppm. Ав- ческого ppm Д. Папина ТОр к ней больше никогда не возвращался, занявшись более по-
лезным делом — паровой машиной.
История с изобретением Д. Папином наталкивает на вопрос, постоянно возникающий при изучении истории ppm: чем объяснить поразительную слепоту и странный образ действий многих весьма образованных и, главное, талантливых людей, возникающие каждый раз, как только дело касается изобретения ppm?
Мы вернемся к этому вопросу в дальнейшем. Если же продолжить разговор о Папине, то непонятно и другое. Мало того, что он не учитывает уже известные законы гидравлики. Ведь в это время он был на должности «временного куратора опытов» при Лондонском королевском обществе. Папин мог при своих экспериментальных навыках легко проверить предложенную им идею ppm (так же, как он проверял другие свои предложения). Такой эксперимент легко поставить за полчаса, даже не располагая возможностями «куратора опытов». Он этого не сделал и почему-то отправил статью в журнал, ничего не проверив. Парадокс: выдающийся ученый-экспериментатор и теоретик публикует проект, противоречащий уже утвердившейся теории и не проверенный экспериментально! Этот пример — не единственный. Далее, вплоть до нашего времени, мы будем встречаться с не менее парадоксальными случаями в том же роде.
В дальнейшем было предложено еще много гидравлических ppm и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и фитильных (что, собственно, одно и то же) [2.4-2.6]. В них предлагалось жидкость (воду или масло) поднимать из нижнего сосуда в верхний по смачиваемому капилляру или фитилю. Действительно, поднять жидкость на определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с фитиля (или капилляра) в верхний сосуд.
В заключение этого параграфа рассмотрим еще один, весьма оригинальный ppm, предложенный не менее выдающимся человеком, чем Д. Папин, — математиком Иоганном Бернулли (1667-1748 гг.), одним из трех знаменитых ученых, принадлежавших к этой фамилии.
Идея двигателя осно
Рис. 1.27. Осмотический ppm Иоганна Бернулли: а — равновесие; б — перетекание жидкости; 1 — вода; 2 — перегородка (мембрана);Рис. 1.27. Осмотический ppm Иоганна Бернулли: а — равновесие; б — перетекание жидкости; 1 — вода; 2 — перегородка (мембрана);вана на использовании явления осмоса. Осмос (по-гречески «толчок, давление») возникает, когда две разные жидкости разделены так называемой полупроницаемой перегородкой. Такие перегородки проницаемы для одного вещества, но не
Рис. 1.27. Осмотический ppm Иоганна Бернулли: а — равновесие; б — перетекание жидкости; 1 — вода; 2 — перегородка (мембрана);
Рис. 1.27. Осмотический ppm Иоганна Бернулли: а — равновесие; б — перетекание жидкости; 1 — вода; 2 — перегородка (мембрана);
проницаемы для другого. Они известны с очень давних времен. Животный пузырь, например, пропус-
кает воду, но не пропус- з — раствор соли кает соль или сахар. Если
собрать устройство, показанное на рис. 1.27, а, и во внутренний сосуд, погруженный в воду, налить раствор, например, соли, то вода будет просачиваться во внутренний сосуд. Уровень в трубке будет повышаться до тех пор, пока давление раствора на дне трубки не станет равным так называемому осмотическому давлению. Это давление, определенное для каждого раствора, препятствует дальнейшему проникновению воды через перегородку; в трубке устанавливается определенный уровень h. В этом и проявляется осмос. Именно он определяет разбухание семян, погру
женных в воду, подъем воды из почвы по стволам деревьев и многие другие биологические процессы.
Бернулли считал, что осмотическое давление можно использовать для непрерывного поднятия воды с нижнего уровня на верхний. Он основывался на своей теории происхождения речной воды из морской. По его мнению, соленая морская вода, проходя через слои земли, пропускающие воду (но не пропускающие соль), превращается в пресную, поднимается наверх и снова стекает в море в виде рек. Такая постоянная циркуляция воды представляла собой явный perpetuum mobile naturae, поэтому совершенно естественна была мысль создать соответствующий ppm artificae.
Таким образом, говоря современным языком, Бернулли считал верхний слой земли полупроницаемой перегородкой; но даже если бы он обладал этим свойством, то пресная вода просачивалась бы в море, а не наоборот. (Морская вода, как известно, опресняется путем испарения и попадает в реки через атмосферу в виде осадков.)
Легко показать, что осмотическое давление нельзя использовать для подъема воды в гидравлическом ppm. Сделаем так, как предлагал Бернулли: срежем трубку внутреннего сосуда на высоте hx < h (т. е. ниже того уровня h. который обеспечивается осмотическим давлением). Тогда вода действительно будет стекать с верхнего уровня на нижний (рис. 1.26,6).
Казалось бы, цель достигнута — вода будет вытекать вечно. Но радоваться рано — струя стекающей жидкости постепенно уменьшается и через некоторое время иссякает совсем. Объясняется это очень просто — ведь сливается не чистая вода, а раствор соли!
Постепенно во внутреннем сосуде раствор будет разбавляться поступающей через перегородку чистой водой, а во внешнем — засоляться. Когда концентрации раствора с обеих сторон перегородки сравняются, вся система придет в равновесие и процесс прекратится; соляной раствор станет такой же «мертвой водой», как та, о которой писал Леонардо да Винчи. Чтобы возобновился процесс осмоса, нужно раствор во внутреннем сосуде все время солить, а во внешнем, напротив, опреснять. Но тогда это уже будет не ppm, а своеобразный «солевой двигатель», который постоянно надо питать солью и пресной водой (так же, как тепловой двигатель топливом и воздухом).
Мы кратко рассмотрели историческую обстановку, определившую название и развитие идеи ppm, основные виды вечных двигателей, а также дискуссию между их сторонниками и противниками. Все это относится к тому периоду, когда представление об энергии и ее сохранении или вообще отсутствовало, или только формировалось применительно к механике. Однако это рассмотрение будет незавершенным, если в нем не отразить историю вечного двигателя Эрнста Бесслера (Орфиреуса) и связанные с ней события. Она происходила в первой половине XVIII в. и завершает, по существу, первый период истории ppm. В ней, как в зеркале, отразились технические, научные и даже психологические аспекты истории ppm; многие из них сохранили значение и до нашего времени.
Орфиреус, ppm и Петр I
История вечного двигателя Бесслера-Орфиреуса в том или ином виде приводится почти во всех книгах и статьях о ppm. Мы тоже изложим ее с некоторыми дополнениями, не столько из-за ее занимательности1, сколько из-за поучительности. Она представляет собой классический образец всего «жизненного цикла» ppm — от идеи и великих надежд через построение машины, попытки ее «довести» и заставить работать до неизбежного крушения. В этом цикле, как на сцене, проходят и очень разные люди. Здесь и главный герой — изобретатель, подававший вначале большие надежды как ученый и инженер и сделавшийся в конце концов фальсификатором и авантюристом; и большие ученые, отвергавшие «от порога» возможность создать ppm, и меньшие ученые, полагавшие, что он вполне возможен, и поддерживающие изобретателя; и его помощники и соучастники; и высокие покровители изобретателя, располагавшие денежными средствами и властью... Наконец, с этой историей связана и такая крупная личность, как император Петр I, внимательно следивший за новинками европейской науки и техники. «Россия молодая» нуждалась в двигателях для развивавшихся горных и металлургических предприятий. Естественно, что Петр заинтересовался и двигателем Орфиреуса.
Начнем с краткой биографии главного действующего лица этой истории — Эрнста Бесслера. Он родился в Германии (Саксония) в 1680 г., рано проявил выдающиеся способности и, несмотря на крестьянское происхождение, попал в гимназию. Особенный интерес он проявлял к математике и механике.
Не закончив школу, юный Эрнст пустился в странствие по германским государствам и Австро-Венгрии, весьма успешно осваивая самые разнообразные профессии — от часовщика и оружейного мастера до алхимика, астролога и
^на может служить прекрасной основой для исторической повести, пьесы и даже музыкальной комедии. Художественная литература, как и музыкальная драматургия, уделяет истории большое внимание, хотя ученые и изобретатели фигурируют в ней реже, чем заслуживают. Особенно этот упрек относится к композиторам. Только Ж. Оффенбах показал блестящий пример своей комической оперой «Доктор Оке» на сюжет научно-фантастической повести Ж. Верна.
врача. На этом извилистом пути он, как герой плутовского романа, встречается с самыми разными людьми — солдатами и мастеровыми, священниками и музыкантами, врачами и алхимиками... Судьба его складывается по- разному — то он впадает в бедность и голодает, то приобретает состояние и живет с размахом. Наконец, набравшись в странствиях опыта и знаний в разнообразных профессиях, Бесслер к тридцати годам понял, что пора остепениться и занять прочное место в обществе.
Для того чтобы сделать карьеру, для человека из низов необходимы были тогда минимум три условия: звучное имя, не напоминавшее о низком крестьянском происхождении, прочная материальная база и, наконец, плодотворная идея, разрабатывая которую, можно добиться богатства, славы и поддержки в высших аристократических кругах.
Проще всего было со звучным именем. Крестьянский сын Эрнст Бесслер превратился в ученого мужа со звонким именем Иоганн Орфиреус (Orphos — по гречески «высокий»).
Солидную материальную базу он приобрел достаточно известным способом — женитьбой на богатой наследнице. Но это не было банальной историей, а происходило достаточно романтично. В маленьком городке Аннаберге доктор Орфиреус вылечил дочь тамошнего городского врача Шумана (ставшего потом и бургомистром) и получил в награду не только ее руку и сердце, но и солидное приданое.
Выбор плодотворной идеи для того, чтобы показать себя и проявить свои возможности, определялся как духом времени, так и предыдущим отрезком биографии Бесслера — Орфиреуса. Весь XVII в. и особенно начало XVIII в. справедливо характеризуются как «золотой век» ppm. Это было время, когда своеобразно сочетались два необходимых для этого фактора. С одной стороны, нужда в универсальном, экономичном двигателе стала уже насущной потребностью общества1 и поиски его интенсивно шли во всех направлениях; с другой — закон сохранения энергии еще не сформировался и научно обоснованного общего запрета
ХВ одном английском патенте (от 9.III. 1635 г.) об этом с юридической точностью сказано: «Он (патент) относится к искусству создания машин, которые, будучи раз пущены в ход, будут идти, совершая свои движения вечно и притом без приложения какой-либо силы — человека, лошади, ветра, реки или источника и в то же время исполнять различные работы к благу и процветанию государства».
на создание ppm не было. К этому нужно прибавить все шире распространяющийся в «век просвещения» интерес к науке, проникший даже в аристократические салоны и сделавшийся своеобразной модой. Если принять все это во внимание, то станет очевидным, почему столько людей стремились отличиться именно на поприще создания ppm.
Иоганн Орфиреус имел все основания считать, что его шансы быть здесь далеко не последним достаточно велики. Он молод, энергичен, образован и, наконец, хорошо владеет разнообразными ремеслами. И Орфиреус занялся вечным двигателем.
Отметим, прежде чем пойти дальше, одно существенное обстоятельство.
Нет никаких веских доказательств того, что Бесслер с самого начала, как пишут многие авторы, был жуликом и занимался вечным двигателем только затем, чтобы делать карьеру, обманывая людей. Это предположение мало вероятно хотя бы потому, что для этого он должен был бы уже в начале карьеры быть намного впереди своей эпохи, т. е. на уровне тех немногих крупных физиков, которые уже тогда понимали невозможность реализации ppm.
Обеспечив себе условия для работы и выбрав ее направление, Бесслер-Орфиреус уже в 1712 г. построил первый образец ppm. Устройство двигателя осталось неизвестным. Немногие очевидцы утверждали разное — одни восхищались, другие сомневались. Автор через некоторое время сам уничтожил модель.
В 1715 г., переселившись с женой в Мерзебург, Орфиреус построил вторую, уже большую машину и даже представил ее «комиссии знатоков». В состав комиссии входил физик и философ Христиан Вольф (будущий учитель Ломоносова). Несмотря на то, что изобретатель не разрешил членам комиссии посмотреть ее внутреннее устройство (даже за специальную плату), комиссия выдала ему документ о том, что «его счастливо изобретенный перпетуум мобиле вращается со скоростью 50 оборотов в минуту и при этом поднимает груз весом в 40 фунтов на высоту 5 футов». Никаких сведений о том, как устроен двигатель и почему он работает, в заключении комиссии не было; его устройство осталось неизвестным. Несмотря на это (а может быть вследствие этого), X. Вольф отозвался о машине так: «нечто, достойное восхищения».
Сам Орфиреус для разъяснения дела опубликовал «Подробное описание счастливого изобретения perpetuum mo-
bile вместе с его точным изображением». Насколько «точно» это изображение, можно судить по рис. 1.28.
Рис. 1.28. «Точное изображение счастливого изобретения» Орфиреуса
Так или иначе, но цель была достигнута — шум и споры вокруг машины вызвали к ней интерес как среди «научно-технической общественности», так и широкой публики. Высказывались мнения самые разнообразные. Христиан Вагнер, адвокат и математик из Лейпцига, со свойственной его первой профессии подозрительностью утверждал, что внутри машины находится скрытый вал («вертел»), приводимый в движение извне. Примерно так же считал механик Андреас Гертнер; он предполагал, что машина приводится в движение спрятанным человеком, который тянет за веревку. Гертнер даже предложил заключить пари на 1000 талеров, что он разоблачит Орфиреуса. Другой скептик, Иоганн Барлях, даже опубликовал рисунок, где показано, как это делается (рис. 1.29). Характерно, что ни один из скептиков не сомневался, что в принципе ppm сделать можно; критиковался только данный образец машины (Гертнер сам строил вечные двигатели). Из немецких ученых только Г. Лейбниц уже тогда без оговорок отрицал возможность создания ppm.
Успех породил у Орфиреуса дух стяжательства: он прикрепил к своей машине кружку, чтобы собирать деньги с
многочисленных посетителей «для благотворительных целей». Но магистрат города Мерзебурга тоже не остался в стороне и наложил на изобретателя ежедневный налог в 6 пфеннигов, чем кровно его обидел.
Рис. 1.29. Так Иоганн Барлях представлял источник движения ppm Орфиреуса
Между тем слава Орфиреуса распространялась. В 1716 г. Карл, ландграф Гессен-Кассельский, проявлявший интерес к наукам, пригласил Орфиреуса к себе. Здесь, поселившись в графском замке Вайсенштейн и получив чин надворного советника, изобретатель начал строить третий образец своего ppm.
Через год машина была готова, и 12 ноября 1717 г. в присутствии ученой комиссии, включавшей физика из
Лейдена (Голландия) Виллема Гравезанда (1648-1742 гг.) и архитектора Эммануэля Фишера из Герлаха1, двигатель был запущен в специальном помещении, которое ландграф выделил в замке рядом с квартирой Орфиреуса. Комиссия решила проверить машину основательно — комната была опечатана на две недели. После окончания срока печать была снята и вошедший со своей свитой в комнату ландграф обнаружил, что колесо вращается с той же скоростью, что и две недели назад. Эксперимент был продолжен; комнату запечатали сначала на 40 дней, а затем еще на 60. Результат был тот же. Гравезанду, так же как и Вольфу, не было дозволено подробно осмотреть колесо; однако он рассмотрел его снаружи. Это был полый барабан 12 футов диаметром и шириной около 14 дюймов, изготовленный из деревянных реек, обтянутых проклеенным непрозрачным полотном. Барабан был насажен на толстую ось (диаметром около 6 дюймов), на концах которой находились железные наконечники длиной по 3/4 дюйма каждый, установленные в подшипниках, на которых эта ось вращалась.
Гравезанд в письме И. Ньютону (1721 г.) упоминает машину Орфиреуса как «нечто весьма удивительное, но заслуживающее дальнейшего исследования». Так или иначе, но комиссия дала положительный отзыв, поскольку «ничего снаружи колеса не способствует его движению».
Ландграф выдал изобретателю документ еще более весомый, чем любые научные заключения. В нем говорилось, что своим «княжески верным словом» ландграф свидетельствует, что ppm Орфиреуса «не приводится в движение внешней силой и помощью, не зависит от какой-либо изнутри заводимой спирали или каких бы то ни было колес, а что благодаря почти бесчисленным научным изысканиям эта давно уже искомая и желаемая машина или так называемое perpetuum mobile pure artificae (ppm «полностью искусственный»)... и есть такое самодвижущееся колесо, которое благодаря своей внутренней искусственной силе движения так долго может двигаться, пока в его внутреннем строении что-нибудь не убавится, разрушится, сломается, разорвется, испортится или износится». Ландграф подарил
Знаменательно, что Фишер находился в Герлахе, чтобы наблюдать за строительством паровой машины. Работа по созданию универсального двигателя шла одновременно по двум столь различным направлениям. Иногда бывало и так, что с ними были связаны одни и те же люди! Вспомним хотя бы случай с Д. Папином.
коммерции советнику и математику Орфиреусу «знатную привилегию», включающую дом, двор и денежные средства. Это была высшая точка карьеры Орфиреуса.
Чтобы закрепить свои позиции, Орфиреус сам выпустил сочинение (на двух языках — латинском и немецком) «Торжествующий перпетуум мобиле Орфиреуса». Эта книжка в 200 страниц очень примечательна; многое из того, что в ней было найдено в части стиля и подхода к науке, повторяется в разных видах и в сочинениях других, более поздних изобретателей ppm и их сторонников (несмотря на то, что труд Орфиреуса им едва ли знаком).
Открывается книга посвящением, которое в [2.4] очень удачно названо «четырехэтажным». Автор посвящает книгу богу, публике, ученым людям и себе самому (!).
Описание двигателя очень коротко и непонятно; еще более непонятен рисунок (рис. 1.30), его изображающий: колесо, труба, ведро и сосуд с водой. Как все это взаимосвязано и почему работает — остается загадкой. Никаких серьезных доводов или новых мыслей в этом разделе нет. Зато остальная часть книги посвящена полемике с оппонентами (точнее, противниками). Приемы, использованные им здесь, живы и до сих пор; дальше мы увидим, что они состоят на вооружении и современных искателей вечного движения. Тщательно собраны все высказывания «за» (или такие, которые можно к ним причислить); они изложены подробно и с уважением к их авторам. Напротив, по адресу противников написаны всякие нехорошие слова без каких- либо попыток вести с ними серьезную дискуссию. Извлечь из всего этого что-либо конкретное невозможно.
Пока Орфиреус купался в лучах славы и письменно громил своих оппонентов, слух о его машине прокатился по всей Европе и дошел на западе до Англии и на востоке до России. Англичане приценивались к машине, но не купили ее; подробности этих переговоров, по-видимому, не сохранились.
В России Петр I, как мы уже упоминали, тоже заинтересовался двигателем Орфиреуса; ведь если его данные соответствовали рекламе, то такая машина могла принести огромную пользу. Но Петр был мудрым и опытным государственным деятелем; он не любил принимать необоснованных решений и не бросал деньги на «пустые прожекты». Петр поручил в 1715 г. канцлеру А.И. Остерману собрать сведения о машине Орфиреуса. Доклад Остермана не удовлетворил царя. Поэтому, когда он в 1721 г. на-
Рис. 1.30. Новый, «торжествующий» вариант ppm Орфиреуса
правил в Европу библиотекаря И. Шумахера с рядом заданий по приобретению научной литературы, экспонатов для кунсткамеры и произведений искусства, то велел ему собрать информацию и о двигателе Орфиреуса. Шумахер, не будучи слишком ученым человеком, все же подходил для выполнения поручений императора: он был обходителен, энергичен, знал европейские языки и отличался исполнительностью и аккуратностью.
Петр снабдил Шумахера подробной письменной инструкцией из 13 пунктов. Среди многочисленных поручений (посетить Парижскую Академию Наук и продемонстрировать там карту Каспийского моря и другие ма
териалы; пригласить в Россию разных ученых; привезти мастера, «который бы с экспериментами обходиться и инструменты, к тому принадлежащие, изготовлять мог», закупить книги и т. д.) было и относящееся к Орфиреусу. «С Орфиреусом о перепетуе мобиле говорить, если возможно будет и господин Вольф за полезное рассудит».
Таким образом, Петр указал в качестве основного эксперта уже упоминавшегося нами известного ученого X. Вольфа.
Пространный отчет Шумахера Петру I о командировке в Европу сохранился [2.17]. Параграф 7 полностью посвящен переговорам с Орфиреусом. Начинается он с изложения того, как выполнены пожелания императора: «Прежде разговора с инвентором (изобретателем, В.Б.) перепетуи мобилис Орфиреем, аз с господином профессором Вольфом о том рассуждал, и оному Вашего Императорского величества высокое намерение объявил, яко хотя для пользы всенародной охотно некоторую сумму денег выдать, однако же не напрасно бросить, желаете. Того ради просил, дабы мнение свое о том верно мне сказал».
Вольф не отверг в принципе возможность ppm. Он ответил довольно осторожно: «Хотя Орфирей колесо сделал, которое без внешней силы кругом вертится и тяжелое к себе притягивает», однако «не возможно сказать, яко оное во истину перпетуум мобиле есть и великую пользу в народе чинить будет, понеже внутреннюю структуру (строение) видеть не можно». Поэтому Вольф посоветовал Шумахеру переговорить с Орфиреусом, посмотреть машину и рассказать о том, что увидит. После этого Вольф пообещал дать «свое мнение письменно».
Далее в отчете подробно описана история переговоров с Орфиреусом (это было в 1721 г.). Шумахер уже не нашел его в Касселе и Вейсенштейне, так как еще до его приезда изобретатель сам разбил свою машину. Шумахер описывает эту историю так: «Господин ландграф призвал г-на Сгравезанда1 из Лейдена, дабы тот ему эксперименты физико-математические демонстрировал, и при сем напали на дискурс (дискуссию. В.Б.) о перепетуе мобиле — прямой и воистину ли перпетуум мобиле колесо Орфиреево? Ландграф то утверждал и велел Орфирею оное г-ну Сграве- занду показать, однакож-де ему не объявил, что есть Сгра- везанд.
Орфирей послушен был повелению и свою машину в присутствии г. ландграфа показал; но Сгравезанд столико вопросов делати стал, и так жестоко внутреннюю структуру ведати желал, явно Орфирей в мнение пришел, будто хотят арканум (тайну. В.Б.) его выведать; того ради больше показывать не стал, и сколь скоро оные отлучились, машину разбил, дабы не было чего опасаться».
Поэтому Шумахер машину увидеть не мог, и разговор с Орфиреусом принял чисто коммерческий характер.
«...Первый его вопрос был: господин Шумахер имеет ли деньги? Аз отвещал: ...Его Императорское Величество желают великую милость и плату за издание (изделие. В.Б.) его воздать, егда оное — пробу выдержит. Бесконечно же выдержит пробу, и я главу свою потерять готов, аще не правда есть».
Однако предложение Шумахера «...воспримем двух славнейших математиков, которые егда учинят сперва присягу об оном, никаким образом упоминать даже да (когда) инвентор в депозите положенные деньги примет, и тогда машину свидетельствовать к оному мы удовольствуемся» Орфиреус не принял.
Последняя речь его была: «На одной стороне положите 100 000 ефимков (около 100 000 руб.), а на другой я положу машину». С этим Шумахер и возвратился в Галле к профессору Вольфу и доложил ему обо всем.
Дальше в отчете говорится: «Воистину невозможно поверить, какие диспуты перпетуум мобиле учинил». Профессор Гравезанд думает, что «перпетуум мобиле по обычаю математиков не противно есть принципиям (началам) математическим»... «Сие же мнение имеет и немецкий математик Кашубер...» Напротив, «французские и английские математики ни во что почитают все оные перепетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических».
Мы видим, что Шумахер дал достаточно точное описание ситуации.
В конце отчета приводится длинное и хитро составленное письменное заключение под заголовком: «Сущее мнение о перпетуе мобиле Орфирейском1, подписанное «Христиан Вольф, его королевского величества прусского придворный советник математики и физики профессор».
Кратко его содержание соответствует известной старой деревенской словесной формуле: «Оно хоша и конешно, тем не менее одначе».
Препровождая этот документ Петру, Шумахер мудро заключает: «Из сего писания Ваше Императорское величество усмотрите, яко перпетуум мобиле еще не весьма в совершенстве».
Естественно, что Петр на основе такой информации не мог принять окончательного решения. Он воздержался от дальнейших переговоров, несмотря на то, что Орфиреус уже сам предлагал ему свою машину через посредников. Так, в январе 1725 г. некий Детлев-Клефеке вызывался ехать за свой счет в Германию за машиной Орфиреуса, который обещал назвать ему последнюю цену за свое изобретение.
Петр намеревался сам разобраться в этом деле во время намечавшегося в 1725 г. путешествия за границу, но его смерть не дала осуществиться этому плану.
Теперь мы можем вернуться к самому Орфиреусу, дела которого шли хуже и хуже. Машину продать не удалось, число скептиков и противников росло. Наконец, судьба нанесла ему самый страшный удар: тайна его машины была раскрыта... женщинами. Первой из них была его служанка Анна Розина. Сначала она, а затем и его супруга проболтались... Всем стало известно, что никакого ppm не было, а машину незаметно крутили из соседнего помещения через специальную передачу (в замке Вейсенштейн из спальни Орфиреуса). Это была трудная работа для «биологического двигателя» — команды из служанки, брата и жены (а иногда и самого Орфиреуса). Брату и служанке платили немного — по 2 гроша за час работы. Брат в конце концов сбежал; опасаясь, что служанка проболтается, Орфиреус взял с нее страшную, очень длинную клятву, настолько выразительную, что ее цитируют почти во всех книгах о вечном двигателе [2.4, 2.6]. Приведем только два отрывка:
«...клянусь верой и правдой перед триединым богом, что я от сей минуты, вплоть до моей смерти, во веки веков, не буду о вас, моем настоящем господине, никому ни говорить, ни писать, ни показывать ничего дурного и что я никому не открою, не обнаружу и не опишу никакой твари, существует она или не существует, ничего из мне известного о ваших деяниях и творениях, искусстве и тайнах...»; «...Буде я эту клятву нарушу... то пусть моя душа никогда не знает покоя и не удостоится божьей милости, пусть она
будет проклята на веки вечные. Аминь... Проклята я буду, если эту клятву нарушу, и блаженна, если я ее сдержу. Я клянусь, что сдержу и не нарушу своей клятвы».
Но клятвы не помогли... Орфиреусу удалось кое-как замять скандал, но карьера его была кончена. Оказались правы Лейбниц и те французские и английские математики, которые «ни во что почитают все оные перепетуи мобилес».
Историей Орфиреуса мы закончим относительно краткий разбор различных вариантов ppm, предложенных во времена, когда закон сохранения энергии еще не утвердился. В конце этого периода, к началу XVIII в., постепенно накапливался экспериментальный материал и формировались теоретические предпосылки для нового, более общего энергетического понимания проблемы создания универсального двигателя.
О трудном формировании и распространении новых представлений, связанных с установлением закона сохранения энергии, пойдет речь в следующей главе. Мы увидим, что несмотря на ясный запрет, который наука, опираясь на этот закон, наложила на создание ррт-1, работа над ним интенсивно продолжалась. Более того, рассматривая события, связанные с изобретателями ppm XIX в. (и даже XX в.), мы, как это ни странно на первый взгляд, будем встречать уже знакомых по истории Орфиреуса персонажей. Они, естественно, говорят уже другим языком, носят другую одежду, но узнать их можно.
Глава вторая
УТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИИ КОНЕЦ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРВОГО РОДА
Пора чудес прошла,
И мы теперь должны искать причины Всему, что совершается на свете.
Ш експир. «Генрих V»
Поиск общей причины неудач с ppm.«Закон сохранения силы»
Последние два века описанного в гл. 1 периода истории ppm (XVII и XVIII вв.) характерны тем, что многие даже достаточно серьезные ученые верили, в то, что вечный двигатель можно создать. Даже постоянные неудачи многочисленных изобретателей не могли поколебать их веру в ppm, несмотря на труды Стевина, Галилея, Герике, Торричелли, Паскаля, Бойля, Ньютона и Лейбница, которые уверенно отрицали возможность его создания.
Теоретики иногда оказывались даже позади некоторых практиков, которых собственный опыт приводил к мысли о бесперспективности работы над ppm.
Подытоживая сложившуюся ситуацию, механик Я. Леу- польд в сочинении «Театр машин» («Theatrum machina- шт»), вышедшем в 1724 г., написал, что всегда на практике вместо perpetuum mobile получается perpetuum stabile (вечное равновесие, неподвижность).
Этот интересный феномен нельзя объяснить просто тем, что ученые «меньшего калибра» были далеки от идей своих
великих современников и предшественников и не понимали их. Главная причина находилась глубже. Дело было в том, что положение о невозможности ppm, которое высказывали ведущие физики и философы, не подкреплялось никаким общим физическим законом, действовавшим в любой области. Пользуясь частными законами — моментов сил или равновесия тел на наклонной плоскости, можно было показать неработоспособность конкретного механического ppm. Законы гидравлики тоже позволяли доказать, что такой-то определенный гидравлический двигатель действовать не будет. Однако сторонники ppm всегда могли возразить: «А я сделаю другой, который будет!» Все прошедшие неудачи за редкими исключениями (Леонардо, Стевин) связывались не с принципиальной невозможностью ppm, доказательств которой не было, а только с частными ошибками или недоработками, которые в дальнейшем, казалось, можно устранить. Дело мало менялось от того, что многие великие умы от Декарта до Ломоносова постепенно подготавливали фундамент общего закона природы, вообще запрещающего ppm. А пока всегда оставалась надежда «просочиться» в щель между частными законами, найти такие явления и конструкции, где они не действуют. Только единый закон, распространяющийся на все явления природы, мог создать сплошной научный фронт, непроницаемый для любого ррт-1. Таким законом стал в XIX в. закон сохранения энергии. Когда он утвердился, «доэнер- гетическая» физика кончилась и с ней пришел конец вечному двигателю первого рода.
Становление закона сохранения энергии и самого понятия «энергия» проходило долго и с трудом. Борьба — именно борьба, и очень тяжелая — за утверждение этого закона проходила по разным направлениям, но с непременным участием вечного двигателя.
В истории иногда наблюдаются парадоксальные ситуации, когда нечто не существующее (и даже не могущее существовать в принципе) оказывает существенное влияние на весьма реальные события. Интересный пример такого влияния — вечный двигатель. М. Планк писал: «...поиски perpetuum mobile имели для физики столь же важное значение, какое имели для химии попытки искусственного получения золота,
хотя в обоих случаях наука воспользовалась не положительными, а отрицательными результатами соответствующих опытов» [1.6].
Формирование представления об общем законе сохранения, управляющем всеми формами движения материи, началось очень давно. Уже у античных авторов можно найти мысль о неуничтожимости не только материи, но и ее движения. Римлянин Тит Лукреций Кар (95-55 гг. до и. э.) в знаменитой поэме «О природе вещей» писал:
«Из ничего не рождаются вещи, Также не могут они, народившись, в ничто обратиться».
И далее о движении мельчайших частиц материи: «Материи плотные тельца
В вечном движеньи находятся, Непобедимы годами.
Так и прочие вещи пламя дают, разогревшись движеньем.
Становится мягким
Даже и шарик свинцовый, когда его долго катают».
Из этих строк видно, что древние понимали (конечно, в общих чертах), как механическое движение переходит в тепловое движение частиц тела.
Идея о некоторой постоянной силе, передаваемой от одного тела к другому, сохранилась и в средние века. В своеобразной форме ее отразил, например, средневековый философ Жан Буридан1 (1300-1358 гг.). Он назвал такую силу impetus (натиск, напор) и выразил ее переход от одного тела к другому так: «В то время, как движущее движет движимое, оно запечатлевает в нем некую силу (impetus), способную двигать это движимое в том же направлении..., безразлично, будет ли это вверх, вниз, в сторону или по окружности». Несмотря на некоторую «ученую» тяжеловесность этой фразы, ее в принципе правильный смысл ясен.
О взглядах Леонардо да Винчи на сохранение движения мы уже упоминали раньше. Далее, начиная с XVI в., идея о сохранении движения (ограниченная, естественно, только механическим движением) и невозможности его возникновения из ничего (т. е. невозможности ррт-1) постепенно
развивалась и укреплялась в сознании ведущих физиков. Предоставим слово им самим.
Д. Кардано (1501-1576 гг.): «Нельзя устроить часы, которые заводились бы сами собою и сами поднимали гири, движущие механизм».
Г. Галилей (1564-1642 гг.): «Машины не создают силу; они только ее превращают. Кто надеется на другое, тот ничего не понимает в механике».
Р. Декарт (1596-1650 гг.): «Я принимаю, что во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает».
«Мне пришлось видеть много квадратур круга, вечных двигателей и разных других мнимых доказательств, которые оказались ложными».
X. Гюйгенс (1629-1695 гг.): «И если бы изобретатели новых машин, напрасно пытающиеся построить вечный двигатель, пользовались этой моей гипотезой (о невозможности системы тел изменить положение своего центра тяжести без внешних сил. В.Б.), то они легко бы сами осознали свою ошибку и поняли бы, что такой двигатель нельзя построить механическими средствами».
И. Бернулли (1667-1748 гг.): «Ничтожная часть позитивной причины не может исчезнуть, не производя взамен такого действия, при помощи которого эта потеря может быть восстановлена. Таким образом, ничего из сил не исчезает, хотя бы по видимости такое исчезновение и имело место».
Г. Лейбниц (1646-1716 гг.): «Принцип равенства причины и следствия, т. е. принцип исключенного вечного двигателя — основа моего вычисления живой силы. Согласно этому принципу живая сила сохраняет свою неизменную тождественность.
В течение этих действий (поднятия груза на определенную высоту, сжатия пружины для сообщения определенной скорости) не происходит ни малейшей прибыли, ни малейшей убыли живой силы. Конечно, часть живой силы (этой частью никогда нельзя пренебрегать) поглощается неощутимыми частицами самого тела или других тел...
Мнение, которое я здесь защищаю, не основывается, конечно, на опытах по ударам тел, но на принципах, которые сообщают смысл самым опытам. Эти принципы позволяют высказывать суждения о случаях, еще не проверенных экс-
периментом. Единственный источник этих принципов есть равенство причины и следствия».
М.В. Ломоносов (1711-1765 гг.): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оной от себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение по- 2 лучает» .
Две последние цитаты показывают, что у Лейбница и особенно у Ломоносова представления о законах сохранения приобретают наиболее обобщенный характер.
Важно еще отметить, что уже у Лейбница принцип сохранения выходит за пределы простого механического движения тел; он говорит и о «поглощении силы неощутимыми частицами тела», т. е. о тепловой форме движения. У Ломоносова эта мысль была развита еще дальше («Рассуждение о природе тепла и холода» — 1744 г.).
Ломоносов был противником господствовавшей в то время теории теплорода — некоей «невесомой материи», добавление которой в тело сообщало ему тепло. Он придерживался мнения, что теплота есть результат движения «нечувствительных частиц» (т. е., говоря современным языком, молекул). Из этого непосредственно следовало, что формулировка о сохранении движения распространяется и на тепловое движение. Закон сохранения энергии не мог утвердиться, пока теория теплорода не была отвергнута; пока он существовал, невозможно было объяснить переход механической работы в тепло; идея этого перехода была ясна и Лейбницу, и Ломоносову.
Интересно, что ломоносовскую кинетическую теорию тепла отвергали именно по этой причине даже в первой половине XIX в.
В солидном немецком физическом словаре Геллера упоминалось о теории тепла Ломоносова, но она критиковалась не за ее действительные недостатки (Ломоносов учи-
тывал только вращательное движение молекул), а за ее главное достоинство — за то, что она опровергала теорию «теплорода».
Работы Лейбница и Ломоносова завершают первый период развития учения о законе сохранения энергии — его идейную подготовку. В течение этого периода сформировалось в основе правильное представление о «сохранении силы» и переходе ее от одного тела к другому и из механической формы в тепловую. Нужно было сделать следующий, решающий шаг: найти количественные связи между формами движения, измерить их и распространить на все известные его формы. Но это требовало не только постановки соответствующих экспериментов и правильного осмысления их результатов, но и в первую очередь ниспровержения теории теплорода, ставшей тормозом дальнейшего движения науки. Решить эту задачу удалось только в XIX в.; первыми были С. Карно, Р. Майер и Д. Джоуль. Именно их работы определили окончательное установление закона сохранения энергии.
Важную роль сыграло уточнение и разграничение учеными-механиками двух основополагающих понятий — сила и работа. Термин «работа» впервые был введен французским ученым-механиком Ж. Понселе в 1826 г. («Курс механики в приложении к машинам»), чему предшествовало установление этого понятия (правда, под другими названиями — «сила», «действие», «момент действия», «механический эффект») как меры производительности машин. Им уже широко пользовались во второй половине XVIII в. Например, в курсе механики Котельникова (1774 г.) дано четкое определение величины «действия», впоследствии названного работой: «Действие махины или действующия посредством ея силы равно тягости, умноженной на пройденный ею путь». Еще более общее представление о работе (когда направление силы не совпадает с направлением движения) содержится в книге французского инженера, ученого и политического деятеля Великой французской революции Лазара Карно1.
ХЛ. Карно (1753-1823 гг.) был чрезвычайно разносторонним человеком. Крупный математик и механик, член Парижской Академии наук; во время Французской революции проявил себя как военный организатор («организатор победы» революционных армий). С. Карно, один из основателей термодинамики, о котором мы в дальнейшем будем часто упоминать, — его старший сын.
В сочинении «Опыт о машинах вообще» (т. е. в курсе прикладной, механики), вышедшем в 1783 г., он показал, что значение момента действия (т. е. работы) определяется произведением силы на путь и на косинус угла между ними.
После того как термин «работа» окончательно установился (в XIX в.), исчезла и двойственность понятия «сила». Теперь под силой понималось только воздействие, вызывающее движение тела в
Рис. 2.1. Лазар КарноРис. 2.1. Лазар Карноопределенном направлении.
Рис. 2.1. Лазар Карно
Рис. 2.1. Лазар Карно
Так или иначе, в механике «закон сохранения си
лы» (а затем работы) не подвергался сомнению среди серьезных ученых. Уже во второй половине XVIII в. Парижская Академия наук в 1775 г. приняла официальное постановление о том, что она «не будет рассматривать никакой машины, дающей вечное движение».
В литературе обычно это решение цитируется очень кратко. Между тем в части, относящейся к ppm1, содержатся интересные мысли [2.7].
«...Создание вечного двигателя абсолютно невозможно: даже если трение и сопротивление среды не уменьшают длительности воздействия движущей силы, она не может произвести равного ей эффекта. Причина этого состоит в следующем: если мы хотим, чтобы эффект, производимый силой конечной величины, действовал бесконечное время, необходимо, чтобы произведенный эффект был бесконечно мал.
Предположим, что тело, которому сообщили движение, при отсутствии трения и сопротивления способно сохранить это движение постоянно; но при этом не идет речь о других телах. Это вечное движение возможно было бы только в этих условиях (которые, впрочем, не могут существовать в природе); оно было бы совершенно бесполезно по отношению к другим объектам, предлагаемым обычно творцами вечного движения...» Здесь (правда, применительно только к механическому движению) закон сохранения «силы» и вытекающая из него невозможность вечного двигателя первого рода выражены совершенно четко. И далее:
«...Такой способ исследования, несомненно, дорого обходится; он уже разрушил много семей. Часты случаи, когда механик, который мог
’В нем шла также речь и о других неразрешимых задачах, но из области математики: квадратуре круга, удвоении куба и трисекции угла.
бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант. Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении о их бесполезности для сведения тех, кто будет ими заниматься.1 Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснованна в те времена, когда метод поиска истины был неизвестен во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины — искать ее».
Эта часть решения звучит и теперь вполне современно. Здесь указано не только на бесполезность занятий химерическими проектами и пагубность их для самих изобретателей. Обращено внимание на необходимость применять, говоря современным языком, правильную методологию научного поиска. Нынешним ученым изобретателям ppm неплохо было бы вдуматься в умные слова, сказанные французскими академиками более 200 лет назад.
При всей важности и дальновидности решения Парижской Академии в нем не упоминалось о других формах движения и особенно о тепловой; вопрос об их связи с механическим движением оставался открытым. Соответственно оставалась и «щель» для идеологии, разрешающей ppm. Блестящие прозрения Лейбница и Ломоносова имели общий, философский характер. Развитие техники (паровые машины и другие тепловые двигатели, например машина Стирлинга [1.28, 1.29]) требовало осмысления процессов превращения тепла в работу и работы в тепло, точного их количественного анализа.
Первым правильно поставил (и в основе решил) задачу определения теплового эквивалента работы французский военный инженер Николай Леонар Сади Карно (17961832 гг.), сын Л. Карно. Он опубликовал в 1824 г. ставшую впоследствии знаменитой небольшую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» [1.13]. В ней С. Карно заложил основы не только теории тепловых машин, но и второго закона термодинамики. Мы еще вернемся к труду Карно в следующей главе, когда займемся ррш-2. Здесь же нас интересуют взгляды Карно на ррш-1 и его вклад в «закон сохранения силы», из которого вышел закон сохранения энергии — первый законтермодинамики.
Постановление Академии, несомненно, оказало влияние на умы людей, близко стоящих к науке, и сказалось на ее дальнейшем развитии. Что касается рядовых изобретателей ppm, далеких от науки, то они, как мы увидим из дальнейшего, еще долго продолжали свои поиски.
О ppm С. Карно писал в своей книге:
«Если бы это было возможно, то стало бы бесполезно искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать». И далее: «...могут здесь спросить: если доказана невозможность ppm для чисто механических действий, то сохраняется ли это при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явлений тепла или электричества придумать какую иную причину, кроме какого-либо движения
Рис. 2.2. Сади КарноРис. 2.2. Сади Карнотел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?».
Рис. 2.2. Сади Карно
Рис. 2.2. Сади Карно
Что касается «сохранения силы» при взаимных превращениях тепла и работы, то позиция С. Карно была четко сформулирована в его более поздних записях:
«Тепло — не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел возникает повсюду, где происходит уничтожение движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.
Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».
Если заменить во всем тексте слова «движущая сила» на «энергия», а в последней фразе — на «работа», то формулировка Карно целиком может быть помещена в современный учебник физики. Карно не только сформулировал здесь закон сохранения энергии, но впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу и наоборот. Это был качественный скачок, переход на новый уровень
знаний, значение которого нельзя переоценить. Дальше мы увидим, с каким трудом эти истины входили в сознание людей.
Насколько правильно С. Карно подсчитал тепловой эквивалент работы? Анри Пуанкаре в 1892 г. писал: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии? Заметим также, что значение эквивалента, вычисленного Карно в 2,7 ккал на единицу работы, за которую он принимает 1000 кГм, соответствует 370 кГм/ккал, что недалеко от истины (427 кГм/ккал)...».
Однако открытие Карно осталось неизвестным его современникам; он не успел его опубликовать. В 1832 г. С. Карно умер, заболев холерой. Только в 1878 г. его брат опубликовал записки, в которых содержался цитированный отрывок, вместе со вторым изданием книги «О движущей силе огня».
Это открытие Карно не оказало влияния на дальнейшее развитие учения о сохранении энергии; главные события, связанные с его установлением, произошли раньше — в 40-е и 50-е годы XIX в. Тем не менее приоритет С. Карно не подлежит сомнению.
Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» — немецкий врач Роберт Майер (1814-1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г. (полученная им цифра — 365 кГм/ккал — была немного менее точна, чем у Карно).
Р. Майер, как и многие другие первооткрыватели, принял на себя первые удары противников нового закона. Он понимал проблему энергетических превращений глубже и шире, чем его современники — физики, занятые той же задачей. Это было и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что (хотя и не сразу) дало возможность закону сохранения энергии утвердиться в наиболее общей форме. Плохо потому, что работы Майера в значительной степени именно по этой причине долго «не доходили» до его современников и не были оценены по достоинству. Он прожил дольше Карно, но судьба его тоже была трагичной.
Майер подошел к закону сохранения с несколько неожиданной для физиков биологической стороны: как и Дарвин, он получил первый толчок к своим идеям из наблюдений во время дальнего морского путешествия. Ему как судовому врачу приходилось делать хирургические
операции; он обратил внимание на то, что у жителей острова Ява венозная кровь оказалась намного светлее, чем у европейцев. Майеру было известно, что выделяемое живым организмом тепло получается в результате окисления пищи кислородом (первыми это установили еще А. Лавуазье и П. Лаплас). Размышляя об этом, Майер совершенно правильно пришел к объяснению: в жарком климате организм отдает, а следовательно, и вырабатывает меньше тепла, чем на север
Рис. 2.3. Роберт МайерРис. 2.3. Роберт Майер. Соответственно артериаль. Соответственно артериальная кровь, переходя в венозную, должна отдавать меньше кислорода (т. е. меньше темнеть).
Рис. 2.3. Роберт Майер
Рис. 2.3. Роберт Майер
. Соответственно артериаль
. Соответственно артериаль
Развивая эту мысль, Майер связал процесс окисления пищи не только с выделением тепла организмом, но и с работой, которую он производит. Следовательно, и тепло, и работа возникают из одного и того же источника — пищи. Поскольку Майер, так же как и Лейбниц, исходил из принципа равенства причины и действия (causa aequat effectum), для него было очевидно, что теплота и работа могут взаимно превращаться. Более того, их количества при этом должны находиться в совершенно определенном соотношении.
При одном и том же количестве окисленной пищи сумма сил неизменна; сколько убавится работы, столько же прибавится теплоты (и наоборот). Оставалось только вычислить тепловой эквивалент работы.
Насколько далеко смотрел Майер, видно из таких, например, его строк:
«Изучать силу в ее различных формах, исследовать условия ее превращения (метаморфоз) — такова единственная задача физики, ибо порождение силы или ее уничтожение находится вне сферы мышления и действия человека.
Можно доказать a priori и во всех случаях подтвердить опытом, что различные силы могут превращаться одна в другую. В действительности существует только одна-
единственная сила. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы».
Если учесть, что слово «сила» соответствует термину «энергия», то эта цитата звучит, как написанная сегодня.
Эти мысли Майера, которые нам представляются совершенно естественными и бесспорными, в то время (1840— 1842 гг.) казались, как это ни странно, не только парадоксальными, но и просто неграмотными. Нельзя забывать, что в умах ученых еще господствовала теория теплорода — представление о некоторой невесомой жидкости, которая не возникала и не уничтожалась, а только переходила от одного тела к другому, а «падая» с более высокого температурного уровня на нижележащий, могла производить работу подобно воде, крутящей колесо. Майер, однако, писал о теплороде крайне непочтительно.
«Выскажем великую истину: никаких нематериальных материй не существует. Мы прекрасно сознаем, что ведем борьбу с укоренившимися и канонизированными крупнейшими авторитетами гипотезами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции...».
Не менее крамольные «антитеплородные» мысли С. Карно об эквивалентности тепла и работы, записанные в его дневнике, тогда не были известны; мало кто знал и о высказываниях Лейбница и Ломоносова. Все трудности борьбы с учеными и неучеными противниками пришлись на долю Майера.
Нужно еще учесть, что он отзывался о глупостях в трудах многих оппонентов (в том числе и своих коллег — врачей) не без юмора, а это редко прощают.
В 1841 г. Майер направил первую работу об идее сохранения силы в физический журнал «Annalen der Physik». Однако редактор журнала Поггендорф отказался ее публиковать. В том же году Майер написал новую статью под названием «Замечания о силах неживой природы», которую удалось опубликовать в другом журнале — «Annalen der Chemie und Pharmacie». В ней уже не только четко ставился вопрос о механическом эквиваленте тепла, но и приводилось его значение, вычисленное по известным в то время данным для теплоемкости воздуха при постоянном давлении ср и теплоемкости при постоянном объеме с^. Поскольку воздух, расширяясь при постоянном давлении,
производит работу, а нагреваясь при постоянном объеме, не производит ее, разность количеств теплоты, затраченной на нагрев, эквивалентна произведенной работе. Майер получил цифру 365 кГм/ккал. В дальнейшем в работе «Органическое движение и обмен веществ» он уточнил это значение, определив его равным 425 кГм/ккал (что близко к ее истинному значению — 427 кГм/ккал).
Майер писал и об электрических, и о химических силах, распространяя и на них закон сохранения.
Заслуги Майера перед наукой так и не были оценены его современниками. Сначала вызывали отпор сами идеи Майера, а потом, как это часто бывает, оспаривался его приоритет.
Враждебная атмосфера, окружавшая Майера, привела даже к попытке самоубийства (1850 г.) и душевному расстройству; около года (1852-1853 гг.) он провел в больнице. О его состоянии можно судить по словам: «Или весь мой метод мышления аномален и негоден, тогда мне подходящее место в доме умалишенных. Или меня награждают презрением и насмешками за открытие важных истин».
Только незадолго до смерти заслуги Майера были в какой-то степени признаны; большую роль в этом сыграли английский физик Дж. Тиндаль и немецкий — Г. Гельмгольц. Уже после смерти Р. Майера в 1892 г. в г. Гейль- бронне, где он родился, был воздвигнут памятник, а в 1893 г. было выпущено собрание его сочинений.
Оценивая вклад Р. Майера в науку, Ф. Энгельс писал в «Диалектике природы» о его революционизирующей роли: «Количественное постоянство движения было высказано уже Р. Декартом почти в тех же выражениях..., зато превращение форм движения открыто в 1842 г., и это, а не закон постоянства, есть как раз новое».
Судьба третьего основоположника закона сохранения энергии Д. Джоуля (1818-1889 гг.) не была столь тяжелой, как у С. Карно и Р. Майера. В отличие от склонного к философии и непочтительного к авторитетам Майера, он был практичным англичанином, прочно стоявшим на ногах, и даже богобоязненным. Идейной основой закона сохране-
Рис. 2.4. Джеймс ДжоульРис. 2.4. Джеймс Джоульния живой силы (т. е. энергии) он считал положение, что человек не может уничтожить то, что создано богом, и, напротив, создать то, что бог не создал. Относительно начала действия этого закона Джоуль писал даже так: «Проявления живой силы на нашей планете такие же, какими они были с момента сотворения мира, или, во всяком случае, со времени потопа».
Рис. 2.4. Джеймс Джоуль
Рис. 2.4. Джеймс Джоуль
Результаты многолетних работ Джоуля были основаны на тщательно проведенных экспериментах, конкретны, и спорить с ним было трудно1. Джоуль работал над энергетическими превращениями с 1843 г. — более 30 лет; за
это время он изучил самые различные энергетические преобразования. Он провел классические опыты по точному определению теплового эквивалента работы, вращая грузами мешалку воды в калориметре и измеряя повышение ее температуры (те самые «сотые градуса»). Уже в 1843 г. он вслед за Майером четко сформулировал закон сохранения для трех видов «живых сил» (т. е. энергии) — механических, тепловых и магнитоэлектрических.
Одновременно с русским физиком Э. Ленцем (1804— 1865 гг.) и независимо от него он сформулировал закон, устанавливающий зависимость выделяемой в проводнике теплоты от силы тока и напряжения (закон Джоуля-Ленца). Джоуль провел исследования по всей цепи преобразований электроэнергии, начиная от гальванического элемента и кончая работой электромагнитных сил.
Заслуги Джоуля были увековечены присвоением его имени единице энергии — джоуль (Дж).
После опубликования работ Джоуля к середине XIX в. закон сохранения энергии (как тогда писали — «силы» или
«движения») победил окончательно; дальше речь шла уже о расширении сферы его приложений, уточнении, установлении однозначной терминологии и, наконец, ознакомлении с ним сначала научных работников и инженеров, а затем и всех образованных людей. Доведение этой работы до конца означало и конец ррш-1. Основополагающий вклад в эту работу сделали Г. Гельмгольц (1821— 1894 гг.), У. Томсон-Кельвин (1824-1907 гг.), У. Ренкин (1820-1872 гг.) и Р. Клаузиус (1822-1888 гг.). Все попытки опровергнуть или ограничить закон сохранения энергии были обречены на неудачу. Однако для окончательного утверждения и распространения, превращения его в общепринятый фундаментальный закон было необходимо провести то самое установление точных понятий и терминов, о котором говорилось выше. Ведь даже слова «энергия» в первоначальной формулировке закона не было.
Утверждение закона сохранения энергии.Революция в понятиях и терминах
В предисловии к английскому изданию «Капитала» Ф. Энгельс писал: «В науке каждая новая точка зрения влечет за собой революцию в ее технических терминах» [1.4].
Естественно, что такое событие, как установление радикально новой точки зрения на энергетические превращения, не могло не вызвать и революцию в терминах. Но дело было настолько серьезным, что не могло ограничиться только терминами; упорядочению терминов должно было предшествовать упорядочение понятий. Об этом хорошо в свое время сказал А. Лавуазье, считавший, что каждая наука состоит из ряда фактов, представлений о них (т. е. понятий) и слов, их выражающих (т. е. терминов). Действительно, даже в работах Г. Гельмгольца, не говоря уже о Майере и Джоуле, отсутствовали такие привычные для нас термины, как «энергия» и «работа»; понятия «сила» и «теплота» использовались совсем не в том смысле, который соответствует их однозначной научной трактовке.
В начальной стадии формирования нового закона некоторая расплывчатость в понятиях и терминах вполне естественна; но по мере расширения сферы его применения любая нечеткость в них становится тормозящим фактором. Без ее устранения закон сохранения энергии не мог бы стать всеобщим достоянием и исправно «работать» во всех областях науки и техники.
Усиленное внимание, которое уделяется в науке правильной и четкой терминологии, может вызвать недоумение. Многие, в том числе весьма образованные люди, считают излишней скрупулезностью «вылизывание и шлифовку» терминов, рассуждая примерно так: «Какая в конце концов разница, как назвать ту или другую вещь или понятие. Каждый, кто имеет с ними дело, знает, что это такое. Не зря мудрая народная пословица говорит: «Хоть горшком назови, только в печь не ставь». Важно дело, а не слова».
Такая «философия» даже применительно к обыденной жизни может привести к неприятностям, не говоря уже о науке. Дальше мы увидим на конкретных примерах, относящихся к ppm, к каким последствиям может привести неточная трактовка некоторых энергетических терминов, в частности терминов «теплота», КПД (коэффициент полезного действия), «окружающая среда», «замкнутая система» и других. Поэтому в дальнейшем мы будем очень внимательно относиться к терминам, выделяя там, где необходимо, место для их подробного разбора.
Применительно к закону, установленному С. Карно, Р. Майером и Д. Джоулем, необходимо остановиться на двух основополагающих понятиях, связанных с терминами «энергия» и «теплота» (или «тепло»), а также несколько расширить представление о понятии, относящемся к термину «работа». Без этого дальнейший разбор вопроса о вечном двигателе достаточно полно провести нельзя.
Начнем с понятия «энергия». Впервые оно появилось еще у Аристотеля как обозначение некоего деятельного начала; но оно имело тогда чисто философское значение и никакие количественные оценки здесь не предполагались.
Ввел этот термин в физику и придал ему точный смысл английский механик Т. Юнг (1773-1829 гг.) в «Лекциях по естественной философии» (1807 г.). Это было сделано им применительно к «живой силе» (произведению массы тела на квадрат его скорости), т. е. только к механическому движению; но первый шаг к широкому использованию термина состоялся.
В дальнейшем, после работ основоположников закона сохранения, общий термин «энергия» стал постепенно вытеснять в литературе все другие как единственный для обозначения общей меры движения материи. Особенно большую роль тут сыграли уже упоминавшиеся У. Ренкин и У. Томсон-Кельвин.
Соответственно все законы сохранения движения, независимо от того, в какой форме они проявлялись — механической, тепловой, электромагнитной, химической или биологической, стали частными случаями общего фунда-
ментального закона природы — закона сохранения энергии.
После этого уточнились и приобрели однозначный смысл понятия «работа» и «теплота» («тепло»). Если термин «работа», как мы уже говорили, сравнительно быстро приобрел четкий смысл, то термин «теплота» долго сохранял остатки влияния теории «теплорода». Живучесть этого влияния (как и многих других старых представлений) оказалась просто необычайной. До сих пор сохранились такие термины, перешедшие из XVIII в., как «теплоемкость», «теплопередача», «тепловой резервуар», «тепловой аккумулятор»; совсем недавно еще употреблялся термин «теплосодержание», замененный на «энтальпию». Все они связаны с теплотой, как с чем-то содержащимся в теле, т. е. по существу с «теплородом». Замена теории теплорода на «механическую теорию тепла» не изменила вначале этой терминологии. Энергию хаотического движения молекул тела, связанную с его температурой, по инерции продолжали называть теплотой, хотя это нечто совсем иное — часть внутренней энергии тела.
Чтобы исключить ошибки при анализе энергетических преобразований, нужно совершенно четко представлять разницу между внутренней энергией, содержащейся в каком- либо теле, и энергией, подводимой к нему (или отводимой от него). Энергия второго вида существует только тогда, когда передается от одного тела к другому. Передача энергии может происходить в двух формах: теплоты и работы. Таким образом, общность теплоты и работы определяется тем, что они представляют собой количественную меру передаваемой энергии. Но между ними есть и существенная разница. Работа — это передача энергии в организованной форме, при которой каждая частица совершает движение (если не считать колебаний) по определенной траектории. Если, например, происходит передача механической энергии посредством пары зубчатых колес, то каждая молекула как ведущей, так и ведомой шестерни совершает движение, связанное с этой системой, строго по окружностям. Если с помощью ворота поднимается груз, то все его частицы двигаются по прямым, и т. д.
Напротив, передача энергии в форме теплоты совершается хаотическим движением частиц. При контакте двух тел с разными температурами молекулы тела, имеющего более высокую температуру, «раскачивают» молекулы более холодного тела так, что средняя скорость первых уменьшается, а вторых увеличивается. В результате определенное количество энергии передается от первого тела ко второму.
Таким образом, и теплота, и работа — это энергия в передаче, в переходе. Если процесса перехода нет — нет ни теплоты, ни работы. Они существуют только в процессе передачи от одного тела к другому, но не могут «содержаться» в них. То, что теплота переходит от одного тела к другому, вовсе не означает, что она сначала содержалась в одном, а потом стала содержаться в другом теле. Просто внутренняя энергия тела, к которому была подведена теплота, выросла, а того, от которого теплота была отведена, соответственно снизилась. Превращение работы в теплоту означает, следовательно, что система, получившая энергию в форме работы от какого-либо тела, превращает его сначала во внутреннюю энергию, а затем отдает ее другому телу в форме теплоты. Так, затрачивая механическую работу на вращение мешалки, погруженной в жидкость, мы увеличиваем внутреннюю энергию этой жидкости: она нагревается, так как получает энергию в форме работы. Затем, давая жидкости охладиться до прежней температуры, мы можем отвести эту энергию в форме теплоты.
Примерно таким образом граф Румфорд в 1799 г. проводил свой знаменитый опыт, показывающий превращение работы в теплоту при сверлении пушек. Энергия, подводимая в форме механической работы вращения сверла, отводилась водой, которая при этом нагревалась от температуры Тх до температуры Т^ (Т^ > Тх). Внутренняя энергия воды (обозначим ее U) возрастала при этом от Их до Щ. Затем вода остывала снова до температуры Тх, отдавая энергию в форме теплоты Q окружающей среде. Если охладить воду до прежней температуры, то ее внутренняя энергия остается такой же, как и вначале; количества теплоты Q и работы L будут равны. Если же охладить воду до какой-либо промежуточной температуры 7з, более высокой, чем Тх, то количество отводимой теплоты будет меньше, так как часть подведенной энергии остается в виде прироста ZXU внутренней энергии воды.
Таким образом, закон сохранения энергии будет выражаться классической формулой, связывающей теплоту и работу:
L = Q + ^U. (2.1)
Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела А £7, так и отводиться в виде теплоты Q. Если А £7 = 0, то Q = L. Формула (2.1) и выражала закон сохранения энергии в его наиболее простой форме. Возникла и наука, которая специально рассматривала взаимные превращения теплоты и работы, — термодинамика.
Термодинамика в начале своего развития рассматривалась только как наука о взаимных превращениях теплоты и работы. По мере дальнейшего развития, она постепенно охватывала и другие энергетические превращения, связанные с электрическими, магнитными, химическими, а также квантовыми явлениями. Соответственно расширялись и понятия работы L и внутренней энергии U. Таким образом, сфера действия первого закона термодинамики охватила по существу все области энергетических превращений и стала соответствовать по своему содержанию закону сохранения энергии.
Поэтому в дальнейшем мы будем использовать термин «первый закон термодинамики» как синоним термина «закон сохранения энергии». Так будет удобнее в дальнейшем при рассмотрении второго закона термодинамики и сопоставлении его с первым.
Изложим коротко некоторые формулировки и положения, связанные с первым законом термодинамики, которые понадобятся в дальнейшем при анализе новых ppm.
Существует целый ряд одинаково правильных формулировок первого закона термодинамики. Нам важно выбрать из них такую, которая в наибольшей степени была бы удобна для разоблачения ppm-1. С этой точки зрения, казалось бы, наиболее подходит самая близкая к нашей теме: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Однако при всей четкости и категоричности такой формулировки она не говорит о том, как определить, что то или иное устройство именно и есть вечный двигатель. Ведь прежде, чем запретить, нужно знать что запретить!
ВходВходВыходВыход
Вход
Вход
Выход
Выход
ВходВходВыход
Вход
Вход
I
I Двигатель
I Ам = О
I
Рис. 2.5. Энергетический баланс системы: а — реальный двигатель; б — ррш-1
Поэтому более удобна другая формулировка: «При любых превращениях в системе входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». Об этом хорошо сказано в «Фейнмановских лекциях по физике»: «...можно взять какое-то число и спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним». Здесь «число» — это значение энергии. Дня того чтобы определить, существует такое равенство или нет, нужно составить энергетический баланс — подсчитать все потоки входящей энергии (обозначим их знаком ' — вход) и выходящей (обозначим их знаком " — выход). Чтобы не ошибиться и не пропустить какой-нибудь из них, окружим наш двигатель воображаемой оболочкой — контрольной поверхностью (она показана на рис. 2.5, штриховой линией). Потоки энергии обозначены стрелками. На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, вода, топливо и т. д.). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть
выходящую теплоту Q", поток энергии, выносимый отработавшим веществом Н", и, наконец, работу L". Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Н', обязательно должна быть равна выходящей W", т. е. сумме Q" -\-Н" -VL" (если, конечно, внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ^U = 0):
W' = Q* + Н' = QM + Н" + L" = W". (2.2)
Поскольку по первому закону все виды энергии эквивалентны, легко подсчитать значения каждой из этих величин в одних и тех же единицах (калориях, джоулях или киловатт-часах).
Из уравнения (2.2) следует, что отводимая работа в точности равна сумме изменений энергии рабочего тела и теплоты:
LM = <Q' - Q"H <Н' - H"Y (2.3)
Подсчитав их, мы найдем работу двигателя, равную L".
Из первого закона термодинамики следует, что получаемая работа не может быть ни меньше, ни больше L".
Первый случай ^W' > W'Y нас здесь не интересует, хотя он — тоже нарушение закона сохранения (энергия исчезает), но второй (энергия берется «ниоткуда») как раз и соответствует ррш-1. Такое устройство существовать не может.
Мы взяли для анализа общий, сложный случай — с теплотой и потоком вещества (в дальнейшем он понадобится тоже). Однако все рассмотренные в гл. 1 двигатели проще — они не связаны ни с тем, ни с другим1. Дня них уравнения (2.2) или (2.3) будут выглядеть более просто, так как Q = 0 и Tf = 0, а следовательно, и W' = 0. Тогда и
V = L" = 0, (2.4)
и работа этих устройств должна быть равна нулю. Если же изобретатель утверждает, что L ^ 0, то это будет только воображаемое, в реальности не могущее действовать устройство, противоречащее условию (2.4), т. е. ррш-1 (рис. 2.5, б).
Таким образом, первый закон термодинамики позволяет не вникать в детали устройства для того, чтобы определить — будет двигатель работать или нет. Нужно просто «заключить» его внутрь контрольной поверхности и подсчитать, сколько всего входит энергии (ИЦ и сколько выходит ^W"Y и если выходит больше, чем входит (W" > W'), то дискуссия закончена. Налицо нарушение закона природы: получение энергии из ничего. Вечный двигатель первого рода невозможен.
Естественно, что все, о чем говорилось выше, относится к любой технической или биологической системе: выходящая за определенный отрезок времени энергия Vv" должна быть равна входящей W'. В каждую из них, разумеется, нужно включить все потоки энергии, независимо от их вида. Кроме того, в общем случае нужно учесть и накопление
(или расходование) внутренних запасов энергии Д[/:
V №.(2.5)
Сказанное можно пояснить простым примером. Возьмем такую биологическую систему, как медведь. Осенью он поглощает с пищей ^Н' = W'^ большее количество энергии, чем расходует (с теплотой Q" и работой L"Y Поэтому он накапливает с жировыми запасами энергию Д[/. Следовательно, осенью его энергетический баланс активный: WoC = HqC > W"c = LqC + QqC. Однако зимой, во время спячки в берлоге, он вообще не получает энергию извне ^W' = 0); расход энергии включает работу L" = 0 (на дыхание, изменение позы и сосание лапы — он очень мал) и теплоту Q" = 0 для поддержания микроклимата в берлоге. Весь этот расход энергии W" = L" + Q" компенсируется уменьшением ее запасов Д[/. Следовательно, энергетический баланс для этого периода будет иметь вид 0 = W" + Д[/ или Q" + L" = ™Д[/. Чтобы он соблюдался, величина Д[/ должна быть отрицательной: запас внутренней энергии будет уменьшаться.
Первое начало термодинамики представляет собой мощное средство как научного познания природы, так и создания «второй природы» — техники. Для уже существующих систем оно позволяет проверить правильность любых теорий или результатов экспериментов, связанных с энергетикой. Если баланс по теории или по измерениям не сходится, значит, где-то допущена ошибка. Для вновь изобретенных систем проверка их энергетического баланса обязательна. Если W' ф № + W", то система существовать не может. При W' > ДЕ + W" энергия в ней «уничтожается», а при W' < № + W" — «возникает» из ничего (ррш-1). Первый закон показывает, что все это абсолютно невозможно, или, как иногда говорят, запрещено.
Казалось бы, полное и безоговорочное утверждение закона сохранения энергии и его все более широкая популяризация должны были привести к сокращению потока вновь изобретаемых ррш-1. К тому же «его величество пар» снял на долгое время проблему универсального двигателя. Однако существенного влияния на большинство изобретателей ррш-1 все это до конца первой четверти XX в. не оказало. Штурм неразрешимой задачи продолжался.
Последние вечные двигатели первого рода
Приведем для начала некоторые статистические данные по ррш-1, относящиеся к интересующему нас периоду. Естественно, они носят отрывочный характер, но все же достаточно показательны.
По данным Британского патентного бюро за время с 1617 г. (год начала выдачи патентов) по 1903 г. было подано более 600 заявок на ррш-1. Но из них только 25
относятся ко времени до 1850 г.; все остальные были поданы позже. Аналогичная картина наблюдалась и в других странах. Выходит, что как раз тогда, когда наука внесла в вопрос о ррт-1 полную ясность, произошла вспышка интереса к ррт-1.
Этот очередной парадокс с вечным двигателем объясняется просто. Мы уже видели, какое ожесточенное сопротивление идеи Майера и Джоуля встретили в научных кругах. Что же говорить об инженерах и других технических специалистах, и тем более о любителях, совсем далеких от науки?
Процесс распространения, внедрения и освоения новых представлений об энергии был довольно длительным. Ведь даже точные понятия об энергии, теплоте, работе и связанных с ними величинах окончательно установились только к середине XX в.. Даже к этому времени волна изобретений ррт-1 еще не сошла на нет (и вместе с тем поднялась новая — пошли изобретения ррт-2; об этом — дальше).
Вернемся, однако, к изобретателям ppm второй половины XIX и начала XX в.. Среди них были и честные энтузиасты, и проходимцы, не уступавшие самому Орфи- реусу. Если говорить о тех, кто вполне искренне верил в возможность ррт-1 и работал над ним, то большинство их творений удивительно напоминает то, что уже было изобретено раньше. Но есть и плоды новых веяний, связанных, главным образом, с электричеством.
Во всех случаях изобретатели, как и их средневековые предшественники, непоколебимо верили в успех своих разработок. Об этом свидетельствует хотя бы то, что на многих из них были предусмотрены тормоза, чтобы двигатель не разнесло при слишком больших оборотах.
Подробно описывать большую часть изобретений ррт-1, повторяющих уже известные идеи, нет смысла. Приведем для примера только четыре их образца.
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-ПредполагаемоеПредполагаемоеРис. 2.7. Вечный двигатель К. КайляРис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигательРис. 2.7. Вечный двигатель К. КайляРис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-
Предполагаемое
Предполагаемое
Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля
Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля
Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
Третий пример (рис. 2.8) относится к концу XIX в.; этот двигатель тоже повторяет старую «капиллярно-фитильную» идею. Жидкость под действием сил поверхностного натяжения поднимется по фитилю, но эти же силы не дадут ей стекать в верхний резервуар.
Наконец, на рис. 2.9 показан гидравлический (поплавковый) двигатель, который был предложен американцем Г. Готцем. Двухколенная трубка круглого сечения заполнена двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности (например, ртутью и водой). Трубы заполнены шарами, плотность которых такова, что они всплывают даже в более легкой жидкости. По мысли автора шары в правом колене будут постоянно (под действием веса тех трех шаров, которые находятся над жидкостью) проталкиваться в левое колено трубы и там всплывать. Очередной всплывший в левом колене шар должен сваливаться на колесо, приводя его в движение своим весом, и возвращаться в правое колено.
Из этой идеи опять, естественно, ничего не получится, так как тяжелая жидкость, несмотря на то, что ее уровень ниже, выталкивает шары с той же архимедовой силой, с которой это делает легкая жидкость. В обоих коленах уровни жидкости автоматически (как будто они знают закон сохранения энергии) установятся так, чтобы эти силы сравнялись и устройство не работало.
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-ПредполагаемоеПредполагаемоеРис. 2.7. Вечный двигатель К. КайляРис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигательРис. 2.7. Вечный двигатель К. КайляРис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-
7777777777777777777777777774777777777777777777777777777-
Предполагаемое
Предполагаемое
Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля
Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
Рис. 2.7. Вечный двигатель К. Кайля
Рис. 2.8. Капиллярно-фитильный вечный двигатель
Третий пример (рис. 2.8) относится к концу XIX в.; этот двигатель тоже повторяет старую «капиллярно-фитильную» идею. Жидкость под действием сил поверхностного натяжения поднимется по фитилю, но эти же силы не дадут ей стекать в верхний резервуар.
Наконец, на рис. 2.9 показан гидравлический (поплавковый) двигатель, который был предложен американцем Г. Готцем. Двухколенная трубка круглого сечения заполнена двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности (например, ртутью и водой). Трубы заполнены шарами, плотность которых такова, что они всплывают даже в более легкой жидкости. По мысли автора шары в правом колене будут постоянно (под действием веса тех трех шаров, которые находятся над жидкостью) проталкиваться в левое колено трубы и там всплывать. Очередной всплывший в левом колене шар должен сваливаться на колесо, приводя его в движение своим весом, и возвращаться в правое колено.
Из этой идеи опять, естественно, ничего не получится, так как тяжелая жидкость, несмотря на то, что ее уровень ниже, выталкивает шары с той же архимедовой силой, с которой это делает легкая жидкость. В обоих коленах уровни жидкости автоматически (как будто они знают закон сохранения энергии) установятся так, чтобы эти силы сравнялись и устройство не работало.
Рис. 2.9. Гидравлический двухжидкостный вечный двигатель Г. ГотцаРис. 2.9. Гидравлический двухжидкостный вечный двигатель Г. ГотцаРазбор разных вариантов механических и гидравлических ррт-1, предложенных после установления закона сохранения энергии, можно продолжить. Анализ таких изобретений — хорошая тренировка в умении находить и применять соответствующие физические законы. Читателям, интересующимся другими вариантами этих устройств, можно обратиться к соответствующей литературе [2.1-2.6].
Рис. 2.9. Гидравлический двухжидкостный вечный двигатель Г. Готца
Рис. 2.9. Гидравлический двухжидкостный вечный двигатель Г. Готца
Мы перейдем к другим ррш-1, больше соответствующим духу времени по использованным в них силам. На первый взгляд они вносят новую, живую струю в идейную основу ррш-1.
Действительно, электрические и электрохимические явления, которые в них используются вместо шаров, колес, поплавков и фитилей, создают впечатление некоторой новизны. Но, увы, и здесь в основе все остается на том же уровне. Рассмотрим два таких новых проекта (другие в том или ином виде представляют их модификации). Имен многочисленных авторов этих изобретений можно не упоминать: борьба за приоритет здесь не имеет практического смысла. На рис. 2.10 показан в двух вариантах электромеханический ррш-1. Идея его до гениальности проста. На одном общем валу установлены двигатель постоянного тока и электрогенератор (тоже постоянного тока), соединенные проводами с аккумулятором и потребителем вырабатываемой электроэнергии.
Для пуска системы в ход нужно предварительно зарядить аккумулятор. Дальше следует запустить от него электродвигатель. Двигатель будет крутить генератор, который вырабатывает не только нужную потребителю энергию, но и ту, которая необходима электромотору. Аккумулятор будет играть роль буферной энергетической системы. Если потребитель будет брать больше, чем вырабатывает генератор (за вычетом энергии, нужной для электромотора), то он будет отдавать энергию. Напротив, если потребитель будет брать меньше, то энергия накопится в аккумуляторе.
Совершенно очевидно, что генератор, даже в идеальном случае, выработает ровно столько энергии, сколько возьмет электромотор; в реальных условиях его мощности не хватит даже и на это. Запущенная система, израсходовав энергию, запасенную аккумулятором из внешнего источника, неизбежно остановится. Она не сможет даже обеспечить сама себя, не говоря уже об отдаче энергии потребителю. Второй вариант отличается только тем, что вместо электрического аккумулятора энергии использован механический — тяжелый маховик. Его нужно предварительно- раскрутить, чтобы двигатель заработал. Конечный результат, естественно, будет тем же:
Рис. 2.10. Схема двух вариантов электрического ppm: а — чисто электрический двигатель; б — электромеханический двигатель; 1 — электрогенератор постоянного тока; 2 — электродвигатель; 3 — электрический аккумулятор; 4 — стартовый двигатель; 5 — маховик; б — полезная нагрузкаРис. 2.10. Схема двух вариантов электрического ppm: а — чисто электрический двигатель; б — электромеханический двигатель; 1 — электрогенератор постоянного тока; 2 — электродвигатель; 3 — электрический аккумулятор; 4 — стартовый двигатель; 5 — маховик; б — полезная нагрузкаизрасходовав энергию маховика на трение и электрические потери, двигатель остановится. Если составить энергетический баланс такой машины, он будет иметь очень простой вид: 0 = W". Полезная энергия W" отводится,
Рис. 2.10. Схема двух вариантов электрического ppm: а — чисто электрический двигатель; б — электромеханический двигатель; 1 — электрогенератор постоянного тока; 2 — электродвигатель; 3 — электрический аккумулятор; 4 — стартовый двигатель; 5 — маховик; б — полезная нагрузка
Рис. 2.10. Схема двух вариантов электрического ppm: а — чисто электрический двигатель; б — электромеханический двигатель; 1 — электрогенератор постоянного тока; 2 — электродвигатель; 3 — электрический аккумулятор; 4 — стартовый двигатель; 5 — маховик; б — полезная нагрузка
но внутрь через контрольную поверхность ничего не поступает: W' = 0. Первый закон термодинамики не соблюдается. Если учесть трение и электрические потери, отводимые в виде теплоты Q". то уравнение примет вид 0 = QH + Wn. Чтобы это равенство соблюдалось, Wn должно быть отрицательным. Другими словами, чтобы этот «двигатель» работал, его нужно крутить извне!
В электрохимическом ppm, показанном на рис. 2.11, использована та же идея — «сам себя обеспечиваю, а избыток отдаю», что и в электромеханическом ppm.
Рис. 2.11. Электрохимический ppm: 1 — U-образная трубка с электродами (электролизер воды); 2 — аккумулятор; 3 — газовая турбина; 4 — сборник конденсата; 5 — электрогенератор
При начале работы система запускается от аккумулятора. Вода разлагается электрическим током на водород и кислород, которые подаются в газовую турбину. Здесь они реагируют (водород сгорает в кислороде), и горячие газы крутят турбину. Турбина приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, идущую по трем адресам: к внешнему потребителю, на разложение воды и, наконец, на подзарядку аккумулятора, нужного как для запуска, так и в качестве буферной электрической емкости. Отработавший в турбине пар конденсируется в воду, которая возвращается в электролизер; цикл замыкается.
Здесь все хорошо и правильно, кроме одной, но решающей детали: в самом идеальном случае генератор сможет выработать лишь столько энергии, сколько потребляет электролизер, и ни на джоуль больше. В реальных условиях этой энергии не хватит, чтобы разложить всю воду. Поэтому запущенная установка, израсходовав энергию аккумулятора на получение при старте порций О 2 и Н2, неизбежно остановится. Свести энергетический баланс здесь будет так же невозможно, как и в электромеханическом ppm.
Подводя итоги рассмотрению самых разных моделей ррш-1, можно сделать вывод, что все они в конечном счете
основаны на принципе «произвожу нечто из ничего». Это «нечто» — работа, которую пытались получить изобретатели ррт-1, неизбежно оборачивалась ничем. Двигателю обязательно нужна была энергетическая «подпитка».
Изобретатели типа Орфиреуса в конце концов поняли это и прибегли к постороннему источнику энергии, чтобы их ррт-1 делали работу. У Орфиреуса использовался «биологический привод» (служанка или брат); его последователи не ограничились этим. Некоторые из них пошли дальше.
Вспомним здесь двух из них.
Американец Чарльз Рэдгофер, начал свою карьеру в Филадельфии, где показывал вечный двигатель, приводивший в движение точильный камень. За вход он брал с мужчин солидную плату — 5 долларов, зато женщин пускал бесплатно. Когда городской совет Филадельфии заинтересовался его деятельностью, он счел за благо перебраться в Нью-Йорк, где продолжил с 1813 г. демонстрацию своего двигателя.
Идея машины была не нова — те же грузы и то же колесо, в котором они перекатывались. Это был «обычный» гравитационный ррт-1 с наклонными перегородками и шарами. Рэдгофер исправно собирал доллары с доверчивой публики. Все шло хорошо, поскольку было трудно рассчитывать в то время на появление среди зрителей в таком городе, как Нью-Йорк, человека, достаточно научно подготовленного для того, чтобы разоблачить изобретателя.
Но Рэдгоферу фатально не повезло. Надо же было так случиться, что его аттракцион посетил не кто иной, как Роберт Фултон, изобретатель и конструктор первого действующего парохода. Примечательно, что он не хотел идти смотреть машину Рэдгофера, и друзья затащили его туда почти силой.
Известно, что Фултон был не только одним из самых образованных и квалифицированных инженеров своего времени, но и очень решительным человеком. По неравномерности движения колеса он сразу понял, в чем дело. Не долго думая, он публично объявил Рэдгофера мошенником и сразу же приступил к делу — стал разбирать кожух сбоку колеса, чтобы найти, почему оно крутится. Изобретатель пытался протестовать, но Фултон сразу заявил, что заплатит за нанесенный ущерб. Тем самым он не только вызвал интерес и поддержку публики, но и подвел под свои дей-
ствия некоторую, по американским понятиям вполне достаточную, юридическую базу. Рэдгофер уже не мог его остановить. Был найден скрытый ременный привод, проходивший сквозь стену и потолок на чердак. Когда толпа ворвалась в комнатку, находившуюся на чердаке, то увидела пожилого мужчину с длинной бородой, который жевал хлеб и вращал рукоятку. Вся «цепочка энергетических превращений», таким образом, была раскрыта, и бедный изобретатель тут же на месте был наказан зрителями.
Рэдгофер все же выглядит примитивным жуликом по сравнению с другим американцем — Джоном Кили, работавшим над ррш-1 позже — уже во второй половине XIX в. Здесь не только уровень техники намного выше, но и размах финансовой деятельности не идет ни в какое сравнение с жалкой лавочкой Рэдгофера. Кили поставил дело с истинно американской предприимчивостью1.
Джон Кили (1837-1898 гг.) происходил тоже из Филадельфии. Он был плотником и до тридцатипятилетнего возраста никак не проявлял себя в области наук. Более того, данных о том, что он получил какое-либо образование, нет. Однако через год многим читателям газет стало известно, что он открыл некую «эфирную силу», которую можно получить «расщеплением» обыкновенной воды. Надо только организовать производство соответствующих двигателей и тогда, используя небольшое количество воды, можно будет получать огромные количества энергии. На выставке, специально устроенной для этой цели в его родном городе Филадельфии, Кили демонстрировал свой вечный двигатель, работающий на этой «эфирной силе». Он быстро нашел среди крупных промышленных воротил людей, желающих вложить часть своих капиталов в разработку этой энергетической жилы, сулящей огромные прибыли. Была создана «Компания по производству моторов Кили» с капиталом в 5 млн. долларов. Доверие акционеров поддерживалось не только учеными речами, на которые Кили был большой мастер, рекламой в печати, но и новыми научно-техническими достижениями. Главным из них было создание агрегата под названием «Либерейтор» (освободитель), который расщеплял воду, «освобождая энергию». Кили утверждал, что его мотор, заправленный одной квартой (1,1 л) воды, мог провести пассажирский поезд попе-
^одробно история Д. Кили изложена А. Орд-Хьюмом [2.5]. Здесь мы ограничимся только кратким описанием.
рек всего американского континента — от Филадельфии до Сан-Франциско, а если израсходовать больше — один галлон (3,79 л), то можно пройти от Нью-Йорка до того же Сан-Франциско на морском судне. Можно представить себе, какие прибыли сулила такая техника!
Так прошло пять лет (1875-1880 гг.), в течение которых фирма Кили процветала и ее акции охотно раскупались, несмотря на то, что ни одного мотора выпущено не было. В немалой степени этому способствовало и то, что нашлись ученые (правда, не физики и не энергетики), которые активно его поддерживали.
Однако в конце концов противоречие между грандиозными обещаниями Кили и скромными результатами его деятельности привело к тому, что главные акционеры «Компании по производству моторов Кили» перестали его финансировать. В газетах стали появляться скептические статьи настоящих специалистов-физиков (доктора Крессона, Бархера и других), которые прямо обвиняли Кили в шарлатанстве. «Корабль» Кили явно вскоре должен был пойти на дно.
Однако случилось нечто совершенно неожиданное: Кили вдруг получил мощную финансовую и моральную поддержку, которая не только помогла ему «остаться на плаву», но и обрести новые силы. Французы в таких загадочных случаях говорят cherchez la femme — «ищите женщину». Такой женщиной оказалась миссис Мур, богатая вдова филадельфийского бумажного фабриканта. Она прочла в одном номере газеты две статьи. В первой рассказывалось о бедственном положении Кили, который, дойдя до полной нищеты, упорно работает над своим изобретением. В другой была описана история некоего изобретателя, не понятого современниками и погибшего в одиночестве; лишь после смерти его труд был оценен.
Совместное действие этих публикаций было настолько сильным, что вдова отыскала Кили, познакомилась с ним и... наступил новый период его творчества. Это было в 1882 г. Нужды в деньгах опять не было: состояние вдовы превышало 5 млн. долларов (та же цифра, что и активы «Компании по производству моторов Кили»).
Вдохновленный вдовой, Кили сделал новое открытие — «вибрационную силу в жидкости, находящейся между атомами безграничного эфира». Кроме того, он выиграл (правда, с большим трудом) процесс против акционеров «Компании по производству моторов Кили», требовавших компенсации.
Безгранично веря в талант, открытия и изобретения Кили, миссис Мур решила привлечь для поддержки его дела известных ученых и инженеров. Эта идея не вызывала особого восторга у Кили, но отказать полностью своей покровительнице он не мог.
Как всегда в подобных случаях, эксперты разделились на три группы. Большинство приглашенных, в том числе и такие знаменитости, как Т. Эдисон и Н. Тесла, отказались от участия в экспертизе, не желая тратить время на эти не внушавшие доверия дела. Несколько ученых мужей дали положительные отзывы о трудах Кили. Особенно отличился английский физик У. Леселесс-Скотт. Он имел возможность осмотреть все оборудование и даже ознакомиться с инструкцией по его обслуживанию. Профессор тщательно изучил предмет, после чего публично заявил: «Кили с неоспоримой убедительностью продемонстрировал наличие силы, дотоле неизвестной». Тем самым он продолжил славную традицию, начало которой положили высокоученые эксперты вроде Гравезанда и других, поддержавших в свое время Орфиреуса.
Наконец, среди приглашенных для экспертизы специалистов нашлись и такие, которые соединяли в себе достаточно высокую научно-инженерную квалификацию и некий спортивно-детективный дух. Они проявили интерес к раскрытию чудес, демонстрировавшихся Кили, и решили докопаться до истины. Это были инженер-электрик А. Скотт и президент Спрингсгарденского университета А. Берк.
Они выяснили, на чем были основаны удивительные эффекты, которые показывал Кили. В частности, он демонстрировал металлические шары и диски, которые, находясь в воде, по команде (и даже под музыку!) всплывали на поверхность, зависали под ней или тонули под действием таинственных сил. Скотт и Берк догадались, что все эти объекты представляли собой полые сосуды, которые меняли объем при изменении давления воздуха, подаваемого в них по тонким полым трубкам. Скотт даже незаметно обломил одну из них и убедился в правильности вывода, к
которому он пришел вместе с Берком. Результаты были доложены миссис Мур. В 1896 г. она прекратила поддержку Кили. Все же она была доброй женщиной и оставила изобретателю пожизненную ежемесячную «стипендию» в размере 250 долларов.
Когда Кили в 1898 г. умер, его дом был осмотрен; в подвале была обнаружена целая компрессорная станция, схема которой была опубликована в «Нью-Йорк джорнэл».
Таким образом, Кили занимался надувательством не только в переносном, но и в самом прямом смысле. Созданные им пневматические устройства (в том числе ружье) свидетельствуют о несомненном инженерном таланте и техническом мастерстве. Невольно возникает мысль, что, несмотря на отсутствие образования, он был намного способнее и умнее обманутого им ученого профессора Лесе- лесса-Скотта.
Кили прекрасно понимал, что, пройдя по пути финансовых афер, он не мог претендовать на место в истории техники. Уже будучи стариком, он сказал одному из своих друзей, что на своей могиле хотел бы иметь эпитафию: «Кили, величайший мошенник XIX в.».
Идея создать двигатель, работающий на основе извлечения энергии из воды или воздуха, несмотря на неудачу Кили, продолжает жить. Действительно, что может быть лучше, благо «топлива» для таких машин — воды вполне достаточно. Однако в условиях нашего времени иэвлечение энергии из воды с помощью примитивной «эфирной силы» уже не годится: в ход пошли современные, «ученые» подходы. Такие слова или их сочетания, как «кванты», «электронные оболочки», «водородные связи» и т.д. звучат более убедительно. Некоторые журналисты легко «клюют» на рекламу и слухи о таких изобретениях, излагая, как достоверный материал, фантастические истории о сенсационных изобретениях.
Вот два характерных примера.
В газете «Труд» от 20.06.1993 в статье ее корреспондента В. Фролова описываются творческие подвиги жителя города Омска Александра Никитича Тетерина. Корреспондент возмущается косностью экспертизы, которая отвергла в 1967 г. заявку изобретателя на двигатель, работающий на воде, а затем и другую заявку — тоже на двигатель, но работающий на атмосферном воздухе. Далее упоминается некий испанец — Артур Эскевелес Валеро, который три
года спустя «ездил на автомобиле, двигатель которого работал на воде». «А через два года тот же испанец ездил по дорогам на автомобиле с воздушным двигателем»1.
Дальше в заметке приводятся научные откровения изобретателя из Омска.
«Он в результате опытов установил, что взрывчатым веществом является плазма внутренней электронной оболочки атома кислорода». Статья заканчивается сравнительно осторожным прогнозом: «Не исключено, что такие двигатели совершат настоящую революцию в технике. Только представьте себе: мы совершенно не зависим от роста цен на энергоносители». Но дальше автор все же предупреждает возможных скептиков — им может не поздоровиться. «Между прочим, во время одного из запусков неверящий чудак пытался остановить вал машины. Ему оторвало два пальца, после чего он поверил. Если кто не верит, тоже можно попробовать». Как тут не вспомнить «газированный автомобиль» из детской книжки «Приключения незнайки» Н. Носова! Единственное отличие в том, что у Тетерина вода негазированная.
Второй пример связан с изобретением, реклама и история которого не идет ни в какое сравнение даже с «водяным автомобилем» Тетерина. Здесь размах деятельности и рекламы намного больше и вполне сопоставим с тем, который более 100 лет назад показал Кили. Мнение, что такие истории могли происходить только в давние времена, более, чем 100 лет назад, оказывается наивным. Наш «просвещенный век» может порождать сенсации ничуть не хуже, и тоже основанные на воде!
Речь идет о не так давно широко разрекламированном изобретении Юрия Потапова. Газета «Деловой мир» (от 6.12.1994) отрекомендовала его, как доктора технических наук, профессора и заслуженного изобретателя Молдавии.
Идейные основы своего изобретения автор излагает в интервью так: «Вода таит в себе огромные резервы энергии. И не я это первым открыл. Еще в 20-е годы акаде-
’Так случилось, что в 1995 г. автор этой книги был в Испании по приглашению профессора Сарагосского университета по фамилии Валеро, и подарил ему экземпляр этой книги, переведенной на испанский язык (изд.«Мир». 1990). В связи с этим возник разговор о том Валеро, который якобы разъезжал по Испании на «водяном» и «воздушном» автомобилях. Трудно передать изумление моего собеседника — я не знал испанских слов, которые он сказал, но смысл их был мне понятен.
мик Коанца — румынский ученый, работавший в США — доказал, что обыкновенная вода практически неисчерпаемый источник энергии... Сейчас многие в мире бьются над задачей высвобождения скрытой в этой жидкости энергии. Создали и американцы теплогенератор, работающий на воде, правда, их результаты гораздо скромнее: КПД составил 117%. Но со временем и они добьются гораздо большего... За счет каких же процессов выделяет энергию мой генератор? Прежде всего за счет высокой скорости движения воды и трения. Тепло выделяется также в ходе изменения формы молекулы воды и каким-то образом нарушенным водородным связям в жидкости. Далее, теплогенератор устроен так, что во время его работы идет послойная кавитация жидкости. Кавитационные пузырьки выделяют большое количество тепла», (далее идет описание известного явления кавитации. В.Б.) «Но мы заставили этот процесс, известный в технике как вредный, вырабатывать тепло. И, наконец, в нашем теплогенераторе используется гидродинамический эффект. Разогнав жидкость до большой скорости, мы ее резко тормозим, что также приводит к выделению значительного количества тепла... Я назвал четыре эффекта, есть и другие».
В рекламных материалах 1996 г. (их автор — корреспондент «БСТ» А.В. Владимиров) дается, в дополнение к приведенной выше, еще более «ученая» информация. Вот несколько выдержек из нее.
«...Создан уникальный квантовый гидравлический объемный двигатель, обладающий огромной удельной мощностью и высоким крутящим моментом. И, что важно, он не содержит движущихся, трущихся частей типа поршня, цилиндра, распредвала и др. Он в 10 раз эффективнее, чем двигатель внутреннего сгорания и не нуждается в ремонте. Квантовый двигатель работает не на принципе сжигания топлива, а потому он экологически чист».
«...Заметим: коэффициент эффективности преобразования энергии «потаповских устройств» по сравнению с традиционными превышает 1200%х».
1Ддя количественной характеристики этих небывалых устройств используется и небывалая единица измерения — кВт/ч. Известно, что единица мощности — кВт уже содержит в знаменателе время (кВт — это кДж/сек). Если ее еще раз отнести ко времени, получится нечто лишенное смысла. В конце концов это логично — несуществующую энергию и надо мерить несуществующей единицей.
В завершение следует удивительный пассаж: «И вот сегодня выход из планетарного тупика видится в использовании холодного ядерного синтеза, а в дальнейшем — в прямом превращении материи в энергию как экологически чистого и безопасного метода получения тепловой и электрической энергии, что в 1000 раз эффективнее ядерного реактора»1. Вот так!
Совершенно естественно, что этакий глобальный переворот должен сказаться не только в энергетике; он неизбежно приведет к радикальным изменениям в судьбах человечества. Представители ученого мира в такой ситуации не могли остаться в стороне.
Корреспондент «БСТ» Владимиров цитирует мнение профессора, доктора технических наук, зав. кафедрой МАДИ Л.Г. Сапогина. «Теплогенератор Потапова» (которого он характеризует как «создателя унитарной квантовой теории, обуславливающей энергетику будущего тысячелетия») — это прорыв в науке и технике. Его изделие по всем показателям и простоте технических решений не имеет аналогов.
Очевидно — явление высокоэффективного превращения вещества в энергию. При этом соблюдается закон сокращения (возможно опечатка — «закон сохранения» — В.Б). А высокий эффект разумно объясняет квантовая теория. Это по сути квантовый генератор».
Другой доктор наук, профессор В. Никитский (научноисследовательский центр «Энергия») заявил: Мы... считаем, что сейчас нет никаких преград для установки на космических кораблях и станциях теплогенераторов топлива... Думаю, что применение теплогенераторов и установок Потапова в космосе — решение энергетической проблемы».
Весь этот сценарий удивительно схож с историей изобретений Кили, описанной выше (за исключением, правда, ее романтической части, связанной с участием вдовы миллионера). В остальном сходство удивительное, включая уровень профессорской «научной экспертизы» в традициях
Интересно отметить, что в том же номере газеты «Деловой мир», где опубликована цитируемая выше статья «Тепло вашему дому» помещена реклама билетов печально известной финансовой пирамиды «МММ» с цифрами месячного роста их рыночной стоимости (на 325%!).
Как заметил в свое время А.С. Пушкин: «бывают странные сближения»!
сторонника Кили — профессора У. Лесслес-Скотта. Как тут не вспомнить «эфирную силу» Кили для расщепления воды! Правда, в духе времени она заменена на действие «квантового генератора», а «внедрение» предполагается уже не на морских судах, а в космосе. Меняются лишь словесная оболочка и имена, а неприглядное существо — безграмотность, остается...
Вечный двигательв художественной литературе
Истории взлетов и падений Бесслера-Орфиреуса, Д. Кили и их продолжателей наглядно показывают, какой интересный материал для искусства, в частности для художественной литературы, представляют как люди, изобретающие ppm, содействующие или препятствующие им, так и происходящие вокруг них события.
К сожалению, этот сюжет не нашел достаточно широкого отражения в художественной литературе, хотя упоминания о ppm встречаются довольно часто.
Можно назвать лишь немного произведений, специально посвященных этой теме. В зарубежной литературе это небольшая фантастическая повесть немецкого писателя Пауля Шеербарта (1863-1915 гг.) «Перпетуум мобиле. История одного изобретения» [4.1], вышедшая в 1910 г.
В русской литературе прежде всего нужно назвать один из сюжетов в повести М.Е. Салтыкова-Щедрина «Современная идиллия» [4.2], затем повесть писателя Е.М. Петропавловского «Perpetuum mobile» [4.3] и, наконец, рассказ В. Шукшина «Упорный» [4.4].
Каждое из перечисленных произведений интересно по- своему и дает многое для понимания личности создателя ppm, чего нет (и не может быть) в научной литературе.
Время действия в первых трех из перечисленных повестей и рассказов относится ко второй половине XIX и началу XX в.; действующие лица рассказа В. Шукшина — наши современники.
Герой романа Шеербарта — изобретатель, мечтающий создать механический ppm на основе использования гравитационных сил: «построить зубчатое колесо, движимое грузами». Идейная основа изобретения такова: «Притяжение Земли вечно, и эту вечную работу притяжения можно посредством колес превратить в вечное движение».
С законом сохранения энергии герой рассказа справляется очень просто: «Какое мне дело до Роберта Майера?... Физики мне всегда были ненавистны».
Автор дает своему герою возможность решить задачу и построить вечный двигатель, который действительно работает.
Переживания героя романа связаны не столько с научнотехническими, сколько с социальными проблемами. Изобретатель думает о том, как преобразится мир, располагающий неограниченными энергетическими возможностями. Тут и превращение Сахары в плодоносную область, срытие ненужных гор, гигантские строительные работы...
Несмотря на такие радужные перспективы, дело кончается ничем. Последствия использования изобретения ppm оказались столь грандиозными, что автор (а вслед за ним, естественно, и его герой) просто испугался. Потрясения, которые может вызвать обилие энергии, остановили изобретателя, и созданная им машина не была использована; она была уничтожена, и все осталось в прежнем виде.
У Салтыкова-Щедрина, так же как и у Петропавловского, в отличие от Шеербарта, в повестях об изобретателях ppm нет ничего фантастического. Более того, прототипы их героев — реально существовавшие люди. В «Современной идиллии» выведен под именем «мещанина Пре- зентова» крестьянин-сибиряк Александр Щеглов, изобретатель-самоучка. У Петропавловского под именем изобретателя Пыхтина изображен крестьянин-пермяк Лаврентий Болдырев, лично ему знакомый.
Оба двигателя описаны в рассказах очень ярко и достаточно подробно. Очень живописно представлены и сами изобретатели. Здесь, не приводя длинных цитат, отметим только некоторые, интересные для истории ppm моменты.
Двигатель Щеглова представлял собой колесо «...со спицами. Обод его, довольно объемистый, сколочен был из тесин, внутри которых была пустота. В этой пустоте и помещался механизм, составлявший секрет изобретателя. Секрет, конечно, не особенно мудрый, вроде мешков с
песком, которым предоставлялось взаимно друг друга уравновешивать...».
У Болдырева (Пыхтина) машина выглядела так: «Виднелись плохо отесанные деревянные столбы, перекладины и целая система колес, маховых и зубчатых... В самом низу, под машиной, лежали какие-то чугунные шары; целая куча этих шаров лежала и в стороне...».
Нетрудно видеть, что в обоих случаях у изобретателей возникли по существу те же идеи, что и у западноевропейских и американских изобретателей механических ррш-1. Поразительное сходство мыслей можно обнаружить (несмотря на разницу в форме их выражения) и в анализе причин, по которым машины, после того как их раскрутили, неизбежно останавливались. Всегда объяснение сводится к какому-нибудь частному недостатку конструкции, сборки или качеству материала.
Презентов, например, на вопрос одного из посетителей: «Трения, может быть, в расчет не приняли?» — ответил: «И трение в расчете было... Что трение? Не от трения это, а так... Иной раз словно порадует, а потом вдруг... закапризничает, заупрямится и шабаш. Кабы колесо из настоящего материалу было сделано, а то так, обрезки какие-то».
Интересно отметить еще одну черту сходства: оба изобретателя придают важное значение первому толчку, раскрутке машины. Когда двигатель очередной раз остановился, Презентов сказал: «Надо импет дать», — и снова толкнул машину. Невольно вспоминается теория «импетуса» Буридана, высказанная в XIV в.
Оба героя этих рассказов — несомненно талантливые люди, которые, если бы могли получить образование, принесли бы большую пользу. Но в условиях царской России это было почти невозможно.
Петропавловский (С. Карелин) писал об этом в очерке «Урал, представленный на Екатеринбургской выставке» («Русская мысль», 1887 г.): «Вы здесь не найдете ни одного грамотного ярлыка на кустарном экспонате, а если вздумаете поговорить с самим кустарем, то поразитесь его темнотою...
...Это в особенности надо сказать о тех случаях, когда кустарь начинает фантазировать, изобретая что-то новое. Тут он ходит в совершенных потемках; для него в этом случае ничто не составляет ломать голову над perpetuum mobile... разве он знает, что это нелепо? Он верит, что вечную машину можно придумать, если иметь хорошую «башку»...
...Тяжело смотреть, что в стране такой напряженной заводской и ремесленной деятельности нет ни одного ремесленного училища, ни одной технической школы, доступной для всех...».
Теперь перенесемся на 100 лет вперед, в наше время, когда учиться могут все. Несмотря на это и в наше время люди изобретают ррш-1.
О таком изобретателе и писал В. Шукшин. Но в отличие от мрачных и тяжелых событий прошлого века история, описанная им, носит не трагический, а скорее комический характер.
Герой Шукшина «упорный» изобретатель — совхозный шофер Дмитрий Квасов по прозвищу «Моня», прочитавший «...в какой-то книжке, что вечный двигатель — невозможен. По тем-то и тем-то причинам...».
«Прочитал, что многие и многие пытались все же изобрести такой двигатель... Посмотрел внимательно рисунки тех «вечных двигателей», какие — в разные времена — предлагались... И задумался.» Интересно описаны манера чтения и ход мыслей Мони Квасова: «Что трение там, законы механики — он все это пропустил, а сразу с головой ушел в изобретение такого вечного двигателя, которого еще не было. Он почему-то не поверил, что такой двигатель невозможен. Как-то так бывало с ним, что... от всяких трезвых мыслей он с пренебрежением отмахивался и думал свое: «Да ладно, будут тут мне...» И теперь он тоже подумал: «Да ну!... Что значит — невозможно?».
Дальше Шукшин показывает состояние, известное по собственному опыту каждому творческому человеку: «Моня перестал видеть и понимать все вокруг, весь отдался великой изобретательской задаче. Что бы он ни делал — ехал на машине, ужинал, смотрел телевизор — все мысли о двигателе. Он набросал уже около десятка вариантов двигателя, но сам же браковал их один за другим. Мысль работала судорожно. Моня вскакивал ночами, чертил какое- нибудь очередное колесо... В своих догадках он все время топтался вокруг колеса, сразу с колеса начал и продолжал искать новые и новые способы — как заставить колесо постоянно вертеться. И, наконец, способ был найден. Вот он: берется колесо,...»
Шукшин дает подробное описание двигателя Мони Квасова. Сделано это блестяще «сквозь» характер самого изобретателя, очень серьезно, с подробностями (есть все: «груз, желоб под углом в 45 градусов», «жестко приваренный же-
лезный стерженек» и т. д.), но понять из него ничего нельзя. Кончается описание словами «Таким образом колесо само себя будет крутить».
Замечательно показано состояние изобретателя, успешно, наконец, решившего задачу.
«Моня придумал это ночью... Вскочил, начертил колесо, желоб, стерженек, грузик... И даже не испытал особой радости, только удивился: чего же они столько времени головы-то ломали!» И утром: «...Подсел к столу, посмотрел свой чертежик. Странно, что он не волновался и не радовался. Покой все пребывал в душе...».
Днем Моня пошел показать свой проект (сказать свое «фэ», как он выразился) молодому инженеру РТС Андрею Голубеву. Очень интересную беседу между ними здесь, к сожалению, привести нельзя — она займет много места. Обратим только внимание на то, как изобретатель реагировал на насмешливый скепсис («ехидство») инженера. «Моня обеспокоился. Не то, что он усомнился вдруг в своем двигателе, а то обеспокоило, до каких же оказывается, глубин вошло в сознание людей, что вечный двигатель невозможен. Этак —и выдумаешь его, а они будут твердить: невозможен.»
После того как инженер оценил его работу словом «бредятина» и отказался даже смотреть чертеж, а учитель физики доказал, что в устройстве будет «абсолютное равенство» сил, Моня «...сгреб чертежи и пошел вон Он ушел в сарай и начал делать вечный двигатель.» И он его сделал. Несмотря на все попытки, произошло неизбежное — колесо, немного повертевшись, останавливалось. Моня потерпел поражение.
Очень интересен конец рассказа — как Моня все же взял реванш и посрамил и инженера, и всю его науку.
На следующее утро Моня пришел к дому инженера.
— «Доброе утро! — сказал Моня, остановившись у изгороди. И смотрел на инженера мирно и весело.
— Здорово! — откликнулся инженер.
— А ведь крутится! — сказал Моня. — Колесо-то...
— Двигатель, что ли?
— Двигатель. Колесо-то крутится... Всю ночь крутилось... И сейчас крутится. Мне надоело смотреть, я пошел малость пройтись.
Инженер теперь ничего не понимал. Моня был нисколько не пристыженный, а даже какой-то просветленный.» Инженер согласился посмотреть.
«— И всю ночь крутится? — не удержался и еще раз спросил инженер перед самым домом Мони. И посмотрел пристально на Моню, Моня преспокойно выдержал его взгляд и, вроде сам тоже изумляясь, сказал:
— Всю ночь! Часов с десяти вечера толкнул его и вот... сколько уже сейчас?
Инженер не посмотрел на часы, шел с Моней, крайне озадаченный, хоть старался не показать этого, щадя свое инженерное звание. Моне даже смешно стало, глядя на него, но он тоже не показал, что смешно.
— Приготовились! — сказал он, остановившись перед дверью сарая. Посмотрел на инженера и пнул дверь... И посторонился, чтобы тот прошел внутрь и увидел колесо. И сам тоже вошел в сарай — крайне интересно стало: как инженер обнаружит, что колесо не крутится.
— Ну-у, — сказал инженер. Я думал, ты хоть фокус какой-нибудь придумал. Не смешно, парень.
— Ну, извини, — сказал Моня, довольный.»
В этой сценке Шукшин очень тонко подметил ощущение инженера, столкнувшегося с непонятным явлением. Инженер, конечно, не сомневался в том, что закон сохранения энергии будет действовать. Вызывало опасения другое: сможет ли он быстро найти причину «фокуса», из-за которого колесо вертится?
Такое ощущение хорошо знакомо многим, даже очень квалифицированным экспертам.
Так изобретатель вечного двигателя Моня Квасов, несмотря на поражение в споре с инженером, «свел счет вничью». Рассказ кончается, несмотря на неудачу Мони, оптимистично.
Еще более интересные события с велосипедным колесом и вечным двигателем произошли не так давно на другом конце Европы — в Англии. Об этом рассказывается в гл. 4.
Интересно, что велосипедное колесо почему-то играет очень заметную роль в последней стадии истории вечного двигателя первого рода. О том, что идея Мони Квасова живет, свидетельствует заметка в журнале «Изобретатель и рационализатор», 1984 г. №7. Она опубликована в разделе, специально посвященном ppm — «хроника перпетомобилиз- ма». Приводим ее с небольшими сокращениями. «Вечный двигатель из велосипедного колеса. В августе 1980 г. вез я на велосипеде траву для своих кроликов, попал под дождь... Скользко, мешок на багажнике тянет в сторону — потерял управление, свалился в кювет и сильно погнул переднее колесо. Пришлось приобрести новый обод и спицы, натягивать их, выводить «восьмерку» (велосипедисты знают, что это такое).
Ремонт шел к концу, но тут жена попросила помочь по хозяйству. Вернувшись через полчаса к своему колесу, я оторопел: оно равномерно вращалось со скоростью около 20-25 оборотов в минуту. Посторонних в сарае не было, раскрутить некому. Позвал в свидетели соседа. «Чудо» длилось несколько часов, затем я остановил колесо. Потоки воздуха его крутят или сказывается какая-то несимметрия недотянутых спиц? Перенес велосипед в дом, поставил посреди комнаты в том же ремонтном положении вверх тормашками — колесо снова завращалось, сперва медленно, затем все быстрее — до тех же 20-25 оборотов в минуту — и крутилось так около часу, пока домашние не прогнали меня с колесом обратно в сарай. Там оно вращалось всю ночь напролет. Утром я окончательно дотянул спицы, отрегулировал обод. Велосипед как новенький, кролики не в обиде, но «чудеса» прекратились; отрегулированное колесо самопроизвольно поворачивалось не более чем на полоборота — под действием веса ниппеля. Нет, велосипед еще не раскрыл всех своих возможностей...
И. Шевцов г. Богучар, Воронежская обл.»
Рассуждение о законах и о том, можно ли ихнарушать
История ppm показывает, что изобретателям вечной двигателя приходилось и приходится встречаться с самыми разнообразными трудностями. Тут и недостаток средств и материалов, и недоверие окружающих, и сложности конструирования, изготовления и испытания... Однако все это можно в конце концов преодолеть. Остается одно, самое трудное препятствие, которое ни одному из изобретателей ppm преодолеть не удалось, — это законы природы и вытекающие из них законы науки. Мы уже видели, что для тех, кто создавал ррт-1, таким непреодолимым препятствием стал закон сохранения энергии — первый закон термодинамики. Дальше мы покажем, что для тех, кто пытался и пытается создать ррт-2, дополнительную, но столь же непреодолимую преграду ставит второй закон термодинамики.
Тем не менее попытки преодолеть это основное препятствие не прекращаются. До середины XIX в. (а в некоторых случаях и позже) для этого было вполне понятное объяснение — просто эти законы не были еще известны и точно сформулированы. Но почему работа над ppm продолжается и сейчас, несмотря на то что оба закона термодинамики — и первый, и второй — четко сформулированы, доказаны-передоказаны, описаны во множестве
книг, вошли в учебники? Большинство изобретателей хорошо знает о них. В чем же дело?
Позицию, характерную для большинства изобретателей, работающими над такими машинами, очень четко изложил в письме к автору этой книги один из них (В.М. Шнырь).
Письмо озаглавлено коротко и ясно: «Я не согласен». Далее написано следующее:«... я не согласен с формулировкой, что ррм-1 есть нарушение законов природы. Законы, выведенные людьми не есть законы природы, а законы природы нигде не записаны и никем не читались. И выдавать людские законы за законы природы есть грубейшее нарушение сущности вещей. Если в большинстве случаев (по книге) законы людей совпадают с законами природы, то это не значит, что нет такого, когда возникает несовпадение. Тогда природа вправе сказать: «Я сама по себе, я вне людей и от их законов не завишу».
Законы людей называются наукой. А в обществе есть масса явлении, когда наука беспомощна объяснить их... Наука сумела ухватить, систематизировать и сформулировать как законы сохранения, явления, ведущие к невозможности ррм-1...
Рассматривая простое, никто не заметил, что есть сложность. А эта сложность есть система рычагов, частично в блочном виде, в целом дающее устройство с КПД > 1, а это устройство есть то самое «из ничего»из которого можно получить избыток энергии (точнее силы или мощности) для построения вечного двигателя....
...Если бы Вы знали, что устройство с КПД > 1 возможно, то Вы не выдавали бы законы людей за законы природы и при том столь категорично.
В год издания Вашей книги... я изготовил модель предлагаемого устройстра с КПД > 1 в самом простейшем виде... Простейшее устройство с КПД > 1 не получилось.
После этого я перебрал множество вариантов, более сложных, но все они давали теоретическое равновесие. И лишь в одном варианте (а он мало отличался от других), расчеты дали устройство с КПД> 1. Иначе (по Вашей книге) энергию «из ничего», столь нужную для построения вечного двигателя... Осталось сделать модель. В расчетах я уверен.
К слову — КПД устройства (без учета механического КПД) — более 4...»
С тех пор, как было написано это письмо, прошло более 20 лет. Но обещанный двигатель с КПД «более 400%» так и не появился.
Закон «выведенный людьми» здесь сработал и доказал в очередной раз свою правоту. Но, может быть, это «частный случай» и в другой ситуации можно будет все же этот закон обойти?
Чтобы иметь в дальнейшем прочную основу для защиты истины, нужно предварительно внести некоторую ясность в понятие «закон», проведя краткое рассуждение на эту тему. Итак, о законах.
Если посмотреть в справочниках и словарях, то мы найдем два смысла термина «закон». Первый: «необходимая, существенная связь, отношение между явлениями и предметами»; второй: «обязательное общественное установление (закон государственный, уголовный, религиозный и т. Д.)».
Нас, естественно, будет в дальнейшем интересовать закон в первом смысле, однако предварительно нужно сказать несколько слов и о законе как «обязательном общественном постановлении».
В таких законах нужно отметить две черты. Первая из них заключается в том, что они могут быть разными применительно к одному и тому же случаю в разных странах и регионах в зависимости от социального строя, традиций и т. д. Могут они с течением времени и меняться, и пересматриваться.
Вторая черта законов, устанавливаемых обществом, состоит в том, что любой из них в принципе может быть нарушен} то, что за этим должно последовать наказание, не меняет дела.
Законы, отражающие «необходимые, существенные связи между явлениями», напротив, не меняются в зависимости от места, времени и общественного строя; нарушить их невозможно в принципе.
Необходимая, существенная связь между предметами и явлениями присуща самой природе и никак не зависит от воли людей. Она необходима, а не случайна, и при наличии определенных условий неизбежно проявит себя тоже определенным образом. Это проявление одинаково везде и всегда, если существуют те же условия.
Одна из самых опасных, но часто встречающихся ошибок в трактовке законов, состоит в том, что свойства общественных законов непроизвольно переносятся на объек-
тивные законы природы. Некоторые люди никак не могут понять до конца, что законы природы, в отличие от законов, установленных обществом, нельзя ни изменить, ни нарушить.
Как же так? Ведь история науки ясно говорит, что по мере ее развития законы меняются. Ведь были всякие «флогистоны», «теплороды» и «эфиры», которые теперь исчезли! Считалось, что элементы не могут превращаться один в другой, а их теперь превращают. Если бы сто лет назад кто-нибудь предложил извлекать энергию из атомов, его бы осмеяли, а сейчас работают атомные электростанции. Геометрия Евклида дополнилась геометрией Лобачевского и Римана, а механика Ньютона уже многое не может объяснить; понадобилась теория относительности Эйнштейна! Почему же и другие законы, которые стоят на пути осуществления ррш-1 или ррш-2, тоже не могут оказаться устаревшими и неверными? То, что было верно сегодня, может стать неверным завтра!
Чтобы разобраться в том, насколько правильны эти и подобные им суждения, нужно сделать еще один шаг в разборе понятия «закон» и определить, что такое закон науки. В отличие от законов природы они существуют не сами по себе, а представляют собой отражение объективных связей внешнего мира в сознании человека. В этом смысле они вторичны, по отношению к законам, действующим в природе.
В результате исследовательской деятельности человека они обнаруживаются, открываются и затем формулируются на соответствующем языке — словами или формулами.
Известный закон Бойля-Мариотта, например, отражает объективно существующую связь между объемом с данного количества газа и давлением р, под которым он находится. Закон можно выразить словами: «объем данного количества газа (или удельный объем ^ обратно пропорционален давлению р». Этот же закон можно выразить и математической формулой: pc = const.
Однако для того, чтобы судить о долговечности, «устойчивости» научного закона, нужно определить, насколько он может соответствовать объективному закону природы, правильно его отражать. Ведь природа необычайно сложна и многообразна в своей структуре, в связях своих объектов и их проявлениях. Несомненно, что ни один научный закон, какими гениями ни были бы люди, открывшие его, не отражает полностью объективные связи и отношения,
существующие в природе. Он может отразить их лишь неполно, с определенной степенью приближения. По мере развития науки ее законы охватывают все более широкие области, уточняются, приближаются к закона природы, делаются адекватными им.
В обобщенном виде характер связи между законами природы и законами науки был четко выражен А. Эйнштейном: «Наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными, и мы всегда должны быть готовы менять эти представления». П.Л. Капица, любивший парадоксы, говорил даже так: «Интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них».
Значит ли это, что законы науки «смертны» и, прожив определенный срок, заменяются из-за отклонений на другие представления, более адекватные законам природы? Если это так, то изобретатели ppm правы, рассчитывая на вполне возможное изменение законов науки, не разрешающих пока действие вечных двигателей.
Нет, это не так, хотя и Эйнштейн, и Капица, как и многие другие, абсолютно правы. Как же совместить эти две, казалось бы, диаметрально противоположные точки зрения? Представления меняются, отклонения изучаются, а законы остаются незыблемыми?
Дело в том, что законы науки (в частности, физики) не отменяются, а дополняются и развиваются, а это совсем другое. Поясним это положение несколькими примерами.
Возьмем тот же закон Бойля-Мариотта, о котором шла речь выше. Как показали эксперименты, он оказывается верным лишь приближенно. При больших давлениях и низких температурах зависимость между р и v приобретает более сложный характер, выражающийся более сложными уравнениями (уравнением Ван-дер-Ваальса и другими — так называемыми уравнениями состояния). Но в тех достаточно широких пределах, где свойства газа несущественно отклоняются от идеального, закон Бойля-Мариотта работает с достаточной точностью. Более того, он всегда в этой области будет правильным, какие бы невероятные открытия ни произошли.
То же самое происходит и с другими законами. Например, закон всемирного тяготения Ньютона был дополнен следствиями, вытекавшими из теории относительности, которые позволили объяснить новые факты, наблюдаемые астрономами.
При наличии мощных гравитационных полей или при скоростях, близких к скорости света, ньютоновская меха-
ника уже не работает. Но у нас на Земле (и даже при расчетах движения спутников Земли) ньютоновская механика остается в силе и будет всегда работать безупречно. «Отменить» ее никто не сможет.
Закон сохранения энергии был тоже расширен на основе теории относительности после открытия эквивалентности массы и энергии. (Его выражает известное уравнение е = 2
ж , где е — энергия, т — масса, ас — скорость света в пустоте.) Поэтому при расчете, например, ядерных процессов это уравнение надо учитывать. Но в других отраслях техники, где скорости далеки от с, все уравнения балансов массы и энергии можно спокойно рассчитывать, совершенно не принимая во внимание это уравнение. Так же дело обстоит и в других случаях: новые законы оказываются более полными, глубокими и включают прежние как частный случай, но не отменяют их. В этой связи стоит вспомнить об одной дневниковой записи Д.И. Менделеева (10.VI. 1905 г.): «...По-видимому, периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает...».
Н. Бор сформулировал общее положение (1923 г.), отражающее эту закономерность развития науки: принцип соответствия, который гласит, что всякий более общий закон включает в себя старый закон как частный случай; он (старый) получается из нового при переходе к другим значениям определяющих его величин.
Применительно к закону Бойля-Мариотта это не выходящие за определенные пределы значения давления р и температуры Т; применительно к механике — это значения скоростей частиц или тел и т. д. Следовательно, как бы ни развивалась дальше наука, ее «старые» законы никуда не исчезнут; «в пределах своей компетенции» они будут справедливы всегда1.
’В отрицании незыблемости законов природы (а, следовательно, и законов науки) изобретатели «незаконных» устройств смыкаются, как ни странно, со средневековыми схоластами, которые считали такие законы божественным установлением. Такая точка зрения жила довольно долго. Тот самый физик Гравезанд, о котором мы упоминали в связи с историей Орфиреуса, писал в своем курсе физики (1747): «Закон природы есть правило и закон, о которых Богу было угодно, чтобы известные движения всегда, т. е. во всех случаях, происходили бы по ним». Отсюда следует, что если богу угодно, можно, чтобы было и «не так», а иначе. Не этим ли объясняется, что Орфиреусу удалось запутать Гравезанда?
Но как же тогда быть с теориями «флогистона», «теплорода», «эфира» и т. д.? Они-то несомненно отменены и исчезли!
Здесь тоже нужно разобраться, чтобы не впасть в ошибку.
Теория флогистона была развита Г.Э. Сталем (1660— 1734 гг.). Ее основой была мысль о том, что в состав всех горючих веществ входит одна общая составная часть («флогистон»), которая исчезает в процессе горения. Теория естественно вытекала из наблюдений хорошо всем известного процесса горения. Действительно, когда горит кусок дерева или угля, видно, что из всех его пор выходят языки пламени и газы уходят вверх; остатки превращаются в золу. Что может быть естественнее предположения, что некая огненная часть ушла, а зола осталась? Значит, дерево или уголь (или металл) — это соединение флогистона и золы (или оксида металла). Считалось также, что человеческий организм живет потому, что выделяет через легкие флогистон!
Теперь нам все это кажется смешным и алогичным. Но нельзя забывать, что в свое время теория флогистона помогла «объяснить», свести в единую концепцию и скоординировать большое количество известных в то время фактов.
Однако она, как и многие другие теоретические обобщения того времени, была чисто качественной. Никому не приходило в голову взвесить металл и его оксид и убедиться, что металл весит меньше, а не больше оксида, как следовало из флогистонной теории. Очень немногие химики и физики делали количественные опыты, да и то часто смешивали вес с удельным весом (плотностью), совершенно серьезно считая фунт свинца тяжелее фунта пуха. Но как только в химию вошли вес и мера (в чем немалая заслуга «славного Роберта Бойля», как его назвал Ломоносов, (и самого Ломоносова)), теория флогистона стала разваливаться.
Таким образом эта и другие подобные теории не могли завершиться созданием каких-либо физических законов. Их исчезновение к отмене какого-либо закона не привело. Следовательно, история флогистона «не работает» как доказательство того, что «был закон, а потом оказался неверным».
Теперь о «теплороде». Его введение позволяло уже количественно установить законы калориметрии. Теория теплорода тоже исчезла. Но все связанные с ней законы ка-
лориметрии исправно действуют до сих пор (и будут незыблемы и впредь) несмотря на то, что теории теплорода давно нет.
Аналогичная ситуация и с гипотетической всепроникающей средой — «эфиром». Все количественные законы, отражающие объективные, существующие в природе связи, только дополнялись. Следовательно, и здесь нет поводов для утверждения, что законы науки, в частности физики, могут отменяться.
Все сказанное выше показывает, что доводы типа «раньше считалось, что элементы нельзя превратить один в другой, а теперь оказывается, что можно», «раньше не предполагали, что может существовать атомная энергия, а теперь она используется» и т. д., из которых по аналогии выводится тезис: «Сейчас считают, что вечного двигателя не может быть, а потом окажется, что он возможен», не годятся. Законов науки, запрещавших эти явления (в отличие от ppm), никогда не было; их появление никаких законов не нарушило.
Наконец, о той, защищаемой некоторыми изобретателями, точке зрения, что законы науки сдерживают творческую мысль изобретателей, «не дают ей развернуться».
Ничего не может быть ошибочнее. На самом деле все обстоит как раз наоборот; категорические запреты, налагаемые законами науки, способствуют работе творческой мысли исследователей и изобретателей. И дело не только в том, что эти законы предостерегают их от напрасной траты сил и времени на поиски в тупиковых направлениях. Законы не только запрещают ошибочные ходы мысли, но одновременно наводят на правильные решения. Например, «закон сохранения», взятый применительно к механике, даже в еще несовершенной, первоначальной форме, до установления строгого понятия об энергии, навел математиков и инженеров, от Архимеда до Галилея и Стевина, на открытия как законов равновесия, так и падения тел. Он же в других его проявлениях определил направление работ С. Карно и Р. Майера: первого на анализ действия тепловых двигателей, а второго — на изучение энергетических превращений в живых организмах.
Так всякое обоснованное отрицание чего-либо или запрет приводят в конечном счете к открытиям и созиданию нового — ив науке и в ее практических приложениях. «Свобода в рамках закона» оставляет, несмотря на ограничения, необъятный простор для настоящего творчества; об этом свидетельствует вся история науки и техники.
Чтобы закончить рассуждение о законах, необходимо сказать несколько слов об одной важной их разновидности — статистических законах. Именно к ним относится второй закон термодинамики, запрещающий ррш-2. Однако лучше это сделать не здесь, а в следующей главе, специально посвященной второму закону. К ней мы и перейдем.
Глава третья
ИДЕЯ ррш-2 И ВТОРОЙ ЗАКОНТЕРМОДИНАМИКИ
У кого не уяснены принципы во всей логической полноте и последовательности, у того не только в голове сумбур, но и в делах чепуха.
Н. Г. Чернышевский
Основная идея ррш-2. Уточнение понятий
Утверждение закона сохранения энергии — первого закона термодинамики — сделало попытки создать ррт-1 абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей создателей ppm изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики: сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель».
Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие названия, эти двигатели остаются типичными ppm и сохраняют их основной признак — абсолютную невозможность осуществления.
Дело в том, что соблюдение какого-либо одного, даже очень важного закона вовсе не гарантирует возможность того или иного явления. Каждое из них определяется несколькими законами. Поэтому оно может происходить только в том случае, если не нарушает ни одного из тех законов, которые к нему относятся.
В частности, для любых тепловых машин соблюдение первого начала термодинамики необходимо, но недостаточно. Существует еще и второе начало термодинамики, соблюдение требований которого столь же обязательно. Новые вечные двигатели, о которых пойдет речь ниже, относятся именно к тепловым машинам; они могли бы работать, только нарушая ограничения, налагаемые вторым началом термодинамики. Поэтому такой двигатель и был назван «вечный двигатель второго рода» (ррт-2). Впервые этот термин ввел известный физико-химик В. Оствальд в 1892 г. [1.14] по аналогии со старым классическим ppm (после этого ставшим ррт-1).
Оствальд не имел в виду какие-либо конкретные изобретения, а рассматривал невозможность реализации такого двигателя в принципе, с общих теоретических позиций.
Кто придумал первый ррш-2, установить трудно; во всяком случае, они появились не ранее последней четверти XIX в. В принципах ррш-2 нет такого разнообразия, как в принципах ррш-1. Основная идея ррш-2 едина для всех самых разнообразных его проектов. Изложим ее для начала языком самих изобретателей, хотя, как мы увидим далее, используемая ими терминология не очень точна1.
Предоставим слово ведущему идеологу этого направления проф. В.К. Ощепкову [3.1]. Он ставил задачу таким образом: «...отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности». И далее: «...открытие способов искусственного сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь активных форм будет таким открытием в истории развития материальной культуры человечества, что по практическим последствиям его можно сравнить разве только с открытием первобытным человеком способов искусственного добывания огня».
Если отвлечься от оценки вдохновляющих перспектив рассматриваемой идеи (вспомним пушкинского Бертольда: «perpetuum mobile!.. Я не вижу границ творчеству чело-
^то, конечно, не случайность. Путаная терминология (об этом уже говорилось в предыдущей главе) большей частью соответствует путанице в идеях; точная терминология, напротив, выявляет, «высвечивает» ошибки.
веческому...»), а вникнуть в ее существо, то она сводится к тому, что рассеянная «тепловая энергия» окружающего пространства «извлекается», концентрируется и превращается в электрическую энергию, могущую производить работу. Нарушения первого закона термодинамики здесь нет. Сколько энергии забирается из «окружающего пространства», столько и превращается в электроэнергию.
Такая идея, действительно, чрезвычайно заманчива. «Концентрированная» энергия использовалась бы для нужд человечества, «рассеивалась» бы при этом в окружающей среде, а затем ее можно было бы снова «концентрировать» и пускать в дело. В энергетике человечества осуществился бы вечный круговорот энергии, который позволил бы «сразу убить двух зайцев» — снять как проблему поиска источников энергии, так и проблему теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей среды.
Чтобы проанализировать все стороны этой грандиозной идеи научно, нужно прежде всего уточнить используемую ее авторами терминологию, перевести ее на современный научный язык. Иначе может произойти то самое «смешение языков», которое было у строителей вавилонской башни, и докопаться до истины будет невозможно1.
Рассмотрим два ключевых термина сторонников ррш-2: «тепловая энергия окружающего пространства» и «концентрация и рассеяние энергии».
Начнем с первого. Прежде всего отметим, что «окружающее пространство» само по себе энергии не содержит и пытаться извлекать ее оттуда — дело бесполезное. Энергия содержится только в материальной среде (веществе или поле), заполняющей это пространство. Поэтому правильнее было бы говорить «окружающая среда», а не «пространство». Но и такая формулировка (иногда и ее используют) тоже не годится. Термин «окружающая среда» имеет разное содержание в зависимости от того, как его использовать. Здесь могут быть два случая.
В первом случае под окружающей средой понимают все то, что находится вне границ системы (в данном случае двигателя). Это означает, что в окружающую среду входят по крайней мере атмосфера, гидросфера и литосфера Земли, в которых существуют разности давлений, температур и химического состава. Следовательно, она включает и запасы
Недаром, ссылаясь на Декарта, А.С. Пушкин писал: «Определяйте значение слов, и вы избавите свет от половины его заблуждений» [1.17].
топлива, гидроэнергетические ресурсы и т. д. Другими словами, в окружающей среде, определяемой таким образом, нет равновесия: она неравновесна.
Используя неравновесность в окружающей среде, человек всегда получал необходимую ему энергию как в форме теплоты, так и в форме работы. Энергия ветра, текущей воды, а затем и топлива — все это результат неравновес- ности окружающей среды. Даже существование человека основано на различии состава пищи и других веществ окружающей среды. Если бы эта среда была равновесной, т. е. вся имела бы один и тот же усредненный и равномерно распределенный химический состав, одну и ту же температуру, одно давление, один уровень воды, одинаковый везде электрический заряд и т. д., то все кругом было бы мертво и неподвижно. Именно неравновесность, наличие разности потенциалов во внешней среде и определяют возможность существования всей энергетики.
При такой трактовке термина «окружающая среда» извлечение из нее энергии и превращение ее в работу или электроэнергию давно известно. Ничего нового в таких процессах нет: так всегда и делалось.
Во втором случае под окружающей средой понимают только равновесную часть всего окружения системы. Основанием для введения такого более узкого, локального понятия служит то, что в окружении системы (например, двигателя) всегда имеется в практически неограниченном количестве некая среда, имеющая одни и те же температуру, давление и химический состав. Примером такой среды может служить, например, вода у поверхности океанов, морей, других больших водоемов или атмосферный воздух у поверхности земли. Существующие в них некоторые небольшие разности потенциалов в круг рассмотрения не входят.
Такая равновесная окружающая среда, как показывает многовековой опыт человечества, не может служить источником энергии, поскольку никаких разностей потенциалов, неравновесностей, которые можно было бы использовать, в ней нет. Она ведет себя, как та «мертвая вода» без разницы уровней, о которой писал Леонардо да Винчи.
Наконец, о первой части выражения «тепловая энергия окружающего пространства». Поскольку теплота, как мы видели, есть энергия только в процессе перехода, говорить о «тепловой энергии», да еще «содержащейся» в окружающей среде, некорректно (хотя это иногда и делается).
Энергия теплового движения частиц составляет часть внутренней энергии тела, причем выделить ее «в чистом виде» практически невозможно. Поэтому в науке пользуются термином «внутренняя энергия».
Разберем второе понятие «концентрация» и соответственно «рассеяние» энергии.
Концентрация (от лат. con — «к» и centrum — «центр») — это понятие, связанное с сосредоточением чего- либо в определенном месте (объеме, поверхности). Применительно к энергии это соответствует ее количеству, приходящемуся на единицу объема или поверхности (Дж/см3 или Дж/см2). Если это количество растет, говорят о концентрировании энергии, если падает — о ее рассеянии.
Сторонники ррт-2 используют этот термин в смысле, не имеющем отношения к его действительному содержанию. Они называют «концентрированной» энергией электрическую энергию и работу, а «рассеянной» — внутреннюю энергию тел и теплоту. Однако разница между ними не в концентрации (она в каждом случае может быть и высокой, и низкой), а в степени упорядоченности, организованности движения или положения частиц (об этом мы говорили в гл. 2). Как мы увидим далее, именно эта упорядоченность и определяет в основном качественную сторону энергии, ее работоспособность.
Подмена понятия качества, работоспособности энергии ее «концентрацией», а деградации, обесценивания — «рассеянием» вносит дополнительную путаницу, поскольку «концентрация» и «рассеяние» энергии не определяют в принципе возможности получения работы (т. е. создания двигателя).
Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к принципиальным основам ррт-2. Становится очевидным, что его идея основана на получении работы (или, что то же самое, электроэнергии, могущей преобразовываться в работу) из равновесной окружающей среды путем использования той части ее внутренней энергии, которая связана с хаотическим тепловым движением молекул.
В.К. Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая инверсия» (инверсия — от лат. inver-
sion — «перестановка», «переворачивание»). Другими словами, это — обратное превращение части внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или работу.
Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому, чтобы доказать возможность создания ррш-2, нужно неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон термодинамики.
Известно, что поэзия позволяет во многих случаях выразить мысль более ясно и компактно, чем проза.
С этой точки зрения представляют интерес стихи, посвященные критике Второго начала термодинамики. Их прислал один из сторонников профессора Ощепкова — М.П. Кривых. Его сочинение возрождает традицию, идущую еще от римлянина — Тита Лукреция Кара (I век до нашей эры), написавшего знаменитую поэму «О природе вещей».
С любезного разрешения автора, привожу его ниже с некоторыми несущественными сокращениями.
Вот атмосфера, мы как рыбы
С рожденья плаваем все в ней, Но в ней энергия, в ней глыбы Самых отличнейших углей.
Каждый просто забывает, Что кислород, аргон, азот В ней в форме пара пребывает И теплоту себе несет.
«Чтоб превратить тепло в работу
Истока нужно два иметь:
Тепло и холод» — эту ноту
Усердно все привыкли петь.
Тут Клаузиус. Томсон, Тэт, За ними племя остальное Твердили: Невозможно! Нет! Взять от природы дармовое.
В науке по сей день живет Второй закон к здравствует В себе ошибку он несет, Но до сих пор он царствует.
И как могло так получиться Природе всей наперекор,
Второй закон мог народиться И столько лет прожить? Позор!
Отсюда весь Второй закон Помехой лишь становится Его отвергнуть нужно вон, Коль сам он не сторонится.
Что атмосферное тепло, Тепло реки и океана, Уже потеряно, ушло — Вот философия дурмана.
Тут способ нужен очень смелый, Чтоб равновесное тепло Непринужденно и умело На концентрацию текло.
И вижу транспорт сухопутный, водный
Все фабрики, заводы и поля, Расходуют энергию природную, Не потребляя ни куска угля.
В этой «антитермодинамической поэме» достаточно четко сформулирована основная идея сторонников «энергетической инверсии». Однако доводы в ее пользу здесь, как и в большей части сочинений других авторов той же ориентации, носят в основном эмоциональный характер. В наше время этого недостаточно: нужно использовать и нечто более основательное.
Сторонники ррм-2 понимают это и используют для дискуссии целый комплекс разнообразных доводов — от общефилософских со ссылками на классиков до экспериментальных данных из различных областей науки. Все доводы, как правило, носят описательно-умозрительный характер и даются без четкого научного обоснования. Однако их красивое внешнее оформление в сочетании с убежденностью и энтузиазмом (а иногда и не очень точным изложением фактов) в некоторых случаях может показаться убедительным. Помогает тут и благородная цель — экономия ресурсов и спасение окружающей среды от загрязнения.
Поэтому прежде чем переходить к разбору различных ррш-2, нужно еще уделить и некоторое внимание разбору второго закона термодинамики, хотя это потребует от читателя, не занимающегося специально термодинамикой, определенной сосредоточенности.
Дело не только в том, что второй закон термодинамики, на первый взгляд не более трудный для понимания, чем первый, на самом деле далеко не так прост, как кажется. О нем написано очень много, мягко говоря, неквалифицированных статей и даже учебников, которые внесли, как писал академик А.В. Шубников, «невероятное количество ошибок». Именно на почве, удобренной этими ошибками, время от времени вырастают самые разнообразные псевдоученые «сочинения» — биологические, технические, экономические и другие. Некоторыми из них нам придется заняться при разборе второго закона.
Несимметричность взаимных превращений теплоты и работы. Принцип Карно
Второй закон термодинамики, так же как и первый, формировался в течение длительного периода трудами многих ученых и инженеров. Без его использования дальнейшее развитие теплоэнергетики, химической технологии и многих других направлений техники и науки было бы невозможным.
Установление общности и количественной эквивалентности различных форм движения, а затем точное формулирование на этой основе первого закона термодинамики было необходимо, но недостаточно. Нужно было установить условия, определяющие возможности перехода одних форм энергии в другие и прежде всего теплоты в работу. Практика показывала, что представление о всеобщей пре- вратимости, эквивалентности (т.е. равноценности) различных видов энергии нуждается в уточнении даже применительно к таким ее формам, как теплота и работа. Действительно, почему переход работы в теплоту совершается очень просто, не вызывая никаких затруднений? Еще на заре цивилизации человек добывал огонь трением, производя безо всякой науки именно такое преобразование. Однако превратить теплоту в работу удалось (если не считать античных паровых игрушек вроде «эолопила» Герона) с большим трудом только во второй половине XVIII в., когда были созданы паровые машины. И дело было здесь не в технической сложности этих машин (хотя это тоже сыграло свою роль), а в припципиалъпой трудности такого превращения, неясности условий, необходимых для него.
Впервые правильно поставил и решил эту задачу С. Карно, о котором мы уже писали в связи с первой формули-
ровкой закона сохранения энергии. Со знаменитой книги Карно «О движущей силе огня...» начинается не только история термодинамики, но и вся современная теоретическая теплоэнергетика1.
Рис. 3.1. Схема действия паровой машины (двигателя) с позиций теории теплорода: а — «падение теплорода» с температуры Ti до температуры Т-2, б — механическая и гидравлическая аналогии
По теории теплорода работа паровой машины выглядела очень просто. Теплород от дымовых газов, полученных при сжигании топлива, переходил к воде при высокой температуре, превращая ее в пар. Пар расширялся в цилиндре, производя работу. Затем пар направлялся в конденсатор, где при низкой температуре отдавал теплород охлаждающей воде.
Схема такой машины показана на рис. 3.1, а; поток теплорода Q (ширина полосы соответствует его количеству) «падает» с температуры 71 на более низкую температуру Т2 < Ti. При этом производится работа L. Нетрудно видеть, что такое объяснение работы тепловой машины возникло по аналогии с гидравлической машиной (например,
’С. Карно не дожил до признания своих заслуг, и его книга прошла незамеченной. Вторую жизнь дал ей французский ученый и инженер Б. Клапейрон (1799-1864 гг.), издавший книгу Карно в 1834 г. со своими комментариями и дополнениями.
водяной мельницей); только роль воды играет «теплород», а напора, обусловленного высотой падения воды Ah = hi — 62 — разность температур АТ = /1/2 (рис. 3.1, б). Количество воды G, как и количество теплорода Q, не меняется — сколько входит (Qi), столько и выходит (Q2). На первых порах такая теория была вполне приемлемой, тем более что из нее следовал правильный и очень важный вывод: тепловая машина может работать только при наличии разности температур. Если АТ = 0, то теплота будет «мертвой», как «мертвая вода» Леонардо да Винчи при А/г = 0.
У современного читателя, однако, может возникнуть естественный вопрос. Пусть инженеры того времени и не знали закона сохранения энергии, но ведь он все равно действовал! А это означает, что количество отдаваемого внизу при Т2 теплорода (т. е. теплоты) должно было быть существенно меньше, чем то, которое поступило наверху при Ть на количество произведенной работы, т. е. Q2 = Qi — L.
Как же не заметили этого? Ответ очень прост. Самые лучшие паровые машины того времени имели очень малую эффективность: они превращали в работу не более 3-5% получаемой теплоты. А это означает, что Q2 отличалось от Qi так, как 95 отличается от 100; но точность тепловых измерений в то время была намного меньше 5%. Поэтому разницу между Qi и Q2 просто не могли заметить (тем более что никому не приходило в голову, что ее нужно искать).
С. Карно поставил перед собой задачу определить количественно «движущую силу огня», т. е., говоря современным языком, то максимальное количество работы, которое может дать единица количества теплоты.
Несмотря на то, что С. Карно исходил в этой работе еще из теории теплорода, а закон сохранения движущей силы (т. е. энергии) он сформулировал позже — между 1824 и 1832 гг. — он блестяще решил задачу.
Позднейшим исследователям оставалось лишь придать математическую форму положениям Карно и развить их применительно к новым научным фактам, изложив их с учетом первого закона. Только через четверть века термодинамика пошла дальше, но основные идеи Карно остались незыблемыми. Такая поразительная устойчивость основных положений С. Карно (свойственная вообще великим научным открытиям) связана с тем, что он подошел к задаче с максимально общих позиций, исключив все частности, не имеющие принципиального значения. Он рассматривал не какую-то определенную паровую машину, даже не паровую машину вообще, а абстрактный, идеальный тепловой двигатель, результаты действия которого не зависят
от его конструкции. Для этого он ввел специальный цикл, впоследствии названный его именем.
Из многочисленных следствий работы С. Карно для нашей цели — анализа ррш-2 — наиболее важно положение о том, что для непрерывной работы теплового двигателя необходим источник теплоты с более высокой температурой и теплоприемник с более низкой — так называемый принцип Карно. Математическое выражение принципа Карно, определяющее условия перехода теплоты Q в работу L при заданных температурных условиях, было выведено Р. Клаузиусом в виде предельно простой, широко известной формулы
L = QiL = QiTi-T2TiTi-T2Ti(3.1)(3.1)
L = Qi
L = Qi
Ti-T2Ti
Ti-T2Ti
(3.1)
(3.1)
Здесь, как и на рис. 3.1, высокая температура 71 в кельвинах соответствует подводу теплоты Qi к двигателю, а более низкая Т2 — та, при которой теплота отдается. Из формулы (3.1) прямо следуют многие важные следствия. Для нас имеют значение два вывода.
Первый вывод состоит в том, что получаемая работа всегда меньше подводимой к двигателю теплоты Q. Действительно, коэффициент Карно (71 — Т^/Т^ (или 1 — 7*2/71) всегда меньше единицы. Другими словами, в работу может быть превращена только часть получаемой теплоты; другая часть, равная Q2 = Qi — L, неизбежно должна быть отдана какому-либо теплоприемнику при температуре Т2. Чем выше температура Ti и ниже Т2, тем большая доля теплоты Qi может быть превращена в работу. Но всю теплоту Qi в работу преобразовать нельзя (для этого Ti должна была бы быть бесконечно большой или Т2 бесконечно малой).
Так, например, если Ту = 1200 К, а Т2 = 300 К, то из 100 кДж теплоты может быть получено ^^^^100 кДж = 75 кДж работы. Остальные 25 кДж могут быть отведены только в виде теплоты Q2 < Qi при температуре Т2 = 300 К.
Таким образом, из принципа Карно следует, что превратить теплоту в работу полностью нельзя. Следовательно, в природе существует асимметрия во взаимной превратимости теплоты и работы: работа в теплоту может превратиться полностью, но теплота в работу — только частично. Другая, непревратимая часть теплоты неизбежно отводится из двигателя к теплоприемнику (но при более низкой температуре).
Второй вывод из принципа Карно состоит в том, что получение работы из теплоты возможно только в том случае, когда между теплоотдатчиком и теплоприемником есть разность температур (т. е. Ту > Т^. Действительно, из формулы (3.1) следует, что чем меньше разность Т^ — Т% тем меньшая доля теплоты Q может быть превращена в работу. Если же 1\ = Т^ т. е. если двигатель вступает в тепловой контакт с телами, имеющими одну и ту же температуру, то никакой работы он произвести не может (71 — Т2 = 0, и, следовательно, L = 0 при любом Q).
Никакими ухищрениями обойти оба эти следствия из принципа Карно нельзя.
Второй вывод из принципа Карно убивает наповал идею о двигателе, работающем за счет теплоты, получаемой из равновесной окружающей среды (ррш-2).
Как бы ни была велика связанная с хаотическим тепловым движением молекул внутренняя энергия, содержащаяся в окружающей среде1, она неработоспособна, ибо в этом случае в нашем распоряжении есть только одна температура — окружающей среды То,с.
Таким образом, само по себе наличие энергии еще не говорит о том, что может быть получена работа: энергия может быть и неработоспособной. Поэтому определение энергии, которое еще встречается в некоторых книгах и даже учебниках, как «величины, характеризующей способности тела (или системы) производить работу», в общем случае неверно. Оно досталось по наследству от XVIIXVIII вв., когда представление об энергии (по тогдашней терминологии — «силе») было связано только с механической работой. Принцип Карно ясно показывает, что такое определение (во всяком случае, применительно к внутренней энергии тела и к теплоте, отводимой от него) неверно.
Вокруг нас в воздухе, воде, почве содержится гигантское количество внутренней энергии хаотического молекулярного движения, но, увы, она вопреки надеждам изобретателей ррш-2 для получения работы абсолютно бесполезна. Это утверждает принцип Карно, вытекающий из второго закона термодинамики.
Из всего изложенного неизбежно следует, что единственный способ обоснования возможности «извлекать тепловую энергию из окружающего пространства» и получать из нее работу состоит в низвержении второго закона термодинамики. Вокруг этой крепости — второго закона — и развертывают все баталии изобретатели и теоретики ррш-2.
Чтобы разобраться во всем этом и показать безнадежность попыток опровергнуть второй закон, нужно рассмотреть некоторые его положения, не ограничиваясь принципом Карно. Особое внимание следует уделить вопросу об энтропии — величине, занимающей центральное место в концепции второго закона. На ее долю выпадает максимальное количество атак, кривотолков и даже нехороших слов. Один из ее противников назвал ее даже «ржавым замком», который запирает ворота на пути дальнейшего движения науки.
Немного об энтропии
Начнем с того, что вернемся к понятию теплорода (у Карно французское слово calorique — «калорик») и представлению о том, как он создает работу (рис. 3.1).
Мы уже говорили о том, что такое понимание связано с теорией о некоем веществе, которое протекает сверху вниз (от высокой температуры к низкой), производя работу; при этом его количество не меняется. С установлением механической теории тепловых явлений это представление, естественно, отпало.
Однако оказалось (как это часто бывает), что в представлении о том, что сквозь двигатель проходит поток «чего- то», не меняющего при его работе свое значение, есть некое рациональное зерно.
Действительно, вникнем немного глубже в уравнение, отражающее принцип Карно, установив из него связь ко- личесгв теплоты Qi и Q2 и температур Ту и Т2. Для этого преобразуем его. Очевидно (по закону сохранения энергии — первому закону термодинамики), что Q2 = Qi — L; тогда основное уравнение Карно можно переписать, заме-
нив работу L на ее значение, так:
Q_Qi-Qi^,(3.2)
или, после упрощений:
21 = ^.(3.3)
Ti т2v v
Выходит, что отношения количеств теплоты к соответствующим температурам (так сказать, «приведенная» теплота) и на входе теплового потока, и на выходе равны. Значит, действительно, есть тепловая величина, отличающаяся от «просто» теплоты, сохраняющая для двигателя постоянное значение в процессах ее подвода и отвода!1.
Замечательное свойство величины Q]T сохраняется и в другом, тоже достаточно важном случае.
Мы уже говорили о том, что двигатель, введенный Карно, — идеальный, т. е. работает без потерь. Это означает, что работа, получаемая от него, максимальна при данных Q1 и температурах 71 и Т2, т. е. полностью соответствует величине L в формуле (3.1), Если использовать полученную работу, то цикл может быть пущен и в обратную сторону. Понятие о такой обращенной тепловой машине тоже введено С. Карно в его знаменитой книге. При таком «обращении» идеального цикла все количественные соотношения между величинами, определяющими его работу, останутся прежними, только вместо переноса «теплорода» с высокой температуры на низкую будет происходить обратный процесс — перенос его с низкого уровня температуры на высокий. Для этого потребуется ровно столько же работы, сколько ее было получено, и все вернется в исходное состояние. Другими словами, такой цикл обладает свойством обратимости. На рис. 3.2 показаны оба случая с потоками энергии. Потоки энергии показаны в виде полос, ширина которых пропорциональна потоку энергии. Такие графики называются полосовыми. Отношения Q/T к
Примечательно, что сам С. Карно в определенной степени это чувствовал: везде, где он говорил о теплоте (в смысле величины Q), использовалось слово chaleur (тепло), а где о теплороде — другое, уже упоминавшееся нами слово calorique — теплород. То, что это не случайность, видно из того, что такая терминология ни разу не нарушается.
обоих случаях остаются одинаковыми и на входе теплоты, и на ее выходе.
Таким образом, тепловой двигатель превратится в «тепловой насос», перекачивающий «теплород» с низкой температуры на высокую с затратой работы. Поток приведенной теплоты подобно потоку «теплорода» и здесь пройдет неизменным через машину, но не «сверху вниз», как в двигателе, а «снизу вверх», как в насосе. Если бы заснять действие машины на кинопленку, то ее (и машину, и пленку) можно было бы крутить в любом направлении: картина была бы верной во всех случаях.
Рис. 3.2. Полосовые графики потоков энергии и энтропии: а — тепловой двигатель; б — тепловой насосРис. 3.2. Полосовые графики потоков энергии и энтропии: а — тепловой двигатель; б — тепловой насос
Рис. 3.2. Полосовые графики потоков энергии и энтропии: а — тепловой двигатель; б — тепловой насос
Рис. 3.2. Полосовые графики потоков энергии и энтропии: а — тепловой двигатель; б — тепловой насос
Это замечательное свойство величины Q]T оставаться неизменной при всех идеальных (и, следовательно, обратимых) взаимных превращениях теплоты и работы не могло не обратить на себя внимания.
Р. Клаузиус (1822-1888 гг.) был первым, кто придал величине QJT самостоятельное значение и ввел ее в науку. Он назвал ее энтропией1. С тех пор (1865 г.) энтропия (ее по стандарту обозначают буквой 5) начала свой славный и вместе с тем тернистый путь в науке. Славный потому, что она «работала» и продолжает «работать», помогая решать множество важнейших теоретических и практических проблем (и не только термодинамических). Тернистый по-
^то греческое словосочетание, созвучное слову «энергия», означает «превращение».
тому, что трудно найти другое научное понятие, вокруг которого кипели бы такие страсти и которое вызвало бы столько кривотолков, ошибок и нападок. Достается ей и от идеологов, и от изобретателей ррш-2.
В чем тут дело, станет окончательно ясным, если рассмотреть некоторые свойства энтропии.
Начнем с того, что энтропия имеет еще одно важное свойство, роднящее ее с «теплородом». Она может не только подводиться к телу вместе с теплотой (или отводиться от него), но и, в отличие от теплоты, накапливаться в теле, «содержаться» в нем. При работе двигателя Карно или теплового насоса энтропия, как мы видели, «протекает» через них (рис. 3.2). Сколько ее входит, столько и выходит. Но при нагреве вещества путем подвода к нему теплоты энтропия поступает, но не выходит: она «накапливается» в веществе. Теплота исчезает, превращаясь во внутреннюю энергию, а энтропия увеличивается. Напротив, при отводе теплоты энтропия тела убывает. Таким образом, энтропия может как содержаться в телах, так и посредством теплоты передаваться от одного тела к другому.
Соотношением S = Q/T можно пользоваться тогда, когда все количество теплоты Q отдается при одной и той же температуре Т. На практике температура Т в процессе подвода теплоты большей частью меняется, так как тело нагревается (а при отводе охлаждается). Дня каждой малой порции теплоты 5Q температура будет уже другой; поэтому энтропию подсчитывают для каждой порции теплоты отдельно в виде dS = dQ/Т и потом суммируют порции энтропии <5S. В целом количество энтропии AS будет равно сумме малых изменений величины 5S; AS = 52 ^, а при переходе к бесконечно малым
т2
AS = j^. (3.4)
Из соотношения 5S = dQ/Т следует, что поток теплоты можно представить как произведение температуры Т, при которой она передается, на поток энтропии:
6Q = T6S. (3.5)
Эта формула имеет глубокий физический смысл. Обратим внимание на то, что при передаче энергии в форме механической работы ее количество, как и по формуле (3.5), тоже определяется произведением двух аналогичных величин.
Возьмем два примера — по одному для каждого случая (рис. 3.3): работу сжатия газа в цилиндре (я) и нагрев
газа в теплоизолирован
Рис. 3.3. Передача энергии в форме работы 51 и теплоты 5qРис. 3.3. Передача энергии в форме работы 51 и теплоты 5qном сосуде (б). В первом случае работа I равна произведению силы Р (равной произведению давления р на площадь поршня F) на путь 6h (равный отношению изменения объема 6V к площади поршня F).
Рис. 3.3. Передача энергии в форме работы 51 и теплоты 5q
Рис. 3.3. Передача энергии в форме работы 51 и теплоты 5q
Так как по мере сжатия газа сила Р должна расти, работу надо считать по малым отрезкам 6h,
на которых ее можно принимать постоянной. Тогда работа будет составлять произведение двух величин:
(З.б)(З.б)51 = p5V.
(З.б)
(З.б)
Нетрудно видеть, что во втором случае, аналогично первому, для некоторого элементарного количества теплоты 6Q, при передаче которого Т неизменна,
5q = T6S.(3.7)
Таким образом, передача энергии в двух формах — теплоты и работы (несмотря на их принципиальную разницу — неорганизованную форму в первом случае и организованную во втором) может быть выражена аналогично. Количество энергии в обоих случаях (3.6) и (3.7) выражается произведением двух величин.
Первая из них (давление р для работы и температура Т для теплоты) — это силы (потенциалы), которые вызывают данную форму передачи энергии. Вторая — это «так называемые координаты, изменение которых показывает наличие данной формы передачи энергии. Если координата (V или 5) не изменилась (т. е. 6V или 68 равны нулю), то 6L и 5Q тоже будут равны нулю и никакой передачи энергии не произойдет.
Первые величины называют еще факторами интенсивности, а вторые — экстенсивности. Следовательно, энтропия — фактор экстенсивности при передаче энергии в форме теплоты. Интенсивные факторы не связаны с массой тела, которому передается энергия, экстенсивные факторы, напротив, зависят от нее: и энтропия S, и объем V
при прочих равных условиях тем больше, чем больше масса газа. Соответственно они измеряются в единицах, отнесенных к единице массы.
Понятие об интенсивных и экстенсивных факторах имеет очень широкий смысл, далеко выходящий за пределы термодинамики. Интенсификация любого процесса (даже в народнохозяйственном плане) достигается не за счет увеличения экстенсивного фактора, а только посредством интенсивного фактора. В случае передачи энергии в форме теплоты таким фактором служит температура.
Может возникнуть естественный вопрос: если изменение энтропии, равное нулю, показывает отсутствие передачи энергии в форме теплоты, то как быть с тепловой машиной Карно? Ведь к ней теплота и подводится, и отводится, а энтропия постоянна?
Это противоречие кажущееся: внешние потоки энтропии постоянны, но внутри машины циркулирующее рабочее тело постоянно и нагревается, и охлаждается. При его нагревании двигатель получает теплоту и энтропия рабочего тела растет; при охлаждении и отводе теплоты энтропия уменьшается. В идеальном процессе эти величины равны, и в целом энтропия непрерывно отдается теплопри- емнику в том же количестве, что и поступает от источника теплоты. Поэтому круговой процесс — цикл может повторяться сколь угодно долго.
Закономерность, характерную для идеальных процессов, — существование величины S, которая в сумме не меняется во всех процессах, связанных с переносом энергии, — можно назвать принципом существования и постоянства энтропии.
Если бы свойства энтропии ограничивались только постоянством в идеальных обратимых процессах, то споров вокруг нее было бы значительно меньше. Однако энтропия имеет еще одно важное свойство, именно оно уже более 100 лет вызывает острые споры.
Начало им положил тот же Р. Клаузиус. Он развил идеи С. Карно на новом уровне, основанном на механической теории теплоты, и установил еще одно важное свойство энтропии. Опираясь на него, Клаузиус делает один далеко идущий вывод, из-за которого и возникла дискуссия, продолжавшаяся больше века.
О чем же идет речь?
С. Карно ввел и рассматривал идеальные обратимые процессы, в которых переход теплоты от тела с высокой температурой Ту — теплоотдатчика — к телу с низкой температурой 72 — теплоприемнику — сопровождается полу-
чением работы; напротив, переход теплоты от теплоотдат- чика с низкой температурой Т2 к теплоприемнику с более высокой температурой Т\ происходит с затратой работы.
Однако существуют и другие, необратимые процессы переноса теплоты, могущие сами по себе идти только в одну сторону. Именно на них и обратил внимание Клаузиус. Действительно, что будет, если источник теплоты — теплоотдатчик с более высокой температурой Ту — привести в тепловой контакт (например, соединить металлическим стержнем) с теплоприемником, температура Т2 которого ниже, без тепловой машины? Тогда возникнет тепловой поток от тела с температурой 71 к телу с температурой 72; работы при этом, естественно, никакой не
производится, и всю теплоту, отдаваемую теплоотдатчиком,
получит теплоприемник.
Таким образом, процесс в этом случае будет односторонним, необратимым, поскольку в обратную сторону он
Рис. 3.4. Полосовые графики потоков энергии в тепловом двигателе при обратимом и необрати-Рис. 3.4. Полосовые графики потоков энергии в тепловом двигателе при обратимом и необрати-мом протекании процесмом протекании процессовсовидти не может. (Горячая печка может греть холодный чайник, но холодный чайник греть горячую печку не может.) Как будет вести себя здесь энтропия? Теплоотдатчик отдает энтропию Si = Qi/7i; тепло- приемник получает энтропию S2 = Qi/72 (теплота, получаемая теплоприемником Q2 = Qb так как она на работу не расходуется). Поскольку 72 < 71, то S2 > Si. Энтропия возрастает!
Рис. 3.4. Полосовые графики потоков энергии в тепловом двигателе при обратимом и необрати-
Рис. 3.4. Полосовые графики потоков энергии в тепловом двигателе при обратимом и необрати-
мом протекании процес
мом протекании процес
сов
сов
Тот же эффект может получиться и при работе тепловой машины, но не идеальной, как у Карно, а реальной, действие которой сопровожда
ется потерями.ется потерями.Для реального двигателя это
ется потерями.
ется потерями.
означает, что при тех же температурах 71 и 72 (рис. 3.4) и количестве теплоты Qi работа будет уже не L, a U < L. Следовательно, по закону сохранения энергии теплоприемник получит уже большее количество теплоты Q2 > Q2, так как в работу ее перешло меньше: Q2 = Qi — L, Q1^ = Qi — U; но U < L, следовательно, Q2 > Q2. Отсюда следует, что полученная теплоприемником энтропия 52 = Q4!T^ > ^2-
Опять энтропия возросла!
Для реального теплового насоса при тех же температурах Г| и 7? и том же количестве теплоты Q^ затрата работы U будет больше, чем в идеальном случае: U > L. Поэтому количество теплоты Q'^ будет также больше, чем Q1, так как Q^ = Q2 + Lf. Следовательно, энтропия, получаемая теплоприемником при 71, будет больше, чем при работе идеального теплового насоса:
1 ~ 71 > Ту
И здесь энтропия возрастает! Анализ и других реальных необратимых процессов преобразования энергии неукоснительно показывает — энтропия в них, возрастает.
Р. Клаузиус обобщил эту закономерность на любые необратимые энергетические процессы, введя принцип возрастания энтропии*, во всех реальных процессах преобразования энергии в изолированных системах1 суммарная энтропия всех участвующих в них тел возрастает. Это возрастание энтропии при прочих равных условиях тем больше, чем сильнее процесс (или процессы) в рассматриваемой системе отличается от идеальных, обратимых. В тепловом двигателе, например, как мы видели, ухудшение его действия (т. е. уменьшение получаемой из того же количества теплоты Qi работы L при тех же граничных температурах 71 и Т2) обязательно сопровождается увеличением энтропии. В тепловом насосе увеличение необходимых затрат работы приводит к тому же результату — росту энтропии. Следовательно, энтропия может выполнять еще одну «должность» — быть характеристикой необратимости процессов, показывать отклонение их от идеальных. Чем больше рост энтропии, тем это отклонение больше.
Таким образом, второй закон термодинамики состоит из констатации двух положений — существования и постоянства энтропии в обратимых процессах (Карно) и возрастания энтропии в необратимых процессах (Клаузиус).
Уменьшение энтропии в изолированных системах второй закон запрещает: оно в принципе невозможно: Приме-
ров таких воображаемых невозможных процессов можно привести много: это самопроизвольный переход теплоты от холодного тела с температурой Т2 к более теплому с температурой Т\> Т^, например, закипание чайника с водой, поставленного на лед (или замерзание в жару воды в водопроводной трубе). Нетрудно видеть (рис. 3.5), что энтропия при этом уменьшалась бы, поскольку энтропия S воды в чайнике возрастала бы на Q/Ti, а энтропия S льда уменьшалась на Q/T2. Двигатель, работающий на «концентрации тепловой энергии, отводимой из окружающего пространства» (т. е. производящий работу или электроэнергию из внутренней энергии равновесной окружающей среды), относился бы к этой же группе нереализуемых систем. Действительно, получая некоторое количество теплоты Qo c от среды при ее температуре То-С (а с ней неизбежно и соответствующую энтропию S = Qo.c/To.c, он выдавал бы некоторую работу, в которой энтропии нет. К чему это привело бы?
Рис. 3.5. Чайник, кипящий вопреки второму закону термодинамики, но в согласии с первым законом
Если бы вся теплота Qo.c превратилась в работу, то энтропия исчезла бы совсем. Если же в работу L превратилась бы только часть теплоты Qo.c, а остальную ее часть Q2 двигатель отдал бы обратно, то все равно отданная энтропия была бы меньше, чем полученная так как Q2 < Qo.c И S2 = Qz/Tq'C < Qo.c/Tq q.
Чтобы завершить знакомство с энтропией, остается затронуть еще один аспект этой замечательной величины — ее статистическую трактовку. Она была дана двумя великими физиками — Л. Больцманом (1844-1906 гг.) и М. Планком (1858-1947 гг.).
Они подошли к понятию энтропии с другой стороны, так сказать, «изнутри», от молекулярного строения материи. Больцман исследовал законы поведения всего множества молекул, составляющих взаимодействующие части системы, и установил, что существует непосредственная связь энтропии с тем состоянием, в котором эти молекулы находятся.
Каждая молекула обладает в каждый определенный момент определенной энергией, связанной с ее движением и взаимодействием с другими молекулами. Общая внутренняя энергия вещества представляет собой сумму энергий этих частиц. Поскольку молекулы постоянно находятся в хаотическом движении и взаимодействуют между собой, между ними происходит энергетический обмен, приводящий к тому, что энергия все время перераспределяется между ними. Поэтому каждый следующий момент соответствует уже другому микросостоянию системы с другим распределением энергии между молекулами.
Таким образом, микросостояние системы — это такое ее состояние в данный момент, при котором для каждой молекулы определены положение в пространстве и скорость. Это, если так можно выразиться, мгновенный снимок системы.
Изучить в такой ситуации хаоса и беспорядка, существующей в каждом микросостоянии, поведение каждой молекулы, чтобы предсказать ее поведение в дальнейшем, практически невозможно. Но это и не нужно: достаточно знать возможные варианты общего поведения системы, т. е. число всех ее возможных микросостояний.
Число w таких микросостояний может быть очень велико, огромно, но оно все же не бесконечно, так как число молекул конечно, как и число энергетических уровней, на которых они могут находиться.
Но каково же будет состояние системы, определяемое общими характеристиками (плотность, энергия и т. д.), т. е. ее макросостояние в данных условиях? Какое из многочисленных микросостояний она «выберет»? Оказывается, зная число и особенности различных возможных микросостояний, можно установить ее наиболее вероятное макро-
состояние. Этот закон будет статистическим, что, однако, ничуть не снижает его силы и надежности.
Чтобы показать, на чем он основан, используем наглядный пример, приведенный чл.-корр. АН СССР Л.М. Биберманом.
Пусть на плоском подносе расположены несколько одинаковых монет. Каждая из них может лежать только в одном из двух положений — гербом вверх («орел») или вниз («решка»). Поскольку оба положения совершенно равновероятны, каждая монета может лечь вверх орлом или решкой; заранее предсказать это невозможно.
Движением подноса можно одновременно подбросить все монеты. Допустим, что вначале они все лежали в строгом порядке — орлом вверх. Поставим вначале вопрос так: можно ли путем последовательных подбрасываний монет на подносе (при которых все они, естественно, будут переворачиваться по-разному) вернуться к исходному положению? В принципе, разумеется, можно. Но сколько нужно для этого подбрасываний? Попробуем определить их число, например, для 10 монет. В этом случае возможны разные варианты («микросостояния»): все десять монет гербом вверх (10^), девять вверх — одна вниз (9^, Ц), восемь вверх — две вниз (8^, 2^) и т. д. до одиннадцатого — все вниз (10^). Этот последний вариант (10^) тоже соответствует полному порядку, только обратному первому (ЮТ).
Все эти варианты на первый взгляд равноправны, равновероятны, но это только на первый взгляд. На самом деле они резко различаются тем, что частота их появления будет неодинакова. Действительно, первый вариант можно реализовать только одним способом, а второй — уже десятью (первая монета орел, остальные — решка; вторая — орел, остальные — решка; третья — орел, остальные — решка и т. д.). Следовательно, второй вариант будет возникать в 10 раз чаще первого. Третий вариант (8^, 2^) можно реализовать еще намного большим количеством способов. Действительно, двумя монетами, повернутыми вниз, могут быть первая и вторая, первая и третья (и т. д.), вторая и третья, вторая и четвертая и т. д. Легко убедиться, что таких способов будет уже 45. Четвертый вариант реализуется уже 120 способами.
Если свести все данные вместе, то получим такую таблицу:
Расположение монет (макросостояния)
ют ОТ
9Т Ц
8Т
2Т
7Т зт
6Т
4Т
5Т
5Т
4? 61
зт 7Т
2Т 8Т
1Т
9Т
от ют
Число способов реализации (микросостояний)
1
10
45
120
210
252
210
120
45
10
1
Всего, следовательно, в сумме возможны Еи = 1024 микросостояния. Из них состояния «полного порядка» (0^, 10^ и 10t, 0t) встречаются только по 1 разу. Напротив, наиболее далекие от порядка микросостояния (5t, 5t), t, 6t), (6t, 4t) встречаются наиболее часто; чаще всего (5j, 5f) — 252 раза.
Таким образом, для получения первоначального порядка нужно встряхнуть поднос не менее 1024 раз! Напротив, перемешать все поровну можно за каких-то (1024/252) четыре встряхивания. Микросостояние полного перемешивания в 252 раза вероятнее, чем состояние полной упорядоченности. Путь от порядка к беспорядку очень короток, но чтобы пройти путь от беспорядка к порядку, нужно поработать намного больше! Здесь мы встречаемся с понятием термодинамической вероятности w, которая определяется числом тех микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние. Понятие термодинамической вероятности отличается от понятия математической вероятности случайного события, которая определяется отношением числа появлений данного события к общему числу испытаний. В данном случае математическая вероятность определялась бы для каждого случая величиной w/Ew.
В описанном эксперименте мы взяли всего 10 монет. А если их будет больше?
Ниже даны суммарные округленные цифры Ew микросостояний для числа монет п до 100:
п10Sw103п10Sw10320305070100
п10
Sw103
п10
Sw103
106109 1015102110
Это означает, что для возвращения к упорядоченному расположению монет при их числе, например 100, нужно время, большее времени существования солнечной системы1 — (7 4- 8) • 109 лет.
Рис. 3.6. Примеры взаимных переходов упорядоченных и неупорядоченных состояний: а — разность давлений (р2 > pi); б — разность температур (Т2 < 71); в — разность концентраций (с2 > С1)Рис. 3.6. Примеры взаимных переходов упорядоченных и неупорядоченных состояний: а — разность давлений (р2 > pi); б — разность температур (Т2 < 71); в — разность концентраций (с2 > С1)Но ведь молекул газа в самом малом объеме несоизмеримо больше, чем 100 (при давлении 0,1 МПа и температуре 273 К — около 3 х 109 в 1 см3). Поэтому термодинамическая вероятность w того, что молекулы равномерно распределятся в любом свободном объеме беспорядочно с мгновенными скоростями, направленными хаотично, чрезвычайно велика; этому соответствует гигантское количество возможных микросостояний Sw. Напротив, по сравнению с этим вероятность установления микросостояний, в которых будет определенный порядок, совершенно ничтожна. Практически она равна нулю.
Рис. 3.6. Примеры взаимных переходов упорядоченных и неупорядоченных состояний: а — разность давлений (р2 > pi); б — разность температур (Т2 < 71); в — разность концентраций (с2 > С1)
Рис. 3.6. Примеры взаимных переходов упорядоченных и неупорядоченных состояний: а — разность давлений (р2 > pi); б — разность температур (Т2 < 71); в — разность концентраций (с2 > С1)
Рассмотрим три таких упорядоченных состояния.
В одной половине сосуда собралось вдвое больше молекул, чем в другой. Соот
ветственно давление pi в одной половине будет в 2 раза больше, чем р^ в другой — (р2 = 2pi). Эта ситуация схематично показана на рис. 3.6, а.
В одной половине сосуда собрались те молекулы, у которых средняя скорость теплового движения больше, а в другой — те, у которых она меньше некоторого заданного значения. (Известно, что в газе имеются молекулы с разными скоростями; его температура определяется их средним значением.) Тогда газ в одной половине сосуда будет горячим (с температурой Ti), а в другой — холодным (с температурой Т^ < Ту. Такая ситуация изображена на рис. 3.6, б; в принципе она аналогична случаю с чайником, показанному на рис. 3.5.
В сосуде, где находится смесь двух газов (например, воздух, состоящий из кислорода и азота), молекулы одного газа (кислорода) соберутся преимущественно в одной ча-
сти сосуда, а второго газа (азота) — в другой: В сосуде возникнет разность концентраций ci и С2, (рис. 3.6, в\
И теория, и опыт показывают, что такая ситуация — самопроизвольное упорядочение — возникновение разностей давлений р, температур Т или концентраций с столь маловероятна, что ее возникновение было бы чудом. Напротив, если такую разность создать искусственно, путем внешнего воздействия (с затратой соответствующей работы), она тут же начнет самопроизвольно выравниваться.
Действительно, если разделить сосуд перегородкой и заполнить его отсеки кислородом и азотом, то при удалении перегородки газы равномерно перемешаются. То же будет при разных давлениях или температурах — они выравняются, и в конце концов установится некоторое среднее значение.
Теперь мы можем вернуться к свойствам энтропии — статистической трактовке. В результате работ Л. Больцмана и затем М. Планка была установлена известная зависимость
S = ATnw.1 (3.8)
Энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности (т. е. числу w микросостояний, которыми данное макросостояние может быть реализовано). Коэффициент к — постоянная Больцмана — имеет определенный физический смысл: он равен отношению универсальной газовой постоянной R^ к числу Авогадро Кд.
Применительно к примерам, рассмотренным выше, формула (3.8) показывает, что чем больше число w (например, все монеты лежат в беспорядке или газ равномерно распределен в сосуде и т. д.), т. е. чем больше вероятность данного состояния, тем больше и энтропия S. Если, напротив, w 1, т. е. все единственным образом упорядочено (например, все монеты лежат одинаково), то S = О (поскольку In 1 = 0).
Таким образом, поскольку все физические системы самопроизвольно стремятся к состоянию большей вероятности, к равновесию, то энтропия любой изолированной системы, свободно меняющей свое состояние, может только увеличиваться. Если система уже находится в равновесии или обратимо изменяет состояние, то энтропия будет постоянной. Самопроизвольно она уменьшаться не может.
хЭта формула высечена на пьедестале надгробного памятника Больцману в Вене.
Все три процесса, показанные на рис. 3.6, могут идти только влево (рост энтропии S\ Вправо (штриховая стрелка) они идти не могут, так как энтропия при этом уменьшилась бы, что невозможно.
Таким образом, и статистическая трактовка энтропии приводит тоже к положениям второго закона термодинамики: в изолированных системах энтропия может либо оставаться неизменной (в идеальных, обратимых процессах, где уровень неорганизованности остается неизменным), либо возрастать (в реальных процессах, где неупорядоченность, неорганизованность возрастают).
В формулировке М. Планка эта мысль выражена предельно четко: «В природе для каждой системы тел существует величина, которая при всех изменениях, которые затрагивают только эту систему, или остается постоянной (обратимые процессы), или увеличивается (необратимые процессы). Это энтропия системы».
Эта формулировка второго закона термодинамики очень близка по стилю и четкости к формулировке первого закона, которую дал Фейнман (мы ее приводили на с. 86) и смысл которой аналогичен утверждению: «Существует величина, которая при всех изменениях, которые затрагивают только эту систему, остается постоянной. Это энергия системы».
Соответственно существование ррш-1 противоречит постоянству энергии, существование ррш-2 точно так же противоречит постоянству или возрастанию энтропии.
В отличие от первого закона, относящегося к так называемым «динамическим», второй закон носит, как мы видели, статистический характер. В «рассуждении» о законах, которым заканчивалась предыдущая глава, мы обещали вернуться к статистическим законам позже. Сейчас это можно сделать.
Динамические законы описывают состояние и поведение индивидуальных объектов (тел, систем). Внутреннее их строение для динамических законов не имеет значения. Если известно, что система Л передала системе В какое-то количество энергии W (в условиях, когда они обе изолированы), то мы точно знаем, что энергия системы А уменьшилась точно на W, а системы В ровно на столько же увеличилась, совершенно независимо от того, что в них при этом происходило.
Статистические законы описывают состояние и поведение совокупности (множества) объектов, рассматривая ее как нечто целое.
При таком подходе физическое тело (например, газ) рассматривается как множество молекул, поведение каждой из которых определяется случайностью. Мы не можем точно сказать, как ведет себя каждая молекула в отдельности (как, например, каждая монета в рассмотренном выше примере). Однако «общее поведение» молекул (так же как и число монет, находящихся в определенном положении) мы найти с определенной степенью вероятности можем. Эта вероятность, как мы
видели, тем больше, чем больше число отдельных молекул определяет давление, температуру и энтропию газа или жидкости.
Вероятность верного предсказания таких общих величин, определяемых статистическими законами, как мы видели даже на простых примерах, практически равна единице, а отклонения от нее — нулю1.
После появления первых статистических законов они сначала считались «второстепенными», «неполноценными» Сейчас статистические законы заняли в науке, в частности в физике, равноправное (если не преобладающее) положение по отношению к динамическим. Они столь же надежно предсказывают поведение систем (естественно, если количество частиц, входящих в множество, достаточно велико), как и динамические.
Поэтому второй закон термодинамики, имеющий статистическую природу, столь же надежен и «непробиваем», как и первый.
Попытки обосновать ррш-2, ссылаясь на «неполноценность» второго закона из-за его статистической природы, абсолютно безнадежны.
Пользуясь понятием энтропии, мы можем четко определить, какие процессы в принципе допускаются вторым законом термодинамики и какие он не разрешает. Очевидно, что к первым относятся все те, где энтропия S неизменна или возрастает, а ко вторым — те, где она уменьшается.
Удобнее всего показать это графически (рис. 3.7). Слева условно в виде прямоугольников изображены исходные состояния (до проведения процесса), справа — конечные (после его завершения). Размеры каждого прямоугольника, показывающего состояние системы, соответствуют ее энергии; по закону сохранения энергии их площадь в конечном состоянии равна начальной. Чем меньше энтропия S системы, тем более эта система упорядочена. Линиями со стрелками на рисунке показано возможное направление
Иногда возникает вопрос о том, как в природе осуществляется переход к более вероятным состояниям. В примере с монетами и подносом для этого потребовалась некая «внешняя сила» — нужно было кому- то трясти поднос. А в природе? Дело в том, что природа сама всегда «трясет поднос», поскольку неподвижности, равновесия в ней нет. Другое дело, что иногда (и даже часто) эта «тряска» не настолько сильна, чтобы быстро «растормозить» некоторые неравновесности.
Человек в своих интересах может этот процесс ускорить. Например, сжигая топливо для получения электроэнергии, мы используем химическую неравновесность между топливом и кислородом воздуха, подробнее об этом будет сказано дальше.
протекания процессов; переход в обратном направлении невозможен.
^>0
Рис. 3.7. Возможные переходы систем из одного состояния в другое. Переход слева направо возможен во всех случаях, справа налево — только в первом (процесс обратим)
Первый процесс — переход из одного полностью организованного состояния 7), соответствующего нулевой энтропии (обозначено штриховкой), в столь же упорядоченное состояние (2). Характерными примерами устройств с такими процессами могут служить механический редуктор, электрический трансформатор или двигатель. В предельном случае каждый из них может полностью преобразовать механическую работу или электроэнергию в работу или электроэнергию с другими, нужными характеристиками. Если же в системе будут потери (трение, тепловыделения от электронагрева), то переход системы в новое состояние будет сопровождаться некоторым возникновением энтропии (случай 2). Чем больше потери, тем больше будет ее значение (S2 > S2 > Si = 0).
Может быть и так, что система в исходном состоянии характеризуется некоторой энтропией Si, отличной от нуля (случай 3). Она может перейти как в состояние с такой же энтропией S2 = Si, сохранив исходный уровень неупорядоченности (идеальный процесс), так и в любое состояние с большей энтропией S'^ > S2 (реальный процесс).
Может быть и так (случай 4), что из одной системы образуются две (или из одного потока энергии два). Тогда полученная сумма энтропии должна либо быть равной исходной (идеальный процесс, S1^ + S^ = Si), либо превышать ее (реальный процесс, S2 + S2 > Si). В этом последнем случае возможна, в частности, и ситуация, при которой один из конечных результатов процесса (часть системы или поток энергии) будет характеризоваться меньшей энтропией, чем исходное состояние. Но такое «облагораживание» (уменьшение беспорядка) в одной части неизбежно компенсируется равным или еще большим ростом энтропии в другой части. Здесь одна часть «выбивается в упорядоченные» за счет другой части, но в конечном результате общая энтропия опять вырастет.
Наконец, пятый случай. Здесь вначале либо имеются две системы с разной энтропией, либо подводятся два потока энергии: один в упорядоченной форме (S^ = 0, работа), а другой — в неупорядоченной (S^ > 0, теплота). В результате получается система (или поток энергии) с общей энтропией S2, большей (в реальном процессе) или равной (в идеальном) энтропии S^1.
Нетрудно видеть, что все технические устройства, созданные человеком, преобразуют энергию по одной из описанных схем (или их сочетаниям). О первой и второй мы уже говорили. Третья соответствует многочисленному классу процессов, в которых перерабатываются потоки разного уровня неупорядоченности без существенного участия безэнтропийных, упорядоченных потоков энергии (работы, электроэнергии). К ним относятся многие химикотехнологические процессы и другие, в которых участвуют в основном потоки вещества и теплоты.
Очевидно, что в четвертом и пятом случаях справа (и соответственно слева) могут быть не две системы или два потока, а больше. При этом условие, что суммарная энтропия справа должна быть равной или большей энтропии слева, естественно, сохраняется.
Примером четвертого случая может служить тепловая электростанция, вырабатывающая электроэнергию (S = 0) и отдающая непревращенную теплоту с большей энтропией в окружающую среду.
Наконец, пятому случаю соответствует тепловой насос. К системе подводится работа (S^ = 0) и теплота из окружающей среды Sf{ > 0, а отводится теплота при более высокой температуре с энтропией S^ > S'{. Все случаи преобразования энергии, в которых превращение по схемам 2-5 шло бы не слева направо, а справа налево, относятся к нереализуемым: они невозможны, поскольку энтропия уменьшается. Все вечные двигатели второго рода, которые мы будем рассматривать в дальнейшем, сводятся в конечном счете к одной из этих невозможностей.
Все сказанное в этой главе о принципе Карно, порядке и беспорядке, об энтропии и ее статистической трактовке показывает, что второй закон термодинамики, запрещающий ррш-2, нельзя опрокинуть доводом о том, что он «не всеобщий, поскольку статистический». Всюду, где действуют физические законы статистической природы (а все возможные, вернее, невозможные варианты ррш-2, как и вся техника, действуют именно в этих условиях), второй закон незыблем. Житейское правило (особенно хорошо известное женщинам), что беспорядок из порядка всегда возникает сам по себе, а наведение порядка всегда требует затраты работы, здесь оправдывается в полной мере.
Однако в запасе у идеологов ррш-2 есть еще три «мощных» довода против второго закона. Один из них связан с философско-космологическими проблемами — это опровержение теории «тепловой смерти Вселенной». Опровергая эту теорию, сторонники ррш-2 пытаются низвергнуть и второй закон. Другой довод — это существование жизни, которая, по их мнению, тоже опровергает второй закон.
Третий довод далеко не такой глобальный, как первые два: он относится к области техники. Сторонники ррш-2 считают, что уже существует техническое устройство, действие которого наглядно опровергает второй закон термодинамики. Это, как ни странно, — тепловой насос, о котором мы уже упоминали. Поэтому нельзя перейти к разбору конкретных образцов ррш-2 без того, чтобы не коснуться как первых двух, казалось бы, далеких от энергетики вопросов, так и третьего, прямо к ней относящегося, — о тепловом насосе.
Глава четвертая«ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ»,БИОЛОГИЯ, ТЕПЛОВОЙ НАСОС
Даже небольшая кучка людей может создать большую путаницу.
Б. Франклин
«Тепловая смерть Вселенной» и ррш-2
Первая часть второго закона термодинамики — положение о существовании энтропии и ее неизменности в обратимых процессах — не вызывает теперь ни у кого сомнений.
Иная ситуация сложилась с другой частью этого закона — положением о неизбежном возрастании энтропии в реальных, необратимых процессах. Дискуссия по поводу принципа возрастания энтропии и границах его применимости началась с того самого момента, когда Клаузиус его сформулировал. Дело в том, что он не ограничил область применения закона возрастания энтропии изолированными системами конечных размеров, а распространил его действие ни много, ни мало на всю Вселенную! Это неизбежно приводило к очень далеко идущим выводам.
Клаузиус писал об этом так: «Работа, могущая быть произведенной силами природы и содержащаяся в существующих движениях небесных тел, будет постепенно все
больше и больше превращаться в теплоту. Теплота, переходя постоянно от более теплого к более холодному телу и стремясь этим выравнивать существующие различия в температуре, будет постепенно получать все более и более равномерное распределение и наступит также известное равновесие между наличной в эфире лучистой теплотой и теплотой, находящейся в телах. И, наконец, в отношении сво
его молекулярного располо-
Рис. 4.1. Рудольф Клаузиус жения тела приблизятся к некоторому состоянию, в котором, что касается господствующей температуры, совокупное рассеяние будет возможно наибольшим». И далее: «Мы должны, следовательно, вывести заключение, что во всех явлениях природы совокупная величина энтропии всегда может лишь возрастать, а не уменьшаться, и мы получаем поэтому как краткое выражение всегда и всюду совершающегося процесса превращения следующее положение: энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму.
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 ну-
ждается 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. Джинс (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 БольцманРис. 4.2. Людвиг БольцманИз 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.
Рис. 4.2. Людвиг Больцман
Рис. 4.2. Людвиг Больцман
Правильность второго закона вовсе не определяет не
избежность «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 ррш-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» процес-
сов, т. е. идущих с уменьшением энтропии, пригодных для реализации ррт-2.
Шаткость «космической» базы антиэнтропийных теорий заставляет защитников ррш-2 искать для них более надежный фундамент (не отказываясь и от прежнего). Некоторая путаница в биологической термодинамике создала для этого благоприятную почву.
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 ррш-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 ррш-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 со-
здать 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 ррш-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 ррш-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.
Рис. 4.3. Схемы материального (а)Рис. 4.3. Схемы материального (а)растениярастенияН2ОН2О(Жидкость) Питательные(Жидкость) Питательныевеществавеществаи энергетического (б) балансов
Рис. 4.3. Схемы материального (а)
Рис. 4.3. Схемы материального (а)
растения
растения
Н2О
Н2О
(Жидкость) Питательные
(Жидкость) Питательные
вещества
вещества
Материальный баланс будет иметь вид
М2 + М4 + М^ — (М3 + М^ = ^Mq.
Это уравнение показывает: все, что получает растение (М2 + М4 + М5) за определенный отрезок времени, за вычетом того, что оно отдает (М3 + М^ идет на приращение AMq его массы, связанное с ростом. Аналогичное уравнение получится и для энергии:
W1 + W2 + W4 + W5 - (W3 + W6) = AW0.
Здесь A Wo — прирост внутренней энергии растения, определяемый увеличением его массы при росте.
Чтобы установить, нарушает эта система второй закон термодинамики или нет, нужно проверить, что происходит с энтропией в процессе жизнедеятельности растения: увеличивается она или уменьшается?
Очевидно, что живая ткань растения более высоко структурно организована, чем поступающие из воздуха питательные вещества. Поэтому при образовании такой ткани
(с массой AMq) ее энтропия будет несомненно меньше, чем суммарная энтропия исходных веществ (СО2, Н2О и питательных веществ почвы). В этом смысле образование и накопление живой ткани растения и поддержание ее существования будет, несомненно, антиэнтропийным процессом. Но никак нельзя забывать, что одновременно неизбежно меняется энтропия потоков вещества и энергии, проходящих через контрольную поверхность. Здесь получается обратная картина (рис. 4.3): суммарная энтропия выходящих потоков (3 и б) неизбежно оказывается много большей, чем входящих (7, 2, 4 и 5). Это объясняется тем, что энтропия поглощаемого солнечного излучения1 сравнительно невелика, так же как и поступающих из почвы минеральных солей; энтропии газов — кислорода и СО2 — близки по значениям. Зато энтропия водяного пара, отдаваемого листьями, относительно велика (примерно в 3 раза больше, чем у воды). В результате энтропия потоков, проходящих через контрольную поверхность, возрастает намного больше, чем снижается энтропия веществ, превращающихся в органическую ткань.
Если первую величину — прирост энтропии — обозначить через AS", а вторую (уменьшение энтропии) — через KS", то оказывается, что всегда ZXSH ^> ZXSH.
Следовательно, в целом энтропия неизбежно возрастает на величину
AS = AS' - ^Sn » 0.
Другими словами, растения только потому могут расти антиэнтропийно, что «сбрасывают» избыток энтропии в окружающую среду; при этом прирост энтропии в ней намного больше, чем снижение ее в самом растении. Поэтому все рассуждения об «антиэнтропийной природе растительной жизни», о «нарушении второго закона термодинамики» совершенно неверны. Они основаны на неполном учете всех величин, определяющих общее изменение энтропии, подмене точного анализа и расчета общими рассуждениями.
Если взять другую часть органического мира — животных, то здесь наблюдается та же картина. Животные, пи
лоток излучения, как и всякий поток энергии, тоже характеризуется определенной степенью беспорядка (разные частоты и другие характеристики колебаний частей спектра). Только монохроматическое когерентное излучение (например, лазера) полностью упорядочено и (как и работа) характеризуется нулевой энтропией.
таясь растениями (или другими животными), а также поглощая воду и кислород воздуха, выделяют СО2, теплоту и продукты, получаемые в результате переваривания пищи. Энтропия всего того, что выделяется, намного больше энтропии того, что поглощается. В результате уменьшение энтропии, происходящее как при образовании новых органических тканей и отмирании старых, оказывается намного меньше, чем общий прирост энтропии. Животные тоже «сбрасывают» излишнюю энтропию в окружающую среду, развивая или поддерживая таким путем свою внутреннюю высокоорганизованную малоэнтропийную структуру. В целом энтропия опять неизбежно растет. Очень наглядно проиллюстрировал это положение Э. Шредингер, о котором мы уже упоминали. Он писал так: «Энтропия кошки уменьшается за счет того, что возрастает энтропия системы «кошка + мышь»; т. е. то, что получается из мыши после того, как кошка ее съест и переварит, имеет значительно большую энтропию, чем мышь».
Таким образом и с другой, биологической стороны опровергнуть второй закон тоже не удается. Остается еще одна, последняя возможность — создать техническое устройство (или найти готовое), которое действовало бы вопреки второму закону термодинамики. Лучше всего, конечно, было бы, если бы такая система была двигателем и производила работу; но это в конце концов необязательно. Для доказательства достаточно только указать любую систему такого рода, поскольку возможность ее, существования однозначно определяет и возможность создания действующего ррш-2. В последнем параграфе этой главы мы рассмотрим одно такое устройство — тепловой насос, принцип действия которого уже обсуждался на стр. 125. По мнению многих сторонников «энергетической инверсии», он своей работой наилучшим образом опровергает второй закон термодинамики.
Прежде чем приступить к разбору теплового насоса, полезно проделать небольшую работу по ознакомлению с одним термодинамическим методом, который позволяет просто и наглядно определять, может ли работать любое предложенное устройство с точки зрения второго закона термодинамики, и если может, то какова его термодинамическая эффективность. Это не только очень удобно для анализа теплового насоса, но и позволит дополнительно рассмотреть роль второго начала термодинамики в биологии.
Эксергетический баланс и КПД
Энтропия — основная величина, определяющая возможность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с позиций второго закона термодинамики. Суммарная энтропия неизменна или растет — процесс возможен; уменьшается — невозможен.В рассмотренных выше случаях мы успешно пользовались именно этим фундаментальным свойством энтропии для того, чтобы определить, что может быть в энергетических превращениях и чего быть не может. Однако не только этим свойством определяются возможности практического использования энтропии. Она может помочь в решении другой, не менее важной задачи — определить качество энергетических превращений (а следовательно, и любых устройств, в которых они производятся).
Когда говорят об энергосберегающей технологии, об уменьшении потерь энергии, то речь по существу идет не об энергии в количественном смысле. Нужно четко понимать, что в количественном отношении энергию сберегать не нужно, об этом автоматически заботится первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Любое техническое устройство (да и вообще все на свете, что живет и движется) действует всегда так, что энергия сохраняется: сколько ее входит, столько неизбежно и выходит; она никогда не теряется. Поэтому сбережение энергии — это по существу сбережение ее качества. Именно об этой качественной стороне энергии писал Энгельс в «Диалектике природы». Любая технология и технические устройства, в которых она осуществляется, тем совершеннее, чем меньше будет возрастать энтропия в результате их функционирования, т. е. чем меньше будет «портиться» энергия.
Поясним это на простом примере — тепловой электростанции. В ней протекает целая цепочка энергетических превращений. Сначала химическая энергия топлива и окислителя (кислорода воздуха) превращается во внутреннюю энергию раскаленных продуктов сгорания; затем эта энергия в форме теплоты передается воде и превращается во внутреннюю энергию пара. В свою очередь энергия пара в турбине превращается в механическую, а та — уже в электрическую. Часть внутренней энергии пара отводится из конденсатора охлаждающей водой и выбрасывается в
окружающую среду. В целом вся эта последовательность укладывается в вариант 4 схемы энергетических превращений на рис. 3.7. Часть энергии (от 35 до 40%) преобразуется в полностью упорядоченную, безэнтропийную электроэнергию, зато другая, большая ее часть, низкокачественная, с повышенной энтропией, сбрасывается в окружающую среду. Совершенно очевидно, что чем больше возрастание энтропии на каждом этапе энергетических превращений (т. е. чем хуже они организованы), тем больше будет и суммарный рост энтропии. А это неизбежно приведет к уменьшению безэнтропийной доли энергии на выходе (т. е. электроэнергии) и увеличению доли сбрасываемой высокоэнтропийной теплоты. В электроэнергию перейдет не 35-40% исходной химической энергии, а меньше — 30, 25 % и т. д. То же самое будет и в любой другой технической системе, что бы она ни производила — теплоту, холод, каучук или металл...
Чем менее совершенны технологические процессы и соответствующее им оборудование, тем больше рост энтропии и тем меньше целевых продуктов будет получено при той же затрате энергии. Таким образом, экономия энергоресурсов всегда сводится в конечном счете к сохранению качества энергии, к борьбе против роста энтропии.
Однако при всех достоинствах энтропии (и как критерия возможности осуществления процессов, и как меры, характеризующей качество энергетических превращений в них) ее непосредственно использовать для анализа энергетических превращений нельзя. Это объясняется тем, что энтропия и ее изменения не показывают непосредственно количества энергии — как того, которым мы в каждом случае можем располагать и которое можем полезно использовать, так и того, которое теряется бесполезно. Конечно, можно их найти, зная энтропию, но каждый раз для этого нужен специальный расчет с привлечением дополнительной информации. Чтобы иметь эти количества сразу и одновременно определять, нарушается второй закон или нет, было изобретено специальное термодинамическое понятие — эксергия [1.18—1.19]1. В чем ее смысл?
^но (правда, под другим названием) появилось не намного позже самого второго закона термодинамики — в 80-х годах прошлого века, но нашло широкое применение только в наше время. Термин «эксергия» (т. е. внешняя, способная проявиться в деле энергия) предложил югославский ученый З.Рант в 1956 г.
Мы уже видели, что любая упорядоченная энергия (с энтропией 5 = 0, рис. 3.7) может быть всегда полностью переведена в любой другой вид энергии; напротив, если энергия в той или иной степени неупорядочена (S > 0), то на ее способность к превращениям второй закон налагает определенное ограничение. Чем больше эта энтропия, тем энергия менее качественна и тем меньше высококачественной (безэнтропийной) энергии (например, работы или электроэнергии) она в данных условиях может дать. Это означает, что безэнтропийная энергия может служить как бы эталоном, общей мерой качества, работоспособности любого вида энергии. Она и была названа эксергией. В такой общей мере (эксергии), конечно, «спрятана» внутри энтропия как некая базовая величина; это необходимо, но недостаточно. Кроме нее в эксергию неизбежно должны входить и другие величины, характеризующие как энергию, так и ту окружающую среду, в которой энергия используется.
Действительно, представим себе, например, что мы располагаем 100 единицами (кДж) теплоты Q при разных температурах Т = 500, 1000 и 1500 К. Отнеся Q к Г, мы будем знать энтропию, но ответа на вопрос, какую работу можно получить, располагая этой теплотой (т. е. какова его эксергия), мы не получим. Для этого нужно найти ее работоспособность, эксергию, т. е. максимальную работу, которую она может дать.
Эта величина — эксергия теплоты Eq — определяется по той самой формуле Карно-Клаузиуса, о которой мы уже говорили в предыдущей главе ^L = Q^f™1^- Кроме температуры 1\ в формулу входит и температура теплопри- емника 72, которая в нашей задаче соответствует температуре окружающей среды Гос1- Примем ее равной 300 К (+27 °C).
Тогда работоспособность (эксергия) 100 кДж теплоты составит: для первого случая Eqi = ЮО^00 = 40 кДж, для второго — Eq2 = 100 1О%оо°О = 70 кДж и для третьего Е^ = 80 кДж.
Очевидно, что при других То с значения эксергии будут тоже другими, поэтому учитывать ее нужно обязательно.
Характерно, что сторонники «энергетической инверсии», т. е. извлечения теплоты из окружающей среды, превращения ее в работу и создания на такой основе ррш-2, не признают очевидного факта зависимости работоспособности теплоты от температуры. Это и естественно. Согласие с существованием такой зависимости неизбежно приводит к краху всей концепции ррш-2, поскольку «теплота окружающей среды» при Т=То.с никакой работы дать не может. Тем не менее В.К. Ощепков пишет: «Калории есть калории, независимо от того, при какой температуре они измерены» и далее, чтобы не оставить никаких сомнений в смысле этого утверждения: «В природе нет и не может быть энергии более ценной и менее ценной — энергия всегда есть энергия» [3.1].
Естественно, что никаких научных доказательств этого, мягко говоря, странного тезиса не приводится. Игнорируется не только все, что сделано в термодинамике за последние 150 лет, прошедшие со времен Карно, но и все, что мы наблюдаем в природе и используем в технике.
Аналогично тому, как это делается для потока теплоты, можно определить и эксергию любого вида внутренней энергии, связанной с каким-либо телом. В определении эксергии в зависимости от того, с какой энергией мы имеем дело, могут участвовать не только температура, но и другие величины, например давление.
Если мы располагаем, например, баллоном, содержащим под определенным давлением, pi = 10 МПа, то в земной атмосфере с давлением р2 = 0,1 МПа он будет иметь работоспособность, которую можно реализовать, заставив его, скажем, вращать турбину, в которой газ расширится до 0,1 МПа.
Но если поместить такой баллон, например, в венерианскую атмосферу при р2 = 10 МПа, или в глубину моря, где такое же давление, то работоспособность (эксергия газа) в нем будет равна нулю (давления рх и р2 равны — газ в баллоне энергетически «мертв»).
Работоспособность — эксергия вещества — энергоносителя может определяться не только различием с окружающей средой в температуре и давлении. Не менее важна и разница в химическом составе. Если она есть, — существует и эксергия, которая может быть превращена в работу или другую безэнтропийную энергию с помощью соответствующего устройства. Это можно пояснить тоже «космическим» примером. Природный газ (в основном метан) имеет высокую работоспособность в среде воздуха или еще большую в среде кислорода. Но если поместить его в
метановую атмосферу (где-нибудь на Юпитере), его работоспособность исчезнет — эксергия станет равной нулю. Напротив, воздух в этих же условиях будет прекрасным «топливом» с большой работоспособностью.
Нетрудно видеть, что все приведенные примеры аналогичны тем, которые приводились ранее (рис. 3.6) при разборе понятия энтропии. Эксергия (возможность получить работу) имеется, если существуют разности потенциалов интенсивных величин — температур, давлений или химических составов. Если их нет — система энергетически мертва — энтропия имеет максимальное значение.
Разница между последними примерами и показанными на рис. 3.6 состоит в том, что роль одной из половин сосуда играет окружающая среда, что в большей мере соответствует реальным техническим задачам.
Оценка энергетических ресурсов с помощью эксергии широко используется и в теории — во многих разделах термодинамики и в инженерной практике. Эксергия служит общей, единой мерой любых видов энергии (потока теплоты, вещества, излучения), определяя точной количественной мерой ее качество. Она дает возможность сформулировать второй закон термодинамики в менее общей, но зато более практически удобной форме, чем энтропия. Эта формулировка гласит: В любых реальных процессах, протекающих в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, эксергия либо остается неизменной (в идеальных процессах), либо уменьшается (в реальных). Это означает, что любой процесс, в котором общая эксергия на выходе Ем равна или меньше входящей Е' возможен; напротив, если Ем > Е', то невозможен и представляет собой некий вариант ррш-2.
Если отнести Ем к Е' то получим так называемый экс- ергетический КПД ре = Ем(Е'. Очевидно, что ре в идеальном случае равен единице, т. е. 100%, а в реальном ре < 100%. Если же т]е получается больше 100%, то мы неизбежно имеем дело с каким-либо вариантом ррш-2. Здесь просматривается четкая связь с фундаментальным энтропийным определением второго закона. Первый случай — идеальный процесс соответствует постоянству энтропии, второй — ее росту. Но пользоваться эксергетическим критерием более удобно: он непосредственно включает энергетические величины и в этом отношении аналогичен первому закону термодинамики. (Напомним, что непременное
условие выполнения первого закона — равенство энергий: 52 W' = 52 W"; для второго закона 51 Ем < 52Е?.)
Вооружившись эксергетическими уравнениями, можно без излишних сложностей проанализировать любой нужный нам процесс или систему. Если системы еще нет, мы исследуем ее проект на предмет возможности ее осуществления; если она существует, то можно проверить, каков ее КПД.
Эксергия дает также возможность сформулировать удобное определение ррш-2, симметричное определению ррш-1. Если ррт-1 — это машина, делающая энергию из «ничего» (EW" > EW'; разность AW = EW" — EW' берется «ниоткуда»), то ррш-2 — это машина, делающая эксергию из того же «материала» (ЕЕ" > ЕЕ'; разность ДЕ = ЕЕ" — ЕЕ' берется тоже «ниоткуда»).
Эксергия дает возможность более удобно, чем с помощью энтропии, охарактеризовать энергетические превращения в биологических объектах. Действительно, характеризуя энергетику растений и животных, мы по образцу [1.8, 1.10] говорили о том, что, поглощая потоки вещества и энергии с малой энтропией, они выдают их с большей энтропией, т. е. «сбрасывают» энтропию в окружающую среду. Тем самым доказывается, что они функционируют в полном согласии со вторым законом. Но как сказать одним словом (причем строго научно) не о том, что они «сбрасывают», а о том, чем они питаются (в энергетическом смысле)?
Физики, привыкшие к «понятной, родной энтропии» (по выражению одного физико-химика), не смогли с ней расстаться и подошли к задаче чисто математически. Э. Шредингер ввел понятие «негэнтропии» (негативная» энтропия, энтропия с обратным знаком). Получается, что, следовательно, они «питаются» отрицательной энтропией — «негэнтро- пией». За Шредингером термин «негэнтропия» пустили в ход и другие физики, а за ними и некоторые биологи. С формально-математической стороны здесь все в порядке; любая величина может быть представлена как положительной, так и отрицательной. Однако за термином «негэнтропия» не стоит никакая физическая реальность: значение энтропии, меньшее нуля, соответствует некоторому несуществующему состоянию «сверхорганизованности».
Очевидно, что эксергия более строго, чем негэнтропия, характеризует упорядоченную качественную энергию, за счет которой организм живет.
«Питание» организма эксергией имеет четкий физический смысл. То, что организм использует, определяется непосредственно разностью получаемой и отводимой эксергии. При таком подходе все становится на место без каких-либо оговорок.
В частности, становятся четко просматриваемыми энергетические связи в «экологической пирамиде». Растения, поглощая эксергию с солнечным светом и веществами из почвы и воздуха, не только живут сами, но и дают эксергию животным. Стоящий на вершине экологической пирамиды человек получает эксергию со «всех этажей» пирамиды — от растений, животных и неравновесной окружающей среды.
Каждый «этаж» имеет и свои отходы, эксергия которых используется на нижестоящих этажах.
Любопытно, что Л. Больцман, который больше, чем кто-либо, занимался энтропией, описывая такую экологическую пирамиду, пользовался не энтропией, а «энергией, которую можно использовать», т. е. по существу эксергией. Он писал [1.23]: «Всеобщая борьба за существование живых существ — это не борьба за составные элементы, — составные элементы всех организмов имеются налицо в избытке в воздухе, воде и в недрах земли, и не за энергию, ибо она в изобилии содержится во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты. Но это борьба за энергию, которую можно использовать при переходе с горячего Солнца к холодной Земле. Чтобы возможно полнее использовать этот переход, растения распускают огромную поверхность своих листьев и заставляют солнечную энергию, прежде чем она упадет до уровня температуры земной поверхности, выполнять химические синтезы... Продукты этой химической кухни служат предметом борьбы в мире животных».
Во времена Больцмана экологический кризис еще не возникал в такой форме, как теперь; поэтому он пишет о составных элементах, что они «имеются в избытке».
Пользуясь понятием эксергии, мы в следующей главе сможем рассмотреть целый ряд предложений по созданию ррт-2. Здесь же мы проанализируем в качестве примера тепловой насос — известное техническое устройство, приводимое сторонниками энергетической инверсии как наглядный пример реальной «концентрации энергии». Этому простому и понятному устройству приписываются самые невероятные, чудесные свойства; опираясь на них, тепловой насос пытаются использовать как таран, чтобы пробить брешь во втором законе термодинамики и протащить через нее ррт-2 в энергетику.
Тепловой насос — чудо или не чудо?
Напомним принцип действия теплового насоса (о нем уже шла речь в гл. 3). Независимо от типа и конструкции это устройство выполняет, как правило, одну функцию — отбирает теплоту Qo c от окружающей среды при ее температуре Тос и отдает теплоту при более высокой температуре Тг в отапливаемое помещение или для подогрева в каком-либо техническом устройстве. Такой процесс перехода теплоты сам по себе происходить не может — это
запрещено вторым законом термодинамики. Поэтому для обеспечения работы тепловых насосов необходима определенная затрата эксергии. Чаще всего для привода теплового
насоса используется электроэнергия.
Принципиальная схема наиболее простого (парокомпрессионного) теплового насоса показана на рис. 4.4.
Рабочее тело в парообраз
Рис. 4.4. Схема теплового насосаРис. 4.4. Схема теплового насосаном состоянии сжимается компрессором (поэтому установка и называется парокомпрессионной) . Нагревшийся при сжатии пар охлаждается и переходит в жидкое состояние в конденсаторе; при этом от него при повышенной температуре Тт отводится к потребителю (например, в нагреваемое помещение) теплота QT. Полученная жидкость расширяется в
Рис. 4.4. Схема теплового насоса
Рис. 4.4. Схема теплового насоса
дросселе, и ее давление сни
жается. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает до Гк, несколько более низкой, чем температура окружающей среды То,с. В испарителе холодная жидкость, отнимая теплоту Qo c у окружающей среды, пол
ностью испаряется и снова поступает в компрессор; цикл замыкается.
Возьмем для примера конкретные показатели работы насоса, близкие к тем, которые встречаются на практике.
Чтобы отапливать помещение и поддерживать в нем температуру +20 °C, конденсирующееся рабочее тело должно иметь температуру Тг, скажем, 50 °C (323 К). Пусть температура окружающей среды То-С будет —10 °C или 263 К (зимние условия). Для того чтобы рабочее тело могло кипеть в испарителе, отнимая теплоту от среды, оно должно быть несколько холоднее ее. Примем температуру кипения Гк = -20 °C (253 К).
Примем также, что отдаваемая в помещение тепловая мощность Qr составляет 5 кВт, а подводимая к компрессору N = 2 кВт. Тогда по энергетическому балансу тепловая мощность Qo.c, отбираемая от окружающей среды, составит 5 — 2 = 3 кВт. Пользуясь этими данными, можно легко рассчитать все энергетические характеристики теплового насоса. Чтобы закончить рассмотрение баланса,
характеризующего систему с позиций первого начала термодинамики, определим отношение полученной теплоты Qr к затраченной электрической работе. Эта величина, называемая тепловым или отопительным коэффициентом, здесь имеет значение /г = 5/2 = 2,5. Следовательно, на 1 кВт электрической мощности, подводимой к компрессору, в помещение отдается 2,5 кВт тепловой мощности. Тот факт, что /z > 1, вызывает восторг у сторонников «энергетической инверсии». Называя р коэффициентом полезного действия (вместо теплового коэффициента), они утверждают, что он (КПД) превышает 100 %, так как «концентрирует энергию», взятую из окружающей среды. Действительно, 3 кВт берутся из окружающей среды. Диаграмма на рис. 4.5 наглядно показывает этот энергетический баланс в виде полосового графика, где ширина каждой полосы пропорциональна соответствующему потоку энергии.
Рис. 4.5. Полосовые графики энергетического (а) и эксергетического (б) балансов теплового насосаРис. 4.5. Полосовые графики энергетического (а) и эксергетического (б) балансов теплового насоса
Рис. 4.5. Полосовые графики энергетического (а) и эксергетического (б) балансов теплового насоса
Рис. 4.5. Полосовые графики энергетического (а) и эксергетического (б) балансов теплового насоса
Теперь займемся анализом этого же теплового насоса с позиций второго закона термодинамики. Начнем с энтропии. В этом простом примере ее легко подсчитать. Действительно, отдаваемая энтропия
S" = Qr/Tr = 5/323 = 0,015 кВт/K,
а подводимая
S’ = Qo.c/Го.с = 3/253 = 0,012 кВт/K.
Больше никакая энтропия к тепловому насосу не подводится, так как высокоорганизованная электроэнергия без- энтропийна. Значит, со вторым законом здесь все в порядке: отводимая энтропия SH больше подводимой S’. Необратимые, реальные процессы в тепловом насосе приводят, естественно, к ее возрастанию на AS = 0,003 кВт/K. Значит, действие теплового насоса никоим образом не противоречит второму закону термодинамики: энтропия растет. А как же с КПД и «концентрацией» энергии?
Займемся этим и рассмотрим работу теплового насоса посредством составления и анализа его эксергетического баланса. В такой баланс, так же как и в энергетический, должны входить три члена, соответствующих энергетическим потокам. Однако один из них будет равен нулю, поскольку эксергия потока теплоты Qoc, отбираемой из окружающей среды при То.с, равна нулю (по формуле Карно). Следовательно, в систему эксергия поступает только с электроэнергией (заштрихованная полоса соответствует эксергии); подсчитать ее легко, поскольку высокоорганизованная электрическая энергия полностью работоспособна. Значит, поступающая эксергия Е' = 2 кВт.
Отводимая эксергия представляет собой эксергию отводимой теплоты Qr; она равна Ем = 432 3-363 = 0,929 кВт. Остальная эксергия Е' — Ем = 2 — 0,929 = 1,071 кВт потеряна вследствие необратимости. Эксергетический КПД теплового насоса составит
О 929
Ре = ^— = 0,46, или 46%.
Соответствующая эксергетическая диаграмма показана на рис. 4.5, б. Из нее видно, что эксергетический баланс дает наиболее полную информацию об энергетических превращениях в системе. Он показывает, сколько полезной, работоспособной энергии затрачено, сколько получено и сколько потеряно вследствие необратимости, вызванной термодинамическим несовершенством процесса. КПД показывает (в отличие от теплового коэффициента) степень приближения процесса к идеальному: только 46% подведенной эксергии «пошли в дело». Остальные 54% потеряны. Несмотря на то, что КПД существенно меньше 100 %, такой нагрев более эффективен, чем непосредственное электрическое или печное отопление; отсюда и стрем-
ление к использованию теплоты от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и теплонасосных установок (ТНУ).
Посмотрим, «сколько стоит» в энергетическом смысле теплота при получении ее разными путями. Приведем такой расчет для тех же условий (То с = —10 °C, температура отопительного прибора Тг = 50 °C) применительно к электропечи. При затрате электроэнергии (т. е. эксергии) 1 кВт она даст, естественно, 1 кВт теплоты, Q = 1. Отсюда эксергия теплоты будет 132 32363 = 0,186 кВт. Следовательно, КПД электропечи г]е = 18,6%. Такой же примерно КПД будет иметь и обыкновенная печь, так как эксергия топлива (например, угля) практически равна теплоте, которая в идеальном процессе горения может быть из него получена. Таким образом, из 1 кВт теплоты, так же как и в электропечи, будет получено 0,186 кВт эксергии теплоты. КПД отопления с ТЭЦ составляет около 40-45 %, т.е. примерно такой же, как и у ТНУ.
Подсчитаем в заключение, сколько теплоты Q для отопления при этих условиях (Тг = 50 °C) сможет дать 1 кВт электроэнергии в идеальном тепловом насосе. При туе = 1 (т. е. 100%) эксергия полученной теплоты будет равна 1 кВт. Получим
1 — Q = —263 q _ —1— _ 5 gg KgT 323 0,186 ’
Вот сколько теплоты может дать идеальный тепловой насос!
Рассмотрение теплового насоса, проведенное выше, показывает, что это очень хорошее и полезное на своем месте устройство. Однако нет никаких оснований считать, что он обладает чудесными свойствами. Тепловой насос приносит пользу, но, как всякая реальная установка, увеличивает энтропию, превращая более упорядоченную, организованную электроэнергию и менее организованную теплоту Qo c в еще менее организованный тепловой поток с большей энтропией. Никакой «концентрации» (если понимать ее как повышение качества энергии) поэтому он не производит. Тепловой коэффициент /г у него всегда больше единицы, но никакого чуда в этом нет, /г, — это не КПД. Легко показать, что /г может иметь намного большие значения, чем 2 или 3, рассмотрев его изменение при разных внешних условиях.
Возьмем для примера тепловой насос с высоким, но вполне достижимым КПД г]е = 0,5 и подсчитаем его тепловой коэффициент при разных значениях верхней температуры 72 и при То.с = 293 К (20 °C). Примем значения ?2 равными 25, 50, 100, 150, 200 и 250 °C (по шкале Кельвина соответственно 298, 323, 373, 423, 473 и 523 К). Тогда при затрате мощности N = 1 кВт мы получим на верхнем уровне при выбранном КПД эксергию теплоты Eq = 0,5 кВт. Отсюда можно определить Qr, пользуясь известным соотношением
т — Т
L = Eq- Qr^--
откуда
Qr = Ед
-И 2о.с
Тт
Тг — 293
Тепловой коэффициент /г = Расчеты /г дают:
Qv/N.
Гг,°С250
200
150
100
50
25
(Г - Го.с)/Т0,44
0,38
0,31
0,21
0,09
0,0017
д1,14
1,31
1,61
2,38
5,55
294
(2,28)
(2,62)
(3,22)
(4,76)
(ПЛ)
(588)
Отсюда видно, что значения /г даже для реальной машины (не говоря уже об этих значениях для идеальной машины, указанных в скобках) могут достигать в соответствующих температурных интервалах 200-300 (или, если считать, как делают некоторые, в процентах, 20 000-30 000 %). Действительно чудо! Есть от чего прийти в восторг. Затратил 1 кВт, а получил 290!
Однако прежде чем бить в литавры, посмотрим, какая это теплота. Она характеризуется температурой всего на 5 °C выше окружающей среды. Ее коэффициент работоспособности меньше 0,002; это означает, что если такой теплоты мы имеем на «тепловой рубль», то его настоящая стоимость в валюте полностью организованной энергии — в работе — меньше 0,2 коп. По мере «улучшения» теплоты, повышения ее температуры Тг ее качество растет, а значение /г сильно падает.
Таким образом, большие числа /г, свидетельствуют не о чудесном извлечении «тепловой энергии» из окружающей среды, а лишь о том, что получаемая теплота очень низкого качества.
Тем не менее ажиотаж вокруг теплового насоса, основанный на больших значениях коэффициента преобразования, не проходит. Примером может служить статья Г. Лихошерстных «В поисках энергии» [3.10], который, опираясь на «необычные свойства» тепловых насосов, дающих КПД, «в десятки и сотни раз превосходящие единицу», выдвинул оригинальную энергетическую идею. Он считает необходимым провести работы не только по «теоретическим исследованиям проблемы», но и «конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию». Другими словами, он предлагает превращать в электроэнергию ту самую низкокачественную теплоту, о которой мы говорили выше.
Посмотрим, к чему привела бы реализация этого предложения.
На тепловых электростанциях получают электроэнергию с КПД примерно 40%. Далее эта электроэнергия должна в тепловом насосе преобразоваться в теплоту. Возьмем для насоса высокий КПД — 0,5 х. Затем используем эту теплоту для получения электроэнергии. Примем КПД такого преобразования тоже достаточно высоким — 0,4 (40%).
В результате конечная электроэнергия по способу Лихошерстных будет получаться с КПД 0,4 • 0,5 • 0,4 = 0,08, или 8 %, т. е. в 5 раз худшим, чем просто на электростанции!
Вот к чему приводит тезис «теплота есть теплота независимо от температуры».
В журнале «Изобретатель и рационализатор» была помещена в разделе «перпетомобиль» карикатура, показанная на рис. 4.6. Если сравнить только что описанную идею со схемой, изображенной на ней художником, то бросается в глаза их удивительное сходство; нужно только заменить электроплитку на тепловой насос. Едва ли автор рисунка мог подумать, что найдутся люди, всерьез предлагающие такую идею.
На примере теплового насоса можно видеть, к чему приводит непонимание второго закона термодинамики. Он, конечно, мешает «свободному творчеству», и у изобретателей
коэффициенты преобразования при этом будут достаточно большими в соответствии с таблицей, но это, как мы видели, не меняет дела.
Рис. 4.6. «Высокоэффективная система» получения электроэнергии, аналогичная схеме с тепловым насосом
ррш-2 нет более пламенного желания, чем добиться его исчезновения. Поскольку это не удалось, остается мечтать. Именно так поступил канд. техн, наук Н. Заев, опубликовав статью под названием «Энергетические искушения» [3.5] и обрисовав перспективы энергетики «за барьером XX века». Прежде чем перейти в следующей главе к рассмотрению современных ррш-2, стоит процитировать отрывки из этой статьи, представляющей некоторый «антитермодина- мический манифест» «Только у букинистов можно купить обветшавшие тома нашей термодинамики. Она осталась не у дел. По мере развития термодинамики настоящей, прежние курсы сначала перестали читать, а потом и издавать. Настоящая термодинамика элементарно объясняет то, что в прежние времена обосновывали нагромождением начал, теорем, формул... Нет больше энтропии, энтальпий, эксергий и тому подобных загадочно звучащих терминов...».
Этот набор негативных лозунгов сводится по существу к призыву свободы от науки: даешь такую термодинамику, которая «элементарно объясняет» все, что надо, без всяких там «начал, теорем, формул».
Но поскольку новой «элементарно объясняющей» термодинамики пока нет, а старая существует не только у
букинистов, мы перейдем к рассмотрению истории и современных проектов ррш-2 на основе существующей термодинамики.
Однако перед этим было бы полезно уделить некоторое внимание выяснению вопроса, который неизбежно возникает при рассмотрении последнего этапа истории ppm, — почему все же изобретают ррш-2? Мы перебрали в гл. 3 и 4 все доводы сторонников «энергоинверсии» — и философские, и космологические, и биологические, и технические... Весь материал, приведенный в этих главах, однозначно показывает, что нет ни единого довода или факта, который всерьез может быть принят как доказательство возможности существования ррш-2. И тем не менее упорные попытки обосновать и создать ррш-2 продолжаются. Выдвигаются, как мы увидим дальше, и новые теоретические концепции с мудреными названиями вроде «структуры Прометея» или даже «структуры Хоттабыча», создаются новые проекты... При мало-мальски серьезном анализе оказывается, что все они основаны на тех же ошибках, о которых уже подробно говорилось. В чем же дело?
Почему все же изобретают ppm?
До сих пор мы занимались в основном научно-технической стороной истории вечного двигателя, касаясь лишь попутно личных особенностей людей, связанных с ним. Но человеческая сторона дела тоже заслуживает внимания. Более того, занимаясь историей ррш, мы, если хотим понять этот феномен по-настоящему, не можем не попытаться разобраться и в ней. Итак, почему же изобретали и изобретают ррш? Очевидно, что основная побудительная причина во все времена одна — это желание решить энергетические проблемы легким и простым путем. Изобретатели на первых двух этапах истории ррш, как мы уже видели, не могли знать или не знали законов науки, исключавших возможность создания ррш. Они и называли свой идеал «вечным двигателем». Поэтому ответ на вопрос, поставленный в заголовке этого раздела, совершенно ясен: изобретали тогда потому, что не видели и не знали никаких принципиальных запретов, делающих их цель недостижимой.
Про изобретателей ррш-2 этого не скажешь. Большая, подавляющая часть этих изобретателей и теоретиков — не самоучки, а дипломированные специалисты; значитель-
пая их часть — кандидаты или даже доктора наук. И у нас, и за рубежом они составляют очень небольшую часть людей, связанных с энергетической техникой. Но все же они существуют, действуют, тратя напрасно свои силы и время и отвлекая от полезного дела многих людей. Они не могут не знать о законах науки, о том, что написано в учебниках, во многих книгах и статьях. Тем не менее поток предложений, изобретений и теорий, относящихся к ррт-2, не иссякает. Более того, с помощью недостаточно компетентных научных работников, поддерживающих такого рода «прогрессивные идеи», и неразборчивых журналистов, распространяющих псевдонаучные сенсации через печать, они воздействуют на массового читателя.
Типичным примером может служить статья в газете «Московская правда» [3.27], где с использованием всех способов воздействия на чувства и умы читателей вновь проповедуется прогрессивность идеи вечного двигателя второго рода. Все это создает некий фон бездоказательного, легкого жонглирования общими наукообразными идеями и предложениями, внешне заманчивыми, но очень далекими от настоящей науки и передовой техники. Читатель- непрофессионал принимает все это всерьез, поскольку интерес ко всему новому и прогрессивному — характерная черта нашего времени.
Таким образом, первая часть вопроса о том, почему и сейчас изобретают ррш-2 и этим занимаются многие, в том числе молодежь, ясна: стремление найти новые, радикальные пути решения энергетических проблем. Но остается открытой другая часть вопроса — почему изобретатели не видят, что избранный ими путь неизбежно ведет в тупик, что их идеи в принципе нереализуемы?
Автору приходилось многократно участвовать в экспертизе самых разнообразных предложений и изобретений, относящихся к ррш-2, и встречаться с их авторами. Переубедить никого из них, несмотря на длительные и многократные обсуждения, не удалось. Только один изобретатель в конце концов изменил позицию1. Все остальные остались при убеждении, что эксперты — это косные, замшелые консерваторы, «пробить» которых можно, только показав
^то был инженер-металлург (не энергетик), который не поленился проштудировать все рекомендованные ему книги и даже провел необходимый эксперимент (на все это ушел почти год). После этого он пришел и мужественно признал, что был неправ.
им действующую модель, «да и то неизвестно, подействует ли она», как сказал мне в сердцах один изобретатель, многозначительно постучав пальцем по лбу. Но такая модель ни разу так и не появилась.
Причину такой «устойчивости» у совершенно разных по специальности, уровню образования и возрасту людей установить очень трудно. Ее природа в значительной степени связана с тонкими психологическими вопросами, решать которые могут лишь специалисты. Мы же должны ограничиться только научно-технической и информационной стороной дела. Здесь задача несколько облегчается тем, что история науки и техники (в том числе и история ppm), а также материалы, публикуемые в журналах «Изобретатель и рационализатор», «Техника и наука» и других, дают обширный материал, помогающий внести некоторую ясность в этот вопрос. Ряд очень глубоких мыслей по интересующему нас поводу имеется в замечательной работе А.И. Герцена «Дилетантизм в науке» [1.21].
Опираясь на всю эту информацию, можно в определенной степени разобраться, почему образованные люди вопреки науке изобретают и пропагандируют ррш-2.
Отметим прежде всего главное: тот факт, что все без исключения изобретатели ррш-2 — не профессионалы, а дилетанты. Это утверждение, на первый взгляд, может показаться странным, если учесть, что большинство из них, как мы уже отмечали, — технически образованные люди. Тем не менее это факт.
Вспомним, что такое дилетант. Слово «дилетант» произошло от итальянского diletante. Как гласит словарь, это — «человек, занимающийся каким-либо искусством или наукой без достаточной подготовки, необходимой для основательного знания предмета; поверхностно знакомый с данной областью знаний». Определение совершенно правильное, но недостаточное, неполное: оно характеризует только знания, дилетанта. А.И. Герцен подошел к вопросу шире, рассматривая дилетантизм как общественное явление. Он писал: «Дилетантизм — любовь к науке, сопряженная с совершенным отсутствием понимания ее»; «...это платоническая, романтическая страсть к науке, такая любовь к ней, от которой детей не бывает».
Герцен отметил, таким образом, еще две стороны дилетантизма: во-первых, отсутствие понимания науки дилетантами и, во-вторых, бесплодность их занятий наукой. Если «примерить» все перечисленные характеристики ди-
летантов к изобретателям и теоретикам ррш-2, то сразу бросается в глаза удивительное совпадение. Действительно, основательного знания, а тем более глубокого понимания, усвоения базовой науки — термодинамики, без которой нельзя творчески заниматься созданием новых систем преобразования энергии, у них нет. Даже краткий обзор «теоретической базы» ррш-2, сделанный в гл. 3 и предыдущих параграфах гл. 4, ясно показывает ту путаницу в основных понятиях термодинамики (не говоря уже о втором законе и его приложениях), которая царит в их головах.
Что касается «детей», т. е. двигателей, работающих посредством «энергетической инверсии», то их действительно, в полном соответствии с предсказанием А.И. Герцена, не было и нет. Есть только многочисленные идеи и проекты (подробный разбор некоторых из них помещен в следующей главе). Здесь же мы продолжим наше рассуждение о современном дилетантизме, порождающем не только проекты ррш-2, но и другие, не менее химерические изобретения.
Столь жесткое негативное отношение к дилетантам может вызвать, несмотря на поддержку такого авторитета, как А.И. Герцен, возражения. Существует довольно распространенное мнение, что многие так называемые дилетанты сделали серьезный вклад в развитие науки, техники и искусства. Более того, очень широкое хождение имеет точка зрения, что талантливый дилетант, «не погрязший в профессиональной рутине и традициях», пользуясь фантазией и интуицией, легче может выйти на новую дорогу и создать нечто выдающееся.
Во многих трудах по истории разных направлений человеческого творчества приводятся многочисленные примеры крупных открытий и изобретений, сделанных дилетантами, или созданных ими выдающихся художественных произведений. Тут и часовщик Пельтье, открывший термоэлектрическое охлаждение, монах И. Мендель — основоположник генетики, пивовар Джоуль, о роли которого в становлении первого закона термодинамики мы уже говорили в предыдущих главах, аптекарь А. Левенгук — изобретатель микроскопа и основоположник микробиологии, священник Р. Стирлинг1, который еще в начале XIX в. изобрел и изготовил газовый тепловой двигатель, достоинства которого были оценены только 150 лет спустя, школьный учитель
’С именем Стирлинга мы встретимся в следующей главе.
К.Э. Циолковский, о заслугах которого нет необходимости писать... В эту же кампанию попадет и сам С. Карно — саперный капитан.
Если обратиться к области искусства, то тоже можно найти аналогичные ссылки. Среди композиторов упоминают таких людей, как гвардейский офицер А. А. Алябьев и химик А.П. Бородин... Можно найти аналогичные примеры в литературе, скульптуре и живописи.
Считать, что все такие люди могут быть отнесены к талантливым или даже гениальным дилетантам, — большая ошибка. Она основана на поверхностном, действительно дилетантском подходе к фактам их биографии.
Прежде всего неправильна сама исходная постановка — начинать от звания, должности, диплома или места службы.
Если так рассуждать, то к литературным дилетантам спокойно можно отнести врача А.П. Чехова, кавалерийского поручика М.Ю. Лермонтова или артиллерийского поручика Л.Н. Толстого. Но главное, разумеется, в другом. Каждый из перечисленных великих деятелей науки, техники или искусства был профессионалом самого высокого класса, изучившим ту область, в которой работал, так, что полностью владел всем современным ему уровнем знаний, умений и даже навыков (а часто и опережал его). Любой «гениальный дилетант» при более глубоком изучении всегда оказывается настоящим профессионалом. Настоящий профессионал, если вернуться к области техники, не только свободно владеет всем научным багажом, относящимся к области, в которой он работает. Он должен уметь критически подойти к любым идеям и результатам (в том числе и своим) и, наконец, вести дискуссию «на равных» со своими коллегами. Конечно, не все профессионалы, даже высокого класса, обязательно изобретатели, но все серьезные изобретатели обязательно профессионалы высокого класса (разумеется, не в анкетном, а в действительном смысле этого слова). Если этого нет, никакие фантазия и интуиция не помогут «выдавать» крупные изобретения. Фантазия, по словам В.И. Ленина, «качество необычайной ценности», может плодотворно работать лишь тогда, ко-
гда она опирается на знания и опыт, «подпитывается» и корректируется ими [1.2]. Без этого фантазия превращает человека в фантазера и заносит его туда, где, по выражению А.И. Герцена, «детей не бывает». Именно так и происходит с изобретателями ррт-2.
Остаются, однако, неясными еще два пункта.
Известно, что за ррт-2 иногда ратуют люди, которые имеют серьезные, даже выдающиеся научные или технические достижения. Можно ли назвать таких людей дилетантами?
Почему, если научные доводы против ррт-2 так весомы и неопровержимы, изобретатели и теоретики ррт-2 так устойчивы в своих убеждениях и не могут от них отказаться?
Ответ на первый вопрос связан с объективным обстоятельством — все возрастающей специализацией в научнотехнической сфере деятельности. Поэтому профессионал высокого класса в одной области часто оказывается полновесным дилетантом в другой, даже и близкой. Попытки произвести переворот в другой, недостаточно знакомой области, опираясь на эрудицию и опыт, полученный в своей, и приводят к тем плачевным результатам, которые мы наблюдаем при попытках обосновать и создать ррт-2.
Еще со времен дедушки Крылова, когда специализация не была столь развита, известна печальная история пирожника и сапожника, пытавшихся браться за дела в другой профессиональной сфере.
Конечно, никому не возбраняется, успешно поработав в одной области, перейти в другую (особенно в тех случаях, когда они имеют зоны соприкосновения). Более, того, в результате такого перехода могут быть получены существенные достижения. «Точки роста» на стыках различных наук чаще всего создаются такими «двойными» специалистами. Взять хотя бы пример известного мостостроителя Е.О. Патона (1870-195 3 гг.), который в 40 лет, будучи уже сложившимся профессионалом и одним из лидеров в области мостостроения, перешел в совершенно новую для него сферу — электросварку и создал школу, которая существует до сих пор и сохраняет ведущее положение в мире.
Однако такой переход может быть успешным только тогда, когда, входя в новую область, специалист изучит ее так, что сделается и в ней профессионалом. Тут не исключены и деловые конфликты с «местными» специалистами, и новые идеи.
Но бывает и иначе. Специалисту кажется, что он обойдется и в новой области своим собственным, уже ранее приобретенным багажом. Он сразу, «с ходу» (или познакомившись по верхам с предметом) видит, в чем ошибаются «туземцы», не замечающие, что у них под носом лежат новые, переворачивающие все традиции, решения. Так и рождаются «революционные» предложения вроде ррт-2 и соответствующие им теоретические положения, опирающиеся на фантазию и интуицию без серьезного научного обоснования; настоящая дискуссия с профессионалами превращается в спор с использованием общей «философии», а иногда и демагогии, цитат из классиков, навешиванием ярлыков «консерваторов» на оппонентов и т. д.
Так профессионал превращается в дилетанта со всеми неизбежно вытекающими из этого последствиями.
Особую разновидность таких дилетантов представляют более или менее именитые люди, пропагандирующие ррш-2 в легковесных статьях, предисловиях, записках, интервью и т. д. В отличие от тех, кто сам занимается ррш-2, они даже поверхностно не знают существа дела, а исходят из общих соображений, мягко говоря, далеких от науки, или стремления поддержать нечто новое. Неискушенный читатель, увидев перед фамилией такого автора ученую степень или звание, совершенно справедливо полагает, что «такой человек зря писать не будет». Но, увы, бывает и так, примеры мы уже видели.
Наконец, ответим на второй вопрос — почему изобретатели и теоретики ррш-2 не воспринимают, казалось бы, очевидные научные доводы и упорно держатся за свои концепции.
Не вникая глубоко в психологические корни этого феномена, можно лишь напомнить два относящиеся к нему общеизвестные положения.
Первое состоит в том, что всякому человеку, сильно увлеченному какой-либо идеей, влюбленному в нее, всегда кажется правильным и хорошим все то, что за нее, и неправильным и плохим все то, что против нее. Это вполне понятная человеческая черта, без которой мир был бы, по- видимому, менее интересен.
А.С. Пушкин в «Евгении Онегине» выразил эту мысль в известной емкой классической формуле: «Тьмы низких истин нам дороже нас возвышающий обман».
Эта формула содержит в себе и второе положение, связанное с первым: человеку очень трудно отказаться от лю-
бимой идеи, в разработку которой вложено много труда, сил и времени. Иногда добавляются и соображения, связанные с другими людьми, втянутыми в общее дело: даны определенные обещания, развернуты планы. Как отказаться от этого и все перечеркнуть? Отсюда вполне понятное желание еще и еще раз сделать попытку найти для себя и других какие-то доводы в защиту любимой идеи. Всякий, кто имел дело с изобретателями, пошедшими в ошибочном направлении, встречался с этой вполне понятной человеческой чертой.
Но законы «равнодушной природы» неумолимы: они — одинаковы и для честных энтузиастов, и для отпетых жуликов, для докторов наук и малограмотных умельцев. Все, что научному закону противоречит, осуществить нельзя. Поэтому при всем человеческом сочувствии к изобретателям ррш-2 нужно показывать их несостоятельность и открывать «тьму низких истин», в которой (такова диалектика) и есть настоящий свет.
Именно этим мы займемся в следующей главе.
Глава пятая
ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВТОРОГО РОДА
Я не собираюсь критиковать. Я просто не могу понять, как может человек написать такую чепуху?
Н. Бор
Какие ррш-2 изобретают теперь?
Различных проектов ррш-2 предлагается очень много, и принципы их действия самые разнообразные: термомеханические, химические, гравитационные, электрические... Есть и такие, к которым трудно подобрать научный термин, чтобы объяснить принцип их действия.
Вместе с тем, независимо от принципа действия, все предложенные двигатели можно разделить на два больших класса.
Первый из них включает правильные, «идейно чистые» вечные двигатели второго рода, основанные на «энергетической инверсии», о которой уже говорилось. Естественно, что ни один из них не работает, несмотря на все усилия их авторов. Эти «настоящие» ррш-2 большей частью основаны на простых термомеханических принципах. В зависимости от области, к которой тяготеет изобретатель, проекты таких ррш-2 опираются либо на теплотехнику, либо на холодильную технику. Однако многие изобретатели, разочаровавшись в возможностях и той, и другой, ищут «новые пути». Отсюда — появление проектов электрических,
химических и даже электрохимических ррт-2. Реализация любого из этих проектов и пуск соответствующего двигателя сразу сняли бы вопрос о возможности осуществления ррт-2 и перевернули бы всю термодинамику. Однако ни одного акта о внедрении такой системы нет.
Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне могуть работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой ррт-2. Это уже «не настоящие» ррт-2; их можно назвать псевдо-^т. Принцип их действия находится в полном согласии с законами термодинамики. О днако делаются попытки выдать их за настоящие ррт-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии в них нет.
«Настоящим» ррт-2 посвящены §5.2 и 5.3.
В них показано, что те двигатели, которые действительно могут работать, — не «вечные» (не ррт-2), а те, которые действительно «вечные» (ррт-2), — не могут работать.
В §5.4 описаны наиболее интересные псевдо-ррт.
Проекты термомеханических ррт-2
Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что это произошло более 100 лет назад.
Первым известным изобретателем в этой области был некий американский профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 г.
Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей среды», был тоже американец Ч. Трип- лер, человек более известный, чем Гэмджи, в связи с тем, что он сконструировал (правда, на основе уже известных разработок) действующую установку для сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триллера появилась впервые в 1899 г.
Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды. Именно здесь, в специфической области низких температур, где
«на холоде», казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения, что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов ррш-2 связано с сенсационными успехами техники низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х-90-е годы XIX века.
Самая низкая температура, которую до этого удалось получить М. Фарадею в 1840 г., составила —110 °C, но в 1877 г. Л. Кайете и независимо от него Р. Пикте добились температуры —180 °C, а в 90-х годах К. Ольшевскому удалось понизить рубеж рекордно низких температур до —200 — 230 °C. Наконец, Д. Дьюар в 1898 г. ожижил водород при — 253 °C. Этот резкий прорыв в область небывало низких температур произвел очень сильное впечатление на современников.
Одновременно развивались и технические приложения низких температур. Ш. Телье (1867 г.), а затем К. Линде в 70-х годах были разработаны аммиачные холодильные машины, а в 1895 г. К. Линде и Р. Хэмпсон почти одновременно создали промышленные установки для сжижения воздуха.
Рис. 5.1. Схема «нуль-мотора» Гэмджи: а — впуск пара в расширительную машину; б — выпуск жидкости из расширительной машины; 1 — котел; 2 — расширительная машина (детандер); 3 — впускной клапан; 4 — выпускной клапан; 5 — шатунно-кривошипный механизм с маховиком; б — насос для жидкого аммиакаРис. 5.1. Схема «нуль-мотора» Гэмджи: а — впуск пара в расширительную машину; б — выпуск жидкости из расширительной машины; 1 — котел; 2 — расширительная машина (детандер); 3 — впускной клапан; 4 — выпускной клапан; 5 — шатунно-кривошипный механизм с маховиком; б — насос для жидкого аммиака
Рис. 5.1. Схема «нуль-мотора» Гэмджи: а — впуск пара в расширительную машину; б — выпуск жидкости из расширительной машины; 1 — котел; 2 — расширительная машина (детандер); 3 — впускной клапан; 4 — выпускной клапан; 5 — шатунно-кривошипный механизм с маховиком; б — насос для жидкого аммиака
Рис. 5.1. Схема «нуль-мотора» Гэмджи: а — впуск пара в расширительную машину; б — выпуск жидкости из расширительной машины; 1 — котел; 2 — расширительная машина (детандер); 3 — впускной клапан; 4 — выпускной клапан; 5 — шатунно-кривошипный механизм с маховиком; б — насос для жидкого аммиака
Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени — аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха — послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их назвать можно только условно, поскольку идея была
совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане — как двигатели.
Авторская схема «нуль-мотора» приведена на рис. 5.1. В дальнейшем она была усовершенствована (добавлен еще один котел, введен струйный эжектор). Однако принципа работы «нуль-мотора» эти изменения не касались.
Р, 2,52,01,51,00,5Р, 2,52,01,51,00,5230 250 300 350 Г, К230 250 300 350 Г, КРис. 5.2. Зависимость температуры кипения аммиака от давленияРис. 5.2. Зависимость температуры кипения аммиака от давленияКак же, по мысли автора, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300 К = 27 °C) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа (10 ат)1. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление пара. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (так называемый детандер). В этом случае он расширяется, и давление становится, например 0,1 МПа (1 ат), отдавая внешнюю работу, соответ
Р, 2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Р, 2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
230 250 300 350 Г, К
230 250 300 350 Г, К
Рис. 5.2. Зависимость температуры кипения аммиака от давления
Рис. 5.2. Зависимость температуры кипения аммиака от давления
ственно охлаждается до 250 К (—23 °C) и частично при этом ожижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной, — детандером. В насосе давление аммиака снова поднимается до 1,0 МПа (10 ат). Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Qo.c поступающей из более теплой атмосферы (напомним, что аммиак после расширения имеет температуру —23 °C), он снова испаряется. Пар отводится в детандер, и цикл повторяется. Таким образом, двигатель работает, отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).
Никакого нарушения первого закона термодинамики — закона сохранения энергии — здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Qo.c столько и отводится в виде работы (L = Qo.c)« Вроде бы все в порядке.
кривая зависимости давления пара от температуры кипения аммиака показана на рис. 5.2.
Но... Всегда это проклятое «но», как только дело касается ppm. Но двигатель почему-то не работал. В чем же дело?
Чтобы ответить на этот вопрос, составим энтропийный и эксергетический балансы «нуль-мотора». С энтропийным балансом дело обстоит хуже, чем с энергетическим: с теплотой вносится некоторая энтропия Qo.c/7kc, а с работой энтропия не выносится, так как энтропия потока работы равна нулю. Следовательно, энтропия не только уменьшается, а даже исчезает. Это явное нарушение второго закона.
То же показывает эксергетический баланс. Эксергия поступающей теплоты равна нулю, она неработоспособна, так как имеет температуру окружающей среды То,с. Получаемая работа равна эксергии, следовательно, эксергия отводится, но не подводится — она возникает «из ничего». КПД «нуль-мотора» равен бесконечности:
Е” L
Таким образом, «нуль-мотор» — это типичный «моно- термический двигатель» — ррт-2.
Представим себя на минуту в положении того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижен, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково — 1,0 МПа (10 ат). Как сдвинуть все части машины с места? Попробуем самый простой способ — начнем раскручивать маховик и затем отпустим его, чтобы машина уже сама продолжила работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в самостоятельное движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.
Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за ней было ниже, чем перед ней. Гэмджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая
аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачивая работу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаваться в окружающую среду.
Другими словами, «нуль-мотор» будет вместо работы выдавать энтропию, приближая, если верить Клаузиусу, конец света. Таким образом, название «нуль-мотор», придуманное Гэмджи, сыграло с ним дурную шутку: двигатель действительно в полном смысле слова оказался нуль- мотором, но не из-за нулевой потребности в топливе, а
из-за нулевого результата — отсутствия полезно произво
димой работы.
Рис. 5.3. «Усовершенствованный» двигатель Гэмджи с отбором теплоты Qq на нижнем температурном уровнеРис. 5.3. «Усовершенствованный» двигатель Гэмджи с отбором теплоты Qq на нижнем температурном уровнеМожно ли что-нибудь сделать, чтобы заставить «нуль- мотор» производить работу, а не «съедать» ее? Эта задача решается очень просто. Нужно перед насосом включить в схему еще один аппарат — конденсатор, как показано на рис. 5.3, и отводить от него теплоту Q при более низкой температуре То < Го,с. Тогда аммиак будет в нем сжижаться, и давление его соответственно снизится. Если, например,
Рис. 5.3. «Усовершенствованный» двигатель Гэмджи с отбором теплоты Qq на нижнем температурном уровне
Рис. 5.3. «Усовершенствованный» двигатель Гэмджи с отбором теплоты Qq на нижнем температурном уровне
проводить конденсацию при
То = 250 К (—23 °C), то, как видно из кривой на рис. 5.2, давление в конденсаторе установится около 0,16 МПа (1,6 ат). Двигатель сразу оживет, так как на детандере появится перепад давлений; он начнет работать, расширяя аммиак с 1,0 МПа (10 ат) до 0,16 МПа (1,6 ат). Часть произведенной работы пойдет на насос, а остальная — полезная работа — будет выдана потребителю. Это будет большая часть работы детандера, так как насос отберет только небольшую ее часть (он перекачивает жидкость, объем которой в десятки раз меньше, чем пара; соответственно меньше и нужная работа).
Такой двигатель заработал бы потому, что было бы выполнено требование второго закона — имелась бы разность
температур (То.с — То). При То.с подводилась бы теплота Qo.c, а при То отводилась бы теплота Qo < Qo.c- Разность Qo.c — Qo давала бы работу L = Qo.c — Qo в полном соответствии не только с первым, но и со вторым законом термодинамики. «Монотермический» двигатель превратился бы в обычный, работающий между двумя температурными уровнями.
Возникает вопрос, почему же Гэмджи не додумался до такого решения? Это осталось неизвестным. Однако очевидно и другое. Даже если бы подобная идея пришла ему в голову, делу бы это не помогло. Действительно, если отводить теплоту Qo ПРИ низкой температуре То, то двигатель заработает. Но куда эту теплоту девать дальше? Ведь для этого нужно иметь какой-то теплоприемник, который будет получать ее. А такой теплоприемник должен быть еще холоднее (например, при То = —23 °C он должен иметь температуру, скажем, —25 °C). Иначе теплота Qo к нему просто не пойдет, так как в соответствии опять же со вторым законом термодинамики она может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, а никак не наоборот.
Чтобы создать такой теплоприемник при Т < То < То-С, обязательно нужна холодильная машина (тепловой насос), которая отводила бы теплоту Qo обратно на уровень окружающей среды То с. А для этого нужно даже в идеале затратить ровно столько же работы, сколько дает идеальный двигатель в таком же интервале температур, т. е. все, что «заработано» на двигателе, тут же «съел» бы тепловой насос. В итоге — опять нулевой результат. В реальном же случае будет еще хуже. Двигатель даст меньше работы, чем идеальный (Тд|йств < Ц^), а тепловой насос потребует больше работы, чем идеальный (Ьдейств > Тщ )• Поскольку L™ = L™„CTB, то £;енств > £Д=йств, т. е. эту систему, чтобы она двигалась, нужно крутить извне с затратой работы L = Ьдейств - Ь^йств. Опять получился «нуль-мотор». Следовательно, искусственный второй уровень температур тоже не решает задачи, поскольку его создание требует в лучшем случае столько же работы, сколько при помощи двигателя можно получить. Настоящий двигатель можно создать только тогда, когда во внешней среде уже есть не- равновесность любого вида — разность каких-либо движущих сил (например, АТ, Ар и др.), которую можно преобразовать в работу. Располагая только одним уровнем
температуры окружающей среды, никакую работу получить нельзя.
Легко видеть, что двигатель, показанный на рис. 5.3, по принципиальной схеме точно соответствует паровой машине. Только внешние условия работы у паровой машины другие: верхний температурный уровень у нее соответствует не температуре окружающей среды, а более высокой — горячих дымовых газов. Нижний уровень температур уже не искусственный То, а окружающей среды То.с. Здесь используется разность потенциалов, уже имеющаяся во внешней среде (по химическому составу: топливо — кислород воздуха). За счет этой разности путем сжигания и создается тепловой поток на уровне Т > То.с, который используется в настоящих двигателях.
Другой изобретатель низкотемпературного ррт-2, о котором мы уже упоминали — Триплер — пошел дальше Гэмджи. Во-первых, он пытался использовать именно ту идею, с помощью которой мы пробовали запустить нуль- мотор Гэмджи: с помощью другой машины, соединенной с первой, создать искусственный низкий температурный уровень. Во-вторых, он работал не с аммиаком, а с жидким воздухом (нижняя температура То = —190 °C). Однако ни то, ни другое не помогло — двигатель не получился.
Конечно, испаряя жидкий воздух теплотой, отбираемой из окружающей среды, можно получить сжатый воздух и заставить его крутить мотор. А дальше? Опять возникает тот же «проклятый вопрос», что и у Гэмджи, — нужно воздух опять сконденсировать, т. е. отвести от него теплоту при очень низкой — криотемпературе1. А для этого опять же нужен жидкий воздух, получение которого требует как минимум столько же энергии, сколько дает двигатель (а в реальных условиях еще больше). Опять вместо получения работы — только ее затраты.
В марте 1899 г. в журнале «Макклюрз мэгэзин» была опубликована популярная статья, посвященная лаборатории Триплера и проводимым им замечательным работам. Статья была написана Реем Бейкером. Автор опровергал второй закон термодинамики и провозглашал Триплера создателем вечного двигателя, приводя собственные слова изобретателя: «Использовав в своей машине 3 галлона воздуха, я получил в ожижителе около 10 галлонов жидкости. Таким образом, возникла прибавка в 7 галлонов, которая ничего мне не стоила и которую я могу использовать где
^т греческого «крио» — очень холодный, морозный. Так называется область температур ниже 120 К (—153 °C).
угодно для совершения полезной работы».
Следует заметить, что Триплер здесь ввел в заблуждение Бейкера, пользуясь его неосведомленностью. Установка Триплера для сжижения воздуха была по существу копией той, которую К. Линде сделал в Мюнхене еще в 1895 г. В такой системе из 1 кг воздуха получалось в ожижителе около 50 г жидкого воздуха, т.е. 5 %. Поэтому получить из «3 галлонов воздуха прибавку в 7 галлонов» Триплер никак не мог.
Триплер не сознался в провале своей идеи. Все эксперты, которые к нему пытались проникнуть, почему-то приходили «не вовремя» и разрекламированного двигателя так и не увидели.
Нельзя не отметить особый интерес, проявлявшийся к военным применениям вечного двигателя второго рода. Действительно, что может быть заманчивее для решительно настроенных военных деятелей, чем корабль или самолет с таким двигателем, автономно работающим практически неограниченное время?
Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.
Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б. Айшервуд своему шефу, рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно».
Характерно, что Айшервуд не забывает и о «всем человечестве», но на первое место ставит нужды военноморского флота США. Далее он поясняет: «В отличие от европейских морских держав, владеющих колониями и ба-
зами с запасами топлива в разных районах земного шара, держав, которые следует рассматривать как потенциальных противников в будущих военных конфликтах, США не имеют ни того, ни другого. Поэтому в ходе военных действий вдали от своих берегов флот США может оказаться в крайне невыгодном стратегическом положении из-за отсутствия баз с топливными запасами. Позиции сторон будут в этом отношении уравнены, если военно-морские силы США получат двигатели нового типа. В этом случае наши крейсеры смогут проникнуть на самые удаленные акватории столь же просто, как и флоты тех стран, которые располагают там запасами топлива».
Из текста письма видно, что в стратегических проблемах главный инженер разбирался намного лучше, чем в энергетических. Однако известно, что президент Гарт- фильд слушал доклад об этом двигателе. Что было дальше и как развивались события, установить не удалось; но это и не так уж важно, поскольку «нулевой» конец всей истории был неизбежным. Следует отметить только, что редактор газеты «Канзас-Сити ревью», в которой была опубликована восторженная статья о моторе Гэмджи, прокомментировал ее так: «Практика в конечном счете покажет истинные достоинства этого изобретения».
Такая осторожность и уважение к эксперименту могут служить хорошим примером для некоторых современных редакторов, публикующих рекламные статьи о ррт-2.
В восточном полушарии тоже не прошли мимо возможности военного применения ррш-2. За два года до начала первой мировой войны (в 1912 г.) некий Гофман предложил свой проект вечного двигателя. Это был один из термомеханических вариантов ррш-2, хотя и сложный, но, естественно, как и другие, неработоспособный. Его автор принадлежал к числу теоретиков, которые не только изобретают ррш-2, но и подводят под свои идеи «научную» базу. С работами таких теоретиков мы уже встречались. Однако труд Гофмана не просто прославлял вечный двигатель. В нем явно отразился тот военно-патриотический дух, который в то время усиленно насаждался в Германии.
В небольшой брошюре, опубликованной в Лейпциге под названием «Теория перпетуум мобиле», Ф. Гофман писал о возможностях применения ррш-2 в военной авиации: «Сегодня в Германии не понимают важности создания вечных двигателей, уподобляясь скептикам, которые еще лет десять назад отрицали возможность появления летательных
аппаратов тяжелее воздуха. Следствием этого неверия явилось то, что несколько лет назад в Реймсе французы и американцы доказали, что именно они, а не немцы являются нациями, лидирующими в воздухоплавании. Дай бог, чтобы благосклонная фортуна уберегла немцев от еще одного реймского позора. А ведь похоже на то, что до тех пор, пока американец Джон и француз Пьер не нагрянут в Гамбург или Берлин на кораблях, оснащенных вечными двигателями, немецкий Михель не очнется от летаргического сна».
Опасения Гофмана связаны с тем, что на международных соревнованиях 1909 г. в Реймсе немецкие самолеты оказались намного хуже американских и французских. Выход он видит в том, чтобы опередить будущих противников в применении ррт-2. Однако призыв Гофмана к военному использованию ррш-2 остался нереализованным.
Идеи о низкотемпературных термомеханических ррш- 2 возникали еще не раз в самых различных модификациях. После Гэмджи и Триллера их разрабатывали Липп- ман (1900 г.), Сведберг (1907 г.) и многие другие. Выдвигаются подобные проекты и теперь.
В качестве примера можно привести машину Г. Джер- сена, на которую был выдан патент США с приоритетом от 3.12.1981 г. [3.13].
Описание и иллюстрации в патенте сделаны очень путано (по-видимому, это интернациональная особенность всех изобретателей ррш-2) и с ошибками. Естественно также, что предлагаемое устройство не называется прямо вечным двигателем, а носит вполне благопристойное название «тепловая машина». Однако после расшифровки становится очевидным, что это типичный ррш-2, но несколько усовершенствованный.
Принципиальная схема машины Джерсена приведена на рис. 5.4. Она включает два контура, объединенных общим компрессором L Первый из них, показанный сплошной линией, представляет собой классический тепловой насос. Давление циркулирующего в нем рабочего тела при сжатии в компрессоре повышается с рх до р^\ одновременно возрастает и его температура. Горячее рабочее тело (аммиак или фреон1) в состоянии, соответствующем точке 2, поступает
фреонами (хладонами) называют группу веществ — галоидопроизводных предельных углеводородов, которые используются как рабочие тела холодильных и теплонасосных установок.
сначала в теплообменник V, где отдает теплоту Q3, и затем дополнительно охлаждается в конденсаторе //. При этом от него отводится теплота Q2- Жидкий хладагент дросселируется в вентиле III, в результате его давление снижается с Р2 до pi. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает. Холодная жидкость выкипает в испарителе IV при подводе извне теплоты Qi.
Рис. 5.4. Принципиальная схема тепловой машины Г.Джерсена: I — компрессор; II — конденсатор; III — дроссельный вентиль; IV — испаритель; V — теплообменник: VI — турбина; VII — пусковой компрессор
Таким образом, действие машины приводит к отбору теплоты Qi на низком температурном уровне от какого- либо теплоотдачика и выдаче теплоты Q2 на более высоком уровне. Изобретатель указывает, что можно использовать предлагаемое им устройство и как холодильную машину, и как тепловой насос. В первом случае теплота Qi отбирается при низкой температуре Ti < То.с, а количество теплоты Q2 отдается при высокой температуре (от 7з до Тд), близко к Го,с. Во втором случае теплота Qi отбирается у окружающей среды при То.с, a Q2 отводится при высокой температуре 7з > То,с. Здесь все пока правильно. Такие установки существуют и благополучно работают в качестве как холодильных, так и теплонасосных. Но, естественно, при одном условии: компрессор нужно приводить в движе-
ние посредством работы, подводимой извне. Но как обойтись без этого? Чтобы избежать получения работы извне (тогда не было бы никакого изобретения), Джерсен идет «классическим» путем, характерным для всех изобретателей ррш-2: он пытается обойтись «внутренними ресурсами». Тепловой насос сам должен обеспечить себя энергией для привода компрессора. Для этого и создается второй контур, обозначенный на рисунке штриховыми линиями. Он, собственно, состоит из одной турбины-двигателя V7, действие которой обеспечивается частью сжатого рабочего тела, отбираемого в точке 2 после компрессора. Расширяясь в турбине от давления р^ до давления pi, оно производит определенную работу и возвращается после подогрева в теплообменнике V во всасывающую линию компрессора. По мысли изобретателя этой работы должно хватить и на то, чтобы вращать компрессор (работа L'Y и на внешнего потребителя (работа LY Автор не забыл и о запуске установки, который делается от специального внешнего привода (на схеме он не показан) и компрессора VII. Все предусмотрено!
Если бы это «все» могло быть в действительности, то человечество получило бы двигатель, работающий только за счет теплоты, отводимой от окружающей среды. Мало того, этот двигатель дополнительно давал бы либо холод (если бы первый контур работал как холодильная машина), либо теплоту (если бы он действовал как тепловой насос). Но, увы, второй закон запрещает оба варианта. И в первом и во втором случае простой расчет показывает, что работы турбины не хватит даже на привод компрессора, не говоря уже о внешнем потребителе.
Энергетический баланс здесь, как и в любом приличном ррш-2, сходится, и нарушения первого закона нет.
Действительно, для этого необходимо только, чтобы Q2 = Qi — Ь. Величины Е и Q3 в баланс не входят, так как они характеризуют внутреннюю передачу энергии от одной части установки к другой. Видно, что ничего невозможного (с точки зрения первого закона) в этом уравнении нет: сколько энергии с тепловым потоком п оступает, столько с работой и теплотой отводится.
Эксергетический баланс двигателя Джерсена будет выглядеть по-разному в зависимости от режима.
Для режима теплового насоса
О = Eq + L.
Эксергия теплоты Qi, взятой от окружающей среды, равна нулю, и из него (нуля) получается у Джерсена и эксергия теплоты Q^ даваемой тепловым насосом ^Eq = Q^-^0^. и еще внешняя работа. Явно невозможная ситуация — эксергия теплоты и работа из ничего: КПД ре был бы равен бесконечности:
Eq + L
Для режима холодильной установки тоже 0 = Eq + L. Здесь опять же эксергия ниоткуда не поступает, но расходуется по двум направлениям. Во-первых, она отдается в виде «холода» ^Ед = Qx^^^, так как приход теплоты при Т > То.с соответствует расходу эксергии (Qi и Eq имеют разные знаки, поскольку Eq = Тх^о с < 0). Во- вторых, эксергия отводится в виде работы L. Опять два полезных результата «из ничего» и бесконечно большой КПД!
Наряду с «холодными» ррш-2 разрабатывались и «теплые», предназначенные для работы только при температурах выше температуры окружающей среды. Источник энергии у них оставался тот же — «теплота окружающей среды». Их авторы опирались уже на традиции теплотехники. Некоторые из них тоже защищены авторскими свидетельствами или патентами [3.14]-[3.17].
Разберем один из них, наиболее характерный [3.14]. Автор (проф. А.Н. Шелест) назвал предложенный им двигатель «машиной будущего». Другое ее название — «машина атмосферного тепла» [3.17].
Схема машины показана на рис. 5.5. Она состоит из двух контуров. Первый, включающий в себя турбокомпрессор 1 и турбину 2, соединен на входе и выходе с атмосферой и запускается в работу пусковым электродвигателем, который на схеме не показан. Засасываемый в компрессор атмосферный воздух (при рос и То-С) сжимается; температура его соответственно возрастает. В теплообменнике 3 горячий сжатый воздух охлаждается (в пределе — до исходной температуры), нагревая рабочее тело второго контура. После этого холодный сжатый воздух поступает в турбину 2, расширяется с отдачей внешней работы и выбрасывается в атмосферу. Поскольку температура пе-
ред турбиной близка к То.с, температура отработанного расширенного воздуха Т за турбиной будет ниже температуры окружающей среды То,с. Развиваемая турбиной 2 мощность используется для привода компрессора /, что позволяет уменьшить необходимую для работы компрессора мощность пускового электродвигателя. Таким образом, первый контур играет, по мнению А.И. Шелеста, роль теплового насоса, «перекачивая» теплоту из атмосферного воздуха на повышенный уровень температур Гг, используемый в теплообменнике 3.
Рис. 5.5. Схема «машины атмосферного тепла»
Второй контур представляет собой обычный теплосиловой цикл, в котором циркулирует какое-либо низкоки- пящее рабочее тело, испаряемое в теплообменнике 3 теплотой Q, поступающей из первого контура. Сконденсированное в конденсаторе б при температуре, близкой к То.с, это рабочее тело подается насосом 5 через теплообменник в главную турбину 4, где расширяется, производя работу. Эта работа L при установившемся режиме отдается на привод первого контура (электродвигатель отключается), а оставшаяся часть идет на электрогенератор 7, производящий энергию W для внешнего потребления.
В результате за счет атмосферной теплоты производится электроэнергия. Затрата топлива (и электроэнергии, если не считать пусковой период) исключается.
Из этого описания видно, что предлагаемая «машина атмосферного тепла» представляет собой классический ррш- 2 — «монотермический двигатель». Понимая, что тепловая машина не может произвести работу, не используя два тем-
пературных уровня, изобретатель пытается обойти второй закон, искусственно создавая этот другой, более высокий уровень посредством сочетания компрессора 1 и расширительной турбины 2. Но второй закон неизбежно себя проявляет: такой тепловой насос заберет всю работу, производимую в тепловом цикле, и никакого эффекта установка не даст; она просто вскоре после запуска остановится.
Проведем, пользуясь методом, описанным в гл. 4, анализ энергетического и эксергетического балансов «машины атмосферного тепла». Начнем с энергетического баланса.
В установку (в компрессор 7) поступает атмосферный воздух. Количество вносимой им энергии (его энтальпию) обозначим Нт. Эта энергия расходуется по трем статьям:
выносится с выходящим воздухом (энтальпия П2у
отдается в форме теплоты Qo.c в окружающую среду через конденсатор 7;
отдается в виде полезной работы L электрогенератором 7.
Тогда энергетический баланс будет иметь вид
Hi = Н2 + Qo.c + L.
Он никаких сомнений не вызывает: с точки зрения первого закона термодинамики все сходится.
Эксергетический баланс в отличие от энергетического будет включать только два члена — эксергию Е2 отводимого в атмосферу из турбины холодного воздуха и полезную работу L. Эксергия засасываемого из атмосферы воздуха Ei = 0, так как его температура То.с и давление Ро.с соответствуют параметрам атмосферы. Точно так же равна нулю эксергия теплоты, отдаваемой через конденсатор в окружающую среду при То.с. Эта теплота полностью неработоспособна. Следовательно, эксергетический баланс системы (если бы она работала) был бы таким:
О Т + Е2,
поскольку поступающая эксергия должна быть больше (или в идеале равной) выходящей. Иначе говоря, приходная часть баланса эксергии равна нулю, а расходная — сумме L + Е2. Это означает, что «машина будущего», должна не только делать «из ничего» работу, но и давать холодный воздух, эксергия которого больше нуля, так как он, отличаясь по температуре от окружающей среды, обладает определенной работоспособностью.
В идеальном случае (знак равенства) машина может в принципе работать, но как холодильная, выдавая холодный воздух при затрате работы L (поскольку — L = E2Y В реальном случае будет тоже холодильник, но холода при той же затрате работы он будет давать меньше (—L > E2Y Ни о каком получении работы тут и думать не приходится.
КПД системы (если предположить, что машина могла бы работать как двигатель) будет равен отношению результата (L + Е2) к затратам
эксергии. Поскольку затраты равны нулю,
Если бы машина работала, ее КПД был бы равен бесконечности. Такой КПД характерен для всех ppm — не только второго, но и первого рода, ведь все они делают эксергию (т. е. и работу) из ничего.
Эта машина, так же как и машина Джерсена, — классический пример попытки осуществить двигатель, работающий за счет энергии равновесной окружающей среды. Эта энергия действительно необозрима, но поскольку ее эксергия равна нулю, она абсолютно неработоспособна.
В заключение разбора «машины будущего» приведем отрывок из заметки о ней, помещенной в «Экономической газете» [3.17]. Автор заметки, возмущаясь косностью тех, кто прекратил работу по созданию этой машины, писал:
«Высокий КПД этой машины, достигающий 60-80%, обеспечивается использованием тепла атмосферного воздуха. Он засасывается в компрессор установки при атмосферной температуре, а выходит из турбины при более низкой температуре. Так в этой машине используется известный в физике принцип теплового насоса.
Машина системы проф. А.Н. Шелеста, использующая атмосферное тепло, может быть применена для тепловых электростанций, коэффициент полезного действия которых будет в два раза выше существующих».
Даже если поверить автору этой заметки, что машина будет работать, остается непонятным, почему КПД будет выше «в 2 раза» (80 %)? Ведь на тепловой электростанции расходуется топливо; чтобы поднять КПД в 2 раза, нужно расходовать его на 1 кВт ч в 2 раза меньше. А в «машине будущего» топливо вообще не расходуется. Почему же так скромно: «в 2 раза»?
Уже после выхода в свет первого издания этой книги в журнале «Техника молодежи» (№3, 1991) появилась заметка, в которой приведены доводы канд. техн, наук Павла Шелеста (сына профессора А. Шелеста) в защиту «машины атмосферного тепла» изобретенной его отцом. П. Шелест уже не отстаивает вариант машины, описанный выше. Он приводит новую схему, несколько видоизмененную по сравнению с основной, показанной на рис. 5.5. В нее введен тепловой насос, компрессор которого приводится в движение двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Этот тепловой насос снабжает теплом второй, рабочий контур с
насосом и турбиной, которая, как и в первом варианте, отдает полезную работу L генератору, вырабатывающему электроэнергию. Дополнительное достоинство этой схемы П. Шелест видит в том, что «не пропадает зря тепло, отводящееся от двигателя — оно подогревает воздух в первом контуре». Все это и ряд других особенностей дает возможность получить КПД всей установки 70%.
К сожалению, и система, устроенная по этому варианту, бесполезна. В отличие от основного варианта «машины атмосферного тепла» она работать будет, поскольку в ее состав входит дизель. Но «привешенный» к нему тепловой, насос (который имеет в лучшем случае КПД не выше 0,54-0,6, а не «примерно 1,3», как утверждает П. Шелест), только «съест» часть мощности, которую дает дизель. В результате вся система будет иметь КПД существенно меньший, чем дизель, работающий без паразитной системы «машины атмосферного тепла».
Мы не будем рассматривать других попыток осуществить тепловой «монотермический двигатель» на основе термомеханических преобразований. Все они удивительно похожи, и разница проявляется только в деталях. Так же, как и при создании ррш-1, их изобретатели наивно полагают, что изменив какие-нибудь частности, все же удастся обойти закон науки.
В этом убеждении им помогают некоторые теоретики, которые подводят под ррш-2 серьезную «научную базу». По ходу изложения нам в предыдущих главах уже приходилось на них ссылаться. Однако все они, как мы видели, больше опирались на идеи философско-космологического характера или на общие рассуждения.
Сейчас, имея в своем распоряжении информацию о реальных проектах ррш-2, можно сделать следующий шаг: рассмотреть научные теории, непосредственно обосновывающие возможность создания «монотермического» двигателя. Для этого создается новая «термодинамическая» база с неизбежной, естественно, ликвидацией второго закона.
Работы по созданию такой «научной базы» и дискуссии, выплескивающиеся и на страницы средств массовой информации, проходили как у нас в стране, так и за рубежом. В Польше, например, статью с описанием «моно-
термического» двигателя под названием «Тепловик» и его теоретическое обоснование опубликовал магистр-инженер Я. Мордасевич [3.20]. Правда, редакция журнала поступила очень разумно, поместив вслед за ней статью проф. С.Отщедушко и И. Сикоры [3.21], в которой была ясно показана вздорность идей Мордасевича (авторское свидетельство на свой «тепловик» Мордасевич все же получил).
Казалось бы, на этом история должна была закончиться — научная истина восторжествовала, а автор «тепловика» получил желанный документ. Однако прошло больше 20 лет и идея «тепловика» всплыла снова. В газете «Политика» появилась статья о Мордасевиче с интригующим названием «Безумец или гений?» [3.22].
Нам нет необходимости анализировать эту или другие иностранные работы, поскольку имеются в достаточном количестве аналогичные отечественные публикации на русском языке.
Остановимся в этой связи на работах проф. М.А. Мамонтова [3.16; 3.18]. Читателям приходится вникать в подобного рода теоретические построения — это почти всегда тяжелая работа. Тяжела она не из-за трудности постижения глубоких мыслей, а вследствие особой формы изложения.
Известен мудрый афоризм: «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает». Не менее верно и обратное утверждение. Как правило, ошибочные теории излагаются очень путано, с применением массы ученых слов и новых терминов, новых понятий. Выбраться из получающегося в результате лабиринта не так просто. Это и естественно: при четком и последовательном изложении тех же положений их несостоятельность выявилась бы сама собой. Ложные антинаучные концепции могут жить только в условиях путаницы в мыслях и словах, это их «питательная среда».
Итак, познакомимся с теоретической базой ррш-2 — «обновленной» термодинамикой. Поступим так: сначала приведем соответствующие цитаты, расположив их по возможности в логической последовательности, а затем будем их распутывать и анализировать. Начнем с главы «Принципиальная возможность создания теплового двигателя с одним источником тепла» в [3.16].
Автор выбирает в качестве объекта, в котором происходят явления, «находящиеся в явном противоречии с неко-
торыми положениями классической термодинамики», — пневматические инструменты, работающие на сжатом воздухе.
«Регулярно наблюдаемые явления конденсации паров воды в рабочей полости пневматических двигателей и отказы в работе этих двигателей вследствие замерзания выделившихся капель воды представляются бесспорным свидетельством реальности охлаждения рабочего тела пневматического двигателя до температуры значительно более низкой, чем температура атмосферного воздуха». И далее:
«Причины столь резкого расхождения приведенных положений классической термодинамики с бесспорными реальными фактами заключаются в классической концепции теплоты, положенной в основу классического анализа. Вопреки этому анализу подвод тепловой энергии в рабочую полость пневматического двигателя совершается посредством тепловой миграции при температуре подводимого рабочего вещества, близкой к температуре окружающей среды (атмосферы). В этих условиях с первых моментов этапа расширения рабочего объема создаются условия, при которых температура рабочего вещества становится ниже температуры окружающей среды. В результате чего:
изменение состояния тела начинается при температуре рабочего вещества, близкой к температуре окружающей среды;
работа совершается за счет охлаждения рабочего вещества ниже температуры окружающей среды;
передача тепла от рабочего тела теплоприемнику производится при отрицательной разности температур (тепло переходит от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой)».
Следующая цитата:
«Отмеченные выше явления переохлаждения рабочего тела, наиболее отчетливо наблюдающиеся в пневматических двигателях без подогрева воздуха, имеют принципиальное значение, так как открывают возможность подвода тепла к рабочему телу за счет тепловой энергии атмосферы.
Если обеспечить значительное увеличение внутренней поверхности рабочей полости (поверхности нагрева) и медленное движение поршня, то, используя возникшую разность температур между стенками рабочей полости и рабочим телом, можно процесс расширения из адиабатического превратить в процесс, близкий к изотермическому. Так как изотерма при расширении проходит существенно выше адиабаты, то указанное изменение процесса приведет к существенному увеличению полезной работы.
Таким образом, от пневматического двигателя можно будет получать работу не только за счет энергии воздуха в аккумуляторе, но также за счет использования дарового тепла атмосферы.
Если учесть, что классическая термодинамика в соответствии с ее концепциями категорически отрицает возможность прямого преобразования тепла окружающей среды в работу, то установление возможности такого преобразования в пневматических (газовых) двигателях имеет большое принципиальное значение».
Все изложенное в этих цитатах уже не просто «философия», а конкретные выводы из конкретных явлений. Эти выводы автор в дальнейшем кладет в основу проекта двигателя. Поэтому прежде чем продвигаться дальше, разберем их.
Вначале необходимо подтвердить тот несомненный, хорошо известный факт, что сжатый воздух, расширяясь в пневматических двигателях, охлаждается до температуры более низкой, чем температура окружающей среды. Удивительного в этом ничего нет, и странно, почему М.А. Мамонтов делает отсюда такие далеко идущие выводы. Действительно, хорошо известно, что воздух, как и любой другой газ, нагревается, если его сжимать в адиабатных условиях. Этот факт наблюдает любой велосипедист или автомобилист, накачивающий шины своей машины. Затрачиваемая работа переходит во внутреннюю энергию газа, и его температура повышается. Точно так же при расширении газа с отдачей работы (как, например, в пневмоинструменте) сжатый воздух охлаждается. Отметим, что это охлаждение может быть довольно значительным. Если, на-
пример, давление воздуха 4 ат (0,4 МПа) и температура +20 °C (293 К), то при расширении до атмосферного давления он охладится примерно до —75 °C (198 К), т.е. на 95 °C. В реальных условиях вследствие теплопритока охлаждение будет меньшим, но все же достаточно существенным. Все это происходит «по науке», и никто существование такого процесса не отрицает. Диаграммы потоков энергии для этих случаев показаны на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Полосовые графики потоков энергии для адиабатных процессов сжатия (а) и расширения (б) газа
Двинемся дальше и расшифруем вторую, более длинную цитату. В ней речь идет о другом процессе расширения — уже не адиабатном, а изотермическом. Он отличается тем, что по ходу расширения к газу подводится теплота из окружающей среды, причем в таком количестве, чтобы не дать ему охладиться. В результате температура газа остается неизменной (отсюда и термин «изотермический»).
Разберем этот процесс в соответствии с классической термодинамикой, а потом сопоставим результаты с трактовкой проф. М.А. Мамонтова.
На рис. 5.7 показаны графики изменения температуры Т и давления р газа в процессе его расширения в цилиндре пневмоинструмента в зависимости от хода I поршня. Точка 1 соответствует начальному положению поршня, точки 2’ и 2” — конечным его положениям.
При адиабатном расширении (вертикальная штриховка) температура газа падает, так же как и давление, по мере движения поршня вправо. В конечной точке 2’ давление снижается до атмосферного ро.с, а температура — до Т^ значительно более низкой, чем То,с. Отведенная
в виде работы энергия £ад соответствует вертикально заштрихованной площадке. По первому закону термодинамики она будет равна уменьшению внутренней энергии газа: Тад = А^1-2-
При изотермическом расширении (наклонная штриховка) температура газа только в первый момент снижается на
Рис. 5.7. Изменения температуры и давления газа (воздуха) при расширении с учетом теплопритока извнеРис. 5.7. Изменения температуры и давления газа (воздуха) при расширении с учетом теплопритока извнеочень малую величину АГ — разность температур, необходимую для того, чтобы теплота из окружающей среды могла сообщаться газу. Дальше температура будет до самого конца расширения постоянной, равной Т = То-С — М?. Давление газа будет падать медленнее, так как к газу постоянно подводится теплота. Поэтому поршень к мо-
Рис. 5.7. Изменения температуры и давления газа (воздуха) при расширении с учетом теплопритока извне
Рис. 5.7. Изменения температуры и давления газа (воздуха) при расширении с учетом теплопритока извне
менту, когда р станет равным ро.с, пройдет большой путь и остановится только в точке 2”. Соответственно и работа Гиз,
проделанная газом, будет больше и ход поршня, и давление здесь, больше. Добавочная работа соответствует площадке, заштрихованной наклонно; суммарная работа равна количеству подведенной теплоты Qo.c (Гиз = Qo.c)-
Теперь мы можем возвратиться к цитатам из М.А. Ма-
монтова.
Во втором и третьем пунктах, следующих за словами «В результате чего», все, что происходит в двигателе, почему- то понимается наоборот. Работа, как мы видели, совершается не «за счет охлаждения» (как в адиабатном процессе), а напротив, путем постоянного нагрева рабочего вещества. Ведь теплота Qo.c, которая обеспечивает работу двигателя, все время подводится к рабочему телу, а не отводится от него. Поэтому второй пункт неверен. Третий пункт совсем непонятен. Передача теплоты идет не «от рабочего тела», а наоборот, к рабочему телу (газу). И не при «от-
рицательной» разности температур, а при положительной (АТ = То с — Т\ и не «от тела с низкой температурой» (газа), а напротив, к нему из окружающей среды.
В последующей части цитаты нет таких «перевертышей». Если не с читать слова «переохлаждение»1, которое здесь ни к чему (нужно просто «охлаждение»), то фактическая сторона дела изложена без ошибок. Но трактовка событий неверна принципиально. Автор полагает, что от изотермического двигателя можно получать работу «также за счет использования дарового тепла атмосферы». На первый взгляд, это действительно может показаться правильным: ведь работа Тиз равна подведенной из окружающей среды теплоте Qo.c- Но такой вывод был бы преждевременным. Подумаем: если бы воздух не был предварительно сжат, мог бы работать двигатель «за счет дарового тепла атмосферы»? Очевидно, нет. А откуда взялось давление? Из компрессора, в котором происходит процесс, обратный тому, который идет в двигателе. Там газ сжимается от Ро.с (точка 2") до pi. При этом его температура (если вести процесс тоже изотермически) будет не ниже, а выше Тос на АГ и теплота Qo.c будет отдана среде, а двигатель столько же теплоты взял у нее обратно. В итоге выходит нуль! Работа L получается только за счет точно такой же работы, затраченной на сжатие в компрессоре. Так будет в идеальном случае, если компрессор и двигатель точно изотермические. В реальных условиях работа, плдведен- ная к компрессору, и количество отведенной в окружающую среду теплоты будут больше, чем работа, полученная в двигателе, и намного больше, чем теплота, которую он заберет из окружающей среды. В итоге будет все та же классическая картина — суммарная энтропия вырастет, эксергия, напротив, частично потеряется, поскольку эксергия сжатого воздуха после компрессора будет меньше подведенной работы, а работа пневматического двигателя — меньше эксергии сжатого воздуха (практически остается от 5 до 10% затраченной на компрессоре работы). Читатель может сам при желании это проверить, составив соответствующую схему потоков энергии и эксергии.
Изложенное показывает всю беспочвенность последней
тирады М.А. Мамонтова против классической термодинамики. Мы видели, что при анализе пневмодвигателя нет никакого расхождения с бесспорными фактами и они вполне вписываются в ее понятия.
Как тут не вспомнить, что сказал еще в XVII в. великий английский ученый Р. Гук [1.28]: «Большинство ученых очень поверхностны..., из нескольких неопределенных и недостоверных положений они делают самые общие выводы и с помощью их устанавливают законы, правящие миром и природой». Если заменить в этом высказывании слово «большинство» на «меньшинство», то оно вполне годится и для нашего времени.
Профессор М.А. Мамонтов не ограничился теоретическими изысканиями. Осуществляя связь науки и производства, он предложил и соответствующий теории двигатель «с одним источником тепла». Приведем рисунок и описание, взятые из уже упомянутой книги автора.
«Рассмотрим теперь поршневой двигатель, индикаторная диаграмма которого представлена на рис. 81.
Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя «с одним источником тепла»Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя «с одним источником тепла»До начала движения поршня в рабочую полость при неизменном начальном ее объеме впрыскивается низ- кокипящая жидкость, которая испаряется и нагревается до температуры окружающей среды (атмосферного воздуха) под действием температуры этой среды.
Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя «с одним источником тепла»
Рис. 5.8. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя «с одним источником тепла»
В результате давление в рабочей полости повышается до некоторого давления, превышающего давле
ние окружающей среды. Перепад давлений в рабочей полости и в окружающей среде вызывает движение поршня и расширение рабочего вещества. При значительной внутренней поверхности стенок рабочей полости, имеющих температуру окружающей среды, и при медленном движении поршня обеспечивается изотермическое расширение рабочего вещества за счет получения тепла из окружающей среды. Движение поршня вправо заканчивается в момент, когда давление в рабочей полости будет равно атмо-
сферному. На обратном ходе рабочее вещество, имеющее температуру атмосферы, выталкивается в атмосферу.
В точке с диаграммы давление равно атмосферному. Участок диаграммы ab отвечает процессу нагревания рабочего вещества, полученного испарением низкокипящей жидкости, при неизменном начальном объеме рабочей полости.
Как видно из изложенного, цикл состоит из изотермы Ьс, изобары са и изохоры ab. Работа цикла выражается площадью abc и совершается полностью за счет тепла, полученного из окружающей среды (так как внутренняя энергия рабочего вещества при изотермическом процессе остается без изменения).»
В этом тексте все относительно благополучно, кроме одной последней фразы. Более того, предложенный двигатель осуществим, и он вполне может работать. Однако если исправить ошибку в этой последней фразе, то все изобретение сразу потеряет, как говорят, «товарный вид». «Работа цикла выражается площадью abc и совершается полностью за счет тепла, полученного из окружающей среды (так как внутренняя энергия рабочего вещества при изотермическом процессе остается без изменения).»
Здесь автор допускает ошибку, рассматривая только изотермический процесс. Все остальное его не интересует, а там-то и лежит то, «за счет чего» двигатель может работать. Работу двигателя обеспечивает жидкость, подаваемая в него с температурой ниже То.с (при давлении ро с) и выходящая в виде пара при тех же давлении и температуре. Откуда она берется и куда девается полученный пар, автор не пишет. Он только отмечает, что «... расход низкотемпературной жидкости в рассматриваемом процессе можно истолковать как своеобразную компенсацию за превращение тепла в работу, но подобная компенсация по своей природе эквивалентна передаче тепла холодильнику».
Между тем в этой «своеобразной компенсации» вся соль и состоит. Чтобы получить эту низкотемпературную жидкость, имеющую определенную эксергию, нужно обязательно затратить работу. Эта работа как раз пойдет на то, чтобы отвести при низкой температуре теплоту конденсации жидкости и отдать ее при температуре Тос в окружающую среду. Так что «своеобразная компенсация» требует, во-первых, затраты работы и, во-вторых, именно «передачи тепла холодильнику». При этом затраченная работа и отведенная в окружающую среду теплота в луч-
шем (идеальном) случае будут равны соответственно полученной от двигателя Мамонтова работе и получаемой им из среды теплоте. В реальных же условиях на получение этой рабочей жидкости придется затратить работу и отвести при этом в среду значительно больше теплоты, чем может компенсировать двигатель. Опять в итоге получится общий рост энтропии и соответствующая потеря эксергии! Заслуги холодной жидкости (которую изобретатель должен был бы хвалить, ибо без нее ничего бы не двинулось) автор отметает напрочь. Об этой жидкости, которая играет здесь ту же роль, что бензин в двигателе внутреннего сгорания, он пишет такие нехорошие слова: «...подвод малокалорийной и низкокипящей жидкости оценивается как обычное материально-конструктивное обеспечение процесса».
Из всего этого делаются общие выводы — «законы, правящие миром и природой», как сказал Р. Гук. М.А. Мамонтов пишет:
«Изложенное показывает, что расширенные концепции тепла, работы и рабочего тела вносят радикальные изменения в анализ условий действия теплового двигателя. В частности, с позиций этих концепций оказывается неправомерным известный постулат Планка:
«Невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и соответствующему охлаждению теплового резервуара».
Этот постулат предполагает обязательность «компенсации» за возможность периодического превращения теплоты в работу. Такая компенсация выражается потерей части подведенной теплоты вследствие передачи этой теплоты в окружающую среду (холодильнику) в фазе пониженного давления.
Так как в рассматриваемом периодически действующем двигателе в фазе повышенного давления работа совершается за счет подвода теплоты из окружающей среды, то отвод теплоты в фазе пониженного давления обратно в ту же среду невозможно отождествить с отмеченной выше компенсацией».
Идеи М.А. Мамонтова не остались без продолжателей. Не дожидаясь реализации этих идей (ждать пришлось бы
долго), канд. техн, наук Н.Е. Заев тоже предложил двигатель, в цилиндр которого впрыскивается жидкий азот (температура — 196 °C). Эта мысль, родственная предложенной Триплером, действительно обеспечит движение двигателя. Азот, получая теплоту из окружающей среды, будет испаряться, давление вырастет и пневматический двигатель заработает. Но, восхищаясь этой блестящей идеей, и ее автор, и его поклонники [3.10] забывают ту же «мелочь», что и М.А. Мамонтов. Ведь жидкий азот надо получить! А это потребует затраты куда большей работы, чем даст двигатель.
Опять эта старая термодинамика со своей неизбежной «компенсацией»!
В другом труде проф. М.А. Мамонтова [3.18] излагается несколько иная концепция, которую он непосредственно связывает с той, которую мы разобрали. Эта «новая доктрина» изложена в статье, скромно названной автором «От структуры Карно к структуре Прометея». Она сводится по существу к уже известным положениям о возможности осуществления двигателя, работающего за счет «круговорота тепла». Если устранить терминологические наслоения вроде «термогенный», «термомассогенный», «структура Хоттабыча», «реверторная работа», «термомодераторная работа», «топливная система Прометея», «многопозиционная система Уатта» и т. д., то останется старая идея, основанная на полном непонимании свойств теплового насоса.
Автор подобно другим «инверсионщикам» думает, что тепловой насос может сделать то, чего он на самом деле не может — совершить чудо. Получив работу от тепловой машины, он должен выдать ей на верхнем температурном уровне столько теплоты, чтобы ее не только хватило на производство этой работы, но был бы и некоторый избыток. За счет этого избытка и будет произведена дополнительная работа, отдаваемая внешнему потребителю. Однако мы знаем, что насос такую задачу в принципе решить не может.
Корень заблуждения здесь тот же, что и у других теоретиков ррш-2, — непонимание качественной стороны энергетических превращений. Радуясь, что тепловой насос дает много теплоты («больше, чем затрачено работы»), они забывают об ограниченной работоспособности — эксергии этой теплоты, которая в идеальной установке равна затраченной работе, а в реальной — меньше ее. Поэтому
утверждение: «...постулат Клаузиуса, в обычной его формулировке, неполно отображает закономерность действия тепловых насосов; Реальная закономерность выражается расширенным постулатом Клаузиуса: «Регенерация тепла сама собой, без компенсации, неосуществима: при ее осуществлении количественно компенсация значительно меньше регенерированного тепла» неверна.
На этой основе вместо «структуры Карно» создается «структура Прометея». Чтобы дать представление о ней, приведем несколько цитат. Комментировать их нет необходимости: они говорят сами за себя. Нужна только расшифровка мудреных терминов. Отметим для начала, что ТСН означает «теплосиловое превращение», ТНП — «теплонасосное превращение», а ТМП — «тепломеханическое превращение».
«Как уже отмечалось, невозможность полного превращения тепла в работу в закрытых ТСН обусловлена значительным отводом тепла от рабочего агента в охлаждающую воду.
Так как согласно постулату Карно исключить этот отвод тепла невозможно, то остается только один путь полного превращения тепла в работу — каким-либо способом вернуть все тепло, отданное охлаждающей воде, обратно рабочему агенту в термоприточном органе.
В порядке решения рассматриваемой задачи ниже, в качестве «пристройки» к структуре закрытых ТСП, использован однофидерный теплонасосный блок». Полученный таким путем гибрид теплового двигателя и теплового насоса автор называет «топливной структурой Прометея».
«Характерная особенность синтезированной структуры заключается в том, что органы механизма ТСП выполняют функции периферийных органов ТНБ и наоборот. Для того, чтобы топливная структура Прометея могла действовать (выдавать полезную работу), необходимо, чтобы работа, переданная теплонасосному блоку от теплосилового, была меньше работы, производимой теплосиловым блоком.
Указанное условие выполняется в ходе подбора органов синтезированной системы.»
Отсюда смелый вывод:
«...Изложенным устанавливается, что полезная работа природной системы Прометея равна (при идеальном исполнении системы) теплоте, введенной в механизм системы из окружающей природной среды, и что термический КПД системы равен единице.»
И заключение, в котором взамен устаревших положений Карно, Клаузиуса, Кельвина и Оствальда вводятся новые, «безусловно достоверные» замены:
«Указанные структуры приводят к утверждению, прямо противоположному постулату Кельвина-Оствальда: «Полное превращение тепла в работу и превращение природного тепла в работу осуществимы». Если постулат Кельвина-Оствальда по его физическому содержанию может быть назван законом диссипации тепла, то данное утверждение с учетом его физического содержания можно условно именовать законом круговорота тепла.
Доказательство правомерности закона круговорота тепла заключено не только в структурах, адекватно отображающих действительные ТМП, но и в факте существования тепловых насосов и их особых закономерностей».
И, наконец, расширенная окончательная формулировка: «...закон круговорота тепла выразится следующей расширенной формулировкой:
Полное превращение тепла в работу осуществимо, если компенсация за регенерацию сточного тепла будет меньше работы, полученной за счет регенерированного тепла.
Превращение природного тепла в работу осуществимо, если компенсация за регенерацию природного тепла будет меньше работы, полученной за счет регенерированного природного тепла.
Безусловная достоверность расширенного постулата Клаузиуса означает безусловную достоверность закона круговорота тепла и безусловную реальность структур Прометея».
Все это было бы замечательно, если бы «если» в пи. 1 и 2 превратились в «поскольку». Мы видели, что это, увы, не так. В этом и причина невозможности создать такой действующий гибрид тепловой машины и теплового насоса. Казалось бы, чего проще — и то, и другое есть в любой приличной теплотехнической лаборатории: соединить их и показать «структуру Прометея» в работе. Со «структурой Карно» и другими классиками было бы покончено одним нокаутирующим ударом.
Остается сделать только одно замечание: едва ли стоило беспокоить для всего этого тень титана Прометея, давшего, по преданию, людям огонь. Ведь его имя в переводе с греческого означает «провидец» — человек, смотрящий далеко вперед. Покровителем теории «круговорота тепла»,
которая смотрит назад почти на два века, нужно взять другое лицо. Здесь больше подходит кандидатура брата Прометея. Эта фигура менее популярная, что и неудивительно. Эпиметей (что значит «крепкий задним умом») представлял собой полную противоположность своему героическому брату. «Круговорот тепла» — «принцип Эпи- метея» — не заменит принципа Карно.
Новые идеи: химические, оптические иэлектрохимические ррш-2
Несмотря на все попытки, вплоть до привлечения в союзники самого Прометея, бесполезность создания ррт- 2 на классических термомеханических принципах становится постепенно очевидной даже для самых закоренелых его сторонников. Поэтому многие из них переключились на новые области в поисках таких эффектов, которые помогли бы обойти второй закон.
Эти надежды большей частью основаны на одной из двух ошибочных предпосылок (или обеих сразу).
Первая из них связана с тем, что изобретатели не видят задачу в целом. Ведь независимо от цепочки любых промежуточных преобразований энергии, на входе любого ррш-2 обязательно должна вводиться теплота, т. е. и энтропия, а на выходе выводиться работа (иногда и теплота тоже). Следовательно, независимо ни от чего с этой энтропией что-то должно происходить, чтобы она «по дороге» преобразовалась; ррш-2 связан с энтропией неразрывными узами. А где энтропия, теплота, «микробеспорядок» — там и второй закон.
Вторая ошибочная предпосылка опирается на представление, что химические, оптические, электрические, магнитные и некоторые другие явления «не подвластны» второму закону. Эта наивная иллюзия возникла вследствие непонимания того факта, что любые явления, в которых есть (или может появиться) микробеспорядок, неизбежно связаны с энтропией, а следовательно, и со вторым законом. От него никуда не уйдешь, даже используя для создания ррш-2 любые, самые хитрые эффекты.
Можно было бы привести здесь много вариантов ррш-2 такого рода: их изобретают более чем достаточно. Однако мы приведем для примера только три наиболее характерных — химический, оптический и электрохимический.
Начнем с химических ррт-2. Об этих устройствах написано меньше, чем о других видах вечных двигателей, однако коснуться их необходимо. Естественно, что авторы не называют такие машины «вечными двигателями»; обычно выбираются более приемлемые термины.
Химические ррт-2 встречаются двух видов.
К первому относятся те, в которых используется «теплота окружающей среды» для получения работы. Идея стандартная: сначала в тепловом насосе получается теплота высокого потенциала, а затем она используется для теплового двигателя, который кроме своей основной работы крутит «между делом» и тепловой насос.
Это, так сказать, традиционный вариант ррт-2, но реализуемый с участием химических реакций. Обычно предлагается использовать сочетание экзотермических (с выделением теплоты) и эндотермических (с поглощением теплоты) реакций каких-либо веществ.
Реакцию первого вида проводят на верхнем температурном уровне, а второго — на нижнем с поглощением теплоты, отводимой от окружающей среды. В результате, по мысли авторов, должен получиться «сверхэффективный» тепловой насос; использовать его для двигателя — уже дело техники.
Однако каждый раз и расчет, и эксперимент показывают, что реакция или не идет вообще, или через некоторое время замирает, если пустить двигатель толчком извне. Для постоянной работы такой «двигатель» нужно либо подогревать, либо охлаждать, либо вращать извне. При этом, как всегда, затрата эксергии, нужной для привода, оказывается большей, чем эксергия той теплоты, которую дает химический тепловой насос. Второй закон и здесь неумолимо работает.
Подробный разбор вариантов таких тепловых насосов в этой книге занял бы много места, но не дал бы ничего существенно нового.
Более интересны другие, «гибридные» ррт-2.
К химическим ррт-2 такого вида относятся более оригинальные устройства. Это тепловые двигатели, в которых, как обычно, происходит подвод теплоты от какого-либо внешнего источника при высокой температуре (например, путем сжигания топлива). Казалось бы, тут ррт-2 ни при чем и принцип Карно не нарушается. Однако это не так. Изобретатели утверждают, что, используя специальное рабочее тело, в котором протекают химические реак-
ции, можно получить работу большую, чем это позволяет принцип Карно. А это значит, что добавочная работа получается уже вопреки второму закону. Поэтому двигатель подобного вида, хотя внешне был бы вполне респектабельным, представлял бы собой ррш-2, выдавая «незаконную» дополнительную работу.
Несколько вариантов такого двигателя и достижения его изобретателей весьма эффектно рекламировал Е. Муслин в статье под многообещающим, но не очень грамотным заголовком «Выше цикла Карно» [3.3]. Этой статьи вполне достаточно, чтобы увидеть, в чем дело. Она построена, очень любопытно. Автор начинает с чрезвычайно почтительного отзыва о С. Карно, называя его труд (и совершенно правильно) гениальным. Портрет С. Карно даже открывает статью. Но, проведя необходимый цикл поклонов и расшаркиваний перед гением, Е. Муслин, «не переводя дыхания», пытается под корень принцип Карно изничтожить. Он делает это, ссылаясь на одного из изобретателей нового двигателя — И.М. Ковтуна.
Цитируем: «Он (т. е. Ковтун) снова и снова вчитывался в отточенные формулировки термодинамических теорем, пытаясь найти хоть какие-нибудь неиспользованные лазейки в неприступном фундаменте «королевы наук». И, представьте себе, нашел! Нашел в самой сердцевине, в святая святых термодинамики, в знаменитой фундаментальной теореме Карно, гласящей, что КПД цикла зависит только от температуры нагревателя и холодильника и не зависит ни от конструкции тепловой машины, ни от природы рабочего газа. Ковтун, конечно, не собирался опровергать эту теорему, в правильности которой сомневаться не приходилось. Но он пришел к выводу, что несмотря на кажущуюся общность, она не всеобъемлющая и справедлива далеко не во всех случаях. В самом деле, что значит «КПД не зависит от природы рабочего газа?» То, что газ может быть любой — и гелий, и водород, и азот? Справедливо. Но при этом в неявной форме еще подразумевается, что коль газ уже выбран, он все время остается одним и тем же, что свойства его во время работы не меняются. А если мы выберем такие газы или их смеси, в которых на протяжении цикла происходят обратимые химические реакции? Очевидно, что на этот случай теорема Карно уже не распространяется и ее ограничения можно обойти».
Начнем разбор этой длинной цитаты с констатации того, что Е. Муслин исказил до неузнаваемости теорему Карно,
перевратив ее четкое содержание в бессмыслицу Сделал это он очень просто: убрал из формулировки только одно слово — «максимальный». У Карно, пользуясь современными терминами, речь идет о максимальном, предельном значении термического КПД, а не КПД вообще, любой машины. Все остальные неточности в муслинском изложении теоремы Карно по сравнению с этой «поправкой» несущественны.
Настоящий смысл положения Карно совсем не тот который ему приписал Е. Муслин. Карно утверждал то чем мы уже говорили в гл. 4: что при любом рабочем теле (а не только газе, как у Муслина) и любом типе двигателя количество полученной из теплоты Q работы не может превышать величины Q^-^^. Учтем эту поправку и вернемся к рассуждениям Е. Муслина. Из нее прежде всего следует, что Карно нигде не утверждал, что для реальных машин-двигателей КПД не зависит от природы газа. Он прекрасно понимал, что зависит. И не только газа, но и любого рабочего тела в любом агрегатном состоянии.
Двигатели, используемые в технике, работают на самых разных рабочих телах — от воды до гелия; в каждом случае разработчики этих машин, стремясь повысить КПД, выбирают как процессы, так и наиболее подходящие рабочие тела. Как известно, эти тела вопреки Муслину меняют в цикле свои свойства. Но при всем том перейти предел, установленный Карно для идеального цикла, нельзя, можно только к нему приблизиться. Этим и занимаются настоящие энергетики. Они не устанавливают никаких принципиальных запретов на свойства рабочего тела. Все диктуется целесообразностью. Если в рабочем теле происходят обратимые химические реакции и это повышает КПД — пожалуйста! Принцип Карно, повторяем, разрешает использовать любое рабочее тело (чистое вещество, смесь, раствор, что угодно). Поэтому утверждение, что «на этот случай теорема Карно не распространяется», не имеет никакого разумного обоснования. Использование химических реакций в рабочем теле может быть полезным, в частности, и в двигателях Стирлинга. Однако никакого «КПД выше КПД
цикла Карно» нет и не будет.
Так Е. Муслин опроверг С. Карно. Ничуть не лучше он обошелся с Р. Клаузиусом.
Атаку на него Е. Муслин начинает под абсолютно верным лозунгом, звучащим даже несколько консервативно: «Законы верны и незыблемы, но их надо правильно понимать». Цитируем: «У самого Рудольфа Клаузиуса, творца второго начала, имеется еще одна формулировка, в которой говорится, что этот «переход (тепла от менее нагретого тела к более нагретому) невозможно осуществить с помощью каких-либо машин и приборов без того, чтобы в природе не произошло еще каких-либо изменений».
Далее из этого делается смелый и четкий вывод: «Таким образом, если изменения есть, то второе начало уже не при чем и цикл Карно нам не указ».
Здесь, как и при разборе постулата Карно, Муслин просто исказил классика, который никогда ничего подобного не писал. Берем работу Клаузиуса [1.13] и читаем соответствующее место: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому невозможен без компенсации». Вместо двух слов «без компенсации» Е. Муслин написал о «машинах и приборах» и «каких-либо»... «изменениях в природе».
Между тем Клаузиус, говоря о компенсации, имел в виду очень четкую и ясную мысль (на то он и классик!). Она состоит в том, что переход теплоты «снизу вверх» требует компенсации, например затраты работы (говоря по-современному, в более общем плане, эксергии любого вида). Другими словами, действие каждого теплового насоса (а именно он производит отбор теплоты у более холодного тела и передачу его более теплому) возможно только при затрате работы. Это и есть «компенсация». Поэтому вывод, что «цикл Карно нам не указ» и все дальнейшее никак не вытекает из постулата Клаузиуса.
Все, о чем говорилось выше, Е. Муслин написал, по его собственному признанию, «не углубляясь в термодинамические тонкости». Что верно, то верно!
Оптические ррш-2 представляют собой еще более оригинальный пример поисков обхода второго закона, чем химические.
Примером может служить устройство преобразования излучения, описанное Г. Лихошерстых [3.10], о «вкладе» которого в науку о тепловых насосах мы уже говорили. Он без тени сомнения утверждает, что, используя свойства
люминофоров, можно получать «энергетическую прибавку»... «за счет концентрации тепловой энергии окружающей среды и эта прибавка может быть очень значительной». Как источник научной информации он использует книгу Ю.П. Чуковой «Антистоксова люминесценция и новые возможности ее применения». Это вполне серьезная книга, в которой нет ни атак на второй закон, ни «энергетических прибавок».
Напомним, что люминесценцией называется процесс испускания телом (люминофором) под действием какоголибо энергетического возбуждения (например, светового) дополнительного излучения, отличного от его собственного теплового излучения.
Многие люминофоры переизлучают падающее на них излучение так, что испускаемый ими свет имеет большую длину волны, чем поступающее излучение. Это так называемая стоксова люминесценция1. Позже стала известна и антистоксова люминесценция, при которой испускаемое излучение имеет меньшую длину волны, чем возбуждающее. В первом случае испускаемые кванты излучения имеют меньшую среднюю энергию, чем поступающие, во втором — большую. Разница в энергетическом балансе компенсируется за счет внутренней энергии люминофора.
Очевидно, что антистоксова люминесценция должна вызывать (и действительно вызывает) охлаждение люминофора, поскольку уходящее излучение выносит больше энергии, чем приносит входящее.
В стационарных условиях в этом случае к люминофору нужно подводить теплоту Q, компенсирующую разницу (рис. 5.9, а\ Теплоту можно подводить откуда угодно, в частности и из окружающей среды при То,с. Именно за этот факт и ухватился Г. Лихошерстных; он усмотрел в нем «концентрацию энергии окружающей среды». На самом же деле, если разобраться в этом процессе серьезно, ничего подобного здесь не происходит; более того, дело обстоит как раз наоборот.
Всякое излучение, кроме всех прочих характеристик (яркость, спектральный состав, поляризация и т. д.), характеризуется и энтропией (опять той самой проклятой энтропией, которую на горе всем «инверсионщикам» придумал Р. Клаузиус). Она равна нулю только у монохро-
'По имени Дж. Стокса (1819-1903) — известного английского физика и математика, обнаружившего это явление.
матического (одноцветного) когерентного излучения, где все кванты имеют совершенно одинаковую частоту синхронных колебаний. Такое «высококачественное» излучение имеет эксергию, равную энергии, и может, следовательно, в принципе целиком быть преобразовано в работу. Если же поток излучения характеризуется широким спектром разных частот, то его энтропия может быть значительной: она тем больше, чем больше «беспорядок», получающийся при наложении разных частот в одном общем потоке излучения. Так вот, антистоксова люминесценция как раз характеризуется тем, что накачка люминофора энергией ведется излучением с узким спектром частот (т. е. с малой энтропией), а выдает он излучение с широким (т. е. с большой энтропией); поэтому радоваться тому, что W2 > Wi, a Q извлечено из окружающей среды и «концентрируется», нет оснований. Наоборот, следует признать, что процесс идет с «ухудшением» энергии; уходящий поток излучения уносит большую энтропию, чем приносят входящие потоки энергии (рис. 5.9, б). Прирост энтропии AS связан с необратимостью реального процесса в люминофоре. Налицо явная, как говорят шахматисты, «потеря качества». Это видно и из эксергетического баланса (рис. 5.9, eY выходящая эксергия меньше входящей на величину потери D.
Рис. 5.9. Диаграммы потоков энергии (а), энтропии (б) и эксергии (в) для антистоксовой люминесценции
Таким образом, процесс преобразования энергии излучения в люминофоре идет по всем законам термодинамики с деградацией энергии и ростом энтропии. Никакой «концентрацией» энергии здесь и не пахнет. Нетрудно видеть также, что процесс в люминофоре аналогичен в определенной степени, как указано в [2.10], тому, который протекает в тепловом насосе; разница состоит в том, что поток теплоты трансформируется в поток энергии излучения. Из
Qo.c получается W2 причем коэффициент трансформации И^/Qo.c > 1. В качестве приводной высококачественной энергии здесь используется не электроэнергия, а излучение с энергией Wi. При этом эксергия Е2 потока энергии W2 меньше, чем эксергия Ei потока излучения, несущего энергию Wi (т. е. Е2 < Ei). Все как в обычном тепловом насосе!
Электрохимические генераторы энергии в последнее время привлекают все большее внимание. И это вполне оправдано. Действительно, возможность получать электроэнергию, не сжигая топлива, а превращая химическую энергию его и окислителя сразу в электроэнергию, чрезвычайно заманчива. Длинная цепочка энергетических превращений [химическая энергия топлива и окислителя — внутренняя энергия горячих продуктов сгорания — теплота — внутренняя энергия рабочего тела (вода, пар) — механическая энергия турбины — электроэнергия], проводимых в сложных устройствах со значительными потерями эксергии (более 50%), заменяется одним процессом в одном устройстве — электрохимическом генераторе электроэнергии (ЭХГ). КПД этих устройств очень высок. Пока ЭХГ дороги и их использование ограничено, но интенсивная работа по их совершенствованию идет весьма успешно.
Очевидно, что некоторые изобретатели не могли не обратить внимание на ЭХГ с целью использовать эту идею для ррш-2. Главной приманкой тут было высокое значение КПД. И в популярной [3.19], и даже в серьезной научной литературе можно встретить упоминания о значениях КПД электрохимических преобразователей энергии, намного превышающих 100% (и 120, и 130, и даже 150%).
Такие цифры появились в связи с тем, что электрохимики, авторы соответствующих работ, прекрасно владеющие своим предметом, не очень основательно знакомы с понятием КПД. Поэтому они подсчитали для своих ЭХГ коэффициент преобразования (который действительно может быть как больше, так и меньше 100%, как мы показали в гл. 3), назвали его, не мудрствуя лукаво, КПД и были очень довольны столь высокими показателями своей техники.
Однако, как и в случае с тепловым насосом, значения КПД, большие 100%, вызвали у недостаточно грамотных людей большие ожидания. И опять «пошла писать губерния». И как писать! Приведем для примера только три цитаты.
Уже упоминавшийся нами канд. техн, наук Н. Заев [3.5]: «Разработаны устройства, так называемые топливные элементы, КПД которых может достигать 1,3. Обычная теплосиловая установка всегда двухтемпературная (отсюда и потоки тепла, и идеальный цикл Карно), топливный же элемент — однотемпературный генератор энергии, в котором фактически решена задача а». (Задачей а Н. Заев называет такую: «Непрерывно или циклически отбирать тепловую энергию из данной открытой системы, причем отбирать больше, чем затрачивать на отбор, вследствие чего система будет охлаждаться и к ней потечет тепло из окружающей среды».)
Доктор техн, наук Ю. Чирков [3.19]: «КПД энергетической установки — отношение полученной электроэнергии к теплотворной способности топлива (тому запасу энергии, которое в нем заключено)». Безоговорочно используя значение КПД, основанное на этом определении, и очень образно называя процесс в ЭХГ «холодным горением», он далее пишет: «Оно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100%».
Г. Лихошерстых [3.10]: «Интригующая особенность подобного рода концентраторов энергии окружающей среды состоит в том, что они работают за счет понижения температуры окружающей среды». Смущает обычно здесь то, что в данном случае как бы нарушается запрет В. Томсона и М. Планка. «В природе невозможен процесс, полный эффект которого состоял бы в охлаждении теплового резервуара и в эквивалентной механической работе». Этот запрет был сформулирован в эпоху господства тепловых машин, непосредственно превращавших теплоту в работу. Разумеется, что обычная тепловая машина не способна работать за счет охлаждения теплового резервуара. Описываемые же концентраторы энергии получают энергию из среды окольным путем, причем без нарушения второго начала термодинамики, конкретизацией которого является упомянутый выше «запрет».
Несмотря на некоторые различия в деталях «идеологическая база» у авторов всех трех приведенных отрывков одна. Это наивная вера в неприменимость второго закона к электрохимическим процессам. Здесь нет огульного его отрицания — ничего подобного! Напротив, для «старья» — «обычных» тепловых машин — принцип Карно вполне подходит. А вот для нового — топливных элементов, у
которых есть «интригующая особенность» — возможность получать «энергию из среды окольным путем», он уже не годится. Эти устройства «лишены ограничений, установленных Карно».
Все это, разумеется, неверно. Второй закон термодинамики, в том числе и принцип Карно, остается полностью в силе и применительно к любым электрохимическим процессам. Ничего эти процессы не «лишены»; их КПД всегда меньше 100%, и если есть у них «интригующие особенности», то совсем не в области законов термодинамики, а в задачах, которые нужно решать для дальнейшего развития этого направления.
Прежде чем коротко разобрать ошибки в трактовке электрохимических процессов, нагроможденные в приведенных цитатах, нужно сказать несколько слов о попытке оставить В. Томсона и М. Планка в «эпохе господства тепловых машин, непосредственно превращавших теплоту в работу».
Здесь тоже все перепутано. Прежде всего такой «эпохи» просто не было. Более того, и машин таких тоже не было (и нет еще, кроме опытных образцов, и теперь). Теплота и во времена В. Томсона (18241907 гг.), и в не очень далекие времена М. Планка (185 8-1947 гг.), как и в наше время, превращается в работу не «непосредственно», а, как известно, сложным, длинным путем.
Во-вторых, как раз В. Томсон заложил основы термодинамики термоэлектрических явлений, посредством которых это самое «непосредственное превращение» и происходит. М. Планк тоже сделал огромный вклад в новые направления термодинамики. Попытка представить их как нечто древнее и устаревшее не только неграмотна, она направлена на то, чтобы устранить все, что мешает получать энергию «окольным путем», в том числе и упрямых классиков науки.
Все разговоры об «интригующих особенностях» ЭХГ опираются на непонимание действительных особенностей их энергетического баланса и связанное с этим неверное определение их КПД. Здесь сказываются традиции подсчета термического КПД электростанций, работающих на органическом топливе. Термический КПД г)т для них подсчитывается по отношению полученной электроэнергии ±эл к теплоте сгорания использованного топлива АН. Он равен, по существу, отношению полученной электроэнергии к затраченной теплоте: г)т = L^j АН. Строго говоря, поскольку в нем сопоставляются качественно различные формы энергии — теплота и работа, гд представляет собой не КПД, а коэффициент преобразования энергии.
Дня тепловых электростанций это различие не очень существенно, так как эксергия (работоспособность) топлива Ет примерно (с разницей до ±8-10%) совпадает с его теплотой сгорания АН. Поэтому здесь эксергетический КПД т)е = L^jAE примерно равен коэффициенту преобразования тд = 1^/АН, который по традиции называют термическим КПД г)т = т)е. Однако при переходе к ЭХГ это равенство на-
рушается. Здесь разность эксергий АВ исходных химических веществ (реагентов), например H2+CI2, 2Н2+О2, N2H4+2H2O2, 2С+О2, и продуктов реакции — НС1, Н2О, N2, СО может существенно отличаться от теплоты реакции АП. В этом проявляется естественное отличие максимальной работы процессов от их теплового эффекта. Поэтому и значение коэффициента преобразования, полученное по формуле q = L^j^H для ЭХГ, не равно КПД; неучет этого различия приводит к ошибочным оценкам.
Действительно, максимальная (для идеального случая) электрическая работа Ьэл.м, как известно из термодинамики, определяется уменьшением величины G — так называемого потенциала Гиббса:
Вэл.м = -AG = -(АП - BAS).
Из этой формулы видно, что Ьэл.м может быть как больше АП (если AS отрицательна, т. е. энтропия S при реакции уменьшается), так и меньше (если AS положительна, т. е. энтропия при реакции возрастает). На практике встречаются оба случая. Например, в водородно-кислородном ЭХГ реакция протекает с уменьшением энтропии (AS < 0), что соответствует выделению теплоты. При этом Вэл.м будет меньше ^.Н. Так, при Т = 298 К значение АП = —286 кДж/кмоль Н2, a AS = —0,163 кДж/(кмоль-К). Следовательно, AG = Вэл.м = —286 + 298 • 0,163 = —273,4 кДж/кмоль. Значит, максимальное значение коэффициента преобразования qy = AG/АП составит здесь ^^ = 0,83.
Этот вариант ЭХГ, в котором рт существенно меньше 100%, естественно, не привлекает «инверсионщиков». Зато другой, в котором рт > 1, вызывает энтузиазм. Действительно, например, для угольнокислородного ЭХГ AG > АП, поскольку энтропия в результате реакции растет вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Здесь при той же температуре, что и в предыдущем примере, АП = —110,6 кДж/(кмоль-К), a AS = 0,089 кДж/(кмоль-К). Следовательно, Ар = —137,2 кДж/кмоль, что больше, чем АП. Отсюда //, = Ц^| — 1,24, т. е. 124%, что намного больше 100%! Вот пример, когда «электрическая энергия, выдаваемая подобным элементом, есть в конечном счете трансформируемая энергия окружающей среды.»
Увы, это совсем не так. Вся электрическая энергия, как в этом случае, так и при рт < 1 , получается за счет химической энергии реагентов, а теплота (как подводимая, так и отводимая) идет на изменение энтропии реагентов. Если они уходят с меньшей энтропией, чем поступают («более организованные»), — теплота отводится, а если с большей энтропией («менее организованные») — теплота подводится.
Величины рт, к сожалению, этого не показывают, ибо коэффициенты преобразования (в том числе и термический КПД тр) не дают, в общем случае правильной информации о термодинамическом совершенстве процесса. Идеальный процесс в ЭХГ должен всегда иметь КПД ровно 100%, а не 86 или 124. Действительно, строго определяемый КПД рт топливного элемента должен иметь вид ре = L^j^E, где АВ — затраченная эксергия. Поскольку в рассматриваемых примерах Т = То.с, то AG = АП — TAS равно АВ = АП — TO.CAS и
^ = ^ i/AG. Тогда получаем для идеального ЭХГ во всех случаях т]е = 1, т. е. 100%. Реальный КПД будет, естественно, меньше 100%, ПОСКОЛЬКУ Гэл < Тэл м.
Превращения энергии в ЭХГ, проходящие с поглощением теплоты, и тут > 100 % вовсе не свидетельствуют ни о получении электроэнергии «за счет теплоты окружающей среды», ни о неподвластности этих «однотемпературных» устройств принципу Карно. Это наглядно видно из диаграмм потоков, представленных для этого случая на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Диаграммы потоков энергии (а), энтропии (б) и эксергии (в) для электрохимического генератора (ЭХГ)
Первая диаграмма (рис. 5.10, а) показывает ход потоков энергии; ДЯ = Hi — Н^ и L3J1 = (Hi + Qo.c) — Н^. Из этой диаграммы может действительно сложиться впечатление, что Ьэл возникает, хотя бы частично, и из Qo.c- Но энтропийная и эксергетическая диаграммы неопровержимо свидетельствуют о том, что дело обстоит иначе. Вся поступившая энтропия идет только на ее увеличение в реагентах (82 > Si). Безэнтропийная электроэнергия ее не уносит. Эксергетический баланс показывает, что вся эксергия, необходимая для получения электроэнергии — Ьэл образу-
ется за счет разности входящих и выходящих ее потоков. Тепловой поток при То.с не имеет эксергии (Ео.с = 0) и не добавляет в этом смысле ровно ничего.
В реальных условиях £Э1 < £Эл.м вследствие потерь; для этого случая величины £эл показаны штриховыми линиями. Из диаграммы можно снять величины, определяющие коэффициент преобразования (термический КПД):
^ЭЛ^ЭЛ
“ дя “>
и эксергетический КПД:
^ЭЛ ^ЭЛ< и
% “ ДЯ “ (Я' + Я") - Я2 " ■
Для идеального процесса т]е равна единице; (Е^ + Е”) — Es для реального меньше единицы, как и должно быть «по науке».
Таким образом, электрохимическое получение электричества проходит в полном соответствии со вторым началом термодинамики и никак не «концентрирует энергию окружающей среды». Напротив, реальный ЭХГ, выдающий £эл < £эл.м, увеличивает энтропию, как и любое реальное устройство преобразования энергии (и вообще все на свете — от микроорганизма и растения до велосипедного насоса и атомной электростанции).
Этим примером мы закончим рассмотрение «избранных» проектов ррш-2. Все остальные идеи такого же рода при тщательном анализе неизбежно оказываются неработоспособными.
Постоянные неудачи, преследующие всех изобретателей ррм-2, никак не охлаждают порывов наиболее активных их сторонников; они продолжают не только отстаивать, но и развивать свои идеи.
В качестве примера полезно привести отрывок из трудов к.т.н. Н.Е. Заева, который в 1976 г. громил термодинамику1, а потом, через 15 лет, перенес свои пророчества уже с теории на практику. Вот как он представляет себе энергетику ближайшего будущего [5.5].
Цитата из его труда, в котором он громил термодинамику [3.5] приведена на стр. 168.
«Энергетическое изобилие, как видим, может придти совсем не от изобилия огня, а с другой стороны... Концентраторы энергии окружающей среды (КЭС, кэссоры) на самых различных принципах — вот, основа энергетики изобилия. Для нее характерна локальность: как правило, энергия будет добываться на месте потребления (в домах, часах, приемниках). Автомобили станут электромобилями с непривычными формами. Новая деталь их — сильно развитые постоянно заиненные теплообменные поверхности. Эти радиаторы и будут поглощать тепло воздуха — преобразуемое в электроэнергию. Вдоль побережий озер и морей будут электростанции помощнее: ведь вода более богата теплом. Всеобщая доступность энергии положит конец урбанизации мира, начнется эрозия, растворение городов... Исчезнут всевозможные ЛЭП-100,500,1000 — ведь потери в них достигают 20 %, остынут котлы ТЭЦ, утихнут гидротурбины, истлеют за ненадобностью подземные кабели».
Этот образец нового литературного жанра — «антинаучной фантастики» наглядно показывает, как далеко в сторону от реальности могут зайти «пророчества» людей, которые никак не могут усвоить научные положения, противоречащие их желаниям.
Бывают, правда, хотя и редко, случаи, когда «вечные двигатели» исправно работают. Но тогда в конечном счете неизбежно выясняется, что в основе их действя лежит вполне законная идея, не имеющая отношения к ррт-2. Некоторые из таких устройств описаны в следующем параграфе.
Работающие вечные двигатели (псевдо-ррш)
В этом разделе будут описаны некоторые действительно работающие (или могущие работать) двигатели, которые по всем внешним признакам соответствуют ppm. На самом деле, естественно, они никакого отношения к ppm не имеют. Отсюда и приставка «псевдо» — «не настоящие, поддельные».
Секрет работы некоторых из них теперь известен, однако есть и такие, которые можно принять (или выдать) за ppm, так как найти и объяснить причину их движения не всегда просто.
Эти двигатели появились давно. Они очень разнообразны по устройству; чаще всего их применяли для привода «вечных» часов, не нуждавшихся в заводе, движущихся игрушек, моделей машин и т. д. Общая черта таких мо-
делей ppm заключается в том, что они действительно работают неограниченно долго, казалось бы, без каких-либо видимых причин. На людей, не знакомых с принципами их действия, они производят сильное впечатление. У некоторых сторонников «энергоинверсии» эти игрушки возбуждают даже надежды как «прототипы» ррт-2. Однако вполне научное объяснение всегда находится. Но есть и такие псевдо-ppm, секрет которых пока не открыт; сведения об одном из них мы приведем ниже.
Насколько известно, первым изобретателем, придумавшим и осуществившим двигатель, который работал, извлекая без помощи какого-либо постороннего источника нужную энергию из окружающей среды, был голландский инженер и физик Корнелиус Дреббель (1572-1633 гг.). Этот очень знаменитый в свое время человек, о котором теперь незаслуженно редко вспоминают, был несомненно выдающимся исследователем и изобретателем с необычайно широким кругозором, исключительным даже при сравнении с другими светилами конца XVI — начала XVII в. Биографы писали о нем, например, так: «Он был человеком высокого разума, остро мыслящий и переполненный идеями, касающимися великих изобретений... Он жил как философ...». Большая часть его работ была проделана в Англии, где он служил при дворе короля Иакова I.
Его книга на латинском языке с характерным для тех времен названием «Послание к просвещеннейшему (sapientissimus) монарху Британии — Иакову — об изобретении вечного двигателя» была издана в 1621 г. в Гамбурге. Насколько далеко он смотрел вперед, можно видеть из краткого перечисления только некоторых его достижений.
Дреббель разработал первый известный в истории техники термостат — устройство, в котором автоматически поддерживалась заданная температура независимо от ее изменений снаружи. Он сам изготовил и наладил всю необходимую для этого, говоря по-современному, «систему автоматического регулирования». Идея этого термостата была использована в инкубаторе, честь изобретения которого тоже принадлежит Дреббелю.
Дреббель изобрел, сконструировал, построил и испытал на Темзе подводную лодку, которая успешно преодолела дистанцию от Вестминстера до Гринвича (около 12 км). Она представляла собой нечто вроде вытянутого в длину водолазного колокола. Приводилась лодка в движение гребцами (от 8 до 12), сидящими внутри на скамейках, установленных так, что ноги людей не доходили до уровня воды. Самое, пожалуй, интересное, это навигационные средства и особенно система жизнеобеспечения экипажа, которые тоже были созданы Дреббелем.
Направление определялось традиционным путем — посредством компаса, но глубина погружения — по-новому, посредством ртутного
барометра Это был достаточно точный прибор, так как каждый метр глубины погружения соответствовал 76 мм высоты ртутного столба.
Дня обеспечения дыхания экипажа изобретатель применил селитру, которая при нагревании выделяла кислород. Оценить талант (если не гениальность) Дреббеля можно, если учесть, что кислород был открыт шведским химиком К. Шееле в 1768-1773 гг., т. е. только через полвека. Дреббель, несомненно, был отличным химиком. Об этом свидетельствуют не только разработка им химической системы жизнеобеспечения, но и другие изобретения — детонаторы для мин из гремучей ртути Hg(ONC)2, технологии получения серной кислоты действием азотной кислоты на серу (это отметил Д.И. Менделеев в «Основах химии»), использования солей олова для закрепления цвета при окраске тканей кошенилью. Если ко всему перечисленному выше добавить, что Дреббель был специалистом по оптическим приборам, линзы для которых он шлифовал на изобретенном им самим станке, то этого будет вполне достаточно, чтобы оценить его заслуги.
Дреббель занимался и вечным двигателем. Однако такой человек, как он, не мог пойти стандартным путем, очередной раз изобретая колеса с грузами или водяные мельницы с насосами. Ему было совершенно ясно, что таким путем вечный двигатель не создать.
В 1607 г. он продемонстрировал Иакову I «вечные» часы (запатентованные им еще в 1598 г.), приводимые в движение, естественно, столь же «вечным» двигателем. Однако в отличие от многочисленных других устройств с таким же названием, он действительно в определенном смысле был «вечным». После показа королю часы были выставлены во дворце Этлхем на обозрение всем желающим и вызвали сенсацию среди лондонцев.
В чем же был секрет этих часов (вернее, их двигателя)? Вечные часы Дреббеля работали от привода, использующего, как и любой другой реальный двигатель, единственный возможный источник работы — неравновесности (разности потенциалов) во внешней среде. Мы уже говорили о них — разностях давлений, температур, химических составов и других, заторможенных и незаторможенных, на которых основана вся энергетика.
Но неравновесности, которые использовал Дреббель, — особого рода, отличные от тех, о которых говорилось в гл. 3, хотя они и связаны тоже с разностями температур и давлений. Они могут действовать в совершенно равновесной окружающей среде, во всех точках которой совершенно одинаковые температура и давление. В чем же тут дело и откуда тогда берется работа?
Секрет в том, что разности потенциалов (давлений и температур) здесь все же существуют, но они проявляются
не в пространстве, а во времени. Наиболее наглядно это можно пояснить на примере атмосферы. Пусть в том районе, где находится двигатель, в ней нет никаких существенных разностей давлений и температур1: все тихо и спокойно. Но общие (во всех точках) давление и температура все же меняются (например, днем и ночью). Эти-то разности и можно использовать для получения работы (в полном согласии с законами термодинамики). Энтропия здесь, естественно, как и при всяком выравнивании разности потенциалов, будет расти.
Простейший способ использования колебаний параметров равновесной окружающей среды — поместить в нее барометр или термометр с подвижными элементами и заставить их работать — делать что-нибудь полезное. Именно так и поступил Дреббель. В его часах находился жидкостной «термоскоп», в котором уровень жидкости поднимался или опускался при изменении температуры и давления. Соединить поплавок на поверхности жидкости с приводом часов было уже делом механики, которой изобретатель владел в совершенстве.
Дреббель объяснял работу своего двигателя действием «солнечного огня». Это было не только в духе времени, но и совершенно правильно с современных позиций. Действительно, все изменения температуры и давления атмосферы определяются в конечном счете солнечным излучением.
Чертеж атмосферного двигателя Дреббеля до нас не дошел. Однако его идея вечного привода повторялась в разных модификациях и многократно использовалась другими изобретателями. По описаниям их приборов можно в определенной степени судить о том, каким мог быть двигатель Дреббеля.
Около 1770 г. англичанин Кокс предложил баромери- ческий двигатель. На рис. 5.11 приведена его принципиальная схема. Сосуд, заполненный ртутью, привешен на тросах, соединенных с ободом колеса. Сосуд уравновешивался грузом, установленным на стержне, жестко связанном с колесом. В сосуд погружена барометрическая трубка, закрепленная в верхней части. При изменениях атмосферного давления высота столба ртути в трубке менялась; соответственно часть ртути либо выливалась из трубки в со
пели, разумеется, пренебречь несущественными различиями, не имеющими практического значения.
суд (падение давления), либо вталкивалась в нее из сосуда (повышение давления).
В первом случае сосуд стано
вился тяжелее и опускался вниз; во втором, напротив, поднимался. Это возвратно-поступательное движение заставляло колесо попеременно вращаться в противоположных направлениях. Посредством установленной на нем собачки храповому колесу сообщалось однонаправленное движение.
Эта машина была довольно крупной (в сосуде было около 200 кг ртути) и могла постоянно заводить большие часы. Вот какой отзыв дал о ней Фергюсон в 1774 г.: «Нет основания полагать, что они когда-нибудь остановятся, поскольку накапливающаяся в них двигательная сила могла бы обеспечивать их ход в течение целого года даже после полного устранения барометра1. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное ознакомление с этими часами, по своей идее и исполнению они представляют собой самый замечательный ме-
ханизм, который мне когда-либо приходилось видеть...».
Точно так же, как колебания давления, могли использоваться для привода часов и колебания температуры. Очень простой и
Рис. 5.11. Барометрический двигатель Кокса: 1 — подвесная чаша с рту-Рис. 5.11. Барометрический двигатель Кокса: 1 — подвесная чаша с рту-тью; 2 — барометрическая трубка: 3 — подвеска; 4 — блок; 5 — собачка; б — храповое колесо; 7 — уравновешивающий грузтью; 2 — барометрическая трубка: 3 — подвеска; 4 — блок; 5 — собачка; б — храповое колесо; 7 — уравновешивающий грузостроумный двигатель такого рода создал швейцарский часовщик П. Дроз (ок. 1750 г.).
Рис. 5.11. Барометрический двигатель Кокса: 1 — подвесная чаша с рту-
Рис. 5.11. Барометрический двигатель Кокса: 1 — подвесная чаша с рту-
тью; 2 — барометрическая трубка: 3 — подвеска; 4 — блок; 5 — собачка; б — храповое колесо; 7 — уравновешивающий груз
тью; 2 — барометрическая трубка: 3 — подвеска; 4 — блок; 5 — собачка; б — храповое колесо; 7 — уравновешивающий груз
Он изготовил двухслойную пружину (рис. 5.12), внешняя часть которой была сделана из латуни, а внутренняя — из стали. Уже тогда было известно, что коэффициент теплового расширения латуни существенно больше,
^то означает, что мощность этого двигателя была намного больше той, которая требовалась для действия часов.
Рис. 5.12. Двигатель П. Дроза для автоматического завода часов с двухслойной биметаллической пружинойРис. 5.12. Двигатель П. Дроза для автоматического завода часов с двухслойной биметаллической пружинойчем стали. Поэтому при повышении температуры пружина будет сгибаться (сплошная стрелка), а при понижении — распрямляться (штриховая стрелка). С помощью системы рычагов это разнонаправленное движение преобразуется в однонаправленное вращение зубчатого колеса, поднимающего груз или заводящего пружину. Сейчас идея Дроза широко используется в самых разнообразных тепловых приборах.
Рис. 5.12. Двигатель П. Дроза для автоматического завода часов с двухслойной биметаллической пружиной
Рис. 5.12. Двигатель П. Дроза для автоматического завода часов с двухслойной биметаллической пружиной
В дальнейшем было создано довольно много таких барических или термических двигателей, конструктивно более совершенных, но повторяющих по существу идеи Кокса и Дроза. Если скрыть весь механизм двигателя под кожухом, то доказать, что это не ppm, практически невозможно.
Нужно отметить, что такие и им подобные двигатели, основанные на использовании колебаний температуры и давления окружающей среды, весьма выгодны эконо
мически вследствие своей простоты и практически неограниченного ресурса.
Иногда в литературе, в том числе и посвященной вечным двигателям, появляются оценки устройств такого рода, которые могут дезориентировать читателя.
Нельзя, например, признать правильными расчеты экономичности микродвигателя, которые приводятся в [2.6]. Автор рассуждает так: «...для суточного завода обычных ручных часов требуется работа примерно 0,4 Дж, что составляет около 5 • 10“6 Дж на каждую секунду хода часов. А поскольку 1 кВт равен 1000 Дж/с, то мощность пружины нашего часового механизма составляет всего 5 -10—9 кВт. Если расходы на изготовление основных частей такого устройства, действующего по принципу теплового расширения, принять равными 0,01 кроны, то за машину мощностью 1 кВт нам пришлось бы заплатить 2 млн. крон (250 тыс. руб.)». Отсюда делается вывод: «Конечно же, создание и использование таких дорогих источников энергии в широком масштабе абсолютно нерентабельно».
Конечно, так рассуждать нельзя. Расходы, особенно в малых технических системах, при сравнении их с большими нельзя считать пропорциональными их размерам. (Тогда, например, железнодорожный ко-
стыль будет дороже булавки в 10000 раз!). Таким путем можно получить совершенно фантастические цифры. На самом деле суточные (и сезонные) колебания, например, температуры воздуха или воды могут успешно, с большим экономическим эффектом ипользоваться для решения локальных энергетических задач. Кроме работы возможно получение и других полезных результатов. В общем случае возможный полезный эффект определяется максимальной работой (эксергией), которую можно получить, приаодя какое-либо тело в равновесие со средой дважды: сначала при одних ее крайних параметрах (р^ с, ^J, а затем при других (ро с ф Ро.с, Т”с ф Tq.cY Если, например, зимой при с запасти большое количество льда с температурой, скажем, —10 °C, то летом при Т"с = 20 °C 1 кг льда (даже если учитывать только его теплоту плавления) будет обладать большой эксергией. Точно так же нагретый летом до температуры окружающей среды грунт может служить (и уже используется) для теплоснабжения в зимнее время.
Использование таких энергетических резервов может дать существенный экономический эффект (и в малом, и в крупном масштабе).
Другая группа псевдо-ppm не связана с изменением параметров окружающей среды. Их действие происходит, на первый взгляд, без использования каких-либо разностей потенциалов.
Среди них особенно известны «самобеглый шарик» и «пьющая утка», которую иногда называют у нас в стране «утка Хоттабыча»1.
«Самобеглый шарик»устроен очень просто (рис. 5.13). На свинцовые кольцевые концентрические «рельсы» треугольного сечения кладется медный или бронзовый шар, диаметр которого в 2-3 раза больше размера колеи. Как только экспериментатор отпускает шар, поставленный на рельсы, он начинает без всякой видимой причины катиться по рельсам, описывая безостановочно один круг за другим. Если шар остановить, а затем отпустить, то он покатится снова. Этот опыт производит большое впечатление, так как, на первый взгляд, причина движения шарика совершенно непонятна. Однако объяснение здесь очень несложное. Шарик предварительно нагревают. Теплопроводность свинца сравнительно невелика. Поэтому шарик, соприкасаясь с рельсами, нагревает места контакта. Свинец, расширяясь, образует небольшие бугорки на рельсах, с которых шарик скатывается; дальше такие бугорки образуются
Почему эту игрушку назвали именем старика Хоттабыча — героя известной книги Н. Латина — можно только догадываться. Скорее всего потому, что Хоттабыч мог творить всякие чудеса. Мы уже видели, что его имя даже связали с ррш-2 («структура Хоттабыча»).
непрерывно вслед за движением шарика и постоянно толкают его дальше. К тому моменту, когда он вернется к исходному месту, рельсы успевают остыть, и образование бугорков на них продолжается. Так шарик будет кататься довольно долго, пока его температура и температура свинцовых колец рельсов практически выравняются.
Этот опыт очень на-
Рис. 5.13. «Самобеглый шарик»: 1 — горячий бронзовый шар;2 — свинцовые рельсыРис. 5.13. «Самобеглый шарик»: 1 — горячий бронзовый шар;2 — свинцовые рельсыглядно иллюстрирует принцип Карно. Есть разность температур — есть движение; нет разности температур — движения нет (а внутренней энергии и в шарике, и в плите с рельсами — хоть отбавляй, почти столько же, сколько было и перед началом движения; она только распределилась равномерно).
Рис. 5.13. «Самобеглый шарик»: 1 — горячий бронзовый шар;
2 — свинцовые рельсы
Рис. 5.13. «Самобеглый шарик»: 1 — горячий бронзовый шар;
2 — свинцовые рельсы
«Утка Хоттабыча», внешний вид и разрез которой показаны на рис. 5.14, не нуждается в предварительном нагреве, она и не останавливается так быстро, как шарик (а может и вообще не останавливаться). Она исправно качается вокруг горизонтальной оси, каждый раз опуская
клюв в воду, чтобы напиться, и снова поднимая голову вверх. Эти движения все время повторяются без всякой видимой причины и продолжаются, пока в стаканчике есть вода. Никакой разности температур между этой водой и окружающим воздухом, которую можно было бы использовать для движения, тут нет: их температуры одинаковы.
Причина движения утки становится ясной, если познакомиться с ее устройством. «Голова» утки представляет собой сосуд, соединенной прямой трубкой с «туловищем»-- другим большим сосудом, в который эта трубка входит так, что достает почти до его дна. Внутренняя полость заполнена легкокипящей жидкостью — диэтиловым эфиром (Н5С2-О-С2Н5) так, чтобы при горизонтальном положении ее уровень был примерно на середине трубки. Чтобы пустить утку в ход, нужно окунуть ее клюв в воду. Тогда вата, закрепленная на головке, увлажняется и вслед-
ствие испарения воды головка несколько охлаждается. Это
приводит к некоторому утки и понижению температуры эфира. В этом горизонтальном положении утки паровые пространства головки и туловища сообщаются через трубку и давление в них становится одинаковым. Поскольку количество жидкости в туловище немного больше, оно перевешивает, головка поднимается и утка принимает наклонное положение, показанное на рисунке штриховыми линиями. Жид-
понижению давления пара внутрипонижению давления пара внутриРис. 5.14. «Утка Хоттабыча»Рис. 5.14. «Утка Хоттабыча»кость перекрывает сообщение между паровыми пространствами головки и туловища. Жидкость в туловище подогревается до температуры окружающей среды, частично испаряется и образовавшийся пар выталкивает большую часть жидкости через трубку в головку, которая перевешивает, и утка снова опускает клюв в воду. Обе полости снова сооб
понижению давления пара внутри
понижению давления пара внутри
Рис. 5.14. «Утка Хоттабыча»
Рис. 5.14. «Утка Хоттабыча»
щаются, давление выравнивается, и жидкость опять стекает в туловище. Процесс повторяется и может продолжаться до тех пор, пока в стаканчике, откуда утка пьет, будет вода.
Многие сторонники «инверсии энергии» очень любят и рекламируют эту игрушку. Действительно, чем не прообраз ррш-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 р < 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 закончится1.
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 ррш-2.
Знаменитый английский физик К. Максвелл придумал
ХВ труде проф. М.А. Мамонтова [3.18], который мы уже разбирали в этой главе, есть несколько слов и об «утке Хоттабыча». Вот что в ней написано: «Факт регулярного действия системы Хоттабыча при отсутствии каких-либо других источников энергии, кроме тепла атмосферы, означает, что структура Хоттабыча обладает по сравнению с ординарной закрытой структурой особым свойством, позволяющим получать работу за счет природного тепла». Комментарии здесь, по-видимому, не нужны.
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 сделано1. 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
Читателям, которые заинтересуются «демоном Максвелла», можно, рекомендовать познакомиться с ним по литературе, например [1.22].
а следовательно, и ppm-z, са следовательно, и ppm-z, сРис. 5.15. Вихревая труба: а — общий вид; б — сопловое сечение: 1 — поток сжатого газа; 2 — охлажденный поток; 3 — нагретый поток; 4 — труба; 5 — конус для регулирования давления газа в трубе; б — сопловой ввод; 7 — диафрагма холодного конца трубыРис. 5.15. Вихревая труба: а — общий вид; б — сопловое сечение: 1 — поток сжатого газа; 2 — охлажденный поток; 3 — нагретый поток; 4 — труба; 5 — конус для регулирования давления газа в трубе; б — сопловой ввод; 7 — диафрагма холодного конца трубылодного потоков. Однако володного потоков. Однако вовоздух так, что наружу выходят из него две струи — горячая и холодная. Перед этой простой, не имеющей движущихся частей турбиной большое будущее».
а следовательно, и ppm-z, с
а следовательно, и ppm-z, с
Рис. 5.15. Вихревая труба: а — общий вид; б — сопловое сечение: 1 — поток сжатого газа; 2 — охлажденный поток; 3 — нагретый поток; 4 — труба; 5 — конус для регулирования давления газа в трубе; б — сопловой ввод; 7 — диафрагма холодного конца трубы
Рис. 5.15. Вихревая труба: а — общий вид; б — сопловое сечение: 1 — поток сжатого газа; 2 — охлажденный поток; 3 — нагретый поток; 4 — труба; 5 — конус для регулирования давления газа в трубе; б — сопловой ввод; 7 — диафрагма холодного конца трубы
лодного потоков. Однако во
лодного потоков. Однако во
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», ~ зе 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 хо- всех случаях температура потока 72 меньше, чем входящего Ti, а горячего 7з — больше. Разности температур 71 — 72 = АТЖ и 7з — 71 = АТг могут составлять десятки градусов. Это парадоксальное, но вполне объяснимое явление возникает в результате сложных газодинамических явлений, которые мы здесь разбирать не можем1. Для нас важен конечный результат — возникновение в трубе разности температур без какого-
^ни рассмотрены в соответствующей литературе, например в [1.20].
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 U от двигателя. Так вот, если сравнить эту затраченную работу U с эксергией, работоспособностью горячего Ез и холодного Е^ потоков газа, та она будет значительно больше: U ^ Е2 + Е3. Разность U — (Е^ + 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 ника
Рис. 5.16. Схема получения работы посредством вихревой трубыРис. 5.16. Схема получения работы посредством вихревой трубыкой «инверсии энергии» здесь нет; напротив, как и во всяком реальном техническом устройстве, эксергия теряется (а эн
Рис. 5.16. Схема получения работы посредством вихревой трубы
Рис. 5.16. Схема получения работы посредством вихревой трубы
тропия растет). Можно, конечно, и здесь получать электроэнергию
LM, но при этом неиз
бежно получится тот же плачевный результат, что и с дру
гими «концентраторами энергии», например тепловым насосом: L" по отношению к U 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.
Другой, не менее любопытный вариант «самопроизволь-
ного» получения разности температур привел известный советский кристаллограф академик (тогда еще профессор) А.В. Шубников в статье «Парадоксы физики» [2.16]. Автор ставит вопрос: можно ли нагреть стоградусным паром жидкость выше 100°? Дальше он пишет: «Этот вопрос был предложен 25 лет назад профессором физической химии Крапивиным выпускникам Московского университета, к которым принадлежал и автор настоящей заметки. С тех пор мне много раз приходилось задавать этот вопрос рядовым физикам и химикам и не было случая, когда я получил бы правильный ответ. Один из видных химиков так обиделся на мой вопрос, что не пожелал даже продолжать разговор на эту тему, объявив, что сама постановка вопроса может свидетельствовать только о моем глубочайшем невежестве в физике; надо думать, что он причислил меня к сумасшедшим изобретателям перпетуум мобиле. Дело кончилось тем, что мне пришлось обманом завлечь умного химика в лабораторию, где заранее был приготовлен опыт, показывающий, что стоградусным паром можно нагреть жидкость до ПО °C и много выше. Опыт делается очень просто».
Рис. 5.17. «Опыт Крапивина»: а — рассол нагревается паром до 110 °C; б — рассол нагревается паром до 100 °CРис. 5.17. «Опыт Крапивина»: а — рассол нагревается паром до 110 °C; б — рассол нагревается паром до 100 °C
Рис. 5.17. «Опыт Крапивина»: а — рассол нагревается паром до 110 °C; б — рассол нагревается паром до 100 °C
Рис. 5.17. «Опыт Крапивина»: а — рассол нагревается паром до 110 °C; б — рассол нагревается паром до 100 °C
Далее описана установка для опыта. В колбу Вюрца (рис. 5.17, а) наливается вода; в горлышко колбы вставляется пробка с термометром, причем шарик термометра, как полагается, помещается возле боковой пароотводной трубки колбы; свободный конец этой трубки погружается в насыщенный раствор поваренной соли, в который поме-
щен второй термометр. При нагревании воды в колбе до кипения ртуть термометра в колбе, поднявшись до метки 100 °C, будет оставаться в этом положении, пока кипит вода; ртуть же второго термометра будет подниматься до тех пор, пока раствор соли тоже закипит. Температура кипения насыщенного раствора соли равна примерно ПО °C. Эту температуру и покажет второй термометр. Для большей убедительности опыта можно поменять термометры местами; все равно термометр покажет, что раствор соли имеет температуру ПО °C! Следовательно, водяной пар, имеющий температуру 100 °C, нагрел рассол до 110 °C. Как же быть со вторым законом термодинамики?
Опыт действительно интересный, и в его результатах необходимо разобраться. Сделать это нужно с особой тщательностью, поскольку, как мы уже видели, любая самая маленькая неточность может привести к большим ошибкам, в том числе к очередному «перпетомобилю».
Начнем поэтому, как всегда в таких случаях, с терминов. Отметим, прежде чем разбирать вопрос по существу, одну небольшую, но очень существенную неточность в самом названии опыта. Строго говоря, в опыте производится не «нагрев стоградусным паром жидкости до ПО °C и выше», а нечто более сложное.
Чтобы наглядно показать это, представим опыт в таком виде, чтобы он точно соответствовал названию. Тогда колба с нагреваемой жидкостью выглядела бы немного иначе — так, как показано на рис. 5.17, б. Греющий пар нужно было бы пропустить по змеевику, не смешивая с соленой водой в стакане, а только нагревая ее через стенку трубки. Вот тогда был бы действительно «нагрев стоградусным паром» жидкости в стакане. И если бы в этих условиях жидкость — соленая вода — нагрелась до 110 °C, то второму началу тут же пришел бы конец к радости всех изобретателей вечного двигателя второго рода. Но, увы, этого не произойдет; при таком устройстве прибора любая жидкость, в том числе и соленая вода, никогда не нагреется выше температуры пара — 100 °C. Любой желающий может легко это проверить. Выходит, что тот «химик-скептик», которого Шубников обманом затащил в лабораторию, был абсолютно прав, в своем возмущении: «нагреть» (в точном смысле этого слова) «стоградусным паром» рассол до ПО °C действительно нельзя.
Теперь мы можем вернуться к «опыту Крапивина» и рассмотреть его точно в том виде, как он описан в за-
метке. Здесь происходит не просто нагрев, а смешение водяного пара с соленой водой. В этом, как уже, наверное, догадывается читатель, вся «соль» вопроса и содержится. Пузырьки пара, как совершенно правильно в дальнейшем объяснит А.В. Шубников, конденсируются в растворе соли, все время разбавляя его. При этом лежащая на дне сосуда соль постепенно переходит в раствор, поддерживая его в состоянии, близком к насыщению. Эти два процесса растворения — пузырьков пара в рассоле и соли в нем — и приводят к нагреванию рассола до температуры, существенно более высокой, чем 100 °C.
Тепловой эффект, возникающий при взаимном растворении газов, жидкостей и твердых тел, хорошо известен. Он может сопровождаться, зависимости от знака теплоты растворения, как охлаждением (например, при смешении льда и соли), так и нагреванием (например, при смешении этилового спирта и воды).
Разогрев рассола в «опыте Крапивина» до температуры выше 100 °C не имеет никакого отношения к «передаче теплоты наоборот» — от более холодного тела к теплому и, следовательно, к нарушению второго начала. Здесь теплота вообще не передается.
Все дело в теплоте растворения, дающей добавочный эффект разогрева, который определяется двумя составляющими. Первая из них и основная — это теплота растворения пара в насыщенном растворе соли, приводящая к нагреву образующегося раствора. Вторая — теплота растворения твердой соли в рассоле, имеющая противоположный знак и ведущая к охлаждению раствора. Но поскольку первая величина намного больше, в итоге и получается значительный разогрев раствора. Как в любом процессе смешения, энтропия при этом возрастает.
«Эффект Крапивина», так же как и любая экзотермическая (т. е. проходящая с выделением теплоты) реакция, представляет собой явление, никоим образом не противоречащее второму закону термодинамики1. Создать на его базе ррш-2 никак нельзя.
Существует еще много явлений, которые в очередной раз вселяют в сердца «энергоинверсионщиков» надежды на «обход» второго закона, но каждый раз научный анализ беспощадно их разбивает.
Интересно сопоставить его с «соляным двигателем», показанным на рис. 1.27, б.
В заключение нельзя не упомянуть еще об одном направлении в разработке псевдо-ррт — создании специальных игрушек или моделей, имитирующих вечные двигатели. Их авторы прекрасно понимают, что ppm создать нельзя, но они пользуются всеми возможностями современной техники, вплоть до использования микропроцессоров, чтобы сделать такую модель ppm, в которой секрет ее привода был бы спрятан возможно лучше.
Устройство некоторых из таких игрушек подробно описывается в литературе. Примером может служить модель магнитного ррт-1 с шариком, скатывающимся по желобу и снова притягиваемым магнитом, описанного в гл. 1 (см. рис. 1.18). Все там продумано и спрятано настолько искусно, что создается полная иллюзия работающего вечного двигателя [2.14]. Однако рекорд в создании действующей модели ppm поставил один англичанин, сделавший ее на основе велосипедного колеса (опять велосипедное колесо!).
Рис. 5.18. «Вечный двигатель» изРис. 5.18. «Вечный двигатель» изКаждый год Британская велосипедного колеса ассоциация содействия раз
Рис. 5.18. «Вечный двигатель» из
Рис. 5.18. «Вечный двигатель» из
витию науки собирает свой съезд. В 1981 г. такой съезд, посвященный 150-летию этой организации, состоялся в городе Йорке. На нем по традиции была организована выставка. Несмотря на обилие разнообразных научных экспонатов, наибольшее внимание привлек действующий вечный двигатель, представленный редакцией журнала «New Scientist». Машина, сооруженная на базе велосипедного колеса без камеры и покрышки, заключена в герметически закрытый стеклянный ящик. Колесо крутится с постоянной скоростью — 14 об/мин безостановочно, без всякого шума. Фотография этого двигателя представлена на рис. 5.18.
Всем желающим было предложено отгадать секрет движения колеса. Была установлена и премия: годовая бес-
платная подписка на журнал плюс фирменная рубашка с эмблемой.
За время конгресса (а он длился месяц) редакция получила 119 ответов; ни один из них не был правильным. Самое интересное, что 16 человек сочли двигатель настоящим ppm и соответственно объяснили его работу! Когда изобретатель модели говорил им, что его колесо вовсе не вечный двигатель, они отходили очень разочарованные. «Он специально обманывает нас, чтобы скрыть свой секрет» — сказал один из них.
Нашелся даже один отчаянный студент, который ухитрился украсть двигатель, покопался в нем и с позором вернул обратно, так и не поняв, в чем дело; двигатель продолжал работать.
Изобретатель этой машины, химик из Ньюкасла Дэвид Джоунс, на вопросы корреспондентов ответил: «Единственное, что отличает мою машину от других вечных двигателей, — это то, что в ней спрятан источник энергии. Я использовал всем известные принципы, но так, как до сих пор не приходило в голову ни одному разумному человеку; даже присниться не могло».
На этом интервью закончилось, и от дальнейших объяснений изобретатель категорически отказался. Так тайна и осталась нераскрытой.
На этом, самом загадочном из всех ppm и единственном, который работает, мы закончим рассмотрение вечных двигателей — «настоящих» и ложных.
В заключение осталось коротко коснуться еще одного, последнего вопроса — в какой связи находятся поиски ppm с настоящей энергетикой и смогут ли они дать что-либо полезное для нее, если не сейчас, то хотя бы в перспективе?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
РЕАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭНЕРГЕТИКИИ ТУПИКОВЫЕ ПУТИ
Природу обмануть нельзя, но договориться с ней можно.
А. Эйнштейн
Мы познакомились с многовековой историей попыток решить энергетические проблемы простейшим путем: создать двигатель, производящий работу либо из ничего (ррш-1), либо из того, что есть, но работу произвести не может (ррт-2).
Эти попытки, естественно, к успеху не привели, хотя и способствовали определенным образом на первых этапах развитию науки об энергии. Более того, весь путь «псевдоэнергетики», занятой поисками вечных двигателей, неразрывно связан с историей настоящей энергетики. Псевдоэнергетика по-своему «отслеживала» стоящие перед настоящей энергетикой задачи, пытаясь тоже решить их.
Действительно, в начальный период развития энергетики ее задача состояла в том, чтобы создать простой и надежный универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов в любом нужном месте. Вечный двигатель первого рода и должен был удовлетворить эту потребность и избавить человечество от необходимости использовать силу людей и животных, а затем воды и ветра.
После появления тепловых двигателей — паровых машин — перед ррш-1 встала новая задача — избавиться от необходимости все возрастающего расхода дорогого топ-
лива. Задача, связанная с экономией природных ресурсов, четко не ставилась; речь шла только об удобстве эксплуатации, дешевизне и, наконец, о дальности автономного плавания морских судов.
Другая ситуация начала складываться к концу XIX и началу XX в. Энергетика достигла таких масштабов, что все острее вставал вопрос, с одной стороны, об истощении и удорожании природных энергетических ресурсов и с другой, — экологической — об отрицательном влиянии энергетики на среду обитания человека. Вызываемые энергетикой тепловые, химические, а затем и радиационные загрязнения начали приводить к необратимым изменениям этой среды. Вечный двигатель первого рода к этому времени сошел со сцены: его неосуществимость стала очевидной.
Вот тут, соответственно духу времени, и появился вечный двигатель второго рода — не только не нуждающийся в топливе, но и экологически чистый. Действительно, «сырье» для него извлекается из равновесной окружающей среды и отдается в нее после использования в том же виде и в том же количестве. Такой «круговорот тепла» — сначала «концентрация» энергии, потом «рассеяние» и снова «концентрация» — как нельзя лучше, казалось бы, разрубает весь узел современных энергетических проблем.
Именно из такой соблазнительной концепции исходят сторонники «энергетической инверсии». Путь, по которому движется современная энергетика, они считают неправильным, а ее теоретическую базу — термодинамику — критикуют без всякого снисхождения.
Приведем здесь три цитаты программного характера из трудов трех авторов; два первых нам уже известны, а третий — доктор наук еще не упоминался.
Г. Лихошерстных [3.10]: «Суть ее ( энергоинверсии) сводится к поискам путей концентрации бросовой по тра-
диционным представлениям энергии водного и воздушного океанов. Это тепловая энергия, которую, как считают эни- новцы1, можно концентрировать и превращать в другие виды энергии. Заманчивость этой идеи состоит не только в том, что запасы рассеянной энергии самовосстанавлива- ются. В то время, как использование химических и ядер- ных источников энергии вносит в окружающую среду дополнительную теплоту и потому в перспективе грозит «тепловым засорением», использование рассеянной энергии лишь распределяет уже наличествующую в среде энергию».
Н. Заев [3.5]: «Миллионы и миллионы рублей, долларов, фунтов, франков, марок, дни и ночи многочисленных коллективов, могучая индустрия эксперимента, космический вакуум и холод брошены против угрозы энергетического голода. И все это под единым стягом термодинамики Клаузиуса, Гиббса, термодинамики огня, пара, термодинамики прошлого века. Она задает курс, она задает ежедневный маршрут движения. Она и компас, она и руль...
Пора осмотреться, сопоставить достигнутое с ценой. Полтора века назад Карно сделал первый шаг к науке о - 2 тепле, пора делать следующий» .
Вот так!
Г.В. Скорняков пошел дальше, обвиняя термодинамику уже не только в «ошибках», а прямо во вредительстве. Он писал [5.11]: «термодинамика не только не способствовала существенному прогрессу в практике преобразования тепла в работу, но и привела к дезориентации как инженерной, так и общественной мысли». Это прямо некий «анти- термодинамический манифест», возводящий борьбу с этой зловредной наукой на уровень задачи общества. Интересно представить, как бы реагировал на его идеи А. Эйнштейн,
^кЭниновцы» — в данном случае не сотрудники известного Энергетического института им. Г.М. Кржижановского (ЭНИН), а так называемого «Общественного института энергетической инверсии», члены которого работают с 1967 г. под руководством проф. В.К. Ощепкова над устройствами, которые должны опровергнуть второй закон термодинамики (Г. Лихошерстных называет их членами «таинственного вдохновенного братства»).
2Интересно отметить разнобой по отношению к основателю термодинамики — С. Карно у разных опровергателей этой науки. Заев все же делает реверанс в его сторону. Но другой — А.А. Вичутинский — пишет о «несостоятельности» цикла Карно, утверждая: «Цикл Карно — это ошибочная модель».
который утверждал, что «термодинамика — это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее понятий она никогда не будет опровергнута».
К счастью великий физик не имел случая читать «труды», процитированных выше и им подобных «опровергателей» науки. Академики Л. Арцимович, П. Капица и И. Тамм [2.8.] уже четко и коротко определили все это как «концентрацию невежества».
На этом разговор о ppm можно было бы и закончить, но в заключение нужно сказать несколько слов о другом. Призыв «осмотреться» по существу ставит под сомнение тот путь, по которому «под единым стягом термодинамики» идет, тратя «рубли, доллары, франки» и другую валюту, современная энергетика. Давайте осмотримся.
Начнем с того, что напомним истину, с которой согласны сейчас все: единственно правильное, научно обоснованное направление развития энергетики — такое, которое позволяло бы наращивать ее мощности в необходимом человечеству темпе, но так, чтобы сохранить (и даже улучшить) окружающую природную среду. Если дальше наращивать энергетические мощности, не задумываясь о локальных и глобальных экологических последствиях, или откладывать заботы об этом на будущее, то последствия могут быть опасными. Каковы же намечаемые наукой пути развития энергетики, позволяющие решить эту задачу так, чтобы одновременно выполнить оба требования?
Ясно, что при настоящем научном подходе нужно оставить в стороне псевдоэнергетику, которая хотя и обещает все, но, как мы знаем, не сулит в реальности ничего, поскольку надеется «обмануть природу». Остается рассчитывать только на те энергетические ресурсы, об использовании которых «можно договориться с природой».
Чтобы установить, каковы они, нужно прежде всего с принципиальных позиций рассмотреть энергетический баланс нашей планеты (в широком смысле слова, учитывая не только его количественную, но и качественную сторону).
Начнем с общего энергетического баланса, не вникая пока в его качественные аспекты. Земля получает от Солнца примерно 170-1015 Вт энергии [1.11]. Около 34% этого количества сразу отражается в космос. Остальная часть участвует в различных превращениях в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли, после чего тоже уходит в
мировое пространство. Таким образом, вся полученная от солнца энергия, независимо от ее путей на Земле, в конечном счете излучается в космос. Земля себе ничего не оставляет. Именно этим объясняется относительно стационарное тепловое состояние Земли (W' = W\ АТУ = 0).
Небольшие отклонения от этого баланса связаны с двумя факторами.
Первый из них — это фотосинтез — поглощение излучения растениями Земли с образованием соответствующей органической массы. Эта энергия, колоссальная по абсолютной величине (300 ЛО12 Вт), забирает всего около 0,2 % мощности падающего на Землю излучения.
Второй фактор — антропогенный, связанный с деятельностью человека. Высвобождая и используя энергию невозобновляемых природных ресурсов — топлива, человечество несколько увеличивает выделение энергии на Земле. Это количество выделяемой энергии относительно невелико (около 7 • 1012 Вт) — почти в 50 раз меньше, чем поглощается при фотосинтезе. Очевидно, что оба фактора (особенно второй) не могут пока существенно сказаться на энергетическом балансе Земли.
Энтропийный баланс Земли выглядит совсем иначе, чем энергетический. Поступающее на Землю солнечное излучение характеризуется весьма малой энтропией, так как температура этого излучения примерно 5800 К. Напротив, равное количественно получаемому от Солнца излучение Земли соответствует в среднем намного более низкой температуре, близкой к 300 К.
Очевидно, поэтому, отдаваемая Землей энтропия существенно больше, чем получаемая; все проходящие на Земле процессы ведут в итоге, как и положено по термодинамике, к возрастанию энтропии. Никакой «энергоинверсией» здесь и не пахнет. Энтропийный баланс, показывая общую физическую картину качественного изменения характеристики энергии, не определяет, как известно, значения полезной, пригодной для использования энергии. Чтобы их выявить, необходимо использовать эксергетический баланс.
Эксергетический баланс Земли определяется прежде всего его приходной частью. Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, характеризуется высокой эксергией, составляющей примерно 0,93 его значения. Следовательно, поступающий на Землю поток эксергии составляет около
0,93 -170 -1015 Вт = 158-1015 Вт, из которых 34% сразу отражается в космос. Таким образом, до поверхности Земли доходит эксергетический поток Е' = 158 • 1015 • 0,66 = 104 • 1015 Вт. Покидающий Землю поток эксергии относительно мал. С точки зрения земной энергетики его можно не учитывать, так как для Земли средняя температура окружающей среды составляет примерно 300 К (использовать в качестве теплоприемника низкую температуру равновесного излучения космоса можно с определенными ограничениями только вне Земли). Таким образом, «пропуская» всю энергию, получаемую от Солнца, Земля «оставляет» себе ее эксергию. Величина Е' представляет собой тот основной резерв возобновляемых источников эксергии, который в принципе может быть использован человечеством без влияния на энергетический баланс планеты. Эта эксергия (т. е. все создаваемые ею разности потенциалов — давлений, температур, концентраций) все равно «срабатывается» природой — большей частью бесполезно для человека (за исключением той ее небольшой части, которая идет на фотосинтез, и перепадов давлений воды и воздуха, используемых на гидро- и ветроэлектростанциях).
К невозобновляемым источникам эксергии относятся все те, которые могут дать ее в результате освобождения «замороженных» в природе разностей потенциалов. Эти источники — химические и ядерные виды топлива — без вмешательства человека не были бы пущены в ход. Полученная при соответствующем их сжигании (химическом или ядерном) эксергия после использования выделяется в конечном счете как низкопотенциальная теплота и присоединяется к потоку отдаваемого Землей излучения, составляя пока примерно одну двадцатипятитысячную часть его. Естественно, даже десятикратное увеличение этого тепловыделения не может привести к существенному нарушению энергетического баланса Земли, если оно будет беспрепятственно излучаться в космос.
Таким образом, с чисто технической стороны перспективы развития энергетической ситуации на Земле выглядят вполне благополучными. Анализ качества ресурсов, как
возобновляемых, так и невозобновляемых, показывает [1.11,1.12], что человечество на обозримый прогнозами срок может обеспечить себя необходимым количеством энергии даже с учетом роста потребности в ней.
Однако все больше дает о себе знать другая сторона научно-технического прогресса (в том числе и энергетики) — его воздействие на природу Земли.
До середины прошлого века положение в этой части не вызывало особой озабоченности. Только в отдельных районах возникали ситуации, создававшие такое давление человеческой деятельности на окружающую природную среду, которое приводило к существенно вредным, но все же локальным последствиям. Но позже, в связи с бурным развитием техносферы, ростом населения характер антропогенного1 давления на природу стал изменяться. Оно приняло планетарные масштабы, и его количественные характеристики стали соизмеримы с силами, действующими в самой природе Земли. Нарушение природного равновесия ведется во все возрастающей степени сразу «с двух концов»: с одной стороны, вычерпывание природных ресурсов — полезных ископаемых, пресной воды, биосферы, с другой — загрязнение всех трех составляющих окружающей среды — литосферы, гидросферы и атмосферы. К уже указанным выше химическому, тепловому и радиационному загрязнениям теперь прибавляется и биологическое.
Свою немалую лепту в большую часть этих «грязных дел» вносит и энергетика. Не говоря уже о ее косвенном соучастии (никакой технический объект не мог бы работать без энергии), она несет за многое и непосредственную вину.
Для нее извлекаются из недр земли в огромных количествах уголь, нефть и газ, урановая руда; она же выбрасывает в атмосферу диоксид углерода, оксиды азота и серы, а в землю — золу и радиоактивные отходы. Обо всем этом сказано и написано очень много; специальная наука о взаимодействии природной среды и человека — экология — все тщательно подсчитала. Вспомним лишь один показатель: тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо, выбрасывают в атмосферу за год более пяти миллиардов тонн диоксида углерода. К этому надо добавить и другие энергетические источники СО2, например автомобили, каждый из которых добавляет в атмосферу около
5 т в год. В целом все это составляет больше тонны на каждого жителя Земли!
Включение выбросов СО2 (а также метана) в углеродный цикл планеты создает все возрастающий дисбаланс между выделением и поглощением этих газов (главным потребителем СО2 служат растения, поглощающие посредством фотосинтеза углерод и возвращающие кислород в атмосферу). Дисбалансу способствует уничтожение лесов (в основном тропических, площадь которых катастрофически уменьшается). В результате содержание СО2 в воздухе за последние 100 лет выросло с 0,030 • 1СГ2 до 0,033 • 1СГ2 (т.е. примерно на 10%) и продолжает увеличиваться. Это приводит к росту так называемого «парникового эффекта», так как СО2 задерживает все большую часть теплового излучения Земли, не давая ему уйти через атмосферу в космос. Это, в свою очередь, ведет к потеплению климата, увеличению площади засушливых зон, таянию полярных льдов, повышению уровня океана, затоплению низменных частей суши. Эти процессы уже идут и темп их нарастает; более того, гигантская инерция Земли такова, что если бы даже накопление СО2 в атмосфере сейчас прекратилось, то его последствия все равно еще долго будут продолжаться и даже нарастать. Все это — научно установленные факты: дискуссия идет лишь о том, в каком темпе эти и другие негативные воздействия на природу будут развиваться и когда может наступить катастрофическая ситуация.
Где же искать выход и существует ли он?
Очевидно, что всякие рецепты типа «нужно просто повернуть назад» — прекратить развитие техники, приостановить рост народонаселения, отказаться от благ цивилизации и перейти к «простой жизни на лоне природы» — наивны и нереальны. Их авторы первыми попросились бы обратно, если их поселить в курной избе и заставить коротать досуг при свете лучины.
Поскольку научно-технический прогресс и связанный с ним рост сил, находящихся в распоряжении человечества, остановить невозможно (да и не нужно), единственное ре-
шение, исключающее экологическую катастрофу, лежит в другом. Это разумное, тщательно продуманное и контролируемое использование достижений науки и техники в гармонии с природой с учетом последствий каждого шага. Необходимость этого осознается все полнее; бездумное продолжение прежней технической политики становится явно недопустимым. Экологические вопросы и пути выхода из кризиса широко обсуждаются и комментируются. Люди ждут от науки неотложных решений.
Но наука при всей ее мощи не может сразу снять все проблемы; нужна серьезная работа с учетом всех технических, экономических и даже политических трудностей. И здесь, на фоне общей тревоги, снова всплывает уже хорошо знакомая нам «энергоинверсия», обещающая одним махом снять все заботы.
Например, в рубрике «Забор» журнала «Техника и наука» (№ 12, 1988 г.) появилось объявление (№229): «Требуется спонсор, который согласился бы финансировать разработку вечного двигателя, непосредственно преобразующего механическую энергию микротел (атомов и субэлементарных частиц твердого тела) — в механическую энергию макротела — вращение вала. Вечный двигатель способен удовлетворить человечество в любом количестве энергией и одновременно ликвидировать полностью перегрев воздушной оболочки Земли. Автор завершил изыскания и гарантирует успех разработки вечного двигателя». В отличие от Ощепкова, который говорит о необходимости исследований, здесь все задачи уже «решены». Эти «скромные» обещания действительно обнадеживают! Тем более, что некоторые люди, искренне болеющие за охрану природы, но далекие от научного мышления, и попадаются на такие приманки.
На пленуме Союза писателей СССР, посвященном вопросам экологии (см. «Литературную газету» от 25 января 1989 г.), среди других выступил писатель С. Самсонов, выдвинувший ряд вполне обоснованных соображений об охране окружающей среды. Но тут же (естественно, не подозревая об этом), он поддержал идею об использовании для этой цели... вечного двигателя. С. Самсонов сказал буквально следующее: «Два года тому назад появилось в печати сенсационное сообщение: японские инженеры и ученые научились отбирать тепло, рассеянное в воде и воздухе, направлять его заводам и фабрикам. Но для нашего ученого, основоположника отечественной радиолокации и
интроскопии П.К. Ощепкова это не было сенсацией, так как он давно занимается этой проблемой. Одна из японских фирм предложила сотрудничество ему, Павлу Кондратьевичу, и его Общественному институту энергетической инверсии — ЭНИН. (ЭНИН занят вопросами использования энергии окружающей среды. Его цель — создание уже сегодня определенной альтернативы тепловым, гидро- и атомным электростанциям.)
Еще в 1954 г. решением президиума АН СССР лаборатория Ощепкова, подтвердившая его идею о возможности использования рассеянной энергии окружающего пространства, была включена в состав Института металлургии, которым руководил И.П. Бардин. Таким образом, наукой официально была признана возможность его исследований. Уже в 1959 г. исследования были «закрыты, лаборатория расформирована». В заключение С. Самсонов предложил «провести референдум о дальнейшем использовании энергии атомных станций, пригласив и представителей ЭНИН Ощепкова».
Нетрудно видеть, что «сенсационное сообщение» о японских инженерах и ученых, «которые научились отбирать тепло, рассеянное в воде и воздухе и направлять его заводам и фабрикам» — это самая обычная информация об использовании по прямому их назначению давно и хорошо известных тепловых насосов, описанных нами в § 4.4.
Все дальнейшее — прямое повторение неграмотных журналистских сенсаций об «исследованиях» П.К. Ощепкова и других изобретателей ррш-2, которые уже подробно нами рассмотрены.
С. Самсонов идет еще дальше и изобретателей, и поверивших им журналистов, говоря о создании «уже сегодня определенной альтернативы тепловым, гидро- и атомным электростанциям». Поскольку такая «альтернатива» ни сегодня, ни в будущем реализоваться не может — остается только последовать совету А. Эйнштейна — отказаться от попыток «обмануть природу» и все же договориться с ней. Тут, если не касаться вопросов энергосбережения, о которых уже упоминалось, существуют два направления.
Первое, пока главенствующее, опирается на технику, базирующуюся на освобождении «замороженных» запасов энергии (топлива — химического и ядерного). Она позволяет в нужном темпе наращивать энергетические мощности, и по мере совершенствования техники снижать количество вредных выбросов и отходов. Однако радикального
решения экологических проблем это направление обеспечить не может; накопление избыточной энергии A W на Земле будет продолжаться.
Второе направление основано на использовании тех разностей потенциалов, которые все равно срабатываются природой, но без использования для энергетики. К ним относятся как те, которые связаны с действием солнечного излучения, так и те, которые обусловлены вращением Земли и лунным притяжением, а также нагревом внутренних слоев Земли.
Разности давлений воздуха или уровней воды позволяют создавать ветроэнергетические установки, приливные электростанции (не говоря уже о гидроэлектростанциях). Разности температур дают возможность получать электроэнергию как на севере (более теплая вода в океане — холодный воздух и лед наверху), так и на юге (теплая вода океана наверху, более холодная — внизу), а также в районах, где глубинные горячие слои подступают близко к поверхности (геотермика). В областях с интенсивным солнечным излучением можно преобразовывать и использовать эту энергию целым рядом способов. Прорабатываются даже способы получения электроэнергии на базе использования разности концентраций соли в морской воде и втекающих в море рек (вспомним осмотический двигатель И. Бернулли, показанный на рис. 1.27). Во всех этих случаях получение энергии, которая снова отдается в конце концов в окружающую среду, никак не меняет АТУ. Поток энергии просто идет другим, полезным путем; вместо того, чтобы сразу диссипировать, рассеяться в окружающей среде, он проделывает полезную работу. Такая экологически чистая энергетика даже при далеко не полном использовании природных потенциалов могла бы снять все экологические проблемы. Но... Это «но» связано с тем, что по разным причинам-либо из-за малых концентраций потоков используемой энергии (например, солнечной энергии, ветра), либо вследствие невыгодного географического расположения (например, отдаленность заливов с высокими морскими приливами от мест потребления энергии) затраты на сооружение таких электростанций или передачу электро-
энергии оказываются слишком высокими. Каждый киловатт установленной мощности обходится намного дороже, чем на электростанциях с органическим или ядерным топливом. Получается, что энергия, которую нужно затратить на получение нужных материалов, изготовление, транспортировку и монтаж оборудования станции и линий электропередачи, больше, чем та энергия, которую она даст в течение всего срока службы. Очевидно, что строить такие станции пока невыгодно. Однако следует иметь в виду, что для многих рассредоточенных на большой площади и не очень крупных потребителей доставка энергии настолько дорога, что экологически чистые источники энергии, расположенные поблизости, уже теперь оказываются предпочтительными. Но главное состоит в том, что возможности совершенствования таких систем только начинают всерьез изучаться. В ближайшей перспективе их стоимость может резко уменьшиться. Поэтому скептицизм некоторых энергетиков, относящих широкое распространение экологически чистых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, на середину XXI века, едва ли обоснованы.
Даже этот краткий обзор показывает, что работа по совершенствованию и преобразованию энергетики во всех ее направлениях очень трудна, но и интересна. Она требует людей, готовых, опираясь на научные знания, проявить себя, смело прокладывать новые пути, не страшась бурь научно-технической революции.
Все попытки свернуть энергетику на тупиковый путь «энергоинверсии», решить энергетические проблемы путем использования вечного двигателя второго рода совершенно бесперспективны. Они только отвлекают людей от настоящего дела.
Увлечение вечными двигателями, сохранившееся еще до нашего времени в своеобразной форме попыток создания ррш-2, несмотря на «научное» оформление долго жить не сможет. Вечный двигатель второго рода, так же как и его предшественник — вечный двигатель первого рода, останется лишь интересным и поучительным эпизодом истории физики и энергетической науки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ленин В.И. К характеристике экономического романтизма // Поли. собр. соч. Т. 2; С. 178.
Ленин В.И. Что делать? // Поли. собр. соч. Т. 2. С. 2.
Маркс К. и Энгельс Ф. Святое семейство // Сочинения. — 2-е Изд. Т. 2. С. 142.
Энгельс Ф. Диалектика природы // К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 600.
Декарт Р. Избранные произведения. М.: Политиздат, 1950. С. 142.
Планк М. Единство физической картины мира // Философия науки. 4.1. Вып. 2. Л.: Госиздат, 1924. С. 13.
Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4. М.: Наука, 1967. С. 549.
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: Атомиздат, 1972. С. 88.
Бернал Д. Наука в истории общества. М.: Изд-во иностр, лит., 1956. С. 735. .
Ребане К.К. Энергия, энтропия, среда обитания. Таллин: Валгус, 1984.
Стырикович М.А. Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. М.: Энергоатомиздат, 1982.
Более чем достаточно?: Пер. с англ. / Под ред. Р. Кларка. М.: Энергоатомиздат, 1984.
Второе начало термодинамики / С. Карно, В. Томсон-Кельвин, Р. Клаузиус, Л. Больцман, М. Смолуховскйй. М. —Л.: Гостехте- оретиздат, 1934. С. 310.
Ostwald W. Energetische Untersuchuhgen // Zeltschrift fiir physikalische Chemie. 1892. Bd. 9, S.563.
Даннеман Ф. История естествознания. Т.П, М.: ОНТИ, 1936. С. 79.
Кузнецов Б.Г. История энергетической техники. М.-Л.: Госте- хиздат.: Вып. 2. 1935.
Пушкин А.С. Полное собрание сочинений. Т. XI. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. С. 434.
Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М: Энергоатомиздат. 1988.
Бродянский В.М. Энергия — проблема качества // Наука и жизнь. 1982. №3. С. 88-95.
Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия. 1976.
Герцен А.И. Дилетантизм в науке. Сочинения. М.: Гос. изд-во худ. лит., 1955. Т. 2. С. 43-49.
Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия энтропии. М.: Наука. 1967.
Больцман Л. Статьи и речи. М.: Наука, 1970.
Толмен Р. Относительность, термодинамика и космология. М.: Наука, 1974.
Хокинг С. Черные дыры и термодинамика // Черные дыры. М.: Мир, 1978. С. 112.
Соколов Е.Я., Бродянский Р.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергия, 1981.
Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат. 1982.
Боголюбов А.Н. Р. Гук. М.: Наука, 1984.
Двигатели Стирлинга / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Мир, 1975.
Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М.: Машиностроение, 1985.
Dirks Н. The perpetuum mobile; or search for selfmotive power during the XVII, XVIII, XIX centuries. London, v. 1. 1861; v. 2. 1870.
Daul A. Das perpetuum mobile. Wien. Hartleben.1900.
Машины вечного движения. M.: Изд. Об-ва им. X.С. Леденцова, 1911.
Ихак-Рубинер Ф. Вечный двигатель (perpetuum mobile). М.: ГИЗ, 1925. С. 190.
Орд-Хыом А. Вечное движение. История одной навязчивой идеи. М.: Знание, 1980.
Михал С. Вечный, двигатель вчера и сегодня. Пер. с чешек. М.: Мир, 1984. С. 250.
Histoire de l’Academie royale des sciences. Paris, 1778. P. 65-66.
Арцимович Л., Капица IL, Тамм И. О легкомысленной погоне за научными сенсациями // Правда. 1959. 22 ноября.
Семенов Н. Демон завода «Сантехника» / Техника — молодежи. I960. №2. С. 5-8.
Шпильрайн Э.Э., Семенов А.М. Параэнергетика, или как не надо искать энергию // Энергия. 1984. №4. С. 38-47.
Angrist S. Perpetual motion machines // Scient. American. 1968. Vol. 218. P. 114-122.
Велихов E. Прохоров А., Сагдеев В. Чудо не состоялось // Правда. 1987. 22 июня.
Сычев В.В., Шпильрайн Э.Э. В погоне за миражом // Энергия. 1987. №2. С. 49-53.
Walker J. Motors, in which magnets attract other magnets in apparent perpetual motion // Scientific American, 1983.
Silvermaa H. The vortex tube a violation of fhe second law? // Eur. Journ. of Physics. 1982. №3. P.88-92.
Шубников A.B. Парадоксы физики // Наука и жизнь. 1936. №6. С. 14.
Пекарский П.П. Наука и литература в России при Петре I. Санкт-Петербург, 1862. Т. I.
Азимов А. Последний вопрос // Энергия, 1986. № 12. С. 83-91.
Ощепков П.К. Жизнь и мечта. — 4-е изд. М.: Московский рабочий, 1982.
Гвай И.И. О малоизвестной гипотезе Циолковского. Калуга: Калужское книжное изд-во, 1959.
Муслин Е. Выше Цикла Карно // Изобретатель и рационализатор. 1969. №9. С. 15-16, 40.
Муслин Е. Машины XX века. М.: Машиностроение, 1971.
Заев Н. Энергетические искушения // Изобретатель и рационализатор. 1976. №12. С. 40-43.
Леонидов Р., Медведев Ю. Ошибка или открытие? // Комсомольская правда. 1959. 2 септ.
Лебедев Т. Осуществление мечты // Московская правда. 1966, 28 апр.
Мицкевич А., Ерохин А. Человек идет к солнцам // Литература и жизнь, 1967. 10 ноября.
Ощепков П. Энергия и наша планета // Сельская жизнь. 1968. 19 дек.
Лихошерстых Г. В поисках энергии // Техника — молодежи. 1988. №11. С. 26-29.
Кузнецов П. Проблема жизни и второй закон термодинамики // Философская энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. I960. Т. 2. С. 133-134.
Тринчер К.С. Биология и информация. Элементы биологической термодинамики. М.: Наука, 1965.
Патент 4.389858 США МКИ Е 25 В1/00. Heat engine (тепловая машина) / Jersen Н.Е.
А. с. 70147 от 12.10.44 и 70425 от 21.04.47. СССР. Машина атмосферного тепла // Шелест А.Н.
А. с. 87623 от 9.06.49. СССР. Трансформатор пара с кипятильником аммиачного раствора и абсорбером высокого давления / Харитонов В.П.
Мамонтов М.А. Теория тепловых двигателей. Ч. 1, 2. Тула: Изд. Тульского политехнического института, 1975-1976.
Машина атмосферного тепла // Экономическая газета. №5 (26), 1962. С. 42.
Мамонтов М.А. От структуры Карно к структуре Прометея (новые доктрины теплоэнергетики ) // За инженерные кадры. 1984. 18 окт.
Чирков Ю. Занимательно об энергетике. М.: Молодая гвардия. 1981.
Mordasewicz J. Czy zaiozenia prowadzace do sformulowania II zas termodynamiki // Energetika przemyslowa. N 10. S. 419-421.
Ocheduszko S., Sikora J. Woboranie II zasdy termodynamiki // Energetika przemyslova. 1962. N 10. S. 419-421.
Abbo wariat, albo genuisz // Politika, 1986, 31 mai.
Кашников С. Обыкновенный вечный двигатель // Московский комсомолец. 1980. 5 сент.
Харитончик Е.М. Процессы и циклы с убывающей энтропией и значение их для естествознания и техники // Тр. ВАСХНИЛ. Земледельческая механика. М.: Госсельхозиздат, 1952. С. 376411.
Харитончик Е.М. О взаимодействии законов механики и термодинамики // Тр. ВАСХНИЛ. Земледельческая механика. М.: Машиностроение, 1971. Т. 13. С. 348-361.
Патури Ф. Растения — гениальные инженеры природы. М.: Прогресс, 1982. С. 152.
Сидоров М. Звезда Ощепкова // Московская правда. 1988. 28 авг.
Scheerbart Р. Das Perpetuum Mobile. Geschichte einer Erfindung. Leipzig, 1910.
Салтыков-Щедрин H.E. Современная идиллия. Собр. соч. Т. 10. М.: Изд-во «Правда», 1951.
Петропавловский Н.Е. (Каронин С.). Perpetuum mobile. Петропавловский Н.Е. Соч. в 2-х томах. М.: Гослитиздат, 1958. Т. 2. С.19-36.
Шукшин В. Упорный / Рассказы. М.: Художественная литература, 1974. С. 347-360.
Бродянский В.М. Бандура А.В. Ресурсы ноосферы и экономика. // Энергия. 1996. № 10. С. 22-30.
Вичутинский А.А. Всеобщий принцип неэквивалентности тепла и работы М., 1990. Изд. автора.
Вознесенский Н.Н. О машинах вечного движения. М.: Гостехиз- дат, 1921.
Володько Ю.И. Ламинарное истечение сжатого воздуха в атмосферу и безтопливный монотермический двигатель. М.: Общественная польза, 1998.
Заев Н.Е. Близкая даль энергетики. // Журнал русской физической мысли. 1991. № 1. г. Реутов.
Зильберштейн А.С., Скорняков Г.В. Тепловые процессы в парожидкостных системах // Жури. техн, физики. 1989. Т. 59. Вып. 12.
Кирпичев ВЛ. Беседы о механике. Изд 5-е М-Л Беседа 15-я: О вечных двигателях, стр. 213-221. М.: Гостехтеоретиздат, 1951.
Киселев А. Записки эксперта // Изобретатель и рационализатор. 1978. №12. 1979. №1-3.
Краснов А.И. Возможен ли вечный двигатель? М.: Гостехиздат, 1956. С. 64.
Лихачев В. Конец 2-го Начала термодинамики // Мир непознанного. Авг. 1996. С. 10-13.
Скорняков Г.В. Новый принцип преобразования тепла в работу // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 22, 26. 11.
Французский патент 2.104.503 на имя A. Rayne. 12 авг. 1971 на «Устройство, обеспечивающее движение транспортных средств, преимущественно автомобилей».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Об этой книге 3
Предисловие к первому изданию 6
Предисловие ко второму изданию 9
Введение. Физика, энергетика и вечный двигатель 12
Глава первая. Вечный двигатель первого рода: от ранних попыток до «опытных образцов» 17
Зарождение идеи 17
Первые проекты механических,магнитныхигидравлических ppm22
Механические ppm25
Магнитные ppm39
Гидравлические ppm45
Орфиреус, ppm и Петр I57
Глава вторая. Утверждение закона сохраненияэнергиииконец вечного двигателя первого рода69
Поиск общей причины неудач с ppm. «Закон сохранения силы»69
Утверждение закона сохранения энергии. Революция в понятиях и терминах83
Последние вечные двигатели первого рода90
Вечный двигатель в художественной литературе105
Рассуждение о законах и о том, можно ли их нарушать .111
Глава третья. Идея ррт-2 и второй закон термодинамики . . 120
Основная идея ррт-2. Уточнение понятий120
Несимметричность взаимных превращений теплоты и работы. Принцип Карно127
Немного об энтропии 132
Глава четвертая. «Тепловая смерть Вселенной», биология, тепловой насос 151
«Тепловая смерть Вселенной» и ррт-2151
Живая природа и второй закон термодинамики155
Эксергетический баланс и КПД160
Тепловой насос — чудо или не чудо? 166
Почему все же изобретают ppm?174
Глава пятая. Вечные двигатели второго рода182
Какие ррт-2 изобретают теперь?182
Проекты термомеханических ррт-2 183
Новые идеи: химические, оптические и электрохимические ррт-2212
Работающие вечные двигатели (псевдо-ррт)225
Заключение. Реальные возможности энергетики и тупиковые пути243
Список литературы255
Издательская фирма
« Физико-математическая литература»МАИК «Наука/Интерпериодика»117864 Москва, Профсоюзная ул., 90
В издательстве «ФИЗМАТ Л ИТ» вышли из печати(1999-2001 гг.)
Бендриков Г.А., Буховцев Б.Б. и др. Физика. Задачи для поступающих в вузы: Учеб, пособие для подготов, отделений вузов. — Изд. 9-е. — 2000. — 400 с.
Бутиков Е.И., Кондратьев А. С. Физика. В 3-х кн.: Учеб, пособие.
Кн. 1. Механика. — 2000. — 352 с.
Кн. 2. Электродинамика и оптика. — 2000. — 336 с.
Кн. 3. Строение и свойства вещества. — 2000. — 336 с.
Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д. и др. Сборник задач по элементарной физике / Под ред. В.Ф. Бутузова. — Изд. 6-е — 2000.
Владимиров В. С., Жаринов В.В. Уравнения математической физики: Учеб, для вузов. — Изд. 2-е. — 2000. — 560 с.
Гантмахер Ф.Р. Лекции по аналитической механике / Под ред.
. Пятницкого: Учеб, пособие для вузов. — Изд. 3-е. — 2001. - 264 с.
Вальденбург В.Б., Миллер М.А. Сборник задач по электродинамике. — Изд. 2-е, доп. — 2001. — 168 с.
Гольдштейн Б.В., Городцов В.А. Механика сплошных сред. Ч. 1. - 2000. - 256 с.
Елютин П.В., Кривченков В.Д. Квантовая механика (с задачами) / Под ред. Н.П. Боголюбова. — Изд. 2-е, перераб. — 304 с.
Задачи по общей физике / Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Кинг- сен А.С., Локшин Г.Р., Ципенюк Ю.М. — 2001. — 336 с.
Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. — 2001. — 576 с.
Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Курс общей физики. В 2 т. Т 1. Механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика / Под ред. А.С. Кингсепа: Учебник. — 2001. — 560 с.
Лавров И.А., Максимова Л.Л. Задачи по теории множеств, математической логике и теории алгоритмов. — 4-е изд. — 2001. — 256 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. В Ют.: Учеб, пособие для вузов.
Т. I. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Механика. — Изд. 5-е, стереотип. — 2001. — 224 с.
Т. III. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая механика (нерелятивистская теория). — Изд. 5-е, стереотип. - 2001. - 808 с.
Т. IV. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Квантовая электродинамика. — Изд. 4-е, испр. и доп. — 2001. — 720 с.
Т. V. Ч. 1. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика. — Изд. 5-е, стереотип. — 2001. — 616 с. Т. VIII. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Электродинамика сплошных сред. — Изд. 3-е, стереотип. — 2001. - 616 с.
Т. IX. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика. В 2 ч. Ч. 2. Теория конденсированного состояния. — Изд. 3-е, стереотип. — 2001. — 496 с.
Т. X. Берестецкий Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. — Изд. 2-е, стереотип. — 2001. — 536 с.
Лебедев В. И. Функциональный анализ и вычислительная математика.: Учеб, пособие. — Изд. 4-е, перераб. и доп. — 2001. — 296 с.
Лурье М.В. Геометрия. Техника решения задач: Учеб, пособие. — 2001. - 240 с.
Медведев Г.Н. Абитуриенту о письменном экзамене по математике. Физический факультет МГУ. 1997-2000 гг. — 2001. — 64 с.
Назаретов А.П., Пигарев Б.П., Садовничая И.В., Симонов А.А. Задачи и варианты их решения на вступительных экзаменах в московских вузах (экономические специальности): Учеб, пособие. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — 2001. — 458 с.
Никольский С.Н. Курс математического анализа: Учеб, для вузов — Изд. 5-е. — 2000. — 640 с.
Пинский А.А. Задачи по физике / Под ред. Ю.И. Дика. — 2000. — 336 с.
Полянин А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики. — 2001. — 576 с.
Потапов М.К., Олехник С.Н., Нестеренко Ю.В. Конкурсные задачи по математике: Справочное пособие. — 2001. — 400 с.
Рябенький В. С. Введение в вычислительную математику. — Изд. 2-е. — 296 с.
Сборник задач по алгебре / Под ред. А.И. Кострикина: Учеб, для вузов. — Изд. 3-е, испр. и доп. — 2001. — 464 с.
Сборник задач по уравнениям математической физики / Владимиров В. С., Башарин А.А., Каримова Х.Х., Михайлов В. И., Сидоров Ю.И., Шабунин М.И. - Изд. 3-е. - 2001. - 288 с.
Шклярский Д.О., Ченцов И. И., Яглом И.М. Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Геометрия. Стереометрия. — 2000. — 248 с.
Шклярский Д.О.. Ченцов И. И., Яглом И.М. Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Геометрия. Планиметрия. - 2000. - 248 с.
Шклярский Д.О., Ченцов И. И., Яглом И.М. Избранные задачи и теоремы элементарной математики. Арифметика и алгебра. — 2000. - 320 с.
Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С. Ландсберга. В 3-х кн.
Кн. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. — 2000. — 512 с.
Кн. 2. Электричество и магнетизм. — 2000. — 400 с.
Кн. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. - 2000. - 400 с.
Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики / Под ред.
Ю.И. Дика. В 2-х кн.
Кн. 1. Механика. Молекулярная физика. — 2000. — 624 с.
Кн. 2. Колебания и волны. Квантовая физика. — 2000. — 576 с.
Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Физика: Справочное пособие для поступающих в вузы. — Изд. 5-е, перераб. — 2000 — 592 с.
По вопросам приобретения книг обращаться:Издательская фирма« Физико-математическая литература»117864 Москва, Профсоюзная ул., 90тел./факс (095) 334-7421, e-mail: fizmat@maik.ru
Научно-популярное издание
БРОДЯНСКИЙ Виктор Михайлович
ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ПРЕЖДЕ И ТЕПЕРЬ
Редактор Е. С. Артоболевская
Оформление обложки: А. А. Логунов
ЛР № 071930 от 06.07.99. Подписано в печать 15.11.01.
Формат 84x108/32. Бумага типографская. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 16,5. Уч.-изд. л. 14,35. Тираж 400 экз.
Заказ тип. К9
Издательская фирма «Физико-математическая литература»МАИК «Наука/Интерпериодика»117864 Москва, Профсоюзная, 90
Отпечатано с готовых диапозитивов в Московскойтипографии К9 6 Министерства РФ по делам печати,телерадиовещания и средств массовых коммуникаций109088 Москва, Южнопортовая ул., 24
2Мы приводим цитату из Ломоносова, сохраняя выразительные особенности стиля и языка того времени, которые в остальных цитатах при переводе, к сожалению, теряются.
Вечный двигатель-прежде и теперь
В. М. Бродянский
29 ноября 2001
УДК 621.1.01Б88 ББК 31.31УДК 621.1.01Б88 ББК 31.31ISBN 5-9221-0202-8ISBN 5-9221-0202-8© ФИЗМАТЛИТ, 2001© ФИЗМАТЛИТ, 2001
УДК 621.1.01
Б88 ББК 31.31
УДК 621.1.01
Б88 ББК 31.31
ISBN 5-9221-0202-8
ISBN 5-9221-0202-8
© ФИЗМАТЛИТ, 2001
© ФИЗМАТЛИТ, 2001
Издание осуществлено при поддержке и Российского фонда фундаменталъниж исследований по проекту 01-02-300010д
Бродянский В. М. Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 264 с. - 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.