Когда физики в цене

Фактически кондиционер при этом играет роль электроплитки, но он нагревает комнату быстрее, чем электроплитка равной мощности. Температура поднимается со скоростью полтора градуса в секунду. Для получения такого результата от электрической плитки понадобились бы полтора киловатта, а в нашем опыте электрический счетчик показывает, что кондиционер потребляет свою обычную норму — киловатт!

Мы встретились с удивительной ситуацией, противоречащей нашему первому опыту с электроплиткой: на каждый затраченный киловатт в комнату ежесекундно вносится не двести сорок калорий тепла, а триста шестьдесят. Но ничего противоречащего законам природы здесь нет. Чуда не происходит. Просто в отличие от электроплитки, которая обогревает комнату только за счет потребляемой из сети электроэнергии, кондиционер дополнительно перекачивает тепловую энергию с улицы, отбирая ее у внешнего воздуха. Итак, прокомментировали бы этот опыт теплотехники из Бабьегородского переулка, мы научились на каждый затраченный киловатт электроэнергии получать не 240, а 360 калорий тепла. Выигрыш — полтора к одному, кпд —150 процентов. Теперь сделаем следующий шаг. Превратим даровое тепло в электроэнергию. Что для этого нужно сделать? Для этого достаточно применить тепловую машину, которая будет ежесекундно преобразовывать триста шестьдесят калорий, полученных от кондиционера, в электроэнергию. Тогда исходя из полученного выигрыша 1:1,5, затрачивая ежесекундно один киловатт, мы будем получать полтора киловатта.

Итак, мы богачи. Расходуя один киловатт на поддержание работы кондиционера, мы сможем использовать лишнюю половину киловатта на другие нужды. Теперь дело за инженерами. Пусть они создадут огромный кондиционер мощностью в миллион киловатт и тепловую машину в полтора миллиона киловатт, соединят их между собой и — все разговоры об энергетическом кризисе канут в вечность…

— Где же просчет? — спросит читатель. — Все так логично, достоверно, заманчиво! В чем же порок идеи?

Вспомним Сади Карно с его беспощадным выводом о невозможности полного преобразования тепла в другие виды энергии. Кинетическая энергия летящей пули полностью обращается в другой вид энергии. Энергию пружины можно до конца затратить на поднятие груза. Каждая из этих форм энергий может быть утилизирована полностью.

Полностью, конечно, только в идеальном случае при отсутствии трения. В действительности трение, электрическое сопротивление проводов или другие подобные процессы приведут к потере части энергии. Потери можно почти всегда уменьшить, преобразовывая один вид энергии в другой почти полностью, и это справедливо для всех форм энергии. Только не для тепловой.

На какие бы ухищрения ни пошли конструкторы тепловых машин, они все равно не смогли бы полностью обратить тепло в работу. Лишь определенная доля тепла может быть превращена в механическую работу, в электрическую энергию — такова специфичность, особенность тепловой энергии. Порок системы, предназначенной для превращения «дарового» тепла в электроэнергию, состоит именно в том, что партнером кондиционера должна быть тепловая машина, вращающая электрогенератор. Экономия топлива при помощи обращенного кондиционера не сможет скомпенсировать потери энергии в самой лучшей тепловой машине. Работая в паре, они всегда будут работать в убыток.

Этот неутешительный вывод справедлив и в случае, если мы попытаемся отказаться от комбинации тепловой машины с электрогенератором и заменим ее лучшим из современных полупроводниковых термоэлектрических генераторов, превращающим тепловую энергию в электрическую, минуя механическое движение. Такой термоэлектрический генератор тоже подчиняется принципу Карно и преобразует в электроэнергию тем меньшую долю тепла, чем меньше разность температур между двумя различными полупроводниками, которые как раз и образуют полупроводниковый термогенератор.

При обсуждении наших мысленных экспериментов следует учесть и то, что невозможно добиться увеличения кпд тепловой машины, заставляя кондиционер обеспечивать больший перепад температур. Чем больше требуемая разность температур, тем ниже тепловая эффективность кондиционера. Не поможет и включение холодильных машин последовательно, одна за другой.

Автор просит читателей не пытаться проверять верность сказанного выше при помощи чисел, приведенных при описании наших мысленных экспериментов. Они выбраны лишь из соображений простоты (конечно, тепловой коэффициент 0,24 калории на джоуль соответствует действительности). Нужно учесть, что в этих мысленных экспериментах мы для простоты рассматривали только начальный период после включения холодильника или кондиционера, когда созданная ими разность температур мала и можно не учитывать обратного потока тепла через стенки холодильника или стены здания. Эти потоки ограничивают достижимую разность температур, что при учете формулы Карно еще более увеличивает потери в системе кондиционер — тепловая машина.