Вечный двигатель второго рода

В 1827 году Роберт Броун при помощи микроскопа, собранного своими рукам, обнаружил, что газ состоит из хаотично движущихся частиц. Некоторые из них перемещались очень быстро, а некоторые медленнее. Подобный беспорядочный вид движения в будущем назовут его именем. Позже в 1888 году Луи Жорж Гюи доказал, что движение этих частиц зависит от температуры (чем быстрее эти частицы движутся, тем выше температура). Такие наблюдения породили сомнение у Луи Жорж Гюи относительно невозможности вечного двигателя второго рода, ведь согласно наблюдениям, получалось что все тепло подводимое к газу уходило на работу (увеличение кинетической энергии атомов). Нельзя ли придумать хитрый механизм, который бы преобразовывал энергию в работу? Эта надежда дала толчок для новых поисков вечного двигателя.

В 1867 году Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент (который в 2010 ученные из университетов Токио и Тюо смогут воплотить в реальность) целью которого было показать несостоятельность второго начала термодинамики. В дальнейшем один из участников эксперимента получит название — «Демон Максвелла». Давайте опишем этот эксперимент.

Представим, что сосуд с газом, разделен непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть маленькое отверстие, где сидит некое существо, назовем его Демоном Максвелла, который работает следующим образом: если к нему подлетает быстрая молекула, он ее пропускает из левой части в правую, а если медленная, то только из правой в левую.

Через некоторое время, в одной камере окажутся «быстрые» молекулы, а в другой «медленные». Температура есть среднеквадратичная скорость движения молекулы в газе, следовательно, в одной камере будет горячий газ, а в другой холодный. В результате работы Демона произошло следующее, если в начале эксперимента температура в обеих секциях сосуда была Т 0 , то после эксперимента в правой части сосуда температура будет Т1 >Т0, а в левой Т2 <Т0. То есть произошла весьма интересная вещь: холодное тело нагрело горячее (было Т0 стало Т1>Т0), что вообще противоречит второму закону термодинамики. Обратите внимание, что Демон не подводил и не отводил тепла из системы. На практике это выглядело бы так: левую сторону изначального сосуда мы бы просто открыли (иначе говоря, сделали бы ее равной объему Земной атмосферы), а правая бы нагревалась бы до чудовищных температур. В чем же разгадка? Неужели второй закон термодинамики несостоятелен?

Парадокс разрешается, если обратить внимание на роль Демона Максвелла. Несмотря на то, что Демон не участвует в тепловых взаимодействиях, зададимся вопросом: за счет чего он работает? Откуда он должен брать энергию и сколько ее должно быть?

В 1 см 3 идеального газа при нормальных условиях содержится 2.3 х 10(19) молекул. Наш Демон должен мгновенно отслеживать траекторию (которая складывается из миллиардов и миллиардов соударений этих молекул). Для роли нашего Демона единственным реалистичным кандидатом является супер-компьютер чудовищной мощности. Но работа этого компьютера будет требовать такой же чудовищной энергии. Тем самым мы получаем устройство схожее работе холодильника. Даже если бы мы смогли собрать подобного демона, скорее всего потратили больше энергии, чем его полезная работа. Тем самым мы пришли к выводу о невозможности создания вечного двигателя.

Вечный двигатель второго рода: история (ошибочного) запрета

С.Д.Хайтун·

Науке редко когда удается сразу получить «окончательную» формулировку закона природы, обычно ее предваряют формулировки неточные (размытые). Типичным случаем такого рода представляется история второго начала термодинамики. Приведем основные его формулировки, разделив их на «бесспорно верные», «бесспорно ошибочные» и на «нуждающиеся в уточнении».

«Бесспорно верные»:

1. Невозможен процесс, при котором теплота сама собой переходила бы от холодных тел к телам нагретым. Иными словами, невозможен процесс, единственным следствием которого являлся бы переход теплоты от холодного тела к нагретому (Клаузиус, 1850).

2. В материальном мире существует общая тенденция к рассеянию механической энергии в виде тепла (В.Томсон, 1852). В более общей редакции речь идет о тенденции к рассеянию в виде тепла не только механической, но и других форм энергии (Гельмгольц, 1854).

«Бесспорно ошибочные»:

3. Невозможно некомпенсированное возникновение из тепла механической энергии, т.е. возникновение механической энергии без более чем эквивалентного ее рассеяния в виде тепла же (Томсон, 1852). В более общей редакции речь идет о невозможности некомпенсированного возникновения из тепла не только механической, но и других форм энергии (Гельмгольц, 1854).

4. Работу за счет тепла можно произвести только при наличии холодильника (Карно, 1824).

«Нуждающиеся в уточнении»:

6. Невозможен вечный двигатель 2-го рода, который работает с одним источником теплоты, т. е. превращающий теплоту в работу при отсутствии разности температур в окружающей среде .

7. Нельзя сконструировать устройство, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу (Томсон, 1851).

8. Невозможен периодически действующий вечный двигатель 2-го рода, т. е. установка периодического действия, которая целиком превращает в работу теплоту, извлекаемую из окружающих тел .

Разнообразие формулировок второго начала говорит об отсутствии четкого его понимания. Источником всех этих формулировок служат два несомненных факта: (1) на Земле действует тенденция к рассеянию любой формы энергии в виде тепла; (2) теплота не может «сама собой», т.е. без каких-либо других изменений в реальных системах, переходить от холодного тела к нагретому. Беда только в том, что первый из этих фактов, как это часто бывает, стали трактовать слишком сильно: тенденцию трансформировали в закон, запретив всякое некомпенсированное превращение механической (и иной) энергии в тепловую.

Мы приведем здесь два примера, нарушающих этот «закон».

Первый пример. В ходе расширения нашей Метагалактики, как известно, происходит ее остывание. «По мере расширения и остывания в ней (в нашей Метагалактике. – С.Х.) шли процессы усложнения элементов, образования систем, нарастания упорядоченности в них, одновременно исходное однообразие вещества и протекающих процессов сменилось нарастающим их разнообразием (выделено мной. – С.Х.) » . Убывая, тепловая энергия при этом, естественно, не исчезает, но превращается в другие формы энергии, и происходит это, очевидно, некомпенсированным образом, т.е. с общим уменьшением количества тепла в нашей Метагалактике.

Пример второй. Традиционный взгляд, согласно которому тепловая установка не может превращать тепло в работу, не компенсируя это передачей тепла холодильнику, опирается в эмпирической своей части на рассмотрение тепловых машин циклического действия, прежде всего – на машину Карно.

Обратим, однако, внимание на то, что на стадии изотермического расширения рабочего тела такая машина преобразовывает в работу все тепло, полученное этим телом от нагревателя, т.е. делает это некомпенсированным образом. Приведем в этой связи характерное высказывание классика термодинамики ХХ в. П.Шамбадаля: «…все тепло, полученное рабочим телом от нагревателя, оказывается преобразованным в работу и никакой передачи тепла холодильнику не происходит.

Но, как уже было указано, здесь надо рассматривать не только преобразование тепла в работу в единичном акте, а непрерывное (и бесконечно продолжительное) действие теплового двигателя, что требует наличия замкнутого цикла изменений рабочего тела двигателя. Отсюда следует, что после расширения газа он должен вернуться в свое начальное состояние… Возвращение к начальному состоянию требует, следовательно, уменьшения объема, т. е. расходования энергии, что сокращает полезную работу, получаемую при расширении. Второй принцип выражает, таким образом, необходимость затраты энергии для возвращения рабочего тела в начальное состояние, позволяющее возобновить замкнутый термодинамический цикл (выделено везде мной. – С.Х.) «.

Выделим в рассуждениях Шамбадаля три тезиса:

1. на стадии расширения рабочего тела превращение тепла в работу происходит некомпенсированным образом;

2. за весь цикл превращение тепла в работу оказывается компенсированным;

3. необходимость возвращения рабочего тела в начальное состояние, а следовательно, и появление в тепловой машине холодильника, диктуются вторым началом термодинамики.

Эта точка зрения является сегодня достаточно общепринятой. Аналогичным образом высказываются, например, авторы руководства .

Шамбадаль и др. утверждают, таким образом, что некомпенсированное превращение тепла в механическую энергию возможно на стадии расширения рабочего тела циклической тепловой машины, но запрещается вторым началом при ее продолжительном действии. Однако таких физических законов не бывает. Закон возрастания энтропии, частным случаем которого является второе начало термодинамики, как и другие законы физики, формулируется для произвольного текущего момента времени: dS(t)/dt>0. Интегрируя по времени выражение, записывающее данный физический закон для текущего времени, всегда можно получить тот же закон для любого конечного промежутка времени.

Шамбадалем и др. постулируется закон физики, который запрещает некомпенсированное превращение тепла в работу для больших промежутков времени, позволяя его для коротких промежутков времени, т.е. и для текущего момента времени. Но закон физики либо действует для произвольного текущего момента времени, либо не действует вовсе.

Если некомпенсированное превращение тепла в работу возможно в случае циклической тепловой машины для небольшого конечного промежутка времени (на стадии расширения рабочего тела), но невозможно для большего промежутка времени (за цикл), то это, очевидно, связано не с действием физических законов, но с особенностью устройства тепловой машины данного типа. В случае машины Карно – с ее цикличностью. Тепловым установкам, однако, не обязательно использовать на всем протяжении своей работы одно и то же рабочее тело, его можно непрерывно или дискретно забирать из среды, и тогда возвращение рабочего тела в начальное состояние становится излишним, а вместе с этим исчезает и необходимость в холодильнике.

Рассмотренные два примера доказывают, на наш взгляд, ошибочность формулировок второго начала 3-5. Оно и понятно, потому что закон возрастания энтропии требует возрастания полной энтропии, а не тепловой, тогда как невозможность некомпенсированного превращения тепла в другие формы энергии можно было бы вывести только из не имеющего место быть «закона» возрастания тепловой энтропии. Закон возрастания энтропии не запрещает некомпенсированное превращение тепла в работу, если при этом имеют место другие необратимые превращения энергии.

Мы потому и отнесли формулировки второго начала 6 и 7 к «нуждающимся в уточнении», что из них неясно, допускаются ли ими такие «другие» необратимые превращения. Формулировка же 8 зачислена нами в эту категорию из-за отсутствия у автора этих строк ясности относительно предложенной в циклической тепловой установки без холодильника, замененного на контактирующий с нагревателем и рабочим телом двухкамерный тепловой резервуар, который разделен свободно скользящим адиабатическим поршнем и одна из камер которого заполнена двухфазной системой (например, газ–жидкость).

Резюмируя, приходим к выводу, что, во-первых, возникший во второй половине XIX в. запрет на вечные двигатели 2-го рода является ошибочным и что, во-вторых, он появился в результате размытого понимания действующей на Земле тенденции к рассеянию потребляемой энергии в форме тепла, некорректно трансформированной в закон, согласно которому некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии строго невозможно. Второе начало термодинамики не может утверждать больше, чем утверждает закон возрастания (полной!) энтропии, а он вовсе не запрещает теплу некомпенсированным образом превращаться в другие формы энергии.

История второго начала термодинамики не представляет собой чего-то исключительного, все развитие науки представляет собой развитие понятий и законов от первоначально размытого к все более четкому их пониманию.

Литература

1. Ровинский Р.Е. Самоорганизация как фактор направленного развития // Вопросы философии. 2002. №5. С.67–77.

2. Скорняков Г.В. О неинтегрируемых термодинамических системах // Журн. техн. физики. 1996. Т. 66. №1. С.3–14.

3. Техническая термодинамика / Под ред. В.И.Крутова. М., 1991. 276 с.

4. Техническая термодинамика / Под ред. А.С.Телегина. М., 1992. 238 с.

5. Физика: Большой энциклопедический словарь. М., 1999. 944 с.

6. Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия энтропии. М., 1967. 278 с.

ПОЛНОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОАНИЕ ВОЗМОЖНО ЛИШЬ
В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ВТОРОГО РОДА !
Вечных двигателей не бывает, это моё твёрдое убеждение. Но не существует и запрета на преобразование энергии с кпд близким к 100%, по крайней мере, на современном уровне, этого ещё, ни кто не доказал. В пользу сказанного, говорят практически достигнутые результаты по преобразованиям механической энергии в механическую же энергию, или же электромеханические преобразования. Достигнутые, в них, на сегодня кпд порядка 97-98% , давно должны были насторожить современных учёных и заставить их усомниться в, декларируемой Карно, ущербности термодинамических преобразований. Жалкая попытка научного обоснования получающегося низкого кпд , так называемых тепловых двигателей, теплородиста Карно, антинаучна в своих основах. Более того, в описании своего знаменитого цикла, Карно допускает, несколько, противоречащих самому себе выводов и противоречащих здравому смыслу умозаключений. Может быть причина низкого кпд, при термодинамических преобразованиях энергии, заключается в несовершенстве выбранного способа? Был ведь период времени, к примеру, когда лампы накаливания считались пределом совершенства, теперь же , когда мы чуточку разобрались в физике преобразования химической, электрической, электромагнитной энергии в эл.магнитное излучение видимого(и не только) спектра, появились лазеры, светодиоды, а эл.лампы накаливания уже сами стали полным отстоем в своей области. Может быть нам хотя бы усомниться во всемогуществе термодинамики? Ведь, до настоящего времени, человечество применяло, практически, лишь один единственный способ, способ перепада давлений. Он использован во всех двигателях от паровозного до ракетного, в доказательство сказанного могу предложить, сомневающимся, обеспечить подачу в рабочие камеры всех, известных двигателей, обыкновенного сжатого воздуха, с параметрами давлений рабочего тела и они будут работать. Но не будем забегать вперёд, рассмотрим всё по порядку. На сегодня мы имеем три основных интерпретации второго начала термодинамики:
1.Не возможен процесс, при котором теплота, переходила бы самопроизвольно, от тел более холодных к телам более нагретым. Р. Клаузиус(1850)
2.Невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара. У.Томпсон (Кельвин)(1851).
3.Энтропия как функция беспорядка, в замкнутых системах может только возрастать.
1.Рассмотрим первую формулировку. Начнем с понятия ‘теплота’, как видим оно применено как имя существительное, с явно сопутствующими вещественными свойствами, всё как понимал и завещал Карно. С таким наследием мы переходим в третье тысячелетие???
Общепризнано атомно-молекулярное строение материи. Разработана и почитаема молекулярно-кинетическая теория. МКТ объясняет тепловые явления как проявление кинетической энергии хаотического движения молекул. НЕТ теплорода, тепла, теплоты. Нет и тепловой энергии вне молекул. Есть кинетическая энергия молекул как мера движения молекул. Материальны сами молекулы и их движение. Именно вещественность тепла, теплоты, провозглашенная Карно, требует определения направления ее перемещения. В МКТ превалирующая энергия молекул с высокотемпературных участков распространяется на низкотемпературные участки пространства. Теплообмена не существует, как и тепла. Не ясна цель моих высказываний? Воздух из поврежденной автомобильной камеры самопроизвольно распространится в окружающее пространство, но автомобильная камера не может самопроизвольно накачаться воздухом окружающей среды. И ни какого ‘пневмообмена’. Это неоспоримо, это ‘ежу понятно’. Заметьте, безо всякого ‘второго начала пневматики’, а всё потому, что нам не затуманили голову ‘вещественным пневмородом’, а дали физику возникновения давления газа без идеалистического искажения.
Превалирующая энергия молекул области пространства распространяется, рассеивается, в области ее относительного недостатка. НЕ теплообмен, ни в коем случае! Областям с недостатком отдавать нечего, они принимают избыток энергии молекул распространяющийся из областей с превалирующей энергией. Когда мы уясним, что нет теплоты, нет и теплообмена, станет явной никчемность этой формулировки второго начала. Но самое главное, мы только с этого момента освободимся от теплородного наследия термодинамики, вещественности теплоты.
Для этого не нужны знания ‘высоких материй’, нужно лишь последовательно во всём разобраться, сопоставлением всех аргументов, раз и навсегда и никогда не возвращаясь к ранее отвергнутому. Как, например, поступили с геоцентрической моделью вселенной. У нас же получилось примерно так: ‘земля на трёх китах это глупость:.это вселенная, с её галактиками, она точно на трёх китах’.
Резюме этому рассуждению: указанная формулировка второго начала, дана теплородистами для выхода из тупиковой ситуации, куда их завела вещественность тепла и теплоты. Для МКТ это ‘пятое колесо’ и нужно не более чем выше описанный закон пневматики.
2. Вторую формулировку считают аналогом первой. Позвольте не согласиться. То, что нарушение ‘постулированного направления движения теплоты’, позволило бы создать в.д. второго рода это логично. Но на каком основании мы утверждаем, что если не нарушить этого постулата то в.д. второго рода не создать, лично для меня огромная загадка. Предположим, что невозможность полного преобразования мы найдём в постулатах и цикле Карно. Пробежимся указочкой по строкам описания цикла Карно. Небольшое авторское пояснение, несмотря на то, что я в принципе не приемлю теплородистких, тепло вещественных позиций, а именно из них сложено всё описание, я тем не менее беру без каких либо изменений первоисточное изложение.
‘Карно цикл, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту).’
Теплота не вещественна, поэтому я бы предложил говорить о следующем. Термодинамическое преобразование энергии это процесс превращения кинетической энергии молекул рабочего тела(р.т.), в кинетическую энергию движущихся частей машины или наоборот.
‘Р.т. последовательно находится в тепловом контакте с двумя тепловыми резервуарами(имеющими постоянные темп-ры) — нагревателем(с темп-рой Т1) и холодильником (с темп-рой Т 2 < T1). Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом определённого кол-ва теплоты от нагревателя к холодильнику.’
Ничего ни куда не переносится, не обязательны ни тепловые контакты, ни разность температур. Для совершения термодинамического преобразования сразу обозначим, первого рода, т.е. единственного его вида применённого во всех известных ныне, так называемых, тепловых двигателях, необходимым условием является наличие разности давлений р.т. между рабочей зоной и зоной сброса р.т. Достаточными условиями является: а) перепад давления должен соответствовать возникающей результирующей, величина которой должна быть больше или равна величины противодействующих сил сопротивления, в числе которых — снимаемое усилие; б) принимающее энергию тело (поршень, ротор турбины или масса самой ракеты) должно находиться в движении. Это всё!
Вы возразите, как же? Двигатель то, тепловой. Во-первых, из выше сказанного следует, что он в первую очередь пневматический. Нагрев р.т. используется лишь для создания превалирующего давления р.т. и является, наиболее эффективным методом его создания. Подайте вместо р.т. сжатый воздух и любой известный ‘тепловой двигатель’ будет работать. Декомпрессия остановит любой ‘тепловой двигатель’. Кто-либо пытался проанализировать этот факт? Если в цилиндре с поршнем, р.т. будет иметь давление 1атм, то поршень не шелохнется в среде выброса с давлением 1атм, даже если температура р.т. внутри него будет больше15000. И наоборот, если температура в цилиндре будет равна температуре атмосферы, но давление р.т. будет удовлетворять сформулированному необходимому и достаточным условиям, то поршень будет выдвигаться и процесс т.д. преобразования происходить. Этот вывод вообще следует из элементарной формулы действующих на поршень сил, со стороны р.т. и со стороны атмосферы: F = Fр.т.- Fатм. = Pр.т.*Sпоршня — Pатм.*S поршня = Sпоршня ( Pр.т. -Pатм.).
Где вы видите прямую зависимость сил от температуры?
Перейдём к просмотру самого цикла:
‘Р.т. (например пар в цилиндре под поршнем) при температуре Т1 приводится в соприкосновение с нагревателем и изотермически получает от него кол-во теплоты &#948;Q1 (при этом пар расширяется и совершает работу) , этому соответствует отрезок изотермы АВ.’
Вы не забыли температуру этого нагревателя? Вернитесь наверх — Т1, так и есть. И как Вы собрались передавать теплоту от нагревателя с температурой Т1 рабочему телу с Т1? Не могу не сделать ‘лирического отступления’, ибо меня часто упрекают в непочтительном отношении к Карно, поэтому хочу внести ясность в этом вопросе. Это предложение человека с планеты ‘Ниберу’? Землянам, допускающим такой процесс, я предлагаю, с чайником воды, имеющим температуру 1000С, войти в сауну с температурой 1000С. Как закипит, звоните, я прилечу с 1*106баксов, для торжественного вручения Вам. Я бы хотел посмотреть, вживую, на землянина обогревающего свое жилище с Т=200, радиаторами с Т=200, звоните, доставьте удовольствие. Кстати, не забывайте, процесс этого квазистатического изотермического преобразования применён светилами науки в двигателях! Не забыли сколько оборотов совершают двигатели в секунду? Я напоминаю для укрепления вашей уверенности в выборе квазистатических процессов для описания их работы. Но это не всё, это всего лишь здравый смысл. На самом деле всё ещё хуже, Карно…

Физики из МФТИ выяснили, как создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%. Однако второе начало в нем нарушается только локально, в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review A.

Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, или, в иной формулировке — величина энтропии (степени неупорядоченности) в замкнутой системе либо растет, либо остается постоянной. Согласно еще одной формулировке закона, КПД тепловой машины никогда не может достигать 100%, иными словами, невозможен вечный двигатель второго рода.

«Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, который собственно и является источником энергии, и холодильника, задача которого состоит в охлаждении рабочего тела двигателя. Холодильник понижает энтропию двигателя и при этом неизбежно тратит впустую часть тепловой энергии, полученной от нагревателя. Именно поэтому КПД теплового двигателя никогда не достигает 100%», — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник Технического университета Цюриха и МФТИ.

Ранее группа под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика, пытаясь доказать справедливость второго закона термодинамики для квантовых систем, обнаружила, что в квантовом мире он может при определенных условиях нарушаться.

Оказалось, что в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры (в линейном измерении) — энтропия может снижаться, но этот процесс происходит без передачи тепловой энергии, за счет явления квантовой запутанности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *