Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Но почему же, когда попытались применить КПД к тепловым процессам и машинам, все получалось так неудачно? Оказывается, не учитывая теплоты при вычислении КПД реальных механизмов, практики интуитивно, не отдавая в этом отчета, сопоставляли эти механизмы с идеальными, работающими без потерь. По их мнению, утверждение: КПД зубчатой передачи 95 %, должно обозначать: мощность на выходном валу зубчатой передачи на 5 % меньше, чем на входном. На самом же деле такое утверждение означает: идеальная, работающая без потерь зубчатая передача для выполнения той же работы и в таких же условиях потребует на 5 % меньше мощности.

Казалось бы, между двумя толкованиями нет принципиальной разницы. Но это не так, ибо первое, будучи применимо к идеальным тепловым машинам, разом уничтожает всю притягательность, и общность понятия КПД заставляет вводить холодильный коэффициент и коэффициент преобразования, могущие достигать бесконечных значений, и т. д.

Второе толкование, напротив, вносит ясность в понятие КПД и спасает от той неразберихи, о которой говорилось раньше. Оно показывает, что КПД нет смысла применять для идеальных машин. В обратимом мире, как мы уже выяснили, все механизмы дают максимум того, что они могут дать, и смешно требовать от них большего. Гораздо разумнее принять идеальные механизмы за эталон для сравнения с реальными. Тогда мы увидим, что понятие КПД рождается, образно говоря, на стыке реального и идеального миров. Смысл КПД — показывать, насколько реальная машина приближается к идеальной, работающей в точно таких же условиях и выполняющей точно такую же работу.

Главное, что отличает реальную машину от идеальной, — это потери, вызванные необратимым переходом различных форм движения в тепловое, и выравнивание температур путем теплообмена без совершения работы. Что же происходит в мире при протекании таких необратимых процессов? Энергия, как мы выяснили, остается постоянной. А что меняется?

В свое время лорд Кельвин не пожелал пользоваться выдуманной Клаузиусом энтропией и предпочитал ей понятие работоспособности. Представьте себе, что в какой-то момент на нашей планете сразу выключились все источники необратимости. Тогда в химическом топливе, в воде, находящейся выше уровня океана, в движущихся по инерции телах, нагретых до температуры выше окружающей среды веществах окажется запасенным огромное количество механической энергии. В этом обратимом мире все формы движения могут бесконечно долго без всяких потерь переходить друг в друга, но общее количество этой энергии сохраняется неизменным. Включим теперь источники необратимости — количество работы начнет уменьшаться. И когда все придет к одинаковой температуре, опустится на один уровень, равномерно перемешается, когда электрический потенциал станет всюду одинаков, короче говоря, когда все мыслимые интенсивные параметры выравняются — запас работы станет равным нулю. Хотя энергия останется неизменной, в результате таких процессов исчезнет как раз то, что Кельвин называл работоспособностью и что сейчас, по предложению немецкого ученого Э. Ранта, стали именовать эксергией.

Эксергия — это та часть общей энергии тела, которая в данных условиях может быть превращена в работу. Эксергия учитывает не только параметры самого вещества или системы, но и параметры окружающей среды. Скажем, энергия одного килограмма воды, находящейся на поверхности океана, огромна, если считать ее по отношению к центру земли. Но превратить ее в работу невозможно: средний уровень Мирового океана аннулирует способность этого килограмма совершать работу. Вот другой пример: в баллоне, из которого выкачан воздух, нет никакой энергии. Однако эксергия его больше нуля: открыв клапан, мы можем создать поток воздуха внутрь баллона, поставить газовую турбинку на его пути и заставить окружающую среду совершать работу.

Если на улице температура 293 К, то газ с такой температурой имеет эксергию, равную нулю, хотя его энергия относительно абсолютного нуля довольно велика. А газ при 100 К, обладающий втрое меньшей энергией, имеет эксергию, отличную от нуля. Соединив с ним окружающую среду через идеальную тепловую машину, мы можем использовать эту разницу температур для получения механической работы. Теперь нетрудно понять, что сметливый сосед крал у простодушного баварского лавочника не энергию, как доказывал тот, а эксергию, работоспособность.