Сергей Хайтун
Общее количество тепла во Вселенной неуклонно убывает, но не исчезает бесследно.
Источник: NASA
Среди экспертов сегодня господствует точка зрения, что глобальное потепление является результатом промышленных выбросов в атмосферу углекислого газа (углекислоты) CO2. Дабы стимулировать разработку методов его извлечения из воздуха, бывший вице-президент США Альберт Гор и британский миллиардер Ричард Брэнсон в феврале этого года учредили премию с фондом 25 млн. долл.
Однако очистка атмосферы от промышленных выбросов лишь ненадолго отсрочит глобальную катастрофу. Это связано с тем, что, потребляя энергию, мы только превращаем одну ее форму в другую, в конечном же счете практически вся добываемая нами энергия рассеивается в виде тепла. Однако можно ли собирать рассеиваемое тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию?
Именно это делают традиционные гео- и гидротермальные циклические тепловые установки, работающие на вулканическом тепле или тепле горячих источников. Таковы и экспериментальные океанические установки, работающие за счет разницы температур между глубинными и поверхностными слоями воды. Реально те и другие работают как «фабрики холода», охлаждающие среду. К сожалению, у гео- и гидротермальных установок невелики ресурсы источников. Ресурсы океанических установок неограниченны, однако их кпд из-за малой разницы температур достигает максимум 7%, реально не превышая 2–3%.
Но возможны «фабрики холода», лишенные этих недостатков. Поместим навстречу ветру сужающуюся трубу, воздух в которой будет разгоняться по «геометрическим» причинам, подобно воздуху в расщелине между скалами или в узком проходе между домами. Энергия потока воздуха должна откуда-то браться, так что разгоняться он будет, охлаждаясь. Кинетическая энергия потока будет возрастать за счет рассеянного в среде тепла.
Мы можем снабдить сужающуюся трубу турбиной, превратив ее в «фабрику холода». Ничто не мешает также объединить сужающуюся трубу и турбину под одним кожухом. Подобное изобретение существует и защищено патентом. Идея сводится к тому, что газовый поток (насыщенный пар) охлаждается, ускоряясь в сопле определенного профиля. Отличие способов реализации заключается в методиках обеспечения более полного преобразования тепла в работу. Трудно сказать, какой вариант «фабрик холода» окажется оптимальным. Скорее всего потребуются установки разных типов. Собирая рассеянное в атмосфере или океане тепло, «фабрики холода», если их удастся реализовать в должных масштабах, изменят лицо всей энергетики. Энергопотребление приобретет облик круговорота тепла.
Возможность регулирования климата появляется здесь благодаря тому, что небольшая часть энергии выбывает каждый цикл из энергооборота. Добывая ископаемые энергоносители меньше необходимого, можно будет охлаждать нашу среду, больше необходимого – нагревать ее.
Все было бы замечательно, если бы не один «пустяк» – нециклические установки подобных изобретателей потребляют тепло некомпенсированным образом, так что тепловая энтропия при этом уменьшается, что запрещено вторым началом термодинамики. Общепринятая точка зрения состоит в том, что такие установки, называемые вечными двигателями второго рода, в принципе невозможны. Однако напомним, что, формулируя второе начало, классики термодинамики исходили из действующей на Земле тенденции к рассеянию разных форм энергии в виде тепла. Ошибка классиков, на мой взгляд, состояла в том, что они стали трактовать эту тенденцию как не знающий исключений закон. Факты говорят, что некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии возможно. Наша Метагалактика, например, вот уже около 15 млрд. лет остывает в ходе ее расширения после Большого взрыва. Поскольку общее количество тепла в нашей Метагалактике убывает, постольку это превращение тепла в другие формы энергии происходит некомпенсированным образом.
Утверждая, что второе начало термодинамики, как оно сформулировано выше (невозможно некомпенсированное превращение тепла в работу), несправедливо, мы не покушаемся на закон возрастания энтропии. Этот закон говорит, что всегда и везде возрастает полная энтропия, тогда как второе начало требует возрастания тепловой энтропии (тепловая энтропия может быть определена как энтропия распределения тепловой энергии, полная – как энтропия распределения полной энергии).
Полная энтропия и на самом деле растет всегда и везде (это глобальная формулировка закона возрастания энтропии; локальная – говорит о положительности скорости порождения энтропии в каждом макроскопическом фрагменте наблюдаемого мира), тепловая же энтропия обязана расти лишь в отсутствие нетепловых процессов. Когда наряду с тепловыми процессами протекают и нетепловые, тепловая энтропия может убывать. В этой ситуации нет ничего особенного. Мы ведь не удивляемся, что закон сохранения энергии требует постоянства только полной энергии, тогда как тепловая энергия сохраняется лишь тогда, когда изменениями не затрагиваются нетепловые формы энергии. Вот и возрастание тепловой энтропии вытекает из закона возрастания энтропии исключительно при отсутствии взаимопревращения тепла в другие формы энергии. Именно в этом случае справедлива формулировка второго начала, согласно которой невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход тепла от холодного тела к горячему. При этом переходе вместе с тепловой энтропией уменьшилась бы и полная, что запрещено законом возрастания энтропии.
Авторская точка зрения состоит в том, что тенденция к рассеянию разных форм энергии на Земле в виде тепла – это именно тенденция, а не закон. Поэтому на Земле ее можно попытаться переломить. Я полагаю, что «фабрики холода» удастся растиражировать в потребных масштабах, поскольку это согласуется с вектором универсальной эволюции. Альтернативный сценарий связан с торможением роста потребления энергии. Оба сценария означают радикальную перестройку всего образа жизни человечества на протяжении ближайших 100 лет, однако первый направлен по вектору эволюции, а второй – против.
