Итак, оказалось, что выявленная закономерность неравновесного теплообмена замерзающего водоёма с окружающей средой отнюдь не противоречит закону сохранения и превращения энергии, и даже наоборот, будучи достаточно детально рассмотренной, оберегает исследователя от непреднамеренного нарушения этого закона. Но я и сейчас не уверен, что моё недостаточно квалифицированное объяснение во всем удовлетворит физиков. Но давайте вместе будем искать истину!
4.3. Цена постулата Клаузиуса
Очевидно, что истинные законы природы существуют независимо от сознания человека, а словесные формулировки не всегда точно передают их истинную суть. Тем не менее у всяких законов, в том числе естественных, со дня их провозглашения собирается целая армия блюстителей, далее легко и просто отвергающая само право на признание новых явлений и фактов, если они не согласуются с формулировками естественных законов, здесь чаще всего и возникают конфликты новых знаний со старыми законами. Эти конфликты опасны для новых фактов и явлений, во-первых, потому, что всякий закон принято считать всегда правым, во-вторых, еще и потому, что закон не принято обсуждать. И кто знает, сколько естествоиспытателей, в своё время обнаруживших новое явление или факт, отступили перед этой стеной недозволенности, оставив безвестным ими познанное? Но всегда ли эти утраты бывают оправданы?
Вот и мне, убедившись в достоверности сделанного открытия и устранив его конфликт, как оказалось субъективного склада, с законом сохранения и превращения энергии, предстояло еще примирить его со Вторым началом термодинамики, основу которого составляет сформулированный 150 лет назад постулат Клаузиуса, утверждающий, что теплота не может переходить сама собой от тела более холодного к телу, более нагретому. А мы установили, что на замерзающий водоём теплота может переходить от более холодной (в среднем за год) атмосферы к более теплой массе воды. И здесь, казалось бы, предстояло отступить перед этим вполне логичным и физически ясным законом. Но его простой смысл вызвал всё же некоторые сомнения.
Вдумаемся в термин «сама собой» или чаще его заменяющее слово «самопроизвольно». Разве может что-нибудь в окружающем нас мире происходить самопроизвольно, то есть без причины? Конечно нет! Это мы хорошо знаем, когда смотрим на трюки фокусника, но далеко не всегда обращаем на это внимание, когда слышим те же слова в формулировке слишком привычного естественного закона. Не странно ли?
Термина «самопроизвольно» в современной науке существовать не должно, поскольку заведомо известно, что само собой ничего и нигде не происходит и декларировать это в естественном законе не только не имеет смысла, но и нельзя, чтобы не морочить голову. Этот термин представлялся содержательным в эпоху господства религии и всякой мистики, от чего современная наука, кажется, окончательно освободилась. Подобный неточный термин в формулировке Второго начала термодинамики не столь безобиден, как может показаться с первого взгляда.
Допустим, что тот или иной исследователь обнаружил явление, не согласующееся с постулатом Клаузиуса, но согласился с тем, что оно якобы действительно происходит само собой, под этим часто мыслится, что оно происходит всего лишь без участия человека. Тогда наблюдение и вывод этого исследователя, как бы они не были очевидными и ценными для науки, заведомо обрекаются на непризнание, на забвение, а часто и на осмеяние.
И совсем другое дело было бы, если бы вместо слов «само собой» в постулате стояли бы слова «без причины». «Теплота не может без причины перейти от более холодного тела к более теплому». В этом случае исследователь, как и его оппоненты, искали бы эту причину, а в худшем пришли бы к единому мнению, что она безусловно существует, но ещё не обнаружена и потому не названа. Здесь уже остается зацепка для воздержания от безапелляционного отвержения обнаруженного очевидного явления или факта, не согласующегося с постулатом Клаузиуса.
Опыт, в том числе и наш, показывает, что как раз причину неравновесного процесса бывает найти сложнее, чем сам неравновесный процесс и в этом нередко бывают повинны неполнота или субъективизм некоторых давно сформулированных законов. Но допустимо ли из-за этого отвергать возможность существования самого обнаруженного очевидного факта?
Конечную причину возможности передачи тепла от более холодной атмосферы к более теплой воде мы уже нашли, сверяя открытие с законом сохранения и превращения энергии, – ею оказалось всплывание стаивающего льда или другими словами, внутренняя механическая работа внешней силы земного притяжения, обусловливающая увеличение энтальпии водоёма. Тут, правда, сохраняются ещё неясности в оценке теплового эквивалента такой механической работы, в чем ещё предстоит разбираться физикам, но важно, что принципиальное согласование возможности передачи тепла от холодного тела к теплому с постулатом Клаузиуса таким путем уже достигается.
В итоге всех изложенных выше рассуждений оказывается, что, во-первых, теплота от холодного тела к теплому действительно не может переходить сама собой, то есть без причины; во-вторых, такой причиной может быть только поступление дополнительной энергии (именно энергии, а не просто теплоты) извне; в-третьих, формой этой дополнительной энергии может быть внутренняя работа только внешней силы, как механического эквивалента теплоты.
Обобщая перечисленные частности, расшифровывающие постулат Клаузиуса, и перефразируя обобщения языком физики, можно заключить, что энергия изолированной системы при любых происходящих в ней процессах количественно не изменяется, изменить её может лишь внутренняя работа, совершаемая внешней, по отношению к системе, силой. Если мы заглянем теперь в учебник по термодинамике (Вукалович, Новиков, 1972), то обнаружим, что сделанное нами обобщение отнюдь не ново, поскольку является всего-навсего выражением Первого начала термодинамики, основу которого составляет закон сохранения и превращения энергии.
Таким образом, освобождая постулат Клаузиуса от внедрившегося в него субъективизма и заполняя образовавшуюся брешь указанием конкретных объективных причин, допускающих передачу тепла от тела более холодного к телу более теплому, мы невольно приходим к заключению о ненужности этого постулата, поскольку все неясности процессов теплообмена достаточно полно и убедительно истолковываются единым законом сохранения и превращения энергии. Постулат Клаузиуса на поверку оказывается лишь худшим пересказом этого беспорочного закона.
Спрашивается, ради чего я так долго и робко топтался со своим открытием перед этим мнимым рифом термодинамики? Из-за чего, вероятно, многие исследователи сожгли записи своих ценных мыслей, признав их бреднями, когда натыкались на риф, выросший, как оказывается, на закваске субъективизма? Это очень большой и сложный вопрос и в этой книге мы не можем ввязываться в анализ всей его полноты. Но кое-что, имеющее отношение к теме нашего повествования, сказать надо.
Сама термодинамика наука ещё далеко не древняя. Её возрождение обязано уже знакомому нам немецкому ученому Р. Клаузиусу, английскому ученому У. Томсону (Кельвину), французскому инженеру С. Карно и ряду примкнувших к ним других ученых.
Стимулом для становления и развития термодинамики явились возникшие в ту пору потребности машинной промышленности. Появление паровой машины поставило перед наукой задачу – изучить теорию работы машин для повышения коэффициента полезного действия (КПД) последних. Соответственно многие обобщения в саму термодинамику, а точнее в её Второе начало, были взяты из анализа опыта эксплуатации машин. Здесь и могли проникнуть, в частности, во Второе начало термодинамики, субъективные суждения о соотношениях теплоты и работы. В таком случае географу важно знать, что оценки тепловых явлений, происходящих в природе естественным путём, не нуждаются в пополнении их знаниями, почерпнутыми из опыта эксплуатации машин, и потому особо не нуждаются ни в самой термодинамике, ни в ее началах. Для объяснения и контроля их правильности в подавляющем большинстве случаев достаточно лишь хорошо и твердо знать закон сохранения и превращения энергии и материи в том смысле, в каком он сформулирован М. В. Ломоносовым. И наоборот, раболепствование перед феноменологическими категориями термодинамики, в частности перед постулатом Клаузиуса, может не только осложнить путь к истине о тепловых процессах на геосферах, но и чревато полной утратой возможности постижения истины, что отмечалось выше.
Правду сказать, Второе начало термодинамики давно уже подвергается критике со стороны философов и многих ученых, а сформулированный в его рамках принцип возрастания энтропии, то есть неуклонного охлаждения всего и всюду, сулящий тепловую смерть Вселенной, в настоящее время практически уже полностью отвергнут.
Второе начало термодинамики исключает возможность существования вечного движения и вечного двигателя. А не есть ли этот запрет также следствием субъективной путаницы?
Отвлечемся от прижившейся и здесь терминологической путаницы и зададимся вопросом: может ли вообще существовать вечное движение и вечный двигатель в прямом смысле значений этих терминов, обходя вопрос об износостойкости механизмов? Безусловно может, непременно существует и не может не существовать! Разве может существовать сложившийся порядок во всей Вселенной без вечного движения звездных и планетных систем? Разве может существовать река без вечного движения воды? И разве ГЭС, построенная на ней, не есть вечный двигатель?
С точки зрения элементарного и неотразимо здравого смысла все эти и многие иные формы вечного движения являются необходимым свойством материи, существование которого не может быть оспорено. Так нет же! Это очевидное свойство всего сущего, неизвестно, когда, кем и почему, но надо думать, что непреднамеренно, поставлено под сомнение всего лишь субъективной терминологической путаницей. В результате оказалось, что вечными двигателями в науке названа категория механизмов, которые существовать не могут, поскольку их работа не предполагает использования дополнительной энергии для своего движения. В то же время реально работающие вечные двигатели, например, та же ГЭС, названы «мнимыми», то есть в прямом смысле этого слова, якобы не существующими. В этом паралогизме, в его истоках и истории не просто разобраться, но очень просто запутаться и начать, что и делают, глядя на реально существующие вечные двигатели, изобретать собственный, но не способный к работе мнимый, в правильном смысле слова, вечный двигатель.
Вместо того, чтобы устранить эту путаницу, направив мысль изобретателей по верному руслу, официальная наука вообще запретила думать о вечном двигателе, безжалостно отвергая все идеи в этой области, среди которых могут быть вполне реалистические, но не вполне объясненные. Не всякому изобретателю и не всегда удается определить какая и откуда поступает к двигателю энергия, питающая его движение. В этом случае мощный творческий стимул человека – интуиция, элементарно обезоруживается инструктивным указанием о «невозможности получения энергии из ничего». И хотя многим, если не всем, известно, что «ничего» не существует, поскольку любая «пустота» пронизана энергетическими полями, такое указание верхов науки действует неотразимо.
Если мы откажемся от прижившейся путаницы, то станут разборчивее относиться к вечным двигателям, и изобретатель и его оппоненты. Их мысль вынужденно будет направлена на поиски конкретного источника энергии, питающего движение, а действующая модель вечного двигателя (в правильном смысле этого термина) не будет отвергнута лишь из-за того, что источник её питания энергией ещё не найден и не назван. Сам факт работы вечного двигателя свидетельствует о том, что причина для его движения существует, но её ещё надо найти. Последнее вовсе не значит, что такой вечный двигатель до поры нельзя признавать и использовать. Ведь никому не приходит в голову объявить невозможным вечное движение Луны вокруг Земли из-за того, что причина этого движения до сих пор неизвестна. Однако, если мы отвергаем без обсуждения идею вечного двигателя, особенно работающего, что часто случается сейчас, то наука и техника определенно не станут искать и источник, питающий энергией конкретный вечный двигатель и применять новый способ утилизации этой энергии.
По многим соображениям, а главное ради охраны природы Земли, будущее энергообеспечение общества должно ориентироваться на полную замену топливной энергетики энергией от постоянно возобновляемых природных источников, ресурсы которых в тысячи раз превышают современные потребности человека. Но двигатели, работающие на постоянно возобновляемой энергии – это и есть вечные двигатели в полном смысле этих слов. А разве невероятно, что многие из них уже отвергнуты только из-за того, что они были названы вечными? И разве не стоит ради исключения в будущем таких утрат навести порядок в терминологии вокруг вечных двигателей, развязать руки изобретателей, связанные путаницей вокруг терминологии, дать свободу интуиции и верно направленной мысли?
Сковывающий мысль новаторов субъективизм догм Второго начала термодинамики начинает мешать уже развитию техники. Не случайно же всё чаще Второе начало стали называть «оковами Прометея».
В нашей стране уже более двадцати лет существует Всесоюзный (большой по представительству ученых), общественный институт энергетической инверсии (ЭНИН), основной целью которого является – разорвать «оковы Прометея». Его организатор и председатель научно-технического совета, заслуженный ученый и изобретатель, профессор П. К. Ощепков – отец радиолокации и интроскопии, пользуется огромным авторитетом у тысяч противников Второго начала термодинамики, но, как и весь возглавляемый им институт не пользуется доверием… Академии наук СССР. В составе института академики, члены-корреспонденты более половины – люди с учеными степенями и званиями. У них много новых мыслей, оригинальных разработок, в том числе и вечных двигателей, но почти никаких публикаций… «Крамолу» до последнего времени не выпускал в свет штаб нашей «передовой науки», владеющей основными научными изданиями. Здесь разномыслие не в почете, всё еще действует своего рода запретительная, невесть, когда написанная, инструкция. За её нарушение уже не заточат в тюрьму, но и не выпустят в свет. На этом и держится современный «авторитет» Второго начала термодинамики.
С инженерной точки зрения Второе начало термодинамики представляет собой обобщение вывода С. Карно, который анализируя работу тепловых двигателей установил, что они не способны превращать всю используемую ими теплоту в работу. Отсюда, вероятно, пошло и представление о неизбежности возрастания энтропии, о тепловой смерти Вселенной и прочее разрастание субъективной плесени на основах термодинамики. И вот что пишет П. К. Ощепков (1977, с.249): «А как же с природой? Природа ведь не знает выведенных нами соотношений, она действует в согласии не с ними, а со своими собственными закономерностями. Принцип взаимного преобразования в ней приводит к тому, что любое количество данного вида энергии может переходить в энергию другого вида только в том же строго определенном количестве, только в строго равном соотношении – не больше и не меньше».
Действительно, разве можно только из-за того, что мы плохо знаем, почему КПД сделанных нами машин не способен достигать 100 %, заключать, что и в природных движениях может невесть куда исчезать энергия? А как же тогда с законом сохранения и превращения энергии?
Словом, как бы мы не рассуждали, оказывается, что при отказе от слепого и покорного руководствования Вторым началом термодинамики, в частности постулатом Клаузиуса, представления естествоиспытателей о природе тепловых явлений не увянут, а расширятся и приобретут новые крылья. Мысль, как и человек, не терпит стеснений. Да и опасно привыкать к оковам субъективизма писанных законов естествознания. Известно, как часто субъективные экономические законы и запреты страдали нелогичностью и вредоносной силой для развития общественно-экономических отношений. Но гораздо тяжкие последствия для развития науки и техники могут иметь слепые раболепствования перед субъективизмом формулировок естественных законов. Вот и все, что мне хотелось сказать о цене постулата Клаузиуса.
Позволю себе ещё один наскок на человеческую субъективность, как пристрастное отношение к мало понятным, но модным иностранным словам и терминам, за которыми удается протащить в свет и дельную мысль.
Обратив внимание на раскрывшуюся мне удивительную теплозащитную роль льда в термике водоёмов, в одной из ранних статей, назвав это явление «обратным тепловым клапаном» и сразу же получил ярый отпор рецензентов, ибо, сказали мне «такого в природе быть не может!». Тогда уже в книге (Файко, 1975) я назвал то же самое, с тем же смыслом, но словами сплошь иностранного происхождения – «асимметричный энергетический барьер». Это прошло и до сих пор не встретило ни одного возражения.
После всего, что я рассказал о своем открытии, более русский термин «обратный тепловой клапан», запрещавшийся опять же термодинамикой, приобрел реальный смысл, и я позволю себе называть его далее, как говорят «открытым текстом».
4.4. Плавучий лёд как обратный тепловой клапан
Жизнь в науке заставила меня усвоить одно правило – нельзя торопиться рушить никакую долго жившую теорию, выставляя опровергающий ее факт, ибо многочисленные приверженцы этой теории в азарте её защиты непременно затопчут тебя вместе с твоим фактом. Да и не благородно это – рушить построенное другими.
И всё же факт великая вещь. Перед напором очевидного факта не раз рушились и отмирали самые хитроумные теории, не согласующиеся с ним. Очевидно и другое: всякие разрушенные теории редко бывали абсолютно бесплодными и от каждой из них всегда оставались какие-то детали или кирпичики, которые находили себе место в новой теории.
А обнаруженный нами факт состоит в том, что замерзающие водоёмы действительно усваивают тепла больше, чем, казалось бы, должны усваивать в столь плохо обеспечиваемой теплом северной полярной области.
Как мы уже показали, объясняется это тем, что ледяной покров является асимметричным энергетическим барьером или, назовем его теперь по-русски, обратным тепловым клапаном, хорошо пропускающим теплоту к водоёму, но плохо отпускающим ее обратно в атмосферу. Причем аналогия с обратным тепловым клапаном здесь полнейшая иррациональность его теплоаккумулирующего действия так схожа с хорошо специально продуманной, что невольно можно стать пленником мистической мысли о существовании сверхчеловеческого разума. Потому и оставалась так долго незамеченной колоссальная разница в обеспеченности теплом между полярными областями и низкими широтами Земли, что замерзающий Северный Ледовитый океан сам, до поры как бы тайно от людей, гасил эту разность.
Рассмотрим теперь детальнее, когда совершаются решающие тепловые процессы, обеспечивающие успешную работу этого «клапана». Когда Солнце, в июне – июле, на околополюсном пространстве светит больше, чем на экваторе, и лёд начинает стаивать «клапан открывается». Конкретно это выражается во всплывании (поднятии) стаивающего льда на воде, а вследствие этого освобождения под ним объема для стекающего талого стока и в образовании промоин, по которым и стекает талый сток. Талая вода, усвоившая теплоту плавления, скоро и беспрепятственно возвращает водной массе океана всю теплоту, потерянную ею за долгую зиму в виде теплоты кристаллизации. Собственно клапаном, то есть в переводе с немецкого «крышкой» является сам лёд, поднимающийся на воде. На невскрывающемся водоёме им является многолетний ледяной покров. Завершение его летнего поднятия в этом случае знаменует и «закрытие клапана» до следующей весны. Именно только за короткий летний период года Северный Ледовитый океан накапливает теплоту, получая её преимущественно от Солнца. Всю остальную, большую часть года, океан практически обходится этим же теплом (рис. 6).
Рис. 6. Зимнее кондуктивное выделение теплоты кристаллизации через лёд летом восстанавливается намного более интенсивным конвективным возвратом теплоты плавления со стоком талой воды при одновременном всплывании льда на воде.
На вскрывающемся летом водоеме обратный клапан «закрывается» сразу с появлением на водоёме нового льда. Зимой остывшая атмосфера жаждет забрать тепло океана, но закрывшийся клапан не отпускает его. В результате тепло все же выделяется в обход клапана, но не иначе, чем в виде теплоты кристаллизации, отходящей от нижней плоскости льда; не иначе, чем через сам постоянно утолщающийся лёд и не иначе, чем очень замедленной и постоянно замедляющейся кондуктивной теплопроводностью. Такое многофакторное регламентирование теплопередачи и приводит к тому, что приобретенное летом тепло водная масса океана возвращает зимой атмосфере в сотни раз менее интенсивно, чем усваивала его, когда обратный тепловой клапан «открывался».
Тут пора ещё раз обратить внимание на колоссальные различия внешних термических условий, при которых происходит расходование и усвоение одних и тех же количеств теплоты кристаллизации и теплоты плавления, напомним, что эти различия обусловливаются соотношением сумм градусо-суток положительной и отрицательной температуры за лето и зиму. Посмотрим какими они бывают над акваторией Северного Ледовитого океана.
Сумма градусо-суток отрицательной температуры довольно уверенно определяется по многим данным станции «Северный полюс» (СП) и в среднем составляет ∑-t° = минус 7 000°. Сумма положительных температур по прямым измерениям температуры около 0 °C сколько-нибудь надежно не определяется. Но она может быть определена, как величина, эквивалентная количеству тепла, усваиваемого льдом при стаивании. Измеренное стаивание льда, а значит, и сумма градусо-суток положительной температуры имеет значительный разброс, что и принуждает нас выведенные соотношения сумм градусо-суток, а заодно и условия, их определяющие, сгруппировать (табл. 1).
Таблица 1. Соотношение сумм градусо-суток отрицательной и положительной температуры воздуха вблизи северного полюса при ∑ – t°= -7000°
Крайняя правая колонка табл. 1 достаточно убедительно показывает, что сумма градусо-суток отрицательной температуры воздуха над Северным Ледовитым океаном превосходит сумму положительных температур в сотни, а в среднем примерно в 200 раз за год. Между тем средняя температура всей толщи (около 4 000 м) воды Мирового океана вдоль экватора и Северного Ледовитого океана у полюсов на фоне огромного различия в теплообеспеченности приземных слоев воздуха над той и другой акваториями можно считать почти не различающимися.
Но если бы наш, отнюдь не мифический, обратный тепловой клапан не «работал», как он не «работает» на вечную мерзлоту, поскольку его на ней не возникает и неравновесного теплообмена Северного Ледовитого океана с внешней средой не существует, то он оледеневал бы, как и вечная мерзлота, на большую глубину до тех пор, пока не встретил бы равный противонаправленный поток внутриземного тепла.
Но мы видим, что океан, укрывшись льдом, существует термически стабильно и вовсе не стремится промерзать, как диктует ему внешняя среда. При этом под покровом льда внутренний теплообмен его водной массы от зимы к лету полностью балансируется. И не стоит трудиться искать причину этого состояния, как это часто делают, в том, что в Северный Ледовитый океан из Атлантики поступают теплые воды. Наш специальный анализ показал, что даже полностью отсеченный от водообмена с Мировым океаном Северный полярный океан будет существовать также термически стабильно, как существуют без внешнего водообмена невскрывающиеся озера Антарктиды (Файко,1978). Впрочем, никому ещё не удалось зафиксировать нагревания воды выше температуры её замерзания под многолетним льдом. А в этом состоянии вода может отдавать теплоту только замерзая. Однако, если попытаться такое термически стабильное существование полярного океана увязать с сезонным ходом температуры атмосферного воздуха, то баланса не получится.
Внутренний баланс теплообмена собственно многолетнего ледяного покрова тоже существует. Это вытекает из того, что от зимы к лету, по достижении многолетним льдом равновесной толщины, на нём намерзает снизу и стаивает сверху одинаковый слой. Но и этот баланс не увяжется с термикой атмосферы опять по той же причине. Снег на льду не способен влиять на годовой ход теплообмена ледяного покрова с атмосферой. В начале зимы он может заметно сдерживать нарастание льда, но летом он настолько же задерживает его таяние, что видно и из табличных данных.
Итак, есть очевидные внутренние тепловые балансы воды и ледяного покрова и столь же очевидный разбаланс их теплообмена с атмосферой. А далее мы уже знаем, что этот разбаланс является следствием неравновесного обмена теплотой фазовых превращений и поднятия льда на воде по мере таяния, то есть действие самого обратного теплового клапана. Как же его не назвать обратным тепловым клапаном, если он «выпускает» тепла в 200 раз меньше, чем должен был бы выпускать?
Некоторая неловкость и даже какая-то сантехническая грубоватость предложенного термина проистекает от того, что он и вправду более технический, чем географический. С этим нельзя не согласиться. В то же время он наглядно представляет механизм неравновесного теплообмена ледяного покрова с внешней средой. Наконец, кто сказал, что в будущем этот термин не может быть заменен более удобоваримым для естествоиспытателей? Во всяком случае, я уже не боюсь, что мне снова «щелкнут по носу» за этот термин.
Раз найден в природе один реально существующий обратный тепловой клапан, значит, не исключена возможность существования и других подобных природных механизмов. Так что не надо бояться обратных тепловых клапанов. Это бюрократы от догматизма запретили мыслить в обход Второго начала термодинамики. Запретили даже называть вещи своими именами.