Неизвестная энергетика

Потребляя энергию, мы в силу закона сохранения энергии только превращаем одну ее форму в другую, в конечном же счете практически вся добываемая нами энергия рассеивается в виде тепла.

В 2003 году человеком было потреблено энергии примерно в 5000 раз меньше энергии солнечной радиации, достигающей ежегодно поверхности Земли. Удваиваясь каждые 23,5–35 лет (при ежегодном приросте в 2–3%), энергопотребление сравняется по мощности с солнечным потоком через 285–430 лет. Удвоение пропускаемого через биосферу теплового потока означало бы гибель развитых форм жизни на Земле. Реально же проявления перегрева станут катастрофическими, когда добываемая энергия достигнет 0,1% (одна экспертная оценка) или 1% (другая оценка) от солнечной энергии, то есть через 50–80 или 130–200 лет соответственно.

Энергосбережение, то есть минимизация расходов энергии на единицу ВВП, возможно, и реально происходит, вызывая временное сокращение темпов роста энергопотребления. Однако в долгосрочном плане торможение роста энергопотребления, неразрывно связанного с ростом ВВП, было бы направлено против эволюции и потому не возможно. Так что человечеству на Земле угрожает гибель от теплового загрязнения среды.

Выход просматривается только один – нам предстоит научиться собирать рассеиваемое тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию. Роста энергопотребления можно будет добиваться при этом ускорением круговорота тепла без увеличения количества тепла в среде. Такую энергетику будем называть термоциклической.

Тепло среды собирают сегодня гео- и гидротермальные тепловые установки, работающие на вулканическом тепле или тепле горячих источников, а также тепловые насосы, которые используют для отопления зданий тепло, рассеянное в поверхностных слоях Земли или в воздухе. Экспериментальные гидротермальные энергоустановки собирают тепло, рассеянное в морской/океанической воде и работают за счет вертикального перепада температур. Сюда же можно отнести ветровые энергоустановки (ВЭУ), использующие кинетическую энергию ветра, которая имеет своим источником рассеянное в атмосфере тепло. Напомним также о солнечных энергосистемах (СЭС), перехватывающих энергию солнечной радиации до того, как она рассеется в поверхностных слоях Земли в виде тепла.

Все эти тепловые установки могут быть использованы в термоциклической энергетике, однако их одних не достаточно.

1. Ресурсы ВЭУ слишком малы. Мощность ветровых потоков на Земле составляет около 2 млн. ГВт, то есть 2,4% от достигающего поверхности Земли солнечного потока (82 млн. ГВт), тогда как термоциклическая энергетика должна будет в перспективе многократно превзойти по мощности падающее на Землю солнечное излучение.

2. Ситуация с СЭС аналогична. Как бы широко мы ни покрыли ими поверхность Земли, собирать они будут только какую-то долю солнечного потока энергии.

3. Геотермальным установкам для производства электроэнергии с приемлемыми технико-экономическими показателями необходима температура более 100 градусов по Цельсию, тогда как на Земле легкодоступные геотермальные месторождения с такой температурой наперечет.

4. Тепло, рассеянное в атмосфере, океане и земной коре, характеризуется, как правило, невысокими температурными градиентами, что зарезает КПД Карно собирающих его тепловых установок до невысоких же значений. В тропиках, например, где перепад температур воды океана максимален, КПД Карно имеет потолок около 7% при реальном КПД 2–3%.

Приходим, таким образом, к выводу, что на базе известных нам тепловых установок построение термоциклической энергетики не реально. Если только мы не поднимем каким-то «чудом» максимальный теоретический КПД тепловых установок до единицы. Совершить это «чудо», согласно традиции, не позволяет второе начало термодинамики, которое, в каноническом его прочтении, утверждает, что тепловые установки, полностью превращающие тепло в работу и имеющие благодаря этому КПД не ограниченный сверху КПД Карно, не возможны. И невозможны, говорит традиция, потому что все тепловые установки обязаны иметь холодильник, сброс части извлекаемого из среды тепла в который обеспечивает диктуемый вторым началом рост энтропии. Тепловые установки без холодильника с КПД, превышающим КПД Карно, – это пресловутые вечные двигатели второго рода, о которых в приличном научном обществе вспоминать на ночь глядя не принято.

К счастью, со вторым началом и на самом деле не все ладно, о чем свидетельствует множество существующих в литературе разных его формулировок.

1. Сади Карно сделал вывод об обязательности холодильника у любой тепловой машины исходя из принципа неуничтожаемости теплорода, согласно которому потребление тепла подобно потреблению энергии. Потребляя энергию, как говорилось, мы не уничтожаем ее, но только превращаем одну ее форму в другую. Потребление теплорода, говорит Карно, означает не его уничтожение, но лишь его переход от более теплого тела к менее теплому. Вот это менее теплое тело и является, полагает Карно, холодильником, обязательным для всякой тепловой машины.

Отбросив теорию теплорода, последователи Карно оставили в силе этот его вывод, хотя к тому времени уже было хорошо известно, что, превращаясь в другие формы энергии, тепло перестает существовать как тепло. Иначе говоря, потребляя теплород, мы его уничтожаем, что подрывает аргументацию Карно.

2. Выдающиеся термодинамики второй половины XIX века не исправили ошибку Карно по той причине, что работали только и исключительно с классическими тепловыми машинами, имеющими две особенности, которые делают холодильник необходимым: (1) цикличность; (2) однофазное рабочее тело (газ или жидкость). Возвращая такое рабочее тело в начальное состояние, необходимо отдавать часть полученного от нагревателя тепла холодильнику, что, однако, не имеет отношения ко второму началу термодинамики. Для нециклических тепловых машин холодильник необязателен, как необязателен он, по-видимому, и для циклических тепловых машин с двухфазным рабочим телом газ жидкость.

Примером нециклической тепловой машины может служить работающий в вакууме ракетный двигатель, для которого говорить об охлаждении продуктов сгорания за бортом не приходится, поскольку расширение выхлопа в пустоту в приближении идеального газа происходит изотермически (его внутренняя энергия, являющаяся функцией только температуры, в ходе расширения не изменяется).

Что же касается циклических тепловых машин с рабочим телом газ жидкость, то, как это доказывают в последние десятилетия независимо друг от друга несколько исследователей (А.А.Краснов, Г.В.Скорняков, С.Н.Дунаевский), возвращение рабочего тела в начальное состояние может осуществляться в них не с передачей части тепла холодильнику, но с ее возвращением нагревателю. Внешний холодильник становится ненужным, а КПД – не ограниченным КПД Карно.

3. В наши дни ошибка Карно не исправляется потому, что закон возрастания энтропии некорректно сводится до сих пор к «закону» возрастания тепловой энтропии, тогда как действует закон возрастания полной энтропии. Тепловой энтропии убывать не возбраняется, почему компенсация превращения тепла в работу может быть как тепловой, так и нетепловой. Это, собственно, и есть та причина, по которой холодильник тепловой машине не обязателен.