Миф о вечном двигателе на жидком воздухе: анализ термодинамической ошибки американского экспериментатора

В начале XX века, когда эйфория от удивительных свойств жидкого воздуха несколько утихла, появилось сенсационное сообщение некоего американского изобретателя. Он якобы построил крупную установку для получения жидкого воздуха, используя систему Гамсона — один из первых промышленных методов ожижения газов. Суть его заявления сводилась к следующему: затратив всего 3 литра жидкого воздуха для работы специального двигателя, напоминающего паровую машину, он получал на выходе 10 новых литров жидкого воздуха. Из этих десяти литров, по его словам, семь можно было использовать для совершения полезной внешней работы, а оставшиеся три — вновь пустить в цикл для производства десяти литров, и так до бесконечности.

Если подобное утверждение справедливо для малых объемов, оно должно оставаться верным и для любых масштабов: имея 30 литров, можно получать 70, а из 3000 — 7000. Более того, если семь литров не отбирать для посторонних нужд, то на следующем витке можно получить уже 23, затем 76 и так далее, в геометрической прогрессии. Таким образом, количество жидкого воздуха и заключенная в нем энергия росли бы безгранично, не требуя ни грамма угля или иного топлива. Эта сила, подобно семени, из которого вырастает могучее растение, способна была бы увеличиваться из seemingly nothing, что сулило бы полную энергетическую независимость.

Подобное «чудо» неминуемо вызвало бы революцию во всех сферах человеческой деятельности. Все тепловые машины, работающие на угле, нефти или газе — от заводских цехов до трансконтинентальных железных дорог пяти частей света — оказались бы ненужными. Океанские лайнеры, движимые исключительно жидким воздухом, пересекали бы Атлантику за трое суток, не неся на борту ни тонны горючего. Аэростаты легко достигали бы стратосферы, а подводные лодки, погружаясь в пучины, получали бы от жидкого воздуха не только энергию для движения, но и чистый кислород для дыхания экипажа.

Доказывать невозможность всего этого с позиций фундаментальных законов физики — значит ломиться в открытую дверь. Как ни крути, из ничего нельзя получить нечто, даже собирая понемногу. Малые ручьи сливаются в реку, но никакое колдовство не способно мгновенно превратить ручеек в полноводную реку. Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии — неумолимо: энергия не возникает из пустоты и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Обещание неограниченного роста количества жидкого воздуха без подвода энергии извне прямо противоречит этому фундаментальному принципу.

Никто из компетентных ученых так и не воспроизвел результаты загадочного американца. Единственное разумное объяснение, которое можно извлечь из его скупых отчетов, кроется в игнорировании роли предварительного охлаждения. Чтобы получить первые 3 литра жидкого воздуха, несомненно, была затрачена энергия на охлаждение установки до криогенных температур. Когда экспериментатор запускал свой мотор, он использовал не только сами 3 литра, но и тот колоссальный запас холода, который был накоплен в массивных частях машины за время предыдущих опытов. По сути, двигатель работал не только за счет испарения жидкого воздуха, но и за счет теплообмена с охлажденным металлом, отбирая у него теплоту. В процессе работы металл постепенно нагревался, и после завершения цикла установка возвращалась к исходной температуре, будучи неспособной повторить тот же фокус без нового внешнего охлаждения.

Аналогию можно найти в простом бытовом примере. Если сильно разогреть пустой паровой котел, а затем влить в него немного воды, то за счет тепла, запасенного в металле, вода мгновенно испарится, создав пар высокого давления. Однако после этого котел остынет, и для повторения опыта его потребуется снова нагревать извне. Точно так же «чудесная» установка американца лишь временно использовала накопленный ранее холод, что никоим образом не создавало энергии из ничего. Это типичная ошибка многих изобретателей perpetuum mobile второго рода, которые пытаются обойти второе начало термодинамики, не учитывая необходимость компенсации энтропии.

С позиций современной термодинамики, ожижение газов — процесс, требующий значительных затрат работы. В цикле Гамсона (или более совершенном цикле Линде) газ сжимается, охлаждается и расширяется, причем часть холода рекуперируется. Однако коэффициент полезного действия таких установок всегда меньше единицы из-за необратимых потерь. Чтобы получить жидкий воздух, необходимо затратить работу, превышающую ту, которую можно получить, испаряя этот же воздух в тепловом двигателе при комнатной температуре. Это прямое следствие цикла Карно: максимальный КПД тепловой машины, работающей между температурой жидкого воздуха (около -190°C) и окружающей средой, далек от 100%, а работа, затраченная на ожижение, всегда больше полученной при обратном процессе.

Таким образом, утверждение о получении 10 литров из 3 при неизменном состоянии аппарата — не более чем иллюзия. Если бы экспериментатор тщательно измерил всю подведенную к системе энергию (включая ту, что пошла на первоначальное охлаждение), он обнаружил бы, что суммарный баланс строго отрицателен. Любые попытки создать «вечный двигатель» на жидком воздухе разбиваются о незыблемость законов термодинамики, которые подтверждены тысячами экспериментов и лежат в основе всей современной техники. История этого заблуждения служит поучительным примером того, как внешнее правдоподобие и фантастические перспективы могут скрывать элементарную физическую ошибку.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.