Владилен Барашенков. Михаил Юрьев. "Тепло из холода"

Источник: Знание-Сила №1/2005г. стр.14

(цитируемые места выделены цветом)

   ИЗ ХОЛОДА

 

 Обычно мы имеем дело с процессами,

 в которых тепло перетекает от горячего тела к холодному.

 Однако формулы термодинамики убеждают нас в том,

 что возможны явления, при которых тепло течет

 в обратном направлении, — когда оно, образно говоря,

 извлекается из холода.

 

Используя такие явления, наши дома можно обогревать за счет охлаждения наружного воздуха. С первого взгляда это кажется просто невероят­ным! Правда, чтобы привести в дейст­вие такие «высасывающие тепло» уст­ройства, нужно затратить некоторое количество энергии. Тем не менее с учетом тепла, выделяющегося при вы­полнении этой работы, энергетиче­ский баланс оказывается положитель­ным.

 

Если это так, то, казалось бы, пе­ред нами открываются фантастиче­ские перспективы — к нашим услугам практически неисчерпаемый океан экологически чистой энергии земной атмосферы, а если заглянуть чуть дальше, то и безбрежного космоса с размазанным там остаточным теплом первичного взрыва. В последние годы появилось немало книг и статей, про­пагандирующих такую технологию. Почему же тогда мы медлим и не строим батареи тепловых насосов? Виновата наша инертность, как гово­рится, руки не доходят — или тут есть какие-то подводные камни?

 

Вопрос о направлении тепловых потоков важен не только с практиче­ской точки зрения. Он связан с про­гнозами дальнейшей эволюции Все­ленной, когда будут исчерпаны, пре­вратившись в тепло, все источники энергии и, если верить космологиче­ским предсказаниям, безгранично расширяющийся Мир перейдет в со­стояние теплового покоя вблизи абсо­лютного нуля температур. Философы утверждают, что ни один процесс, ни одно состояние не могут быть вечны­ми и в силу каких-то, возможно, не вполне ясных нам сегодня причин непременно сменятся качественно иными.

 

Трудно сказать, что это будет. Мо­жет, произойдет скачок на энергети­чески более низкий уровень вакуума, как уже не раз было в истории нашей Вселенной, и Мир в очередной раз ра­зогреется... Или станут важными квантовые процессы обмена энергией с соседними вселенными, у которых иной тепловой уровень... А нельзя ли с помощью тепловых насосов, по крайней мере в какой-то ограничен­ной области, повернуть вспять эволю­цию Вселенной, осуществив, пока она еще далека от нулевой температу­ры, вечный круговорот тепла и энер­гии?

 

Два самых важных закона

 

О том, что энергия не возникает «из ничего», не может исчезнуть без следа и лишь «переливается» из одной формы в другую, сегодня знает каж­дый школьник. В вечный двигатель, который работал бы «сам по себе», без притока энергии, мало кто верит. Тем не менее всегда находятся энтузиа­сты, уверенные в том, что наши зна­ния не полны и может найтись об­ласть, где «все не так». Нужно сказать, что наука многим обязана энтузиа­стам-дилетантам. Ими были открыты новые кометы, юрист Ферма сформу­лировал теорему, над доказательством которой несколько столетий бились самые выдающиеся математики, а солдат из далекого дальневосточного гарнизона первым придумал способ удержания плазмы в термоядерных устройствах.

 

Плохо другое — когда не считают­ся с законами там, где они хорошо проверены. Например, один наш упорный многолетний корреспон­дент, гордо называющий себя экспер­том по вечным двигателям, раз за ра­зом присылает проекты устройств, противоречащие элементарным зако­нам механики, и жалуется во все мыс­лимые инстанции на то, что его не хо­тят понять¹.

 

¹ Покойный академик В.А. Фок рассказы­вал, что однажды ему пришлось обращаться да­же к адмиралу, чтобы избавиться от комиссий, проверявших жалобы чрезмерно настойчивого моряка-энтузиаста!

 

Конечно, абсолютных законов, верных всегда и повсюду, не сущест­вует. Природа слишком сложна и многогранна, чтобы ко всем явлени­ям, в том числе и к тем, которые толь­ко еще предстоит открыть, были бы заведомо применимы известные нам понятия и законы. Это относится и к закону сохранения энергии. Так, мик­рочастицы могут испускать частички материи, которые тяжелее их самих, — явление, казалось бы, несовмести­мое со здравым смыслом и заведомо невозможное в рамках классической ньютоновской физики. Но это стано­вится возможным за пределами клас­сической физики на очень короткое время, такое короткое, что, не успев отойти на сколь-нибудь значительное расстояние, они поглощаются обрат­но. Ньютон и Ломоносов, возможно, сказали бы, что на малых расстояниях царит энергетический хаос. В глуби­нах микромира могут стать неверны­ми многие представления, кажущиеся нам сегодня очевидными.

 

Еще одна область, где может быть неверным закон сохранения энергии, это — сильные гравитационные поля. Если верить Общей теории относи­тельности Эйнштейна, то понятия энергии там просто не существует, по­этому и о законе ее сохранения там говорить не имеет смысла. Можно, конечно, сомневаться в справедливо­сти самой этой теории, но это уже другой вопрос².

 ² См. об этом статью одного из авторов в ян­варском номере «ЗС» за 2003 год.

Однако если исключить ультрама­лые расстояния, окрестности черных дыр и других объектов с огромными полями тяготения, то закон сохране­ния энергии можно считать строгим и, как говорил Ломоносов, сколько в одном месте убудет, ровно на столько в другом месте прибудет.

 

А нельзя ли на проблему вечного двигателя взглянуть с несколько иной стороны — не нарушая закон сохране­ния энергии, попытаться концентри­ровать для повторного использования тепловую энергию, равномерно или почти равномерно распределенную в окружающей среде? В воде или в воз­духе, ведь их температура даже в са­мые сильные морозы намного выше абсолютного нуля (минус 273 градуса по Цельсию)? Практически бесконеч­ный, неисчерпаемый резервуар тепла.

 

И вот тут мы встречаемся с еще од­ним фундаментальным законом при­роды. Если закон сохранения энергии количественно характеризует ее трансформацию, то другой закон оп­ределяет направление этой трансфор­мации. Он говорит, что любой вид энергии стремится стать менее кон­центрированным, так сказать, разма­заться, расплыться по окружающей среде. Обратный процесс происходит лишь под действием внешних сил. Например, электромагнитная волна всегда стремится рассеяться в про­странстве, тепло само по себе течет лишь от более нагретого тела к менее нагретому. В то же время заморозить продукты в домашнем холодильнике, «перелив» их тепло в более нагретый воздух комнаты, можно лишь с помо­щью силы, включив электродвига­тель. Сам по себе подобный процесс никогда не происходит.

 

Физическая причина такой асим­метрии состоит в том, что всякий об­ладающий избыточной энергией объ­ект, взаимодействуя с окружающими телами, делится с ними своей энерги­ей. Вероятность обратного события, когда воздействия окружающих тел вдруг сложатся таким образом, что их сумма станет энергетически более мощной, очень мала. Число перехо­дов в состояния с меньшей энергией всегда больше, чем в обратном напра­влении. Импульсы хаотически движу­щихся молекул асфальтовой дорожки, на которой лежит кирпич, могут сло­житься и забросить его на крышу со­седнего дома, однако и пятнадцати миллиардов лет жизни нашей Вселен­ной не хватит, чтобы такой феномен мог с достоверностью произойти хотя бы один раз.

 

Можно сказать, что эволюция лю­бой независимой, предоставленной самой себе системы протекает по ли­нии наименьшего сопротивления. Любая попытка сместить систему с этой «линии» требует внешнего вме­шательства. Этот закон природы на­зывают вторым началом, предпола­гая, что первое — это закон сохране­ния энергии.

 

Но вроде бы есть масса исключений...

 

Если с первым началом сегодня мало кто станет спорить, то второе ча­сто вызывает сомнения. Наверное, многие помнят популярную несколь­ко лет назад телепрограмму Димы Диброва. На его столе всегда стояла иг­рушка с непрерывно вращающимися лопастями то в одну сторону, то в другую. Стоит подсоединить их к завод­ному устройству, и можно построить, например, «вечные» часы (их можно купить в магазине) или какой-либо другой концентратор рассеянной энергии, ее случайных флуктуаций.

 

Рис.1.

Кольцар Лазарева. Два сообщающихся сосуда. В левом уровень жидкости ограничен пористой проб­кой и воздушной прослойкой между нею и жидкостью. Эта прослойка играет важ­ную роль в механизме проса­чивания падающей сверху капли.

 

Еще один весьма впечатляющий концентратор рассеянной энергии — кольцар Лазарева (так он называется по имени своего изобретателя, ново­сибирского инженера). Это — ци­линдр с пористой перегородкой, под которой находится воздушный пу­зырь, а ниже жидкость, например обычная вода, заполняющая сообща­ющуюся с цилиндром вертикальную трубку (рис. 1). Жидкость заполняет ее до уровня чуть-чуть выше горизон­тального колена. Стоит капле жидко­сти упасть на пористую перегородку, она просачивается сквозь нее, повы­шая уровень жидкости в присоеди­ненной трубке. Это порождает новую каплю в цилиндре и так далее. Такой прибор нетрудно изготовить самому, и он будет работать месяцами, пока не понизится уровень жидкости благода­ря ее постепенному испарению. В принципе, под капли можно поста­вить что-то вроде мельничного колеса и аккумулировать концентрируемую энергию. Конечно, она очень мала, но нам сейчас важна сама принципиаль­ная возможность.

 

Объяснить безостановочный кру­говорот жидкости в кольцаре труднее, чем работу «вечных часов». Причиной могут быть спорадические вздрагива­ния основания прибора, случайные перепады атмосферного давления и так далее. Существует несколько тео­рий на этот счет.

 

Известно еще несколько конст­рукций подобных устройств. Они дей­ствительно собирают рассеянную энергию, однако абсолютно незави­симыми, работающими сами по себе такие устройства назвать нельзя. Их приводят в действие слабые внешние воздействия, хотя и не целенаправ­ленные. Такие концентраторы второе начало не нарушают. Если их изоли­ровать от внешних воздействий, на­пример, поместить в термостат с крепкими стенками и виброзащитным основанием, где все флуктуации только на уровне молекулярных теп­ловых шумов, они, не имея энергети­ческой подпитки, замирают.

 

То, что второе начало не мешает концентрации рассеянной энергии в ограниченных частях большой систе­мы, возможно, имеет важные космо­логические следствия, так как не ис­ключено, что собирающие энергию метастабильные образования могут существовать и в космосе, влияя на происходящие там процессы. Гипоте­за с первого взгляда довольно фанта­стическая, но кто знает...

 

Второе начало запрещает создание концентраторов, аккумулирующих энергию флуктуаций в системах с ус­тановившимся тепловым равновеси­ем и флуктуаций на уровне тепловых шумов, когда флуктуации молекуляр­ной структуры самих концентраторов такого же порядка величины. Как же тогда быть с «тепловыми насосами», отапливающими помещения как раз за счет «высасывания» равновесного (молекулярного) тепла окружающей среды? Такие установки с мощностью в несколько киловатт уже созданы.

 

Паровая машина и тепловой насос

Чтобы получить представление о том, как действует тепловой насос, вспомним известную еще со школы паровую машину. Если забыть о кон­структивных особенностях, то, с принципиальной точки зрения, паро­вая машина и тепловой насос разли­чаются тем, какая температура выше — при расширении или в процессе сжатия пара в рабочем цилиндре. Теп­ловой насос при каждом цикле, вклю­чающем расширение и сжатие, часть энергии внешней среды, содержа­щейся в расширившемся газе, остав­ляет в рабочем цилиндре как бесплат­ную добавку к теплу, в которое транс­формировалась энергия внешнего двигателя.

 

Теорию паровой машины и ее зер­кального отражения — теплового на­соса — 175 лет назад создал француз­ский инженер Сади Карно. Эти два режима часто называют прямым и об­ратным циклами Карно. Сегодня су­ществует огромное количество конст­рукций тепловых машин, и все они подчиняются этой теории, которая говорит, что эффективность машины, ее КПД тем выше, чем больше раз­ность температур, при которых про­исходит расширение и сжатие в рабо­чем объеме. А вот тепловой насос ра­ботает с наибольшим КПД, то есть с максимальным переносом тепла при наименьшей затрате энергии приво­дящего его в действие двигателя, ко­гда разность температур расширения и сжатия минимальна и обе они дос­таточно высоки. Такие условия — в тропиках, где тепловой насос мало полезен. Там важнее обратный цесс — охлаждение помещений. Однако и в холодном климате, для кото­рого характерны большие перепады температур, тепловые насосы, тем не менее, могут быть весьма эффектив­ны. Если для жилых помещений нуж­на температура в 20 градусов, то для многих подсобных помещений — га­ражей, складов — вполне достаточно 5 — 10 градусов, а для овощехрани­лищ — всего лишь несколько градусов выше нуля. Для такого низкотемпера­турного обогрева, особенно в услови­ях не слишком холодных зим, вполне пригодны тепловые насосы.

Извлекая из окружающей среды рассеянное там тепло, тепловые насо­сы увеличивают наши энергоресурсы. При этом возвращается и однажды уже отработанное тепло. Казалось бы, это позволяет создать нескончаемый круговорот энергии — своеобразный маятник, когда сброшенное при рабо­те паровой машины тепло вновь воз­вращается тепловым насосом, и все это повторяется раз за разом. Однако, как и механический маятник, такой закольцованный процесс будет посте­пенно затухать, поскольку благодаря трению и другим диссипативным про­цессам часть тепла будет уходить из кольца, рассеиваться в окружающей среде, и для ее компенсации, чтобы безостановочно работал мотор, при­водящий в действие тепловой насос, необходим приток энергии со стороны. Увеличивая энергоресурсы, теп­ловые насосы, тем не менее, не спаса­ют Мир от энергетического «увяда­ния».

 

Недавно одного из авторов при­гласили на демонстрацию очень про­стого по своей конструкции устройст­ва, разделявшего засасываемый с ули­цы холодный воздух на две струи — холодную, которая выпускалась нару­жу, и теплую, обогревавшую неболь­шой дачный домик. Это так называемая вихревая труба, изобретенная французским инженером Ранке. Не­большой компрессор вдувает тонкую струю наружного воздуха по касатель­ной к внутренней поверхности трубы (рис. 2). Периферическая, близкая к стенкам вихреобразно вращающаяся часть струи нагревается и через узкую щель между трубой и конусообразной пробкой выходит в обогреваемое по­мещение. В обратном направлении течет и сквозь небольшое отверстие выходит наружу охлажденный поток воздуха. Разогрев периферической струи можно приписать трению о стенки и на границе при встрече с центральным воздушным потоком. Труднее объяснить, почему понижает­ся температура потока. Предложено несколько гипотез, но общепринятой теории пока нет. Однако установка работает и действительно обогревает помещение, хотя экономическая вы­года от такого способа обогрева не­значительна.

 

Рис.2.

Вихревая труба Ранке. Закачиваемый в трубу воздух (или жидкость) расщепляется на две струи — вихревую перифе­рическую и движущуюся в обратном направлении ламинарную. Из узкой кольцевой щели выходит нагретый воздух, из отвер­стия в заслонке на проти­воположном конце трубы — охлажденный.

 

Есть случаи, когда тепловой насос может дать ощутимый экономический эффект. На тепловых и атомных электростанциях происходит сброс огромных масс воды, использован­ных для охлаждения системы. Ее температура — около 25 градусов по Цельсию — достаточно высока, что­бы попытаться утилизировать ее с помощью тепловых насосов. Конеч­но, КПД мал, но благодаря очень большому объему сбрасываемой во­ды это может оказаться экономиче­ски оправданным, особенно если принять во внимание экологические соображения.

 

 Тепловые насосы Вселенной

 У американского писателя-фанта­ста Азимова есть роман о том, как изучавшие вакуум ученые неожидан­но для себя обнаружили энергетиче­ский канал, соединяющий нашу Все­ленную с соседней, о существовании которой ранее и не догадывались. По этому каналу можно было перекачи­вать тепло и другие виды энергии. Благодаря разнице энергетических уровней вакуума канал фонтанировал энергией, подобно мощной газовой скважине, и вскоре такие каналы — тепловые проколы Вселенной — ста­ли использоваться для приведения в действие различных машин и меха­низмов. Читатель, желающий узнать, к каким экологическим катаклизмам это привело в обеих вселенных и по­чему их обитателям пришлось догова­риваться о строительстве тепловых насосов для обратной перекачки теп­ла, может обратиться к роману Ази­мова, мы же хотим заметить, что, не­смотря на всю фантастичность сюже­та, идея энергетических проколов в соседние вселенные, возможно, имеет связь с реальностью.

 

Изучение так называемых супер­симметричных теорий подсказывает, что наряду с нашей, не исключено, существует еще перекрывающаяся с ней «теневая» Вселенная, вещество которой взаимодействует с нашим лишь посредством гравитационных сил. Слои и сгустки теневой материи, возможно, пронизывают нашу Все­ленную, но мы их просто не замечаем. Мир-невидимка. Однако гравитаци­онная связь остается, и с помощью сил тяготения можно создать канал перекачки.

 

Пока гипотеза теневого мира оста­ется умозрительной, и далеко не все физики ее разделяют. Никаких следов теневого вещества, по крайней мере в окрестностях Солнечной системы, до сих пор не обнаружено, хотя они, как показывают расчеты, должны бы про­явить себя изменением силовых по­лей внутри Солнца, что сказалось бы на его температуре и светимости. Воз­можно, теневая материя прячется в скоплениях таинственного, не излу­чающего свет вещества, о существова­нии которого недавно стало известно по создаваемым им сильным полям тяготения. Так что, кто знает, возмож­но, наша Вселенная еще будет черпать тепло из космического холода сосе­дей! Достижения науки фантастичнее любого романа, особенно если учесть, что наблюдения астрономов и расче­ты астрофизиков доказывают, что Вселенная более чем на 90 процентов состоит именно из такого непонятно­го для нас вещества. Несмотря на по­разительные успехи последних деся­тилетий, следует признать, что наука делает еще только первые шаги в поз­нании космоса, и тут нас ждут потря­сающие сюрпризы.

 

 Есть немало интересных вопросов, касающихся взаимоотношений тепла и холода во Вселенной. Например, мы уверены, что -273 градуса по Цельсию — абсолютный минимум температу­ры, когда прекращаются все тепло­вые, молекулярные движения. В сов­ременном мире это так, однако кван­товая теория говорит, что в первые минуты после рождения нашего Мира в катаклизме Первичного Взрыва ва­куум был несравненно более «гус­тым». По мере остывания он перехо­дил в менее плотные состояния. Та­кой «обвал» произошел, когда от пер­вородной праматерии отщепились кванты гравитационного поля, кото­рое в то время было чрезвычайно сильным, а последний раз — когда один из сортов элементарных частиц распался на наблюдаемые сегодня кванты электромагнитного поля и очень тяжелые кванты, так называе­мые Z- и W-бозоны. Но, может, суще­ствует какой-то еще более глубокий уровень, и тогда наши представления о судьбах Мира будут иными...

 
 

Стрела времени и Второе Начало

 Время — самое фундаментальное, интуитивно понятное каждому и вме­сте с тем крайне трудно определимое понятие. Что мы знаем о нем? До на­чала прошлого века — почти ничего. Следуя Ньютону, физики рассматри­вали время как абсолютную, неизмен­ную, однонаправленную длитель­ность (хотя что такое «длительность», оставалось за скобками). Философы определяли время как всеобщую фор­му существования материи, однако едва ли это проясняет суть дела и по­рождает массу вопросов. Сегодня, по­сле создания теории относительности и многочисленных экспериментов, известно, что время может сжиматься, растягиваться и даже искривляться. Вот, пожалуй, и все...

 

Понятию времени посвящены сотни научных и богословских статей, толстые книги. Однако все определе­ния времени, по существу, являются пояснениями научным языком про­стого и очевидного факта: время — это наиболее общая характеристика всякого изменения. Дальше пока про­двинуться не удается.

 

Скорость течения времени, его темп — это такое же изначальное свойство нашего мира, как величина заряда электрона, массы элементар­ных частиц, скорость света и другие фундаментальные константы. В дру­гом мире они могут быть совершенно иными. Голубая мечта физиков — найти Уравнения Мира, решая кото­рые можно было бы предсказывать и изучать свойства иных миров.

 

В физических теориях, как в кино, время можно направить вспять. Это потому, что число учитываемых тел и параметров их взаимодействий ко­нечно. Если конечное число заменить понятием «много», как это имеет мес­то в реальной жизни, где любая частица имеет неизмеримо огромное коли­чество связей, которые нельзя все сразу направить вспять, время стано­вится необратимым. Так возникает «стрела времени» — эволюция Все­ленной идет в сторону дезинтеграции материальных структур и диссипации энергии. Вот это свойство природы физики формулируют как Второе На­чало.

 

Конечно, такая дезинтеграцион-ная эволюция в полной мере харак­терна лишь для больших почти изоли­рованных пространственно-времен­ных интервалов. В их локальных обла­стях, где часты макроскопические флуктуации, возможны, вопреки Вто­рому Началу, усложнения структур и концентрация рассеянной энергии. Локально любой тепловой насос — нарушение Второго Начала, тем не менее это не означает изменения на­правления временной стрелы, кото­рая определяется всей совокупностью изменений. Так, в микроскопических процессах взаимодействия элемен­тарных частиц благодаря квантовому соотношению неопределенностей время вообще оказывается неопреде­ленным, но общая временная стрела, синхронизирующая различные мик­ро- и макрособытия, остается неиз­менной.

 

В последние годы возник еще один интригующий вопрос о свойст­вах времени и направлении эволю­ции. Если существует множество не­зависимых вселенных, то почему у них должна быть одна и та же стрела времени? Не логичнее ли предполо­жить, что каждая из них имеет свое направление времени и свое Второе Начало? Другими словами, не явля­ется ли время, подобно пространству, многомерным, и мы по ряду причин просто не видим его дополнительных осей (рис. 3)? Вопрос крайне инте­ресный, но это — уже предмет следу­ющей статьи.

Рис.3.Плоскость двумерного времени.Вселенная эволюционирует вдоль определенной траектории. Ощущаемое нами одномерное время — длина этой траектории.