Подпись: Продолжение дискуссии 

 


С. Д. Хайтун[1]

ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА И “ФАБРИКИ ХОЛОДА”

 

Содержание

Что осталось от авторской концепции после ее “разгрома”?

Можно ли считать “фабрику холода” вечным двигателем  второго рода?

Запрещаются ли “фабрики холода”гидро-  и  газодинамикой?

Запрещаются ли “фабрики холода” термодинамикой?

Можно ли практически развернуть ретермальную энергетику на основе “фабрик холода”?

Направлена ли эволюция в сторону интенсификации метаболизмов?

Литература

 

          В первом номере “Биосферы” моя статья [12] была опубликована в сопровождении рецензии на нее В.Г. Барского и Р.И. Соколовского [2]. Такую практику можно только приветствовать, и я с удовольствием выражаю рецензентам свою признательность за взятый ими на себя труд.

Моя признательность может показаться читателю несколько натужной, так как рецензия носит отрицательный характер и написана, скажем так, весьма живо. Не видя в моей статье ничего положительного, рецензенты относят ее “к плодам околонаучного творчества с малой степенью достоверности”. Однако я искренне считаю, что критика – это всегда благо, особенно, если она, как в данном случае, отражает господствующую точку зрения на предмет, а вы, как это делает автор этих строк, эту точку зрения оспариваете. Резкость рецензии мне даже на руку, предоставляя возможность, отталкиваясь от «пунктов обвинения», более выпукло изложить некоторые важные положения своей концепции, оставшиеся в основной статье затенёнными.

ЧТО ОСТАЛОСЬ ОТ АВТОРСКОЙ КОНЦЕПЦИИ ПОСЛЕ ЕЕ “РАЗГРОМА”?

 

          Кратко мою концепцию можно изложить следующим образом. С потеплением климата, на мой взгляд, можно бороться посредством “фабрик холода”, которые бы преобразовывали тепло, рассеянное в атмосфере и/или океане, в полезные виды энергии. Если бы такие “фабрики холода” удалось сделать достаточно мощными и поставить их производство и эксплуатацию на поток, то это дало бы как минимум тройной эффект.

Во-первых, отъём тепла у атмосферы и/или океана означал бы прямое их охлаждение, что не только позволило бы справиться с текущим потеплением климата, но и дало бы в перспективе средство для регулирования климата.

Во-вторых, мы получили бы возможность перейти, опять же в перспективе, к ретермальной (тепловой) энергетике, построенной на “круговороте тепла”: снова и снова собирая тепло, рассеиваемое традиционными энергетическими установками и потребителями энергии, “фабрики холода” возвращали бы в энергооборот существенную часть (до 90 % и более) потребляемой энергии, что позволило бы резко сократить добычу ископаемых носителей энергии, многократно растянув во времени использование их разведанных запасов.

В-третьих, сокращение добычи ископаемых энергоносителей уменьшило бы выделение в атмосферу загрязняющих веществ, прежде всего – углекислого газа, что ослабило бы парниковый эффект. Согласно некоторым оценкам, достаточно сократить добычу ископаемых носителей энергии на 20 %, и потепление климата прекратится. Верно последнее или нет, не вызывает сомнений, что переход к тепловому кругообороту привел бы к существенному уменьшению загрязнения планеты продуктами отхода энергетических установок, использующих сегодня уголь, нефть, газ и другие “грязные” носители энергии.

Это, конечно, не означало бы разрешения всех экологических проблем. Более того, переход к ретермальной энергетике вызвал бы новые. Вот одна из них. Когда производство будет постоянно извергать из себя гигантские и всё возрастающие количества тепла, а “фабрики холода” должны будут рассеивать в океане и/или атмосфере в точности равные им количества холода, случайный сбой в работе “фабрик холода” будет чреват “тепловым взрывом” всей ноосферы. Возникнет задача управления ноосферой в условиях ее неустойчивости.

Сегодня можно пожелать человечеству дожить до этих проблем, преодолев подступающее потепление климата, последствия которого могут быть более чем серьезными. Мы можем расходиться в анализе его первопричин. У нас могут быть разные оценки того, какую именно долю добываемой энергии мы в конечном счёте рассеиваем в среде в виде тепла – 90, 99 или 99,9%. Бесспорно, однако, то, что реализация “фабрик холода” в промышленных масштабах имела бы гигантский эффект, изменив весь энергетический баланс человечества со средой. Я считаю, поэтому, что специалисты просто обязаны обсуждать эту возможность, хотя она и не стыкуется с некоторыми нашими привычными представлениями.

Помимо прочего, и это я обращаюсь к российским ученым и изобретателям, не хотелось бы, как уже не раз бывало в России, проскочить мимо того, что может иметь масштабные прикладные последствия, измеряемые миллиардами, если не сотнями и тысячами миллиардов, долларов. В конце концов, если потом окажется, что автор ошибается, потери (на бумагу и пр.) невелики. Если же идея будет зарублена на корню, а потом выяснится, что она верна, то останется предаться привычному российскому занятию – кусанию локтей.

          Соображения, лежащие в основании моей концепции, можно разделить на эмпирические (опытные) и теоретические. Наиболее важным опытным фактом я считаю электростанции, работающие на разности донной и поверхностной температур океана. Здесь электроэнергия вырабатывается за счёт рассеянного в океане тепла, и, следовательно, такая электростанция является “фабрикой холода”.

Разумеется, рассеянное тепло превращается здесь в электроэнергию только потому, что в океане присутствует температурный градиент. Так никто ведь и не утверждает, что тепло может некомпенсированным образом превращаться в другие формы энергии в отсутствие градиентов. Главное – что мы имеем в этом случае искомую “фабрику холода”, которая одновременно является и энергетической установкой. Это значит, что законы физики таких “фабрик холода” не запрещают, и именно на этом факте зиждется оптимизм автора. Раз существуют “фабрики холода” одного типа, то не возбраняется думать и в направлении создания “фабрик холода” других типов, более мощных и экономически рентабельных.

          Наши теоретические аргументы базируются на переосмыслении понятия энтропии. Главный вывод здесь – энтропия не является мерой беспорядка[2].

Точнее, мерой беспорядка не является энтропия системы, в отличие от энтропии распределения, которая мерой беспорядка таки является (чем сложнее распределение, тем меньше его энтропия). Всё дело во взаимодействиях, которые действуют в реальных системах и вне которых благополучно пребывают распределения, будучи математическими объектами. Энтропия является мерой беспорядка для системы с выключенными взаимодействиями (идеальный газ) и не является таковой в случае реальных, в том числе и изолированных, систем, рост энтропии в которых может сопровождаться усложнением структуры[3].

Вопреки тому, что считается в теории диссипативных структур И. Пригожина и синергетике, открытость системы не является необходимым условием ее усложнения. Другое дело, что взаимодействие открытых систем друг с другом и со средой ускоряет рост энтропии[4],  почему эволюция и перешла к автопойэтическим системам, которые не просто интенсивно обмениваются энергией и веществом друг с другом и со средой, но и существовать-то могут только как открытые. Именно таковы органические и социальные системы.

Поскольку энтропия не является мерой беспорядка, постольку закон возрастания энтропии не диктует общего нарастания теплового беспорядка. Соответственно, из этого закона не следует и невозможность некомпенсированного превращения тепла в другие формы энергии. Некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии возможно, и именно его мы предлагаем реализовывать в “фабриках холода” [5].

          Ни электростанций, работающих на разности донной и поверхностной температур океана, ни вывода об ошибочности трактовки энтропии как меры беспорядка рецензенты не касаются. Стало быть, они не касаются и существа нашей концепции. Все замечания рецензентов относятся к второстепенным деталям. Написать рецензию размером в добрую половину критикуемой статьи, не затронув существа изложенной в ней концепции, – большое искусство.

МОЖНО ЛИ СЧИТАТЬ  “ФАБРИКУ ХОЛОДА”  ВЕЧНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВТОРОГО РОДА?

За пылким неприятием рецензентами нашей концепции стоит, мне кажется, разделяемая ими и господствующая сегодня установка на принципиальную невозможность вечных двигателей 2-го рода, к коим и могут быть отнесены наши “фабрики холода”. То обстоятельство, что рецензенты не говорят об этом главном пункте обвинения ни слова, связано, возможно, с тем, что они пока не выработали отношения к нашему утверждению о том, что электростанция, работающая на разности донной и поверхностной температур океана, является вечным двигателем 2-го рода. С одной стороны, им твердо известно, что вечный двигатель 2-го рода невозможен. С другой стороны, такие электростанции действительно существуют, и они на самом деле потребляют рассеянное в океане тепло.

          В сложном положении находятся не только рецензенты, но и автор, которому приходится выступать против этой общепринятой установки. Невозможность вечного двигателя 2-го рода – незыблемый тезис современной физики. Серьезные научные журналы не рассматривают статьи, в которых высказываются сомнения в справедливости этого тезиса. Если кто-то его оспаривает, то он не учёный, ему лучше обратиться в клинику. Физики берут на себя функции психиатров, что само по себе, конечно, очень мило, но не по их специальности. Не всё, однако, так печально. Автор, как ему хочется думать, умственно здоров, а не совсем в порядке был, на наш взгляд, Вильгельм Оствальд, который некорректным образом ввел понятие вечного двигателя 2-го рода.

Обычно запреты, подобные запрету на вечный двигатель 2-го рода, освящены непререкаемыми научными авторитетами. Какими научными авторитетами освящён данный тезис? Только (авторитетом) Вильгельма Оствальда, прочие классики термодинамики и статистической физики второй половины XIX века, насколько мне известно, здесь не замечены. Ни В. Томсон, ни Р. Клаузиус, ни Л. Больцман, ни К. Максвелл, ни Дж. Гиббс. Однако, в отличие от названных учёных, Оствальд, как мне кажется, в непререкаемые авторитеты пока не зачислен. Об этом говорит и существование целого ряда определений вечного двигателя 2-го рода, “уточняющих” определение Оствальда, но принадлежащих отнюдь не классикам науки. “Запрещая” вечный двигатель 2-го рода, физики никак не могут договориться друг с другом, что же именно они “запрещают”.

Вина Оствальда в том, что он “пристегнул” к рассмотренной им гипотетической энергетической установке, работающей за счет рассеянного тепла, эпитет “вечный двигатель”. Свою установку он назвал вечным двигателем 2-го рода, а гипотетическую установку, работающую без источника энергии и нарушающую тем самым закон сохранения энергии, – вечным двигателем 1-го рода. Не имея доказательства невозможности своей установки, он использовал магию слов “вечный двигатель невозможен”. Своего рода психологический трюк, на который попались последующие поколения физиков.

          Процитируем это ключевое определение Оствальда еще раз (сохраняю знаки препинании оригинала): “Работа, доставляемая гигантской машиной океанского парохода, целиком переходит в теплоту, так как энергия движения движущегося судна по прибытии становится равной нулю и превращается в теплоту. Если бы можно было, сообщенную морской воде теплоту, обратно превратить в энергию движения, то пароход мог бы совершить свой обратный путь без затраты угля, что, конечно, невозможно. Вообще незначительной части заключающейся в океане в виде теплоты энергии было бы достаточно, чтобы привести в движение машины всего света.

Исполнение этого было бы равносильно perpetuum mobile, хотя при этом энергия и не возникает из ничего; но так как одно и то же количество энергии постоянно можно было бы употреблять для одинаковых превращений, то техническую задачу дарового получения работы можно было бы считать разрешенной. Что этого на самом деле нет, выражают в следующей форме: perpetuum mobile второго рода не возможен (выделено мной – С.Х.)” [7, с. 100–101].

          Одно и то же количество тепла и на самом деле нельзя употреблять снова и снова для одинаковых превращений, поскольку, как разъяснялось в статье [12], некоторая (небольшая) часть энергии обязательно выбывала бы каждый раз из круговорота. И, вообще, все реальные процессы в мире и эволюция в целом необратимы. Но откуда следует, что невозможно как таковое некомпенсированное превращение рассеянного тепла в другие формы энергии? Из закона возрастания энтропии, если принять во внимание ошибочность трактовки энтропии как меры беспорядка, это не следует. Электростанция, работающая на разности донной и поверхностной температур океана, представляет собой пример именно такого вечного двигателя 2-го рода.

Заметим, что у Оствальда не звучит ни требование периодичности действия вечного двигателя 2-го рода, ни требование, чтобы он не изменял термодинамического состояния окружающих тел. Любая энергетическая установка изменяет состояние окружающих тел, но так оно и должно быть. Включение этих требований в определение вечного двигателя 2-го рода – на совести современных безымянных авторов, уже почувствовавших, что с определением Оствальда что-то не так, но еще не пожелавших расстаться с тезисом о “невозможности вечного двигателя 2-го рода”. Если бы физики были уверены в невозможности оствальдовского вечного двигателя 2-го рода, зачем бы они подвергали его определение модификациям?

          Эпитет вечный (perpetuum) в определении вечного двигателя 2-го рода не следует понимать буквально – его тоже для психологического давления “пристегнул” Оствальд. Как и в случае вечного двигателя 1-го рода (которого и на самом деле не может быть), речь идет лишь о взаимоотношениях энергетической установки с источником энергии. Только в данном случае имеется в виду установка, которая бы превращала в работу “даровое” тепло, рассеянное в среде и источник энергии которой был бы поэтому практически неиссякаемым.

С точки зрения природы источника энергии, не имеет значения ни периодичность или непериодичность установки (энергетические установки бывают разные, и непонятно, зачем ограничиваться только циклическими), ни то, вносит ли она  необратимые изменения в термодинамическое состояние окружающих тел (это делает любая энергетическая установка). Важно другое – можно ли превращать рассеянное тепло в работу в одностороннем порядке, т.е. не увеличивая при этом суммарное количество рассеянного тепла? Оствальд считал, что нельзя. Он ошибался, указанная электростанция делает именно это.

Всё моё расхождение с канонической физикой в данном вопросе, по сути дела, состоит в том, является ли вечным двигателем 2-го рода электростанция, которая работает за счёт разности донной и поверхностной температур океана. Если опираться на определение Оствальда – является, если на определения безымянных современных авторов – нет. Вечный двигатель 2-го рода в определении Оствальда существует, вечный двигатель 2-го рода в “более строгих” определениях современных авторов создан быть не может. Лично я считаю, что более корректно использовать определение Оствальда как исходное. Но я полагаю, также, что весь этот терминологический спор имеет разве что исторический смысл, а главное во всём этом – реальны или нет “фабрики холода”. Мы видим, что реальны.

          Отказ от трактовки энтропии как меры беспорядка диктует пересмотр отношения не только к вечному двигателю 2-го рода, но и ко второму началу термодинамики, в отличие от закона возрастания энтропии, который, естественно, остается в силе.

          Закон необратимых изменений проэволюционировал в физике от второго начала термодинамики (ВНТ) до закона возрастания энтропии (ЗВЭ), подобно тому как первое начало термодинамики (ПНТ) проэволюционировало к закону сохранения энергии (ЗСЭ). Оба начала представляют собой приложения соответствующих законов – ЗСЭ и ЗВЭ – к системам, в которых существенны тепловые процессы. Однако судьба у двух начал разная. Если сегодня никому и в голову не придет говорить о “законе сохранения тепловой энергии”, которая является только частью сохраняющейся полной энергии, то ВНТ и по сей день трактуется многими авторами как утверждение о нарастании в мире общего количества тепла. Другими словами, кроме закона возрастания полной энтропии считается справедливым еще и “закон возрастания тепловой энтропии”.

          Такое понимание второго начала базируется на том бесспорном факте, что потребление энергии живыми организмами и человеком связано с рассеянием ее большей части в виде тепла. Если мы считаем, что рост энтропии означает нарастание беспорядка, воплощением которого является тепловое (хаотическое) движение молекул, то обязаны сделать вывод и о нарастании общего количества теплового беспорядка.

          Ошибочность трактовки энтропии как меры беспорядка побуждает нас пересмотреть и устоявшееся понимание второго начала, что и было нами сделано в предыдущей статье. Из всех формулировок второго начала, на наш взгляд, справедлива лишь формулировка Р. Клаузиуса, согласно которой невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от холодных тел к телам нагретым; иными словами, невозможен процесс, единственным следствием которого являлся бы переход теплоты от холодного тела к нагретому[6]. Эта формулировка является частным случаем закона возрастания энтропии, когда выключены все взаимодействия, кроме тепловых (это условие заложено в требовании самопроизвольности перехода теплоты).

Справедлива также формулировка В. Томсона о том, что в материальном мире существует общая тенденция к рассеянию механической и других форм энергии в виде тепла. Но в этой формулировке речь идет не о законе, но всего лишь о тенденции. Именно эту тенденцию мы и предлагаем переломить в нашей среде обитания посредством использования “фабрик холода” и перехода к ретермальной энергетике.

ЗАПРЕЩАЮТСЯ ЛИ “ФАБРИКИ ХОЛОДА”ГИДРО-  И  ГАЗОДИНАМИКОЙ?

Согласно рецензентам, “основная идея автора статьи сводится к практической возможности преобразования рассеянной тепловой энергии в механическую, что, по его мнению, может вызвать переворот в энергетике”. При этом, говорят они, “обращение к классике выливается в весьма спорную форму представления, вернее, искажения основных законов, отраженных в уравнениях гидродинамики”, и демонстрируют “это на примере манипулирования базовыми уравнениями гидро- и газодинамики – уравнениями Бернулли”, который (пример) “показывает, как легко впасть в ересь”.

          Докладываю, что я доказывал в статье [12] не “практическую”, но лишь принципиальную возможность преобразования рассеянной тепловой энергии в другие формы энергии. Это далеко не одно и то же. Никто не сомневается в принципиальной возможности управляемого ядерного синтеза, вот только практической реализации этой идеи не могут добиться вот уже тридцать лет. Принципиальную возможность использования “фабрик холода”, некомпенсированным образом превращающих рассеянное тепло в другие формы энергии, мне кажется, я доказал и в теоретической, и в эмпирической части. Примером такой установки является, повторим это еще раз, электростанция, работающая на разности донной и поверхностной температур океана. Не трогая ее, рецензенты нападают на приведенное в статье описание мысленного эксперимента такого же рода. Вынужден себя процитировать:

“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 [9, с. 37]”.

          Где здесь “весьма спорная форма представления, вернее, искажения” уравнения Бернулли? Рецензенты выписывают уравнение Бернулли для жидкости и газа соответственно в виде

                                                    (2)

и

,                                               (3)

(P – давление, r – плотность, g – ускорение земного тяготения, cv – теплоемкость при постоянном объеме). “Эти уравнения, – пишут они, – 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”.

          Здесь, в общем-то, всё верно, только всё правильно было сказано и в нашей статье. Уравнение (3) отличается от (1) на слагаемое gρz, связанное с движением потока в поле тяжести Земли. Очень часто, однако, когда, скажем, поток движется горизонтально, этот член опускают. Несложно убедиться, что оставшееся уравнение

                                                (4)

для адиабатического идеального газа, в силу соотношения для него [9, с. 36]

,                                                       (5)

(γ=сp/cv)), совпадает с уравнением (1), что и требовалось доказать. Только уравнение (1) в нашем случае предпочтительнее уравнения (4), поскольку более четко рисует баланс энергии, позволяя понять, что в нашем мысленном эксперименте увеличение скорости потока воздуха происходит за счет его охлаждения. Понятно, что воздух ускоряется давлением, однако, - и это здесь ключевой момент - совершаемая им работа, PΔV, не является формой энергии.

В самом деле, мы знаем такие формы энергии, как механическая (кинетическая и потенциальная), гравитационная, электромагнитная, тепловая и т.д. Формы энергии под названием “работа” не существует. Работой называют “передаточную” порцию энергии, превращаемую из одной формы энергии в другую. Другими словами, работа – это энергия на пути от одной ее формы к другой. «Работа термодинамической системы над внешними телами заключается в изменении состояния этих тел и определяется количеством энергии, передаваемой системой внешним телам при изменении внешних параметров системы» [11, с. 600]. Превращаемые друг в другу формы энергии могут быть самыми разными, но порция энергии, используемая человеком на стадии превращения энергии из одной формы в другую, в общем случае называется работой. Как бы то ни было, работа не участвует в конечном балансе форм энергии.

          Энергия газа при наличии в нем потоков состоит из кинетической энергии потоков и внутренней энергии газа, которая в случае идеального газа сводится к тепловой и которая, не изменяясь с объёмом газа, зависит только от его температуры [5, с. 148]. Поэтому само по себе расширение воздуха в нашем мысленном эксперименте на второй сосуд не изменило его внутренней (тепловой энергии) энергии, а кинетическая энергия могла вырасти здесь только за счёт его тепловой энергии, что мы и доказываем и что только затуманивается уравнением Бернулли в форме (4) [7].

          Рецензенты говорят, также, о неприменимости в данном случае уравнения Бернулли из-за трения и прочих усложняющих обстоятельств. Согласен. Так я ведь и говорил в статье [12], что охлаждение вдоль линии тока описывается уравнением Бернулли приближенно. Только что это меняет? Я использовал это уравнение как средство качественного описания. И сделал это, на мой взгляд, достаточно корректно. Никакое уточнение описания не отменит того простого факта, что потенциальная энергия сжатых пружинок появляется в нашем мысленном эксперименте за счет тепловой энергии газа. Гидро- или газодинамика для такого вывода вообще не нужны, требуется только закон сохранения энергии. И, стало быть, этот мысленный эксперимент представляет собой еще одно, на мой взгляд неопровержимое, доказательство возможности некомпенсированного превращения рассеянного тепла в другие формы энергии.

ЗАПРЕЩАЮТСЯ ЛИ “ФАБРИКИ ХОЛОДА” ТЕРМОДИНАМИКОЙ?

В статье [12] я противопоставлял циклические тепловые установки нециклическим. Во-первых, говорил я, теплота превращается в работу компенсированным образом, т.е. с выполнением неравенства

,   или    ,                                           (6)

причем, происходит это компенсирование в результате выполнения работы по возвращению каждый цикл рабочего тела в исходное состояние. Во-вторых, мы избавлены от необходимости возвращать рабочее тело в исходное состояние, и потому здесь превращение тепла в работу в принципе может происходить некомпенсированным образом, т.е. без соблюдения неравенства (6). Эту мысль мы иллюстрировали примером газотурбинного двигателя (ГТД), рабочее тело которого в идеальном случае, затратив на вращение турбины всё получаемое от нагревателя тепло, приобретает на выходе температуру, в точности равную температуре среды. Поэтому, говорили мы, в общем случае неравенство (6) здесь не обязано соблюдаться, т.е. тепло может превращаться в работу некомпенсированным образом. В общем случае здесь означает, что в каких-то случаях неравенство (6) здесь соблюдается, но мыслимы и ситуации, когда оно не соблюдается.

          Рецензенты по этому поводу пишут, что автор этих строк “не дает ответа на принципиальный вопрос: "Каким при этом (т.е. в том идеальном случае, когда все тепло, получаемое от нагревателя, приобретает на выходе температуру, в точности равную температуре среды – С.Х.) должно быть давление продуктов сгорания на выходе из турбины?" Если положить его равным атмосферному, то температура отходящих газов будет близка 500°С… В технической термодинамике давно показано, что ГТД имеет кпд даже в идеальных условиях работы ниже, чем тот, что дает формула Карно”.

          Расхождение между нами состоит в том, что в технической термодинамике под идеальными условиями работы ГТД понимается нечто совсем иное, чем я, когда полагаю температуру и давление продуктов сгорания на выходе равными температуре и давлению среды. Если бы удалось реализовать мою идеальную схему, то превращение тепла в работу стало бы здесь некомпенсированным. А, значит, неравенство (6) здесь в общем случае не выполняется. В статье [12] не обсуждалась степень реальности ГТД с некомпенсированным превращением тепла в работу. Может статься, таковые и нереальны. Я обсуждал ГТД чисто теоретически, четко сознавая, что они не годятся на роль “фабрик холода”. Моей целью было предложить еще один (пусть мысленный) вариант некомпенсированного превращения тепла в работу.

          Возможно, я немного перемудрил, взяв для иллюстрации своего тезиса слишком сложный и недостаточно очевидный случай с ГТД. Но вот пример с нециклической установкой попроще. Цитирую руководство по технической термодинамике:

          “В соответствии со вторым началом термодинамики нельзя тепло Q1 горячего источника полностью превратить в работу цикла L0, поскольку необходимо некоторое количество теплоты Q2 отводить холодильнику с более низкой температурой. Этот теплоотвод и представляет собой компенсацию, без которой в принципе невозможно превращение тепловой энергии в механическую.

            Однако следует сказать, что в нециклическом процессе полное превращение теплоты в работу вполне возможно (выделено мной – С.Х.)… Это имеет место, например, в изотермическом процессе идеального газа [10, с. 40]”.

          И, опять-таки, я вовсе не предлагаю положить в основу “фабрики холода” “изотермический процесс идеального газа”. Я доказываю здесь только то, что ни законы гидро- и газодинамики, ни законы термодинамики, ни какие-либо другие физические законы не запрещают теплоте некомпенсированным образом превращаться в другие формы энергии. Дело “только” за техническим решением этой проблемы.

МОЖНО ЛИ ПРАКТИЧЕСКИ РАЗВЕРНУТЬ РЕТЕРМАЛЬНУЮ ЭНЕРГЕТИКУ НА ОСНОВЕ “ФАБРИК ХОЛОДА”?

Имеет ли эта задача техническое решение или же, решая ее, мы столкнемся с непроходимыми трудностями, как это случилось, например, при реализации проекта управляемого ядерного синтеза, пока сказать затруднительно. Ответа на этот вопрос, ручаюсь, нет и у рецензентов. Тем не менее, они весьма горячо доказывают, что у них такой ответ есть и что этот ответ отрицательный, потому что для работы таких “фабрик холода” нужно искусственно создавать градиенты давления и температуры, для чего потребуются насосные и компрессорные станции. Думаю, что здесь преобладают эмоции.

Разумеется, “фабрика холода” без градиентов работать не может. Но, во-первых, в природе всегда присутствуют в гигантских масштабах градиенты температуры, давления, тепла и концентрации веществ. Если, используя эти градиенты, изымать ровно такие же количества тепла, какие выделяются в среду производством, то они (градиенты) будут поддерживаться на постоянном уровне.

Во-вторых, никакие законы физики не запрещают, насколько я могу судить, создания активных “фабрик холода”, которые бы сами создавали необходимые для их работы градиенты.

В этой связи мы рассказали в статье [12] о проекте российских изобретателей М. Егорова, И. Орлова и Э. Соболя. Идея запатентованного ими и существующего пока только на бумаге “суперветряка” проста. Поместим навстречу ветру сужающуюся трубу, воздух в которой будет разгоняться по чисто “геометрическим” причинам [8], одновременно охлаждаясь. Другими словами, внутри установки будет возникать градиент давления, который нетрудно использовать, поставив в самом узком месте трубы турбину.

Здесь, как и в рассмотренном в §3 мысленном эксперименте, ускорение потока воздуха происходит за счёт работы давления, которая, однако, как там разъяснялось, не будучи формой энергии, не входит в конечный баланс форм энергии. Как мы говорили, энергия воздуха в приближении идеального газа состоит из двух форм – кинетической энергии потока воздуха и рассеянной в нем тепловой энергии, так что увеличение первой с ускорением потока происходит за счет второй. По мере ускорения поток воздуха охлаждается [9].

Если сужающаяся труба расположена в атмосфере Земли, то в энергетическом балансе воздуха в общем случае принимает участие и его гравитационная энергия в поле Земли, однако это ее участие ничего здесь не определяет. Мы можем, например, исключить гравитацию, разместив нашу трубу в достаточно большом изолированном кубе с воздухом на космической орбите, и поток воздуха в трубе будет точно так же ускоряться.

          Ничего не говоря по существу этой идеи, рецензенты придираются к мелочам. Воспроизведя фрагмент моей статьи “В сужающемся канале набегающий воздушный поток, естественно, разгоняется. В полном соответствии с законом сохранения энергии, давление пропорционально росту скорости, уменьшается, больше всего – в самом узком месте (критическом сечении)” и не заметив, что это отрывок из высказывания И. Орлова, они укоряют меня: “Если растет давление, то уменьшается скорость потока. Но отнюдь не так, как думает автор, утверждающий, что давление меняется пропорционально скорости… Зависимость между скоростью и давлением согласно формулам (2) и (3) не может быть пропорциональной, поскольку давление и скорость имеют разные показатели степени”.

Отвечу за изобретателей: рецензенты ошибаются. Опуская в (2), как мы это делали в (3), гравитационное слагаемое gρz и дифференцируя получаемое уравнение

,                                                       (7)

получаем соотношение

                                                         (8)

(жидкость считаем несжимаемой, ), т.е. изменение давления  пропорционально изменению скорости , что согласуется с тем, что говорит Орлов.

          Еще одно столь же “принципиальное” замечание рецензентов: “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”.

          И снова рецензенты не замечают, что делают выговор не мне, а И. Орлову, фрагмент из публикации которого я процитировал в статье [12]. В отличие от меня, Орлов – профессиональный инженер, и знает, что трубка (а не труба!) Вентури – это всего-навсего сужение посредине трубы трубопровода, устраиваемое для замера расхода жидкости [11, с. 70], тогда как сопло Лаваля – это специально профилированный (вначале сужающийся, а потом расширяющийся на манер трубки Вентури, но более сложным образом) канал для разгона жидкости или газа и придания потоку заданного направления. У наших изобретателей этот особым образом профилированный канал в проекции “вид спереди” (поперек ветра) представляет собой кольцо, что не мешает ему в проекции “вид сбоку” (по ветру) оставаться соплом Лаваля.

          Я привел эти замечания-придирки рецензентов к изобретению Орлова с коллегами, чтобы показать их несерьезность. Серьезных возражений у рецензентов нет. Окончательно поверю, что этот “суперветряк” может работать, только когда увижу его “в железе”, однако теоретических оснований против него не просматривается. Я думаю, также, хотя изобретатели со мной в этом пункте не согласны, что подобная установка может работать, скажем, и в морском течении.

Между электростанцией, работающей на градиенте температуры между дном и поверхностью океана, и гипотетическим “суперветряком”, работающим на градиенте давления в сужающейся трубе, нет принципиальной разницы. Электростанция использует природный градиент, ветряк – искусственный, только и всего. Мы могли бы понаставить повсюду в атмосфере и мировом океане сужающиеся трубы, не снабженные турбинами. Естественные потоки воды и воздуха будут в этих трубах ускоряться. Все это – без нарушения законов физики, природа постоянно использует такой же механизм ускорения потоков. Все мы знаем, как ускоряется воздух в расщелинах между скалами или домами и река в узких стремнинах.

Могут ли теперь законы физики помешать нам снабдить все эти сужающиеся трубы турбинами, превратив их в “фабрики холода”? Не могут. Ни установка сужающихся труб, ни установка турбин не нарушает физических законов. Не нарушает этих законов и их объединение под одним кожухом в “суперветряке”.

Мы всего-навсего обращаем внимание на то, что эти потоки ускоряются за счет рассеянной в воздухе и воде тепловой энергии и предлагаем создавать их руками, чтобы черпать из них тепло в промышленных масштабах.

НАПРАВЛЕНА ЛИ ЭВОЛЮЦИЯ В СТОРОНУ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МЕТАБОЛИЗМОВ?

          Приведу высказывание рецензентов, которое не только поразило меня своей “живостью”, но и весьма существенно для понимания нашей концепции:

“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 превосходя их собственный вес, 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”.

          Увы, рецензенты просто не в курсе. Разумеется, человек как биологический организм пропускает через себя ежегодно не очень большое количество веществ, компенсируя этот “изъян” своей бурной производственной и сельскохозяйственной деятельностью. Приведу, однако, ряд цитат из работ специалистов по экологии и теории эволюции.

“Одни только уже нанесённые на карту устричные банки прогоняют сквозь себя объём воды, равный всему Мировому океану, примерно за месяц… Отсутствие в водах океана сколь-нибудь ощутимых количеств пыли, которая постоянно оседает на его поверхность, является результатом деятельности планктонных ракообразных: они очень быстро отфильтровывают взвесь, упаковывают её в формируемые их пищеварительным трактом компактные комки отработанной органики – фекальные пеллеты и отправляют на дно” [3, с. 137].

“Вода, содержащаяся в живой биомассе, в пять раз превышает объём воды во всех реках Земли... Для того чтобы растения смогли дать урожай в 20 т сырого веса или 5 т сухого веса, их корни должны выкачать из почвы, а листья испарить около 2000 тыс. т воды” [1, с. 20].

          “Как признаётся сегодня некоторыми геологами, все отложения осадочных пород на Земле так или иначе связаны с биологическими процессами, а в геологии земной коры всё более высоко оценивается решающая роль биосферы в переносе и концентрации минералов на нашей планете. Советский геолог А. В. Лапо, цитируя материалы недавнего исследования, подчеркнул, что "ежегодно растительный покров нашей планеты концентрирует количества минерального вещества… сопоставимые с их запасами в литосфере (выделено мной – С.Х.)" [6]. Ниже представлены некоторые показатели годовой концентрации минералов в биосфере:

Фосфор

1 млрд т

Железо

100 млн т

Марганец, медь, цинк

10 млн т каждого

Никель

1 млн т

Кобальт

100 тыс. т

          Произрастающая в африканской саванне слоновая трава ежегодно извлекает с 1 га (2,5 акра) почвы 250 кг двуокиси кремния и 80 кг щелочей, а каждый гектар влажного тропического леса – до 9 т двуокиси кремния” [1, с. 23].

          “Ежегодно публикуются статистические данные, позволяющие представить количества живых организмов, приходящихся на единицу площади земной поверхности. Например, годовой прирост леса в умеренной полосе в среднем равен 7–8 т/га. Урожай культурных полевых растений может достигать 15–20 т/га. Средняя численность планктона Атлантического океана составляет 10–15 т/га и т.д. Однако общая масса живого вещества на Земле не превышает 1/1000 веса земной коры, тем не менее активность его исключительно высока. Дело в том, что живые организмы непосредственно для своих нужд ежегодно перерабатывают множество веществ, в тысячи раз превосходящие их собственный вес. Следовательно, общее содержание веществ, которое организмы в течение одного года вовлекают в "вихрь жизни", должно превышать вес земной коры (выделено мной – С.Х.)” [4, с. 104].

          Как видим, биосфера и на самом деле ежегодно пропускает через себя гигантские количества вещества, сравнимые с массой литосферы и земной коры. В своих количественных оценках рецензенты не учли, что одни и те же неорганические вещества могут прогоняться за год через живые организмы многократно. Жизнь действительно чрезвычайно интенсифицировала по сравнению с неорганическим миром обменные процессы, а социальный мир интенсифицировал их по сравнению с органическим.

Надеюсь, эти факты (существует и множество других, им подобных) побудят моих оппонентов более серьезно отнестись к моему эволюционному принципу минимакса, согласно которому в ходе эволюции максимизируются темпы интенсификации процессов метаболизма, ведущих к последующей интенсификации процессов метаболизма, и минимизируются темпы интенсификации процессов метаболизма. не ведущие к последующей интенсификации процессов метаболизма. Разумеется, это только гипотеза, на большее я, естественно, не претендую. На ее основании я утверждаю, что человечеству не удастся сколько-нибудь существенно затормозить потребление энергии и что, поэтому, создание “фабрик холода” с переходом к ретермальной (тепловой) энергетике может оказаться одним из реальных путей выхода человечества из “теплового” тупика. Верно ли это утверждение, судить не мне. Потомки увидят.

Необратимость эволюции не исключает круговорота вещества и энергии. Все мы знаем о круговороте в природе воды, углерода, фосфора и многих других химических элементов и соединений. Имеет место в ней круговорот и разных форм энергии – ведь потребление энергии представляет собой всего-навсего превращение одной формы энергии в другую. Происходит в природе и круговорот тепловой энергии. Неверно было бы полагать, что, однажды выделившись, тепло более не превращается в другие формы энергии, блуждая по Земле вплоть до рассеяния в Космосе. Ретермальная (тепловая) энергетика и позволила бы человечеству взять круговорот тепла в свои руки.

В случае успеха реализация “фабрик холода” будет иметь гигантские прикладные последствия, измеряемые миллиардами, если не сотнями и тысячами миллиардов, долларов.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Аллен Дж., Нельсон М. Космические биосферы. М.: Прогресс, 1991. 127 с.

2.    Барский В.Г., Соколовский Р.И. Как не спасти человечество. Рецензия на статью С.Д. Хайтуна “Возможности решения проблемы теплового загрязнения среды путём перехода к ретермальной энергетике” // Биосфера. 2002. № 1 (http:www.ihst.ru/~biosphere/Mag_1/sokol.htm).

3.    Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней. Учебное пособие для старших классов. М.: МИРОС–МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2000. 352 с.

4.    Константинов А.В. Основы эволюционной теории. Минск: Вышейшая школа, 1979. 383 с.

5.    Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964. 567 с.

6.    Лапо А В. Следы былых биосфер. М.: Знание, 1979. С. 75.

7.    Оствальд В. Основы физической химии. СПб.: Естествоиспытатель, 1911. VIII+805 с.

8.    Петров Ю.П. Энтропия и неупорядоченность // Природа. 1970. № 2. С. 71–74.

9.    Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 2. М.: Наука, 1994. 560 с.

10.           Техническая термодинамика. Под ред. А.С. Телегина. М.: Металлургия, 1992. 238 с.

11.           Физика. Большой энциклопедический словарь. М.: БРЭ, 1999. 944 с.

12.           Хайтун С.Д. О возможности решения проблемы теплового загрязнения среды путём перехода к ретермальной энергетике // Биосфера. 2002. № 1 (http:www.ihst.ru/~biosphere/Mag_1/termo.htm).



[1] Ведущий научный сотрудник Института истории  естествознания и техники им. С.И.Вавилова  РАН, к.ф-м.н.

[2] Как оказалось, к такому же выводу пришел не только К. Денбиг в 1983 г., о котором говорилось в статье [11], но и советский ученый Ю.П. Петров еще в 1970 г. [7].

[3] При обосновании этого утверждения в статье [11] я допустил по недосмотру две небольшие ошибки-“опечатки”. В выражении для распределения Гиббса  я потерял знак минус, сохранив его в выражениях для распределений Максвелла  и Больцмана . Вторая ошибка: величина g в распределении Больцмана была названа гравитационной постоянной, тогда как она, конечно же, является ускорением земного тяготения. Гравитационная постоянная G и g связаны соотношением , где M и R– соответственно масса и радиус Земли.

[4] Напоминаем, что, как это вытекает из определения тепловой энтропии выражением

,

(S – энтропия, Q – тепло, T – температура, t –время), скорость изменения тепловой энтропии пропорциональна скорости изменения тепловой энергии, которая (скорость) в общем необратимом случае является скоростью превращения тепловой энергии в другие формы энергии. Соответственно, скорость роста полной энтропии характеризует скорость (интенсивность) всей совокупности процессов превращения разных форм энергии друг в друга.

[5] Превращение тепла в другие формы энергии, не компенсированное обратным возникновением тепла, может происходить только при наличии в системе градиентов. Если бы мы просто отняли у тела тепло Q при температуре T, превратив его, скажем, в механическую энергию, то уменьшили бы энтропию на ΔQ/T, что невозможно. Участие градиентов изменяет энтропийный баланс, добавляя слагаемое ΔSгр, которое отвечает изменению градиентов и которое современная теория рассчитывать не умеет. Случай положительного энтропийного баланса, (–ΔQ/T+ΔSгр)>0, и реализуется в “фабриках холода”.

[6] Формулировка Клаузиуса запрещает прямой переход тепла от холодного тела к нагретому, потому что при этом энтропийный баланс был бы отрицательным:

.

Участие градиентов, изменение которых добавляет слагаемое ΔSгр, изменяет энтропийный баланс, так что он может оказаться положительным:

Мы можем, например, использовать электроэнергию, полученную электростанцией, работающей на разности температур донной и поверхностной температур океана, чтобы подогреть чайник. В результате тепло перейдет от холодного океана к горячему чайнику, но это не противоречит данной формулировке, потому что происходит с изменением температурного градиента в океане.

[7] Энтропийный баланс здесь является положительным за счет изменения градиента давления который оказывается здесь и градиентом температуры (см. сноску [4]).

[8] При перемещении порции жидкости или газа с массой ΔM по трубе за время Δt из сечения S1 в сечение S2 в случае непрерывного потока выполняется соотношение , или . В случае несжимаемой жидкости это дает , так что непрерывность потока может обеспечиваться только его ускорением. В случае газа непрерывность потока может обеспечиваться еще и увеличением его плотности, однако реально происходит и его ускорение. Напомним, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его плотности, определяясь только его температурой, так что само по себе изменение плотности воздуха по мере ускорения его потока в сужающейся трубе не входит d баланс форм энергии, отражаясь на нем опосредованным образом через уменьшение “кинетического” слагаемого.

[9] И в этом случае энтропийный баланс остается положительным за счет изменения градиента.