Беседы об энергии

Проф. Г. ПОКРОВСКИЙ

В первой половине XIX в. начали быстро развиваться паровые машины. Общая вооруженность производства энергией сделала такой шаг вперед, который далеко опережал все, что было достигнуто в этой области ранее за несколько тысячелетий. В связи с этим перед техникой встал вопрос о наиболее выгодных формах превращения тех огромных потоков энергии, которыми она так быстро овладела. Работы Карно, Роберта Майера, Джоуля и других исследователей положили в середине XIX столетия начало научному подходу к этой задаче. Было доказано, что превращение тепловой энергии в механическую может быть осуществлено только частично; было установлено, что коэффициент полезного действия тогдашних тепловых двигателей (паровых машин) составлял всего несколько процентов; выяснилось также, что и теоретически этот коэффициент не может быть особенно высоким.

Всякая паровая машина или турбина может работать лишь в том случае, если имеется, с одной стороны, нагретый до соответствующей температуры котел, в котором образуется пар необходимого давления, и, с другой стороны, достаточно холодное пространство, куда можно выпускать отработанный пар. В простейших случаях отработанный пар выпускается непосредственно в атмосферу, но удобнее применять особый холодильник. В этом случае паровая машина или турбина будет работать постольку, поскольку котел имеет температуру, превышающую температуру холодильника. Именно разность этих температур и определяет собой коэффициент полезного действия машины.

Если исключить потери энергии на трение и другие сопротивления, а также считать, что в машине нет заметных тепловых потерь, то мы получим максимальный коэффициент полезного действия. Его значение определяется известной формулой Карно:

\(k=\frac{T_1-T_2}{T_1}\times100\)

где \(k\) — коэффициент полезного действия (выраженный в процентах), \(T_1\) — абсолютная температура нагревателя (парового котла), и \(T_2\) — абсолютная температура холодильника.

Напомним, что абсолютная температура получается прибавлением величины, равной 273, к температуре, выраженной в градусах Цельсия. Так, если мы имеем паровую машину (или турбину), получающую пар при температуре 200° С и отдающую отработанный пар холодильнику с температурой 20° С, то

\(T_1=200+273=473\),

\(T_2=20+273=293\),

и

\(k=\frac{473-293}{473}\times100=38\%\).

Фактически, конечно, коэффициент полезного действия будет меньше вследствие потерь на трение, на охлаждение машины, на работу вспомогательных механизмов и т. п., поэтому даже лучшие тепловые двигатели не дают коэффициента полезного действия, намного превосходящего 30%.

Геронов шар — первая реактивная паровая турбина, осуществленная знаменитым ученым Героном Александрийским за 2000 лет до нашей эры. Пар выходит из патрубков, приделанных к вращающемуся шару, и приводит этот шар в движение. Уже в этом примитивном двигателе было осуществлено основное условие для работы тепловых машин: достаточная разность температур, так как только в этом случае получалось необходимое давление пара для вращения героновой турбины.

Если бы мы попытались преобразовать тепловую энергию не в механическую, а в иные формы энергии, то мы убедились бы также, что и в этом случае далеко не вся теплота переходит в эти другие формы энергии. Так, например, в термоэлементах удается обычно превратить в электроэнергию только ничтожную часть (несколько процентов) затраченной теплоты.

Единственная форма энергии, в которую теплота может быть превращена с высоким коэффициентом полезного действия, — это лучистая энергия. Однако превратить в свою очередь лучистую энергию в иные формы энергии (механическую, электрическую) весьма трудно, и осуществляется такой переход с весьма малым коэффициентом полезного действия. Таким образом, нет оснований считать превращение теплоты в лучистую энергию особенно выгодным для техники. Только в осветительных приборах или в приборах, дающих тепловые или ультрафиолетовые лучи, находит себе применение лучистая энергия.

Пока только теоретически можно представить себе такой комбинированный двигатель, который мог бы использовать тепловую энергию с несколько большим коэффициентом полезного действия, чем обычно. Такой двигатель можно было бы назвать «лучевой турбиной». Еще во второй половине прошлого столетия английский физик Максвелл доказал теоретически, что любая лучистая энергия производит давление на ту поверхность, на которую она падает. Это было подтверждено блестящими опытами, проделанными в начале нашего столетия великим русским физиком Лебедевым.

Таким образом, можно представить себе двигатель, состоящий из колеса с лопастями, которой вращается падающим на него потоком лучистой энергии, так, как если бы вместо лучей действовала струя воды. Правда, практически осуществить такой двигатель почти невозможно, потому что полное превращение лучистой энергии в механическую работу можно было бы получить только при чрезвычайно больших скоростях вращения. Необходимо, чтобы лопасти «лучевой турбины» двигались со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км в секунду). Осуществить это при современном уровне техники нельзя: задолго до достижения такой скорости любое колесо было бы разорвано центробежной силой.

Схема световой турбины. Поток лучей, идущий от источника света, направляется вогнутым зеркалом на колеса с зеркальными лопастями и последовательно отражается от этих лопастей. При отражении свет производит давление на лопасти и вращает колеса. Ввиду того что свет производит очень слабое давление, заметную энергию в этом двигателе можно получить только при очень быстром вращении колес.

Впрочем, можно поступить еще и так: лучи, идущие от нагретого тела, направляются вогнутым зеркалом в одну сторону, далее они последовательно отражаются от системы зеркал, расположенных на двух вращающихся в противоположные стороны осях. В этом случае скорость вращения можно уменьшить во столько раз, сколько зеркал установлено на осях.

Известно, что давление лучистой энергии тем больше, чем больше этой энергии падает на единицу поверхности, а количество энергии тем больше, чем выше температура. В конце прошлого столетия немецкие физики Стефан и Больцман установили, что количество излучаемой энергии пропорционально четвертой степени абсолютной температуры; отсюда можно вывести коэффициент полезного действия «лучевой турбины». Мы получим формулу, похожую на формулу Карно, но абсолютные температуры нагревателя \(T_1\), и холодильника \(T_2\), войдут в эту формулу не в первой, а в четвертой степени.

\(k=\frac{T_1^4-T_2^4}{T_1^4}\times100\).

Если мы возьмем те же величины \(T_1\) и \(T_2\), которые были взяты раньше для расчета коэффициента полезного действия паровой машины, то для «лучевой турбины» этот коэффициент будет не 38%, а гораздо больше:

\(k=\frac{473^4-293^4}{473^4}\times100=86\%\)

К сожалению, такой высокий коэффициент использования лучистой энергии остается пока только мечтой физиков, практическое осуществление которой — дело далекого будущего.

*

Почему же теплота обладает такой малой способностью переходить в другие формы энергии?

Тепловая энергия — это энергия беспорядочного движения молекул какого-либо вещества. Полностью перевести это беспорядочное движение множества молекул в упорядоченное, организованное движение частей той или иной машины оказывается невозможным. Иначе, например, дело обстоит с электрической энергией. В этом случае все частицы, участвующие в явлении электрического тока (например, электроны, движущиеся в металлическом проводнике), имеют определенно направленное организованное движение, которое может быть превращено с небольшими потерями в движение тех или иных частей машины (например электромотора). Вот почему в больших гидроэлектроустановках коэффициент полезного действия весьма близок к 100%.

Может ли, однако, техника мириться с такой малой ценностью тепловой энергии, с таким нерациональным использованием природных богатств? Ведь в наших тепловых двигателях мы сжигаем то или иное топливо, т. е. имеем здесь окислительный процесс. Это значит, что ценнейшие химические соединения с огромной концентрацией химической энергии мы превращаем в малоценные окислы только для того, чтобы урвать себе какие-нибудь 10—30 % освобождающейся энергии, а остальные 90—70% пустить буквально на ветер.

Например, каменный уголь может служить ценным сырьем для изготовления сложнейших химических соединений — различных анилиновых красок и т. п. При сжигании же этого угля в тепловых двигателях мы получаем углекислоту и водяные пары, которые не имеют никакой технической ценности. То же можно сказать и о нефти.

Несомненно, что наука и техника социалистического общества смогут разрешить такую важнейшую энергетическую задачу, как наиболее рациональное использование энергии угля, нефти и других видов топлива.

В сущности, сходная задача в природе уже решена. В организме всех живых существ мы можем наблюдать окислительные процессы, которые приводят к получению, между прочим, и механической работы. Процессы эти протекают без значительной разности температур.

Мы уже говорили, что для работы теплового двигателя нужны нагреватель (котел с топкой) и холодильник. При этом коэффициент полезного действия двигателя зависит от разности температур нагревателя и холодильника. Но у живых существ механическая работа мускулов осуществляется практически без наличия разности температур, например, разность между температурой внутри тела насекомых и температурой окружающей среды совершенно ничтожна. Между тем коэффициент полезного действия при превращении в механическую работу химической энергии пищи, поглощаемой насекомыми, достаточно высок: он достигает 15%, а иногда и значительно большей величины. Происходит это потому, что в организме живого существа осуществляется непосредственное преобразование химической энергии в механическую, без промежуточной тепловой формы. В каждой клетке мышечной ткани происходит соединение органических веществ, состоящих преимущественно из углерода и водорода, с кислородом, растворенным в крови. В результате этой химической реакции клетка сокращается и производит механическую работу.

Схема комбинированного электрохимического двигателя. В котле 1 происходит растворение металла в кислоте. Металлический стержень 2 подается колесом 5 через сальник 6 в котел. Образующийся при реакции газ приводит в действие поршневой двигатель 8. Получающаяся в результате реакции разность электрических потенциалов используется для приведения в действие электромотора 9, соединенного передачей с валом поршневого двигателя. Свежая кислота подается в котел насосом 3 из бака 4. Отработанная кислота выпускается через турбинку 7, приводящую в действие вспомогательные механизмы.

Весьма вероятно, что дальнейшее изучение окислительных процессов, происходящих у живых существ, поможет науке наметить новые пути использования и превращения энергии.

Вполне возможно представить себе (разумеется, пока только чисто теоретически) такой процесс получения механической работы в привычных нам двигателях, который протекал бы без разности температур.

Представьте себе котел, соединенный с обычной турбиной или поршневой машиной. Однако этот котел не нагревается, а в нем непосредственно происходит какая-либо химическая реакция, которая сопровождается обильным выделением газа, например, при растворении цинка в серной кислоте получаются большие количества водорода. Этот газ направляется затем в цилиндры машины или в турбину, заставляя их работать обычным путем, подобно пару. Отработанный газ вполне возможно использовать после этого для различных химических нужд.

Можно прибегнуть и к другим процессам. Можно поместить, например, прямо под поршень какое-либо сильно разбухающее при увлажнении вещество, хотя бы сухую глину. Подводя к ней воду, мы заставляем ее разбухать, и она с громадной силой будет выдвигать поршень. Когда глина окончательно разбухнет, ее можно удалить из цилиндра через специальное открывающееся отверстие. В результате этого поршень опустится, под него помещается новая порция сухой глины, и весь процесс начинается сначала.

Таких примеров можно привести много. Разумеется, следует еще раз оговориться, что они не претендуют на какое бы то ни было практическое значение, а лишь иллюстрируют то принципиальное утверждение, что возможны иные пути получения механической работы — без промежуточной тепловой формы энергии.

Надо надеяться, что не так уж далеко то время, когда мы сможем говорить о технических решениях подобных задач и будем превращать химическую энергию непосредственно в нужную нам механическую работу.

*

Получение механической энергии в двигателе — это только первый этап. Эту энергию мы всегда передаем куда-то дальше и превращаем в иные формы. С практической точки зрения нет смысла отделять превращения энергии в двигателе от превращений энергии в различных механизмах, которые этот двигатель приводит в действие. В конечном итоге важен общий результат превращений энергии.

Возможны, например, такие случаи, когда вся работа двигателя рассеивается, превращаясь прямым или косвенным путем в теплоту. Это происходит в первую очередь во всех видах транспорта. Здесь подавляющая часть энергии превращается в теплоту вследствие трения колес о поверхность, по которой они движутся, трения в подшипниках и трения об окружающую среду. Последний путь рассеяния энергии является основным при водном и воздушном транспорте.

Единственная форма энергии, которая не рассеивается во всех видах транспорта, — это потенциальная энергия силы тяжести. Она получается, когда движение происходит с меньшей высоты на большую. В этом случае потенциальная энергия силы тяжести может быть вновь использована.

Часть механической работы переходит на транспорте в форму энергии движения (кинетической энергии). Эта энергия в свою очередь обычно превращается в теплоту и рассеивается при торможении. Однако значительную часть энергии движения можно при этом уловить. На электрифицированном транспорте в настоящее время все шире и шире применяется так называемая рекуперация, Сущность ее состоит в том, что электродвигатели трамвая или электропоезда при торможении превращаются временно в генераторы тока и преобразуют энергию движения вновь в электрическую энергию, посылая ее в питающую сеть или заряжая аккумуляторы.

Применяя метод рекуперации в достаточно широких масштабах, мы сможем получить огромную экономию в использовании энергии. Надо только при этом свести трение до минимума, и тогда можно будет перемещаться на большие расстояния и развивать громадные скорости с ничтожной затратой энергии.

*

Как же можно сделать так, чтобы затраченная при разгоне работа возвращалась обратно при торможении?

Представьте себе, что движение некоего фантастического поезда происходит в трубе, откуда выкачан воздух. Этим уничтожается сопротивление среды движению. Далее, все подшипники, рельсы и колеса охлаждаются почти до абсолютного нуля (—273°), при этом трение становится довольно малым, и движение может быть осуществлено с весьма небольшими потерями энергии.

Конечно, выкачивание воздуха из трубы и охлаждение трущихся частей потребуют значительной энергии, но эта энергия не пойдет непосредственно на эксплуатацию транспорта. Если при соответствующей изоляции труба не будет пропускать воздух и тепло, то нужно будет только один раз затратить энергию на выкачивание и охлаждение, дальнейшие нее затраты энергии на поддержание раз установленного режима в трубе будут весьма незначительны.

Поезд в такой трубе движется электричеством, которое дают аккумуляторы, установленные в одном из вагонов. Здесь и применяется метод рекуперации. Путь имеет уклон вниз после каждой станции и крутой подъем при подходе к другой станции. Тогда поезд, выходя со станции, будет по уклону вниз разгоняться и автоматически тормозиться при подходе к следующей станции.

Фантастический проект рельсового транспорта будущего. Станции расположены в верхних частях пути. Ускорение и торможение поездов осуществляется автоматически, в основном за счет силы тяжести.

Таким образом, можно предполагать, что количество энергии, необходимой для движения по горизонтальному направлению, может быть снижено в очень большой степени по сравнению с тем, что мы имеем на современном транспорте. Энергия аккумуляторной батареи будет расходоваться на работу двигателя, ведущего поезд, только в начале движения для получения необходимой скорости и на подъемах для преодоления силы тяжести; при спуске же и при торможении энергия будет по методу рекуперации вновь возвращаться в аккумуляторы.

Если такая система будет работать без особых потерь и трение будет сведено к минимуму, то получится парадоксальный результат: запас энергии, необходимый для преодоления того или иного расстояния, будет зависеть лишь от скорости движения и разницы в высоте пункта отправления и пункта назначения, от самого же расстояния между этими пунктами необходимый запас энергии зависеть почти не будет. Это коренным образом изменит наши взгляды на энергетическую природу транспорта и сделает совершенно непригодным представление о том, что расстояние определяет расходы и энергию, необходимые для перевозок грузов и пассажиров.

*

Экономить энергию можно и на других участках нашей работы, правда, не в столь широких масштабах, как на транспорте.

Возьмем для примера хотя бы земляные работы по устройству насыпи. Здесь нужно затратить прежде всего энергию на выемку необходимого грунта в том или ином месте; далее, необходима энергия для транспортировки грунта и для его подъема на нужную высоту; наконец, необходима также энергия для уплотнения грунта при постройке насыпи.

Мы знаем теперь, что энергию транспорта можно при соответствующих условиях сильно уменьшить. Остальные виды работ — выемка, подъем и трамбовка грунта — требуют некоторого минимума энергии, который уже сейчас можно теоретически подсчитать. И вот оказывается, что этот теоретически вычисленный минимум во много раз меньше того количества энергии, которое мы сейчас обычно затрачиваем на эти работы. Таким образом, можно полагать, что коэффициент полезного действия при земляных работах пока еще весьма невелик. Здесь, по-видимому, имеются богатейшие возможности экономить энергию. Это же относится и к пахоте: необходимая для рыхления и переворачивания почвы энергия, подсчитанная приближенно на основе теории, оказывается во много раз меньше обычных затрат энергии в действительности. И в этой области нам нужно будет найти способы повышения коэффициента полезного действия.

Точно так же можно говорить и о повышении коэффициента полезного действия при механической обработке материалов.

Для изготовления любого предмета необходимо затратить энергию в основном для двух целей: во-первых, необходимо получить нужное количество данного материала и, во-вторых, придать этому материалу соответствующую форму. Количество энергии, которое нужно для этого затратить, можно теоретически подсчитать, можно также подсчитать и энергию, которая практически расходуется при изготовлении данного предмета. Пользуясь этими данными, уже легко вычислить и соответствующий коэффициент полезного действия.

*

В области двигателей уже имеются теоретически рассчитанные и четко сформулированные условия, при которых можно осуществить более высокий коэффициент полезного действия. И здесь основное внимание должно быть направлено на претворение теории в действительность. Но в области обработки самых различных материалов предстоит еще громадная как практическая, так и теоретическая работа. Она должна помочь нам значительно более рационально и разумно направлять и преобразовывать могучие потоки энергии, находящиеся в нашем распоряжении. Достаточно указать, например, что почти при всех видах механической обработки материалов коэффициент полезного действия не превышает одного процента; понятно, что повышение этой величины хотя бы до пяти процентов означало бы увеличение продукции в пять раз при той же затрате энергии, — отсюда ясно огромное значение этой проблемы.