Вуаль термодинамики.
С.Н. Шмидт.
http://generat.narod.ru/p14.htm
Занимаясь изучением поведения «замкнутых сестем, мне неоднократно приходилось сталкиваться с парадоксальными ситуациями, когда те или иные запреты физических процессов на самом деле ничего не запрещают, а только показывают частный случай «надуманной» ситуации. Основным «надуманным» запретом в теоретической науке является принцип относительности, ложность которого в применении к реальным физическим процессам мне удалось доказать в многочисленных экспериментах. Результатом этих экспериментов стало моё обращение в СМИ о возможности создания Природного источника энергии нового типа – Инерционно-динамического генератора (ИДГ).
В продолжение этой темы хочу вынести на суд читателей еще один «абсурдный» запрет, относящийся к поведению «замкнутых» систем, а именно – второе начало термодинамики. Суть его сводится к запрещению снижения температуры «замкнутой» системы. Но… обратимся к Природе. Рассмотрим такой всем известный процесс, как фотосинтез, в результате которого энергия Солнца аккумулируется в растительном мире. В этом процессе самым явным образом происходит снижение температуры «замкнутой» системы Земля_Солнце за счет перевода тепловой энергии в энергию упругих молекулярных связей. Каждое растение в процессе своего роста поглощает огромное количество тепловой энергии и переводит её в связанное состояние сболее низкой температурой, но… упрямо продолжаем утверждать о невозможности такого процесса.
Обратимся к теории.
Английский физик У.Кельвин дал в 1851 г. Следующуюю формулировку второго закона:
В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количествоа теплоты, полученного от единственного теплового резервуара.
Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земный условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать её в работу. Масса воды в Мировой океане составляет примерно 1021 кг, и при её охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (~ 1024 Дж), эквивалентное полному сжиганию 1017 кг угля.. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 104 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекательным, чем «вечны двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики.
Немецкий физик Р.Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики:
Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Обратим внимание на постоянно повторяющееся слово «единственным», в котором и скрывается суть запрета.
Для преодоления запрета У.Кельвину необходимо ввести в систему второй резервуар, а Р.Клаузиусу – получить дополнительный результат.
То есть, теоретические запреты на «охлаждение мирового океана» исчезли. Осталось «изобрести» сооответствующий термодинамический цикл и машину, его осуществляющую.
По сути, нам надо будет, как минимум, объединить два термодинамических цикла и две установки.
Рассмотрим вначале гипотетический вариант. Пусть одна часть мирового океана (первый резервуар) служит источником тепла для низкотемпературной энергетической установки, а другая (второй резервуар) будет играть роль охлаждающей жидкости.
В тепловой установке циркулирует рабочее тело Р1. Котёл установлен в первом резервуаре. Жидкое рабочее тело поступает в котёл и превращается в пар, получаяя определённое количество тепловой энергии Q1.
Далее пар посрупает в турбину, где совершает полезнуюю работу А1 и теряет часть тепловой энергии, а затем в испаритель холодильной машины, где от него отбирается еще порция тепловой энергии Й2 и газ переходит в жидкое состояние.
A1=Q1-Q1;
В свою очередь, рабочее тело P2 в холодильной установке переходит в испарителе из жидкого состояния в газообразное, получая количество тепла q2=Q2.
Далее газ поступает в конденсатор, в котором циркулирует «океанская вода» из второго теплового резервуара, и превращается в жидкость, теряя определенное количество тепловой энергии q1.
A2=q2-w1;
Если А1>А2, то получим термогенератор!
Q1-Q2>q2-q1;
Q1>q1
Отметим, что для этого нужно выполнить очень незначительное условие
Q1>q1;
Оборать из первого теплового резервуара больше тепла, чем из второго
Или
Для получения термодинамического цикла, дающего положительную работу, необходимо к рабочему телу тепловой машины подвести извне больше тепла, чем отбирается от рабочего тела в конденсаторе холодильной машины внешним источником.
Нарисуем схему процесса, как это принято в элементарном курсе физики
Кто-то возразит и скажет, что общий «КПД» системы «котел+холодильник» не может быть выше единицы, но… обратимся к существующей теории.
Между двумя изотермами с температурами T1 и T2 на диаграмме (рис. 3.10.1) возможны различные пути перехода. Поскольку для всех таких переходов изменение температуры dT = T2-T1одинаково, следовательно, одинаково изменение dU внутренней энергии. Однако, совершённые при этом работы и полученные в результате теплообмена теплоты Q окажутся различными для разных путей перехода.
Два возможных процесса нагревания газа на dT=T2-T1. При p=const газ совершает работу A=p*(V2-V1). Поэтому Cp>Cv.
Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трёх случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.
Процессы, изображенные на рис. 3.8.2, можно провести и в обратном направлении; тогда работа А просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми.
Перейдем к цифрам. Пусть тепловая мощность энергетической установки будет 100 квт. Пусть КПД низкотемпературной установки будет 0.4, а холодильный коэффициент – 2.
Тогда турбина даст нам 4- квт полезной энергии. В котле отбирается от «мирового океана» 100 квт и передается рабочему телу. Турбина забирает у рабочего тела 40 квт. Остается 60 квт, которые нам необходимо охладить в испарителе холодильной установки! При выбранном значении холодильного коэффициента, мы затратим на этот процесс только 30 квт!
В итоге получим полезную работу 10 квт за счет охлаждения «мирового океана», так как в котле мы отбрали от него 100 квт, а вернули в конденсаторе холодильной установки 60+30=90 квт!
Мы получили наглядную картину обменаэнергией между средой, тепловой машиной и холожильной установкой.
Компрессор холодильной машины (ХМ) совершает работу А2, которая меньше полезной работы А1, совершаемой турбиной тепловой машины (ТМ).
Определим полный «КПД» установки
ψ = А1/A2=(Q1-Q2)/(Q4-Q2);
Можем ли мы в эту формулу вместо тепловой энергии подставить абсолютные температуры? Не, конечно. Дело в том, что выражение КПД через температуру можно применять только к идеальному циклу Карно, в котором работа иммет максимальное значение. Это хороший показатель дял тепловой машины, но совсем не отражает режим работы нашей холодильной машины.
Очень наглядно это видно на диаграмме
Мы рассмотрели вариант, когда количества тепла, поступающего в котел тепловой машины, больше количества тепла, выделяющегося в конденсаторе холодильной машины.
При этом, процессы кипения рабочего тела тепловой машины и конденсации рабочего тела холодильной машины могут происходить, как при равных, так и при разных температурах.
Перейдем к реальным условиям. Какие рабочие тела нужно применить в тепловой установке и холодильной машине, чтобы получить генераторный цикл?
Что важнее, тепловой КПД или холодильный коэффициент?
Чем выше тепловой КПД, тем меньше энергии требуется в холодильном цике и наоборот. Это означает, что не любой процесс и не любое рабочее тело могут применяться для генераторного цикла.
Так, при КПД тепловой установки 0ю2 ам потребуется отбирать от рабочего тела 80% тепла, получаемого извне. Переходя к цифрам, получим, что из 100 квт поступающего тепла мы переводим в работу только 20 квт. Оставшиеся 80 квт мы должны охладить и при этом затратить менее 20 квт, т.е., требуется холодильная установка с коэффициентом более 4.
Переходя к рассмотрению свойств рабочих тел, мы должны отталкиваться от их безопасности и полезности для окружающей среды. И выбор тут невелик. Мы должны использовать только те рабочие тела, которые имеют широкое распространнение в живой Природе.
К таким относятся:
- Кислород
- Азот
- Углекислый газ
- Аммиак
- Водород
Вот и весь выбор. Все остальные могут принести Природе большой вред. Да и эти веества в чистом виде и больших количествах, сконцентрированные в малом объеме, могут принести достаточно много хлопот.
Эти вещества входят в состав всех биологических структур и на их основе можно создать огромное количество самых разных материалов.
Применяя эти вещества в «термогенераторах», можно регулировать их соотношение в Природе и, тем самым, влиять на её состояние.
Кроме получения механической или электрической энергии, тепловые генераторы могут применяться для опреснения морской воды методом вымораживания и очистки атмосферы путем сжижения воздуха и разделения его на составные элементы, регулирования температурного режима в локальных областях и всей планеты.
Применяя вышеназванные газы в качестве рабочих тел, можно получить достаточно высокие значения теплового КПД и холодильного коэффициента.
Техническое решение задачи нельзя назвать простым, но и ничего невозможного в реализации такого проекта нет.
Рассмотрим отдельно циклы тепловой и холодильной машин для реальных газов.
Тепловая машина, рабочее тело – углекислый газ.
Холодильная машина, рабочее тело – аммиак.
Температура нагрева углекислого газа в котле
T1=273+10=283
Температура конденсации углекислого газа в конденсаторе тепловой установки
Т2=273-35
КПД тепловой машины
η3=(T1-T2)/T1=45/283=0.159
Хладоагент – аммиак при
При температуре в испарителе Е2=273-40=233
Температуре в конденсаторе Т1= 273+5=278
β3= Т1/(Т1-Т2)=278/45=6.177
Эффективность установки при таких параметрах 1.169
Прибавка составляет почти 17%. Теперь надо соотнести эксплуатационные расходы с количеством получаемой энергии.
При этом мы приняли идеальные термодинамические циклы (цикл Карно), но для холодильной установки он не является самым эффективным, так как нам надо получить минимальное значение работы компрессора, а не максимальное, как в цикле Карно. Применяя «треугольный» холодильный цикл, можно значительно снизить работу «компрессора», что в свою очередь, повысит эффективность работы термогенератора.
Вот и вся проблема!!!!!!!!!
Материал составлен на основе исследований автора многолетней давности (70-е годы)
Сергей Николаевич Шмидт.
2003-03-06
