Беседа о самом необыкновенном в мире веществе

Почему не выгодна тепловая машина

Трудно представить себе нашу жизнь без электрической энергии. Электричество освещает города и села, плавит металл в электропечах, приводит в движение миллионы станков, питает радиостанции и совершает тысячи других полезных дел. Около 80% электроэнергии дают тепловые станции, где в гигантских котельных сжигают мазут, уголь, сланцы, торф, природный газ, и лишь 20% электроэнергии вырабатывают гидростанции. Усилия ученых направлены на совершенствование процесса получения электроэнергии из топлива. Процесс этот выглядит так. При химической реакции горения (окисления) топлива выделяется энергия тепловая, благодаря ей в котле расширяется пар и приводит в действие лопасти паровой турбины — возникает энергия механическая. Механическая энергия, в свою очередь, побуждает к работе электрический генератор. Так возникает целая цепочка превращения энергии:

По закону сохранения при каждом преобразовании энергии общее количество ее не изменяется, энергия не теряется безвозвратно и не возникает из ничего. Казалось бы, для практики безразлично, каким образом один вид энергии превращается в другой. Но разные виды энергии неравноценны.

В первой половине XIX в. единственными практическими источниками электрического тока были гальванические элементы — электрохимические источники тока. Благодаря им стали возможны многочисленные открытия в области теории электричества.

Механическую и электрическую энергии можно непосредственно и полностью использовать в виде любой полезной работы и практически полностью превратить в любой другой вид энергии. Иначе обстоит дело с тепловой энергией. Если попытаться превратить тепловую энергию в механическую, какая-то ее доля- всегда останется неиспользованной. Отношение количества тепловой энергии, которое можно использовать для превращения ее в механическую, к общему количеству располагаемой тепловой энергии называется коэффициентом полезного действия (к.п.д.) процесса превращения энергии.

К.п.д. тепловых машин зависит в значительной степени от температур рабочего вещества. Обычно эффективный к.п.д. не превышает 30% (у паровоза даже 7 %) и лишь у самых совершенных машин — дизелей 36—40%. Это значит, что больше половины тепловой энергии не используется и в переносном и в буквальном смысле вылетает в трубу. Ясно, что тепловая машина — устройство малоэффективное.

Много лет ученые пытаются повысить к.п.д. тепловых машин — совершенствуют их конструкции, увеличивают их мощность и т. д. Но повышение к.п.д. сверх 40% связано с большими трудностями. Поэтому заманчиво другое — полностью отказаться от тепловых машин и использовать химическую энергию окисления топлива, минуя промежуточное выделение тепловой энергии.

Возможность такого превращения подсказывает нам окружающая природа. Любой организм черпает необходимую энергию из органических видов топлива — пищевых продуктов. В организме происходит то же самое окисление топлива, что и в тепловой машине, образуются те же конечные продукты реакции — вода и углекислый газ. Но в машине окисление происходит с выделением тепловой энергии, с потерями тепла в окружающую среду на ее нагревание, а в организме энергия выделяется в основном в виде механической энергии мускульных сокращений, и температура окружающего пространства почти не повышается. Коэффициент преобразования энергии в живом организме достигает 60— 70%. О таких показателях конструкторы тепловых машин даже и не мечтают.

Итак, химическая энергия может превращаться прямо в механическую. А прямо в электрическую?