Техника - молодёжи 1967-05, страница 16

тю&«кпд

В. ЛАТЫШЕВ, инженер

Откуда взялось второе начало

Когда первобытный человек впервые догадался 'использовать палку, чтобы свернуть с места тяжеленный камень, он, конечно, не мог предвидеть, что эта палка стала первой в бесконечном ряду творений технической мысли человечества. Зато он, неверное, сразу почувствовал, насколько несовершенно его орудие. С тех пор и до наших дней одним из основных направлений в технике стало совершенствование машин, увеличение их эффективности, максимально возможное приближение к идеалу.

Люди придумали великое множество машин, но, (пожалуй, самым крупным классом этой неисчислимой армии стал класс всевозможных преобразователей. Сюда можно отнести самые, мазалось бы, непохожие устройства: рычаг и трансформатор, редуктор и лропеллер самолета, электрический выпрямитель и коленчатый вал. Однако все они объединяются общностью назначения — преобразовывать 'Механическую или электрическую мощность. Положение несущественно изменится, асли к мим добавить электрогенераторы и электродвигатели. Разница только в том, что здесь механическая энергия переходит ~в электрическую и наоборот. Но эти дна вида энергии равноценны.

Чтобы сравнить эффективность таких машин, е технике пользуются понятием коэффициента полезного действия (кпд). Определяется он как отношение мощностей на выходе и входе устройства. Поскольку в каждой машине есть потери, мощность на выходе всегда ниже, чем на еходе. 8 механических машинах мощность уменьшается из-за трения, в электрических ■— из-за нагрева, вызванного сопротивлением, потерями на перемагничивание и вихревые токи. Если кпд равен единице — никаких потерь нет и машина достигла предельного совершенства; если меньше единицы — нужно искать и устранять потери. Сформулированный таким образом кпд был удобен для оценки совершенства механических, а также электрических машин.

Все неприятности начались в XIX веке. Первые шаровые машины были скорее шлодом гениальных интуитивных догадок отдельных изобретателей, нежели результатом сознательного научного творчества. Они были еще очень слабы И .малоэффективны и не вполне уверенно конкурировали с древними ветряками и еодяными колесами. Чтобы окончательно победить в борьбе, уже нельзя было обходиться силами самоучек, лускай даже блестящих. Нужна была прочная почва науки.

Фундамент учения о тепле был заложен в 1624 году молодым французским поручиком Сади Карно. Свои исследования работы паровой машины он

изложил в небольшой брошюре под названием '«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Со дня появления этой маленькой книжечки ведет свое летосчисление одна из фундаментальнейших наук — термодинамика.

Оперируя сложными и тонкими аналогиями, Карно установил законы, определяющие максимально возможный «ИД тепловой мешины. Одновременно он фактически высказал два основных постулата термодинамики — первое и второе начала, «ак они называются 'сегодня. (К сожалению, это стало понятно только сто лет спустя — в 1927 году, когда были опубликованы записные книжки Карно, пылившиеся по книжным шкафам его наследников).

Что же постулируют начала термодинамики?

Первое начало — это 'Просто вариант закона сохранения вещества и энергии применительно к тепловым процессам.

Второе начало 'Имеет много формулировок, мало похожих друг на друга. Однако наиболее простое, и наглядное его выражение следующее; «Тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему».

Да ведь это очевидно! — скажете вы. Столь же очевидно, как то, что электрический tOK течет от большего потенциала к меньшему, что шар скатывается с горы, а не въезжает на «ее. Да и не только в физике так. Ученик тоже получает знания от учителя, ino-куда не перегонит его а науке.

Однако второе начало далеко не так просто. Именно оно показывает принципиальное различие между тепловой энергией, с одной стороны, и так называемыми организованными формами энергии — механической и электрической — с другой. Последние могут переходить друг в друга, а также в тепло без остатка. Второе начало утверждает, что тепловая энергия этим свойством не отличается. Нельзя создать машину, где бы тепло целиком перешло в работу. Часть энергии необходимо отдать более холодному источнику — холодильнику. Тепловая энергия любого тела отсчитывается от абсолютного нуля температуры, где полностью замирает хаотическое тепловое движение молекул. Чем выше температура, тем интенсивнее это движение, тем энергия больше. Но максимум работы можно получить в том случае, когда энергия тела доведена до уровня окружающей среды. Ниже этого уровня энергия сама по себе опуститься не может. Здесь и кроется причина «дискриминации» тепла. Температура всякого тела, отдающего тепловую энергию, рано или поздно сравняется с температурой окружающей среды, которая сама обладает значительной энергией. (Этот запас энергии не дает спокойно спать неуспокоившимся изобретателям вечного двигателя. Они предлагают наихитрейшие способы утн-

Рис. Ю. Макаренко

лизации тепла окружающей среды, например тепла океана, Жаль, но все впустую, поскольку не существует естественного источника с тепловым потенциалом, меньшим окружающей среды, а потому поток энергии невозможен).

Итак, на земле переход тепла в работу (механическую или электрическую) существенно ограничен параметрами Окружающей среды, и именно это делает тепловую энергию неравноценной среди других видов. Сказалось это и на определении кпд тепловых машин.

Если определять его тем же способом, как это делается для (преобразователей сргаНиэованнык форм энергии, величина кпд даже для идеальной машины будет значительно меньше единицы (ведь не вся энергия окажется ■преобразованной!). Можно, правда, схитрить и относить кпд каждой конкретной машины к идеальному. Положение улучшится, но первоначальная красота, а главное — универсальность определения безвозвратно утратятся.

Не лучше положение и по «ту сторону» окружающей среды — в области низких температур. Чтобы охладить тело, у него надо отнять тепло и аатем передать более теплой окружающей среде, поскольку никакого другого «стока» в природе не существует. Значит, необходимо затратить работу, повысить потенциал этого тепла, и лишь тогда появится возможность отвести его. Совершая работу, мы охлаждаем тело. Эффективность этой процедуры оценивается холодильным коэффициентом, показывающим отношение количества энергии, отведенной В виде тепла, к энергии, подведенной в виде работы, Эта величина, похожая на кпд, обладает, однако, еще большими недостатками. Не будем их разбирать, скажем только, что холодильный коэффициент может меняться от нуля до бесконечности. Последнее обстоятельство почти полностью лишает его какой-либо наглядности.

Вообще, чем больше думаешь о кпд тепловых процессов, тем больше недостатков обнаруживаешь в его определении. Допустим, кто-то захотел бы получать тепло при помощи трения и, несмотря на всю нелепость подобного занятия, определил бы кпд своих усилий. Восторгам его не было бы предела — ведь кпд окажется равнЫ'М единице, вся затраченная работа перешла в тегшо, хотя применительно к такому процессу слова «полезное действие» звучат поистине кощунственно.

Да и еообще, как Только заходит речь о тепловой энергии, сразу приходится специально оговаривать, что именно е данном случаа надлежит иметь в виду под полезным действием. Что же касается кпд, определенного как отношение энергий на выходе и входе, то в этой ситуации он становится совершенно беспомощным, ибо показывает лишь потери энергии, практически ничего не говоря при этом о самом полезном действии.

12