Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

В обратимом мире запрет накладывается не на обмен теплотой как таковой, а на обмен теплотой между горячим и холодным телом. Но если температура источника и приемника тепла одна и та же, то теплообмен между ними в обратимом мире дозволен. Конечно, такой теплообмен — абстракция, но ведь и сам обратимый мир, и идеальные машины, и т. д. тоже абстракция. Однако они помогают нам понять суть явлений, показывают, что в том или ином процессе принципиально важно, а что нет.

Так вот, в обратимом мире, сочетая адиабатическое повышение температуры с теплообменом при постоянной температуре, можно нагревать тело, не повышая его давления. Предположим, вам нужно повысить температуру в комнате с 10 до 30 °C, причем в вашем распоряжении есть источник тепла с температурой 30°. Путем непосредственного контакта нагрев произвести нельзя. Но можно адиабатическим сжатием, потребляя электроэнергию из сети, довести температуру в комнате до 30°, после чего привести ее в контакт с источником, предоставив возможность воздуху в комнате расширяться при постоянной температуре, полностью отдавая назад в сеть совершаемую им полезную работу. Когда давление воздуха снизится до первоначального, процесс останавливается, ибо поставленная цель достигнута: температура воздуха повышена, а давление осталось первоначальным. Точно таким же образом можно и понизить температуру в комнате…

Совокупность всех устройств для осуществления этих операций, в сущности, и есть тепловая машина, которой, как мы только что убедились, отводится в обратимом мире роль охладителей и нагревателей. Выходит, в мире, где нет горения и трения, где нет непосредственного теплообмена между горячим и холодным телом, главное назначение тепловой машины — обратимо повышать и понижать температуру. В таком мире они из первых рядов энергетики перекочевывают в разряд обычных преобразователей, принципиально ничем не отличающихся от электромоторов, зубчатых передач, гидротурбин. И только необратимость, делающая тепловое движение легкодоступным и получающимся практически в любых количествах, поставила тепловую машину на исключительное место — место первичного двигателя. Но это место и этот титул не даются даром…

Уже давно и прочно укоренилось мнение, будто тепловой двигатель не может «полностью превратить теплоту в работу». И действительно, из теплоты, получаемой при сгорании топлива, самые лучшие тепловые двигатели преобразуют в работу процентов 25–30. И это дало повод утверждать, что даже идеальному тепловому двигателю принципиально свойственна такая неспособность, что этим-де тепловой двигатель принципиально отличается от всех прочих машин — электрических, гидравлических, механических. В чем же источник такого недоразумения?

Оказывается, следуя по пути Карно, специалисты мысленно устранили все источники необратимости лишь внутри идеальной тепловой машины, но они забыли сделать это во всем окружающем мире. Они забыли, что теплота, которую идеальная машина должна преобразовывать в работу, получается при сгорании топлива — типичнейшем необратимом процессе, последствия которого невозможно исправить никакой самой что ни на есть идеальной машиной. Так получилось, что тепловым машинам стали приписывать ответственность за потери, вносимые необратимостью, в которых они совершенно неповинны.

Стоит поместить тепловые машины в обратимый мир, в котором тепловое движение равноправно со всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: тепловые машины ничем не хуже других, никакие особые потери им не свойственны, и по экономичности они ничем не уступают электродвигателям или зубчатым передачам. Но стоит их поместить в реальный необратимый мир, в котором необратимость придает тепловому движению особое место, отличное от места, занимаемого всеми другими формами движения, и мы убеждаемся: из скромного нагревателя-охладителя тепловая машина превращается в первичный двигатель, но зато у нее появляются потери, делающие ее в несколько раз менее экономичной, чем электромоторы и зубчатые передачи.

Как же работают и чем отличаются друг от друга многочисленные тепловые двигатели современной промышленности? Раньше всех разобрался в этом Сади Карно…

Он понял, что для работы теплового двигателя прежде всего необходим перепад температур: «…недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна. В самом деле, если бы вокруг нас были тела только такие же горячие, как и топка, каким бы образом можно было сконденсировать пар? Куда его бы деть, раз он получен? Не следует думать, что его можно… выбросить в атмосферу: атмосфера не приняла бы его. Она принимает его в обычных условиях, потому что выполняет роль большого холодильника, потому что находится при более низкой температуре: иначе она была бы им вскоре заполнена…»