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

Бродянский Виктор Михайлович

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 монохроматического (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 W ₂> W ₁, 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 S связан с необратимостью реального процесса в люминофоре. Налицо явная, как говорят шахматисты, «потеря качества». Это видно и из эксергетического баланса (рис. 5.9, в): 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 Q _О.С.получается W ₂, причем коэффициент трансформации W ₂/Q _О.С.> 1. В качестве приводной высококачественной энергии здесь используется не электроэнергия, а излучение с энергией W ₁. При этом эксергия Е ₂потока энергии W ₂, меньше, чем эксергия Е ₁потока излучения, несущего энергию W ₁(т. е. Е ₂< Е ₁). Все как в обычном тепловом насосе!

Электрохимическиегенераторы 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 ppm-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 ».(Задачей 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 (1824-1907 гг.), и в не очень далекие времена М. Планка (1858-1947 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 _Гдля них подсчитывается по отношению полученной электроэнергии L _ЭЛк теплоте сгорания использованного топлива Н. Он равен, по существу, отношению полученной электроэнергии к затраченной теплоте: _Г= L _ЭЛ/Н. Строго говоря, поскольку в нем сопоставляются качественно различные формы энергии — теплота и работа, Г представляет собой не КПД, а коэффициент преобразования энергии.