Карно

Чтобы отчетливо понять настоящее, полезно сделать временной (исторический) разбег. Сейчас стоило бы поговорить о том, отчего тепловые машины столь несовершенны. Что это? Недоделки, недоработки инженеров? Или, напротив, фундаментальный принцип, перешагнуть который нельзя?

И тут нам трудно обойти молчанием, не помянуть имени Карно.

Карно (1796 - 1832), французский физик, сын Л. Карно (крупного государственного и военного деятеля эпохи французской революции и времен Наполеона I). Шестнадцати лет Карно поступил в Политехническую школу, окончил ее через два года и получил назначение в инженерные войска. С большим рвением занимался он делами, далекими от военного: математикой, физикой, химией, биологией, политэкономией, музыкой. Видимо, поэтому в 1828 году Карно оставил военную службу. За всю свою жизнь он опубликовал лишь одно, но гениальное произведение: "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". 1824 год. Это был, по существу, пролог новой важной науки - термодинамики (хотя Карно ошибочно рассматривал теплоту как некоторую невесомую жидкость - теплород). Можно только гадать, как много мог дать науке гений Карно, ибо он скончался в возрасте 36 лет во время эпидемии холеры.

Паровую машину, прабабушку всех ТЭС и ГРЭС, изобрел, как известно, англичанин Д. Уатт. В 1769 году он получил английский патент № 013, где уже были изложены почти все его основные идеи.

Первые паровые машины были крайне несовершенны. Во времена Карно их коэффициент полезного действия - та часть энергии, выделяющейся при сжигании топлива, которая реально могла пойти в дело, на совершение полезной работы, - составлял лишь от 5 до 7 процентов. Это значило, что от 93 до 95 процентов энергии тратилось впустую. Отчего так мал КПД тепловой машины? Можно ли его повысить? Где лежат пределы максимальной производительности железных помощников человека?

Все эти вопросы волновали военного инженера, сотрудника генерального штаба Франции Никола Леонарда Сади Карно. И он в своей книге дал на них точный и однозначный ответ.

Суть единственной работы Карно его потомки ухитрились ужать, уложить в одну-единственную формулу. Вот она:

где η - максимальный коэффициент полезного действия (теоретический, идеальный, выше этой величины уже невозможно подняться!) паровой (тепловой) машины, а T₁ и T₂ - максимальная и минимальная температуры тепловой машины: температура самой горячей ее точки (пар, нагретый газ) и самой холодной - соответственно на входе в машину и на выходе из нее.

Карно, несомненно, был одним из первых физиков-теоретиков. Он ставил вопрос в самой общей форме: "О получении движения из тепла". При анализе работы паровой машины он не учитывал никаких специфических свойств рабочего тела (пара) и самой паровой машины. Поэтому и выводы его универсальны: их можно распространить на любой тип тепловой машины - дизельного двигателя, турбины...

Любой агрегат, где тепловая энергия превращается в механическую (к примеру, в движение поршня при расширении нагретых газов), должен подчиняться ограничениям Карно.

А теперь поиграем с цифрами. Взглянем на формулу Карно. В ней температуры T₁ и T₂ должны быть взяты в градусах Кельвина. (Напомним, что температура таяния льда - ноль градусов по Цельсию - есть плюс 273 градуса по Кельвину, а абсолютный ноль по Кельвину есть минус 273 градуса по Цельсию.)

Итак, глядя на формулу, мы видим, что все тепло удалось бы превратить в работу, если бы можно было получать на выходе из машины продукты, охлажденные до абсолютного нуля, то есть иметь T₂=0.

Увы, это невозможно. Минимум температуры задается окружающей нас средой: это, скажем, 20 градусов по Цельсию, или 293 по Кельвину. Вот и получается железный вывод: принципиально нельзя построить тепловую машину, в которой все тепло превращалось бы в работу.

Что же остается? Остается ради увеличения КПД в формуле Карно по возможности поднимать температуру T₁. Ведь при ее неограниченном увеличении, очевидно, КПД машин будет стремиться к 100 процентам! Но и тут нас ждет разочарование.

В современных паротурбинных (на смену паровым машинам Уатта лет через сто пришли более совершенные турбины) блоках тепловых и атомных электростанций температура водяного пара не превышает 600 градусов Цельсия. Или 873 градуса Кельвина. И получается, что идеальный КПД для этих установок есть

Но 60 процентов - это оценка сверху! Реальные цифры оказываются значительно меньше. Их можно получить не по Карно, а из цикла Ренкина.

Куда теряется 60 - 70 процентов первоначально извлеченных (скрытых в топливе) запасов энергии? О, тут масса лазеек! Трудно добиться полного сгорания топлива, достичь полного охлаждения горячих газов. Часть энергии уходит на трение и необратимый переход тепла. И так далее.

Вот и результат: для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный КПД не превышает 30 процентов, а для более совершенных устройств - паровых и газовых турбин - 40 процентов.

Следует еще раз подчеркнуть, что цифра эта вряд ли изменится в будущем. За два века изобретатели и инженеры "выжали" из тепловых машин все! И их КПД достиг предела.

Вот почему с таким энтузиазмом были, например, приняты работы по созданию МГД-генераторов. Ведь в них поток горячей плазмы нагрет до 2500 - 3000 градусов Цельсия. Температура T₁ в формуле Карно резко возрастает!

Но опять неувязка! Одновременно в этих устройствах растет и температура T₂: плазма на выходе из магнитогидродинамического генератора все еще остается очень горячей (те же тысячи градусов). Поэтому МГД-генераторы могут эффективно работать лишь в сочетании с обычной паротурбинной установкой.

И суммарный выигрыш в КПД оказывается не таким уж великим. Удается достичь лишь цифры в 50 процентов. (Со временем исследователи, работающие над усовершенствованием МГД-установок, надеются получить показатели повыше: 60 процентов.)

Однако будем справедливы: и этот вроде бы небольшой привесок в 10 процентов (от 40 до 50) в масштабе, скажем, такой страны, как наша, дает колоссальный прирост энергии. Если бы все ГРЭС СССР удалось перевести на МГД-метод, то был бы достигнут громадный экономический эффект.