Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии
Шрифт:
Дня тепловых электростанций это различие не очень существенно, так как эксергия (работоспособность) топлива Е Тпримерно (с разницей до ±8-10%) совпадает с его теплотой сгорания Н. Поэтому здесь эксергетический КПД e= L ЭЛ/Е примерно равен коэффициенту преобразования T= L ЭЛ/Н, который по традиции называют термическим КПД T= e. Однако при переходе к ЭХГ это равенство нарушается. Здесь разность эксергий Е исходных химических веществ (реагентов), например Н 2+С 12, 2Н 2+O 2, N 2H 4+2H 2O 2, 2C+O 2,
Действительно, максимальная (для идеального случая) электрическая работа L ЭЛ.М., как известно из термодинамики, определяется уменьшением величины G — так называемого потенциала Гиббса:
L ЭЛ.М= -G = -(Н — TS).
Из этой формулы видно, что L ЭЛ.Мможет быть как больше Н (если S отрицательна, т. е. энтропия S при реакции уменьшается), так и меньше (если S положительна, т. е. энтропия при реакции возрастает). На практике встречаются оба случая. Например, в водородно-кислородном ЭХГ реакция протекает с уменьшением энтропии (S < 0), что соответствует выделению теплоты. При этом L ЭЛ.Мбудет меньше Н. Так, при Т = 298 К значение Н = -286 кДж/кмоль Н 2, a S = —0,163 кДж/(кмоль•К). Следовательно, G = L ЭЛ.М= —286 + 298 • 0,163 = —273,4 кДж/кмоль. Значит, максимальное значение коэффициента преобразования T= G/Н составит здесь 237,4/286 = 0,83.
Этот вариант ЭХГ, в котором T существенно меньше 100%, естественно, не привлекает «инверсионщиков». Зато другой, в котором T> 1, вызывает энтузиазм. Действительно, например, для угольно-кислородного ЭХГ G > Н, поскольку энтропия в результате реакции растет вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Здесь при той же температуре, что и в предыдущем примере, Н = -110,6 кДж/(кмоль-К), a S = 0,089 кДж/(кмоль•К). Следовательно, g = —137,2 кДж/кмоль, что больше, чем Н. Отсюда T= 137,2/110,6 = 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 T< 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 T, к сожалению, этого не показывают, ибо коэффициенты преобразования (в том числе и термический КПД Tне 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 Tтопливного элемента должен иметь вид e= L ЭЛ/Е, где Е — затраченная эксергия. Поскольку в рассматриваемых примерах Т = T О.С., то G = Н — TS равно Е = Н – T О.С.S и T= L ЭЛ/G. Тогда получаем для идеального ЭХГ во всех случаях e= 1, т. е. 100%. Реальный КПД будет, естественно, меньше 100%, поскольку L ЭЛ< L ЭЛ.М..
Превращения энергии в ЭХГ, проходящие с поглощением теплоты, и T> 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
Первая диаграмма (рис. 5.10, а) показывает ход потоков энергии; Н = H 1— H 2и L ЭЛ= (H 1+ Q О.С.) — H 2. Из этой диаграммы может действительно сложиться впечатление, что Lm возникает, хотя бы частично, и из Q О.С.. Но энтропийная и эксергетическая диаграммы неопровержимо свидетельствуют о том, что дело обстоит иначе. Вся поступившая энтропия идет только на ее увеличение в реагентах (S 2> S 1). Безэнтропийная электроэнергия ее не уносит. Эксергетический баланс показывает, что вся эксергия, необходимая для получения электроэнергии — L ЭЛобразуется за счет разности входящих и выходящих ее потоков. Тепловой поток при T О.С.не имеет эксергии (E О.С.= 0) и не добавляет в этом смысле ровно ничего.
В реальных условиях L ЭЛ< L ЭЛ.М.вследствие потерь; для этого случая величины L ЭЛпоказаны штриховыми линиями. Из диаграммы можно снять величины, определяющие коэффициент преобразования (термический КПД):
и эксергетический КПД:
Для идеального процесса eравна единице; (Е' 1+ E'' 1) — Е 2для 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 L ЭЛ< L 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 ppm-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 термодинамику [83] , а потом, через 15 лет, перенес свои пророчества уже с теории на практику. Вот как он представляет себе энергетику ближайшего будущего [5.5].
«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».
83
Цитата из его труда, в котором он громил термодинамику [3.5] приведена на стр. 168.
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 действия лежит вполне законная идея, не имеющая отношения к ppm-2. Некоторые из таких устройств описаны в следующем параграфе.