GSA. КПД больше 100
Может ли коэффициент полезного действия быть больше ста процентов
Вера в возможность построения вечного двигателя зародилась, надо полагать, в незапамятные времена. Ее истоки несомненно виделись в «вечном» движении Солнца, Луны, Звезд. Но первое письменное свидетельство о вечно движущейся машине оставил нам Пьетро Перегрино из французского города Марикура в трактате «О магнитах» (вторая половина 13 века). Не исключено, что первому экспериментальному обоснованию закона сохранения энергии мы обязаны именно ей, этой вере.
Владелец пивоваренного завода, позднее член Лондонского королевского общества, Джеймс Прескотт Джоуль, как доносят до нас некоторые биографы, не оставлял надежды на воплощение идеи вечного двигателя в реальную конструкцию, он был одержим ею. Может быть, в результате этой самой одержимости Джоуль и внес значительный вклад в исследование электромагнетизма, тепловых и криогенных явлений и в обоснование закона сохранения энергии, подрывавшего основы вечного двигателя первого рода. И возможен ли вообще научный прогресс без одержимости его носителей? Именно, такие люди становятся потом легендами, и о них слагают легенды по воле биографов и историков. Вот одна из них. Проводя многочисленные опыты с электродвигателем собственной конструкции Джоуль пользовался в качестве источников питания цинковыми батареями, которые быстро выходили из строя, в результате чего он пришел к убедительному выводу: лошадь никогда не будет вытеснена электромотором, потому что прокормить ее намного дешевле, чем заменять цинк в батареях.
Зато живая природа воспользовалась уникальными преимуществами электрохимического метода преобразования энергии, в биологическом варианте кислородно-водородный топливный элемент - основа биоэнергетики всего живого. Биохимиками установлено, что каждая клетка обязательного структурного элемента содержит некое подобие топливного элемента, использующего холодное горение водорода с кислородом. Источником водорода служит пища (жиры, белки, углеводы), кислород через легкие попадает из воздуха. Минуя мало эффективную тепловую стадию, энергия при обычных температурах в цепи окислительных процессов непосредственно преобразуется в механическую энергию мышечных волокон, осмотическую работу секреторной деятельности, в энергию биоэлектрических явлений нервных клеток, запускающих все происходящие в живом организме процессы.
Итак, во всех энергетических превращениях, происходящих в технике, живой и неживой природе энергия как не может бесследно исчезнуть, так и не может возникнуть из ничего. Но почему же КПД электрохимического генератора или полупроводникового термоэлектрического обогревателя оказался больше 100%? В чем же разгадка приведенного парадокса? Обратимся к определению КПД.
Эффективность преобразования или передачи энергии различного рода устройствами и машинами характеризуется коэффициентом полезного действия, который в общем случае определяется отношением полезно использованной энергии Wпол к суммарному количеству энергии W, полученной преобразующей системой:
Однако, в технике иногда учитывают не всю энергию, поступающую в систему, а только ту ее часть, для получения которой производятся реальные затраты, как молчаливо предполагалось в описанных выше случаях, тогда
где Wзатр — энергия, связанная с реальными затратами на ее получение и составляющая только часть всей подводимой к системе энергии. Поскольку Wзатр < W, то из последнего определения КПД следует, что η` > η, и может быть больше 1.
Истинный коэффициент полезного действия энергетического преобразователя всегда меньше единицы из-за потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.д. Более того, получение необходимой потребителю энергии связано с последовательностью процессов взаимных превращений разных видов энергии, на каждой ступени которых потери также неизбежны. Поэтому эффективность преобразования энергии каждого отдельного элемента трансформирующей системы характеризуется частным КПД, а общий коэффициент полезного действия всей цепи превращений равен произведению КПД отдельных ступеней (частных КПД), любой из которых не может превысить 1, а потому КПД преобразующей системы в целом заведомо меньше 1.
