В предыдущем параграфе мы уже отметили, что в результате всякой деятельности человека энергия первичных источников почти полностью отдается в виде теплоты окружающей среде. Лишь очень небольшая часть производимой энергии на какое-то время сохраняется в виде потенциальной или внутренней энергии в сооружениях, изделиях и продуктах, производимых человеком. Сама жизнедеятельность человека да и всех живых существ также связана в конечном счете с превращением первичной энергии в теплоту и частично в разные виды потенциальной и внутренней энергии. Казалось бы, если в соответствии с законом сохранения энергия не исчезает, нас эти преобразования не должны смущать: энергию, отданную в виде теплоты окружающей среде, следует вновь заставить служить людям. Однако, к сожалению, другой практически столь же универсальный закон природы — второй закон термодинамики налагает на такое «повторное» использование теплоты запрет.
Этот закон утверждает, что теплота является особой формой передачи энергии. Во всех реальных процессах любые формы энергии могут самопроизвольно превращаться в теплоту, но самопроизвольное превращение теплоты в другие формы энергии невозможно. В этой формулировке особое значение имеет слово «самопроизвольно». Оно означает, что любая форма энергии может превратиться в теплоту без того, чтобы в этом процессе участвовали какие-нибудь дополнительные тела, состояние которых по окончании процесса как-то изменилось бы. Напротив, теплота не может превратиться в другие формы энергии без того, чтобы в каких-либо окружающих телах по окончании процесса преобразования не остались бы какие-то изменения.
Таким образом, если закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает взаимную превратимость и эквивалентность всех видов энергии, то второй закон термодинамики отмечает особенность теплоты, ее неравноправность в процессах преобразования энергии.
В термодинамике доказано, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляло бы последовательность круговых процессов, т. е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом таком круговом процессе, иначе называемом циклом, рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q1 от первичного источника энергии при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q2 окружающей среде (воде или воздуху). Так как само рабочее тело, вернувшись в результате осуществления цикла в исходное состояние, не изменяет свою внутреннюю энергию, то в соответствии с первым законом термодинамики разность теплот превращается в работу:
(4-5)
Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие формы энергии (механическую, электрическую) в первую очередь определяется температурой, при которой теплота Q1 может быть передана рабочему телу. Так, в примере, рассмотренном в предыдущем параграфе, таким рабочим телом является водяной пар, который в паротурбинной установке получает теплоту от продуктов сгорания при наивысшей температуре около 815 К (540°С).
Температура, при которой отдается теплота Q2, также существенна с точки зрения эффективности преобразования теплоты в работу. Однако, поскольку теплота Q2 отдается окружающей среде, в реальных условиях эта температура может изменяться лишь в нешироких пределах.
Эффективность преобразования теплоты в работу оценивают термическим к. п. д., под которым понимают отношение работы L, получаемой за цикл, к теплотe Q1, получаемой от первичного источника энергии:
(4.6)
В термодинамике показано, что если задана температура Т1 подвода теплоты Q1 и температура Т2 отвода теплоты Q1, наибольший возможный термический к. п. д, определяется формулой
(4.7)
Эта формула уже упоминалась во введении.
Такой к. п. д. теоретически может быть получен в так называемом цикле Карно, который в силу ряда причин не может быть реализован на практике. Все реальные циклы, у которых наивысшая температура подвода теплоты равна Т1, а наинизшая температура отвода теплоты — Т2, могут иметь термический к. п. д. не выше к. п. д. соответствующего цикла Карно, т. е. для такого реального цикла:
(4.8)
На рис. 4.3 показана зависимость термического к. п. д. цикла Карно от температуры Т1 при Т2=300 К. Видно, что, например, при Т1=815 К (540°С), термический к. п. д. в лучшем случае может достичь 63%. Это означает, что в лучшем случае только 63% подведенной в виде теплоты энергии может быть превращено в механическую работу. Для реального цикла паросиловой установки при этой температуре термический к. п. д. в лучшем случае достигнет 50%.
Из анализа формулы (4.7) можно сделать важный вывод, что с точки зрения возможности преобразования теплоты в работу источники теплоты далеко не равноценны.
Рис. 4.3. Зависимость термического к. п. д. от цикла Карно
Например, если иметь источник теплоты с температурой 400 К (температура некоторых геотермальных источников), то из 1 Дж такой теплоты можно в лучшем случае получить 0,25 Дж механической работы (к. п. д. 25%, см. рис. 4.3). Если же источник теплоты имеет температуру 1000 К, то из 1 Дж такой теплоты можно в принципе получить 0,7 Дж механической работы. Теплота при температуре окружающей среды (в нашем случае 300 К) вообще не имеет никакой энергетической ценности, ибо из нее нельзя получить сколько бы то ни было механической работы или электроэнергии.
С этим выводом очень тесно связано следствие из второго закона термодинамики, которое утверждает, что невозможно создать так называемый вечный двигатель второго рода, т. е. устройство, которое непрерывно производило бы работу, только отбирая теплоту от одного источника теплоты. Если бы это было возможно, то, используя в качестве этого единственного источника теплоты окружающую среду (воду естественных водоемов или атмосферный воздух), человечество получило бы по существу неисчерпаемый источник энергии.
Для людей, не имеющих специальных знаний в области термодинамики, второй закон термодинамики значительно менее очевиден, чем первый, т. е. чем закон сохранения энергии. Поэтому еще и сейчас недостаточно квалифицированные люди продолжают «изобретать» вечный двигатель второго рода, предлагая с этой целью подчас весьма сложные и остроумные устройства. Однако по поводу любого из таких устройств можно априори утверждать, что если предлагается двигатель, работающий непрерывно и расходующий теплоту, поступающую от одного источника теплоты (без того, чтобы отдавать какое-то количество теплоты при более низкой температуре), значит в рассуждениях или в схеме есть какая- нибудь ошибка. Такой двигатель работать не может!
Способность теплоты преобразовываться в работу определяется ее эксергией. Эксергия представляет собой ту максимальную работу, которую может совершить какая-либо система, например, источник теплоты с температурой Т, если в качестве второго источника теплоты (теплоприемника) будет использована окружающая среда с температурой То.
Выше было показано, что если отобрать от источника теплоты с высокой температурой теплоту Q1, то она может быть преобразована в работу в лучшем случае с к. п. д., равным к. п. д. соответствующего цикла Карно. Таким образом, в нашем случае максимальная работа, которая может быть получена из теплоты Q1, отобранной при температуре Т, т. е. эксергия этой теплоты Eq, будет равна
(4.9)
Из этой формулы следует, что эксергия теплоты при очень большой температуре Т стремится к самой величине Q. И наоборот, когда Т=То, то Eq=0, т. е. теплота при температуре окружающей среды имеет нулевую работоспособность, как было отмечено выше.
