Однако немецкие ученые на этом не остановились и предложили проект поистине гигантского теплового накопителя. Озеро площадью до 500 гектаров предполагается покрыть «одеялом» из пенопласта толщиной 10 сантиметров. После этого воду в озере нагреют до 75 градусов. Благодаря «одеялу» тепло в озере будет держаться очень долго, многие месяцы, и его можно постепенно использовать.
Но если уж и говорить о гигантских тепловых накопителях, то проект советских ученых не имеет себе равных. В нем предлагается использовать солнечную энергию с помощью теплового накопителя массой... 400 миллионов тонн! Этот накопитель можно представить себе в виде кольца шириной 10 метров и толщиной в полметра, опоясывающего Землю по экватору. Днем участки кольца, которые освещаются солнцем, нагреваются, и заполнитель плавится. Ночью расплавленные участки гигантского накопителя выделяют тепло, снабжая энергией население всего земного шара.
Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более ста лет назад. Как я уже говорил, во Франции в городе Нанте в конце прошлого века ходил трамвай, движимый сжатым воздухом. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и... кипятком.
Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда первый сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Так можно было получить от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона.
Разумеется, я не мог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какие продаются в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом с пневматическим гайковертом, приобретенным в магазине инструментов. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей одно из задних колес тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.
Раскрывая вентиль баллона, я подавал углекислоту в гайковерт, он вращал колесо, и микромобиль катился. Но теперь пневмодвигатель не замерзал, как в моем недавнем опыте с воздуховозом. Я поставил на пути газа из баллона в пневмодвигатель накопитель тепла, изготовленный из кастрюли, и внутри его поместил змеевик из металлической трубки (он был взят из выброшенного холодильника). В кастрюлю заливалась кипящая вода, а впоследствии расплавленный парафин и даже глауберова соль. Углекислый газ, проходя через змеевик, сильно нагревался и отдавал микромобилю значительно больше энергии.
Если правильно подобрать передаточное число цепной передачи от патрона гайковерта к колесу, на таком микромобиле можно проехать около километра. Позднее я додумался применить здесь цепную «коробку скоростей» от гоночного велосипеда и несколько баллонов с углекислотой, вследствие чего длина пробега микромобиля еще более увеличилась. Баллоны с углекислотой нужно было периодически заряжать там, где их заряжают водители. Или покупать уже заряженные баллоны в автомагазинах. Что и говорить, дороговатое катание получалось, но зато было интересно.
Мой микромобиль всем очень нравился, сверстники любили на нем кататься. Каждый приходил со своим огнетушителем, а в автомагазине были рады, что залежалые баллоны хорошо распродаются. Продавцов удивляло только, что спрашивают именно углекислотные, а не другие типы огнетушителей.
Я уже умел составлять заявку на изобретение и вскоре подал ее на свой микромобиль. В ответ пришло письмо, уведомляющее, что мне выдадут авторское свидетельство. Еще одно изобретение, а настоящей «капсулы» все нет...
Чтобы избавиться от дорогих баллонов с углекислотой, я решил поставить на микромобиль вместо пневмодвигателя паровую машину, которую мне обещали дать из школьного физического кабинета, а огнетушитель заменить обыкновенным паровым котлом. Правда, расчеты показали, что ни парафин, ни глауберова соль мне здесь не помогут – слишком низка их температура плавления. Тут вполне подошел бы гидрид лития с его 650 градусами. Однако все мои попытки достать гидрид или сходный с ним фторид лития не увенчались успехом. В хозяйственных магазинах его не было, в магазинах химреактивов мне постоянно советовали обратиться в конце месяца.
А пока я ждал очередного конца месяца, мне попалась на глаза – кажется, в журнале «Техника – молодежи» – информация как раз об использовании тепловых накопителей на транспорте. В маленькой заметке сообщалось, что в тепловой накопитель, установленный на мотороллере с так называемым двигателем Стирлинга мощностью в 3 лошадиные силы (2,2 квт), заливали ведро расплавленного фторида или гидрида лития и двигатель работал 5 часов, используя накопленное тепло.
Значит, мне уже не нужно тратить время на поиски гидрида лития, тепловой накопитель с ним уже есть. Вот только что это за двигатель Стирлинга?
Так и не вспомнив, где мне попадалось это название, я обратился к энциклопедии и узнал, что принцип действия двигателя, изобретенного в 1816 году Робертом Стирлингом, основан на нагревании одной его части и охлаждении другой – как будто специально для применения теплового накопителя; в самом двигателе находится газ – водород или гелий – под большим давлением. Двигатель Стирлинга сейчас считают одним из самых перспективных тепловых двигателей, он работает даже от тепла человеческих рук.
Я еще раз внимательно прочитал заметку из журнала и прикинул, сколько потребовалось бы горючего для совершения той же работы. Сравнение оказалось не в пользу теплового накопителя – горючего понадобится всего около трех килограммов, или чуть больше трех литров!
В чем дело? Почему столь энергоемкий накопитель, как тепловой, менее эффективен, чем бак с горючим?
Когда же я попытался вычислить массу всего силового агрегата, необходимого для автомобиля, то есть двигателя Стирлинга вместе с тепловым накопителем, то пришел к совершенно неутешительным выводам. Масса агрегата становится настолько большой, что раз в триста превышает тот же показатель для чисто теплового накопителя.
Это происходит прежде всего потому, что двигатель Стирлинга и тем более паровая машина очень тяжелы сами по себе. Кроме того, в механическую энергию, как выяснилось, можно перевести с помощью этих машин только около трети энергии накопителя. Две трети энергии, а следовательно, и массы накопителя для нас теряются.
Так или иначе, но для прохождения ста километров пути автомобилю понадобился бы силовой агрегат массой около трех тонн, или в три раза больше, чем весит сам автомобиль! Ни о какой «капсуле» здесь говорить, естественно, не приходится...
Кое-что об энергии и работе
Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.
Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», и мало ли еще какими, их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильников, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.
Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.
Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью превратилось в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они не передали бы, останется еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.
Вот поэтому-то КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать величины, равной частному от деления разности абсолютных температур (это по Кельвину, чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса) нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя.
Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200° по Цельсию, то есть 473° по Кельвину, а уходит при температуре 100°C, то есть 373°К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21%. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10...15%.
Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, и не пытаться получать от них механической работы. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы обогрев салона тех же автомобилей, работающих на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».
Тепловая смерть и «демон Максвелла»
Честно говоря, на невеселые мысли навели меня рассуждения о переходе механической, да и других видов энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже не извлечешь ничего путного.
Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается в окружающей среде, поднимая ее температуру!
Но если повышается температура окружающей среды – естественного «холодильника» тепловых машин, одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин в мире сразу. Это доказал в прошлом веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей выровняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и получить работу будет уже нельзя... Существование человечества станет невозможным!
Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил для себя, энтропия есть некая величина, увеличение которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло и обратно) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла.
Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространяя свои выводы на всю Вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» Вселенной.
Конечно, понятие энтропии сложно, оно с трудом воспринимается неподготовленным человеком, но мне помог прекрасный эмоциональный образ энтропии, энергии и их «отношений» в этом мире, найденный мною в одной старой книге: «Над всем, что совершается в беспредельном пространстве, в потоке преходящего времени властвует Энергия, как царица или богиня, озирая своим светом и былинку в поле, и гениального человека, здесь даря, там отнимая, но сохраняясь в целом количественно неизменной... Но где свет, там и тень, имя которой – Энтропия. Глядя на нее, нельзя подавить в себе смутного страха – она, как злой демон, старается умалить или совсем уничтожить все то прекрасное, что создает светлый демон – Энергия. Все мы находимся под защитой Энергии, и все отданы в жертву скрытому яду Энтропии... Количество Энергии постоянно, количество же Энтропии растет, обесценивая Энергию количественно. Солнце светит, но тени становятся все длиннее. Всюду рассеяние, выравнивание, обесценивание...».
Этот отрывок весьма живо рисует ужасную картину приближения «тепловой смерти». И оказывается, до сих пор не найден процесс, защищающий Вселенную от предсказанной Клаузиусом гибели. Но, несомненно, он должен существовать. Во всяком случае, мне показалось достаточно убедительным высказывание Н.Г. Чернышевского по этому поводу: «Формула, предвещающая конец движения во Вселенной, противоречит факту существования движения в наше время. Эта формула фальшивая... Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение...».
Последняя фраза Чернышевского как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли бы теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру, ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причем не боялись бы при этом нагревания, «теплового загрязнения» окружающей среды.
Эту идею поддерживал и К.Э. Циолковский, он сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам ее рассеяния. Поэтому «получается вечный круговорот материи», вечно возникающая юность Вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода – вот задача, которую ставил Циолковский.
Решить такую задачу, правда по-своему, попытался еще в 1871 году английский ученый Джеймс Максвелл. Он приписал функции подобного механизма некоему фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла». Это существо, утверждал ученый, обладает столь изощренными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в ее движениях и знать ее скорость. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы в перегородке, мы можем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. «Демон» будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные – в другую, тогда в одной части сосуда и температура и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы без затраты работы получим запас энергии.
«Демон Максвелла», придуманный более 100 лет назад, и ныне будоражит умы. Много раз ученые убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, не имеющая никакой реальной основы игра воображения. Действительно, если бы в сосуде были всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала. Академик А.Ф. Иоффе оценил возможность существования процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут еще восемьдесят четыре нуля. Это гораздо меньше вероятности получения в столкновении «Москвича» и «Запорожца» совершенно новой «Волги».
Однако страсти вокруг «демона» не унимаются, его приверженцы стараются найти все новые аргументы в его защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной проблеме «демона Максвелла», всерьез говорится о том, что роль «демона» в разделении молекул с разной энергией взял на себя квантовый генератор – лазер, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных.
Утверждают, что разделение молекул по скоростям в потоке молекул газа якобы происходит в вакуумной камере под воздействием гравитационного поля Земли: дескать, в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые.
Кроме того, заявляют, будто измерения температуры кипения жидкости в различных ее частях показали отклонения, достигающие десятков градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», они могли возникнуть?
Последнее меня заинтересовало, и я задумал сам провести опыт, который должен был подтвердить или опровергнуть существование злополучного «демона».
Прежде всего мне нужно было найти какой-нибудь стеклянный сферический сосуд и позеркалить его снаружи.
Подходящий сосуд я раздобыл довольно быстро – взял большой яркий шар из елочных украшений. Чтобы удалить внутренний зеркальный слой, промыл шар изнутри азотной кислотой.
Потом я купил в аптеке несколько ляписных карандашей. Ляпис содержит в себе соли серебра, которые и создают блестящую амальгаму на задней стороне зеркала. Растворив ляпис в чистой воде, я добавил туда немного каустика и обыкновенного сахара. Все в той пропорции, которая описана во многих книгах для юных техников. Затем вылил раствор в эмалированную кастрюлю и опустил в него стеклянный шар, наполненный горячей, почти кипящей водой. Тут же на внешней поверхности шара стал оседать слой серебра, и игрушка оказалась позеркаленной снаружи.
Я вынул шар из раствора, высушил его и для прочности зеркального слоя покрыл снаружи слоем лака, воспользовавшись баллончиком аэрозоля для закрепления прически. Потом залил в шар горячую воду и закрыл пробкой с термометром. Термометр мог перемещаться, скользить в пробке, причем чувствительный шарик его проходил через центр сосуда.
Рассуждения мои были таковы. Все тепловые лучи, идущие от горячей воды (а они такие же, как и световые, но невидимые), отражаясь в сферическом зеркале, должны пересечься в центре. Вода прозрачна и не помешает ходу лучей. Если поместив шарик термометра в точке их пересечения, я получу наибольшую температуру, это будет означать концентрацию тепла! Из центра сосуда горячую воду можно удалить насосом через прозрачную трубку, чтобы дать возможность теплой воде нагревать себя в этой центральной части и дальше.
Сказано – сделано. Но только как я ни перемещал термометр, он везде показывал одну и ту же температуру. То ли термометр был недостаточно точен, то ли была ошибка в моих рассуждениях, то ли «демона Максвелла» действительно быть не может, я так и не понял. Мне трудно было разобраться во всем этом, да и не своим делом заниматься не хотелось. Я ведь искал «энергетическую капсулу», а не «демона Максвелла».
Признаться, мне казалось, что тепловую энергию можно каким-то образом получить и без помощи «демона Максвелла». Например, достаточно облить водой негашеную известь – и она разогреется до температуры выше ста градусов. Или, скажем, налить в стакан с водой серную кислоту – раствор сразу же нагреется так, что стакан в руках не удержишь. Подспудно я понимал, что выделяющееся тепло «заложено» и в известь и в кислоту при их производстве. Просто это химическая энергия переходит в тепло, как при сжигании дров. Но был опыт, который совершенно сбивал меня с толку.