Эксергия дает также возможность сформулировать удобное определение ppm-2, симметричное определению ppm-1. Если ppm-1 — это машина, делающая энергию из «ничего» (∑Wʺ > ∑W') разность ΔW = ΔWʺ — ΔW' берется «ниоткуда»), то ppm-2 — это машина, делающая эксергию из того же «материала» (∑Еʺ > ∑Е'; разность ΔЕ = ΔЕʺ — ΔЕ' берется тоже «ниоткуда»).
Эксергия дает возможность более удобно, чем с помощью энтропии, охарактеризовать энергетические превращения в биологических объектах. Действительно, характеризуя энергетику растений и животных, мы по образцу [1.8, 1.10] говорили о том, что, поглощая потоки вещества и энергии с малой энтропией, они выдают их с большей энтропией, т. е. «сбрасывают» энтропию в окружающую среду. Тем самым доказывается, что они функционируют в полном согласии со вторым законом. Но как сказать одним словом (причем строго научно) не о том, что они «сбрасывают», а о том, чем они питаются (в энергетическом смысле)?
Физики, привыкшие к «понятной, родной энтропии» (по выражению одного физико-химика), не смогли с ней расстаться и подошли к задаче чисто математически. Э. Шредингер ввел понятие «негэнтропии» (негативная» энтропия, энтропия с обратным знаком). Получается, что, следовательно, они «питаются» отрицательной энтропией — «негэнтропией». За Шредингером термин «негэнтропия» пустили в ход и другие физики, а за ними и некоторые биологи. С формально-математической стороны здесь все в порядке; любая величина может быть представлена как положительной, так и отрицательной. Однако за термином «негэнтропия» не стоит никакая физическая реальность: значение энтропии, меньшее нуля, соответствует некоторому несуществующему состоянию «сверхорганизованности».
Очевидно, что эксергия более строго, чем негэнтропия, характеризует упорядоченную качественную энергию, за счет которой организм живет.
«Питание» организма эксергией имеет четкий физический смысл. То, что организм использует, определяется непосредственно разностью получаемой и отводимой эксергии. При таком подходе все становится на место без каких-либо оговорок.
В частности, становятся четко просматриваемыми энергетические связи в «экологической пирамиде». Растения, поглощая эксергию с солнечным светом и веществами из почвы и воздуха, не только живут сами, но и дают эксергию животным. Стоящий на вершине экологической пирамиды человек получает эксергию со «всех этажей» пирамиды — от растений, животных и неравновесной окружающей среды.
Каждый «этаж» имеет и свои отходы, эксергия которых используется на нижестоящих этажах.
Любопытно, что Л. Больцман, который больше, чем кто-либо, занимался энтропией, описывая такую экологическую пирамиду, пользовался не энтропией, а «энергией, которую можно использовать», т. е. по существу эксергией. Он писал [1.23]: «Всеобщая борьба за существование живых существ — это не борьба за составные элементы, — составные элементы всех организмов имеются налицо в избытке в воздухе, воде и в недрах земли, и не за энергию, ибо она в изобилии содержится во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты[63]. Но это борьба за энергию, которую можно использовать при переходе с горячего Солнца к холодной Земле. Чтобы возможно полнее использовать этот переход, растения распускают огромную поверхность своих листьев и заставляют солнечную энергию, прежде чем она упадет до уровня температуры земной поверхности, выполнять химические синтезы… Продукты этой химической кухни служат предметом борьбы в мире животных».
Во времена Больцмана экологический кризис еще не возникал в такой форме, как теперь; поэтому он пишет о составных элементах, что они «имеются в избытке».
Пользуясь понятием эксергии, мы в следующей главе сможем рассмотреть целый ряд предложений по созданию ppm-2. Здесь же мы проанализируем в качестве примера тепловой насос — известное техническое устройство, приводимое сторонниками энергетической инверсии как наглядный пример реальной «концентрации энергии». Этому простому и понятному устройству приписываются самые невероятные, чудесные свойства; опираясь на них, тепловой насос пытаются использовать как таран, чтобы пробить брешь во втором законе термодинамики и протащить через нее ppm-2 в энергетику.
4.4. Тепловой насос — чудо или не чудо?
Напомним принцип действия теплового насоса[64] (о нем уже шла речь в гл. 3). Независимо от типа и конструкции это устройство выполняет, как правило, одну функцию — отбирает теплоту QО.С. от окружающей среды при ее температуре TО.С. и отдает теплоту при более высокой температуре TГ в отапливаемое помещение или для подогрева в каком-либо техническом устройстве. Такой процесс перехода теплоты сам по себе происходить не может — это запрещено вторым законом термодинамики. Поэтому для обеспечения работы тепловых насосов необходима определенная затрата эксергии. Чаще всего для привода теплового насоса используется электроэнергия.
Принципиальная схема наиболее простого (парокомпрессионного) теплового насоса показана на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Схема теплового насосаРабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором (поэтому установка и называется парокомпрессионной). Нагревшийся при сжатии пар охлаждается и переходит в жидкое состояние в конденсаторе; при этом от него при повышенной температуре TГ отводится к потребителю (например, в нагреваемое помещение) теплота QT. Полученная жидкость расширяется в дросселе, и ее давление снижается. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает до TК, несколько более низкой, чем температура окружающей среды TО.С.. В испарителе холодная жидкость, отнимая теплоту QО.С. у окружающей среды, полностью испаряется и снова поступает в компрессор; цикл замыкается.
Возьмем для примера конкретные показатели работы насоса, близкие к тем, которые встречаются на практике.
Чтобы отапливать помещение и поддерживать в нем температуру +20 °С, конденсирующееся рабочее тело должно иметь температуру TГ, скажем, 50 °С (323 К). Пусть температура окружающей среды TО.С. будет —10 °С или 263 К (зимние условия). Для того чтобы рабочее тело могло кипеть в испарителе, отнимая теплоту от среды, оно должно быть несколько холоднее ее. Примем температуру кипения TК = -20 °С (253 К).
Примем также, что отдаваемая в помещение тепловая мощность QГ составляет 5 кВт, а подводимая к компрессору N = 2 кВт. Тогда по энергетическому балансу тепловая мощность QО.С., отбираемая от окружающей среды, составит 5 — 2 = 3 кВт. Пользуясь этими данными, можно легко рассчитать все энергетические характеристики теплового насоса. Чтобы закончить рассмотрение баланса, характеризующего систему с позиций первого начала термодинамики, определим отношение полученной теплоты QГ к затраченной электрической работе. Эта величина, называемая тепловым или отопительным коэффициентом, здесь имеет значение μ = 5/2 = 2,5. Следовательно, на 1 кВт электрической мощности, подводимой к компрессору, в помещение отдается 2,5 кВт тепловой мощности. Тот факт, что μ > 1, вызывает восторг у сторонников «энергетической инверсии». Называя μ коэффициентом полезного действия (вместо теплового коэффициента), они утверждают, что он (КПД) превышает 100%, так как «концентрирует энергию», взятую из окружающей среды. Действительно, 3 кВт берутся из окружающей среды. Диаграмма на рис. 4.5 наглядно показывает этот энергетический баланс в виде полосового графика, где ширина каждой полосы пропорциональна соответствующему потоку энергии.
Рис. 4.5. Полосовые графики энергетического (а) и эксергетического (б) балансов теплового насосаТеперь займемся анализом этого же теплового насоса с позиций второго закона термодинамики. Начнем с энтропии. В этом простом примере ее легко подсчитать. Действительно, отдаваемая энтропия
S" = QГ/TГ = 5/323 = 0,015 кВт/К;
а подводимая
S' = QО.С./ TО.С. = 3/253 = 0,012 кВт/К.
Больше никакая энтропия к тепловому насосу не подводится, так как высокоорганизованная электроэнергия безэнтропийна. Значит, со вторым законом здесь все в порядке: отводимая энтропия S" больше подводимой S'. Необратимые, реальные процессы в тепловом насосе приводят, естественно, к ее возрастанию на ΔS = 0,003 кВт/К. Значит, действие теплового насоса никоим образом не противоречит второму закону термодинамики: энтропия растет. А как же с КПД и «концентрацией» энергии?
Займемся этим и рассмотрим работу теплового насоса посредством составления и анализа его эксергетического баланса. В такой баланс, так же как и в энергетический, должны входить три члена, соответствующих энергетическим потокам. Однако один из них будет равен нулю, поскольку эксергия потока теплоты QО.С., отбираемой из окружающей среды при TО.С., равна нулю (по формуле Карно). Следовательно, в систему эксергия поступает только с электроэнергией (заштрихованная полоса соответствует эксергии); подсчитать ее легко, поскольку высокоорганизованная электрическая энергия полностью работоспособна. Значит, поступающая эксергия E’ = 2 кВт.
