Аннотация: Академики РАН всех запутали. Они подменили суть спора о границах применения второго начала термодинамики спором о его истинности. Да, второе начало термодинамики истинно для процессов, происходящих на кончике иглы.
Сколько легионов начал термодинамики может разместиться на кончике иглы.
Авторам этой статьи повезло.
Повезло тем, что один из них, самый старший, с детства занимался радиолюбительством, потом окончил институт и аспирантуру в МГУ, а потом пришлось ему и прочим, заняться другим видом деятельности - термодинамикой. Другие авторы тоже многогранны.
У радиоинженера подход к проблеме прост: если что-то нужно сделать - это обязательно можно выполнить, если при этом не нарушаются законы, действующие в той области, где нужно искать решение.
Этому способствует умение задавать вопрос к законам о том, для какой области придуман закон, который мешает нам достичь, в первом приближении, невозможного.
Есть ли такой навык у лиц, которые работают в официальной термодинамике в России? Скорее нет, чем да! Кстати, термодинамика в России - это наука?
1. Термодинамика в России - это наука?
1.1. Есть ли у авторов право рассуждать о подобных категориях?
1.1.1. В телевизионной передаче 'Фабрика мысли', ТВЦ, 16 марта 2008г, авторы этой статьи демонстрировали действующий макет вечного двигателя второго рода (если говорить в терминах господствующей в России концепции теплоты - теплородизма).
Если говорить грамотно, то авторы демонстрировали изотермический преобразователь теплоты окружающей среды в постоянный электрический ток.
Эксперты, приглашённые на передачу, встали в тупик и не приняли решения о реализуемости и о полезности услышанного и увиденного на передаче.
Они пояснили отсутствие решения тем, что увиденное оказалось в противоречии с тем, чему их учили в школе, а в школе учили: - этого не может быть, потому, что этого не может быть никогда!
В помощь лицам, которые скоро столкнутся с подобной проблемой - восприятия доказанной возможностью создания 'вечного двигателя второго рода' - изотермических преобразователей теплоты, и написана данная статья.
1.1.2. Радиоинженерам известно, что на выводах каждого электрического проводника существует напряжение тепловых, флюктуационных шумов, т.е. ЭДС шумов Найквиста.
Радиоинженеры знают, что шумящие проводники - резисторы (не реактивные) являются изотермическими источниками шума, особенно сильно мешают приёму радиосигналов, потому, что складывается мощность этого изотермического источника шумового тока с полезным сигналом на входе усилителя и не позволяет устойчиво принимать сигнал, который ниже уровня шума.
Бороться с шумами можно, снижая температуру шумящих цепей, вплоть до криогенных температур (жидкого азота, жидкого гелия).
В общем случае, напряжение шума проводника, подключенного в некоторую цепь, вызывает во внешней цепи шумящего проводника ток, ток протекает по нагрузке и выделяет тепловую мощность. В режиме согласования по мощности, внутренне сопротивление шумящего проводника равно величине сопротивления нагрузки. В этом случае мощность (отнесенная к одному Герцу полосы шумящих частот), выделяющаяся во внешней цепи проводника (равна мощности, выделяющейся на внутреннем сопротивлении шумящего проводника) определяется известной формулой (С.И.Баскаков, 'Радиотехнические цепи и сигналы', М, Высшая школа, 1988г., стр. 257 строка (10.28)). Полная мощность (в эргах), во всей полосе шумящих частот, равна:
Р = k * T * f * N , где:
K - постоянная Больцмана;
T - температура шумящего проводника в градусах Кельвина;
F - полоса шумящих частот в Герцах;
N - коэффициент шума в разах.
Из формулы видно - что мощность шума Найквиста - это проявление работы изотермического преобразователя теплоты в электрический ток. Тут нет сомнений, в формуле нет температуры холодного участка цепи !!!!
Что говорят на это верующие в то, что второе начало термодинамики действует во всём поле преобразования теплоты в другие виды энергии (далее, 'теплородисты')?
Все, академики РАН, из тех, с кем общался автор, не знакомы с формулой Найквиста и говорят: 'Этого не может быть, потому, что этого не может быть никогда!'.
Отчасти они правы. Дело в том, что резистор - источник шумового тока, передав энергию в нагрузку - охладится, но и нагрузка - это тоже проводник, который шумит и тоже создаёт шумовой ток во внешней цепи, а внешняя цепь для него будет наш источник шума, для которого мы считали мощность тока во внешней цепи.
Поскольку резисторы - исходный шумящий и нагрузка (в режиме согласования по мощности, равны), то мощности шума обеих резисторов равны. Назовём их 'генератор шума 1' и 'генератор шума 2' и они включены последовательно друг к другу.
Получается, что та энергия тепловая, которая отобрана у шумящего внутреннего сопротивления генератором шума 1 и передана во внешнюю цепь, восполняется энергией шума, приложенной к генератору шума 1 от генератора шума 2. И наоборот - та тепловая энергия, которая отобрана генератором шума 2 у своего внутреннего резистора и передана в резистор генератора шума 1 - пополняется током от генератора шума 1.
В таком случае, если убыль тепловой энергии источника 1 компенсируется выделением в нём энергии от шумового тока 2, то не может быть отнята из него во внешнюю цепь, даже часть запасённой им тепловой энергии (в температуре и теплоёмкости проводника ? На самом деле так и есть.
Другое дело, если в этой последовательной цепи из источника шума и нагрузки появляется нелинейность проводимости, например, мостик из выпрямителей, к которому подключены сопротивление нагрузки и конденсатор.
Конденсатор блокирует шумы резистора нагрузки (шумы генератора шума 2) и эти шумы не могут быть переданы во внешнюю цепь, т.е во внутреннее сопротивление генератора шума 1. Токи цепи, обусловленные шумовым напряжением источника шума, всегда будут определяться только током генератора шума 1 и будут протекать по нагрузочному резистору (причём, в одну сторону), выделять на нём тепловую мощность, ту мощность, которую электроны отобрали из теплоты шумящего резистора - внутреннего сопротивления генератора шума 1.
А вот это уже полноправный изотермический преобразователь теплоты шумового сигнала в направленный (не случайный) электрический ток.
До настоящего времени никто в мире не умел выпрямлять столь малые шумовые напряжения и потому теплородисты, даже не отдавая себе отчёта в сути явлений, связанных с взаимодействием шумовых токов соединённых электрических проводников (резисторов) ссылаясь, зачастую каждый на свою, одну из 18 формулировок второго начала термодинамики, были правы в том, что 'этого нет'. А вот в том, что этого не может быть никогда - уже не правы.
Мир меняется, технические возможности растут, восприятие мира меняется, пространственное воображение у изобретателей совершенствуется!
Авторы этой статьи придумали способ построения выпрямителя с умножением шумовых напряжений Найквиста.
В формуле мощности шумов нет таких параметров, как: - величина шумящего резистора и нет переменных, связанных с геометрическими размерами шумящего проводника. Однако, а полоса частот шумового сигнала увеличивается с уменьшением геометрических размеров проводников (потому как уменьшается индуктивность и паразитная ёмкость проводника, с уменьшением его размеров). Из этого положения следует, что при реализации проекта нужно идти путём микроминиатюризации проводников и применения интегральной технологии для создания шумящих проводников и выпрямителей их шумового тока.
Созданная микросхема, включающая в себя множество независимых источников шума со своими выпрямителями, имеющая цепи сложения мощности парциальных выпрямителей шума, может называться - 'найквистор'.
При достижимой плотности размещения элементов на подложке (при 45нм технологии), на площади в один сантиметр квадратный может быть расположено столько шумящих независимых проводников и столько выпрямителей их шумовых напряжений (более 30 миллиардов), что суммарная выходная мощность выпрямителей может превышать 8.8 Вт.
Плата площадью в один метр квадратный с расположенными на ней бескорпусными микросхемами - найквисторами, может выдавать более 100 кВт постоянного тока.
При равной стоимости и массе по отношению к солнечной панели, панель найквисторов выдаёт энергии в 300 раз больше (в среднем по году).
Вывод 1. Статистическая теория случайных тепловых движений электронов совпадает, по сути и по описанию со случайным характером движения молекул газа. Наличие нелинейности в цепи движения частиц приводит к появлению новых качеств этой цепи. Эти новые качества выводят устройства за границы, туда, где они становятся не подвластными второму началу термодинамики. Учёт влияния нелинейности в параметрах цепи приводит к возможности создания изотермических преобразователей теплоты.
Реально действующий макет изотермического преобразователя теплоты в постоянный электрический ток был создан и показан в телевизионной программе 16 марта 2008г. в передаче 'Фабрика мысли' на ТВЦ.
Авторы считают, что полученный результат позволяет им вторгнуться в такую деликатную область, как верование в догмы, в частности, осудить верование во второе начало термодинамики, как в вездесущий инструмент оценки всего нового и показать реальные границы поля, где применение инструмента в виде второго начала термодинамики (2НТ) - возможно!
2. Некоторые из известных формулировок второго начала термодинамики ( Игнатович В. Н. Введение в диалектико-материалистическое естествознание:
Монография. - Киев: Издательство 'ЭКМО', 2007.)
Что можно сказать о законе, имеющем, как минимум, 17 формулировок?
Только одно: Это не закон и даже не правило с исключениями, поскольку, на сегодняшний день не перечислены все исключения из этого правила!
Попробуем перечислить некоторые области, которые следует вывести из-под диктата 2НТ. Для начала оценим значимость и логичность разных формулировок 2НТ.
Итак:
2.1 'Невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение тепла в работу'- формулировка ложная, имеющая вид правдоподобия из-за употребления неоднозначного выражения 'единственным результатом'. И не конкретная. Все тепловые машины превращают тепло в работу и ничего кроме этого не делают, например, не пекут пирожки и не дают кредитов! Другое дело, что чаще всего в этих процессах, преобразуют не всю теплоту в работу, но это формулировкой допускается.
2.2 'Невозможно превращение тепла в работу без компенсации' - при строгом понимании 'компенсации' формулировка ложная, при нестрогом - бессодержательная, применимая к любому процессу.
2.3 'Теплота не может переходить от холодного тела к теплому сама собой, даровым процессом'- теплородистами это положение не доказано теоретически, а практически - есть примеры нарушения этого утверждения.
2.4 'Невозможно превратить в работу теплоту какого-либо тела, не произведя никакого другого действия, кроме охлаждения этого тела' - положение ложное по форме (в условии заложено как данность то, что второй частью отрицается).
2.5 'Осуществление перпетуум мобиле второго рода невозможно' - не доказано. В настоящее время есть практические примеры обратного.
2.6 'Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты' - выражает не особенности теплоты как формы движения, а особенность кругового процесса, который пока не удалось сконструировать тому, кто придумал эту формулировку (а он считает себя истиной в последней инстанции?).
2.7 'Наибольший коэффициент полезного действия тепловой машины не зависит от природы рабочего тела и вполне определяется температурами, между которыми машина работает ' - совершенно не правильно Гелий нельзя заставить работать в цикле Ренкина там, где работает вода. Правильно созданный преобразователь теплоты в работу должен иметь коэффициент преобразования равный единице, но он будет получаться только при определённых рабочих телах для заданной температуре подвода теплоты.
2.8 'Для равновесных процессов сумма приведенных теплот не зависит от пути процесса'- не доказано. Нет однозначного определения понятия 'равновесный' и 'приведённая теплота'.
2.9 'Энтропия является однозначной функцией состояния'- истинно для немногих систем. А если даже и истинно, то что из этой формулировки следует?
2.10 'Элемент тепла при равновесном процессе, деленный на абсолютную температуру, является полным дифференциалом энтропии'- истинно для немногих систем, а именно: для идеальных газов без гравитации. Это самая провокационная формулировка, которая и определяет границы применимости второго начала термодинамики.
2.11 'Абсолютная температура является фактором интенсивности теплоотдачи, а энтропия является фактором экстенсивности теплоотдачи'- истинно не во всех случаях, а именно для идеальных газов без гравитации.
2.12 'Уравнение для элемента тепла в равновесных процессах δQ = dU + pdV + P1q1 + P2q 2 + ... при любом числе независимых параметров всегда голономно, причем интегрирующим делителем является абсолютная температура'- положение ложное везде, кроме идеальных газов.
2.13 'В произвольной близости каждого состояния системы тел имеются соседние состояния, которые недостижимы из первого состояния адиабатным путем' - истинно для немногих систем, но верно для идеального газа.
2.14 'Для любого неравновесного цикла сумма приведенных теплот всегда есть величина отрицательная (неравенство Клаузиуса)'-не доказано.
2.15 'Энтропия всякой изолированной системы стремится к максимуму' - положение ложное: энтропия возрастает не у всех изолированных систем.
2.16 'Природа стремится от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным'- бессодержательное утверждение, ввиду неопределенности понятия 'наиболее вероятное состояние'. Оно не запрещает думать о вероятном состоянии с наименьшей энтропией. Это многократно подтверждено астрономами.
2.17 'Каждый процесс, происходящий в природе сам собой, может совершить положительную работу; в природе могут происходить только такие процессы, при которых может быть получена положительная работа' - тавтология. Единый процесс превращения энергии, здесь представлен как два процесса; одна сторона единого процесса называется 'процесс, происходящий в природе сам собой', другая - 'положительная работа'.
Вывод 2. Далее будет доказано, а пока примем к сведению, что второе начало термодинамики, во всех его не чётких формулировках, не вызывает аллергии, только в условиях идеального газа. Есть ли где идеальный газ - это отдельный вопрос.
3. Ретроспектива примеров, которые должны были бы ранее поднять вопрос о границах применимости второго начала термодинамики.
3.1 Парадокс Больцмана
(по материалам статьи В.Лихачёва, Журнал 'Свет', N7/97, стр.22-24.)
Вначале 'отличился' Клаузиус и попытался придуманное им определение энтропии распространить на весь окружающий мир, в том числе на космос.
Вселенная, согласно теории неуёмного возрастания энтропии, бесконечно давно должна была бы из-за повсеместного, глобального выравнивания температур, превратиться в огромный тепловой могильник, однако она не проявляет ни малейших намерений прекратить насмешливое перемигивание звёзд в миллиардах галактик.
Парадокс Клаузиуса, так и не найдя удовлетворительного научного истолкования, потом растворился в статистике Больцмана и ныне может быть сформулирован как парадокс Больцмана. Много молекул в атмосфере - чем не вселенная в уменьшенном размере - тогда там должно быть усреднение температуры?
По Больцману, с подсказки Клаузиуса, атмосфера Земли обязана быть изотермичной. На всех высотах должна быть одна и та же температура. Температура в атмосфере, как бы в насмешку над такой пантеоретикой градиентна, с поднятием на высоту понижается. Вот этот парадокс уже должен был бы основательно насторожить общество своей очевидной чувственной абсурдностью. Однако не произошло и этого. У нынешней науки оказалось достаточно невежественности, чтобы посчитать, что если факты ей противоречат, то тем хуже для фактов.
Парадокса Больцмана она не ощущает. Явно не принцесса на горошине!? Дескать, все тут очень и даже слишком понятно. Есть нагретая солнышком Земля, а вокруг - холодный Космос. Вот тепло через атмосферу от теплой Земли в холодный Космос и шпарит.
Такой тепло-поток, псевдо-научно назвали потоком Фурье. Отсюда - де и градиент.
На самом деле, это не объяснение, а свидетельство катастрофической разобщенности наук и особых свойств её прислужников, не видящих внутренних противоречий собственных теорий.
Как космос может быть холодным, если, по Клаузиусу, и его выводами об увеличением энтропии, он должен выравнивать свою температуру с горячими звёздами?
Или звёзды нынче холоднее Земной поверхности стали? Или от звёзд тепло не уходит в Космос?
Энергетикой цивилизации командуют термодинамики, теплотехники. Атмосферу они если и проходили, то уж, конечно, им ее не задавали.
Измерено, что температура в стратосфере Земли энергично понижается только до высоты порядка 12.5 километров, потом медленно изменяется, а выше, 32 километров, вновь энергично растет настолько же, насколько понижается до 12.5 км.
Зона роста температуры - стратосферная тепловая инверсия - принципиально непреодолимый барьер для потока Фурье, ибо здесь ему пришлось бы, вопреки второму началу, переходить от менее нагретых слоев атмосферы к ее более нагретым слоям.
Таким образом, то самое второе начало термодинамики, ради алогичного, ненаучного, непозволительно расширительного толкования которого и придумано такое якобы объяснение градиентности атмосферы через поток Фурье, и запрещает такое объяснение. А именно непозволительная расширительность применения второго начала и привела Клаузиуса к парадоксу тепловой смерти Вселенной, а Больцмана - к парадоксу изотермической атмосферы.
С открытием астрономами самопроизвольного зарождения планет и упорядочения газовых и пылевых облаков, с открытием взрывов сверхновых звёзд и 'чёрных дыр' исследователи пришли к выводу, что в космосе существуют одновременно два вида процессов - как процессов с увеличением энтропии, так и её уменьшения. Очевидно, что эти процессы уравновешены, иначе мир не был бы бесконечным и вечным.
Вывод 3:
Космос - не то поле, на котором действует только второе начало термодинамики. В космосе обнаружены и противоположно направленные (с точки зрения изменения энтропии) процессы, значит, ограничения, прописанные этим пресловутым началом, в своих 18 формулировках нарушаются в космосе!
Ну а раз нарушаются, значит - в космосе дубиной 2НТ размахивать нельзя!
Не вина процессов с уменьшением энтропии в том, что мы не желаем их обнаружить на Земле и не желаем использовать в энергетике!
Забегая вперёд можно сказать, что игнорирование этих парадоксов и вывод из под влияния ограничений 2НТ космоса, очевидно, разъярило апологетов флагистона на Земле и привело официальную термодинамику в России на уровень нетерпимости всего нового. Специалисты от термодинамики и академики РАН, увлеклись натягиванием презерватива второго начала термодинамики на глобус всех возможных преобразователей теплоты. Что из этого вышло?
Официальная термодинамика вытеснила из России изобретателей более эффективных термодинамических циклов - С.Христиановича (изобретателя парогазового цикла), С.Кутателадзе и Л.Розенфельда (изобретателей бинарной технологии). В результате уже 50 лет за рубежом все новые электростанции строились по этим циклам, и модернизировались старые электростанции, при этом их мощность возрастала в 2-3 раза, при сохранении расхода топлива. Таким образом, в течение 50 лет наращивалось опережение над Россией в энергоэффективности хозяйства.
Решение Экономического совета Содружества Независимых Государств от 11 марта 2005 г. "Об Основных направлениях и принципах взаимодействия государств - участников Содружества Независимых Государств в области обеспечения энергоэффективности и энергосбережения" констатирует : 'В настоящее время уровень энергоемкости ВВП в государствах - участниках СНГ в 2-3 раза выше, чем в ведущих зарубежных странах.'
Первую состоятельную попытку образумить науку предпринял наш добрый гений Константин Эдуардович Циолковский тому назад уже столетие. Его работа "Второе начало термодинамики" была даже у самого "великого Ленина". Однако пренебрежение фактом тропосферной температурной инверсии, в пользу признания допустимости низкого значения КПД электростанций сработало и в этом случае. Идеолог 'инверсии' был один, а конструкторов не эффективных электростанций было много. Первый шанс онаучить компопулизм был упущен.
Пришлось потом Чижевскому предостерегать Циолковского: "Берегитесь, Константин Эдуардович, у вас есть могущественный недоброжелатель", а Циолковскому, сидя в кутузке ВЧК, сетовать: "Авось, через сотню лет меня поймут". Работа Циолковского была осмеяна и забыта.
Как удалось забыть и факты, и их проводника, в наше просвещенное время, да еще когда имя Циолковского потом было возвеличено Сталиным (он всегда старался возвеличить тех не политиков, на которых косился Ленин)?
Это удалось достаточно хитрым приемом - подменой предмета спора.
Спор о границах применимости второго начала термодинамики был подменен спором об истинности или ложности самого второго начала. А далее сторонники абсолютизации второго начала выставляли как фигу убийственный довод: вся нынешняя техника основана на втором начале и даже если кпд техники низок, то в технике все верно, и до любого знака верно!? И перекрывался всякий кислород - и материальный, и интеллектуальный - попыткам что-либо соорудить из того, что может пошатнуть верование в то, что второе начало во все дыры затычка!
Изобретателям изотермических преобразователям оставили роль коверного клоуна в цирке, где уважаемые роли расписаны под теплородистов из РАН, а изобретателей стали дразнить: 'изобретатель вечного двигателя'.
Именно этот прием действует и поныне. И поныне одним из первых аргументов у теплородистов является тот, что - де за 170 лет никто не соорудил нечто, что опровергает второе начало! А как соорудить, если финансы контролируются теплородистами?
Нынешняя термодинамика в России основана на не знании границ применимости второго начала, на вере в недоступность познания этих границ, оттого термодинамика в России и является суеверием, а не наукой.
Интересен следующий факт.
П.Л.Капица не термодинамист, а физик. Ему в предвоенном 1937 году было поручено разработать процесс дешёвого получения кислорода для кислородного дутья в черной металлургии. Правители знали, что чугуна и стали потребуется много.
Капица П.Л. создал турбодетандерный разделитель воздуха, который, по сути - тепловой насос. Так вот, тот насос, что сделал П.Л.Капица, вместе с реальными потерями, имел эффективность выше, чем теоретическая оценка (максимальной возможной эффективности теплового насоса для этого применения), выполненная по обратной формуле С.Карно. П.Л.Капица не заметил, что нарушил второе начало термодинамики своим турбодетандерным разделителем воздуха.
Основанием для утверждения о том, что 'не заметил', является следующий факт. На третий день после заседания Президиума АН СССР от 20 ноября 1959 г., осудившего 'покушения' П.К.Ощепкова на второй закон термодинамики, уже 22 ноября в газете 'Правда' [494] против П.К.Ощепкова выступили три академика АН СССР - Л.А.Арцимович, И.Е.Тамм, П.Л.Капица. Следует отметить, что термодинамика не была специальностью ни одного из этих академиков.
Нынче пресса другая и сегодня у П.К.Ощепкова не было бы никакой возможности напечатать свою статью.
Есть ли ещё примеры передачи энергии от холодного тела к горячему?
Есть. Это 'шайтан труба' Ранке - Хилша - трубка 'Vortex tube' - устройство, не имеющее движущихся частей, которое преобразует поток обычного сжатого воздуха в два потока - горячего и холодного воздуха. Труба Vortex может производить холодный воздух до -450C для местного охлаждения и горячий воздух до + 1200C.
Устройство, работающее на обычном сжатом воздухе. Поток воздуха поступает в трубу и разделяется на две части: холодную на одном конце и горячую, на другом!
Энергия, затраченная на привод компрессора сжатого воздуха значительно меньше, чем энергия, заключенная в произведении теплоёмкости на перепад температур между горячим и холодным воздухом, отнесенные к единицы массы воздуха.
В этом случае наблюдается передача теплоты от холодного тела к горячему и опять, в нарушении принятых правил, не плотный и холодный воздух оказывается на переферии этой импровизированной центрофуги, а горячий и менее плотный (как в слое температурной инверсии в стратосфере, после 32 км высоты над Землей).
И опять, против правил, в центре центрофуги оказался холодный и плотный воздух.
Затраты энергии на привод этой 'шайтан трубы', по сути, связаны с созданием градиента силы (эквивалента гравитации), действующего поперёк потока воздуха.
Воздух перемещается вдоль оси трубы, а градиент поля по радиусу окружности сечения трубы.
Вывод 4:
Нельзя применять второе начало термодинамики в условиях, когда рассуждения касаются поведения газа в условиях гравитационного поля или градиента веса молекулы газа.
Этот вывод уменьшил общую площадь проявления свойств газа, до той величины, где допустима безоговорочная вера во второе начало термодинамики.
3.2 Почему появился парадокс Клаузиуса?
Известно, что Клаузиус, развил идеи, изложенные С.Карно в своей единственной книге. Формулы КПД двигателя и эффективности теплового насоса, выраженные через самую низкую температуру и самую высокую температуру термодинамического цикла вывел Клаузиус, исходя из предположения, что термодинамический цикл Карно самый эффективный. Последователями теплородизма эти формулы были возведены на пьедестал, как высшее откровение классиков. Эти формулы и сегодня чтут теплородисты и называют любовно, соответственно, прямая и обратная формула Карно!
Итак: С.Карно исследовал движущую силу огня, как он говорил в своём предисловии к работе 'Рассуждение о движущей силе огня и машинах способных реализовать эту силу', в 'обычных' тепловых машинах, состоящих из '... парового котла, цилиндра с поршнем и холодильника'.
Ко времени написания работы 'Движущая сила огня...' тепловой котёл не мог обеспечивать давление более 6 бар, а в области этого давления пар воды ведёт себя как идеальный газ. Все рассуждения С.Карно основываются на идеальности газа.
Известно, что к моменту написания работы Карно, уже 15 лет как был создан двигатель Стирлинга и сопутствующая ему составляющая двигателя - регенератор теплоты тоже был известен. Однако, нужно отдать должное интуиции С.Карно! Автор работы о движущей силы огня ни разу не упомянул о существовании регенераторов теплоты. Очевидно, С.Карно понимал, что наличие регенератора может вывести тепловые машины на другой уровень, позволит создать другие термодинамические циклы, с регенерацией теплоты, у которых КПД выше, чем у обсуждаемого цикла.
Клаузиус нарисовал цикл Карно в координатах температура - давление и в рассуждениях о сопряжённой работе тепловых машин, анонсировал цикл Карно (две изобары и две изотермы), как самый эффективный. Несложными вычислениями Клаузиус показал, что цикл Карно обратимый.
Клаузиуса, да и последующих исследователей, должно было бы насторожить, что универсальный-обратимый цикл признаётся за самый лучший. Практическая деятельность человека и наблюдение за природой должны были бы предоставить достаточное количество примеров того, что эффективно работает отнюдь не универсальное и тем более не обратимое, а сугубо специальное!
В природе существуют, как минимум, два типа обмена веществ - для растений и для животных. Среди растений и среди животных наблюдаются сугубо специальные виды и их бесчисленное множество.
Ну, и самый известный пример: мужское и женское начало у большинства видов животных вынесено в разные - специальные (но не обратимые) организмы.
Человек, даже не отдавая себе отчёта в этих сложностях, создаёт специальные инструменты, машины, науки, виды деятельности и компьютерные программы.
Почему же человечество пропустило гол в свои ворота, допуская, что самая эффективная тепловая машина - это универсальная / обратимая?
Следует заметить, что были исследователи, которые заявляли об обратном, они конструировали термодинамические циклы и доказывали, что КПД этих циклов выше, чем у цикла Карно. Пример тому термодинамический регенеративный цикл Ленуара (Косарев А.В. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8074.html).
Косарев А.В. отмечает, что термический КПД цикла Карно стремится к единице только в гипотетическом случае, когда начальная температура стремится к бесконечности или конечная температура стремится к нулю. Ограниченность по КПД цикла Карно связана с принципиальной невозможностью осуществления регенерации тепла в этом цикле. Термический КПД регенеративного цикла Ленуара теоретически стремится к единице при уже достижимых практикой параметрах цикла. Можно только догадываться, почему эти исследования не восприняты теплородистским сообществом.
Вывод 5: Циклы с наличием регенерации теплоты из отработавшего тела в нагреваемое - ограничивают поле действия 2НТ со следующей стороны и уменьшают поле видов преобразователей безоговорочно попадающих под анализ с помощью инструмента в виде 2НТ. Сколько всего сторон у того поля параметров тепловых машин, где 2НТ применим?
4. Другие примеры, требующие осмысленного (в отличие от верования) применения знаний о втором начале термодинамики.
4.1. В начале 2002г (http://www.fermentmagazine.org/essays/qlsl1.html.), на конференции в Сан-Диего, приняли участие более ста ученых из 23 стран. Были представлены доклады, относящиеся к различным разделам физики: от биологии - до астрофизики. Точки зрения были различны, а зачастую даже противоположны. Голосование, устроенное среди участников в конце конференции по вопросу "Может ли нарушаться второе начало в квантовых системах?", выявило, что число однозначно отрицающих эту возможность менее 25%.
4.2. Если бы конференция в Сан-Диего прошла не в начале года, а в конце, то на неё могли бы быть представлены материалы экспериментального доказательства нарушения второго начала термодинамики в наноприборах.
В октябре 2002г подверглось нарушению соглашение о компромиссе, предложенное Максвеллом и Больцманом между основами классической термодинамики и вечным движением, которое существует согласно их теории. Согласно соглашению, принятому в ХХ веке всеми учеными, вечное тепловое движение существует, но это движение хаотично и потому не может быть использовано. Постулат о хаотичности был негласно распространен на любое движение в равновесном состоянии.
Земля тоже находится в равновесном состоянии (если посмотреть среднюю температуру за тысячи лет), но это не исключает наличие местных неоднородностей, приводящих к смерчам, ветру, подъёму влаги из морей в горы и последующей работы по устранению разрушений вызванных смерчами, использованию силы ветра и гидроэлектростанций. Существует мнение, что движения молекул или других классических частиц в противоположных направлениях не могут иметь различную вероятность при значительном времени анализа. Теперь мы знаем, что гравитация нарушает это мнение. Но принцип хаотичности, как и другие основы термодинамики, был без должного анализа обобщен как на большие, так и на квантовые системы.
В обнародованных в октябре 2002г результатах эксперимента рассказывалось о поведение системы коллоидных частиц микронного размера, находящихся в воде, в оптической ловушке, созданной сфокусированным лазерным лучом. С помощью регистрационной системы исследователи могли с высокой точностью отслеживать положение частиц. При выключенном лазере латексные частицы совершали броуновское движение, однако при включении лазера на них начинала действовать сила, направленная в область максимальной интенсивности света. Исследователи делали 1000 фотографий в секунду, что позволяло отследить траекторию движения частицы в течении эксперимента (длительность эксперимента составляла до 10 секунд). Полученные траектории анализировались и было установлено, что на малых коротких временах траектории многих частиц соответствуют равной вероятности как уменьшению энтропии, так и возрастанию, тогда как на секундных масштабах преобладает односторонний характер поведения энтропии частиц (рис.4.2.1).
Почему результаты этого эксперимента никого из теплородистов не заинтересовали и почему не перекинули мостик от этого эксперимента к стратосферной тепловой инверсии - остаётся только предполагать!
Первое прямое наблюдение нарушения второго закона термодинамики для малых систем в течении короткого времени представляет вроде бы сугубо академический интерес, однако не все так просто. Нарушение второго закона термодинамики для малых систем (и на не таких уж малых временных масштабах, как мы видим, - порядка 10 секунд) может оказаться существенным при работе наноразмерных машин, поэтому с термодинамической точки зрения наномашины нельзя рассматривать просто как уменьшенную копию обычных машин.
Вывод 6:
Ограничение сверху (на границе с космосом) поля безусловного влияния запретов второго начала термодинамики - доказано. Выяснилось, что космосе не место для 'размахивания дубиной' второго начала термодинамики.
Ограничения снизу поля допустимости применения 2НТ (на границе с наномиром) и безусловного влияния запретов, навязанных вторым началом термодинамики, теперь также доказаны экспериментально. А если вспомнить начало статьи и сведения о найквисторах - то уже дважды.
Учитывая изложенное, второму началу термодинамики остаётся место только между космосом и наномиром. Но, учитывая, что из нано можно делать микро, а потом мили и макро, а граница влияния космоса на землю не определена и достигает земли, то где остаётся место второму началу термодинамики?
Ответ: Не на кончике ли иглы!
5. В каждой шутке есть доля шутки.
Может быть, это и не юмор, про кончик иглы?
Попробуем сопоставить выше приведенные частные выводы:
Из космоса 2НТ выгнали, в наномир не пустили. По критерию сущности термодинамического цикла, в циклах с регенерацией теплоты места для второго начала термодинамики нет. По принципу распространённости, в специальных (не обратимых) тепловых машинах второму началу разгуляться негде, а именно из специального и состоит весь мир!
Исходя из допустимости погрешности аналоговых величин, в процессах сугубо не линейных, за пределами идеального газа, второму началу термодинамики делать нечего - там действует макет изотермического преобразователя теплоты в электрический ток, а идеального газа практически нет!
Оказывается, что даже идеальный газ не может быть идеальным в присутствии потенциального поля тяжести.
Что же осталось?
Остались обратимые машины с идеальным газом, в качестве рабочего тела.
Широкая ли область идеального газа?
Во-первых, газ находится в относительно узком температурном диапазоне - выше температуры кипения и до тех пор, пока не наступят параметры критического его состояния с очень нелинейными зависимостями свойств от параметров. Кроме того, газ не будет себя вести как идеальный при ионизации и под воздействием интенсивного ультразвукового и лазерного поля и в гравитационном поле.
Во вторых, даже в области от температуры кипения до области критического состояния, газ не идеальный. Можно посмотреть справочник теплофизических свойств веществ. Энтропия, как правило, растёт при повышении температуры, если давление постоянное. При постоянной температуре (например, газ СО2, температура 273 градуса Кельвина, при 1 бар давлении энтропия, i = 4.7858; 10 бар, i = 4.3250; 100бар, i = 3.083) -т.е. зависит от давления. Удельная теплоёмкость вещества в состоянии газа зависит от температуры при постоянном давлении и от давления, при постоянной температуре. Удельная плотность газа при постоянном давлении не пропорциональна температуре и при постоянной температуре - не пропорциональна давлению.
Строго говоря, место для второго начала - в грубых теоретических прикидках эффективности обратимых машин в той области параметров рабочего тела, где газ по свойствам близкой к идеальному газу (т.е. именно на кончике иглы).
Для точных расчётов и оценки параметров новых энергетических технологий или новых термодинамических циклов можно и нужно забыть про второе начало термодинамики. Следует всё новое, в том числе и параметры термодинамических циклов (даже старых, что всегда и делалось, в общем-то) рассчитывать по устоявшимся методикам, с учетом табличных (а лучше - экспериментально измеренных) значений энтропии, энтальпии и удельного объёма вещества рабочего тела, при знаниях о конструкции агрегатов и с учётом условий их работы, особенности работы которых и реализуют рассчитываемый термодинамический процесс.
Итак, можно подвести итог:
1. Не следует отрицать правильность второго начала термодинамики. Для обратимых тепловых машин, с рабочим телом в виде идеального газа, без сильного влияния потенциального или гравитационного поля и при прочих исключениях. Второе начало термодинамики может быть применено для грубой оценки эффективности термодинамических циклов.
2. Второе начало термодинамики, как инструмент для оценки новых энергетических технологий и планирования ожидаемых результатов экспериментальных исследований не изученных процессов, ПРИМЕНЯТЬСЯ НЕ МОЖЕТ.
3. Для оценки новых энергетических технологий и для попытки предвидения результатов новых исследований - следует применять расчёты на основе знаний основ работы исследуемого механизма и знаний теплофизических и других свойств веществ, участвующих в обсуждаемом процессе.
4. Стыдно за коллег, но не исключено, что признание ими не возможности сотворения изотермических преобразователей теплоты в работу, явилось следствием корпоративного сговора. Сговор возник на базе удовлетворённостью достигнутым уровнем развития техники, тем уровнем, от которого, отбаярившись запретом, наложенным 2НТ (нужно только было подобрать одну из понятных для данного случая формулировок), можно было не уходить, а зарплату получать!
Авторы новых термодинамических циклов ЭОС.
Руководитель: Юрий Евгеньевич Виноградов
размещено на странице http://zhurnal.lib.ru/w/winogradow_j_e/wwinogradow_j_e2nt.shtml статья называется: 'Сколько легионов начал термодинамики можно разместить на кончике иглы?'
