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

Во-вторых, как раз В. Томсон заложил основы термодинамики термоэлектрических явлений, посредством которых это самое «непосредственное превращение» и происходит. М. Планк тоже сделал огромный вклад в новые направления термодинамики. Попытка представить их как нечто древнее и устаревшее не только неграмотна, она направлена на то, чтобы устранить все, что мешает получать энергию «окольным путем», в том числе и упрямых классиков науки.

Все разговоры об «интригующих особенностях» ЭХГ опираются на непонимание действительных особенностей их энергетического баланса и связанное с этим неверное определение их КПД. Здесь сказываются традиции подсчета термического КПД электростанций, работающих на органическом топливе. Термический КПД η Гдля них подсчитывается по отношению полученной электроэнергии L ЭЛк теплоте сгорания использованного топлива ΔН. Он равен, по существу, отношению полученной электроэнергии к затраченной теплоте: η Г= L ЭЛ/ΔН. Строго говоря, поскольку в нем сопоставляются качественно различные формы энергии — теплота и работа, ηГ представляет собой не КПД, а коэффициент преобразования энергии.

Дня тепловых электростанций это различие не очень существенно, так как эксергия (работоспособность) топлива Е Тпримерно (с разницей до ±8-10%) совпадает с его теплотой сгорания ΔН. Поэтому здесь эксергетический КПД η e= L ЭЛ/ΔЕ примерно равен коэффициенту преобразования η T= L ЭЛ/ΔН, который по традиции называют термическим КПД η T= η e. Однако при переходе к ЭХГ это равенство нарушается. Здесь разность эксергий ΔЕ исходных химических веществ (реагентов), например Н 2+С 12, 2Н 2+O 2, N 2H 4+2H 2O 2, 2C+O 2, и продуктов реакции — НCl, Н 2O, N 2, СО может существенно отличаться от теплоты реакции ΔН. В этом проявляется естественное отличие максимальной работы процессов от их теплового эффекта. Поэтому и значение коэффициента преобразования, полученное по формуле η = L ЭЛ/ΔН для ЭХГ, не равно КПД; неучет этого различия приводит к ошибочным оценкам.

Действительно, максимальная (для идеального случая) электрическая работа L ЭЛ.М., как известно из термодинамики, определяется уменьшением величины G — так называемого потенциала Гиббса:

L ЭЛ.М= -ΔG = -(ΔН — TΔS).

Из этой формулы видно, что L ЭЛ.Мможет быть как больше ΔН (если ΔS отрицательна, т. е. энтропия S при реакции уменьшается), так и меньше (если ΔS положительна, т. е. энтропия при реакции возрастает). На практике встречаются оба случая. Например, в водородно-кислородном ЭХГ реакция протекает с уменьшением энтропии (ΔS < 0), что соответствует выделению теплоты. При этом L ЭЛ.Мбудет меньше ΔН. Так, при Т = 298 К значение ΔН = -286 кДж/кмоль Н 2, a ΔS = —0,163 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, ΔG = L ЭЛ.М= —286 + 298 ∙ 0,163 = —273,4 кДж/кмоль. Значит, максимальное значение коэффициента преобразования η T= ΔG/ΔН составит здесь 237,4/286 = 0,83.

Этот вариант ЭХГ, в котором ηT существенно меньше 100%, естественно, не привлекает «инверсионщиков». Зато другой, в котором η T> 1, вызывает энтузиазм. Действительно, например, для угольно-кислородного ЭХГ ΔG > ΔН, поскольку энтропия в результате реакции растет вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Здесь при той же температуре, что и в предыдущем примере, ΔН = -110,6 кДж/(кмоль-К), a ΔS = 0,089 кДж/(кмоль∙К). Следовательно, Δg = —137,2 кДж/кмоль, что больше, чем ΔН. Отсюда η T= 137,2/110,6 = 1,24, т. е. 124%, что намного больше 100%! Вот пример, когда «электрическая энергия, выдаваемая подобным элементом, есть в конечном счете трансформируемая энергия окружающей среды.»

Увы, это совсем не так. Вся электрическая энергия, как в этом случае, так и при η T< 1, получается за счет химической энергии реагентов, а теплота (как подводимая, так и отводимая) идет на изменение энтропии реагентов. Если они уходят с меньшей энтропией, чем поступают («более организованные»), — теплота отводится, а если с большей энтропией («менее организованные») — теплота подводится.

Величины η T, к сожалению, этого не показывают, ибо коэффициенты преобразования (в том числе и термический КПД η Tне дают, в общем случае правильной информации о термодинамическом совершенстве процесса. Идеальный процесс в ЭХГ должен всегда иметь КПД ровно 100%, а не 86 или 124. Действительно, строго определяемый КПД η Tтопливного элемента должен иметь вид η e= L ЭЛ/ΔЕ, где ΔЕ — затраченная эксергия. Поскольку в рассматриваемых примерах Т = T О.С., то ΔG = ΔН — TΔS равно ΔЕ = ΔН – T О.С.ΔS и η T= L ЭЛ/ΔG. Тогда получаем для идеального ЭХГ во всех случаях η e= 1, т. е. 100%. Реальный КПД будет, естественно, меньше 100%, поскольку L ЭЛ< L ЭЛ.М..