Около 1770 г. англичанин Кокс предложил баромерический двигатель. На рис. 5.11 приведена его принципиальная схема. Сосуд, заполненный ртутью, привешен на тросах, соединенных с ободом колеса. Сосуд уравновешивался грузом, установленным на стержне, жестко связанном с колесом. В сосуд погружена барометрическая трубка, закрепленная в верхней части. При изменениях атмосферного давления высота столба ртути в трубке менялась; соответственно часть ртути либо выливалась из трубки в сосуд (падение давления), либо вталкивалась в нее из сосуда (повышение давления).
В первом случае сосуд становился тяжелее и опускался вниз; во втором, напротив, поднимался. Это возвратно-поступательное движение заставляло колесо попеременно вращаться в противоположных направлениях. Посредством установленной на нем собачки храповому колесу сообщалось однонаправленное движение.
Эта машина была довольно крупной (в сосуде было около 200 кг ртути) и могла постоянно заводить большие часы. Вот какой отзыв дал о ней Фергюсон в 1774 г.: «Нет основания полагать, что они когда-нибудь остановятся, поскольку накапливающаяся в них двигательная сила могла бы обеспечивать их ход в течение целого года даже после полного устранения барометра[85]. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное ознакомление с этими часами, по своей идее и исполнению они представляют собой самый замечательный механизм, который мне когда-либо приходилось видеть…».
Точно так же, как колебания давления, могли использоваться для привода часов и колебания температуры. Очень простой и остроумный двигатель такого рода создал швейцарский часовщик П. Дроз (ок. 1750 г.).
Он изготовил двухслойную пружину (рис. 5.12), внешняя часть которой была сделана из латуни, а внутренняя — из стали. Уже тогда было известно, что коэффициент теплового расширения латуни существенно больше, чем стали. Поэтому при повышении температуры пружина будет сгибаться (сплошная стрелка), а при понижении — распрямляться (штриховая стрелка). С помощью системы рычагов это разнонаправленное движение преобразуется в однонаправленное вращение зубчатого колеса, поднимающего груз или заводящего пружину. Сейчас идея Дроза широко используется в самых разнообразных тепловых приборах.
Рис. 5.12. Двигатель П. Дроза для автоматического завода часов с двухслойной биметаллической пружинойВ дальнейшем было создано довольно много таких барических или термических двигателей, конструктивно более совершенных, но повторяющих по существу идеи Кокса и Дроза. Если скрыть весь механизм двигателя под кожухом, то доказать, что это не ppm, практически невозможно.
Нужно отметить, что такие и им подобные двигатели, основанные на использовании колебаний температуры и давления окружающей среды, весьма выгодны экономически вследствие своей простоты и практически неограниченного ресурса.
Иногда в литературе, в том числе и посвященной вечным двигателям, появляются оценки устройств такого рода, которые могут дезориентировать читателя.
Нельзя, например, признать правильными расчеты экономичности микродвигателя, которые приводятся в [2.6]. Автор рассуждает так: «…для суточного завода обычных ручных часов требуется работа примерно 0,4 Дж, что составляет около 5∙10-6 Дж на каждую секунду хода часов. А поскольку 1 кВт равен 1000 Дж/с, то мощность пружины нашего часового механизма составляет всего 5∙10-9 кВт. Если расходы на изготовление основных частей такого устройства, действующего по принципу теплового расширения, принять равными 0,01 кроны, то за машину мощностью 1 кВт нам пришлось бы заплатить 2 млн. крон (250 тыс. руб.)». Отсюда делается вывод: «Конечно же, создание и использование таких дорогих источников энергии в широком масштабе абсолютно нерентабельно».
Конечно, так рассуждать нельзя. Расходы, особенно в малых технических системах, при сравнении их с большими нельзя считать пропорциональными их размерам. (Тогда, например, железнодорожный костыль будет дороже булавки в 10000 раз!). Таким путем можно получить совершенно фантастические цифры. На самом деле суточные (и сезонные) колебания, например, температуры воздуха или воды могут успешно, с большим экономическим эффектом использоваться для решения локальных энергетических задач. Кроме работы возможно получение и других полезных результатов. В общем случае возможный полезный эффект определяется максимальной работой (эксергией), которую можно получить, приводя какое-либо тело в равновесие со средой дважды: сначала при одних ее крайних параметрах (р'О.С., T'О.С.), а затем при других (рʺО.С. ≠ р'О.С., TʺО.С. ≠ TʺО.С.). Если, например, зимой при T'О.С. запасти большое количество льда с температурой, скажем, —10 °С, то летом при TʺО.С. = 20°С 1 кг льда (даже если учитывать только его теплоту плавления) будет обладать большой эксергией. Точно так же нагретый летом до температуры окружающей среды грунт может служить (и уже используется) для теплоснабжения в зимнее время.
Использование таких энергетических резервов может дать существенный экономический эффект (и в малом, и в крупном масштабе).
Другая группа псевдо-ppm не связана с изменением параметров окружающей среды. Их действие происходит, на первый взгляд, без использования каких-либо разностей потенциалов.
Среди них особенно известны «самобеглый шарик» и «пьющая утка», которую иногда называют у нас в стране «утка Хоттабыча»[86].
Рис. 5.13. «Самобеглый шарик»: 1 — горячий бронзовый шар; 2 — свинцовые рельсы«Самобеглый шарик»устроен очень просто (рис. 5.13). На свинцовые кольцевые концентрические «рельсы» треугольного сечения кладется медный или бронзовый шар, диаметр которого в 2-3 раза больше размера колеи. Как только экспериментатор отпускает шар, поставленный на рельсы, он начинает без всякой видимой причины катиться по рельсам, описывая безостановочно один круг за другим. Если шар остановить, а затем отпустить, то он покатится снова. Этот опыт производит большое впечатление, так как, на первый взгляд, причина движения шарика совершенно непонятна. Однако объяснение здесь очень несложное. Шарик предварительно нагревают. Теплопроводность свинца сравнительно невелика. Поэтому шарик, соприкасаясь с рельсами, нагревает места контакта. Свинец, расширяясь, образует небольшие бугорки на рельсах, с которых шарик скатывается; дальше такие бугорки образуются непрерывно вслед за движением шарика и постоянно толкают его дальше. К тому моменту, когда он вернется к исходному месту, рельсы успевают остыть, и образование бугорков на них продолжается. Так шарик будет кататься довольно долго, пока его температура и температура свинцовых колец рельсов практически выравняются.
Этот опыт очень наглядно иллюстрирует принцип Карно. Есть разность температур — есть движение; нет разности температур — движения нет (а внутренней энергии и в шарике, и в плите с рельсами — хоть отбавляй, почти столько же, сколько было и перед началом движения; она только распределилась равномерно).
«Утка Хоттабыча», внешний вид и разрез которой показаны на рис. 5.14, не нуждается в предварительном нагреве, она и не останавливается так быстро, как шарик (а может и вообще не останавливаться). Она исправно качается вокруг горизонтальной оси, каждый раз опуская клюв в воду, чтобы напиться, и снова поднимая голову вверх. Эти движения все время повторяются без всякой видимой причины и продолжаются, пока в стаканчике есть вода. Никакой разности температур между этой водой и окружающим воздухом, которую можно было бы использовать для движения, тут нет: их температуры одинаковы. Причина движения утки становится ясной, если познакомиться с ее устройством. «Голова» утки представляет собой сосуд, соединенной прямой трубкой с «туловищем» — другим большим сосудом, в который эта трубка входит так, что достает почти до его дна. Внутренняя полость заполнена легкокипящей жидкостью — диэтиловым эфиром (Н5С2-О-С2Н5) так, чтобы при горизонтальном положении ее уровень был примерно на середине трубки. Чтобы пустить утку в ход, нужно окунуть ее клюв в воду. Тогда вата, закрепленная на головке, увлажняется и вследствие испарения воды головка несколько охлаждается. Это приводит к некоторому понижению давления пара внутри утки и понижению температуры эфира. В этом горизонтальном положении утки паровые пространства головки и туловища сообщаются через трубку и давление в них становится одинаковым. Поскольку количество жидкости в туловище немного больше, оно перевешивает, головка поднимается и утка принимает наклонное положение, показанное на рисунке штриховыми линиями. Жидкость перекрывает сообщение между паровыми пространствами головки и туловища. Жидкость в туловище подогревается до температуры окружающей среды, частично испаряется и образовавшийся пар выталкивает большую часть жидкости через трубку в головку, которая перевешивает, и утка снова опускает клюв в воду. Обе полости снова сообщаются, давление выравнивается, и жидкость опять стекает в туловище. Процесс повторяется и может продолжаться до тех пор, пока в стаканчике, откуда утка пьет, будет вода.
