Электромобильная революция и закон возрастания энтропии

Электромобильный бум начнется, как только мы научимся подзаряжать их батареи от нестационарных источников. Фото Reuters

Во многом благодаря усилиям американского изобретателя и предпринимателя Илона Маска с его компанией Tesla в мире происходит электромобильная революция. Лидеры – США, Европа и Китай. В Калифорнии власти недавно объявили, что с 2035 года здесь вообще запретят продажу новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. За Калифорнией собирается последовать целый ряд американских штатов, начиная со штата Нью-Йорк, в котором соответствующий законопроект уже внесен в Сенат штата. Недавно избранный президент США Джо Байден планирует оказать этому курсу всемерную государственную поддержку.

В Европе доля электромобилей в автопродажах была в октябре существенно больше 10%: от 11,8% во Франции и 17,5% в Германии – до 79% (!) в Норвегии. В КНР, согласно прогнозу китайского Сообщества автомобильных инженеров (SAE-China), продажи автомобилей на «новой энергии» (NEV) к 2025 году вырастут до 20% продаж всех новых автомобилей, а к 2035 году – до 50%. При этом 95% продаж NEV в 2035 году составят аккумуляторные электромобили.

Тепло из воздуха

Переход к электромобилям осуществляется в рамках общего перехода человечества к зеленой энергетике. Смысл замены обычных автомобилей электромобилями – в разделении процесса потребления энергии на два этапа, связанные со стационарными и мобильными установками. Получение электроэнергии происходит в стационарных установках, которые при использовании «грязных» энергоносителей крайне трудно, если не невозможно, сделать экологически безопасными. Однако их можно расположить вдалеке от мест проживания людей, что по возможности и делается. Что же касается мобильных установок (автомобилей), предназначенных для использования преимущественно в местах проживания людей, то перевод на электроэнергию делает их экологически безопасными практически на 100%.

Другими словами, переход к электромобилям защищает биосферу только в местах проживания людей. Глобально, переходя к электромобилям, мы по-прежнему разрушаем биосферу, поскольку потребляемая ими электроэнергия добывается на стационарных электростанциях с использованием экологически грязных энергоносителей – углеводородов и ядерного топлива.

Добавим, что необходимость в регулярной зарядке электромобилей существенно осложняет жизнь как водителей, так и целых стран. Скажем, планы Джозефа Байдена по переводу США на электромобили предусматривают построение в стране за государственный счет 500 тыс. зарядных станций, а также громадные инвестиции в возобновляемые источники энергии (ВИЭ), предназначенные для питания этих станций, и строительство в тех же целях новых АЭС.

Можно ли избавить электромобили от необходимости заряжаться электроэнергией от стационарных источников?

Потребляя энергию, мы ее не уничтожаем, согласно закону сохранения энергии, но только превращаем одну ее форму в другую. В конечном счете практически вся потребляемая нами энергия рано или поздно рассеивается в виде тепла, нагревая среду. Рассеется в виде тепла и вся потребленная нашим электромобилем энергия. Тепло, которое он будет изымать из среды (из воздуха), будет возвращаться в среду. Прах к праху. Никакого противоречия закону сохранения энергии.

Когнитивный барьер

Известно, что при движении по сужающейся трубе поток воздуха ускоряется и растет его кинетическая энергия. Согласно закону сохранения энергии, этот рост не может взяться ниоткуда. Уравнение Бернулли конкретизирует это положение: рост кинетической энергии сужающегося потока происходит за счет его охлаждения.

Если на узком конце сужающейся трубы поставить турбину, вырабатывающую электроэнергию, то мы получим энергетическую установку, потребляющую вынимаемое из воздуха тепло. Именно это и предложили сделать около 20 лет назад российские авторы И. Орлов, М. Егоров и Э. Соболь.

Далее все просто. Мы помещаем соответствующим образом адаптированную установку Орлова и его коллег на крышу электромобиля навстречу движению и используем вырабатываемую ею электроэнергию для питания тягового двигателя. Мы достигли искомого: построили – на бумаге – экологически чистый электромобиль, потребляющий рассеянное в воздухе тепло и потому не требующий зарядки.

Установка Орлова достаточно давно запатентована ее авторами. Однако на пути ее продвижения стоит мощное препятствие: она противоречит закону возрастания энтропии, потому что в ходе ее работы убывает энтропия. Точнее, убывает энтропия Клаузиуса.

В самом деле, согласно определению энтропии Клаузиуса,

dS = dQ/T,

где dQ – малое приращение количества тепла в системе; dS – малое приращение ее энтропии; T – абсолютная температура. Превращение тепла в другие формы энергии сопровождается уменьшением тепловой энтропии (при отрицательном dQ отрицательно и dS). Именно это мы и имеем в случае сужающегося воздушного потока: его энтропия Клаузиуса уменьшается с охлаждением потока в ходе его ускорения.

Казалось бы, установка Орлова и на самом деле невозможна из-за ее противоречия закону возрастания энтропии. Однако все не так просто: справедливость уравнения Бернулли (в приближении идеального газа) не вызывает сомнений, поток воздуха в сужающейся трубе и на самом деле ускоряется, что может обеспечиваться только его охлаждением, означающим уменьшение энтропии Клаузиуса.

Так что дело не в уравнении Бернулли и не в установке Орлова. Сомнения связаны – страшно сказать! – с законом возрастания энтропии.

Явления любой природы

Заметим прежде всего, что энтропия Клаузиуса – это сугубо тепловая величина, она изменяется, только когда в системе происходят тепловые изменения. Это не помешало Рудольфу Клаузиусу, когда он ввел в 1865 году свою – тепловую! – энтропию, заговорить о законе ее возрастания как всеобщем законе природы. Однако тепловые взаимодействия представляют собой только малую часть всего спектра взаимодействий в реальных системах.

Осознав этот очевидный факт, последовавшие за Клаузиусом авторы, обсуждавшие закон возрастания энтропии, стали обобщать понятие энтропии на нетепловые взаимодействия. Применительно к расширенному таким образом понятию энтропии закон возрастания энтропии постепенно стал приобретать статус закона возрастания полной энтропии, охватывающего явления любой природы.

Наибольший вклад в новое понимание энтропии внесли Людвиг Больцман и Макс Планк. Принцип Больцмана (1877), отождествивший энтропию с логарифмом вероятности макросостояния системы, явным образом обобщил закон возрастания энтропии, вынеся его за пределы тепловых явлений. Эту линию продолжил Планк, настаивавший в своих текстах, начиная с докторской диссертации (1879) «О втором законе механической теории тепла», на том, что закон возрастания энтропии охватывает «все известные нам физические и химические явления».

В высшей степени странно, однако, что переход к обобщенной трактовке энтропии и закона возрастания энтропии остается в физике неотрефлексированным. Вы не встретите терминов «тепловая энтропия» и «полная энтропия» не только у Планка, но и у современных авторов. Часто просто нельзя понять, о законе возрастания какой энтропии – тепловой или полной – они говорят в той или иной конкретной ситуации. И уже совершенно невозможно понять, какой из этих двух законов они считают справедливым. Именно из-за этой каши в головах закон возрастания энтропии принято также называть вторым началом термодинамики. Между тем это два разных закона, и их следует обсуждать раздельно.

Все хорошо – он не работает

В физической литературе накопилось уже довольно много примеров полного превращения содержащегося в системе тепла в другие формы энергии. Мы кратко расскажем здесь только о двух из них, наиболее простых для изложения.

Охлаждение нашей Метагалактики. После открытия на рубеже 1920–1930‑х годов расширения Вселенной стало понятно, что наблюдаемый мир ограничен для нас горизонтом видимости радиусом около 13,8 млрд световых лет: так как никакой сигнал не может распространяться быстрее света, а расширение началось около 13,8 млрд лет назад, то информация о событиях, происходящих вне этой сферы, для нас недоступна. Другими словами, у космологии, изучающей Вселенную в целом, нулевая эмпирическая база (этим она отличается от других естественных наук).

Так что все утверждения о Вселенной – это домыслы, или, по-другому говоря, гипотезы. Странным образом это не мешает космологам уверенно говорить о расширении Вселенной, возрасте Вселенной и т.д.

Мысленно обратив космическое расширение, космологи пришли к выводу, что около 13,8 млрд лет назад Вселенная претерпела горячий Большой взрыв. Их логика понятна. Так как сегодня Вселенная расширяется, то когда-то она находилась в более плотном состоянии. Принимая во внимание, какие гигантские массы здесь задействованы, трудно не прийти к заключению, что это начальное состояние было не только чудовищно плотным, но и чудовищно горячим. Исход из него носил характер взрыва. Расширяясь из этого состояния с чудовищно высокой температурой, Вселенная постепенно остывает.

Все это очень похоже на правду. Вот только уверенно можно говорить лишь о расширении с охлаждением наблюдаемого мира (нашей Метагалактики) радиусом около 13,8 млрд световых лет. Нам, однако, этого в настоящей статье достаточно: так как общее количество тепла в нашей Метагалактике при ее расширении уменьшается, то уменьшается и ее тепловая энтропия.

Еще пример. Расширение идеального газа при постоянной температуре. Вспомним высказывание Макса Планка в его «Лекциях по термодинамике»: «Если дать идеальному газу расширяться, производя работу, и в то же время поддерживать его температуру постоянной, заимствуя тепло из резервуара тепла, находящегося при более высокой температуре, то энергия газа будет оставаться неизменной так же, как и его температура. В этом случае можно сказать, что тепло, отданное резервуаром, полностью превращается в работу без того, чтобы где бы то ни было произошло еще какое-либо превращение энергии». Как видим, Планк недвусмысленно говорит здесь о полном превращении тепла в работу (в другие формы энергии).

Этот пример в том же ключе рассматривает Энрико Ферми в своей «Термодинамике»: «Рассмотрим, например, изотермическое расширение идеального газа, который находится в тепловом контакте с источником теплоты при температуре Т. Так как энергия (идеального. – С.Х.) газа зависит только от температуры, а температура не изменяется во время процесса, то мы должны иметь изменение внутренней энергии равным нулю. Из первого закона (закона сохранения энергии. – С.Х.)… получаем затем, что L = Q, то есть работа L, совершенная при расширении газа, равна теплоте Q, которую он поглощает из источника. Имеется, таким образом, полное превращение теплоты Q в работу L». Так как с уменьшением количества тепла в системе ее энтропия Клаузиуса уменьшается, то здесь мы снова имеем уменьшение тепловой энтропии.

* * *

Закон возрастания тепловой энтропии, делаем мы вывод, совершенно определенно несостоятелен. Стало быть, электромобили на воздушной тепловой тяге, не нуждающиеся в зарядке, в принципе возможны. За ними реальное будущее. Судя по всему, аналогичный переход, то есть переход к судовым электродвигателям на водной тепловой тяге, ожидает и водный транспорт, для которого сегодня экологические проблемы не менее актуальны.