Термофазовые ПД. Установленные закономерности позволяют по-новому взглянуть на уравнение Томсона-Кельвина, а также рассчитать мощ­ность фазового вечного двигателя второго

Установленные закономерности позволяют по-новому взглянуть на уравнение Томсона-Кельвина, а также рассчитать мощ­ность фазового вечного двигателя второго рода. Становится ясно, что в среде с давлением насыщенного пара 100%, созда­ваемым плоским мениском, жидкость из смачиваемого капилля­ра с вогнутым мениском должна испаряться, а не конденсиро­ваться, как того требует уравнение Томсона-Кельвина. Следовательно, в закрытом сверху смачиваемом жидкостью капилляре возникает точно такая же вечная макроскопическая циркуляция жидкости и пара, как и в несмачиваемом (см. рис. 30, б).

Изображенная на рис. 30, а и б непрерывная макроскопичес­кая круговая циркуляция жидкости и пара - это и есть дозво­ляемый ОТ простейший вид искомого вечного двигателя второго рода. В работе [21, с.335] по этому поводу сказано: «Эта циркуляция представляет собой любопытный пример вечного в целом бездиссипативного макроскопического движения жид­кости и пара в условиях, если система полностью изолирован от окружающей среды». К сожалению, очень трудно непосред­ственно наблюдать или тем более эффективно применить на практике эту циркуляцию. Поэтому нами были осуществлены более наглядные и удобные схемы фазовых устройств, действие которых в полном согласии с законами ОТ основано на реали­зации упомянутой выше разности давлений насыщенного пара над менисками жидкости неодинаковой кривизны.

Очень простой фазовый вечный двигатель второго рода (ПД-1) изображен на рис. 30, в; в нем зоны испарения 1 и кон­денсации 3 заметно удалены друг от друга по сравнению с рис. 30, а и б, что облегчает наблюдение и практическое использова­ние устройства (см. авторское свидетельство № 822713 на «Ис­точник электроэнергии» с приоритетом 9 июля 1979 г.). Замкну­тый циркуляционный контур состоит из парового 2 и жидко­стного 4 участков. Капиллярно-пористое тело (мембрана) 1 содержит множество смачиваемых жидкостью капилляров. Вогнутые мениски формируются под действием разности уров­ней Н. На поверхности менисков жидкость испаряется, парци­альное давление пара над ними выше, чем над плоским мениском 3. Под действием возникшей разности парциальных давлений пар устремляется по контуру 2 к поверхности 3 и там конденси­руется. Благодаря силам поверхностного натяжения в капилля­рах жидкость по участку 4 подсасывается к мембране 1, круг замыкается и круговой процесс изменения состояния жидкости завершается. Подсасывание происходит, если высота Η не пре­вышает капиллярного поднятия жидкости, которое может быть определено, например, по Лапласу, через коэффициент поверх­ностного натяжения и радиус кривизны мениска в капиллярах мембраны.

Процесс испарения сопровождается поглощением тепла Q на мембране 1, а конденсация - выделением тепла Q на менис­ке 3 (показано стрелками). В результате мембрана 1 охлаж­дается, а мениск 3 нагревается, между ними образуется раз­ность температур, которая фиксируется дифференциальной термопарой. О наличии круговой циркуляции пара и жидкости судят по этой разности температур либо по вращению вертушки (турбинки), которую можно поместить на пути движения жид­кости или пара.

Возникающая разность температур возрастает на порядок и более, если от схемы в перейти к схеме г, где с целью умень­шения теплообмена между зонами 1 и 3 жидкостный участок циркуляционного контура - мембраны 1, стеклянная трубка 4 и кольцевой стакан с плоским мениском 3 - заключен в герме­тичный сосуд из обычного или органического стекла и подвешен на электродах дифференциальной термопары со спаями 5.

В отличие от схемы в, где поверхность конденсации 3 одно­временно определяет и напор Н, под действием которого форми­руются вогнутые мениски в капиллярах, в устройстве г (ПД-21) паровой участок циркуляционного контура максимально укоро­чен до величины h, а напорный максимально увеличен до значе­ния Н. Это снижает гидродинамическое сопротивление парово­го участка и повышает кривизну менисков (растет отношение площадей В). В результате мощность ПД резко увеличивается, возрастает также разность температур, причем верхний спай термопары 5 получается холоднее нижнего. Из кольцевого стакана жидкость по сливной трубке 6 самотеком попадает на лопасти вертушки 7 и приводит последнюю в периодическое движение. Так завершается круговой процесс изменения со­стояния жидкости.

Если электроэнергия, вырабатываемая дифференциальной термопарой, или работа, совершаемая вертушкой, отводится в окружающую среду, то вечный двигатель второго рода несколько охлаждается и в него из окружающей среды посту­пает эквивалентное количество тепла. В результате даровая теплота окружающей среды (одного источника) преобразуется в полезную электроэнергию или работу с КПД, равным 100%, - это прямо следует из уравнения первого начала (36).

Действительно, на стационарном режиме при неизменной температуре и отсутствии химических, и иных реакций внутрен­няя энергия ПД не изменяется, то есть dU = 0. Следовательно, если под dQ₁ понимать подведенную теплоту, а под dQ₂ - отведенную электроэнергию или работу, тогда dQ₁ = - dQ₂. Количество подведенного тепла в точности равно отведенной электроэнергии или работе, что соответствует КПД, равному единице (100%). Такая закономерность справедлива для ПД любого типа, основанного на использовании любых термо­динамических неоднородностей.

Весьма важно подчеркнуть, что в описанных вечных двига­телях второго рода циркуляция жидкости и пара является ре­альным термодинамическим процессом, сопровождаемым тре­нием, или диссипацией, по существующей терминологии. Тепло­та трения непрерывно поглощается, утилизируется на мембране, следовательно, диссипация не только не приводит к деградации энергии циркулирующего потока жидкости и пара, как того требует второй закон Клаузиуса, но, наоборот, поддерживает эту циркуляцию, является движущей причиной циркуляции. Так, диссипация из бича Вселенной, по Клаузиусу, превращает­ся в стимул ее существования по ОТ.

Интересно отметить, что в фазовом ПД паровой и жидкост­ный участки циркуляционного контура представляют собой две ветви термодинамической пары, именуемой поверхностно-фильтрационной [18, с.326; 21, с.334]. Спаями этой пары служат поверхности (мениски) жидкости - искривленный в капиллярах и плоский в стакане. Как уже упоминалось, термодинамическая пара есть первая форма явления в эволю­ционном ряду, достигающая в своем развитии уровня само­функционирования. Это замечательное свойство встречается затем во всех последующих более сложных явлениях ряда. Как осуществляется это самофункционирование - видно на примере поверхностно-фильтрационной пары.

Для повышения эффективности фазового ПД надо увеличи­вать рабочее давление и снижать гидродинамическое сопротив­ление между искривленным и плоским менисками. Максималь­ное рабочее давление может быть достигнуто, если в ПД сочетаются плоский мениск с идеальным полусферическим, когда критерий конфигурации мениска (см. предыдущий пара­граф) В = 2. В этих идеальных условиях, например, для воды при Т = 35 К рабочее давление пара равно 5700 Па. Но достичь идеальных условий практически невозможно, поэтому реальное рабочее давление пара всегда ниже идеального.

В реальных условиях мениск жидкости формируется в ПД под действием напора Η (см. рис. 30, в и г). Согласно Лапласу, радиус кривизны мениска определяется этим напором и коэф­фициентом поверхностного натяжения жидкости, а от радиуса капилляра не зависит. Например, при напоре Н =10 мм радиус водяного мениска, по Лапласу, r = 0,73 мм. Если диаметр капилляра d =15 мкм и Т = 35 К, то критерий конфигурации мениска В = 1,0000264 и рабочее давление пара составляет 0,15 Па, что почти в 40000 раз ниже идеального случая. На рис. 30, г в отличие от в мениск формируется большим напором Н, в то время как гидродинамическое сопротивление пару на пути h снижено до минимума. Мощность ПД растет с увеличением числа капилляров, с этой целью используются капиллярно-пористые тела (мембраны) [ТРП, стр.459-462].

5. Нарушение закона Вольта.

Несколько других типов самофункционирующих термодинами­ческих пар - циркуляционных вечных двигателей второго ро­да, нарушающих второй закон Клаузиуса и преобразующих теплоту одного источника (окружающей среды) в электро­энергию или работу с КПД 100%, основаны на использовании термоэлектрических явлений. Существует целый комплекс та­ких явлений; некоторые из них были известны давно (эффекты Вольта, Зеебека, Пельтье и Томсона), другие впервые теорети­чески предсказаны и экспериментально обнаружены в ОТ [18, с.313; 21, с.307]; все они могут быть применены для созда­ния вечных двигателей второго рода.

В основу осуществления термоэлектрического устройства первого типа (ПД-14) положен эффект возникновения кон­тактной разности потенциалов на границе соприкосновения двух разнородных веществ - металлов, полупроводников и ди­электриков. Этот эффект был открыт Вольта в 1797 г.

Хорошо известен закон Вольта, согласно которому при од­ной и той же температуре в правильно разомкнутой цепи, на концах которой находится один и тот же проводник первого рода (в проводниках первого рода не происходит химических реакций), суммарная разность потенциалов равна нулю. Дру­гими словами, по Вольта, если составить замкнутую цепь из нескольких разнородных металлов, то в ней при изотерми­ческих условиях суммарная электродвижущая сила (ЭДС) и электрический ток должны быть равны нулю - это обще­известная истина, которая вот уже почти 200 лет переходит из одного учебника физики в другой.

Однако в действительности дело обстоит несколько слож­нее и в цепи, составленной из трех и более разнородных провод­ников, суммарная ЭДС и сила тока могут быть не равны нулю, то есть такая цепь может представлять собой типичный вечный двигатель второго рода. Рассмотрим более подробно теорию этого двигателя, но прежде выведем из ОТ закон Вольта, вникнем в физическую суть этого закона и покажем условия, при которых он нарушается.

Напишем уравнение третьего начала ОТ для вермической (термической) и электрической степеней свободы тела. С этой целью можно воспользоваться укороченными строчками (пятой и шестой) уравнения состояния (308). Имеем

dT = A₅₅dQ + A₅₆dY

dj = A₆₅dQ + A₆₆dY (334)

Нас будет интересовать вторая строчка этого уравнения. Заме­нив в ней вермиор Q на температуру Т из первой строчки, приближенно получим

dj» (A₆₅/A₅₅)dT + A₆₆dY (335)

j» (A₆₅/A₅₅)T + A₆₆Y (336)

Как видим, потенциал тела j является некоторой функцией f температуры и электрического заряда (или потенциала). Для нас сейчас важна температурная зависимость потенциала. Согласно уравнению (336), потенциал разнородных тел изме­няется с температурой не одинаково, так как у них различны коэффициенты состояния А. Именно это является причиной возникновения разностей потенциалов Вольта и служит основа­нием для вывода из ОТ закона Вольта. Например, у трех одиночных тел, обозначенных на рис. 38, а буквами А, В и С, зависимость потенциала от температуры условно изображена сплошными линиями (рис. 38, е); при одной и той же температу­ре Т эти тела имеют некие вполне определенные вольтовские, постоянные при данной температуре потенциалы j_А, j_В и j_С, никак между собою не связанные и друг от друга не зависящие. Разности потенциалов между телами, обозначенные двойными индексами, как видно из рисунка, в сумме всегда составляют нуль, то есть

j_АВ + j_ВС + j_СА = j_А - j_В + j_В - j_С + j_С - j_А = 0 (337)

где

j_АВ = j_А - j_В; j_ВС = j_В - j_С; j_СА = j_С - j_А (338)

В этом фактически и заключается суть закона Вольта; со­ответствующий вывод может быть сделан для любого числа тел.

Однако если тела привести в соприкосновение друг с дру­гом (рис. 38, б), то вольтовская идиллия несколько нарушается. Это объясняется тем, что скачки потенциалов возникают меж­ду пристеночными слоями х, имеющими толщину порядка размеров нескольких атомов. Термодинамические свойства каждого такого слоя заметно изменяются в зависимости от то­го, с каким конкретно другим телом соприкасается данное: вакуумом, воздухом, диэлектриком, полупроводником, метал­лом и т.п. При этом изменяются коэффициенты состояния А, а значит, и функции f.

Новые функции f для контактирующих поверхностей (сло­ев х) изображены на рис. 38, е штриховыми линиями. В услови­ях контакта при температуре Т тело 1 уже не имеет прежнего потенциала j_А: на поверхности соприкосновения с телом 2 оно обладает потенциалом f₁₂ (первый индекс соответствует номе­ру данного тела, второй - номеру тела, с которым соприкасает­ся данное), а на поверхности соприкосновения с телом 3 - по­тенциалом f₁₃. Такие же изменения потенциала наблюдаются и у других тел. В результате получаются новые скачки потен­циалов f₁₂, f₂₃ и f₃₁, отличные от вольтовских j_АВ, j_ВС и j_СА. Эти новые скачки в сумме могут и не быть равны нулю, что на­рушает закон Вольта.

Как видим, причина нарушения закона Вольта кроется во взаимном влиянии, взаимодействии контактирующих тел, которое законом не предусматривается. Благодаря нарушению закона Вольта в замкнутой цепи появляются нескомпенсиро­ванная ЭДС и электрический ток, в итоге цепь превращается в вечный двигатель второго рода со всеми вытекающими отсюда последствиями. Остановимся на изложении теории это­го вопроса несколько подробнее [7, 8, 10] [ТРП, стр.462-465].