Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени — аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха — послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их назвать можно только условно, поскольку идея была совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане — как двигатели.

Авторская схема «нуль-мотора» приведена на рис. 5.1. В дальнейшем она была усовершенствована (добавлен еще один котел, введен струйный эжектор). Однако принципа работы «нуль-мотора» эти изменения не касались.

Как же, по мысли автора, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300 К = 27 °С) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа (10 ат) [69] . Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление пара. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (так называемый детандер). В этом случае он расширяется, и давление становится, например 0,1 МПа (1 ат), отдавая внешнюю работу, соответственно охлаждается до 250 К (—23 °С) и частично при этом ожижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной, — детандером. В насосе давление аммиака снова поднимается до 1,0 МПа (10 ат). Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Q О.С., поступающей из более теплой атмосферы (напомним, что аммиак после расширения имеет температуру — 23 °С), он снова испаряется. Пар отводится в детандер, и цикл повторяется. Таким образом, двигатель работает, отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).

Никакого нарушения первого закона термодинамики — закона сохранения энергии — здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Q О.С., столько и отводится в виде работы (L = Q О.С.). Вроде бы все в порядке.

Но… Всегда это проклятое «но», как только дело касается ppm. Но двигатель почему-то не работал. В чем же дело?

Чтобы ответить на этот вопрос, составим энтропийный и эксергетический балансы «нуль-мотора». С энтропийным балансом дело обстоит хуже, чем с энергетическим: с теплотой вносится некоторая энтропия Q О.С./ T О.С., а с работой энтропия не выносится, так как энтропия потока работы равна нулю. Следовательно, энтропия не только уменьшается, а даже исчезает. Это явное нарушение второго закона.

То же показывает эксергетический баланс. Эксергия поступающей теплоты равна нулю, она неработоспособна, так как имеет температуру окружающей среды T О.С.. Получаемая работа равна эксергии, следовательно, эксергия отводится, но не подводится — она возникает «из ничего». КПД «нуль-мотора» равен бесконечности:

Таким образом, «нуль-мотор» — это типичный «монотермический двигатель» — ppm-2.

Представим себя на минуту в положении того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижен, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково — 1,0 МПа (10 ат). Как сдвинуть все части машины с места? Попробуем самый простой способ — начнем раскручивать маховик и затем отпустим его, чтобы машина уже сама продолжила работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в самостоятельное движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.

Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за нейбыло ниже,чем перед ней.Гэмджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачиваяработу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаватьсяв окружающую среду.

Другими словами, «нуль-мотор» будет вместо работы выдаватьэнтропию, приближая, если верить Клаузиусу, конец света. Таким образом, название «нуль-мотор», придуманное Гэмджи, сыграло с ним дурную шутку: двигатель действительно в полном смысле слова оказался нуль-мотором, но не из-за нулевой потребности в топливе, а из-за нулевого результата — отсутствия полезно производимой работы.

Можно ли что-нибудь сделать, чтобы заставить «нуль-мотор» производить работу, а не «съедать» ее? Эта задача решается очень просто. Нужно перед насосом включить в схему еще один аппарат — конденсатор, как показано на рис. 5.3, и отводить от него теплоту Qпри более низкой температуре T 0< T О.С.. Тогда аммиак будет в нем сжижаться, и давление его соответственно снизится. Если, например, проводить конденсацию при T 0= 250 К (—23 °С), то, как видно из кривой на рис. 5.2, давление в конденсаторе установится около 0,16 МПа (1,6 ат). Двигатель сразу оживет, так как на детандере появится перепад давлений; он начнет работать, расширяя аммиак с 1,0 МПа (10 ат) до 0,16 МПа (1,6 ат). Часть произведенной работы пойдет на насос, а остальная — полезная работа — будет выдана потребителю. Это будет большая часть работы детандера, так как насос отберет только небольшую ее часть (он перекачивает жидкость, объем которой в десятки раз меньше, чем пара; соответственно меньше и нужная работа).

Такой двигатель заработал бы потому, что было бы выполнено требование второго закона — имелась бы разность температур (T О.С.– T 0). При T О.С.подводилась бы теплота Q О.С., а при T0 отводилась бы теплота Q 0< Q О.С.Разность Q О.С. —Q 0давала бы работу L= Q О.С. —Q 0в полном соответствии не только с первым, но и со вторым законом термодинамики. «Монотермический» двигатель превратился бы в обычный, работающий между двумя температурными уровнями.