Вставная глава о термодинамике
Вставная глава о термодинамике
Известно, что машина Карно – самая эффективная среди всех возможных типов тепловых машин. Ее можно представить в виде цилиндра с поршнем без всяких клапанов, так что во всех циклах многократно используется одно и то же рабочее вещество. У нас должны быть еще два резервуара, в одном из которых для поддержания постоянной температуры Т1 используется энергия, источником которой может быть бензин, мазут, уголь. Температура Т2 второго резервуара поддерживается за счет постоянства температуры внешней среды. Например, машину Карно можно установить на берегу озера, которое будет служить холодным резервуаром с температурой около 290К, а в качестве горячего резервуара можно использовать кипящую воду. Предположим, что вокруг наполненного газом цилиндра поочередно циркулирует вода, то из горячего, то из холодного резервуара. При этом поршень будет совершать поступательные движения. Есть такой параметр: КПД (коэффициент полезного действия), определяющий, какую часть тепловой энергии, взятую из горячего резервуара, можно перевести в механическую.
Для цикла Карно КПД = (Т1 – Т2)/Т1. Так, если резервуарами машины Карно являются кипящая и замерзающая вода, то КПД = (373 К – 273 К)/373 К = 0,27.
Почти все тепловые электростанции в качестве источника высокой температуры используют кипящую воду. Поэтому их КПД (как было показано выше) не должен превышать 27%. Однако, если воду нагревать под давлением, то она будет закипать при значительно более высокой температуре. На тепловых электростанциях, работающих на минеральном топливе, используется перегретый пар под давлением с температурой порядка 500 К и выше. При этом добиваются КПД 40%. Атомные электростанции, которые используют ядерное топливо, из соображений безопасности работают при более низких давлениях и температурах, поэтому их КПД обычно ~ 30%.
Это значит, что большая часть получаемой из топлива энергии возвращается низкотемпературному резервуару в форме тепла. Эта энергия, в конечном итоге, полностью рассеивается и приводит к нагреву окружающей среды вблизи электростанции, т. е. прилегающих водоемов или атмосферы (если используются градирни). Такой нагрев окружающей среды – нежелательное явление и с ним борются. А ведь нам в наши холода это тепло могло бы пригодится.
Пойдем дальше. У нас стоят в домах электроплиты и широко продают электрообогреватели. А ведь в рамках того, что мы рассмотрели выше – это расточительство. Действительно, если топливо использовать непосредственно для обогрева здания, то можно достичь КПД почти 100%, в то время как КПД электростанции, вырабатывающей электрическую энергию для обогрева, составляет лишь около 30%. Поэтому при электрообогреве то же самое количество топлива, в конечном итоге, дает лишь одну треть тепла. Вспомните, что мы делаем, когда коммунальщики, экономя якобы мазут, не дают нам тепла осенью и весной? Эта экономия оборачивается перерасходом на ТЭЦ. Ведь мы «добираем» тепло с помощью электричества. И при этом очень неэкономно.
Пойдем дальше. Знаете ли вы, что холодильник выделяет больше тепла, чем берет электричества из сети? На самом деле, это очевидно. Ведь холодильник – своего рода тепловой насос, забирающий тепло от продуктов и передающий его наружу.
Все процессы расширения и сжатия в цикле Карно обратимы, а потому машину Карно можно заставить работать в обратном направлении. Поскольку все этапы обратимы, то можно ввести коэффициент преобразования холодильника и он будет равен отношению Т2/(Т1 – Т2). Он определяет отношение тепла, отобранного от холодного образца, к затраченной на это механической работе. И, как мы уже говорили, он обычно больше единицы.
Для обычного холодильника температура Т2 резервуара холода (испаритель) порядка 260 К (– 13 С). Горячим резервуаром служит комнатный воздух, температура которого в окрестности теплообменника Т1 310 К. При этом коэффициент преобразования холодильника равен 260/(310—260) = 5,2
Таким образом, мы видим, что на каждый джоуль электроэнергии, затраченной на работу компрессора, приходится 5.2 Дж тепла, отнятого от холодильной камеры, при условии, что используется эффективный цикл Карно.
Тепловой насос – это просто другое название холодильника, который, как мы убедились, представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, можно обогревать его.
В действительности эффективность бытовых тепловых насосов не достигает и половины теоретического значения. Но в Америке бытовые приборы этого типа уже давно существуют.
В США и Канаде обычно для обогрева здания используется нефть или уголь, которые сжигаются на месте (преобразуя около 70% химической энергии в полезное тепло) или на электростанции (с преобразованием около 30% химической энергии в тепло, идущее на обогрев здания). В этом отношении КПД домашней котельной более чем вдвое превышает КПД электрической системы обогрева. Однако, с помощью теплового насоса можно значительно более эффективно обогревать здание, используя химическую энергию. Поскольку температуры горения нефти и угля довольно высоки, около 85% химической энергии топлива могут быть преобразованы в механическую. Эту механическую энергию можно затем использовать в идеальном тепловом насосе, подающем тепло в обогреваемое здание.
Вообще-то удивительно бездарное отношение к использованию энергоносителей в нашей стране понятно. Ведь чем определяется себестоимость того или иного продукта? В конечном итоге затратами на рабочую силу, задействованную на всех этапах его производства. А какие же у нас были эти затраты, если вскоре после внедрения в быт и производство электричества в основном стал использоваться труд заключенных? Барак, паек, стандартная одежда, примитивный инструмент. Кстати, одежду для зэков и инструменты для них делали другие зэки. Мало кто знает, что знаменитый строитель каналов и плотин, академик и директор института «Гидропроект», впоследствии носившего его имя, С.Я. Жук был комиссаром НКВД. Сотрудниками НКВД были и многие его ученики и соратники по водному строительству с широким использованием, скажем прямо, рабского труда. Так было и в освоении нефтяных и газовых месторождений, добычи урана, прокладки трубопроводов и многого другого. Вот оттуда и идет эта расточительность. Сегодня заключенные не только не источник дополнительного дохода, но и себя прокормить не могут, но кое-что от того времени, как видим, осталось.
То, что себестоимость тех наших продуктов, которые целиком делаются внутри страны, зависит от стоимости рабочей силы, может значить, например, что себестоимость энергии у нас должна быть ниже, чем в Японии, Канаде, части Европы и США, так как цена рабочей силы у нас (при всех индивидуальных издержках, но за вычетом общественных фондов потребления, формируемых за счет налогов с предприятий и рентных платежей) всё же ниже, чем у них. А энергию обычно производят внутри страны. Вложений же в основные фонды в последние десять лет никто практически не делал.
В советское время большая часть экономики работала на ВПК. А на товары народного потребления шло 10—20% процентов ее мощности. И этого, в общем-то, хватало для более-менее сносного удовлетворения потребностей всего населения.
Казалось бы, заберем еще процентов 20% из мощностей ВПК – и заживем лучше, чем на Западе. Такое развитие событий нам и обещали в начале перестройки. Но пока пытались разработать новую технику для легкой промышленности, всю промышленность успешно развалили. То есть не только новых мощностей не появилось, а и то, что было, разрушили.
Поэтому некоторые читатели считают, что если бы сделали так, как планировали, то все было бы хорошо. А вы – о значении климата?.. Правда, при внимательном чтении это возражение читатели смогут легко себе разъяснить.
Но в книге А.П. Паршева есть и на самом деле слабые места. К их обсуждению мы и приступим.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.