Основная идея ррш-2. Уточнение понятий
Утверждение закона сохранения энергии — первого закона термодинамики — сделало попытки создать ррш-1 абсолютно безнадежным занятием. И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей создателей ррш изменилось. Новые варианты вечных двигателей рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики: сколько энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель».
Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие названия, эти двигатели остаются типичными ррш и сохраняют их основной признак — абсолютную невозможность осуществления.
Дело в том, что соблюдение какого-либо одного, даже очень важного закона вовсе не гарантирует возможность того или иного явления. Каждое из них определяется несколькими законами. Поэтому оно может происходить только в том случае, если не нарушает ни одного из тех законов, которые к нему относятся.
В частности, для любых тепловых машин соблюдение первого начала термодинамики необходимо, но недостаточно. Существует еще и второе начало термодинамики, соблюдение требований которого столь же обязательно. Новые вечные двигатели, о которых пойдет речь ниже, относятся именно к тепловым машинам; они могли бы работать, только нарушая ограничения, налагаемые вторым началом термодинамики. Поэтому такой двигатель и был назван «вечный двигатель второго рода» (ррш-2). Впервые этот термин ввел известный физико-химик В. Оствальд в 1892 г. [1.14] по аналогии со старым классическим ррт (после этого ставшим ррт-1).
Оствальд не имел в виду какие-либо конкретные изобретения, а рассматривал невозможность реализации такого двигателя в принципе, с общих теоретических позиций.
Кто придумал первый ррт-2, установить трудно; во всяком случае, они появились не ранее последней четверти XIX в. В принципах ррт-2 нет такого разнообразия, как в принципах ррт-1. Основная идея ррт-2 едина для всех самых разнообразных его проектов. Изложим ее для начала языком самих изобретателей, хотя, как мы увидим далее, используемая ими терминология не очень точна[26].
Предоставим слово ведущему идеологу этого направления проф. В. К. Ощепкову [3.1]. Он ставил задачу таким образом: «...отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую проблему современности». И далее: «...открытие способов искусственного сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь активных форм будет таким открытием в истории развития материальной культуры человечества, что по практическим последствиям его можно сравнить разве только с открытием первобытным человеком способов искусственного добывания огня».
Если отвлечься от оценки вдохновляющих перспектив рассматриваемой идеи (вспомним пушкинского Бертольда: «perpetuum mobile!.. Я не вижу границ творчеству человеческому...»), а вникнуть в ее существо, то она сводится к тому, что рассеянная «тепловая энергия» окружающего пространства «извлекается», концентрируется и превращается в электрическую энергию, могущую производить работу. Нарушения первого закона термодинамики здесь нет. Сколько энергии забирается из «окружающего пространства», столько и превращается в электроэнергию.
Такая идея, действительно, чрезвычайно заманчива. «Концентрированная» энергия использовалась бы для нужд человечества, «рассеивалась» бы при этом в окружающей среде, а затем ее можно было бы снова «концентрировать» и пускать в дело. В энергетике человечества осуществился бы вечный круговорот энергии, который позволил бы «сразу убить двух зайцев» — снять как проблему поиска источников энергии, так и проблему теплового, химического и радиационного загрязнения окружающей среды.
Чтобы проанализировать все стороны этой грандиозной идеи научно, нужно прежде всего уточнить используемую ее авторами терминологию, перевести ее на современный научный язык. Иначе может произойти то самое «смешение языков», которое было у строителей вавилонской башни, и докопаться до истины будет невозможно1.
Рассмотрим два ключевых термина сторонников ррт-2: «тепловая энергия окружающего пространства» и «концентрация и рассеяние энергии».
Начнем с первого. Прежде всего отметим, что «окружающее пространство» само по себе энергии не содержит и пытаться извлекать ее оттуда — дело бесполезное. Энергия содержится только в материальной среде (веществе или поле), заполняющей это пространство. Поэтому правильнее было бы говорить «окружающая среда», а не «пространство». Но и такая формулировка (иногда и ее используют) тоже не годится. Термин «окружающая среда» имеет разное содержание в зависимости от того, как его использовать. Здесь могут быть два случая.
В первом случае под окружающей средой понимают все то, что находится вне границ системы (в данном случае двигателя). Это означает, что в окружающую среду входят по крайней мере атмосфера, гидросфера и литосфера Земли, в которых существуют разности давлений, температур и химического состава. Следовательно, она включает и запасы топлива, гидроэнергетические ресурсы и т. д. Другими словами, в окружающей среде, определяемой таким образом, нет равновесия: она неравновесна.
Используя неравновесность в окружающей среде, человек всегда получал необходимую ему энергию как в форме теплоты, так и в форме работы. Энергия ветра, текущей воды, а затем и топлива — все это результат неравновесности окружающей среды. Даже существование человека основано на различии состава пищи и других веществ окружающей среды. Если бы эта среда была равновесной, т. е. вся имела бы один и тот же усредненный и равномерно распределенный химический состав, одну и ту же температуру, одно давление, один уровень воды, одинаковый везде электрический заряд и т. д., то все кругом было бы мертво и неподвижно. Именно неравновесность, наличие разности потенциалов во внешней среде и определяют возможность существования всей энергетики.
При такой трактовке термина «окружающая среда» извлечение из нее энергии и превращение ее в работу или электроэнергию давно известно. Ничего нового в таких процессах нет: так всегда и делалось.
Во втором случае под окружающей средой понимают только равновесную часть всего окружения системы. Основанием для введения такого более узкого, локального понятия служит то, что в окружении системы (например, двигателя) всегда имеется в практически неограниченном количестве некая среда, имеющая одни и те же температуру, давление и химический состав. Примером такой среды может служить, например, вода у поверхности океанов, морей, других больших водоемов или атмосферный воздух у поверхности земли. Существующие в них некоторые небольшие разности потенциалов в круг рассмотрения не входят.
Такая равновесная окружающая среда, как показывает многовековой опыт человечества, не может служить источником энергии, поскольку никаких разностей потенциалов, неравновесностей, которые можно было бы использовать, в ней нет. Она ведет себя, как та «мертвая вода» без разницы уровней, о которой писал Леонардо да Винчи.
Наконец, о первой части выражения «тепловая энергия окружающего пространства». Поскольку теплота, как мы видели, есть энергия только в процессе перехода, говорить о «тепловой энергии», да еще «содержащейся» в окружающей среде, некорректно (хотя это иногда и делается).
Энергия теплового движения частиц составляет часть внутренней энергии тела, причем выделить ее «в чистом виде» практически невозможно. Поэтому в науке пользуются термином «внутренняя энергия».
Разберем второе понятие «концентрация» и соответственно «рассеяние» энергии.
Концентрация (от лат. con — «к» и centrum — «центр») — это понятие, связанное с сосредоточением чего - либо в определенном месте (объеме, поверхности). Применительно к энергии это соответствует ее количеству, приходящемуся на единицу объема или поверхности (Дж/см3 или Дж/см2). Если это количество растет, говорят о концентрировании энергии, если падает — о ее рассеянии.
Сторонники ррш-2 используют этот термин в смысле, не имеющем отношения к его действительному содержанию. Они называют «концентрированной» энергией электрическую энергию и работу, а «рассеянной» — внутреннюю энергию тел и теплоту. Однако разница между ними не в концентрации (она в каждом случае может быть и высокой, и низкой), а в степени упорядоченности, организованности движения или положения частиц (об этом мы говорили в гл. 2). Как мы увидим далее, именно эта упорядоченность и определяет в основном качественную сторону энергии, ее работоспособность.
Подмена понятия качества, работоспособности энергии ее «концентрацией», а деградации, обесценивания — «рассеянием» вносит дополнительную путаницу, поскольку «концентрация» и «рассеяние» энергии не определяют в принципе возможности получения работы (т. е. создания двигателя)1.
Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к принципиальным основам ррш-2. Становится очевидным, что его идея основана на получении работы (или, что то же самое, электроэнергии, могущей преобразовываться в работу) из равновесной окружающей среды путем использования той части ее внутренней энергии, которая связана с хаотическим тепловым движением молекул.
В. К. Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая инверсия» (инверсия — от лат. inversion — «перестановка», «переворачивание»). Другими словами, это — обратное превращение части внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или работу.
Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому, чтобы доказать возможность создания ррт-2, нужно неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон термодинамики.
Известно, что поэзия позволяет во многих случаях выразить мысль более ясно и компактно, чем проза.
С этой точки зрения представляют интерес стихи, посвященные критике Второго начала термодинамики. Их прислал один из сторонников профессора Ощепкова — М. П. Кривых. Его сочинение возрождает традицию, идущую еще от римлянина — Тита Лукреция Кара (I век до нашей эры), написавшего знаменитую поэму «О природе вещей».
С любезного разрешения автора, привожу его ниже с некоторыми несущественными сокращениями.
Вот атмосфера, мы как рыбы С рожденья плаваем все в ней, Но в ней энергия, в ней глыбы Самых отличнейших углей.
Каждый просто забывает, Что кислород, аргон, азот В ней в форме пара пребывает И теплоту себе несет.
«Чтоб превратить тепло в работу Истока нужно два иметь: Тепло и холод» — эту ноту Усердно все привыкли петь.
Тут Клаузиус. Томсон, Тэт, За ними племя остальное Твердили: Невозможно! Нет! Взять от природы дармовое.
В науке по сей день живет Второй закон к здравствует В себе ошибку он несет, Но до сих пор он царствует.
И как могло так получиться Природе всей наперекор,
Второй закон мог народиться И столько лет прожить? Позор!
Отсюда весь Второй закон Помехой лишь становится Его отвергнуть нужно вон, Коль сам он не сторонится.
Что атмосферное тепло, Тепло реки и океана, Уже потеряно, ушло — Вот философия дурмана.
Тут способ нужен очень смелый, Чтоб равновесное тепло Непринужденно и умело На концентрацию текло.
И вижу транспорт сухопутный, водный
Все фабрики, заводы и поля, Расходуют энергию природную, Не потребляя ни куска угля.
В этой «антитермодинамической поэме» достаточно четко сформулирована основная идея сторонников «энергетической инверсии». Однако доводы в ее пользу здесь, как и в большей части сочинений других авторов той же ориентации, носят в основном эмоциональный характер. В наше время этого недостаточно: нужно использовать и нечто более основательное.
Сторонники ррм-2 понимают это и используют для дискуссии целый комплекс разнообразных доводов — от общефилософских со ссылками на классиков до экспериментальных данных из различных областей науки. Все доводы, как правило, носят описательно-умозрительный характер и даются без четкого научного обоснования. Однако их красивое внешнее оформление в сочетании с убежденностью и энтузиазмом (а иногда и не очень точным изложением фактов) в некоторых случаях может показаться убедительным. Помогает тут и благородная цель — экономия ресурсов и спасение окружающей среды от загрязнения.
Поэтому прежде чем переходить к разбору различных ррт-2, нужно еще уделить и некоторое внимание разбору второго закона термодинамики, хотя это потребует от читателя, не занимающегося специально термодинамикой, определенной сосредоточенности.
Дело не только в том, что второй закон термодинамики, на первый взгляд не более трудный для понимания, чем первый, на самом деле далеко не так прост, как кажется. О нем написано очень много, мягко говоря, неквалифицированных статей и даже учебников, которые внесли, как писал академик А. В. Шубников, «невероятное количество ошибок». Именно на почве, удобренной этими ошибками, время от времени вырастают самые разнообразные псевдоученые «сочинения» — биологические, технические, экономические и другие. Некоторыми из них нам придется заняться при разборе второго закона.
