Виктор Бродянский - Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

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] [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. . 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 T = 500, 1000 и 1500 К. Отнеся Q к 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).