Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

В странах с суровыми зимами невыгодно пользоваться атмосферным воздухом, ибо температура такого источника понижается, уменьшая эффективность теплового насоса как раз тогда, когда потребность в отоплении — наивысшая. Гораздо удобнее погружать змеевики теплового насоса на дно реки или озера. Здесь даже в самый трескучий мороз температура всегда постоянна — около 4 °C. Если же поблизости рек и озер нет, то змеевики можно закопать глубоко в землю: здесь температура тоже не зависит от времени года.

В крупных городах можно найти еще более удобные источники тепла. Например, многие химические фабрики выбрасывают воду, нагретую до 25–36 °C. Бани, гостиницы, рестораны сбрасывают горячую воду, содержащую почти 90 % подведенного к ним тепла. Источником тепла для тепловых насосов может стать теплый воздух, который нагревается, охлаждая трансформаторы подстанций.

Отопление, конечно, не единственная область применения тепловых насосов. С их помощью можно нагревать воду, получать пресную воду из морской, точно регулировать температуру различных процессов в химической промышленности. И если они применяются еще довольно редко, то лишь потому, что тепловой насос гораздо дороже печки, а электроэнергия, которую он потребляет, гораздо дороже дров или угля. Но там, где электроэнергии много и она дешева, тепловые насосы успешно конкурируют с обычными системами отопления. Самое ценное достоинство теплового насоса, сулящее ему большие перспективы в будущем, это то, что он, в отличие от печки, обратимая машина. Он может «накачивать» тепло в помещение, если нам холодно, может «откачивать» его, если нам жарко, с помощью одного и того же механизма. Сравнительно просто произвести такое переключение, превращающее отопитель в охладитель. Но ведь это же идеальный кондиционер! Он может работать круглый год, зимой — нагревая воздух, летом — охлаждая его. И не случайно в последнее время возродился интерес к тепловым насосам.

Самый совершенный тепловой насос — лишь первый, хотя и важный шаг на пути создания благоприятной для человеческого организма окружающей среды. Системы кондиционирования в будущем смогут, по-видимому, регулировать не только температуру, давление и влажность воздуха, но и содержание в нем различных ароматических веществ, влияющих на самочувствие, настроение и работоспособность человека. Это практически полностью освободит человечество от влияния даже самых суровых климатических условий, и разница между жизнью в теплом умеренном климате и жизнью в пустыне, в тундре, под землей или в космосе исчезнет. И в расселении человечества в пределах и за пределами земного шара не обойтись без теплового насоса — изобретения, которое сто лет назад было признано не представляющим интереса.

РАЗМЫШЛЕНИЯ О КПД

Рассказывают, был как-то в Баварии необычный судебный процесс, возбужденный владельцем пивной против соседа, который… бесплатно снабжал его энергией. Это на первый взгляд нелепость: судиться из-за того, что вам преподносят подарки. Но на самом деле можно понять кабатчика и его возмущение. Он имел неосторожность проложить трубопровод, по которому охлажденный рассол подавался от холодильной машины в подвал его пивной, через погреб соседа. Последний поспешил воспользоваться случаем, содрал тепловую изоляцию с трубы и стал даром охлаждать свой погреб. Владелец пивной быстро догадался, в чем дело: его пиво стало охлаждаться хуже, а показания электросчетчика увеличились. Он подал в суд, однако судья отклонил иск. «Кража — это незаконное присвоение предмета, — объяснил он — А ваш сосед не присваивал у вас никаких предметов». Тогда кабатчик обвинил соседа в краже энергии, но судья отклонил и это обвинение. Ведь сосед не отнимал теплоту от трубы, а, наоборот, «жертвовал» ее из своего погреба в пользу кабатчика. Так что последнему, в сущности, надо было бы еще даже приплачивать соседу.

Неизвестно, конечно, был такой случай на самом деле или нет, но в нем ярко выявлен парадокс, с которым давно уже сталкивались ученые и инженеры. Или, точнее, с которым сталкивались ученые по вине инженеров…

Вальтер Нернст — открыватель III начала термодинамики — как-то сказал в шутку, что эффект, требующий точности измерения, большей, чем 10 %, не заслуживает того, чтобы быть исследованным. Основоположников термодинамики трудно упрекнуть в том, что они не следовали этому правилу. Промышленность и техника стояли у ее колыбели. Эксперименты с пушечными стволами и паровыми машинами давали отнюдь не труднонаблюдаемые эффекты. Этот «инженерный дух» сохранился в понятиях и формулировках термодинамики и до наших дней, придавая ей основательность, практичность и трезвость прикладной науки. Цена этих достоинств — утрата всеобъемлющей общности термодинамических законов — долгое время не давала о себе знать. Но с течением времени узость понятий, несомненно, удачных с практической точки зрения, начала тормозить развитие этой науки. И понадобилось вмешательство ученых, для того чтобы восстановить былую стройность.