Привет, поговорим об энергетике. Начнем с вечных двигателей.
Есть понятие "вечный двигатель I рода", это который нарушает закон сохранения энергии, также известный как первое начало термодинамики. Такой двигатель производит энергию в любой форме из ничего. Ex nihilo, если хотите сделать вид, что владеете латынью.
Не бывает. И вроде как уже все знают, что не бывает. И ста лет не прошло, [худое слово], еще в книгах Перельмана подробно описаны горе-изобретатели.
Здесь всё ясно, проясню только один нюанс. В ОТО нет глобальных законов сохранения, но это не значит, что можно сделать вечный двигатель! Во-первых, локальный закон есть, просто его нельзя проинтегрировать по всему пространству в общем случае. Это примерно как посчитать сколько на планете денег. В пределах предприятия все просто: деньги на счетах, и есть имущество, амортизация, поступления, расходы... этим бухгалтеры и занимаются. И там сохранение есть: сколько убыло денег с наших счетов, столько прибыло на счетах корреспондентов ну или столько прибыло на зарплатные счета работников. А вот по всей планете это сложно: курсы валют меняются, причем зависят от самих объемов покупки и продажи. Вроде как везде сохранение есть, а в целом-то и не скажешь точно, сколько на планете денег. Но в любом случае, деньги из ниоткуда не возьмутся (если не печатать их, конечно — такого мы не рассматриваем).
И в ОТО есть теорема, исключающая вечный двигатель. То есть это строго доказано.
Отсутствие законов сохранения означает не то, что энергия не сохраняется, а то, что в общем случае нет такой величины, как "суммарная энергия по всему пространству в один момент времени".
Вечный двигатель II рода нарушает второе начало термодинамики: закон неубывания энтропии. Тоже не бывает, но тут всё куда тоньше. Энергия сохраняется, то есть она никуда не девается. Но вот перевести ее в удобную форму, то есть "выкачать", может быть сложно. А то и невозможно. А именно, можно перевести энергию из одной формы в другую только с повышением энтропии. В идеальном случае — без изменения энтропии. Сжечь водород в кислороде — прекрасно, энергии выделится много. Она никуда не делась, ее можно получить обратно в виде того же топлива, разложив воду на водород и кислород. Но придется потратить энергию. В идеале ровно столько, сколько получили при сжигании. В реальности — больше.
Интересно, что Жюль Верн в своем романе "Пять недель на воздушном шаре" описал механизм управления вертикальным движением воздушного шара с ошибкой: там была водородная горелка, а водород получался разложением воды с помощью электрического тока из батареи. Во-первых, электричеством можно было и нагревать газ, не платя налог энтропии, а во-вторых, батарейка сядет — и привет, никакой неограниченности (о которой говорит герой) нет в принципе.
Расщепить уран — тоже прекрасно. Жечь углеводороды, древесину, кизяки — как вариант. Но энтропия должна возрастать!
Фактически в любом озере вода обладает огромной энергией. Но ее не выкачать оттуда, если только не слить озеро в подземную полость. Слить можно; но один раз.
Или вот карбонаты. Их много, в них много углерода. Но это высокоэнтропийный углерод. Чтобы его жечь, надо сначала его высвободить, а это дорого с точки зрения энергии. Формально мы понизим энтропию углерода, но при этом повысим энтропию в другом месте.
Так-то можно взять сосуд с газом и ждать, пока статистически энергия движения молекул (температура) в одной половине станет больше, чем в другой. Как только, так можно извлечь немного энергии. Формально нарушив Второй закон. Да, но вероятные флуктуации малы, и мощность будет чрезвычайно низкой. А большие флуктуации чрезвычайно маловероятны, то есть мощность опять-таки в среднем будет очень низкой. Можно сказать, что вечный двигатель второго рода возможен, но очень маломощный. Его мощность мы оценим в другой раз.
Итак, если вам предлагают двигатель, то вы должны проверить три пункта:
- Откуда берется энергия? Должен быть источник, в котором энергии становится меньше. Пусть ее надолго хватит, но всё-таки баланс должен соблюдаться: сколько мы взяли, столько нам отдали. Возможно, энергия и так уходит, и ее надо только поймать: таково наше Солнце. Или энергия приливов. Возможно, запасы пополняются за счет другого процесса. В частности, если поле потенциально, то там есть потенциальная энергия чего-то, которая должна уменьшаться.
- Возрастает ли энтропия? Если нет, говорить не о чем. В частности, всякие схемы с всплыванием поплавков: как бы вам не дурили мозг, эта машина, совершив цикл, приходит в прежнее состояние, с той же энтропией (как бы вы ее не определяли). Энтропия не убывает — привет. Я даже смотреть не буду.
- Может ли вообще производиться работа? Это вопрос ко всяким магнитным и кориолисовым генераторам. Магнитное поле, как и силы Кориолиса, действуют под прямым углом к скорости частиц. Вектор скорости они изменяют (по направлению), а величину, а с ней и энергию — нет. Встроить в колесо машины контур, чтобы в нем магнитное поле Земли создало ток — схема рабочая. Ток будет слабым, но будет. Только вот энергия его ворована у вашей машины... В общем-то, в машине стоит генератор, успешно вырабатывающий ток. Используя энергию движения, а в конечном счете — энергию бензина.
Все источники энергии классифицируются в несколько групп.
- Солнечная энергия во всех формах. В том числе, запасенная в форме низкоэнтропийной органики: нефть, газ, древесина, кизяки, солома. В том числе, энергия ветра, течений (кроме приливных), непосредственно энергия излучения. Можно разделить на три подкласса: биогенное топливо, ископаемое и возобновляемое; прямое излучение; движение водных и воздушных масс и разница температур в разных местах.
- Потенциальная энергия различных тел в тех случаях, когда она может быть сконвертирована в другую форму. Приливы, например: мы используем заброшенную на орбиту Луну. Энергия самой Луны и энергия вращения Земли тратятся на движение приливных масс воды, и эту энергию можно использовать. Сюда же относится и гидроэнергетика, но ее возобновляемость связана с Солнцем: именно его энергия тратится на перенос воды обратно наверх, то есть в низкоэнтропийную форму. Можно просто камни в пропасть кидать на веревке, которая крутит вал. Пока камни не кончатся или пропасть не заполнится, это будет работать. Принципиально по невозобновляемости от сжигания газа не отличается. Можно, в принципе, веревку к Луне привязать и пусть таскает вагонетку. Пока не свалится с орбиты.
- Атомная энергия, позволяющая использовать распад тяжелых ядер. Платит за банкет тот, кто насинтезировал тяжелые и вообще радиоактивные элементы. Спасибо звездным процессам и столкновениям нейтронных звезд. И хорошо, что этих элементов довольно много на нашей планете. И ОЧЕНЬ хорошо, что в России лучшая в мире атомная энергетика и лучшее ядерное оружие, без которого за нашу низкую энтропию мы бы уже давно из окопов отстреливались.
- Термоядерная энергия, использующая слияние легких ядер. По сути, Солнце есть термоядерный реактор. Будет ли рукотворный реактор — не знаю. Думаю, что да. Не думаю, что скоро. Там все оказалось очень непросто. Зато топливо возобновляемо: тритий синтезируется в атмосфере под действием солнечного излучения.
- Геотермальная энергия: запасы тепла из детства планеты. Ну, не только из детства, нагреву способствуют приливные деформации и радиоактивный распад. Разница между глубинами и поверхностью есть, и потенциально ее можно использовать. Сюда же отнесем и рельеф, позволяющий, например, извлекать энергию, сбрасывая камни с горы. Сюда же отнесем и земной магнетизм, хотя в возможности использовать его как источник энергии я сомневаюсь: см. выше.
- Космические источники энергии: в космосе может найтись и горючее топливо (окислитель еще надо, впрочем), и атомное, и термоядерное. Объекты обладают потенциальной энергией (гравитационный маневр мы как-нибудь обсудим), можно вытянуть энергию из вращающихся черных дыр и всё в таком роде. До практического применения еще далеко.
С точки зрения релятивиста, вся энергетика основана на формуле E=mc². Потому что любой выход энергии связан с уменьшением массы, пусть оно и совсем маленькое. Масса выхлопных газов немного меньше, чем масса воздушно-бензиновой смеси; масса ядерных отходов чуть меньше массы ядерного топлива; да масса горячей воды больше, чем масса холодной, а та меньше, чем масса водорода и кислорода. Но обычно эта разница мала и ее трудно измерить. Вот в ядерных и термоядерных реакциях дефект масс более заметен, а при аннигиляции частиц и соответствующих античастиц большая часть массы (а то и вся в идеальном случае) переходит в излучение. Чем заметнее дефект масс, тем эффективнее энергетика.
Тоже вариант теста: если "бестопливный генератор", "сверхъединичник" или "эфирный движитель" (sic!) не обладает дефектом масс, то можете обидно поиздеваться над предлагающим вам в него инвестировать.
