Проблема качества энергии

С. И. ЯКОВЛЕНКО

Около трехсот ле т назад в существенной части так называе мого цивилизованного общества сформировалась труднообъяснимая ве ра во все силие человека, в безграничные возможности удовлетворения различных материальных потребностей и даже прихотей путем использования научного знания. Эта ве ра глубоко проникла в сознание как обще ственных деятелей, так и ученых. Все, конечно, понимают, что нарушить законы природы человек не может. Однако многим кажется, что эт и законы существе нной пре грады для человеческого могущества не представляют, а, наоборот, помогают человеку реализовать над природой неограниченную власть. Не льзя, например, иметь ковер-самолет, но можно построить реактивный лайне р. Не т волшебного зеркальца, но есть телевизор. Нельзя обеспе чить се бя те плом, све том, и уютом, не затрачивая энергии, но, казалось, ученые рано или поздно найдут неисчерпанные источники этой энергии.

Дерзость мыс ли стала похвальной, даже если она переросла в самоуве ренность. Не так давно обещали осчастливить человечество самым научным устройством обще ства, искусстве нным интеллектом, электрохимическим синте зом живых организме. Подавляющее большинство ученых верило в то, что развитие живых организмов от аме бы к че ловеку произошло за счет наследования случайных измене ний, контролируемых естественным отбором, а наиболее последовательные сторонники этой веры собирались выращивать соловья из кукушки. Дело доходило до - того, что крупные мате матики все рьез рассматривали возможность аксиоматизации физики, т. е. вывода всех законов природы из коне чного числа умозрительных предположе ний.

Не стоит, коне чно, строго судить изде ржки периода де тства и юношества совре менной науки. Тогда, наприме р, мне ние, что животные полностью аналогичны механиче ским автоматам, считалось научным. Блаже н, кто смолоду был молод. Однако сейчас наука вышла из детского возраста, во многом опреде ляе т пути развития челове че ства и даже способна угрожать самой возможности е го существования. При этом, хотя влияние науки на развитие общества усилилось, рост возможностей влияния на природу как бы замедлился. Все чаще мы сталкиваемся с тем, что законы природы не столько дают над нею власть, сколько ограничивают наши прете нзии. И жестоко себя накажет человечество, если не будет замечать ограничений, налагаемых законами природы.

Два важнейших закона-ограничителя

Одним из наиболее се йчас известных общих законов является закон сохранения энергии. Он состоит в том, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может возникать из ничего или пропадать в никуда. Уверенно пользуясь этим законом, как чем-то очевидным, не все помнят, что окончательно установле н он всего лишь в середине прошлого века (Майер, Джоуль). До этого даже образованные, но лишенные творческой интуиции ученые, пытались по строить вечный двигатель, т. е. устройство, которое производит работу, не потребляя энергии. Им казалось, что создать такое устройство мешают лишь технические трудности, которые можно преодолеть.

Практически одновременно с законом сохранения энергии (и даже, можно сказать, несколько ранее его) был установлен другой важнейший закон-ограничитель, получивший название второго начала термодинамики (Карно, Клаузиус, Томсон). Он может быть сформулирован как невозможность превращения тепла в механическую энергию в отсутствие холодильника, т. е. тела с температурой, меньшей температуры того тела, тепло которого переводится в механическую энергию. Итак, для превращения тепловой энергии в механическую необходим не только нагреватель, но и холодильник, причем максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению разности температуры нагре вателя и холодильника к температуре нагревателя (КПД цикла Карно).

Ограничительные свойства второго начала термодинамики наглядно иллюстрируются следующим примером. В Мировом океане содержится очень много тепловой энергии. Если понизить его темпе ратуру всего на градус, то выделится энергия, во много раз превосходящая ту, которая может быть получена от сжигания всех мировых запасов угля и нефти. Однако не видно соотве тствующего холодильника, который бы позволил эффективно преобразовать, например, в электричество какую-либо заметную часть этой огромной те пловой энергии.

Гипотетическую тепловую машину, преобразующую те пловую энергию в механическую или эле ктрическую с нарушением второго начала термодинамики, называют вечным двигателем второго рода. В соответствии со вторым началом создание его невозможно. Иногда даже второе начало формулируют как невозможность создания такого двигателя.

Удивительно, но если с ограничениями, обусловленными законом сохранения энергии, общественное мне ние смирилось практически сразу, то второе начало термодинамики воспринимают далеко не все. Видимо, поэтому его изучают не в средней школе, а только в технических вузах. Более того, даже сре ди людей с высшим техническим образование м находится как не понимающие смысл второго начала, так и старающиеся опровергнуть этот представляющийся им неприятным закон и создать вечный двигатель второго рода.

У энергии есть качество

Одним из важнейших выводов, следующих из второго начала те рмодинамики, является то, что, хотя энергия сохраняется, она не может быть преобразована из одной формы в другую по одному лишь н