Дискуссия 

Барский В.Г. Соколовский Р.И.1

Как не спасти человечество                                

 

Рецензия на статью С.Д.Хайтуна   «Возможности решения проблемы теплового загрязнения среды путём перехода к ретермальной энергетике»

 

Философы  системы нам находят

лишь те, что их уму подходят.

И чтоб свою находку правдать,

спешат ее природе навязать

 Поль де Кок

Основная идея автора  статьи  сводится  к практической  возможности преобразования рассеянной тепловой энергии в механическую,  что, по его мнению, может вызвать переворот в энергетике.   Для доказательства такой возможности  часть классического наследия  термодинамики автор подвергает ревизии, а часть использует  в качестве доказательства своей правоты.  Однако обращение к классике выливается в весьма спорную форму представления, вернее, искажения основных законов, отраженных в уравнениях гидродинамики.

Покажем это на примере манипулирования  базовыми  уравнениями гидро- и газодинамики -  уравнениями Бернулли. Этот пример покажет, как просто впасть в ересь. Приведем отрывок статьи, где упомянуто одно из уравнений:

«Проведём ещё один мысленный эксперимент. Возьмем два сосуда, соединенные перемычкой. Заполним один из них воздухом, после чего откроем перемычку. Воздух устремится во второй сосуд, причем, в перемычке его движение будет максимально быстрым. Заставим движущийся газ работать, сжимая пружинки и фиксируя их в сжатом положении. Когда все успокоится, пружинки окажутся сжатыми. Откуда взялась их потенциальная энергия? За счет кинетической энергии, источником которой является тепловая энергия воздуха, который на соответствующую величину остынет. Это его охлаждение вдоль линии тока приближенно описывается уравнением Бернулли

                                                         (1)

для идеального газа, совершающего адиабатическое движение, где v – скорость течения газа, cp – его теплоёмкость при постоянном давлении и T – абсолютная температура [6, с. 37]».

Суть уравнений Бернулли – иллюстрация  закона сохранения энергии в движущемся потоке идеальной жидкости или газа. Для идеальной жидкости левая  часть уравнения – сумма трех членов, трех видов давления, имеющих одну размерность: соответственно  статического, динамического и  весового.

*,                                                    (2)

где  P -  давление  статическое (обычно, атмосферное),

r – плотность,

v - скорость движения потока,

g = gr -объемный вес потока,

g - ускорение силы тяжести,

Для идеального газа  в левой части четыре члена

,                                              (3)

где сv -  теплоемкость газа при постоянном объеме.

Эти уравнения позволяют понять, как реализуется закон сохранения энергии потока. Если увеличивается его скорость,  то это происходит за счет уменьшения других членов, обычно – давления статического и/или геометрического или температуры. Если растет давление, то уменьшается скорость потока.  Но отнюдь не так, как думает автор, утверждающий, что   давление меняется пропорционально скорости:

«Представим себе кольцо, внутренняя поверхность которого сформирована в виде сопла Лаваля. В сужающемся канале набегающий воздушный поток, естественно, разгоняется. В полном соответствии с законом сохранения энергии, давление, пропорционально росту скорости2, уменьшается, больше всего – в самом узком месте (критическом сечении)».

В этом утверждении несколько  ошибок. Зависимость между скоростью и давлением согласно формулам (2) и (3) не может быть пропорциональной, поскольку давление и скорость имеют разные показатели степени.  В крайнем случае, когда статическое давление и  константа равны нулю или равны между собой, весовое давление может быть обратно пропорционально квадрату скорости.

Автор описывает трубу Вентури, но называет ее соплом Лаваля.  Напомним,  сопло - это коническая насадка на конце трубы.  Трубу Вентури  называть кольцом можно лишь при весьма большом воображении.

Примем во внимание, что уравнения (2) и (3) справедливы соответственно лишь для идеальных жидкостей и газов. Для реальных сред силами трения  пренебрегать нельзя. И по мере продвижения в трубах работа сил трения растет,  уменьшая давление.  Если сечение трубы не меняется, а поток жидкости или газа сплошной, то кинетическая энергия сохраняется постоянной, но с удалением от входа уменьшается  потенциальная энергия. Часть потенциальной энергии превращается в тепло.

Это результат  трения о стенки и  прохождения препятствий на пути в виде сужений, колен  и других  преград. То есть  течение  газа, воды  или нефти и  всех без исключений жидкостей и газов  в трубах, из сосудов  в атмосферу  или в другие  сосуды, из окружающей среды внутрь сосуда (емкости)   требует  первоначальных затрат энергии  на  создание перепада давлений на входе и на выходе. Без насосных и компрессорных станций,  без естественных  или искусственно созданных перепадов давления, используемых, например, на гидростанциях,  никак не обойтись.

Изменение температуры сопровождается изменением   плотности, а, стало быть, весового давления, что внешне трудно заметить, но механика  течений в океане, море, озере или реке определяется при прочих равных условиях именно этим обстоятельством.   

Если  в потоке появляется какое-то инородное по отношению к потоку тело (кирпич или пружинка), то  уравнения Бернулли  неприменимы, поскольку они  относятся к единице веса движущейся жидкости или газа, а не ко всей  рассматриваемой системе.

Труба Вентури как любое сопротивление, любая преграда на пути потока,  вызовет увеличение температуры. И нагромождение таких труб фабрикой холода никогда не станет.  Зато создание препятствий  на пути потока как способ преобразования механической энергии  в тепловую нашел применение в циркуляционных системах, где насос гоняет по кольцу воду. Такого вида  «тепловой насос» демонстрировался на международной выставке «Акватек», Москва. 2001.

С термодинамикой  тоже  не все гладко. Рассмотрим трубку тока с резко уменьшающимся поперечным сечением, что имеет место, например, при истечении идеального газа из сопла баллона.  Удельная энтальпия газа  определяется соотношением

h = cpT,

где cp – теплоемкость при постоянном давлении,

      Т – абсолютная температура.

Скорость течения в узкой части  отверстия

                                                           (4)

Рассмотрим случай, когда  к трубке тока энергия извне не подводится и течение адиабатическое, тогда согласно уравнению Пуассона

 ,                                                       (5)

где к  - показатель адиабаты. Температуру  Т2   находим после простых преобразований этой формулы в формулу:

.                                    (6)

И в этом случае легко убедиться, что поток может возникнуть только тогда, когда есть разность давлений.   Причем P2  должно быть меньше P1. Иными словами, в баллон нужно сначала воздух накачать. То есть затратить энергию, часть которой  перейдет в кинетическую энергию потока, а для реальной жидкости или газа еще пойдет и на преодоления сопротивления  перехода из одной емкости в другую. Автор, видимо, об этом не знает. 

Не лучше автор разобрался и с газотурбинными двигателями (ГТД). В разд. 6  читаем:

« … газотурбинный двигатель, рабочее тело которого в идеальном случае затратит на вращение турбины почти все получаемое от нагревателя тепло, приобретает на выходе температуру, в точности равную температуре среды»

Но не дает ответа на принципиальный вопрос: «Каким при этом должно быть  давление продуктов сгорания на выходе из турбины?» Если положить его равным атмосферному, то температура  отходящих газов будет близка 5000С.

По современным технологиям тепло отходящих газов утилизируется в парогазовых установках, представляющих сегодня одну из наиболее совершенных возможностей значительного увеличения коэффициента полезного использования топлива. Давление    на    выходе            можно конечно сделать и меньше атмосферного и одновременно понизить температуру отходящих газов, чтобы довести их температуру до температуры окружающей среды, подавая их в емкости, из которых откачиваются продукты сгорания. Увы, на привод насоса опять пойдет энергия. И аргументация автора снова наталкивается на «стену» - невозможность движения жидкости или газа без перепада давления.

В технической термодинамике давно показано, что ГТД имеет кпд даже в идеальных условиях работы  ниже, чем тот, что дает формула Карно. В высказывании автора «Если некомпенсируемое превращение тепловой энергии в механическую возможно хотя бы в одном случае, значит, запрета на такое превращение не существует и оно возможно во многих других случаях»  две ошибки. Одна физическая – одного случая пока не зафиксировано. А вторая логическая. Согласно такой логике, будет справедливым следующее утверждение: «Если   один   может   стать чемпионом  мира, то  все могут стать чемпионами мира». Что невозможно: ведь чемпион по результатам должен отличаться  от всех.

В статье наряду с верными содержится множество  спорных утверждений. Рассмотрим лишь некоторые, кажущиеся нам наиболее принципиальными.     

«Вековой опыт человечества говорит,  что, потребляя энергию, основную её      часть мы всегда превращаем в тепло, загрязняющее среду тем больше, чем дальше мы продвигаемся по тропе прогресса. Наращивая потребление энергии, человечество загоняет себя в тупик, из которого, кажется, нет выхода».

В этом отрывке несколько неточностей. Большую часть своей многотысячелетней, а не вековой истории человечество имело два источника энергии: тепло окружающей среды и пищу.  О какой энергии, которую «мы» превращали в тепло, говорит автор, остается загадкой. Пища давала нам  мускульную энергию и  «материал» для живых тканей и костей.  Веками  человечество  создает вещества, материалы, конструкции,  добывает из-под земли полезные ископаемые.  Обогащает их, превращает в изделия. Перевозит грузы и людей. А сколько получается мусора, органического и неорганического, не превращенного в тепло!  Все эти деяния требуют работы, то есть потребления разных форм энергии для получения желаемых результатов.  Хотя  давно известно, что  большая часть, но далеко не вся затрачиваемая энергия  переходит в рассеянное тепло.          

И тепло не загрязняет среду.  Иначе солнце стало бы самым большим загрязнителем. Грязь  -  это  одно или несколько из регламентируемых в стандартах веществ.   Относить энергию  к грязи    в научном журнале неуместно. 

Тупик,  которым нас пугает автор, гипотетичен, зато способов предотвращения перегрева уже предложено множество, появилось целое направление – альтернативная энергетика и множество работающих устройств.

Чтобы повысить собственную значимость,  не ниже ранга главного спасителя человечества, автору   важно     предостеречь читателя, а затем показать выход:      «Пренебрегая тонкостями расчёта теплового баланса Земли, которые современной науке всё равно недоступны, можно полагать, что жизнь на Земле погибнет, когда количество энергии, вырабатываемой человечеством за год, станет сравнимым с количеством солнечной энергии, ежегодно достигающей поверхности Земли ».  Вот почему, убеждает С.Д.Хайтун, нужны фабрики холода!

Автор вправе иногда прибегать к догадкам, но грустно, когда в большой статье в научном журнале доказательств – минимум,   а догадки выдаются за аргументы и «более надежны», нежели расчеты.

Проиллюстрируем стиль автора: «Основных  законов эволюции, на наш взгляд, два – это закон возрастания энтропии и принцип максимально быстрого возрастания энтропии, точнее – энтропийный принцип минимакса. Взятые в совокупности, они говорят, что замедление потребления энергии, если оно действительно началось, носит, скорее всего, временный характер и что, пойдя по этому пути, человечество рискует погибнуть.

Оба «закона» придуманы автором и они,  конечно, «важнее» законов Дарвина, законов генетики, законов социологии и др. Они автором придуманы и с автором говорят, а он им верит и предлагает поверить  и нам. Ведь теперь – это уже - не мнение Хайтуна, а «законы природы»!  

«…законы эволюции диктуют человеку не просто рост энергопотребления, но рост максимально быстрый.

И говорят законы  сокровенное:  «…существенное и долговременное снижение потребления энергии человеком пошло бы вразрез с законами эволюции, отменить которые он не властен... Рост энергопотребления не обязательно, конечно, должен быть экспоненциальным, но он должен быть максимально быстрым. Наше дело – не тормозить его искусственно, но максимально ему содействовать. Этого требуют законы эволюции, пойдя против которых, человечество просто погибнет».

Придумать законы властен, а отменить – ни-ни.   Джин уже вылез из бутылки. Экономить энергию, по Хайтуну, бессмысленно и неестественно. Наоборот, надо всеми силами строить энергетические объекты в виде фабрик холода  имени спасителя человечества С.Д.Хайтуна.  Да и как может быть иначе, если «эволюция   направлена  в   сторону максимальной интенсификации процессов превращения энергии».

По этому поводу Поль де Кок  остроумно заметил:

«Философы законы нам находят,

лишь те, что их уму подходят.

И чтоб свою находку оправдать,

спешат ее природе навязать».

А выдуманный автором мир активен. Он не только говорит и диктует, но и совершает другие  разумные действия.

«…система выбирает распределение, самое широкое (самое однородное, самое хаотическое) из разрешенных взаимодействиями, что далеко не всегда совпадает с нашими оценками сложности/беспорядка реальных систем, которые мы всегда  даем «на глазок» без учета взаимодействий».

Оказывается, мы в компании с автором всегда даем оценки «на глазок». Зато апломб неколебим. Поэтому не изволим сомневаться: «Чем интенсивнее идут    в       системе всевозможные процессы метаболизма, о чём можно судить просто «на глазок», тем быстрее растет  энтропия системы».

 Доказательства автору не нужны. Хватает веры в точность своего глаза. А вот еще один образчик откровения,  научность которого уже каждый может оценить лично.

«Количество вещества, которое живые организмы ежегодно пропускают через себя, в тысячи раз превосходит их собственный вес и  превышает вес земной коры».

Мы вправе отнести себя к живым организмам. Допустим, наш вес 70 кг.  По утверждению автора, мы пропускаем за год  70 тонн вещества каждый или   более 191 кг в день.

Еще более нелепо сравнение весов земной коры  и продуктов жизнедеятельности биоты. Поскольку  слой земной коры  около 50 км, а плотность примерно в  три раза превышает плотность живых организмов, то  количество пропущенного ими  вещества при его равномерном распределении по поверхности  планеты, по Хайтуну, образует  слой толщиной свыше 150 км.

Думается, сказанного вполне достаточно для того, чтобы  весьма скептически оценить статью и отнести ее к  плодам околонаучного творчества с малой степенью достоверности.

 

 



1 В.Г.Барский, академик РАЕН, Отделение проблем изучения биосферы РАЕН.

   Р.И.Соколовский, д.ф-м.н, проф. кафедры промэнергетики МГТУ.

2 Здесь и далее слова красным цветом выделены рецензентами.