Термодинамика реальных процессов

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 ? 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 ? (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.