Виртуальный мир N 1 2011

А.В. Косарев

Тепловые машины на биологических принципах преобразования тепла в работу
Аннотация В статье анализируется вопиющее противоречие между экспериментальной биофизикой и классической термодинамикой. Все технологии по преобразованию тепла в работу основаны на процессах расширения рабочего тела. Природа же в процессе эволюции нашла и использует принципиально другой, несоизмеримо более рациональный путь. Это путь конформационной активности при постоянном объёме рабочего тела. Результат: КПД мышечной деятельности черепахи достигает 80%. При этом перепад температур в мышечной клетке составляет доли градуса. КПД последней моды теплотехники, парогазовых установок, составляет 55-60%, при перепадах температур превышающих 1000 градусов. О сопоставимости влияния на природу говорить даже не приходится. Современная термодинамика, с её трактовкой второго закона, не способна объяснить это очевидное противоречие и поэтому замалчивает. Двойственная природа второго закона термодинамики В феноменологической термодинамике существует множество (до двух десятков [7]) различных формулировок второго начала термодинамики. Однако при внимательном рассмотрении их можно разбить на две группы: одна группа относится к закону роста энтропии, другая к понятию компенсации за преобразование тепла в работу. Закон роста энтропии постулирует тот факт повседневно наблюдаемой практики, что все самопроизвольные процессы в термодинамических системах протекают с диссипацией, т.е. с переходом направленной энергии в хаотическую.

Понятие о компенсации за преобразование тепла в работу вытекает из учения Карно, согласно которому для получения механической работы из тепла необходимо передавать часть тепла холодильнику. Ответить на указанное выше противоречие обязан именно второй закон.

а) Эффект вырождения импульса как механизм реализации закона роста энтропии
Исторически сложилось так, что при рассмотрении процессов в неравновесных термодинамических системах в тени остаётся один из самых фундаментальных законов природы – закон сохранения результирующего импульса как системный закон. В основу термодинамики был положен факт существования равновесного состояния в тепловых системах и неизбежности его наступления. Были сформулированы нулевой и второй постулаты, которые заслонили закон сохранения результирующего импульса.

В ряде работ, например в [3], автором высказана и обоснована идея эффекта вырождения результирующего импульса в замкнутой многочастичной системе. Показан механизм диссипации, приводящий систему в равновесное состояние. Кратко изложим его. Легко обосновать, исходя из положений статистической физики, что результирующий импульс всех частиц системы, находящейся в равновесии, равен нулю как вектор. где: n - количество частиц в системе; m - масса частицы; v - скорость частицы.

Теперь рассмотрим замкнутую систему из малого числа частиц, находящихся в покое. Этой замкнутой системе извне передадим импульс . Наиболее характерным свойством этой замкнутой системы, с точки зрения динамики, будет, наряду с сохранением полной энергии то, что этот импульс будет сохраняться постоянным по величине и направлению, сколько бы частицы не сталкивались между собой. Теперь же рассмотрим замкнутую систему из многих и многих миллиардов частиц. Здесь положение коренным образом меняется. Наиболее характерным свойством этой системы является стремление к равновесию, при котором как было указано выше результирующий импульс всех молекул равен нулю как вектор, т.е. направленное движение перейдет в хаотическое. Таким образом, с одной стороны для замкнутой механической системы имеем M_рез = const, с другой, при увеличении числа частиц системы, имеем прямо противоположное свойство M_рез–> 0, направленное движение исчезает. Попытаемся выяснить, каким образом согласуются эти два, на первый взгляд взаимоисключающие, положения физики.

Пусть имеем многочастичную замкнутую механическую систему, находящуюся в равновесном состоянии, которой одноактно передан некоторый импульс. Этот импульс будет для данной системы оставаться постоянным по величине и по направлению, какие бы события не развивались в данной системе. Пусть события в системе после передачи импульса развиваются таким образом, что масса результирующего импульса постоянно растёт. При этом скорость результирующего импульса должна соответственно уменьшаться (см. (1)), и кинетическая энергия, связанная с результирующим импульсом уменьшается обратно пропорционально росту массы (см.(2)). И если масса результирующего импульса в (1) становится сколь угодно большой, то кинетическая энергия (2) становится сколь угодно малой. Кинетическая энергия, связанная с результирующим импульсом, исчезает.

Это видно и из таких простых математических преобразований:

^;
(1)

^{;         (2)}
             M_рез = Sm;     m - масса частицы ;   (3)
v_рез= M_рез /Sm ^{;
(4)} Рассмотрим события и механизмы, приводящие к реализации выше сказанного. Что приводит к росту массы результирующего импульса в многочастичной системе и куда девается кинетическая энергия?
Общая ситуация изображена на рис.1.

Так как молекулы имеют конечные размеры, то удар будет нецентральный. Обратим на это особое внимание. Вероятность центрального удара, согласно положениям статистической физики в системе свободных частиц стремится к нулю. При рассмотрении последовательности столкновений будем следить не за траекториями отдельных частиц, которые экспоненциально разбегаются, а за поведением результирующего импульса.

Частица 1 с импульсом M₀ = m₁v₁ после столкновения с первой частицей 2 будет иметь импульс M₁, а частица 2 приобретет импульс M₂, которые в сумме (геометрической) дадут первоначальный импульс M₀. Закон сохранения импульса соблюден. Разложим импульсы шаров 1 и 2 после столкновения на оси X и Y. Проекции M_1x и M_2x дадут в сумме первоначальный импульс M₀, а проекции M_2y = - M_1y, перпендикулярные первоначальному результирующему импульсу на его величину после столкновения не влияют и в сумме дают нуль-вектор. Равенство по абсолютной величине импульсов M_2yи M_1yлегко видно из векторной диаграммы и вытекает из закона сохранения результирующего импульса. Однако эти два последних уравновешенных импульса (нуль-вектор) несут каждый на себе определенное количество кинетической энергии, полученной от кинетической энергии первоначального импульса M₀.

Массы частиц для простоты все равны. Если, как было показано выше, результирующий импульс после столкновения сложится из двух проекций на ось X и остался постоянным, то кинетическая энергия, переносимая этим импульсом после столкновения, т.е. проекциями M_1x и M_2x {m(v_1x)²/2 + m(v_2x)²/2} будет составлять только часть кинетической энергии, переносимой результирующим импульсом до столкновения.

Другая часть кинетической энергии, переносимая взаимно уравновешенными импульсами M_2y и M_1y (нуль-вектором) {m(v_1y)²/2 + m(v_2y)²/2} переходит в хаотическую форму. После следующего соударения теперь уже двух движущихся частиц (см. Рис.1) результирующий импульс сложится из 4-х частиц и произойдет дополнительное рассеяние направленной кинетической энергии и т.д.

Таким образом, благодаря нецентральному соударению частиц в первоначальный направленный импульс лавинообразно, по схеме цепной реакции, вовлекается вс` большее и большее число частиц и происходит лавинообразный рост массы результирующего импульса. А по мере вовлечения частиц происходит все большее рассеяние первоначально направленной кинетической энергии. Речь идет о кинетической энергии общего переноса (кооперативной энергии), связанной с результирующим импульсом, т.е. той энергии, которая совершает макроскопическую работу. Закон сохранения общей кинетической энергии системы не нарушается, т.к. адекватно увеличивается хаотическая составляющая кинетической энергии, связанная с нуль-вектором. При стремлении массы результирующего импульса к бесконечности кинетическая энергия общего переноса стремится к нулю, затухает.

На рис.1 показана последовательность из 5-ти столкновений. Видно, что масса результирующего импульса (общего переноса) возрастает в геометрической прогрессии, а скорость падает в геометрической прогрессии. Кооперативное движение затухает. Обратим внимание на ярко выраженный фрактальный характер процесса рассеяния. Результирующий импульс, оставаясь постоянным по величине и направлению как вектор (сложившись из огромного числа микроимпульсов вовлечённых частиц), вырождается как носитель кооперативной энергии, равносильно тому, что M_рез= 0 и система приходит в равновесное состояние. Вся кооперативная энергия переходит к нуль-вектору хаоса, складывающегося из пар взаимно уравновешенных импульсов.

Этим разрешается противоречие, о котором мы говорили в начале этого пункта. Всесилие механизма диссипации, приводящего систему к равновесию, заключается в том, что материя имеет корпускулярное строение, т.е. частицы имеют конечные размеры, а значит соударение нецентральное. Частиц же великое множество (достаточно вспомнить число Лошмидта) и затухание происходит очень быстро. Обратим особое внимание на это стержневое свойство диссипативных сред, их способность качественно вырождать результирующий импульс и как следствие качественно изменять динамику, когда детерминизм динамики уступает место вероятности статистической механики. Закон роста энтропии есть следствие эффекта вырождения результирующего импульса в многочастичной (диссипативной) среде.

Таким образом эффект вырождения результирующего импульса, обосновывая закон роста энтропии, обосновывает и факт равновесного состояния или как его ещё называют общее, нулевое начало термодинамики и гипотезу молекулярного хаоса Больцмана или принцип элементарного беспорядка, лежащих в основе статистической механики.

б) Природа компенсации за преобразование тепла в работу
Отметим тот тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды Р₀. Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1кГ рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объём V₂, под воздействием процессов внутри машины, чем объём V₁ на входе в тепловую машину. V₂(м³/кг) > V₁(м³/кг) А это означает что прогоняя через тепловую машину 1 кГ рабочего тела мы расширяем атмосферу на величину DV = V₂- V₁, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания: l_пр = FxdS = Р₀(V₂- V₁) = Р₀DV (См. Рис.2).

Рис. 2. Работа "проталкивания" На это затрачивается часть механической энергии полученной в машине. Однако работа по проталкиванию это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу кГ рабочего тела должен иметь тоже атмосферное давление Р₀, что и на входе в машину, но при большем объёме (V₂> V₁). А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния PV = RT, он должен иметь и большую температуру, т.е. T₂ > T₁. Мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию:
DU = (U₂- U₁) = f (T₂) - f (T₁). Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу. Таким образом, общие потери энергии за преобразование тепла в работу в пересчёте на 1кГ рабочего тела и переданные окружающей среде составят: q₂ = DU + Р₀DV Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объём рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объёмом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т.е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом. И наоборот, если за счёт регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объём рабочего тела на выхлопе, а значит и работа проталкивания.

Так как применяемые тепловые машины или вообще работают без регенерации (двигатели внутреннего сгорания, ракетные двигатели) или регенерация в них ограничена (паротурбинные и газотурбинные установки), то это и вынуждает производить работу против сил гравитации, порождает компенсацию.

Из выше изложенного видно, что второй закон не является постулатом, а выводится как следствие более фундаментальных общефизических постулатов: закона сохранения и превращения энергии, закона сохранения результирующего импульса и корпускулярного характера строения материи. Опыт черепахи по преобразовании тепла в работу Выше мы выяснили, что “компенсация за преобразование тепла в работу” - это неизбежная потеря, свойственная всем тепловым машинам, которые для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. В этом природа термического КПД. Инженеры давно научились снижать эти потери, проводя регенерацию, самый эффективный способ повышения КПД. Однако на пути традиционных методов регенерации стоит преграда не устранимого характера.

Для организации теплопередачи в регенераторе необходим перепад температур, который и ограничивает глубину регенерации. Но для инженеров есть принципиально иная возможность избавления от необходимости производства работы против сил гравитации. Если организовать процесс преобразования потенциальной энергии неравновесности тепловой системы в кооперативные потоки кинетической энергии при постоянном объёме рабочего тела, то не нужно будет расширять атмосферу, не нужно тратить работу против сил гравитации и передавать часть подведенного в цикл тепла окружающей среде. Отпадёт необходимость в понятиях термического КПД и компенсации. Остаётся только внутренний относительный КПД, учитывающий процессы диссипации. Эту возможность и использовала живая природа (в частности черепаха). [4].

При этом, не возникает ни каких противоречий с формулой Карно. Она выведена для специфического цикла Карно, в котором с одной стороны используются процессы расширения рабочего тела, с другой в принципе невозможна регенерация. Подробно этот вопрос рассмотрен, например в [5]. В выше сказанном до банальности простое объяснение высокого КПД черепахи. У неё практически 100% термический КПД, она не расширяет атмосферы, так как в качестве рабочего тела живая клетка использует плазму на 90% состоящую из воды, несжимаемой жидкости. А снижение общего КПД вызвано внутренним относительным КПД, связанным с диссипацией кооперативных потоков энергии, с законом роста энтропии.

Понимание природы компенсации за преобразование тепла в работу позволяет снять, казалось бы, не разрешимое противоречие между теорией и практикой теплотехники и достижениями биофизики. Живая природа в процессе биологической эволюции выбрала более рациональный путь преобразования тепла в работу, нежели тот путь, по которому идёт человек со времён Герона Александрийского, более двух тысяч лет назад, построившего первую тепловую машину. Да у природы и не было выбора, жизнь зародилась в воде.

Автор данной статьи, на подходах подсказанных природой (и в частности черепахой) предложил конструкцию теплового двигателя, который по своим характеристикам может поспорить даже с достижениями черепахи. В конструкции, использовано свойство сильфона, изменять свою форму под действием давления. При этом общий объём сильфона и рабочего тела не меняется, так как рабочие полости сильфона и цилиндра заполнены в качестве рабочего тела несжимаемой жидкостью. [6]. Принципиальная конструктивная схема двигателя изображена на рис.3.

Рис.3. Принципиальная конструктивная схема
1 и 2 - полости двухкамерного цилиндра, 3 и 4 - полости двухкамерного сильфонного поршня,
5 - шток поршня, 6 - перепускной патрубок, 7 - арматура, 8 - изолирующие скорлупы Использование биологических принципов позволит перейти к качественно новому этапу развития теплотехники, снять многие из тех проблем, с которыми столкнулся современный мир. Заключение Так кто же лучше овладел основами термодинамики человек или черепаха? Увы, результаты сегодняшней практики, базирующиеся на результатах исследований биофизики и технической термодинамики, говорят не в пользу человека. Понятие о “компенсации за преобразование тепла в работу” возведено в ранг самых фундаментальных истин Мироздания. А это всего лишь издержки конкретной технологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. – М.: “Высшая школа”, 1975г., 290с.
2. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. /Антонов В.Ф. Черныш А.М., Пасечник В.И., Вознесенский С.А., Козлова Е.К./ - М.: “Владос”, 2003г., 288с.
3. Косарев А.В. Закон роста энтропии как следствие эффекта вырождения результирующего импульса и двойная природа второго закона термодинамики. // Вестник Оренбургского гос. ун-та. – 2003, №7. – с.177-181. http://vestnik.osu.ru/2005_10/36.pdf
4. Косарев А.В. Биодинамика, механизм и условия производства кооперативных потоков энергии в биологических структурах. // Вестник Оренбургского гос. ун-та. – 2004, №6 – с. 93-99. http://vestnik.osu.ru/2004_6/17.pdf
5. Косарев А.В. Пределы формулы Карно при оценке термодинамической эффективности циклов тепловых машин. // Сборник трудов 7 Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”, Саратов, 2004г. – с.45-51.
6. Косарев А.В. Патент на полезную модель №68067 Тепловой двигатель (варианты). Бюл. №31 от 10.11.2007г.,
7. Путилов К.А. Термодинамика. - М.: “Наука”, 1971г., 377с.