8. Странные идеи об испарении и сжижении

8. Странные идеи об испарении и сжижении

Мысль о возможности использования перехода вещества из одного состояния в другое занимала умы многих создателей вечных двигателей. Подобно тому как алхимики искали средство превращения обычных металлов в драгоценные, как врачи-шарлатаны пытались найти лекарство для лечения богачей, которое пришлось бы им по вкусу, по цвету и по запаху, так и многие искатели перпетуум мобиле вынашивали идею превращения газа в жидкость с помощью высокого давления или перехода вещества из твердого состояния в газообразное при нагревании.

Второй закон термодинамики ничего не значил для самоотверженного и целеустремленного изобретателя, отметавшего все, что могло помешать осуществлению великой цели. Слишком заманчивые и поистине безграничные возможности открывались перед теми, кто получал в руки вечный двигатель. Слишком велики были потребности современного общества, упорно изыскивавшего новые источники энергии. Каждый шаг науки вперед вселял надежду на то, что новое открытие раздвинет ее горизонты и позволит обойти ограничения, установленные более ранними, отрывочными и несовершенными знаниями.

История, о которой пойдет речь в этой главе, связана с весьма необычным предприятием и касается вечного двигателя, сконструированного профессором Гэмджи. Главный инженер военно-морского департамента США Б. Ф. Ашпервуд представил секретарю департамента доклад о двигателе. Выдержки из этого документа позднее были опубликованы в «Канзас-сити ревью» (т. 5, 1882, с. 86—89).

Цитирую:

«Наблюдения, сделанные профессором Гэмджи в ходе проводимых им экспериментов, позволили говорить о возможности создания двигателя, который профессор назвал нуль-мотором. В этом моторе тепло внешней окружающей среды (воды или другой жидкости), имеющей нормальную температуру, с помощью изобретенного профессором прибора используется для выпаривания жидкого аммиака, который находится под очень высоким давлением. Получающийся при выпаривании газообразный аммиак, находясь под большим давлением, расширяется и приводит в движение поршень. По мере движения поршня газ увеличивает свой объем и сильно охлаждается, так что к концу хода поршня часть газообразного аммиака превращается в жидкий, резко уменьшая при этом свой объем. Образовавшийся таким путем жидкий аммиак стекает, как это следует из конструкции прибора, в аммиачный котел. Таким образом создаются условия для замкнутого цикличного процесса без потерь, поскольку теплота не покидает двигатель. Работа двигателя совершается за счет возникающей разницы в объемах аммиака при входе его в котел и выходе из него. Эта разница в объемах создается благодаря теплу, получаемому из окружающей аммиачный котел внешней среды, а также при охлаждении аммиака в процессе превращения части этого тепла в механическую работу двигателя. Существование этой разницы в объемах совершенно бесспорно. Поэтому если бы удалось создать работающий на этом принципе механизм, то нуль-мотор стал бы реальностью. Источником получаемой в нуль-моторе энергии является не искусственное тепло, выделяемое при сгорании топлива, а тепло окружающей среды, имеющей обычную температуру, то есть тепло, не требующее для своего возникновения никаких затрат.

При изучении машины профессора Гэмджи департамент не имеет в виду проверку возможности сжижения в ней аммиака. Гораздо важнее проверить правильность сделанных профессором наблюдений относительно агрегатных превращений аммиака за время полного цикла. Без этого невозможно приступить к промышленному производству нуль-моторов, которым суждено прийти на смену паровым двигателям. Вот почему я внимательно изучил работу этого устройства. Хорошо известно, что жидкий аммиак при нормальной температуре, но при очень высоком давлении способен превращаться в газ, который, расширяясь и совершая работу, резко охлаждается. Однако необходимо проверить, весь ли газообразный аммиак, входящий в цилиндр, превращается в жидкость, а также установить, позволяет ли сама конструкция машины осуществить эту проверку. Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества в целом, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно. С этой целью он намерен в кратчайшие сроки завершить изготовление механизма и в присутствии совета экспертов продемонстрировать его работу. Он предполагает использовать те узлы своего охлаждающего устройства, которые войдут составной частью в нуль-мотор, добавив некоторые необходимые детали. Таким образом, при минимальных затратах времени путем несложных испытаний можно будет удостовериться в осуществимости на практике проекта, который представляется столь привлекательным и бесспорным в теоретическом отношении.

Профессор Гэмджи произвел все необходимые математические расчеты для обоснования возможности использования своего изобретения в хозяйственных целях. Остается лишь проверить способность устройства совершать механическую работу. Профессор предлагает внести следующие усовершенствования в основной проект:

— в качестве цилиндра, в котором расширяется и сжижается аммиак, использовать паровой цилиндр;

— имеющийся аммиачный котел использовать как котел низкого давления, введя при этом в конструкцию еще один аммиачный котел, который будет выполнять роль котла высокого давления;

— расположить между цилиндром, где происходит сжижение аммиака, то есть конденсатором, и котлом низкого давления струйный насос, а между котлом низкого и котлом высокого давления насос для перекачки жидкого аммиака из первого котла во второй.

Все это и составит нуль-мотор — машину, которая, как это видно из самого краткого описания, представляет собой очень дешевый и очень простой по конструкции и управлению тип двигателя...

Остается только подвергнуть описанное устройство практическим испытаниям, чтобы убедиться, что предложенный механизм будет обладать высоким коэффициентом полезного действия и оправдает возлагаемые на него надежды. И если это так, в самом ближайшем будущем нуль-мотор придет на смену паровому двигателю, поскольку отпадет надобность в огромных затратах угля, расходы на который составляют колоссальные суммы. Стоит только доказать на практике, какими преимуществами обладает этот мотор, гораздо более дешевый, легкий и занимающий значительно меньше места, чем паровой двигатель, как в самых широких масштабах начнется его использование во всех сферах промышленного производства...

Создание нуль-мотора — вопрос чрезвычайной важности для военно-морского флота США. В отличие от европейских морских держав, владеющих колониями и базами с запасами топлива в разных районах земного шара, держав, которые следует рассматривать как потенциальных противников в будущих военных конфликтах, США не имеют ни того, ни другого. Поэтому в ходе военных действий вдали от своих берегов флот США может оказаться в крайне невыгодном стратегическом положении из-за отсутствия баз с топливными запасами. Позиции сторон будут в этом отношении уравнены, если военно-морские силы США получат двигатели нового типа. В этом случае наши крейсеры смогут проникнуть на самые удаленные акватории столь же просто, как и флоты тех стран, которые располагают там запасами топлива.

Все сказанное было необходимо для того, чтобы показать сущность и масштабы сделанного профессором Гэмджи изобретения. Созданный им механизм служит чрезвычайно важной цели получения энергии, что делает его, строго говоря, основой для создания всех других механизмов...»

Редактор газеты «Канзас-сити ревью» так прокомментировал высказывания главного инженера военно-морского департамента США: «Практика в конечном счете покажет истинные достоинства этого изобретения». В основу идеи Гэмджи, как уже говорилось, было положено свойство аммиака превращаться в газ при низких температурах. При 0°С давление газа в четыре раза превышает атмосферное. Изобретатель пришел к заключению, что тепла, отбираемого из окружающей атмосферы, будет вполне достаточно для превращения жидкого аммиака в газ. По мнению автора проекта, этот газ, находясь в котле под большим давлением, способен приводить в движение поршень двигателя. Расширяясь, газ охлаждается до такой степени, что вновь превращается в жидкость, которая стекает в котел, и цикл повторяется.

Ход реальных физических процессов в описываемом устройстве, который сегодня столь очевиден, глубоко разочаровал бы Гэмджи и его сторонников. Несомненно, тепло, забираемое из атмосферы, обеспечивало испарение жидкого аммиака и отдавалось через конденсатор в окружающую среду при расширении газа. Начав расширяться при 0°С и давлении в четыре атмосферы, газ увеличивал свой объем вчетверо к тому моменту, когда его температура падала до —33°С. Для последующего сжижения газа в цилиндре и конденсаторе необходимо поддерживать температуру ниже —33°С. В расчетах автора проекта затраты на сжижение аммиака не были учтены в общем балансе энергии. Будь это сделано, стало бы ясно, что эти затраты превышают полезную работу, которую способен произвести нуль-мотор. Второй закон термодинамики остался незыблем, а нуль-мотор так и не заработал.

Рис. 44. Рабочий цикл в устройстве, созданном профессором Гэмджи в 1880 году: давление газа приводит в движение поршень. Изобретатель предположил, что расширяющийся над поршнем газ затем сжижается и стекает в котел.

Я не смог проследить за судьбой дальнейших переговоров, которые велись в военно- морском ведомстве относительно изобретения профессора и к которым Айшервуд относился с таким энтузиазмом. Действительно, президент Гарфилд и несколько министров из состава его правительства рассматривали модели мотора Гэмджи, однако, несмотря на все это, военно-морской флот США так и не связал свое будущее с успехами в создании двигателей с охлаждаемыми узлами.

Дениел Херинг в своей книге «Причуды и заблуждения науки» напоминает, что к 1895 году газы стали сжижаться с меньшими трудностями и затратами, чем это было ранее, благодаря использованию так называемого регенеративного метода. Несколькими годами позже Чарлз Триплер из Нью-Йорка сконструировал аппарат, позволявший сжижать значительное количество воздуха. В марте 1899 года в журнале «Макклюрз мэгэзин» появилась научно-популярная статья, посвященная лаборатории Триплера и проводимым им замечательным работам. Статья была написана членом редакционной коллегии журнала Реем Стенардом Бейкером и содержала ошеломляющие выводы. Автор опровергал верность второго закона термодинамики и провозглашал Триплера создателем вечного двигателя, приводя собственные слова изобретателя: «Использовав в своей машине три галлона воздуха, я получил в ожижителе около десяти галлонов жидкости. Таким образом, возникла прибавка в 7 галлонов, которая ничего мне не стоила и которую я могу использовать где угодно для совершения полезной работы».

Идея Триплера состояла в следующем. Под действием температуры окружающей среды сильно охлажденный ожиженный воздух будет превращаться в пар. Давление в котле двигателя, следовательно, резко увеличится, и двигатель начнет работать. В свою очередь, он будет сжижать новую порцию воздуха, которая далее используется для совершения полезной работы.

Само по себе использование воздуха для работы двигателя не представляло ни теоретических, ни практических трудностей. Однако в соответствии с законами термодинамики как для сжижения воздуха, так и для обратного превращения его в газ с нормальным давлением и температурой требуются одинаковые (в сумме равные нулю) затраты энергии. Тем не менее Чарлз Триплер упорно настаивал на своем и предлагал проверить осенившую его идею в лабораторных условиях. При посредничестве Бейкера журнал «Макклюрз мэгэзин» пригласил двух профессоров, возглавлявших факультеты физики и химии в крупном университете, посетить лабораторию Триплера. Оказалось, однако, что визит этот, хотя и сделанный по взаимному соглашению, пришелся на неудобное для Триплера время и, по существу, ничего не дал, если не считать нескольких критических замечаний, высказанных профессорами в адрес изобретателя. Но об этом журнал не сообщил своим читателям, и идея использования ожиженного воздуха продолжала завоевывать все новых сторонников. Ниспровергатели второго закона термодинамики торжествовали.

Триплер предпочитал не называть свое изобретение проектом вечного двигателя, настойчиво утверждая, что внешним источником энергии являлось тепло окружающего воздуха. При этом он категорически отрицал необходимость дополнительных затрат энергии для снижения температуры рабочего объема воздуха ниже температуры окружающей среды. Иными словами, Триплер отрицал действие второго закона термодинамики.

Надежды на создание вечного двигателя, работающего на жидком воздухе, несмотря на всю их сомнительность, были весьма привлекательны, и сторонники идеи Триплера еще некоторое время продолжали верить в успех его изобретения. Прошло несколько лет, пока идея, казавшаяся исключением из неумолимо действовавшего закона, была признана заблуждением и, наконец, отвергнута вовсе.

Мы уже достаточно много говорили о воздухе и его физических свойствах. Обратимся теперь к событиям, происшедшим в начале нынешнего столетия. Перед нами памфлет, озаглавленный «Теория перпетуум мобиле». Автор его — Франц Гоффман — жил в Восточной Пруссии. Этот любопытный очерк был опубликован в Лейпциге в 1912 году, через три года после того, как в Реймсе состоялась международная встреча авиаторов. Нужно заметить, что немецкие аэропланы потерпели тогда серьезное поражение в состязании с французскими и американскими летательными аппаратами (для патриотически настроенных английских читателей я замечу, что в этой встрече, состоявшейся 22 августа 1909 года, английские авиаторы участия не принимали). Гоффман опубликовал свой довольно сложный проект вечного двигателя за два года до начала первой мировой войны. И этим, вероятно, объясняются наивно патриотические тона, в которые окрашены завершающие строки памфлета.

«Сегодня в Германии не понимают важности создания вечных двигателей, уподобляясь скептикам, которые еще лет десять назад отрицали возможность появления летательных аппаратов тяжелее воздуха. Следствием этого неверия явилось то, что несколько лет назад в Реймсе французы и американцы доказали, что именно они, а не немцы, являются нациями, лидирующими в воздухоплавании. Дай бог, чтобы благосклонная фортуна уберегла немцев от еще одного реймского позора. А ведь похоже на то, что, до тех пор пока американец Джон и француз Пьер не нагрянут в Гамбург или Берлин на кораблях, оснащенных вечными двигателями, немецкий Михель не очнется от летаргического сна».

Гоффман, видимо, не был фанатичным сторонником создания вечного двигателя в Германии. Его попытки пробудить в своих читателях-соотечественниках интерес к этой проблеме имели патриотическую цель: в меру своих сил он стремился к тому, чтобы его страна добилась лидирующего положения хотя бы в области перпетуум мобиле.

Иногда специалист в одной отрасли науки вдруг решает, что совершил важное открытие в иной области знания. Многие принципиально новые технические находки обязаны своим возникновением научным поискам, которые велись совсем в других направлениях. Очень часто кажущаяся абсурдность этих поисков объясняется невозможностью их практического воплощения с помощью современных технических средств. Томас Эдисон предвидел время, когда телевизионное изображение будет передаваться по телефону. Технически это стало возможным лишь совсем недавно. Провидцами такого рода были Жюль Верн и Герберт Уэллс. В широком смысле ученые все еще заметно отстают от писателей-фантастов, нередко столь проницательных в своих предвидениях.

В конце прошлого столетия житель Нью-Йорка некий Дж. Гамильтон исследовал возможность применения пара для работы вечного двигателя. Он решил использовать хорошо известный инжекторный клапан, предварительно изменив его конструкцию таким образом, чтобы давление проходящей через него струи воды было равно или превышало давление струи пара. Это, по мысли Гамильтона, увеличивало скорость потока воды, вытекающего из отверстия в верхней части резервуара. Благодаря получаемой таким образом скоростной добавке вода, возвращаясь в резервуар, совершает по пути еще и полезную работу.

Гамильтон писал: «Приведя турбину в действие с помощью какого-то внешнего источника энергии (мотора или двигателя), устанавливаем необходимый начальный уровень давления в инжекторе, обеспечивающий отток воды из резервуара. Вода, пройдя через турбину, приобретает за счет соплового эффекта на выходе большую скорость, чем на входе, и возвращается в резервуар. Турбина продолжает вращаться за счет новых порций поступающей в нее воды, не нуждаясь более в энергии внешнего источника. Цикл движения воды по замкнутому контуру повторяется многократно, благодаря чему скорость воды на выходе из турбины постоянно возрастает».

Автор проекта ничего не говорит о том, за счет чего все-таки обеспечивается вращение турбины, если вода на выходе ее обладает большей скоростью движения и соответственно большей энергией, чем на входе. Очевидно, что успешная работа такого двигателя противоречила бы закону сохранения энергии. Если бы такого противоречия не было, то случилось бы то, чего так боялись многие изобретатели вечных двигателей. По мере накопления энергии скорость работы двигателя возрастала бы до тех пор, пока он не разлетался бы на куски (не зря же во многих проектах вечных двигателей предусмотрен тормоз). Такое беспредельное увеличение скорости лежит в основе процесса деления атома, но не имеет никакого отношения к механическим устройствам.