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

Подсчитаем в заключение, сколько теплоты Q для отопления при этих условиях (T_Г = 50°С) сможет дать 1 кВт электроэнергии в идеальном тепловом насосе. При η_е = 1 (т. е. 100%) эксергия полученной теплоты будет равна 1 кВт. Получим

1 — Q = (323 – 263)/323, отсюда Q = 1/0,186 = 5, 38 кВт.

Вот сколько теплоты может дать идеальный тепловой насос!

Рассмотрение теплового насоса, проведенное выше, показывает, что это очень хорошее и полезное на своем месте устройство. Однако нет никаких оснований считать, что он обладает чудесными свойствами. Тепловой насос приносит пользу, но, как всякая реальная установка, увеличивает энтропию, превращая более упорядоченную, организованную электроэнергию и менее организованную теплоту Q_О.С. в еще менее организованный тепловой поток с большей энтропией. Никакой «концентрации» (если понимать ее как повышение качества энергии) поэтому он не производит. Тепловой коэффициент μ у него всегда больше единицы, но никакого чуда в этом нет, μ — это не КПД. Легко показать, что μ может иметь намного большие значения, чем 2 или 3, рассмотрев его изменение при разных внешних условиях.

Возьмем для примера тепловой насос с высоким, но вполне достижимым КПД η_е = 0,5 и подсчитаем его тепловой коэффициент при разных значениях верхней температуры T₂ и при Т_О.С. = 293 К (20 °С). Примем значения T₂ равными 25, 50, 100, 150, 200 и 250 °С (по шкале Кельвина соответственно 298, 323, 373, 423, 473 и 523 К). Тогда при затрате мощности N = 1 кВт мы получим на верхнем уровне при выбранном КПД эксергию теплоты Eq = 0,5 кВт. Отсюда можно определить Q_Г, пользуясь известным соотношением

L = Eq – Q_Г ∙ (T_Г – T_О.С.)/ T_Г.

откуда

Q_Г = Eq ∙ T_Г / (T_Г – T_О.С.)= 0,5∙ T_Г / (T_Г – 293.).

Тепловой коэффициент μ = Q_Г/N.

Расчеты μ дают:

Отсюда видно, что значения μ даже для реальной машины (не говоря уже об этих значениях для идеальной машины, указанных в скобках) могут достигать в соответствующих температурных интервалах 200-300 (или, если считать, как делают некоторые, в процентах, 20000-30000%). Действительно чудо! Есть от чего прийти в восторг. Затратил 1 кВт, а получил 290!

Однако прежде чем бить в литавры, посмотрим, какая это теплота. Она характеризуется температурой всего на 5°С выше окружающей среды. Ее коэффициент работоспособности меньше 0,002; это означает, что если такой теплоты мы имеем на «тепловой рубль», то его настоящая стоимость в валюте полностью организованной энергии — в работе — меньше 0,2 коп. По мере «улучшения» теплоты, повышения ее температуры ТГ ее качество растет, а значение μ сильно падает.

Таким образом, большие числа μ, свидетельствуют не о чудесном извлечении «тепловой энергии» из окружающей среды, а лишь о том, что получаемая теплота очень низкого качества.

Тем не менее ажиотаж вокруг теплового насоса, основанный на больших значениях коэффициента преобразования, не проходит. Примером может служить статья Г. Лихошерстных «В поисках энергии» [3.10], который, опираясь на «необычные свойства» тепловых насосов, дающих КПД, «в десятки и сотни раз превосходящие единицу», выдвинул оригинальную энергетическую идею. Он считает необходимым провести работы не только по «теоретическим исследованиям проблемы», но и «конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию». Другими словами, он предлагает превращать в электроэнергию ту самую низкокачественную теплоту, о которой мы говорили выше.

Посмотрим, к чему привела бы реализация этого предложения.

На тепловых электростанциях получают электроэнергию с КПД примерно 40%. Далее эта электроэнергия должна в тепловом насосе преобразоваться в теплоту. Возьмем для насоса высокий КПД — 0,5. Затем используем эту теплоту для получения электроэнергии. Примем КПД такого преобразования тоже достаточно высоким — 0,4 (40%).

В результате конечная электроэнергия по способу Лихошерстных будет получаться с КПД 0,4 ∙ 0,5 ∙ 0,4 = 0,08, или 8%, т. е. в 5 раз худшим, чем просто на электростанции!

Вот к чему приводит тезис «теплота есть теплота независимо от температуры».

Рис. 4.6. «Высокоэффективная система» получения электроэнергии, аналогичная схеме с тепловым насосом

В журнале «Изобретатель и рационализатор» была помещена в разделе «перпетомобиль» карикатура, показанная на рис. 4.6. Если сравнить только что описанную идею со схемой, изображенной на ней художником, то бросается в глаза их удивительное сходство; нужно только заменить электроплитку на тепловой насос. Едва ли автор рисунка мог подумать, что найдутся люди, всерьез предлагающие такую идею.