Главная > Разное > Машины, энергия, энтропия
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

10. ПТМ МОЖЕТ МНОГОЕ РАССКАЗАТЬ

В двадцати утверждениях, приведенных в предыдущей главе, сделана попытка сформулировать основы термодинамики. Наши представления о ней сформировались в результате тысячелетий знакомства человечества с тепловыми и механическими взаимодействиями. Ни одно из этих утверждений не вызывает чрезмерного энтузиазма. Это касается и правила тепловой машины (ПТМ):

Оно всего лишь обобщает эмпирические познания, хотя и кажется довольно внушительным. Наши Герои и Чарли имели сравнительно неплохое обыденное представление о теплоте и работе и вполне обходились без знания ПТМ. Ныокомен и Уатт основательно продвинули вперед знания о тепловой машине и сделали это задолго до того, как Карно исследовал принцип ее действия. Быть может, техника, которой мы теперь «восхищаемся», могла бы развиться и на чисто эмпирической основе, не опираясь на ПТМ. Продуктивен ли чисто эмпирический подход в технике в той же мере, что и теоретический, или же паровая машина больше дала науке, чем наука — машине? Эти вопросы остаются спорными. Но независимо от того, обусловливает ли наука развитие техники или, наоборот, обусловливается им, она тем не менее всегда помогала понять законы техники и некоторые следствия из них. В свете этого мы и рассмотрим роль ПТМ в решении задач, которые стоят сейчас перед нашей технотронной цивилизацией. Мы будем искать ответы на вопросы, которые Чарли и Герон никогда не могли бы даже поставить.

ПТМ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Электричество все шире и шире входит в нашу жизнь, облегчая и упрощая ее; соответственно растет и потребление энергии. В связи с этим возникает обоснованный интерес к тому,что говорит ПТМ по поводу КПД тепловой машины.

За тепловое загрязнение среды «Награду» он получит от жены.

Так как электростанция производит энергию в виде электричества, затрачивая при этом теплоту поступающую в форме топлива, стремление сделать отношение по возможности большим впоестественно, особенно при наличии ограничений на горючее. ПТМ можно записать в несколько измененной форме:

Отсюда ясно, почему потребители всегда стремятся поднять температуру нагревателя как можно выше и использовать холодильники, способные забирать возможно большее количество теплоты при наименьшей возможной температуре и минимальной стоимости. Сегодня некоторые естественные следствия из ПТМ начинают тревожить нас, предостерегая как от беспечного потребления удобных услуг, так и от легкости в отношении к «трате» энергии (вернее, к ее деградации). Все это заставляет нас внимательней отнестись к ПТМ.

Тепловое загрязнение. Мы довольно легко смиряемся с расходом теплоты. Между тем вся энергия падающей воды и горящего топлива в конечном итоге обязательно рассеивается в виде теплоты. В 1979 г. в США окружающая среда получила около Дж тепловой энергии. Это — довольно существенное количество. Однако оно составляет всего лишь 1/600 всей энергии, получаемой нами от Солнца. Должно пройти еще много , прежде чем выброс теплоты окажет существенное влияние на общий энергетический баланс окружающей среды. Тем не менее в некоторых районах локальная скорость рассеяния теплоты достаточно велика и создает заметный эффект.

Рис. 10.1. Электростанция отдает окружающей среде избыточную теплоту

Наибольшее заметное тепловое загрязнение создают электростанции. Экономические факторы, обусловленные действием законов современной системы «свободного предпринимательства», поощряют развитие централизованных станций все больших размеров. Но такое строительство дает и отрицательный эффект. Он состоит в том, что в результате поощрения энергетических «аппетитов» потребителей избыточная теплота становится серьезной проблемой для некоторых районов.

Почему же вся эта теплота — избыточная, или «лишняя»? ПТМ говорит, что КПД, равный представляет собой ту часть выделившейся под котлом общего количества теплоты, которая «уплывает» в виде электроэнергии. Остаток должен быть удален в имеющийся поблизости низкотемпературный резервуар (холодильник). Как правило, это озеро, река, морской залив или же другой водный бассейн (рис. 10.1).

Как видно из уравнения (2), КПД, согласно ПТМ, равен

При высоких температурах прочность металлов снижается. Поэтому существует верхний температурный предел, при котором еще могут функционировать трубы и другие ответственные детали парового котла. На сегодня максимальная рабочая температура близка к 880 К. Температуру при которой отводится теплота, разумно положить равной 300 К. Подставив эти величины в уравнение (2), мы получим КПД около 66%. Однако это — максимально возможный КПД для таких температур. Рассмотрим современную паровую электростанцию, работающую на ископаемом топливе. Если принять во внимание все потери, то реальный КПД снижается до 40%. Значит, такая электростанция рассеивает в окружающую среду около 60% всей подведенной к ней теплоты. Таким образом, она тратит на 50% больше энергии, чем производит в виде электричества.

Если речь идет об атомной электростанции (АЭС), то проблема становится еще сложнее.

Соображения безопасности наряду с ограничениями на передачу теплоты и особенностями строения реактора приводят к тому, что эффективная температура для АЭС значительно ниже, чем для электростанции, использующей в качестве источника теплоты «законсервированный солнечный свет». Несмотря на то что АЭС не имеет значительных тепловых потерь (уходящих из трубы), ее общий КПД так низок, что в охлаждающую воду рассеивается в два раза больше энергии, чем поступает в линии электропередачи в виде электричества. Более того, при выборе размеров АЭС еще важнее экономические соображения; в результате размеры АЭС растут, а это означает, что местные выбросы теплоты будут возрастать по мере вытеснения ураном ископаемого топлива как источника теплоты.

Однако в будущем предполагается развитие иных систем, которые рассчитаны на работу при более высоких температурах, а значит, и обладают большим КПД. В частности, предлагаются две системы, а именно магнитогидродинамические генераторы и газовые турбины с пламенным нагревом и охлаждаемыми лопастями. В последних рабочим телом являются сжатые газы, которые могут быть горячее, чем охлаждаемые стенки. Благодаря большему КПД электростанции, основанные на этих принципах, могут иметь соответственно меньшие тепловые потери, чем обычные. Однако пройдет еще немало времени, прежде чем какая-либо новая система поколеблет существующее в настоящее время в США преобладание пара на поприще энергоснабжения. Решение современных проблем теплового загрязнения вряд ли будет связано с повышением КПД.

Другое следствие из уравнения (2) заслуживает специального комментария. Относительное количество потерянной теплоты (по сравнению с полученной полезной энергией) прямо зависит от . Летом (или в странах с теплым климатом) при повышении величина потерь теплоты на единицу вырабатываемой энергии тоже растет. А ведь именно летом и в теплых странах кондиционирование воздуха и работа охлаждающих устройств требуют больших затрат энергии. Вдобавок и устойчивость местной окружающей среды к тепловым выбросам, вероятно, здесь ниже. Согласно нормам Национального технического контрольного комитета США по стандартам качества воды, повышение температуры воды в водоемах должно составлять не более 2,25 К осенью, зимой, и весной и не более 0,8 К летом.

Не возникает сомнений в том, что выработка энергии в развитых странах уже находится на таком уровне, при котором охлаждающие возможности многих природных водоемов могут оказаться исчерпанными. В газетах сообщается о гибели рыбы, засасываемой в каналы для охлаждения воды (иногда это происходит даже у защитных экранов работающих насосов).

Рис. 10.2. Градирня — простое средство для удаления избытка теплоты в атмосферу. Использование градирен основано на большой теплоте испарения воды.

Значительно реже, однако, мы читаем о росте температуры сточных вод, тогда как этот эффект обладает, возможно, еще более опустошительным действием. Сопровождающее рост температуры уменьшение количества растворенного в воде кислорода может отомстить нам настоящей экологической катастрофой. Эти опасности мы только начинаем осознавать. В некоторых местах уже введены ограничения на дальнейшее выделение лишней теплоты в местные замкнутые водоемы. Растет также использование градирен и искусственных прудов, в которых лишняя теплота удаляется за счет испарения воды (рис. 10.2). Для испарения 1 л воды требуется в 530 раз больше теплоты, чем для нагревания его на 1°С. Однако за этот «кредит», предоставленный нам теплотой парообразования, придется расплачиваться по самым высоким процентам, что, конечно, не может не беспокоить. Согласно оценкам, к 1990 г. только электростанции США будут ежесекундно превращать в пар около 3,8105 л жидкой воды! Последствия влияния на окружающую срсду столь большого локального повышения содержания воды в атмосфере труднопредсказуемы.

Конечно, проблему теплового загрязнения можно решить и проще. Чем строить дорогие градирни, можно с пользой применять избыток теплоты. Долговременным выходом из этой ситуации было бы использование избыточной теплоты для отопления жилых домов и предприятий. Например, в шведском городе Вёстерёсе лишнее тепло используется зимой для очистки улиц от снега и льда. По мерс роста цен на топливо становится все более привлекательным вложение средств в системы для распределения горячей воды или пара под низким давлением. Такие системы особенно необходимы в густозассленных районах и в районах с холодным климатом. В теплых краях, к сожалению, имеется досадное несоответствие спроса и предложения.

Ввиду необходимости кондиционирования воздуха и охлаждения летом здесь возникает большая энергетическая перегрузка. Запросы же на отопление летом минимальны, а это значит, что мала и возможность поглощения избытка теплоты.

Быть может, более заманчивой перспективой окажется использование избытка теплоты для повышения температуры почвы и воды. Это позволит ускорить рост некоторых нужных человеку представителей флоры и фауны. По мере обострения проблемы могут появиться и другие решения. Однако для разработки, развития и развертывания новой энергетической системы, позволяющей хотя бы частично решить проблему размещения избытка теплоты, потребуются большие затраты времени и средств. Иначе говоря, градирни скорее всего станут привычным элементом нашего ландшафта.

Почему создается затемнение. В наш век удобств, порожденных техникой, холодильник и кондиционер дают человеку комфорт, который не был доступен даже королям. Эти охлаждающие машины имеют различное устройство, однако неуклонно подчиняются ПТМ, которое в данном случае удобно записать так:

Здесь W — величина работы, требующейся для отвода теплоты из охлаждаемой области с температурой и для последующей отдачи теплоты (равной ) при внешней температуре (рис. 10.3).

Нас будет интересовать скорость, с которой в стационарном состоянии нужно отводить теплоту из охлаждаемой области для поддержания ее температуры постоянной. Если представляет собой эту скорость (которая в то же время должна быть равна скорости втекания теплоты), то

где представляет собой скорость, с которой машина должна потреблять энергию для того, чтобы отводить теплоту со скоростыо это и определяет потребность холодильника в энергии.

Рис. 10.3. В летнее время для охлаждения иногда используются механические устройства (кондиционеры). Если температура внутри поддерживается постоянной, то удаляемая теплота равна теплоте, проникающей снаружи.

Как было отмечено в гл. 5, согласно закону теплообмена Ньютона, скорость, с которой теплота течет между двумя телами, имеющими различные температуры, пропорциональна разности этих температур. Поэтому

где А — коэффициент пропорциональности, а — скорость, с которой теплота «втекает» из окружающей среды — оттуда, где температура равна внутрь — туда, где температура равна (ее поддерживают неизменной холодильник или кондиционер). Подставляя выражение для в уравнение (4), получаем

Представим себе летний день, когда температура воздуха (ТО равна 30°С (или 303 К), а температура в помещении равна 25°С (или 298 К); при этих условиях W = 25A/298. Теперь предположим, что из-за прохождения теплого фронта внешняя температура повысилась до 35°С (или 308 К). Из уравнения (6) найдем, что для поддержания температуры 25°С внутри помещения скорость потребления энергии должна составлять W = 100A/298. Короче, увеличение внешней температуры на 5°С приводит к росту затрат энергии в четыре раза! Совершенно аналогичные расчеты применимы ко всем холодильникам, морозильникам и охладителям питьевой воды.

Вернемся, однако, к электростанции. Заметим, что проблема только усугубилась. Мало того, что турбинам нужно производить больше энергии, — они уже заранее поставлены в невыгодное положение благодаря ПТМ. Для них

Если предположить, что не отстает от температуры теплого фронта, а эффективное значение близко к 880 К, то становится ясно, что скачок температуры окружающего воздуха ( в уравнениях (5) и (6), в уравнении (7)) на 5 К приведет к понижению КПД станции до 6/880, т. е. до величины всего лишь 0,7%. В действительности температура прудов и водоемов, используемых для сброса лишней теплоты, не меняется при прохождении теплого фронта столь же быстро, как температура воздуха. Однако температура всех без исключения поглощающих лишнюю теплоту резервуаров летом все же возрастает.

К тому же, по мере того как происходит насыщение охлаждающей способности природных резервуаров, все большая тепловая нагрузка будет приходиться на искусственные пруды и градирни, а их эффективная температура еще теснее связана с температурой и влажностью окружающей атмосферы. Вдобавок к этому все больший процент производства энергии приходится на долю АЭС, поэтому средняя эффективная температура будет понижаться. Следовательно, указанное изменение будет приводить к еще большему падению КПД.

Уменьшение количества удобной для потребления энергии происходит не так резко, как рост потребности в ней при прохождении теплого фронта. Тем не менее дефицит обнаруживается, конечно, в самое неподходящее время. И, как уже отмечалось, по-видимому, труднее всего использовать лишнюю теплоту летом. В общем нет ничего удивительного в том, что затемнение в целях экономии электроэнергии при жаркой погоде становится все более распространенным явлением в районах, где широко применяется кондиционирование воздуха.

Использование теплового насоса. До сих пор мы обращали внимание на трудности, связанные с ПТМ, на вызванные этими затруднениями неудобства и рост затрат. Теперь рассмотрим предполагаемые выгоды и с этой целью изучим отношение и его роль в сравнительно редко применяемом устройстве — тепловом насосе. Тепловой насос работает в точности так же, как холодильник. Отличие заключается в том, что мы сосредоточим свое внимание на теплоте выделяемой в области с более высокой температурой . При охлаждении же нас интересовала теплота отводимая из области с температурой Гг. Каждый, кто хоть раз сталкивался с потоком горячего воздуха, вырывающегося из выхлопа кондиционера, знает, что это устройство может служить и источником тепла.

Для наглядности предположим, что для отопления жилых домов и учреждений мы пользуемся электричеством. Один из способов отопления весьма прост; он показан на рис. 10.4. Эта система применяется там, где имеется дешевая электроэнергия. Она используется и там, где отопление требуется редко и низкая стоимость системы привлекает потребителей, несмотря на высокие цены на топливо. В этой системе электрический ток из сети просто совершает работу и выделяет джоулево тепло на сопротивлении резистора. Температура резистора растет, и горячий резистор нагревает окружающую среду посредством теплообмена излучением. Электроплитки, тостеры, сушилки для волос (фены), паяльники и электроодеяла — все это примеры разнообразных устройств, действующих таким образом.

В стационарном режиме температура резистора и его внутренняя энергия U остаются постоянными, поэтому, исходя из первого начала термодинамики, можно записать где W — скорость, с которой электроэнергия поступает в резистор, а Q — скорость, с которой резистор обменивается теплотой с окружающей средой.

Рис. 10.4. Получать теплоту за счет электрической энергии прямым путем — просто и удобно. Оборудование — недорогое. Оно особенно выгодно там, где энергия дешевая или где нагревателем пользуются редко.

Короче говоря, количество теплоты, выделяемое резисторным сопротивлением для отопления жилой комнаты, равно количеству рассеиваемой им энергии. На каждый киловатт-час, отсчитанный нашим электросчетчиком, мы получаем около 860 ккал теплоты. Приблизительно то же количество теплоты получилось бы при сжигании 85 г нефти.

Теперь предположим, что энергия используется для «охлаждения» внешней среды, а выделяющаяся теплота поступает в жилое помещение. Мы просто запустили тепловую машину наоборот, таким образом, что теплота забирается снаружи и поступает в дом. На рис. 10.5 показано подобное устройство. Если тепловой насос будет работать с идеальным КПД, то можно записать

где — температура в доме, а внешняя температура. В те дни, когда на улице подмораживает, внешняя температура равна 0°С, или 273 К. Внутри помещения комфортной считается температура 294 К, или 21°С. Если эти величины подставить в уравнение (9), то оказывается, что . Таким образом, используя электроэнергию для «откачивания» теплоты с улицы, мы получаем в 14 раз больше теплоты, чем при рассеивании той же мощности с помощью резистора!

При отоплении дома выигрышем в 1400% не приходится пренебрегать. Однако, несмотря на это, в силу некоторых причин тепловые насосы все еще не нашли широкого применения. Во-первых, их реальные рабочие КПД гораздо ниже идеальных значений. Во-вторых, система теплового насоса вместе с необходимыми для нее теплообменниками, компрессорами и трубами требует больших начальных вложений.

Рис. 10.5. Тепловой насос по существу представляет собой кондиционер, работающий в обратном режиме. Пытаясь охладить внешнюю среду, он согревает помещение.

Ее эксплуатация сопряжена со значительно ббльшими затратами, чем эксплуатация рсзисториого нагревателя или относительно простой горелки для сжигания нефти и газа. Кроме того, даже при нынешних высоких ценах топливная нефть стоит всего лишь около 1 цента на Дж содержащейся в ней энергии. В большинстве районов на эти же деньги можно приобрести только Дж эквивалентной электроэнергии. Поэтому люди и предпочитают платить за топливо. Ведь выигрыш от теплового насоса — всего втрое. Стоимость его покупки и установки еще более увеличит материальные потери. Подставляя различные внешние и внутренние температуры в уравнение (9), легко убедиться в том, что установка теплового насоса выгодна только в районах со сравнительно мягким климатом и при относительно низких ценах на электричество. Однако конструкции систем постоянно совершенствуются. Уже выпускаются машины, способные служить одновременно и тепловым насосом зимой, и кондиционером летом. Следовательно, можно ожидать, что они постепенно вытеснят обогреватели-кондиционеры, особенно там, где лето жаркое, а зима умеренно холодная.

Другая причина выбора в пользу теплового насоса весьма неожиданна. Рост цен на нефть и газ наряду с экологическими соображениями может сделать его более конкурентоспособным. Рассмотрим два пути использования Дж, полученных при сжигании 0,5 кг ископаемого топлива. Если топливо сжигается на центральной энергетической станции, оно дает около Дж эквивалентной электроэнергии. Считается, что в дальнейшем средний КПД станций будет составлять 45%. Задавая среднюю внутреннюю и наружную температуру мягкого зимнего дня, мы видели, что при помощи идеального теплового насоса можно в принципе получить выигрыш в 14 раз. Предположим, что КПД станции равен 50%, тогда выигрыш снизится до семикратного уровня. В этом случае, затратив Дж электроэнергии, можно согреть комнату, на которую обычно тратится 4,9 • 107 Дж энергии. Это в 3 раза больше, чем получается ( Дж) при сжигании того же количества топлива в домашней печи.

По мере роста цен на топливо такой абсолютный выигрыш непременно будет становиться все более привлекательным. Его значительно легче получить, обеспечивая чистое сгорание топлива низкого качества. Это проще осуществить в больших центральных энергетических станциях, а не в многочисленных домашних печах, рассеянных по жилым кварталам. Значит, перспектива применения теплового насоса будет улучшаться по мере того, как на допустимые потоки лишней теплоты из систем, прямо использующих сгорание топлива, будут накладываться все более суровые ограничения. В результате все выгоднее и выгоднее будет развивать централизованные системы сжигания топлива.

Мы живем в эпоху роста цен и все возрастающей зависимости от ненадежных источников ископаемого и ядерного горючего. Теперь тепловые насосы, использование отработанного тепла, улучшенная изоляция помещений и другие методы сохранения энергии наконец начинают привлекать к себе то внимание, которое они заслуживают. В конце концов техника сможет предоставить в наше распоряжение практически неограниченную энергию ядерных реакций синтеза. Но даже и тогда мы не сможем вернуться к привычному состоянию беспечного расточительства. По мере роста народонаселения и увеличения потребления энергии неизбежно будет достигнут момент, когда окружающая среда уже не сможет поглощать все возрастающее количество избыточной теплоты, оставаясь пригодной для жизни. Когда наступят такие времена, все мы сядем на энергетическую диету.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление