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

Бродянский Виктор Михайлович

Несмотря на то, что С. Карно исходил в этой работе еще из теории теплорода, а закон сохранения движущей силы (т. е. энергии) [47] 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.

47

Об этом говорилось в гл. 2.

Из многочисленных следствий работы С. Карно для нашей цели — анализа ppm-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 = Q ₁•(T ₁– T ₂)/T ₁ (3.1)

Здесь, как и на рис. 3.1, высокая температура Т ₁в Кельвинах соответствует подводу теплоты Q ₁к двигателю, а более низкая Т ₂— та, при которой теплота отдается. Из формулы (3.1) прямо следуют многие важные следствия. Для нас имеют значение два вывода.

Первый выводсостоит в том, что получаемая работа всегда меньше подводимой к двигателю теплоты Q.Действительно, коэффициент Карно (Т ₁— Т ₂)/Т ₁(или 1 — T ₂/T ₁) всегда меньше единицы. Другими словами, в работу может быть превращена только часть получаемой теплоты; другая часть, равная Q ₂= Q ₁— L, неизбежно должна быть отдана какому-либо теплоприемнику [48] при температуре Т ₂. Чем выше температура Т ₁и ниже Т ₂, тем большая доля теплоты Q ₁может быть превращена в работу. Но всю теплоту Q ₁в работу преобразовать нельзя (для этого Т ₁должна была бы быть бесконечно большой или Т ₂бесконечно малой).

48

Здесь и в дальнейшем «теплоприемником» будет называться объект (например, атмосферный воздух), к которомуотводится теплота от двигателя, а «теплоотдатчиком» — тот, от которого двигатель получает теплоту.

Так, например, если Т ₁= 1200 К, а T ₂= 300 К, то из 100 кДж теплоты может быть получено (1200 – 300)/1200 кДж = 75 кДж работы. Остальные 25 кДж могут быть отведены только в виде теплоты Q ₂< Q ₁при температуре Т ₂= 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 выводиз 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. Т ₁> T ₂). Действительно, из формулы (3.1) следует, что чем меньше разность Т ₁— Т ₂, тем меньшая доля теплоты Q может быть превращена в работу. Если же Т ₁= Т ₂, т. е. если двигатель вступает в тепловой контакт с телами, имеющими одну и ту же температуру, то никакой работы он произвести не может (Т ₁— T ₂= 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 (ppm-2).

Как бы ни была велика связанная с хаотическим тепловым движением молекул внутренняя энергия, содержащаяся в окружающей среде [49] , она неработоспособна, ибо в этом случае в нашем распоряжении есть только одна температура — окружающей среды T _О.С..

49

Ее часто называют «теплотой окружающей среды», но это неверно, как мы уже показали в гл. 2, ибо теплота «содержаться» в окружающей среде (как и в любом другом теле) не может.

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 XVII-XVIII 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 ppm-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 ppm-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.

3.3. 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.