«Наука в Сибири» № 9 (2694) 5 марта 2009 г. О ПОЛЬЗЕ ПРОСТЫХ И КРАСИВЫХ ИДЕЙ Премией им. Г. М. Кржижановского отмечена работа «Технология термодинамического моделирования в энергетике». Авторы ее — главный научный сотрудник Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН доктор технических наук Б. М. Каганович, бывший заместитель директора этого института, а ныне заместитель директора Института энергетических исследований РАН, член-корреспондент РАН С. П. Филиппов и заведующий отделом ИСЭМ кандидат технических наук А. В. Кейко. Галин Киселева, г. Иркутск Б.М. Каганович Наша беседа с человеком, стоявшим у истоков этой работы Б. М. Кагановичем, началась с... цитирования высказываний и стихов классиков. Борис Моисеевич, как я поняла, знает их великое множество. — Термодинамика, наука, которой мы занимаемся, с одной стороны, казалось бы, старая, простая, но очень спорная. О достоинствах ее хорошо сказал в своей творческой автобиографии Эйнштейн: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий, она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)». Попытаться объяснить идею термодинамики можно и так, как это прекрасно сделал, популярно и исключительно глубоко, другой гений — А. С. Пушкин: «Движенья нет!», — сказал мудрец брадатый, Другой смолчал и стал пред ним ходить. Сильнее бы не мог он возразить, Хвалили все ответ замысловатый, Но, господа, забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами солнце ходит, Однако ж, прав упрямый Галилей» Это гениально! Поэт точно ухватил основную идею Галилея! А еще на эту тему есть стихотворение у Ломоносова. Двое ученых мужей спорили, кто прав — Птолемей или Коперник. Вмешался повар: «Что в том Коперник прав! Я правду доскажу, на Солнце не бывав, Кто видел простака средь поваров такова, Который бы очаг вертел вокруг жаркова!» Солнце, Земля — это частный случай, а Галилей установил относительность движения и покоя, и что движение можно передавать описаниями покоя. В школьных учебниках утверждается: если силы, действующие на тело, находятся в равновесии, оно сохраняет состояние покоя, или равномерного прямолинейного движения. Например, кадры кино — неподвижные, застывшее картинки мгновений. Мы их двигаем с определенной скоростью и создаем иллюзию движения, а движение передаем через непрерывную последовательность состояний покоя, застывших мгновений. Вся термодинамика, я бы сказал, основана на этом — на предпосылках о равновесии. Вспомните из курса школьной физики: действие всегда равно противодействию. Если противодействия нет — нет и действия, то есть в любой момент любое движение всегда можно описать состоянием равновесия. Что же касается нашей работы, за которую мы получили премию, то это технология математического моделирования физико-химических процессов на основе положений классической равновесной термодинамики и ее применение в анализе физико-технических и технико-экономических проблем энергетики. Мы предложили распространить положения классической термодинамики на процессы и состояния вдали от состояния конечного равновесия. На правомерность такого приема указывал еще Людвиг Больцман. Это не просто углубило термодинамический анализ, но привело к появлению новых содержательных постановок при решении разнообразных задач в энергетике и экологии. Мы предложили сведение моделей движения к моделям покоя (равновесия). Оно позволяет исследовать всё множество возможных состояний, термодинамически достижимое из заданной начальной точки, и определять на нем состояние частичного или полного равновесия, соответствующее экстремальному значению целевого свойства. Например, можно отыскать максимальную концентрацию полезного или минимальную концентрацию вредного продукта технологии. Другими словами, нами предложен способ, позволяющий не только определить направления необратимых процессов, но и оценить достижимость на этих направлениях желаемых и нежелаемых состояний. Мы показали универсальность положений равновесной термодинамики, применяемых в моделях траекторий в макроскопическом мире. В этом-то и особенность нашего подхода. Его преимущество заключается в том, что проще получаются математические описания. Ведь описать состояние покоя проще, соответственно, и математический аппарат применяется более простой. Что мы сделали? Чтобы описать какой-то процесс и узнать его результат, мы даже не стараемся задать некую последовательность — как одно состояние меняет другое. Например, если камень катится с горы, мы не задаем траекторию, а задаем некое ограничение и исследуем особенные, крайние точки. Термодинамические функции ведь могут изменяться только монотонно — или вниз или вверх, или не убывать или не возрастать. При этом математические расчеты гораздо проще, поскольку сама идея проста. — И почему же эта простая идея никому в голову до вас не пришла? — Не могу этого утверждать. Например, наш коллега Александр Николаевич Горбань раньше нас высказал подобные взгляды. Он работает в Англии, но продолжает сотрудничать и со своими красноярскими коллегами. Александр Николаевич занимается траекториями и переводит их описания из пространства кинетических переменных в термодинамическое пространство. Мы описание траекторий заменяем описанием состояний. — Вы математик по специальности? — Не математик и даже не физик. Я — инженер теплоэнергетик. Кстати, в энергетике широко применяются принципы термодинамики. Помните, в 1973 году тоже был экономический кризис, резко подорожала нефть, и во всех странах ученые занялись исследованиями того, как жидкое топливо делать, например, из угля. И я этим занимался в энергетическом институте. Тогда мы и стали впервые исследовать эти процессы с помощью термодинамики. Для некоторых технологий результаты расчетов совпадали с опытными данными, а для некоторых — вместо «нефти» стало выделяться что-то другое. И тогда мы поняли, что надо обратить внимание на то, что происходит «по дороге» к конечному теоретическому результату, в точках промежуточного равновесия. Для исследования промежуточных состояний покоя мы и сделали свою модель, которая отмечена премией Кржижановского. Поскольку мы не математики и не химики, то в первый момент засомневались в своих идеях. Потом прочитали Горбаня — он как раз и описывал, что может произойти «по дороге». Обратились к химикам в Иркутский госуниверситет — и они подтвердили наши выводы. Мы осмелели и изложили свои идеи в Институте теплофизики и Институте катализа СО РАН. Затем нашли единомышленников в Красноярске и в Москве. — И никто в России не оспаривал вашу работу? — Не все шло гладко. Были и оппоненты, и явные противники. Раньше даже статьи наши не хотели печатать — какой-то профессор ставил свое резюме «Отказать». Но нас поддержал академик Александр Иванович Леонтьев. Каждую статью с трудом пробивали. А потом апробировали свои идеи в разных институтах, перед теми, кто обеспечивает космическую промышленность. И нас поняли. То, что нашу книгу опубликовали в Англии, говорит само за себя. — Итак, вы получили очень простые модели. И где они могут найти применение? — Сфера применения наших моделей очень широкая. К сожалению, у нас очень мало помощников и мы не можем развернуть более подробные исследования. С Александром Кейко считали процессы горения — какие в результате образуются вредные вещества. Есть такая программа исследования работы авиационных двигателей, в которой мы участвуем. Раньше летчиков не интересовала экология, главное, чтобы скорость и прочность была, а сейчас к самолетам предъявляют и другие требования, в частности, экологические. С. П. Филиппов В топках различных котлов, в печах с помощью наших методик процессы изучали, выясняли, где больше образуется канцерогенов, бензопирена, оксидов азота, серы и т.д. Мои соавторы, тоже ставшие лауреатами: член-корреспондент РАН С. П. Филиппов и заведующий отделом ИСЭМ, кандидат технических наук А. В. Кейко, также много исследований провели в этом направлении. Когда-то они были моими учениками, а сейчас, можно сказать, переросли учителя. Оба очень работоспособные, талантливые исследователи. Сергей Филиппов больше аналитик. Александр Кейко в основном занимается переработкой топлива, газификацией и ведет термодинамические расчеты. Мы с ним считали и компоненты выбросов объектов энергетики в атмосферу, и что потом с ними происходит. Они осаждаются на капельки воды, в которых и происходит образование азотной или серной кислот. Но все же наши исследования связаны в основном с энергетикой, а нужно осваивать более широкий круг задач. А.В. Кейко Мне повезло в свое время встретиться с очень талантливым человеком Виктором Яковлевичем Хасилевым, который стал надолго моим учителем, пригласил работать в наш институт. Виктор Яковлевич еще в 40-е годы начал конструировать аналоговые машины для решения дифференциальных уравнений. Мы с ним рассчитывали системы теплоснабжения, гидравлические. Сейчас я горжусь тем, что перевел своего учителя на язык термодинамики. Что гласит второй закон термодинамики? Любая система, если она изолирована, идет к точке равновесия. А точка равновесия — это наибольший хаос. Чтобы был порядок, надо откуда-то энергию брать. Человек, чтобы мыслить, должен кислород поглощать, питаться и т.д. Изолированная система фактически деградирует, ее точка равновесия — это точка деградации. Если есть обмен с окружением, то внутри можно установить точку равновесия упорядоченную. Это я и сделал по Хасилеву, обосновывая равновесные термодинамические методы технико-экономической оптимизации тепловых сетей. Термодинамика — универсальная наука, и нашу модель применять можно всюду. В отличие от традиционных методов равновесной термодинамики, где ищут только конечную точку, мы, используя современные вычислительные методы математики, наблюдаем все множество возможных точек, в которые можно попасть из исходного состояния. Смотрим ту, которая нас интересует, например, точку наибольшего выхода бензина из угля. Заделы созданы, найдены наиболее оптимальные решения, но людей для развития наших идей очень мало. А так хочется увидеть более широкое их применение. Лично я термодинамику люблю и очень в нее верю. Верю, что очень многие вещи можно делать с помощью ее методик. Из отзыва специалистов: «Созданные авторами модификации термодинамических моделей нашли применение в энергетике при исследовании технологий сжигания и переработки топлив, многоконтурных гидравлических систем транспорта энергоносителей и процессов загрязнения природы антропогенными выбросами. Эти исследования дают возможность предположить, что в развитии классической равновесной термодинамики начался новый виток, который обеспечит качественное продвижение в решении экономических, технических и экологических проблем энергетики». Фото В. Короткоручко стр. 10