Холод против тепла

Глобальным потеплением называют постепенное повышение средней температуры на Земле. С конца XIX века до 2022 года температура увеличилась примерно на 1,15°C по сравнению с ее доиндустриальным уровнем (XIX век). Но если с начала XX века по 1980 г. потепление происходило на 0,1°C за десятилетие, то в дальнейшем — начало быстро расти: 0,7°C (90-е), 0,9°C (2000-е), 1,2°C (2010-е) и 1,3°C (2023-й) (данные Всемирной метеорологической организации ВМО и других источников). По прогнозам при отсутствии строгих климатических мер к концу XXI века среднеглобальная температура может возрасти еще на 3°C. Это означает, что в пустынях Деште-Лут (Иран) или Сонора (США) (самые жаркие места на Земле) летняя температура может достигать 85°C (!!!).

Таким образом, глобальное потепление с каждым десятилетием нарастает, и скорость его увеличения зависит от уровня антропогенных и природных воздействий (таяние тундры и рост выделения вредных газов земными океанами, учащение экстремальных погодных явлений, таких как сильные засухи, ураганы, наводнения и лесные пожары).

В связи с ускорением темпов глобального потепления и связанных с этим опасностями правительства и международные организации принимают различные меры, направленные на ограничение выбросы парниковых газов, на переход к «чистым» источникам энергии и адаптацию к изменяющимся климатическим условиям. Вот сокращенный перечень таких мероприятий:

— Киотский протокол 1997 г.: Первое глобальное соглашение по сокращению выбросов парниковых газов, которое ставило юридически обязывающие цели для развитых стран.

— Парижское соглашение 2015 г.: Страны-подписанты обязались удерживать рост глобальной температуры значительно ниже 2°C по сравнению с доиндустриальным уровнем, а также прилагать усилия для ограничения роста температуры до 1,5°C.

— Переход на возобновляемые источники энергии и инвестиции в «зеленую» энергетику, развитие возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и гидроэнергия.

— Углеродные налоги и торговля вредными выбросами.

— Стимулы для бизнеса: во многих странах внедряются меры для стимулирования компаний сокращать выбросы.

— Многие страны принимают законы, направленные на повышение энергоэффективности в строительстве, транспорте и промышленности. Например, Евросоюз ввел стандарты для автомобилей, направленные на снижение выбросов CO₂.

— Электрификация транспорта: некоторые страны планируют в ближайшие десятилетия запретить продажу автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

— Финансовая поддержка, создание Фонда Зеленого климата для оказания помощи развивающимся странам в реализации климатических проектов, направленных на снижение выбросов и адаптацию к изменению климата.

— Информационные кампании: правительства и международные организации проводят кампании, направленные на повышение осведомленности населения о проблемах изменения климата и необходимости снижения выбросов вредных газов.

 В этом месте возникает интересный вопрос: а почему бы для решения проблемы не использовать те физические способы, которые давно придуманы и на основе которых существуют морозильные камеры, холодильники, кондиционеры, рефрижераторы, ожижительные машины для получения газов в жидком состоянии, в которых подводимая энергия используется для охлаждения продуктов, помещений, автомашин, а также получения сжиженных газов, например, азота, водорода и гелия? Ведь действительно существуют физические методы, которые позволяют использовать тепло для создания холода. Эти процессы основаны на законах термодинамики и в основу их действия положены различные физические механизмы. Вот наиболее известные способы:

1. Абсорбционные холодильные машины: этот метод использует тепло для охлаждения. В основе работы абсорбционных холодильников лежит термохимический процесс. В таких системах рабочее тело (чаще всего это смесь аммиака с водой или воды с бромистым литием) переходит из одной фазы в другую под воздействием тепла. В абсорбционной системе, тепло используют для нагрева раствора, который испаряется и поглощается абсорбентом. Затем эта смесь охлаждается и происходит повторное испарение, создавая охлаждение. Обычно такие системы используют низкопотенциальное тепло (например, отработанное тепло, солнечное тепло и т. п.).
2. Компрессионный цикл в рефрижераторах: основной принцип работы рефрижератора базируется на использовании холодильного цикла, аналогичного используемому в обычных холодильниках или кондиционерах. Компрессор сжимает хладагент, увеличивая его давление и температуру. Нагретый газ проходит через конденсатор, где он охлаждается и превращается в жидкость, отдавая тепло наружу.Охлажденная жидкость поступает в испаритель, где она расширяется и снова превращается в газ, забирая тепло из внутреннего пространства рефрижератора.Процесс повторяется.циклически.
3. Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье): это явление основано на том, что при пропускании электрического тока через стык двух разных проводников выделяется или поглощается тепло. Хотя в большинстве случаев этот процесс требует электроэнергии, тепло может быть использовано для генерации электричества (например, с помощью термоэлектрических генераторов), которое затем может быть использовано для охлаждения с помощью эффекта Пельтье.
4. Тепловые насосы: тепловые насосы способны перекачивать тепло из одной среды в другую. Используя теплоизбыточную среду (например, окружающий воздух), можно откачивать тепло из системы и таким образом снижать температуру внутри системы. Тепловой насос может использоваться в холодильниках или кондиционерах, где тепло отводится из замкнутого объема (например, внутри холодильника), а затем выводится наружу, создавая эффект охлаждения.
5. Сорбционные холодильные машины: они подобны абсорбционным холодильникам, но вместо жидких растворов используют твердые сорбенты (например, активированный уголь) и газовые рабочие вещества (например, аммиак или водород). Здесь также используется тепло для адсорбции, что позволяет охлаждать.
6. Испарительное охлаждение: хотя это не совсем прямой способ преобразования тепла в холод, испарение жидкости (например, воды) поглощает тепло, что создает эффект охлаждения. В испарительных охладителях теплый воздух проходит через влажные поверхности, где вода испаряется и забирает тепло, охлаждая таким образом воздух.
7. Холодильные машины с использованием эффекта Ранкина: цикл Ранкина (часто используемый в паровых турбинах) может быть использован для преобразования тепловой энергии в механическую, которая затем может использоваться для работы холодильной машины, создающей холод.
8. Основные этапы процесса сжижения газов: газсжимают до высокого давления, охлаждают через теплообменники или с использованием хладагентов. Расширение и дросселирование газа для его охлаждения до предельно низких температур (эффект Джоуля-Томсонаили эффект дросселирования). Сжижение газа при достижении критической температуры и давления. Эти процессы требуют сложного оборудования и соблюдения строгих условий безопасности, так как работа ведется с экстремально низкими температурами и высокими давлениями.

Таким образом, с помощью тепловых процессов действительно можно получить охлаждение. Особенно часто такие системы используются там, где есть доступ к дешевым источникам тепла, например, солнечной энергии или отработанному теплу промышленных установок.

Означает ли всё вышесказанное, что происходящее ныне ускоренное повышение температуры земли можно будет в будущем снижать до нормальной температуры с помощью машин, работающих по приведенным выше принципам?

 

Идея использования тепловых машин для охлаждения Земли — интересная, но на практике она сталкивается с серьезными ограничениями и проблемами. Рассмотрим, как это могло бы работать и почему это не является реалистичным решением проблемы глобального потепления.

1. Проблема масштабов: тепловые машины, такие как абсорбционные холодильники, термоэлектрические устройства или тепловые насосы, эффективны на небольших масштабах или площадей — для охлаждения зданий, техники, автомобилей и т.д. Однако для охлаждения Земли в глобальном масштабе необходимы устройства, способные перерабатывать колоссальные объемы тепла.Масштабы тепловой энергии, связанной с глобальным потеплением, измеряются в зеттаджоулях (10²¹ джоулей), что намного превышает возможности существующих технологий для контроля температуры на планетарном уровне.
2. Проблема отвода тепла: тепловые машины работают путем перемещения тепла из одной среды в другую. Например, кондиционер охлаждает помещение, выводя тепло наружу. В случае с Землей такой механизм невозможен, так как для отвода тепла необходимо отводить его в космос, а это очень сложно с точки зрения технологий и энергоэффективности. В существующих системах для отвода тепла чаще всего используется окружающая среда, например, атмосфера или океаны. Однако в случае глобального потепления это пространство уже перегрето, и дополнительные тепловые выбросы в окружающую среду могут только ухудшить ситуацию.
3. Энергоемкость и источник энергии: машины, работающие на термодинамических принципах, нуждаются в энергии для работы. Даже если мы можем использовать возобновляемые источники энергии (например, солнечную или геотермальную), нужно огромное количество энергии, чтобы охладить даже небольшую часть атмосферы. Энергоемкость такого процесса превышает доступные ресурсы.
4. Вторичный эффект теплового загрязнения: тепловые машины сами по себе не создают холод, они просто перемещают тепло. Любая такая система будет генерировать дополнительное тепло из-за неэффективности процесса, увеличивая общую тепловую нагрузку на Землю.
5. Эффективность охлаждения: производство электричества с помощью солнечного тепла и его использование для охлаждения (например, через кондиционирование воздуха или термоэлектрические системы) также связано с потерями. Системы охлаждения не являются полностью эффективными — они тоже отдают тепло в окружающую среду. Это означает, что часть энергии, которую мы затрачиваем на охлаждение, сама по себе выделяет тепло. Общий КПД процесса (преобразование солнечного тепла в электричество, а затем электричества — в охлаждение) будет крайне низким. Совокупные потери на всех этапах делают этот процесс неэффективным для решения глобальной проблемы теплового загрязнения.
6. Масштаб и распределение тепла: для охлаждения планеты необходимо переработать огромное количество тепла, поступающего на Землю с солнечным излучением. При этом любые локальные системы охлаждения (например, кондиционеры, холодильники и т. д.) отдают тепло в окружающую среду, чаще всего в воздух или воду, а не удаляют его за пределы планеты. В глобальном масштабе они могут даже усугубить проблему, поскольку тепло от системы охлаждения распространяется и добавляется к общему тепловому балансу.
7. Климатический дисбаланс: даже если удастся создать локальные зоны охлаждения, такие как города или отдельные регионы, это не решит глобальные климатические проблемы. Системы охлаждения будут воздействовать лишь на небольшие участки земной поверхности, в то время как общее накопление тепла в атмосфере и океанах будет продолжаться.
8. Альбедо и парниковые газы: один из ключевых факторов глобального потепления — изменение альбедо (отражающей способности) Земли. Темные поверхности (например, асфальт, океаны) поглощают больше солнечного излучения, а светлые поверхности (например, лед) отражают его обратно в космос. Наряду с этим увеличенные выбросы парниковых газов задерживают тепло в атмосфере. Преобразование солнечного тепла в электричество и охлаждение не решает проблему альбедо и выбросов CO₂, которые являются основными драйверами глобального потепления.
9. Огромные энергетические потребности: масштаб использования электричества для глобального охлаждения требует огромных энергетических ресурсов. Даже если удастся получить электричество от Солнца, его будет недостаточно для того, чтобы охладить всю планету. Для этого нужны энергоемкие системы и глобальная инфраструктура, что требует значительных ресурсов и времени на реализацию.
10. Вторичные эффекты: применение систем охлаждения в больших масштабах может создать неожиданные и негативные последствия для климата. Локальное охлаждение или попытки изменить температурные режимы на обширных территориях могут нарушить сложные атмосферные и океанические процессы, что приведет к непредсказуемым изменениям в погодных паттернах, например, усилению штормов или изменению ветровых течений.
11. Коренные причины проблемы: глобальное потепление вызвано увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, таких как CO₂или CH₄.Поэтому первоочередной задачей является сокращение выбросов этих газов, а не просто попытка охлаждать планету. Если главный источник проблемы — накопление тепла — не устранить, то любое охлаждение станет временным решением.

Заключение:

Хотя идея использовать солнечное тепло для получения электричества и последующего охлаждения интересна, ее применение для решения проблемы глобального потепления сталкивается с рядом серьезных проблемам: низкий КПД, грандиозный масштаб проблемы, вторичные тепловые выбросы и невозможность эффективно отводить тепло за пределы планеты. Теоретически машины, работающие на основе перемещения тепла, могут использоваться для управления температурой на небольших масштабах. Однако они не могут быть эффективными для охлаждения всей планеты.

Проблема глобального потепления требует системного подхода, включающего снижение выбросов парниковых газов, переход на возобновляемые источники энергии и, возможно, развитие геоинженерии.

Несколько иная точка зрения:

Валерий Лебедев Нервный разговор о потеплении 

https://lebed.com/2019/7571.htm