Занимательно об энергетике

До сих пор мы рассуждали об экономии уже готовой энергии. Ну а ее получение — насколько эффективны подобные процессы? Насколько рационально используются еще остающиеся в земных закромах органические топлива? Увы, картина тут не очень отрадная.

Костяк современной нашей энергетики — тепловые паротурбинные электростанции — ТЭС. Они работают на угле, нефти, газе, мазуте. Система превращения топлива в электрическую энергию, на которой основаны ТЭС, многоступенчата. Тепло сгорающего топлива нагревает воду в котле, вода превращается в пар высокого давления, пар приводит в движение огромную турбину, которая, в свою очередь, передает вращение на ротор электрического генератора, находящегося в сильном магнитном поле. От этого движения в медных обмотках ротора и возникает электрический ток.

Громоздко, многоступенчато, а значит, и не без потерь. Но современные электростанции создавались во времена, когда считалось, что запасы топлива на Земле практически неисчерпаемы. Не имело особого значения, сколько его будет потрачено, лишь бы получить желаемое — электрический ток. Что и было достигнуто с высокой для тогдашнего положения степенью совершенства.

Sed alia tempora! (Иные времена!) Сейчас, в эпоху энергетического похолодания, когда калории стали считать, должны измениться и требования к ТЭС и другим поставщикам энергии. Эффективность превращения энергии должна поневоле стать в энергетике проблемой номер один.

Чем выше коэффициент полезного действия (КПД) энергетической установки — отношение полученной электроэнергии к теплотворной способности топлива (тому запасу энергии, которое в нем заключено), — тем меньше отходов, меньше загрязняется окружающая среда, меньше расход топлива.

Но ТЭС, говорят нам, доживают свой век. Уже и замена готова — атомные электростанции. У них, видно, все будет по-иному. И вновь увы! Промышленное освоение ядерной энергетики не привело и вряд ли приведет к сколько-нибудь кардинальному снижению расходов на производство электроэнергии. Цены энергии тепловой (ТЭС) и ядерной (АЭС) оказались примерно одинаковы.

В чем причина? В том, что нынешняя атомная и даже будущая термоядерная электростанции, по существу, тоже являются электростанциями тепловыми. Только в них топка парового котла (источник тепла) заменена ядерным или термоядерным реактором.

Но это значит: все недостатки, присущие паротурбинному способу (а его преимущественное использование сейчас и в предвидимом будущем, видимо, сохранится) преобразования тепла в электроэнергию, останутся.

И хотя одни недостатки, связанные со сжиганием органического топлива (например, выбросы золы и вредных газов в атмосферу) устраняются, появляются новые. И борьба с ними или сведение к минимуму их действия (скажем, проблема радиации на АЭС) требуют значительных усилий, затрат и времени.

Создавшуюся ситуацию очень хлестко охарактеризовал известный популяризатор науки профессор А. Китайгородский. «Пусть простят меня технологи, — пишет он, — но сегодняшняя атомная электростанция напоминает мне телегу, которую движет великолепный восьмицилиндровый двигатель.

«Порок» современной атомной электростанции заключается в том, что мы еще не умеем преобразовывать энергию атомного ядра непосредственно в электрическую. Приходится сначала получать тепло, а затем превращать его в движение теми же дедовскими способами, которые существуют с момента изобретения паровой машины. Из-за этого невысок и коэффициент полезного действия атомной электростанции. И хотя это является общим дефектом всех тепловых станций, но все-таки досадно, что проблема отъема тепла и из ядерного реактора должна решаться громоздкими, технически несовершенными средствами.

Не это ли является причиной того, что доля энергии, которую дает расщепленный атом, в общем энергетическом балансе измеряется всего несколькими процентами? Это несмотря на то, что атомная техника существует уже 35 лет!»

Карно

Чтобы отчетливо понять настоящее, полезно сделать временной (исторический) разбег. Сейчас стоило бы поговорить о том, отчего тепловые машины столь несовершенны. Что это? Недоделки, недоработки инженеров? Или, напротив, фундаментальный принцип, перешагнуть который нельзя?

И тут нам трудно обойти молчанием, не помянуть имени Карно.

Карно (1796—1832), французский физик, сын Л. Карно (крупного государственного и военного деятеля эпохи французской революции и времен Наполеона I). Шестнадцати лет Карно поступил в Политехническую школу, окончил ее через два года и получил назначение в инженерные войска. С большим рвением занимался он делами, далекими от военного: математикой, физикой, химией, биологией, политэкономией, музыкой. Видимо, поэтому в 1828 году Карно оставил военную службу. За всю свою жизнь он опубликовал лишь одно, но гениальное произведение: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». 1824 год. Это был, по существу, пролог новой важной науки — термодинамики (хотя Карно ошибочно рассматривал теплоту как некоторую невесомую жидкость — теплород). Можно только гадать, как много мог дать науке гений Карно, ибо он скончался в возрасте 36 лет во время эпидемии холеры.

Паровую машину, прабабушку всех ТЭС и ГРЭС, изобрел, как известно, англичанин Д. Уатт. В 1769 году он получил английский патент № 013, где уже были изложены почти все его основные идеи.

Первые паровые машины были крайне несовершенны. Во времена Карно их коэффициент полезного действия — та часть энергии, выделяющейся при сжигании топлива, которая реально могла пойти в дело, на совершение полезной работы, — составлял лишь от 5 до 7 процентов. Это значило, что от 93 до 95 процентов энергии тратилось впустую. Отчего так мал КПД тепловой машины? Можно ли его повысить? Где лежат пределы максимальной производительности железных помощников человека?

Все эти вопросы волновали военного инженера, сотрудника генерального штаба Франции Никола Леонарда Сади Карно. И он в своей книге дал на них точный и однозначный ответ.

Суть единственной работы Карно его потомки ухитрились ужать, уложить в одну-единственную формулу. Вот она:

ή = 1-Т2/Т1,

где ή — максимальный коэффициент полезного действия (теоретический, идеальный, выше этой величины уже невозможно подняться!) паровой (тепловой) машины, а Т1 и Т2 — максимальная и минимальная температуры тепловой машины: температура самой горячей ее точки (пар, нагретый газ) и самой холодной — соответственно на входе в машину и на выходе из нее.

Карно, несомненно, был одним из первых физиков-теоретиков. Он ставил вопрос в самой общей форме: «О получении движения из тепла». При анализе работы паровой машины он не учитывал никаких специфических свойств рабочего тела (пара) и самой паровой машины. Поэтому и выводы его универсальны: их можно распространить на любой тип тепловой машины — дизельного двигателя, турбины...

Любой агрегат, где тепловая энергия превращается з механическую (к примеру, в движение поршня при расширении нагретых газов), должен подчиняться ограничениям Карно. А теперь поиграем с цифрами. Взглянем на формулу Карно. В ней температуры Т1) и Т2 должны быть взяты в градусах Кельвина. (Напомним, что температура таяния льда — ноль градусов по Цельсию — есть плюс 273 градуса по Кельвину, а абсолютный ноль по Кельвину есть минус 273 градуса по Цельсию.)

Итак, глядя на формулу, мы видим, что все тепло удалось бы превратить в работу, если бы можно было получать на выходе из машины продукты, охлажденные до абсолютного нуля, то есть иметь Т2 = 0.

Увы, это невозможно. Минимум температуры задается окружающей нас средой: это, скажем, 20 градусов по Цельсию, или 293 по Кельвину. Вот и получается железный вывод: принципиально нельзя построить тепловую машину, в которой все тепло превращалось бы в работу.

Что же остается? Остается ради увеличения КПД в формуле Карно по возможности поднимать температуру Т1. Ведь при ее неограниченном увеличении, очевидно, КПД машин будет стремиться к 100 процентам! Но и тут нас ждет разочарование.