Цель - внутренняя энергия вещества

Можно, конечно, спорить, работает ли теорема вириала в циклических ускорителях и в реальном атоме, как она работает в его планетарной модели. Но согласитесь, что электрически заряженным частицам, движущимся по криволинейной траектории, как в синхротроне, так и в резерфордовской модели атома, несложно сбрасывать лишнюю массу-энергию в виде электромагнитных волн - фотонов, чтобы удовлетворить требованиям теоремы вириала. Сложнее её сбрасывать незаряженным телам, особенно макроскопическим, например планете в Солнечной системе. Тем не менее в природе имеются незаряженные макроскопические тела, которые, подчиняясь именно теореме вириала, излучают фотоны.
Это звёзды, которые в конце своей жизни быстро сжимаются гравитационными силами. Сжимаются потому, что когда в недрах звезды иссякает "топливо" для термоядерных реакций, эти реакции затухают, и прекращается излучение из недр звезды тепла, рождаемого ею. А ведь именно это излучение своим давлением на вещество звезды противодействовало гравитационным силам, стремящимся сжать его. Звезда начинает стремительно сжиматься, уменьшаясь в размерах как воздушный шарик, из которого выпустили воздух. При этом звезда сильно раскручивается в соответствии с законом сохранения момента количества движения, как раскручивается фигурист на коньках, когда прижимает руки к туловищу. Расчёты астрофизиков [ 6 ] показали, что в звёздах при этом в соответствии с теоремой вириала половина выделяющейся гравитационной энергии идёт на увеличение скорости вращения и температуры звезды, а другая половина идет на излучение. Увы, в земных условиях механизм гравитационного сжатия не организовать -для этого нужны массы порядка солнечной.
В земных условиях необходим какой-то другой механизм, обеспечивающий возникновение новых связей между отдельными телами вращающейся системы, с тем чтобы освобождающаяся в результате этого энергия излучалась из системы. При этом желательно, чтобы она излучалась в виде электромагнитных волн, работать с которыми люди научились лучше, чем с другими излучениями.
Когда мы говорим о вращающейся системе связанных тел, то рекомендуем вспомнить схему регулятора скорости вращения (см. рис. 16.2). В нём к вращающейся оси шарнирно прикреплены грузики, связанные между собой пружинами. Чем быстрее вращается ось, тем больше центробежные силы, тем сильнее растягиваются пружины.

Рис. 16.2

А теперь несколько модернизируем этот механизм. Поставим вместо двух грузиков 20, нет, лучше 200. Каждый, как и прежде, на отдельном шарнире, прикреплённом к оси вращения. И соединим все их пружинками между собой (см. рис. 16.2, на котором это устройство показано и в виде сверху). Правда, если мы захотим закрепить 200 грузиков без увеличения габаритов механизма, то размер каждого из них придётся уменьшить до размера дробинки. Соответственно уменьшатся и пружинки. Ну а если мы и дальше будем наращивать и наращивать количество грузиков при неизменных габаритах системы, то в конце концов придём к пределу, в котором каждый грузик - это атом вещества, а пружинки - связи этого атома с соседними атомами, объединяющие атомы в твёрдое тело. То есть мы придём к модели колеса.
В описанном механизме с увеличением скорости вращения растёт и радиус вращения грузиков. А потому силы увеличиваются не так быстро, как увеличивались бы при неизменном радиусе. Да и новых связей между телами в этой системе вроде бы не возникает. Здесь работают только упругие деформации пружин, а они в пределах действия закона Гука обратимы - при прекращении вращения устройства все его части возвращаются под действием сил упругости в исходное положение. Похоже, что эта система, как и колесо автомобиля при ускорении его раскручивания, не излучает энергию в той мере, как нам хотелось бы то есть в соответствии с теоремой вириала.
Вот если бы удалось найти такое чудо-вещество, в котором при ускорении его вращения не только бы возрастали внутренние напряжения и деформации, но и рождались бы новые связи между частицами этого вещества с выделением энергии связей - тогда другое дело! Тогда мы вместо устройства, изображенного на рис. 16.2, приводили бы во вращение обыкновенное колесо, изготовленное из такого вещества. И оно светилось бы при раскручивании, излучая внутреннюю энергию вещества. Но возможно ли существование такого вещества? И как долго придется искать его?
Как ни удивительно, такое чудо-вещество нашлось довольно быстро, что и привело к созданию теплогенератора Потапова.
Теперь мы понимаем, что теорема вириала требует возникновения между телами системы, приводимой во вращение, дополнительных связей и излучения за счёт этого части внутренней энергии системы. Для получения таким путем больших количеств дешевой энергии желательно, чтобы в излучение превращалась не энергия электромагнитных полей, существующих в системе (как это происходит в синхротроне), а внутренняя энергия вещества тел системы.
Под внутренней энергией вещества А. Эйнштейн понимал его массу-энергию покоя Е0 = m0С2. Согласно теории относительности, атомы вещества - это как бы консервы со сгустками энергии. В каждом грамме вещества содержится столько внутренней энергии, что ею можно было бы год обогревать и освещать целый город, если суметь высвободить эту энергию. Но туристы хорошо знают, что можно умереть от голода на мешке запаянных консервных банок с пищей, если не иметь ключа для их открывания.
Какие же могут существовать "ключи" для открывания энергетических "консервов" и высвобождения хотя бы части внутренней энергии вещества? Все привыкли полагать, что единственным таким "ключом" являются ядерные реакции, протекающие, например, в реакторах атомных электростанций и при взрывах атомных и водородных бомб. Там при делении ядер урана высвобождается часть их внутренней энергии. А в водородной бомбе, наоборот, часть внутренней энергии вещества высвобождается при слиянии ядер атомов водорода (нуклонов) в ядро атома гелия.
В последнем случае выделяется энергия связи между нуклонами в образующемся ядре атома гелия. Возникающий "дефект массы" этого ядра достигает нескольких МэВ. (Мы сразу пересчитали по формуле (16.2) недостающую массу в энергию выделяющегося излучения.) Когда при взрыве водородной бомбы реагирует килограмм такого ядерного вещества, то выделяющейся энергии достаточно, чтобы испепелить большой город. Запрячь эту энергию термоядерного синтеза в мирные сани пока никому не удалось - не получаются миниатюрные маломощные ядерные бомбы, при взрывах которых выделялось бы не так много энергии, чтобы здание, в котором это осуществляют, не разнесло бы в пыль. И бьются лбом в эту непробиваемую стену физики, вот уже полвека безуспешно пытаясь осуществить управляемый термоядерный синтез.
А ведь энергия связей между частицами вещества выделяется не только при ядер-мух реакциях. Даже при обычном горении дров или бензина нас согревает внутренняя энергия вещества, излучаемая при образовании химических связей между атомами углерода С и кислорода О, соединяющимися в молекулы углекислого газа . Энергия каждой химической связи между атомами обычно не превышает 10эВ. При возникновении каждой такой связи в процессе химических реакций горения реагирующие атомы излучают именно такое количество массы-энергии своего вещества в виде фотонов, и в образующихся молекулах появляется "дефект массы", соответствующий этой энергии. То есть и при химических реакциях горения любых веществ происходит превращение части массы этого вещества в энергию излучений!
Не такой уж недоступной оказалась на поверку эта таинственная внутренняя энергия вещества. Только при химических реакциях выделяется лишь ничтожная доля от всей той внутренней энергии, которая содержится в каждом атоме вещества. Но и её до сих пор хватало человечеству, чтобы и обогреться у костра, и вырабатывать электроэнергию на тепловых электростанциях. Хватало до тех пор, пока земные запасы органических топлив - дров, каменного угля, нефти и природного газа - казались неисчерпаемыми. Сейчас они уже начинают иссякать, и перед человечеством во весь рост встаёт энергетическая проблема.
Межатомные связи в молекулах обеспечиваются обычно за счёт обмена атомов молекулы валентным электроном, становящимся общим для двух соседних атомов (ковалентная связь). Энергия такой связи в миллионы раз меньше энергии связи между нуклонами в ядре атома. Но существуют в веществе и связи, которые в десятки раз слабее ковалентных. Это так называемые водородные связи. Они образуются между молекулами, содержащими водород. Межмолекулярные связи обеспечивают объединение отдельных молекул вещества в монолитные твёрдые тела и жидкости. Если газ - это рой отдельных молекул вещества, практически не связанных друг с другом, а летающих в пространстве и упруго сталкивающихся друг с другом, то в жидкостях, а тем более в твёрдых телах молекулы уже лишены возможности лететь куда им вздумается, и каждая из них только колеблется около занимаемого ею места в кристаллической решётке вещества. Переместиться в другое место ей мешают межмолекулярные связи.
В хорошо изученной физхимиками молекуле воды, схема образования которой показана на рис. 12.1, электроны атомов водорода занимают вакантные места в наружной электронной оболочке атома кислорода и становятся общими электронами атомов кислорода и водорода. Они большую часть времени проводят между ядром атома кислорода и ядром атома водорода. В результате атом водорода, имеющий всего один электрон, с противоположной стороны оказывается как бы оголенным от электронного облака". Поэтому молекула воды выглядит как пушистый (из-за электронных облаков) шарик, на поверхности которого имеется два маленьких
положительно заряженных бугорка - ядер атомов водорода (см. рис 12.2). Угол между прямыми линиями, соединяющими ядра атомов водорода с ядром атома кислорода в молекуле воды, составляет 104,5°.
5 результате наличия положительных зарядов на поверхности молекулы, расположенных не напротив друг друга, а с одной её стороны, молекула воды является электрическим диполем, и вода обладает наибольшей среди всех веществ диэлектрической проницаемостью .
Каждая молекула воды своими положительно заряженными бугорками-протонами притягивается к той стороне соседней молекулы воды, с которой нет таких бугорков и которая заряжена отрицательно из-за наличия там электронных облаков, в результате такого притяжения между молекулами воды и возникает связь, которую называют водородной связью из-за того, что она обусловлена ядрами атомов водорода - протонами, находящимися на этой связи. Ну а поскольку бугорки-протоны во всех молекулах воды расположены под одним и тем же определенным углом, то вода в твердом состоянии имеет строго упорядоченную (кристаллическую) структуру льда.
Во льду каждая молекула воды связана прямыми и жесткими водородными связями с четырьмя окружающими её другими такими же молекулами. При этом энергия каждой водородной связи составляет 0,2 - 0,5 эВ.
В жидкой же воде водородные связи не столь жёстки, могут изгибаться, а некоторые и разрываться. В результате строгость регулярной кристаллической структуры нарушается. Поэтому вода и обладает текучестью. Но всё же большинство связей в жидкой воде остаются неразорванными, что обеспечивает ей целостность.
Тем не менее и в жидкой воде остается много микроскопических обломков льдоподобной структуры. Чем выше температура воды, тем их меньше. Но лишь при 60°С масса всех свободных молекул воды, не объединенных в ассоциаты, оказывается больше массы всех этих льдоподобных ассоциатов. Надо отметить, что в жидкой воде ранее разорванные водородные связи то и дело восстанавливаются, и при каждой температуре устанавливается динамическое равновесие между числом разрываемых связей и числом восстанавливающихся.
С повышением температуры воды всё большее количество водородных связей в ней разрывается из-за теплового движения молекул и всё большее число освободившихся молекул воды могут улететь с её поверхности - испариться. А когда разорваны почти все водородные связи, вода бурно переходит в парообразное состояние -закипает. Но и в водяном пару имеется много молекул, объединенных в мелкие ассоциаты.
Казалось бы, что энергия водородной связи - 0,5 эВ - это очень маленькая энергия. Но в каждом кубическом сантиметре воды содержится молекул. Поэтому при нагреве воды большая часть тепла, сообщаемого ей от нагревателя, расходуется на разрыв водородных связей. Потому-то вода и имеет максимальную среди всех веществ удельную теплоёмкость - 1 кал на грамм-градус. Аномально высокая теплоёмкость воды обусловлена именно водородными связями в ней, энергия которых оказывается гораздо больше энергии вандерваальсовских связей между атомами металла в расплавах металлов.
Водородные связи обуславливают и другие аномальные свойства воды, делающие её самой удивительной жидкостью, до сих пор хранящей столько тайн, что не одному поколению исследователей хватит работы по их изучению. Достаточно напомнить, что именно в воде зародилась жизнь на Земле. И именно вода, как будет показано в данной книге, способна обеспечить эту жизнь неиссякаемым источником энергии.
А пока что вода с её аномальными свойствами помогает сохранять эту жизнь тем, что не позволяет зимним морозам промораживать реки и озера до дна. Когда вода замерзает и превращается в лёд, почти все разорванные в ней водородные связи восстанавливаются. А при восстановлении каждой такой связи выделяется, как мы теперь твердо усвоили, до 0,5 эВ внутренней энергии вещества. Это тепло уходит в окружающую среду - в жидкую воду под нарастающим слоем льда, согревая её и тем самым препятствуя дальнейшему замерзанию. Вам достаточно лишь заглянуть в справочник по физике и найти там цифру удельной теплоты замерзания воды, чтобы понять, как много тепла получают реки от льда.
Рассмотрим в качестве системы связанных тел воду в стакане. Когда мы начинаем раскручивать её ложечкой, то теорема вириала требует, чтобы при этом между молекулами воды возникали дополнительные водородные связи (за счёт восстановления ранее разорванных), словно при понижении температуры воды. А возникновение дополнительных связей должно сопровождаться излучением энергии связи. Межмолекулярным водородным связям, энергия каждой из которых составляет обычно 0,2 - 0,5 эВ, соответствует инфракрасное излучение с такой энергией фотонов. Так что интересно было бы посмотреть на процесс раскручивания воды в стакане через прибор ночного видения. (Простейший опыт, а никем не осуществлялся!) Наверняка будет наблюдаться свечение.
Но много тепла Вы так не получите. И не сможете нагреть воду до температуры, большей той, до которой она нагрелась бы просто за счёт трения её потока о стенки стакана с постепенным превращением кинетической энергии её вращения в тепловую энергию. Потому что когда вода перестанет вращаться, возникшие при её раскручивании водородные связи тотчас начнут разрываться, на что будет затрачиваться тепло той же воды. Это будет выглядеть так, словно вода самопроизвольно охлаждается без обмена теплом с окружающей средой. Можно сказать, что при ускорении раскручивания воды её удельная телоемкость уменьшается, а при замедлении вращения - возрастает до нормальной величины. При этом температура воды в первом случае повышается, а во втором понижается без изменения теплосодержания в воде.
Если бы в теплогенераторе Потапова работал только этот механизм, ощутимого выхода дополнительного тепла из него мы не получили бы. А теплогенератор, если верить существующим протоколам испытаний, осуществленных в самых разных организациях, вырабатывает тепловой энергии в 1,5-2 раза больше, чем потребляет электрической. Чтобы появилась эта дополнительная энергия, в воде должны возникать не только кратковременные водородные связи, но и какие-то долговременные. Какие? Какое-то время мы полагали, что межатомные связи, обеспечивающие объединение атомов в молекулы, можно исключить из рассмотрения, потому что каким-то новым молекулам в воде теплогенератора вроде бы неоткуда было появиться.
Но мы идеализировали воду! А ведь в теплогенератор заливают не дистиллированную воду, а самую обыкновенную из городского водопровода. В ней чего только нет! Кроме того, мы забывали о кавитационных процессах, идущих в воде у тормозного устройства вихревой трубы теплогенератора Потапова. Они могут вести к активации как молекул воды и продуктов её диссоциации, так и содержащихся в воде примесей. Поэтому не исключено образование всевозможных соединений воды с различными солями и другими примесями, содержащимися в воде.
Но пока этот вопрос не изучен достаточно детально, пока не проведены контрольные эксперименты с теплогенератором Потапова, заполненном высокочистой дистиллированной водой вместо обыкновенной водопроводной, то для того чтобы объяснить выход дополнительного тепла в теплогенераторе Потапова, мы не должны забывать ещё и о ядерных связях между нуклонами ядер атомов в воде и о возможности протекания в вихревой трубе теплогенератора ядерных реакций, ведущих к возникновению таких связей. Поэтому мы предполагаем, что в воде вихревого теплогенератора идут ещё и реакции холодного ядерного синтеза.
Правда, связи между нуклонами в ядрах атомов не образуют сплошных и непрерывных цепочек в веществе, охватывающих кольцом ось вращения, какие могут образовывать межатомные связи в металле колеса и водородные связи между молекулами воды, вращающейся в водовороте. Поэтому торжеству теоремы вириала в теплогенераторе Потапова ядерные реакции вроде бы не очень могут помочь. Но сбрасывать со счетов возможность ядерных реакций мы не будем из-за большой значимости и перспективности такого оборота дела, если это подтвердится.
При ядерных реакциях энергии возникающих связей измеряются уже не единицами электронвольт, а мегаэлектронвольтами, поэтому достаточно весьма небольшой интенсивности ядерных реакций, чтобы обеспечить выделение дополнительного тепла в количествах 1-10 кВт, характерных для теплогенераторов Потапова.
Теорема вириала, которой была посвящена большая часть данной главы, только требует, чтобы в системе связанных тел при ускорении её вращения возникали дополнительные связи, и происходило излучение в окружающее пространство части массы-энергии системы, равной приросту в ней энергии связи. Но теорема вириала не может заставить вещество образовывать дополнительные связи между его частицами. Стимулировать возникновение этих связей должно что-то другое. Что? Впрочем, в книге [263] мы писали, что если системе позарез требуется сбросить лишнюю энергию, чтобы перейти из неравновесного состояния в равновесное, то природа найдет тысячу способов это сделать. Нам не надо тысячи способов, нам достаточно одного, но верного.