Текст книги "Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии"

Автор книги: Виктор Бродянский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 18 страниц)

4.2. Живая природа и второй закон термодинамики

Вторым, на первый взгляд убедительным доводом, предназначенным для ниспровержения всеобщей применимости второго закона, служит утверждение, что существование жизни на земле противоречит ему. О том, что жизнь – «антиэнтропийный процесс», ведущий к «концентрации», «облагораживанию» энергии, пишут не только защитники ppm-2. Они не сами это придумали, а просто ссылаются на то, что написали некоторые философы, см. например [3.11]; находятся даже и биологи [3.12, 3.26], проповедующие такие теории, не говоря уже о специалистах из других областей науки, тоже попутно затрагивающих эту интересную тему. Как всегда в таких случаях, авторы приводят большое количество соответствующих цитат из трудов классиков науки, где так или иначе говорится об энтропии и жизни. Действительно, если жизнь антиэнтропийна, то нет никаких принципиальных запретов на создание ppm-2 на основе взятых из биологии принципов.

Вот что пишет по этому поводу в предисловии к книге П.К. Ощепкова [3.1] проф. П. Остроумов: «…Да и среди непосредственно окружающего нас мира мы наблюдаем явления, в которых хаос уступает порядку, где также, хотя и временно, наблюдаются как бы отступления от законов статистики, а теория вероятностей требует углубления и расширения. Это – явления в живой природе. Здесь второй закон в его примитивной форме применим далеко не всегда. Невольно возникает мысль: нельзя ли искусственно создать механизм, упорядочивающий статистическое тепловое движение частиц, воспроизводящий функции живого организма хотя бы лишь с энергетической стороны».

Если опустить весьма неопределенные, но «ученые» слова, не имеющие конкретного содержания, вроде «временного отступления от законов статистики», «примитивной формы второго закона» и «углубления и расширения теории вероятностей», то остается достаточно четкий тезис: живая природа демонстрирует нам антиэнтропийные процессы, противоречащие второму закону; познаем их и сделаем на их основе ppm-2!

Если это так, то нужно внять призывам Остроумова и Ощепкова и развернуть усилия энергетиков в этом многообещающем направлении; если же это не так и живая природа подчиняется второму закону, то следование их призывам бессмысленно и ведет в тупик.

Итак, что же происходит с энтропией в живой природе? Чтобы разобраться в этом, нет никакой необходимости вести специальные исследования: вопрос давно решен и нужно только познакомиться с соответствующей литературой. Наиболее четко существо дела изложено в небольшой, но очень весомой классической книжке известного физика А. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика» [1.8]. В 1984 г. вышла в значительной степени посвященная этой же теме научно-популярная работа чл.корр. АН СССР К.К. Ребане [1.10]. Мы подойдем к изложению вопроса не столько с физических, сколько с более конкретных инженерно-термодинамических позиций, имея в виду конечную цель, связанную с ppm-2.

Составим для этого прежде всего в общем виде энергетический баланс, характерный для растений, а затем такой же для животных. Такой баланс можно представить достаточно надежно, если не углубляться в существо сложнейших биологических процессов, а ограничиться входящими и выходящими потоками энергии.

На рис. 4.3 представлена схема материального (потоки вещества) и энергетического балансов растения, основанных на законах сохранения массы и энергии. Чтобы составить такие балансы, окружим растение так называемой замкнутой контрольной поверхностью (штриховая линия), чтобы учесть все входящие и выходящие потоки. Если хотя бы один из них ускользнет от учета (или, наоборот, будет учтен тот, который через контрольную поверхность не проходит), баланс станет неверным. Тогда никаких мало-мальски стоящих выводов из него делать нельзя. Мы постараемся не допустить такой ошибки.

^{Рис. 4.3. Схемы материального (а) и энергетического (б) балансов растения} 

Материальный баланс будет иметь вид

М ₂+ М ₄+ М ₅– (М ₃+ М ₆) = ΔМ ₀.

Это уравнение показывает: все, что получает растение (М ₂+ М ₄+ М ₅) за определенный отрезок времени, за вычетом того, что оно отдает (M ₃+ M ₆) идет на приращение ΔМ ₀его массы, связанное с ростом. Аналогичное уравнение получится и для энергии:

W ₁+ W ₂+ W ₄+ W ₅– (W ₃+ W ₆) = ΔW ₀.

Здесь ΔW ₀– прирост внутренней энергии растения, определяемый увеличением его массы при росте.

Чтобы установить, нарушает эта система второй закон термодинамики или нет, нужно проверить, что происходит с энтропией в процессе жизнедеятельности растения: увеличивается она или уменьшается?

Очевидно, что живая ткань растения более высоко структурно организована, чем поступающие из воздуха питательные вещества. Поэтому при образовании такой ткани (с массой ΔM ₀) ее энтропия будет несомненно меньше, чем суммарная энтропия исходных веществ (СО ₂, H ₂O) и питательных веществ почвы). В этом смысле образование и накопление живой ткани растения и поддержание ее существования будет, несомненно, антиэнтропийным процессом. Но никак нельзя забывать, что одновременно неизбежно меняется энтропия потоков вещества и энергии, проходящих через контрольную поверхность. Здесь получается обратная картина (рис. 4.3): суммарная энтропия выходящих потоков (3 и 6) неизбежно оказывается много большей, чем входящих (7, 2, 4 и 5). Это объясняется тем, что энтропия поглощаемого солнечного излучения [60]60
  Поток излучения, как и всякий поток энергии, тоже характеризуется определенной степенью беспорядка (разные частоты и другие характеристики колебаний частей спектра). Только монохроматическое когерентное излучение (например, лазера) полностью упорядочено и (как и работа) характеризуется нулевой энтропией.


[Закрыть]сравнительно невелика, так же как и поступающих из почвы минеральных солей; энтропии газов – кислорода и СО ₂– близки по значениям. Зато энтропия водяного пара, отдаваемого листьями, относительно велика (примерно в 3 раза больше, чем у воды). В результате энтропия потоков, проходящих через контрольную поверхность, возрастает намного больше, чем снижается энтропия веществ, превращающихся в органическую ткань.

Если первую величину – прирост энтропии – обозначить через ΔS', а вторую (уменьшение энтропии) – через ΔSʺ, то оказывается, что всегда ΔS' >> ΔSʺ.

Следовательно, в целом энтропия неизбежно возрастает на величину

ΔS = ΔS' – ΔSʺ >> 0.

Другими словами, растения только потому могут расти антиэнтропийно, что «сбрасывают» избыток энтропии в окружающую среду; при этом прирост энтропии в ней намного больше,чем снижение ее в самом растении. Поэтому все рассуждения об «антиэнтропийной природе растительной жизни», о «нарушении второго закона термодинамики» совершенно неверны. Они основаны на неполном учете всех величин, определяющих общее изменение энтропии, подмене точного анализа и расчета общими рассуждениями.

Если взять другую часть органического мира – животных, то здесь наблюдается та же картина. Животные, питаясь растениями (или другими животными), а также поглощая воду и кислород воздуха, выделяют СО ₂, теплоту и продукты, получаемые в результате переваривания пищи. Энтропия всего того, что выделяется, намного больше энтропии того, что поглощается. В результате уменьшение энтропии, происходящее как при образовании новых органических тканей и отмирании старых, оказывается намного меньше, чем общий прирост энтропии. Животные тоже «сбрасывают» излишнюю энтропию в окружающую среду, развивая или поддерживая таким путем свою внутреннюю высокоорганизованную малоэнтропийную структуру. В целом энтропия опять неизбежно растет. Очень наглядно проиллюстрировал это положение Э. Шредингер, о котором мы уже упоминали. Он писал так: «Энтропия кошки уменьшается за счет того, что возрастает энтропия системы «кошка + мышь»; т. е. то, что получается из мыши после того, как кошка ее съест и переварит, имеет значительно большую энтропию, чем мышь».

Таким образом и с другой, биологической стороны опровергнуть второй закон тоже не удается. Остается еще одна, последняя возможность – создать техническое устройство (или найти готовое), которое действовало бы вопреки второму закону термодинамики. Лучше всего, конечно, было бы, если бы такая система была двигателем и производила работу; но это в конце концов необязательно. Для доказательства достаточно только указать любую систему такого рода, поскольку возможность ее, существования однозначно определяет и возможность создания действующего ppm-2. В последнем параграфе этой главы мы рассмотрим одно такое устройство – тепловой насос, принцип действия которого уже обсуждался на стр. 125. По мнению многих сторонников «энергетической инверсии», он своей работой наилучшим образом опровергает второй закон термодинамики.

Прежде чем приступить к разбору теплового насоса, полезно проделать небольшую работу по ознакомлению с одним термодинамическим методом, который позволяет просто и наглядно определять, может ли работать любое предложенное устройство с точки зрения второго закона термодинамики, и если может, то какова его термодинамическая эффективность. Это не только очень удобно для анализа теплового насоса, но и позволит дополнительно рассмотреть роль второго начала термодинамики в биологии.

4.3. 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 качествоэнергетических 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 4схемы 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 качестваэнергии, 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 непосредственноколичества 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] [61]61
  Оно (правда, под другим названием) появилось не намного позже самого второго закона термодинамики – в 80-х годах прошлого века, но нашло широкое применение только в наше время. Термин «эксергия» (т. е. внешняя, способная проявиться в деле энергия) предложил югославский ученый З.Рант в 1956 г.


[Закрыть]. 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 Qпри разных температурах T = 500, 1000 и 1500 К. Отнеся Qк T, 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 (L = Q∙(T ₁-T ₂)/T ₁). Кроме температуры Т ₁в формулу входит и температура теплоприемника Т ₂, которая в нашей задаче соответствует температуре окружающей среды Т _О.С.. Примем ее равной 300 К (+27 °С).

Тогда работоспособность (эксергия) 100 кДж теплоты составит: для первого случая Eq ₁= 100∙(500-300)/500 = 40 кДж, для второго – Eq ₂= 100∙(1000-300)/1000 = 70 кДж и для третьего Eq ₃= 80 кДж.

Очевидно, что при других Т _О.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 ppm-2, не признают очевидного факта зависимости работоспособности теплоты от температуры. Это и естественно. Согласие с существованием такой зависимости неизбежно приводит к краху всей концепции ppm-2, поскольку «теплота окружающей среды» при Т = Т _О.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 ₁= 10 МПа, то в земной атмосфере с давлением р ₂= 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 венерианскую атмосферу при р ₂= 10 МПа, или в глубину моря, где такое же давление, то работоспособность (эксергия газа) в нем будет равна нулю (давления р ₁и р ₂равны – 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 Еʺ равна или меньше входящей E’ возможен; напротив, если Еʺ > E’, то невозможен и представляет собой некий вариант ppm-2.

Если отнести Еʺ к E’ то получим так называемый эксергетический КПД η _e= Еʺ/E’. Очевидно, что η _eв идеальном случае равен единице, т.е. 100%, а в реальном ηe < 100%. Если же ηe получается больше 100%, то мы неизбежно имеем дело с каким-либо вариантом ppm-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: ∑W’ = ∑Wʺ; для второго закона ∑Eʺ ≤ ∑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 ppm-2, симметричное определению ppm-1. Если ppm-1 – это машина, делающая энергию из «ничего» (∑Wʺ > ∑W') разность ΔW = ΔWʺ – ΔW' берется «ниоткуда»), то ppm-2 – это машина, делающая эксергию из того же «материала» (∑Еʺ > ∑Е'; разность ΔЕ = ΔЕʺ – ΔЕ' 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 – «негэнтропией». 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 [63]63
  Т. е. внутренней энергии.


[Закрыть]. 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 ppm-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 ppm-2 в энергетику.