После появления тепловых двигателей — паровых машин — перед ppm-1 встала новая задача — избавиться от необходимости все возрастающего расхода дорогого топлива. Задача, связанная с экономией природных ресурсов, четко не ставилась; речь шла только об удобстве эксплуатации, дешевизне и, наконец, о дальности автономного плавания морских судов.
Другая ситуация начала складываться к концу XIX и началу XX в. Энергетика достигла таких масштабов, что все острее вставал вопрос, с одной стороны, об истощении и удорожании природных энергетических ресурсов [91]и с другой, — экологической — об отрицательном влиянии энергетики на среду обитания человека. Вызываемые энергетикой тепловые, химические, а затем и радиационные загрязнения начали приводить к необратимым изменениям этой среды. Вечный двигатель первого рода к этому времени сошел со сцены: его неосуществимость стала очевидной.
Вот тут, соответственно духу времени, и появился вечный двигатель второго рода — не только не нуждающийся в топливе, но и экологически чистый. Действительно, «сырье» для него извлекается из равновесной окружающей среды и отдается в нее после использования в том же виде и в том же количестве. Такой «круговорот тепла» — сначала «концентрация» энергии, потом «рассеяние» и снова «концентрация» — как нельзя лучше, казалось бы, разрубает весь узел современных энергетических проблем.
Именно из такой соблазнительной концепции исходят сторонники «энергетической инверсии». Путь, по которому движется современная энергетика, они считают неправильным, а ее теоретическую базу — термодинамику — критикуют без всякого снисхождения.
Приведем здесь три цитаты программного характера из трудов трех авторов; два первых нам уже известны, а третий — доктор наук еще не упоминался.
Г. Лихошерстных [3.10]: «Суть ее (энергоинверсии) сводится к поискам путей концентрации бросовой по традиционным представлениям энергии водного и воздушного океанов. Это тепловая энергия, которую, как считают эниновцы [92], можно концентрировать и превращать в другие виды энергии. Заманчивость этой идеи состоит не только в том, что запасы рассеянной энергии самовосстанавливаются. В то время, как использование химических и ядерных источников энергии вносит в окружающую среду дополнительную теплоту и потому в перспективе грозит «тепловым засорением», использование рассеянной энергии лишь распределяет уже наличествующую в среде энергию». Н. Заев [3.5]: «Миллионы и миллионы рублей, долларов, фунтов, франков, марок, дни и ночи многочисленных коллективов, могучая индустрия эксперимента, космический вакуум и холод брошены против угрозы энергетического голода. И все это под единым стягом термодинамики Клаузиуса, Гиббса, термодинамики огня, пара, термодинамики прошлого века. Она задает курс, она задает ежедневный маршрут движения. Она и компас, она и руль…
Пора осмотреться, сопоставить достигнутое с ценой. Полтора века назад Карно сделал первый шаг к науке о тепле, пора делать следующий» [93].
Вот так!
Г.В. Скорняков пошел дальше, обвиняя термодинамику уже не только в «ошибках», а прямо во вредительстве. Он писал [5.11]: «термодинамика не только не способствовала существенному прогрессу в практике преобразования тепла в работу, но и привела к дезориентации как инженерной, так и общественной мысли». Это прямо некий «антитермодинамический манифест», возводящий борьбу с этой зловредной наукой на уровень задачи общества. Интересно представить, как бы реагировал на его идеи А. Эйнштейн, который утверждал, что «термодинамика — это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее понятий она никогда не будет опровергнута».
К счастью великий физик не имел случая читать «труды», процитированных выше и им подобных «опровергателей» науки. Академики Л. Арцимович, П. Капица и И. Тамм [2.8.] уже четко и коротко определили все это как «концентрацию невежества».
На этом разговор о ppm можно было бы и закончить, но в заключение нужно сказать несколько слов о другом. Призыв «осмотреться» по существу ставит под сомнение тот путь, по которому «под единым стягом термодинамики» идет, тратя «рубли, доллары, франки» и другую валюту, современная энергетика. Давайте осмотримся.
Начнем с того, что напомним истину, с которой согласны сейчас все: единственно правильное, научно обоснованное направление развития энергетики — такое, которое позволяло бы наращивать ее мощности в необходимом человечеству темпе, но так, чтобы сохранить (и даже улучшить) окружающую природную среду. Если дальше наращивать энергетические мощности, не задумываясь о локальных и глобальных экологических последствиях, или откладывать заботы об этом на будущее, то последствия могут быть опасными. Каковы же намечаемые наукой пути развития энергетики, позволяющие решить эту задачу так, чтобы одновременно выполнить оба требования?
Ясно, что при настоящем научном подходе нужно оставить в стороне псевдоэнергетику, которая хотя и обещает все, но, как мы знаем, не сулит в реальности ничего, поскольку надеется «обмануть природу». Остается рассчитывать только на те энергетические ресурсы, об использовании которых «можно договориться с природой».
Чтобы установить, каковы они, нужно прежде всего с принципиальных позиций рассмотреть энергетический баланс нашей планеты (в широком смысле слова, учитывая не только его количественную, но и качественную сторону).
Начнем с общего энергетического баланса,не вникая пока в его качественные аспекты. Земля получает от Солнца примерно 170∙10 15Вт энергии [1.11]. Около 34% этого количества сразу отражается в космос. Остальная часть участвует в различных превращениях в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли, после чего тоже уходит в мировое пространство. Таким образом, вся полученная от солнца энергия, независимо от ее путей на Земле, в конечном счете излучается в космос. Земля себе ничего не оставляет. Именно этим объясняется относительно стационарное тепловое состояние Земли (W 1= Wʺ, ΔW = 0).
Небольшие отклонения от этого баланса связаны с двумя факторами.
Первый из них — это фотосинтез — поглощение излучения растениями Земли с образованием соответствующей органической массы. Эта энергия, колоссальная по абсолютной величине (300∙10 12Вт), забирает всего около 0,2% мощности падающего на Землю излучения.
Второй фактор — антропогенный, связанный с деятельностью человека. Высвобождая и используя энергию невозобновляемых природных ресурсов — топлива, человечество несколько увеличивает выделениеэнергии на Земле. Это количество выделяемой энергии относительно невелико (около 7∙10 12Вт) — почти в 50 раз меньше, чем поглощается при фотосинтезе. Очевидно, что оба фактора (особенно второй) не могут покасущественно сказаться на энергетическом балансе Земли.
Энтропийный балансЗемли выглядит совсем иначе, чем энергетический. Поступающее на Землю солнечное излучение характеризуется весьма малой энтропией, так как температура этого излучения примерно 5800 К. Напротив, равное количественно получаемому от Солнца излучение Земли соответствует в среднем намного более низкой температуре, близкой к 300 К.
Очевидно, поэтому, отдаваемая Землей энтропия существенно больше, чем получаемая; все проходящие на Земле процессы ведут в итоге, как и положено по термодинамике, к возрастанию энтропии. Никакой «энергоинверсией» здесь и не пахнет. Энтропийный баланс, показывая общую физическую картину качественного изменения характеристики энергии, не определяет, как известно, значения полезной, пригодной для использования энергии. Чтобы их выявить, необходимо использовать эксергетический баланс.
Эксергетический балансЗемли определяется прежде всего его приходной частью. Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, характеризуется высокой эксергией, составляющей примерно 0,93 его значения. Следовательно, поступающий на Землю поток эксергии составляет около 0,93∙170∙10 15Вт = 158∙10 15Вт, из которых 34% сразу отражается в космос. Таким образом, до поверхности Земли доходит эксергетический поток E' = 158∙10 15∙ 0,66 = 104∙10 15Вт. Покидающий Землю поток эксергии относительно мал. С точки зрения земной энергетики его можно не учитывать, так как для Земли средняя температура окружающей среды составляет примерно 300 К (использовать в качестве теплоприемника низкую температуру равновесного излучения космоса можно с определенными ограничениями только вне Земли). Таким образом, «пропуская» всю энергию, получаемую от Солнца, Земля «оставляет» себе ее эксергию. Величина E’представляет собой тот основной резерв [94] возобновляемыхисточников эксергии, который в принципе может быть использован человечеством без влияния на энергетический баланс планеты. Эта эксергия (т. е. все создаваемые ею разности потенциалов — давлений, температур, концентраций) все равно «срабатывается» природой — большей частью бесполезно для человека (за исключением той ее небольшой части, которая идет на фотосинтез, и перепадов давлений воды и воздуха, используемых на гидро- и ветроэлектростанциях).
91
Особый акцент на истощение именно энергетических ресурсов, а не ресурсов вообще имеет свои причины. Дело в том, что истощение ресурсов материалов (металлов, пресной воды, сырья для химической промышленности и т. д.) всегда может быть так или иначе компенсировано, если в распоряжении общества есть достаточные энергетические (точнее, эксергетические) ресурсы. Тогда можно разрабатывать бедные или глубоко лежащие руды, опреснять морскую воду, синтезировать нужные продукты и т. д. Но истощение эксергетических ресурсов
92
«Эниновцы» — в данном случае не сотрудники известного Энергетического института им. Г.М. Кржижановского (ЭНИН), а так называемого «Общественного института энергетической инверсии», члены которого работают с 1967 г. под руководством проф. В.К. Ощепкова над устройствами, которые должны опровергнуть второй закон термодинамики (Г. Лихошерстных называет их членами «таинственного вдохновенного братства»).
93
Интересно отметить разнобой по отношению к основателю термодинамики — С. Карно у разных опровергателей этой науки. Заев все же делает реверанс в его сторону. Но другой — А.А. Вичутинский — пишет о «несостоятельности» цикла Карно, утверждая: «Цикл Карно — это ошибочная модель».
94
Кроме эксергии солнечного излучения (которая может быть использована как непосредственно, так и через энергию воды, ветра, биомассы и т. д.) к возобновляемым ресурсам относится эксергия морских приливов и геотермальная. Обе они не связаны с солнечным излучением.