Вечный двигатель

Эксергетический баланс и КПД

Энтропия — основная величина, определяющая воз­можность (или невозможность) протекания процессов в любых системах преобразования вещества и энергии с по­зиций второго закона термодинамики. Суммарная энтро­пия неизменна или растет — процесс возможен; умень­шается — невозможен. В рассмотренных выше случаях мы успешно пользовались именно этим фундаментальным свой­ством энтропии для того, чтобы определить, что может быть в энергетических превращениях и чего быть не мо­жет. Однако не только этим свойством определяются воз­можности практического использования энтропии. Она мо­жет помочь в решении другой, не менее важной задачи — определить качество энергетических превращений (а сле­довательно, и любых устройств, в которых они произво­дятся).

Когда говорят об энергосберегающей технологии, об уменьшении потерь энергии, то речь по существу идет не об энергии в количественном смысле. Нужно четко по­нимать, что в количественном отношении энергию сбере­гать не нужно, об этом автоматически заботится первый закон термодинамики — закон сохранения энергии. Лю­бое техническое устройство (да и вообще все на свете, что живет и движется) действует всегда так, что энергия сохра­няется: сколько ее входит, столько неизбежно и выходит; она никогда не теряется. Поэтому сбережение энергии — это по существу сбережение ее качества. Именно об этой качественной стороне энергии писал Энгельс в «Диалек­тике природы». Любая технология и технические устрой­ства, в которых она осуществляется, тем совершеннее, чем меньше будет возрастать энтропия в результате их функци­онирования, т. е. чем меньше будет «портиться» энергия.

Поясним это на простом примере — тепловой электро­станции. В ней протекает целая цепочка энергетических превращений. Сначала химическая энергия топлива и оки­слителя (кислорода воздуха) превращается во внутреннюю энергию раскаленных продуктов сгорания; затем эта энер­гия в форме теплоты передается воде и превращается во внутреннюю энергию пара. В свою очередь энергия пара в турбине превращается в механическую, а та — уже в электрическую. Часть внутренней энергии пара отводится из конденсатора охлаждающей водой и выбрасывается в

Окружающую среду. В целом вся эта последовательность укладывается в вариант 4 схемы энергетических превраще­ний на рис. 3.7. Часть энергии (от 35 до 40%) преобра­зуется в полностью упорядоченную, безэнтропийную элек­троэнергию, зато другая, большая ее часть, низкокачествен­ная, с повышенной энтропией, сбрасывается в окружаю­щую среду. Совершенно очевидно, что чем больше возра­стание энтропии на каждом этапе энергетических превра­щений (т. е. чем хуже они организованы), тем больше будет и суммарный рост энтропии. А это неизбежно приведет к уменьшению безэнтропийной доли энергии на выходе (т. е. электроэнергии) и увеличению доли сбрасываемой высо­коэнтропийной теплоты. В электроэнергию перейдет не 35-40% исходной химической энергии, а меньше — 30, 25 % и т. д. То же самое будет и в любой другой техни­ческой системе, что бы она ни производила — теплоту, холод, каучук или металл...

Чем менее совершенны технологические процессы и со­ответствующее им оборудование, тем больше рост энтро­пии и тем меньше целевых продуктов будет получено при той же затрате энергии. Таким образом, экономия энерго­ресурсов всегда сводится в конечном счете к сохранению качества энергии, к борьбе против роста энтропии.

Однако при всех достоинствах энтропии (и как крите­рия возможности осуществления процессов, и как меры, характеризующей качество энергетических превращений в них) ее непосредственно использовать для анализа энерге­тических превращений нельзя. Это объясняется тем, что энтропия и ее изменения не показывают непосредственно количества энергии — как того, которым мы в каждом случае можем располагать и которое можем полезно ис­пользовать, так и того, которое теряется бесполезно. Ко­нечно, можно их найти, зная энтропию, но каждый раз для этого нужен специальный расчет с привлечением дополни­тельной информации. Чтобы иметь эти количества сразу и одновременно определять, нарушается второй закон или нет, было изобретено специальное термодинамическое по­нятие — эксергия [1.18-1.19][33]. В чем ее смысл?

Мы уже видели, что любая упорядоченная энергия (с энтропией S = 0, рис. 3.7) может быть всегда полностью переведена в любой другой вид энергии; напротив, если энергия в той или иной степени неупорядочена (S > 0), то на ее способность к превращениям второй закон нала­гает определенное ограничение. Чем больше эта энтропия, тем энергия менее качественна и тем меньше высокока­чественной (безэнтропийной) энергии (например, работы или электроэнергии) она в данных условиях может дать. Это означает, что безэнтропийная энергия может служить как бы эталоном, общей мерой качества, работоспособно­сти любого вида энергии. Она и была названа эксергией. В такой общей мере (эксергии), конечно, «спрятана» вну­три энтропия как некая базовая величина; это необходимо, но недостаточно. Кроме нее в эксергию неизбежно должны входить и другие величины, характеризующие как энергию, так и ту окружающую среду, в которой энергия использу­ется.

Действительно, представим себе, например, что мы рас­полагаем 100 единицами (кДж) теплоты Q при разных тем­пературах Т = 500, 1000 и 1500 К. Отнеся Q к Г, мы будем знать энтропию, но ответа на вопрос, какую работу можно получить, располагая этой теплотой (т. е. какова его эксергия), мы не получим. Для этого нужно найти ее работоспособность, эксергию, т. е. максимальную работу, которую она может дать.

Эта величина — эксергия теплоты Eq — определяется по той самой формуле Карно-Клаузиуса, о которой мы

Уже говорили в предыдущей главе = Кроме

Температуры Ті в формулу входит и температура теплопри - емника Т2, которая в нашей задаче соответствует темпера­туре окружающей среды Тос1. Примем ее равной 300 К (+27 °С).

Тогда работоспособность (эксергия) 100 кДж теплоты составит: для первого случая Eqi = ІОО50^00 = 40 кДж,

Для второго --- Eq2 = 100 qqq00 = 70 кДж и для третьего

Eqз = 80 кДж.

Очевидно, что при других Г0 с значения эксергии будут тоже другими, поэтому учитывать ее нужно обязательно.

Характерно, что сторонники «энергетической инверсии», т. е. из­влечения теплоты из окружающей среды, превращения ее в работу и создания на такой основе ррш-2, не признают очевидного факта зависи­мости работоспособности теплоты от температуры. Это и естественно. Согласие с существованием такой зависимости неизбежно приводит к краху всей концепции ррш-2, поскольку «теплота окружающей среды» при Т=Т0.с никакой работы дать не может. Тем не менее В. К. Ощепков пишет: «Калории есть калории, независимо от того, при какой темпе­ратуре они измерены» и далее, чтобы не оставить никаких сомнений в смысле этого утверждения: «В природе нет и не может быть энергии более ценной и менее ценной — энергия всегда есть энергия» [3.1].

Естественно, что никаких научных доказательств этого, мягко го­воря, странного тезиса не приводится. Игнорируется не только все, что сделано в термодинамике за последние 150 лет, прошедшие со времен Карно, но и все, что мы наблюдаем в природе и используем в технике.

Аналогично тому, как это делается для потока теплоты, можно определить и эксергию любого вида внутренней энергии, связанной с каким-либо телом. В определении эк­сергии в зависимости от того, с какой энергией мы имеем дело, могут участвовать не только температура, но и другие величины, например давление.

Если мы располагаем, например, баллоном, содержа­щим под определенным давлением, р = 10 МПа, то в зем­ной атмосфере с давлением р2 = 0,1 МПа он будет иметь работоспособность, которую можно реализовать, заставив его, скажем, вращать турбину, в которой газ расширится до 0,1 МПа.

Но если поместить такой баллон, например, в венериан - скую атмосферу при р2 = 10 МПа, или в глубину моря, где такое же давление, то работоспособность (эксергия газа) в нем будет равна нулю (давления р и р2 равны — газ в баллоне энергетически «мертв»).

Работоспособность — эксергия вещества — энергоно­сителя может определяться не только различием с окружа­ющей средой в температуре и давлении. Не менее важна и разница в химическом составе. Если она есть, — су­ществует и эксергия, которая может быть превращена в работу или другую безэнтропийную энергию с помощью соответствующего устройства. Это можно пояснить тоже «космическим» примером. Природный газ (в основном ме­тан) имеет высокую работоспособность в среде воздуха или еще большую в среде кислорода. Но если поместить его в метановую атмосферу (где-нибудь на Юпитере), его рабо­тоспособность исчезнет — эксергия станет равной нулю. Напротив, воздух в этих же условиях будет прекрасным «топливом» с большой работоспособностью.

Нетрудно видеть, что все приведенные примеры анало­гичны тем, которые приводились ранее (рис. 3.6) при раз­боре понятия энтропии. Эксергия (возможность получить работу) имеется, если существуют разности потенциалов интенсивных величин — температур, давлений или хими­ческих составов. Если их нет — система энергетически мертва — энтропия имеет максимальное значение.

Разница между последними примерами и показанными на рис. 3.6 состоит в том, что роль одной из половин со­суда играет окружающая среда, что в большей мере соот­ветствует реальным техническим задачам.

Оценка энергетических ресурсов с помощью эксергии широко используется и в теории — во многих разделах термодинамики и в инженерной практике. Эксергия слу­жит общей, единой мерой любых видов энергии (потока теплоты, вещества, излучения), определяя точной количе­ственной мерой ее качество. Она дает возможность сфор­мулировать второй закон термодинамики в менее общей, но зато более практически удобной форме, чем энтропия. Эта формулировка гласит: В любых реальных процессах, протекающих в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, эксергия либо остается неизменной (в идеальных процессах), либо уменьшается (в реальных). Это означает, что любой процесс, в котором общая эксер­гия на выходе Е" равна или меньше входящей Е' возмо­жен; напротив, если Е" > Е то невозможен и предста­вляет собой некий вариант ррш-2.

Если отнести Е" к Е' то получим так называемый экс- ергетический КПД г]е = Е"/Е'. Очевидно, что г]е в идеаль­ном случае равен единице, т. е. 100%, а в реальном г]е < 100%. Если же г]е получается больше 100%, то мы неиз­бежно имеем дело с каким-либо вариантом ррш-2. Здесь просматривается четкая связь с фундаментальным энтро­пийным определением второго закона. Первый случай — идеальный процесс соответствует постоянству энтропии, второй — ее росту. Но пользоваться эксергетическим кри­терием более удобно: он непосредственно включает энер­гетические величины и в этом отношении аналогичен пер­вому закону термодинамики. (Напомним, что непременное условие выполнения первого закона — равенство энергий: YW = YW" для второго закона Т, Е" < Е£".)

Вооружившись эксергетическими уравнениями, можно без излишних сложностей проанализировать любой нуж­ный нам процесс или систему. Если системы еще нет, мы исследуем ее проект на предмет возможности ее осуще­ствления; если она существует, то можно проверить, каков ее КПД.

Эксергия дает также возможность сформулировать удобное опре­деление ррт-2, симметричное определению ррт-1. Если ррт-1 — это машина, делающая энергию из «ничего» (EW" > EW' разность AW = EW" — EW' берется «ниоткуда»), то ррт-2 — это машина, делающая эксергию из того же «материала» (ЕЕ" > ЕЕ' разность АЕ = ЕЕ" — ЕЕ' берется тоже «ниоткуда»).

Эксергия дает возможность более удобно, чем с помощью энтропии, охарактеризовать энергетические превращения в биологических объек­тах. Действительно, характеризуя энергетику растений и животных, мы по образцу [1.8, 1.10] говорили о том, что, поглощая потоки вещества и энергии с малой энтропией, они выдают их с большей энтропией, т. е. «сбрасывают» энтропию в окружающую среду. Тем самым доказыва­ется, что они функционируют в полном согласии со вторым законом. Но как сказать одним словом (причем строго научно) не о том, что они «сбрасывают», а о том, чем они питаются (в энергетическом смысле)?

Физики, привыкшие к «понятной, родной энтропии» (по выраже­нию одного физико-химика), не смогли с ней расстаться и подошли к задаче чисто математически. Э. Шредингер ввел понятие «негэнтропии» (негативная» энтропия, энтропия с обратным знаком). Получается, что, следовательно, они «питаются» отрицательной энтропией — «негэнтро - пией». За Шредингером термин «негэнтропия» пустили в ход и другие физики, а за ними и некоторые биологи. С формально-математической стороны здесь все в порядке; любая величина может быть представлена как положительной, так и отрицательной. Однако за термином «негэн­тропия» не стоит никакая физическая реальность: значение энтропии, меньшее нуля, соответствует некоторому несуществующему состоянию «сверхорганизованности».

Очевидно, что эксергия более строго, чем негэнтропия, характери­зует упорядоченную качественную энергию, за счет которой организм живет.

«Питание» организма эксергией имеет четкий физический смысл. То, что организм использует, определяется непосредственно разностью получаемой и отводимой эксергии. При таком подходе все становится на место без каких-либо оговорок.

В частности, становятся четко просматриваемыми энергетические связи в «экологической пирамиде». Растения, поглощая эксергию с солнечным светом и веществами из почвы и воздуха, не только живут сами, но и дают эксергию животным. Стоящий на вершине экологи­ческой пирамиды человек получает эксергию со «всех этажей» пира­миды — от растений, животных и неравновесной окружающей среды.

Каждый «этаж» имеет и свои отходы, эксергия которых используется на нижестоящих этажах.

Любопытно, что Л. Больцман, который больше, чем кто-либо, за­нимался энтропией, описывая такую экологическую пирамиду, пользо­вался не энтропией, а «энергией, которую можно использовать», т. е. по существу эксергией. Он писал [1.23]: «Всеобщая борьба за суще­ствование живых существ — это не борьба за составные элементы, — составные элементы всех организмов имеются налицо в избытке в воз­духе, воде и в недрах земли, и не за энергию, ибо она в изобилии содержится во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой те­плоты[34]. Но это борьба за энергию, которую можно использовать при переходе с горячего Солнца к холодной Земле. Чтобы возможно полнее использовать этот переход, растения распускают огромную поверхность своих листьев и заставляют солнечную энергию, прежде чем она упа­дет до уровня температуры земной поверхности, выполнять химические синтезы... Продукты этой химической кухни служат предметом борьбы в мире животных».

Во времена Больцмана экологический кризис еще не возникал в такой форме, как теперь; поэтому он пишет о составных элементах, что они «имеются в избытке».

Пользуясь понятием эксергии, мы в следующей главе сможем рассмотреть целый ряд предложений по созданию ррш-2. Здесь же мы проанализируем в качестве примера тепловой насос — известное техническое устройство, при­водимое сторонниками энергетической инверсии как на­глядный пример реальной «концентрации энергии». Этому простому и понятному устройству приписываются самые невероятные, чудесные свойства; опираясь на них, тепло­вой насос пытаются использовать как таран, чтобы пробить брешь во втором законе термодинамики и протащить через нее ррш-2 в энергетику.