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 нашему усмотре нию. Это наводит на мысль, что энергия характеризуется не только количеством, но и каче ством. Например, можно сказать, что вечный двигатель второго рода построить не льзя постольку, поскольку энергия среды, находящейся при более низкой темпе ратуре , имеет и более низкое качество. Энергию же низкого качества не льзя непосредственно перевести в энергию более высокого качества. Нельзя, например, скипятить чайник, погрузив его в воды Мирового океана, даже если это произойдет на экваторе.
Однако объ ективно и достаточно полно оценивать качество энергии тел, не находящихся в термодинамически равновесном состоянии, пока наука не умеет. По-видимому, это дело науки следующего века. В прошлом веке физики разобрались с качеством тепловой энергии. В нашем же веке они были заняты в основном другими вопросами (квантовой механикой и теорией относительности). При этом, хотя проблемы преобразования различных форм эне ргии без потери качества уже давно стали насущными, они как-то недостаточно проникли в обще ственное сознание.
Удивительно, но инженеры, как правило, лучше ощущают ограниче ния, связанные с качеством различных форм энергии, чем уче ные, особенно — уче ные, обсуждающие глобальные проблемы настояще го и будущего че ловече ства. До сих пор сохраняется, например, тенде нция оценивать развитость обще ства по к оличеству потребляемой энергии в топливных единицах. Это приме рно то же, что оценивать интеллект человека по силе его мышц, или сравнивать вычисли тельные возможности современных и первых электронно-вычислительных машин по потребляемой ими энергии.
Возможно, качество энергии не имеет какой-либо абсолютной шкалы и характеризуется не одним числом, а совокупностью различных характе ристик. Тем не менее кое-какие предварительные соображения о сравнительном каче стве различных форм энергии можно высказать. Во-первых, ясно, что энергия более высокого качества может быть пре образована в энергию низкого каче ства с меньшими потерями, чем энергия низкого качества в высококачественную. Во- вторых, более высоким качеством обладает энергия, которую можно с меньшими; потерями конце нтрировать или передавать на большие расстояния. Например, лазерный луч несет энергию более высокого качества, чем поток света от лампочки. Кроме того, более высоким качеством обладает энергия, неравномерно распределенная по энергоносителям. Например, раскале нная игла и стакан с холодной водой до охлаждения иглы в стакане имеют энергию более высокого качества, чем после охлаждения.
Возрастание э нтропии — де градация энергии
Более глубокое понимание вопроса о качестве энергии може т дать статистическая ме ханика—н аука, использующая статистические методы для изучения динамики макроскопических (состоящих из большого числа частиц) объ ектов. Она создана в основном трудами Клаузиуса, Максвелла, Больцмана, Гиббса. В рамках статистической механики второе начало термодинамики является следствием стремления не живой материи к состоянию максимального хаоса, который соответствует состоян ию термодинамического равновесия. Мерой хаоса является энтропия. Энтропия являе тся некоторой однозначной функцие й состояния макроскопических систем. Чем больше энтропия, тем в состоянии большего хаоса находятся составные части макроскопиче ского объекта (микроскопиче ские час тицы). Считается, что энтропия может только расти (в предельном случае термодинамического равновесия — оставаться неизме нной) и рост энтропии имее т в место для так называе мых замкнутых систе м, не взаимоде йствующих с окру жающим миром.
Энтропия растет по мере заполне ния макроскопиче ской систе мой всех доступных ей состояний (степене й свободы), и чем больше степеней свободы, тем больше максимально возможная энтропия системы. О проце ссе заполнения си ст емой своих степе не й свободы говорят как о диссипации (рассеянии) энергии. Максимальная энтропия (предельно большой хаос) соотве тствуе т термодинами ч ески равновесному состоянию. Это такое состояние , в котором любой набор и ндивидуальных характеристик микроскопических частиц систе мы (совместимый с законом сохранения полной энергии) равноверояте н — систе ма заполнила с ^ разной вероятностью все свои степе ни свободы. При этом в термодинамиче ском равновесии полностью утрачивается память о предыдуще й эволюции систе мы. Совершенно естественно трактовать процессы, идущие с увеличением энтропии, как деградацию энергии рассматриваемого объекта. Недаром процессы, привоз ящие к повышению энтропии, часто называют не только релаксационными и 1д исс ипативны ми, но и деградационными, а термодинамически равновесное состо яние — тепловой смертью. Ясно, что при таких процессах эне ргия тела хотя и не уменьшается, но становится хуже качеством. Продеградировавшую эне ргию трудно, а часто и невозможно использовать дл я практиче ских целе й. Можно скипятить воду, сжигая кусок угля размером меньше чайника, но, погрузив та йник в воды Мирового океана, обладающего огромной тепловой энергие й, горячую воду можно только охладить. Ясно, что энергия, содержащаяся в куске угля, выше качеством тепловой энергии Мирового океана. Сжигая уголь, мы уменьшаем качество соде ржащейся в нем энергии и утрачиваем возможность ее дальнейшего практического использования.
Сейчас принято считать, что все процессы в природе приводят к повышению суммарной энтропии взаимодействующих тел. Это носит название закона возрастания энтропии. Ре зультатом этих деградационных процессов должна быть тепловая смерть Земли и, возможно, Вселенной. В рамках этой картины мира утешает лишь то, что перспектива тепловой смерти, по мн ению основоположников статистической физики, не вообразимо далека. Впрочем, этот сравнительно оптимистический вывод был сделан давно и без учета влияния на природу результатов человеческой деятельности.
Надо, однако, отме тить, что пре дположе ние о неизбежном росте энтропии системы частиц, двигающихся по законам механики и не подве ргающихся вероятностному (стохастическому) вне шнему воздействию, с самого начала вызвало заслуженную критику со стороны ряда ученых (Пуанкаре, Лошмидт, Цермело и др.). Они обратили внимание на то, что картина Мира, основанная полностью на динамических законах, противоречит закону возрастания энтропии. Динамические законы обратимы во времени, а рост энтропии характеризует необратимые физические процессы. Иначе говоря, второе начало те рмодинамики не может быть следствием законов Ньютона, а является дополнительным постулатом. Позднее была доказана теорема о сохранении энтропии в системе частиц, двигающихся по законам квантовой механики. Недавно мне с группой теоре тиков удалось найти интере сный пример, демонстрирующий, что деградационные процессы не являются сле дствием одних лишь законов взаимоде йствия частиц, а должны привноситься извне [1] . Однако не буде м здесь останавливаться на этих сложных и тонких вопросах, в частности на том, что является источником роста энтропии. Достаточно знать, что закон ее возрастания подтверждае тся огромным количеством экспе риме нтальных данных.
Из сказанного ясно, что при оценке качества энергии должно быть оче нь существенно, насколько эта энергия хаотизирована, т. е. насколько велика ее энтропия (мера беспорядка). Система, обладающая большей упорядоче нностью (меньшей энтропией), должна, по-видимому, обладать и более высококачестве нной эне ргие й.
Однако, судя по все му, энтропия является не единственной характеристикой качества энергии. Наприме р, ее величина не посредственно не связана со сроком возможного хранения энергии без потерь. Важно также и то, насколько трудое мким оказывае тся проце сс высвобожде ния энергии. Точнее, сколько эне ргии и какого качества понадобится, для того чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения. Этот вопрос мы обсудим ниже в связи с пробле мами термоядерного синте за.
О качестве энергии лазеров
В простейших случаях ограничения на преобразование энергии низкого качества в энергию высокого качества очевидны. Приведу несколько приме ров из близкой мне области — лазерной физики.
При пре образовании обычного све та в лазе рное излучение (накачка лазе ра светом) часть энергии, как и следовало ожидать, те ряется, т. е. пе ре ходит в тепло. Кроме того, излучение, накачивающее лазер, должно в свою оче ре дь обладать сравнительно высоким каче ством, в частности — иметь большую интенсивность, а часто и быть достаточно высокочастотным (коротково лновым). Труд ности создания эффективных лазеров с прямой солнечной накачкой как раз связаны с невысоким качеством падающего на Землю светового потока. Если бы солнечное излучение было намного интенсивнее и существенно более коротковолновым, то создать эффективные лазеры с прямой солнечной накачкой было бы сравнительно просто. (Отмечу, что растения в отличие от технических устройств усваивают низкокачественную световую энергию с ан омально высоким КПД.)
Энергия излучения различных лазеров в свою очередь обладает разным качеством. Лазерные лучи имеют некоторую расходимость — световое пятно увеличивае тся с расстоянием от источника. Большим качеством, естественно, обладает световой поток с малой расходимостью. Соотве тственно, лазеры с малой расходимостью излучения при прочих равных условиях обладают более низким КПД и требуют более каче ственной накачки. Аналогично снижение КПД и ужесточение тре бований к качеству накачки сопровождают создание мощных лазеров, лазеров дающих стабильное излучение и излучение с узкополосным спектром (т. е. лазеров с высокой когерентностью излучения). Энергия высокого качества стоит дорого.
Большие трудности при создании лазеров коротковолнового диапазона (лазеры в далеком ультрафиолете и рентгеновские лазеры) также обусловлены высоким качеством коротковолнового излучения. Поэтому, например, рентгеновские лазеры требуют накачки оче нь высококачественной энергие й — све товым потоком другого лазера (хотя и длинноволнового, но мощного и с малой расходимостью) или излучением ядерного взрыва.
Совокупность пробле м, возникающих при попытках получить много лазерной энергии высокого качества, часто не дооценивалась. Например, в 70-х годах имел место период эйфории, когда простые соображения на уровне закона сохранения энергии приводили, по мне нию многих, к оптимистическим выводам относите льно возможности создания эффективных рентгеновских лазеров.
Ярким примером в этом отношении является и так называемая стратегическая оборонная инициатива (СОИ). Пре дполагалось на основании новейших физических разработок создать непробиваемый противоракетный щит — сбивать каждую ракету оружием направленного действия (лазерами, пучками частиц и т.п.). Конечно, авторы этой программы исходили в основном из политических, а не научных соображений, но все же налицо и недостаточное осознание того, что за энергию высокого каче ства придется платить высокую це ну, которая в реальных условиях может оказаться не поме рной.
Термоядерная проблема
Из закона возрастания энтропии следует, что невозможно те хническое устройство, в результате работы которого его энтропия в сумме с энтропией окружающей среды понижается. Получение положительного баланса в энергетическом цикле с понижающейся энтропией сопряжено не с техническими, а с принципиальными трудностями. Такое гипотетическое устройство можно назвать вечным двигателем третьего рода. При попытках создания вечного двигателя третьего рода пытаются нарушить закон возрастания энтропии для термодинамически неравновесных систем. (В ве чном двигателе второго рода хотят нарушить закон возрастания энтропии для систем, близких термодинамическому равновесию.)
Уже много ле т меня преследует мысль, что проектируемые сейчас термоядерные электростанции на основе известных установок «Токамак» могут оказаться чем-то вроде вечного двигателя тре тьего рода. Остановлюсь кратко на этом вопросе[2] .
Конечно, на осуществление термоядерной электростанции нет принципиального запрета со стороны термодинамики. Можно, например, представить себе гигантский двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого взрываются поочередно термоядерный бом бы . Бол ее т ого, мне известны технически осуществимые проекты преобразования энергии подземного термоядерного взрыва в электроэнергию. Однако основное напр авление современных термоядерных исследований предполагает совсем другие энергетические циклы. Предполагается для поджига термоядерных реакций использовать электроэнергию, полученную в тепловой машине, нагреваемой продуктами ядерных реакций.
Казалось бы, ситуация вполне аналогична работе автомобильного двигателя. Там тоже часть выделившейся при сгорании бензина энергии преобразуется в электричество и с помощью электрической искры осуществляется поджиг бензина в цилиндрах двигателя. Однако на самом деле эта аналогия неточна. Разница не только в масштабах и техническом оснащении автомобиля и, например, «Токамака». Дело еще в том, что энергия термоядерного синтеза в отличие от энергии химического топлива (и ядерного деле ния) имеет низкое качество.
Низкое качество термоядерной эне ргии проявляется, в частности в том, что для запуска процесса энерговыделения за счет реакций синтеза ядер необходимо большое количество оче нь высококачественной энергии. Для поджига реакций в термоядерной бомбе, например, используется ядерный взрыв, характеризуемый огромной плотностью (а следовательно, и качеством) энергии.
Весь комплекс разносторонних характеристик, обусловливающих качество различных форм энергии, не учитывается простыми соображениями, основанными лишь на термодинамических законах. Для термодинамики есть только два типа энергии: с минимально возможной энтропией (механическая, электрическая и т.п.) и с максимально возможной энтропией (термодинамически равновесные газ, плазма и т.п.). В рамках термодинамики не различается качество различных форм, например, электрической энергии, в частности того, что ток, текущий по проводам электрической цепи, имеет энергию суще ственно более низкого качества по сравнению с энергией пучка частиц, двигающихся с малым разбросом скоростей. Не заложен в термодинамические соображения и учет потребления энергии высокого качества для инициирования и поддержания термоядерных реакций.
В то же время предлагаемые циклы получения термоядерной энергии недостаточно проанализированы с простейшей «энтропийной» точки зрения. Нельзя, конечно, сказать, что эти циклы вообще не анализировались. Расчеты инженерного характера регулярно проводятся. Однако в них для различных этапов преобразования энергии закладываются некие КПД, которые в совокупности на противоречие закону возрастания энтропии не проверяют. Соответствующие расчеты довольно сложно сделать, но пока они не проведены, нет уверенности в том, что «Токамак» не окажется вечным двигателем третьего рода.
Подозрения о неосуществимости планируемых термоядерных энергетических циклов подкрепляются тем, что в проектируемых термоядерны
х реакторах обращаются с энергией высокого качества просто по-варварски. Сначала выделенная тем или иным путем ядерная энергия переводится в тепло парового котла. Соответстве
нно энергия каждой частицы, несущей термоядерную энергию, раздается по малой порции почти миллиарду частиц нагреваемого тела. При этом существенно теряется качество
10-09-2015, 22:30