Термодинамика реальных процессов

Вейник Альберт Иозефович

Глава ХXIII. Теоретические прогнозы ОТ:

«получение КПД устройств, равного единице».

1. Запреты второго закона Клаузиуса.

Обратимся теперь к изложению другого рода прогнозов, которые посягают на второй закон термодинамики Клаузиуса и допускают в реальных условиях «получение КПД устройств, равного единице». По терминологии В. Оствальда, устройство, нарушающее второй закон термодинамики, именуется вечным двигателем второго рода (устройство, нарушающее первый закон

термодинамики, или закон сохранения энергии, называется вечным двигателем первого рода, или просто вечным двигателем - perpetuum mobile). Если вечный двигатель первого рода, получающий энергию из ничего, в принципе невозможен, то с вечным двигателем второго рода дело обстоит совсем иначе. Вечный двигатель второго рода (этого типа перспективный двигатель я для краткости буду именовать ПД) преодолевает запреты второго закона Клаузиуса, которые заключаются в следующем. В общем случае, согласно Клаузиусу, для осуществления любого теплового двигателя надо обязательно иметь два источника разной температуры, чтобы теплота могла переходить от более нагретого из них к менее нагретому. Чем больше разность температур, тем выше КПД. КПД, равный единице, получается, если один из источников имеет либо бесконечно большую температуру, либо температуру, равную абсолютному нулю. Практически это неосуществимо, поэтому принято считать, что такого КПД достичь невозможно. С уменьшением разности температур КПД уменьшается и в пределе становится равным нулю, когда температуры источников сравниваются, то есть когда два источника фактически превращаются в один. Следовательно, по Клаузиусу, в принципе невозможно использовать безграничные запасы теплоты такого грандиозного источника, как окружающая нас среда (воздух, вода или земля).

Кроме того, второй закон с его энтропией утверждает необратимость реальных процессов, ибо всем им присущи эффекты диссипации, трения. В результате одностороннего развития миру угрожает тепловая смерть. То же самое можно сказать и о любой ограниченной по размерам изолированной системе: все процессы в ней рано или поздно обязаны затухнуть, прекратиться. Иными словами, вечное самопроизвольное движение с трением в принципе невозможно [ТРП, стр.447-448].

2. Условия, необходимые и достаточные для осуществления

вечного двигателя второго рола (ПД).

В противоположность теории Клаузиуса в ОТ нет энтропии и второго закона и вытекающего из них понятия необратимости реальных процессов. Согласно ОТ, все реальные процессы в конечном итоге обратимы, поэтому у нас нет никаких оснований бояться ни энтропии, ни второго закона, ни тепловой смерти Вселенной.

Еще более утешительным является вывод ОТ о реальной возможности использовать даровые запасы теплоты окружающей среды, да еще с КПД, равным единице. С такой эффективностью теплота по желанию может быть преобразована в электрическую энергию, механическую работу и т.д. в устройствах ПД, в которых происходит вечная самопроизвольная циркуляция вещества.

Подробный анализ проблемы показывает, что для осуществления ПД необходимо соблюсти два важнейших условия. Первое заключается в том, чтобы обратиться к тем явлениям природы, которые при данной температуре (при температуре одного источника) сопровождаются самопроизвольным возникновением различного рода неоднородностей и образованием соответствующих разностей интенсиалов - температур, электрических потенциалов, давлений, химических потенциалов, хроналов и т.д. К таким явлениям относятся, например, испарение жидкости, термоэлектричество, осмос, диффузия, химические превращения и многое другое. В частности, при испарении жидкость автоматически охлаждается ниже температуры окружающей среды, а при конденсации нагревается - так появляется необходимая разность температур. Термоэлектрические явления характеризуются тем, что при данной температуре между различными телами возникает некоторая разность электрических потенциалов. В явлениях осмоса образуется разность давлений. При химических превращениях появляются разности температур, давлений, электрических потенциалов, хроналов и т.д. Все эти разности интенсиалов могут быть использованы для создания ПД.

Однако соблюдение первого требования необходимо, но его далеко не достаточно для осуществления обсуждаемого устройства. Второе важнейшее требование состоит в том, чтобы создать условия, при которых вещество, сопряженное с возникшей разностью интенсиалов, самопроизвольно и непрерывно подавалось бы на эту разность. Необходимо умудриться сконструировать замкнутый циркуляционный контур для сопряженного вещества, в контуре должен происходить круговой процесс изменения состояния этого вещества.

Второе требование выполнить неизмеримо труднее, чем первое, но в нем-то и заключается вся соль проблемы. Поэтому запрет, наложенный Клаузиусом на подобную непрерывную циркуляцию, долгое время казался вполне естественным и правильным: согласно Клаузиусу, необратимость реальных процессов должна неизбежно привести к деградации энергии циркулирующего вещества и прекращению самой циркуляции.

С целью удовлетворения второму требованию в принципе возможно вместо простой замкнутой циркуляции вещества осуществить какой-либо

другой, более сложный круговой процесс, или цикл, например типа того, что происходит в паровой машине, холодильнике и т.д. Главное заключается в том, чтобы система периодически возвращалась в исходное состояние и благодаря этому устройство было бы способно работать неограниченно долго. Однако здесь я буду говорить только о циркуляционных вечных двигателях второго рода, отличающихся наибольшей простотой и наглядностью и не требующих для своего осуществления никаких уникальных и дорогих устройств.

Должен сказать, что круговая циркуляция вещества обычно обладает малой интенсивностью, так как самопроизвольно возникающие разности интенсиалов весьма невелики. Это одна из причин, почему ранее ее обнаружить не удавалось. Вторая, более важная причина - запрет теории Клаузиуса: если кому-либо из ученых и доводилось когда-нибудь наблюдать в опыте соответствующую циркуляцию, то он не верил глазам своим - такова сила догмы. Для создания устройств большой мощности требуется, возможно, пойти по тому же пути, по какому пошел живой организм (он объединяет в себе многие миллиарды подобных однотипных контуров). Обычно эти контуры представляют собой самофункционирующие термодинамические пары, входящие в главный эволюционный макроряд.

Весьма существенно, что каждая такая самофункционирующая система нарушает, помимо закона Клаузиуса, еще какой-нибудь известный закон либо опирается на некий новый закон, неизвестный ранее. Например, термофазовый ПД нарушает уравнение Томсона-Кельвина (см. параграф 4 гл. XXIII), один из термоэлектрических ПД нарушает закон Вольта (см. параграф 5 гл. XXIII), а другой имеет в своей основе новый закон, обнаруженный в рамках ОТ (см. параграф 6 гл. XXIII), и т.д.

Должен заметить, что в природе существует бессчетное множество уже готовых термодинамических неоднородностей, обеспеченных соответствующими круговыми процессами. К их числу относятся, например, разности температур между различными слоями воздуха, воды и Земли, разности давлений насыщенного пара над соленой водой моря и пресной водой втекающей в него реки (намек на это содержится, в частности, в работе Трайбуса [76]) и т.п. Все эти и многие другие подобные разности и круговые процессы, несомненно, нарушают второй закон термодинамики, но делают это очень ненаглядно, ибо в качестве рабочего тела иногда приходится рассматривать большие участки атмосферы, воды и земли либо даже всю Землю или Солнечную систему. Это запутает кого угодно, поэтому такой ПД не убедителен. Надо использовать разности интенсиалов и круговые процессы, намеренно осуществляемые в небольшом контролируемом объеме, чтобы все происходило на глазах изумленного экспериментатора. Иными словами, для создания ПД необходимы разности интенсиалов, которые образуются самопроизвольно и затем поддерживаются тоже самопроизвольно и вечно на определенном уровне благодаря осуществлению непрерывного или периодически повторяющегося кругового процесса, происходящего в контролируемом объеме под действием указанных разностей интенсиалов. Наиболее твердый орешек здесь - это круговой процесс [ТРП, стр.448-450].

3. Нарушение теории фазовых превращений Томсона-Кельвина.

Теперь можно приступить к описанию различных реально действующих циркуляционных вечных двигателей второго рода (ПД). Первый из них основан на использовании процессов фазовых превращений - испарения жидкости и конденсации пара. Принято считать, что эти процессы подчиняются теории Томсона-Кельвина. Однако детальный теоретический и экспериментальный анализ с позиций ОТ покажет, что это не соответствует действительности, и поможет нам создать соответствующие фазовые ПД. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Хорошо известно уравнение Томсона-Кельвина (1871 г.), определяющее давление насыщенного пара над искривленной поверхностью жидкости. Согласно этому уравнению, давление над выпуклым мениском должно быть выше, а над вогнутым - ниже, чем над плоским (в справочниках обычно приводится давление насыщенного пара над плоским мениском, оно принимается за основу и считается равным 100%). Это значит, что в среде с давлением насыщенного пара 100% в несмачиваемом капилляре жидкость, имеющая выпуклый мениск, должна испаряться, а в смачиваемом, наоборот, благодаря вогнутому мениску конденсироваться.

Другими словами, если принять за основу теорию Томсона-Кельвина, то надо признать, что в закрытом сверху несмачиваемом жидкостью капилляре достаточно большого диаметра давление пара по краям мениска должно быть выше, чем в средней плоской части, где оно равно 100%. В результате жидкость должна самопроизвольно испаряться с краю и конденсироваться в середине, то есть должна возникать вечная в целом бездиссипативная макроскопическая непрерывная циркуляция жидкости и пара, показанная на рис. 30, а [21, с.335]. В смачиваемом жидкостью капилляре циркуляция должна иметь обратное направление. Оба вида циркуляции суть необходимые следствия уравнения Томсона-Кельвина, которое выведено из второго закона термодинамики. С другой стороны, подобная циркуляция категорически запрещена самим вторым законом - это первое противоречие в существующей теории фазовых превращений, которое достойно быть упомянутым. Второе, еще более разительное противоречие заключается в следующем.