Идея вечного двигателя

Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне могут работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой perpetuum mobile-2. Принцип их действия находится в полном согласии с законами термодинамики. Однако делаются попытки выдать их за настоящие perpetuum mobile-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии в них нет.

Термомеханические perpetuum mobile-2

Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что это произошло более 100 лет назад.

Один из принципов работы наиболее часто встречающихся парадоксальных вечных двигателей второго рода -- взаимодействие двух тел разных температур, при котором тело с меньшей температурой охлаждается еще больше, тем самым повышая температуру тела второго, то есть, передавая ему часть своей внутренней энергии. Приводятся в пример такая модель perpetuum mobile-2, как кипящий вследствие повышения температуры (повышения его внутренней энергии на величину ? U =3 ?R ? T) чайник c водой, поставленный на ледяную поверхность.

Но ведь одна из формулировок второго закона термодинамики в элементарной (школьной) физике так и звучит: «В природе невозможны процессы, единственным результатом которых является переход теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой». То есть данная модель есть не что иное, как еще один вариант «вечного» двигателя. Рассмотрим еще один характерный perpetuum mobile.

Первым известным изобретателем в этой области был некий американский профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 году.

Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей среды», был тоже американец Ч. Триплер, человек более известный, чем Гемджи, в связи с тем, что он сконструировал действующую установку для сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триплера появилась впервые в 1899 году.

Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды. Именно здесь, в специфической области низких температур, где «на холоде», казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения, что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов вечных двигателей второго рода связано с сенсационными успехами техники низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х -- 90-е годы прошлого века.

Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени -- аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха -- послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их можно назвать только условно. Поскольку идея была совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане -- как двигатели.

Как же, по мысли Гэмджи, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300К=27?С) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (детандер). В этом случае он расширяется, например до 0,1 МПа, отдавая внешнюю работу, соответственно охлаждается до 250К и частично при этом сжижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной,-- детандером. В насосе давление аммиака снова повышается до начального. Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Q_о.с, поступающей из более теплой атмосферы, он снова испаряется. Таким образом, двигатель работает, отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).

Никакого нарушения первого закона термодинамики -- закона сохранения энергии -- здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Q_о.с, столько и отводится в виде работы (L = Q_о.с). Но «нуль-мотор» -- это типичный «монотермический двигатель» -- perpetuum mobile-2.

Представим себе на минуту положение того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижный, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково -- 1,0 МПа. Начнем раскручивать маховик и затем отпустим, чтобы машина уже сама продолжала работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.

Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за ней было ниже, чем перед ней. Гемджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после него равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачивая работу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаваться в окружающую среду.

Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.

Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б. Айшервуд своему шефу, рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно».

Мы познакомились с многовековой историей попыток решить энергетические проблемы «прямым путем» -- создать двигатель, производящий работу либо из ничего (вечные двигатели первого рода), либо из того, что есть, но работу произвести не может (вечные двигатели второго рода).

Эти попытки, естественно, к успеху не привели, хотя и способствовали определенным образом на первых этапах развитию науки об энергии. Более того, весь путь «псевдоэнергетики», занятой поисками вечных двигателей, неразрывно связан с историей настоящей энергетики. Псевдоэнергетика по-своему «отслеживала» стоящие перед настоящей энергетикой задачи, пытаясь тоже решить их.

Увлечение вечными двигателями, сохранившееся еще до нашего времени в своеобразной форме perpetuum mobile-2, несмотря на «научное» оформление долго жить не сможет. Вечный двигатель второго рода, так же как и его предшественник -- вечный двигатель первого рода, останется лишь интересным и поучительным эпизодом истории физики и энергетической науки.