Необходимый нам мизер термодинамики.
В 1842 году Роберт Майер установил прямую пропорциональность между теплотой и работой в термодинамических системах. Т.е. системах, в которых происходит превращение теплоты в работу или работы в теплоту. Если теплота и работа измерены в одних единицах (джоулях), то
Q = L
Где Q – теплота,
L – работа.
Реальность такова, что преобразовать теплоту в работу полностью невозможно. Ещё в 1824 году Сади Карно, французский инженер и учёный, в своих рассуждениях о движущей силе (работе) огня изложил сущность второго закона термодинамики: «Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для её развития: её количество исключительно определяется температурой тел, между которыми, в конечном счёте, производится перенос теплорода. Температура газа должна быть первоначально как можно выше, чтобы получить значительное развитие движущей силы. По той же причине охлаждение должно быть как можно больше. Нельзя надеяться, хоть когда-либо использовать всю движущую силу топлива».
В пятидесятых годах девятнадцатого века Клаузиус и Томсон дали формулировки второго закона термодинамики. Из формулировки в редакции Томсона следует, что не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу. Часть теплоты должна перейти в теплоприёмник.
Далее вот что
«Следовательно, для получения работы необходимо иметь источник теплоты с ВЫСОКОЙ температурой, или теплоотдатчик, и источник теплоты с НИЗКОЙ температурой, или теплоприёмник».
Плоховатая формулировка. У людей есть определённые, не привязанные к конкретной тепловой машине, представления о том, что такое высокая температура и что такое низкая. И такая формулировка несколько вводит в заблуждение.
А что если есть теплоотдатчик с нормальной температурой и теплоприёмник с очень низкой температурой? Разве получение работы от этого пострадает? Не пострадает. Наоборот, выиграет.
Формула термического к.п.д. теплового двигателя работающего по прямому циклу Карно такова
ηt = 1 – T2/T1
Где T1 – абсолютная температура теплоотдатчика.
T2 – абсолютная температура теплоприёмника.
Допустим, с неба свалился на какую-то местность, где температура + 30º С (таких местностей на Земле много), большой алюминиевый куб с каналами внутри. И температура этого куба 100º К. Его можно использовать как теплоприёмник для тепловой машины с использованием в качестве рабочего тела, допустим, метана. А теплоотдатчиком будет всё что вокруг, вся окружающая среда. Разница температур 203º. Термический к.п.д. составит
ηt = 1 – 100/303 = 67%
А если в этой же местности сжигать какое-либо топливо и на этой же разнице температур эксплуатировать тепловую машину? Температура теплоприёмника меньше 35ºC понятно, недостижима. Температура теплоотдатчика — + 238º С.
Термический к.п.д. составит
ηt = 1 – 308/511 = 38%
А чтоб был термический к.п.д. 67%, надо теплоотдатчик с температурой 660º С иметь.
Т.о. более холодный теплоприёмник куда ценнее, чем более горячий теплоотдатчик.
На какой же минимальной разнице температур функционирует реально работающая теплоэнергетическая установка? Чуть больше 20º. Это ОТЭС (океанская тепловая электростанция) на острове Науру (об этом минимально работоспособном температурном интервале надо будет помнить в течение всего дальнейшего текста). Никому и в голову не пришло бы сжигать какое бы то ни было топливо и работать на такой разнице температур. Ибо к.п.д. смехотворно мал. Но ОТЭС работает на даровой тепловой энергии. Используется разница температуры поверхностных и глубинных вод океана. Однако, несмотря на даровой источник разницы температур, себестоимость этой энергии весьма велика. В силу малого к.п.д. приходится перекачивать огромные объёмы воды, на что уходит львиная доля вырабатываемой энергии. Отсюда большая капиталоёмкость. Есть ли перспективы у ОТЭС? Есть, если организовать комплексное использование ОТЭС. Использовать прелести, которые, как отмечают специалисты, может дать ОТЭС кроме электроэнергии: производство пресной воды из морской, повышение рыбопродуктивности океана в зоне работы ОТЭС. Есть возможность использования ещё одной прелести ОТЭС, до которой специалисты пока не додумались. Об этом потом.
Эх, а вот была бы возможность использовать где-нибудь даровую разницу температур градусов эдак 35-40 (и эту нашу «розовую» мечту будем помнить). Вот это было бы перспективно. А уж если с дополнительными прелестями, цены бы этой возможности не было. В этом возможность найти применение нетрадиционному источнику энергии: отыскать дополнительные, кроме непосредственного производства электроэнергии, плюсы.
Но работать мы с Вами будем, требуя от себя выполнения ещё некоторых условий:
~ Предложив что-либо, мы будем постоянно оценивать свои предложения в ракурсе Глобального Потепления. Но если, чем чёрт не шутит, по каким-либо космическим причинам Глобальное Потепление сменится Глобальным Похолоданием (бывало в истории Земли), то люди должны встретить это обстоятельство, будучи вооружены каким-нибудь инструментом против него. Предложение и об этом инструменте мы с Вами выдвинем.
~ Мы будем учиться у ОТЭС. ОТЭС использует поблизости имеющиеся элементы окружающей среды с разной температурой. Но ей и в голову не приходит проводить какие-то мероприятия для создания этой разницы, либо организовывать непосредственную «ловлю» поступающего от Солнца излучения. ОТЭС берёт готовую тёплую воду поверхности океана, на которую «необорудованно» светит солнце, и готовую холодную воду глубины, которая «необорудованно» остывает в полярных широтах. Поэтому площадь, занимаемая ОТЭС, мала, да и ценности эта площадь не представляет (хотя ОТЭС не мала по вертикали), а площадь, которая работает на ОТЭС, велика, но не оборудована. Но таким же образом на ОТЭС, вернее на нечто подобное ОТЭС, могут работать и большие площади суши. Этого принципа мы будем стараться придерживаться в обстоятельствах Глобального Потепления и отступим от него, лишь когда будем готовить мероприятия для Глобального Похолодания.
~ Держа в голове Глобальное Потепление, в факте которого на настоящее время сомнений нет, а в конце текста Глобальное Похолодание, которое вероятно, мы с Вами будем, в отличие от предложенных до сего дня Киотских мер и не Киотских проектов (кроме одного), старательно избегать таких решений этих глобальных проблем, какие сулят расходы и ограничения, но не сулят прибыли.
~ Некоторым препятствием в решении нашими методами проблем как Глобального Потепления, так и Глобального Похолодания будет являться, как это ни удивительно, низкая потребность человечества в энергии, и как это ещё более ни удивительно — низкая потребность в продовольствии, которые в свою очередь определяются малой численностью человечества.