В Москве 26 ноября будет представлена книга "Хочу все знать. Старые и новые новости науки. 1957-2014". Петербургское издание "Детгиз" вместе с компанией "РусГидро" решили возродить давно забытый жанр, собрав в одном сборнике статьи классиков жанра научно-художественной литературы. В книгу вошли статьи, написанные за 40 лет, с добавлением комментариев современных авторов и совершенно новых очерков о новостях науки. Статьи раздели по тематическим разделам: "Вне Земли", "Земля", "Жизнь", "Человек" и "Вторая природа". С разрешения издания "Детгиз" мы публикуем одну из статей нового сборника, написанную в 1965 году.
Умеем ли мы расходовать топливо? Все вы, наверное, хорошо помните сказку о том, как лисица, пригласив в гости журавля, угостила его кашей, размазанной по тарелке. И хоть очень хотелось бедному журавлю поесть лисицыной каши, да в клюв попала лишь малая толика. Приблизительно то же происходит и на тепловых электростанциях: из энергии, заключенной в топливе, в электрическую превращается лишь меньшая часть, а остальная – большая – теряется бесполезно. Доля полученной электрической энергии от всего количества энергии, заключенной в топливе, называется коэффициентом полезного действия (сокращенно КПД). Эта доля у современных тепловых электростанций оставляет около 40%. Следовательно, 60% энергии топлива буквально вылетает в дымовую трубу. Можно ли говорить в таком случае, что мы умеем сжигать топливо? Вот уж действительно журавлиный клюв, а не электростанция. А хорошо бы иметь такое устройство, в котором вся энергия топлива превращалась бы в электрическую без потерь, полностью. Иначе говоря, нужно научиться превращать химическую энергию топлива в электрическую с КПД, равным не 40 %, как на современных электростанциях, а 100 %. У врачей существует правило: прежде чем лечить болезнь, надо узнать, что это за болезнь, надо поставить диагноз. Чтобы научиться превращать энергию топлива в электрическую со стопроцентным КПД, необходимо знать, почему столь низок коэффициент полезного действия современных тепловых электростанций. А для этого надо поближе познакомиться с особыми свойствами тепловой энергии.
Тепло – хищник! Да, мы не оговорились, тепловая энергия действительно является своего рода хищником. Она буквально на каждом шагу подстерегает другие виды энергии, отрывает от них куски и в конце концов пожирает их полностью. Вот, например, что происходит, когда электрический ток по проводам идет к токарному станку. Часть энергии теряется уже по дороге, ведь провода нагреваются. Значит, они поглощают часть электричества. Часть энергии уходит на трение, когда вал электромотора вращается в подшипниках (он тоже нагревается!). И только оставшееся электричество превращается в механическую энергию, приводя в действие электромотор. Потом она тоже превращается в тепло! И так вся энергия, вырабатываемая за Земле, какие бы изменения она не претерпевала, как бы ни переходила из одного вида в другой, в конечном счете полностью и без остатка превращается в тепло. Как видите, это действительно хищник, поглощающий все остальные виды энергии. Само же тепло в другие виды энергии не превращается. Это можно сравнить с тем, что происходит в горах. Любые предметы, большие и маленькие, тяжелые и легкие, если их не удерживать, быстро скатываются по склону вниз. Иное дело – поднимать их на гору. Для того чтобы поднять тяжелые предметы, нужны специальные подъемные машины, а для машин надо проложить дорогу, словом, это связано с огромными сложностями и трудностями. И то же происходит с энергией. Если механическая энергия без всяких приспособлений только от трения может полностью превратиться в тепловую энергию, то для обратного превращения требуются специальные машины – тепловые двигатели!
Как работает тепло? Итак, чтобы понять, как тепловая энергия превращается в механическую, то есть как работает тепло, надо разобраться в устройстве двигателя. Как вы помните, работой является энергия, которая затрачена на перемещение какого-нибудь предмета с одного места на другое. Если нет перемещения, нет и работы. И пусть, например, весь ваш класс будет давить руками на стену в течение четырех уроков, мы все равно не получим работы, хотя, может быть, все изрядно устанут! Значит, чтобы совершить работу, нужно переместить какой-нибудь предмет, например, поршень в цилиндре паровой машин или лопатки паровой турбины. И поршень, и лопатки будут двигаться, если на них давит пар или газ. Следовательно, для работы в тепловом двигателе в первую очередь должны быть пар или газ, которые принято называть "рабочим телом".
Чтобы газ начал давить на поршень, его нужно предварительно сжать. На это, конечно, придется затратить некоторую работу. Но она всегда будет больше той, которую мы получим при движении поршня под действием сжатого газа. Значит, для работы теплового двигателя недостаточно только сжать его рабочее тело. Это рабочее тело надо предварительно еще нагреть. До какой температуры? Да чем выше, тем лучше! Чем выше температура рабочего тела, тем большую работу можно получить от теплового двигателя, тем больше будет его КПД! На современных тепловых электростанциях рабочим телом является обыкновенный водяной пар. Холодная вода насосами подается в паровой котел, в топке которого горит топливо. Вода в котле нагревается и испаряется. Пар стремится занять больший объем. При одинаковом давлении он занимает в 1800 раз больший объем, чем вода. И поэтому увеличивается его давление. Затем нагретый и сжатый пар поступает к лопаткам паровой турбины, давит на них и заставляет вращаться вал турбины. В свою очередь, турбина вращает вал электрогенератора, который вырабатывает электрический ток. Видите, все разумно, логично. Так почему же низок коэффициент полезного действия такой электростанции? Чтобы стал более понятным ответ, давайте вспомним наш пример с горой и камнем. Если мы столкнем камень с горы по склону, который быстро переходит в плоскогорье, то камень не сможет развить большой скорости и довольно быстро остановится. У него останется еще большой запас неизрасходованной энергии. Неизрасходованной остается и та часть тепловой энергии, которой обладает пар после расширения в турбине. Температура у него еще высокая, а давление уже низкое, поэтому расширяться дальше он не может. Хорошо, скажете вы, пусть не расширяется. Но если после расширения пар обладает еще высокой температурой, то надо немного тепла в котле, чтобы его нагреть. Может быть, таким путем можно повысить КПД тепловой электростанции? К сожалению, нет. Потому что в этом случае мы получим в котле только нагретый, а не сжатый пар. А такой пар не может давить на лопатки турбины, и наш тепловой двигатель работать не будет. Для сжатия пара в котле в него обязательно нужно подавать не пар, а воду. Эту воду обычно получают из отработавшего в турбине пара. В специальных холодильниках его охлаждают холодной речной водой, и он конденсируется, снова превращаясь в воду. И при этом часть тепловой энергии пара, которая осталась неизрасходованной, уносится речной водой. Надо сказать, что вообще ни в каком тепловом двигателе невозможно полностью использовать всю тепловую энергию. Часть ее (и довольно большая) остается неизрасходованной и бесполезно теряется! Следовательно, тепло всегда работает плохо, с низким коэффициентом полезного действия! Где же выход?
Итак, заколдованный круг тепловой электростанции заключается в том, что КПД ее зависит от повышения температуры пара в котле, а при очень высоких температурах и давлении котел разрушится. А нельзя ли в таком случае обойтись вовсе без котла – возникла мысль у ученых. Заменить его другим нагревательным устройством, стенки которого будут специально охлаждаться? Так и поступили. В газотурбинных установках котел заменили специальной камерой сгорания. В этих тепловых двигателях удалось увеличить температуру газа. Но все же не очень сильно. Ведь теперь высокая температура "обрушивается" на лопатки турбины. А на них еще действуют и громадные центробежные силы. При таких условиях лопатки могут оторваться и разрушить всю турбину. Опять препятствие! Получается, что обойти его можно только в одном случае: полностью отказаться вообще от движущихся деталей! А как же тогда получить работу, которая, как мы помним, может быть получена только при движении? Да не получать ее вовсе! Ведь задача электростанции – вырабатывать электрический ток, поэтому лучше превращать тепловую энергию сразу прямо в электрическую! Вот так приблизительно и шли поиски нового, более экономного способа превращения тепловой энергии в электрическую. Поиски, которые привели к созданию так называемого магнитогазодинамического генератора электрической энергии (сокращенно МГДГ). Как же работает носящая столь мудреное название установка? Ученые заметили, что нагретый до очень высокой температуры газ приобретает одно свойство, присущее металлу, – способность проводить электричество. Это свойство газа и используется в МГДГ. Раскаленный газ пропускают между двумя полюсами магнита. В это время в нем возникает электрический ток. Этот ток улавливают металлические пластины-электроды, установленные по бокам струи раскаленного газа. Улавливают и по проводам посылают на заводы и фабрики. Словом, дальше электричество используется так же, как и на обычных электростанциях. В таком устройстве совершенно нет движущихся деталей, а стенки канала, по которому течет раскаленный газ, можно охлаждать. Следовательно, в МГДГ можно значительно повысить температуру газа и увеличить КПД! На первый взгляд может показаться, что с созданием МГДГ проблема повышения экономичности электростанций решена. Но это только на первый взгляд! При движении сильно нагретого газа по каналу МГД-генератора этот газ расширяется и охлаждается. Но с уменьшением температуры исчезает и его замечательное свойство – проводить электрический ток! Газ совсем не проводит тока при температурах ниже приблизительно 2 000°, – значит, при более низких температурах он работать в МГДГ уже не может. Что же с ним делать дальше? Выбрасывать в дымовую трубу? Но если значительное количество тепловой энергии пускать буквально "на ветер", то КПД установки опять окажется небольшим. Чтобы этого не произошло, придется заставить газ после выхода из МГДГ еще работать в паротурбинной или газотурбинной установках. Правда, в них опять движущиеся детали, снова ограничения температуры газа или пара, – словом, снова все те же неприятности, о которых мы уже говорили. Однако, несмотря на это, если ученым удастся создать жаропрочные материалы и мощные магниты, то коэффициент полезного действия электростанций с МГДГ может быть увеличен на 50 %! Конечно, для теплового двигателя это много. И все-таки мало!
Но может быть… вообще можно обойтись без теплового двигателя? Превращать энергию топлива прямо сразу в электрическую? Можно ли это? Оказывается, можно. Если использовать энергию некоторых химических реакций. Сейчас уже строят опытные электрохимические генераторы, где происходит реакция между кислородом и водородом. Их КПД достигает почти 75 %. А вот когда научатся превращать в электрическую энергию пары бензина или природного газа, то КПД приблизится к 100 %! Правда, пока это еще очень маленькие опытные установки. До их применения на электростанциях, к сожалению, далеко. Но нет сомнения, что это направление в энергетике очень перспективное, и советские ученые сумеют решить и эту сложную, но очень важную задачу. И, может быть, вам, дорогие читатели, удастся принять участие в ее решении.