«ВЕЧНЫЕ» ДВИГАТЕЛИ ВТОРОГО РОДА

Как известно, тепловой двигатель, работающий по замкнутому циклу, преобразует энергию из тепловой в механическую форму. При этом на одних этапах цикла двигателя к рабочему телу подводится энергия в тепловой форме, а на других — отводится в тепловой форме. Разница между подведенной и отведенной энергией в тепловой форме представляет собой результирующую работу W^ цикла. Чем больше тепловой энергии отводится от рабочего тела в цикле, тем меньше результирующая работа Жрез при одном и том же количестве подведенной тепловой энергии. КПД цикла снижается. Поэтому на практике стремятся уменьшить отвод энергии от рабочего тела в ходе циклического процесса.

Карно показал, что тепловой двигатель (машина) не может работать без подвода и отвода энергии в тепловой форме от рабочего тела. Тепловая машина работает между двумя источниками тепловой энергии — нагрева­телем и холодильником. Чтобы повысить эффективность такой тепловой машины, необходимо уменьшить отвод тепловой энергии в холодильник. Однако исключить вообще отвод тепловой энергии от рабочего тела в цикле теплового двигателя нельзя (на это указывает второй закон термодинами­ки).

Бели исключить отвод энергии в тепловой форме в холодильник, то КПД такого двигателя станет равным 1. В этом случае вся подведенная тепловая энергия Q\ должна быть преобразована в механическую форму W^ = Qi [Q2 = 0]. Следовательно, можно отказаться от холодильника. В этом случае двигатель должен работать только с одним источником тепловой энергии — нагревателем (термостатом[21]). Условная схема такого воображаемого двигателя (тепловой машины) приведена на рис. 8.44.

Так как температура термостата при отводе от него энергии в тепловой форме не изменяется, то тепловой двигатель (машина), представленный на рис. 8.44, можно назвать изотермическим. В этом двигателе тепловая энергия подводится к рабочему телу при постоянной температуре нагрева­теля (Ti = Idem).

Идея построения такого двигателя (рис. 8.44) является заманчивой, но не осуществимой. Второй закон термодинамики указывает, что невозможна работа тепловой машины при наличии только одного источника теплоты (нагревателя).

Напомним, что «вечные» двигатели первого рода никогда не работали, так как противоречили первому закону термодинамики — всеобщему закону сохранения энергии. «Вечные» двигатели второго рода не противоречат первому закону термодинамики (они соответствуют его положениям). Сколько энергии подведено к термодинамической системе (в данном случае Qi), столько же и отведено от нее (W^ = Qi), учитывая эквивалентность теплоты и работы.

Формально двигатель (рис. 8.44) не соответствует определению вечного двигателя. «Вечный» двигатель первого рода в идеале должен работать вечно (не останавливаясь), если исключить возможные его поломки. «Веч­ный» двигатель второго рода даже в идеале не может работать вечно. Его название обусловлено другим обстоятельством. Если в качестве на­гревателя использовать воду, сосредоточенную на Земле, то двигатель (рис. 8.44) мог бы работать миллионы лет. При этом температура воды на Земле понизилась бы всего на несколько градусов. За 1700 лет работы такого двигателя температура воды на планете понизилась бы всего на 0,01 К. Для нас такой двигатель казался бы вечно работающим двигателем. Именно поэтому немецкий ученый В. Оствальд (1853-1932 гг.) назвал такой двигатель «вечным», понимая при этом его невозможность.

Несмотря на то, что изобретатели и ученые, работающие во многих областях науки и техники, знают ограничения, накладываемые вторым законом термодинамики, попытки создания вечного двигателя второго рода имеют место и сейчас. Поощряет их на такую деятельность тот факт, что если удастся обойти второй закон термодинамики, то это сразу решит проблему энергии на все века. И это тогда, когда мир стоит на грани истощения энергетических ресурсов.

Идеи вечных двигателей второго рода, как правило, появляются в периоды великих научных открытий, когда сами эти открытия еще не полностью осознаны и понятны.

Напрямую второй закон термодинамики обойти невозможно, а поэтому изобретатели стремятся создать такой двигатель на основе комбинации большого количества физических явлений. При такой комбинации различ­ных физических явлений, положенных в основу работы тепловой машины, можно и не заметить наличие всех процессов, оговоренных вторым законом термодинамики.

Рассмотрим несколько примеров таких двигателей.

На рис. 8.45 показа конструктивная схема «нуль-мотора» американского профессора Гэмджи. Замысел этого двигателя базируется на достижениях в области холодильной техники. Как известно, к концу XIX в. были в основном изучены свойства веществ в области низких и сверхнизких температур. Прототипом двигателя послужили аммиачная холодильная машина и установка для сжижения воздуха.

В специальном котле (рис. 8.45) находится жидкий аммиак. Котел находится в контакте с окружающей средой, а поэтому аммиак нагревается до температуры Тг = 300К (27° С). При этой температуре аммиак кипит (переходит в пар). По мере кипения аммиака давление на его жидкую фазу возрастает. При давлении 1МПа (10 атмосфер) и температуре Т\ = 300 К
кипение аммиака прекращается[22]. Поэтому можно утверждать, что в котле будет находиться пар под давлением 1 МПа.

Таким образом, окружающая среда (воздух) является в рассматривае­мом двигателе верхним источником энергии в тепловой форме (Нагревате­лем]>. Этот факт соответствует второму закону термодинамики.

Из котла пар аммиака через впускной клапан направляется в рас­ширительную машину (детандер), где он расширяется. При расширении пара аммиака совершается работа над поршнем расширительной машины. Следовательно, энергия от пара передается поршню (окружающей среде), преобразуясь одновременно в механическую форму. В расширительной ма­шине происходит преобразование внутренней энергии рабочего тела (пара аммиака) в механическую энергию с одновременной отдачей ее поршню. Внутренняя энергия пара аммиака уменьшается, а поэтому уменьшается его внутренняя энергия. Внутренняя энергия пара зависит только от его температуры. Следовательно, в расширительной машине (детандере) температура пара аммиака уменьшается.

Подвод энергии в тепловой форме

\ ^^^ / Отвод энергии в механической форме I

Рис. 8.44. Конструктивная схема вечного двигателя второго рода

Впускной Расширительная клапан машина (детандер)

Рис. 8.45. Схема «нуль-мотора» Гэмд — жи

✓ / __ J__ \

Бели пар аммиака расширится до давления 0,1 МПа (1 атмосфера), то его температура понизится до 250К, т. е., станет равной — 23°С. При такой температуре аммиачный пар частично конденсируется (сжижается) в расширительной машине. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан с помощью насоса откачивается в котел. Для привода насоса используется часть механической энергии, полученной в расширительной машине (детандере) при расширении паров аммиака. С помощью насоса давление жидкого аммиака повышается до 1МПа (10 атмосфер). Это необходимо для того, чтобы закачать аммиак в котел [в котле давление равно 1 МПа (10 атмосфер)]. В котле аммиак снова испаряется, нагреваясь от окружающей среды. Цикл должен повторяться. Таким образом, по мнению проф. Гэмджи, должен работать предложенный двигатель.

Как видим, двигатель Гэмджи должен работать по замкнутому циклу без отвода части подведенной тепловой энергии в окружающую среду. Здесь не следует путать факт охлаждения паров аммиака в детандере с отводом энергии в форме теплоты в окружающую среду. Приемник тепло­вой энергии в двигателе Гэмджи отсутствует. Двигатель должен работать, отдавая потребителю механическую энергию за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса.

Анализ показывает, что работа двигателя не противоречит положениям первого закона термодинамики — сколько энергии подведено к двигателю (в данном случае в тепловой форме), столько же ее отведено (в механиче­ской форме).

Проанализируем энтропийный процесс работы двигателя. На входе энтропия потока энергии равна: SBX = Q0.C/T0.C > 0.

На выходе энтропия потока энергии равна:

Действительно, на выходе получаем энергию в механической форме, являющейся высокоорганизованной.

В соответствии с вторым законом термодинамики изменение энтропии рабочего тела в ходе осуществления циклического процесса равно нулю. В данном случае изменение энтропии аммиака не равно нулю

Что противоречит второму закону термодинамики.

В идеальном случае на привод насоса потребуется столько механиче­ской энергии, сколько ее получается в расширительной машине. В этом случае отводить энергию от машины в тепловой форме не представляется возможным. Фактически машина работает по нулевому циклу, в котором полезная работа равна нулю. Таким образом, функциональные возможно­сти «нуль-мотора» Гэмджи соответствуют его названию.

Двигатель Гэмджи можно заставить работать, внеся в него конструк­тивные изменения в соответствии со вторым законом термодинамики. На рис. 8.46 показана конструктивная схема усовершенствованного двигателя. В конструкцию двигателя перед насосом введен конденсатор пара (теп-

Пары

Впускной Расширительная

Аммиак

Рис. 8.46. Схема усовершенствованного «нуль-мотора» Гэмджи

FopauttO воздух 1 Окружающая среда Рис. 8.47. Схема «машины атмосферного тепла»

Лообменник), отбирающий энергию от паров аммиака при температуре, меньшей температуры окружающей среды (Т < Т0.с). Естественно, что температура теплообменника (приемника теплоты) должна поддерживать­ся искусственно ниже температуры окружающей среды. В этом случае двигатель Гэмджи будет работать. Затраты энергии на привод насоса будут значительно уменьшены. Но вторую часть получаемой в расширительной машине работы пришлось бы затратить на работу специальной холодиль­ной машины, поддерживающей температуру холодильника (теплообменни­ка) ниже температуры окружающей среды.

Таким образом, введя специальный теплообменник, мы заставили ра­ботать двигатель Гэмджи. Но достигнутый результат снова оказывается Нулевым. Полезной работы двигатель не дает (он не может приводить в действие ни одного потребителя). Следовательно, двигатель, работающий с верхним источником теплоты при температуре окружающей среды, яв­ляется неработоспособным.

На рис. 8.47 показана схема так называемой «машины атмосферного тепла», предложенная проф. Шелестом, пионером тепловозостроения в России. Эта машина состоит из двух контуров. Первый контур включает компрессор К и турбину Т, соединенные валом. Турбина Т приводит в дей­ствие компрессор К. При вращении колеса компрессора К им засасывается воздух при параметрах окружающей среды (давлении рох и температуре Т0.с). При сжатии воздух нагревается 7\ > Т0.с. В теплообменнике горячий воздух нагревает рабочее тело второго контура. Воздух при этом охла­ждается до температуры окружающей среды Г0.с. После теплообменника охлажденный сжатый воздух поступает в турбину Т, где совершает работу. При совершении работы он расширяется до давления окружающей среды Ро. с- При этом в результате совершения работы в турбине температура воз­духа еще понижается. Из турбины воздух выбрасывается в окружающую среду.

Явления, происходящие в первом контуре позволяют утверждать, что он работает как тепловой насос, перенося теплоту с нижнего уровня То с на верхний Ti > Тох.

Второй контур представляет собой тепловую машину, работающую по теплосиловому циклу. Во втором контуре в качестве рабочего тела исполь­зуется некоторое вещество, которое испаряется при низкой температуре. Поступая в теплообменник, это рабочее тело быстро испаряется, поглощая тепловую энергию в количестве Q. После теплообменника рабочее тело поступает в главную турбину Т2, где совершает полезную работу. При этом рабочее тело охлаждается. После турбины Т2 рабочее тело поступает в конденсатор, в котором переводится в жидкое состояние.

Турбина Т2 приводится в действие насос Я, который снова сжимает рабочее тело, подавая его в теплообменник и далее в турбину. Часть работы W, получаемой в главной турбине, используется для привода турбоком­прессора первого контура и электрического генератора Г. С генератором соединен обычный электродвигатель, который выполняет полезную рабо­ту W.

Таким образом, «машина атмосферного тепла» представляет комбина­цию двух тепловых машин, работающих по взаимно противоположным циклам. Первая машина (контур) работает по обратному циклу (тепловой насос), а вторая машина (контур) —по прямому циклу. Вторая машина полностью соответствует требованиям второго закона термодинамики. В ней есть расширительная машина (турбина Т2), рабочее тело и два ис­точника теплоты с различными температурами (верхний — теплообменник, нижний — конденсатор). Первая машина не соответствует требованиям вто­рого закона термодинамики, так как работает только с одним источником теплоты — окружающей средой. Второго (нижнего) источника теплоты здесь и не может быть, так как его температуру пришлось бы искусственно поддерживать ниже температуры окружающей среды. Это требует затраты механической энергии.

Следовательно, первая машина неработоспособна. Если первая машина не может работать, то и вторая также неработоспособна, так как исполь­зует энергию сжатого воздуха, поступающего в теплообменник из первой машины.

Таким образом, внешне машина атмосферного тепла является заманчи­вой идеей, а, по сути, она представляет собой бесполезную конструкцию.

Были предложены и другие конструкции «вечных» двигателей второго рода, которые «успешно» подтвердили свою неработоспособность. Вместе с тем, к анализу работы таких двигателей следует подходить очень тща­тельно. Как правило, их конструкция сложна, а поэтому не всегда известны потоки энергии в них. При этом источники энергии могут быть спрятаны. Может быть также и непонятным сам принцип действия такой машины. В результате этого может сложиться мнение, что рассматриваемая тепло­вая машина представляет собой один из вариантов «вечного» двигателя второго рода.

В технике используются тепловые машины, которые нам могут пока­заться в некотором смысле «вечными» двигателями второго рода. Как известно, биметаллическая пластинка[23] при нагревании сгибается. Изгиб пластинки обусловлен тем, что материалы, из которых она изготовлена, имеют различный коэффициент линейного расширения. Тот материал, который имеет больший коэффициент линейного расширения, стремится и больше расшириться. Так как материалы скреплены между собой, то возникает изгиб пластинки (выпуклость образуется со стороны материала, имеющего больший коэффициент линейного расширения).

Если такую биметаллическую пластинку поместить в окружающую сре­ду, то она будет периодически изгибаться и выпрямляться. При повышении температуры окружающей среды она будет изгибаться, и при понижении — выпрямляться. Если к концу такой биметаллической пластинки подвесить груз, то он будет периодически подниматься и опускаться. Следовательно, пластинка будет совершать полезную работу. Она может, например, заво­дить пружину часов.

На первый взгляд кажется, что это все тот же «вечный» двигатель второго рода. Ведь он содержит только один источник теплоты — окру­жающую среду. На самом деле окружающая среда здесь периодически выступает в качестве то нагревателя (при повышении температуры), то охладителя (при понижении температуры). При этом для понижения температуры окружающей среды не используется механическая энергия, получаемая в результате изгиба биметаллической пластинки. Повышение и понижение температуры окружающей среды вызвано естественными процессами, протекающими в ней. Это эквивалентно приведению биметал­лической пластинки в контакт то с нагревателем, то с охладителем.

Такие работающие кажущиеся «вечными» двигатели называют псевдо­вечными двигателями второго рода.