Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Работоспособность — эксергия вещества — энергоносителя может определяться не только различием с окружающей средой в температуре и давлении. Не менее важна и разница в химическом составе. Если она есть, — существует и эксергия, которая может быть превращена в работу или другую безэнтропийную энергию с помощью соответствующего устройства. Это можно пояснить тоже «космическим» примером. Природный газ (в основном метан) имеет высокую работоспособность в среде воздуха или еще большую в среде кислорода. Но если поместить его в метановую атмосферу (где-нибудь на Юпитере), его работоспособность исчезнет — эксергия станет равной нулю. Напротив, воздух в этих же условиях будет прекрасным «топливом» с большой работоспособностью.

Нетрудно видеть, что все приведенные примеры аналогичны тем, которые приводились ранее (рис. 3.6) при разборе понятия энтропии. Эксергия (возможность получить работу) имеется, если существуют разности потенциалов интенсивных величин — температур, давлений или химических составов. Если их нет — система энергетически мертва — энтропия имеет максимальное значение.

Разница между последними примерами и показанными на рис. 3.6 состоит в том, что роль одной из половин сосуда играет окружающая среда, что в большей мере соответствует реальным техническим задачам.

Оценка энергетических ресурсов с помощью эксергии широко используется и в теории — во многих разделах термодинамики и в инженерной практике. Эксергия служит общей, единой мерой любых видов энергии (потока теплоты, вещества, излучения), определяя точной количественной мерой ее качество. Она дает возможность сформулировать второй закон термодинамики в менее общей, но зато более практически удобной форме, чем энтропия. Эта формулировка гласит: В любых реальных процессах, протекающих в условиях взаимодействия с равновесной окружающей средой, эксергия либо остается неизменной (в идеальных процессах), либо уменьшается (в реальных). Это означает, что любой процесс, в котором общая эксергия на выходе Еʺ равна или меньше входящей E’ возможен; напротив, если Еʺ > E’, то невозможен и представляет собой некий вариант ppm-2.

Если отнести Еʺ к E’ то получим так называемый эксергетический КПД η_e = Еʺ/E’. Очевидно, что η_e в идеальном случае равен единице, т.е. 100%, а в реальном ηe < 100%. Если же ηe получается больше 100%, то мы неизбежно имеем дело с каким-либо вариантом ppm-2. Здесь просматривается четкая связь с фундаментальным энтропийным определением второго закона. Первый случай — идеальный процесс соответствует постоянству энтропии, второй — ее росту. Но пользоваться эксергетическим критерием более удобно: он непосредственно включает энергетические величины и в этом отношении аналогичен первому закону термодинамики. (Напомним, что непременное условие выполнения первого закона — равенство энергий: ∑W’ = ∑Wʺ; для второго закона ∑Eʺ ≤ ∑Е’.)

Вооружившись эксергетическими уравнениями, можно без излишних сложностей проанализировать любой нужный нам процесс или систему. Если системы еще нет, мы исследуем ее проект на предмет возможности ее осуществления; если она существует, то можно проверить, каков ее КПД.

Эксергия дает также возможность сформулировать удобное определение ppm-2, симметричное определению ppm-1. Если ppm-1 — это машина, делающая энергию из «ничего» (∑Wʺ > ∑W') разность ΔW = ΔWʺ — ΔW' берется «ниоткуда»), то ppm-2 — это машина, делающая эксергию из того же «материала» (∑Еʺ > ∑Е'; разность ΔЕ = ΔЕʺ — ΔЕ' берется тоже «ниоткуда»).

Эксергия дает возможность более удобно, чем с помощью энтропии, охарактеризовать энергетические превращения в биологических объектах. Действительно, характеризуя энергетику растений и животных, мы по образцу [1.8, 1.10] говорили о том, что, поглощая потоки вещества и энергии с малой энтропией, они выдают их с большей энтропией, т. е. «сбрасывают» энтропию в окружающую среду. Тем самым доказывается, что они функционируют в полном согласии со вторым законом. Но как сказать одним словом (причем строго научно) не о том, что они «сбрасывают», а о том, чем они питаются (в энергетическом смысле)?

Физики, привыкшие к «понятной, родной энтропии» (по выражению одного физико-химика), не смогли с ней расстаться и подошли к задаче чисто математически. Э. Шредингер ввел понятие «негэнтропии» (негативная» энтропия, энтропия с обратным знаком). Получается, что, следовательно, они «питаются» отрицательной энтропией — «негэнтропией». За Шредингером термин «негэнтропия» пустили в ход и другие физики, а за ними и некоторые биологи. С формально-математической стороны здесь все в порядке; любая величина может быть представлена как положительной, так и отрицательной. Однако за термином «негэнтропия» не стоит никакая физическая реальность: значение энтропии, меньшее нуля, соответствует некоторому несуществующему состоянию «сверхорганизованности».