КОРПУСКУЛЯРНАЯ ЭНЕРГОМЕХАНИКА
В данной работе рассмотрены исторические и современные представления о природе процессов трансформации энергии в границах материи и движения, проанализированы четыре начала термодинамики, дана оценка актуальным попыткам технической реализации виртуального эксперимента "Демон Максвелла".
Приведены теоретические расчеты, показано экспериментальное подтверждение теоретических обоснований на созданном экспериментальном экземпляре устройства работающим на реальном объекте по принципу "Демон Максвелла".
Теоретически обоснована и предложена новая трактовка второго начала термодинамики.
Обозначены перспективы развития безуглеродной энергетики.
Современный научный мир оперирует многообразием понятий и формулировок, что зачастую вносит неточное восприятие, а иногда и сумбур в процесс дискуссий по крайне актуальным и принципиальным темам. В частности относительно излагаемой темы невыясненными окончательно являются понятия и их взаимосвязи такие как информация, поле и энергия. С целью соблюдения принципов логики и однозначности понятийный ряд и взаимосвязь системы понятий предлагается выразить следующим образом:
1. Материя — фундаментальное понятие, выражающее изначальную сущность любых объектов и их совокупностейразличных форм существования, присутствующих в универсуме, вселенной, мире. Изначальная сущность мироздания. Существует независимо от остальных понятий.
2. Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движенияматерии, мерой состояния и мерой перехода материи из одних форм в другие и мерой самой материи. Не существует без материи.
3. Поле гравитационное, магнитное, электрическое и другие непознанные - многомерная среда существования материи, среда взаимодействия материи и энергии. Не существует без материи.
4. Объект — обособленная часть материи. Существует во взаимосвязи с другими обособленными частями материи посредством энергии и поля. Не существует без материи, энергии и поля.
5. Сознание — свойство, способность объекта самостоятельно соотносить, обособлять или объединять себя с другими объектами, универсумом, вселенной, миром. Не существует без материи, энергии и объекта.
6. Субъект— объект, наделенный сознанием и способный преобразовывать материю, энергию, информацию и мир. Не существует без материи, энергии, информации и сознания.
7. Разум — высшая форма сознания, присущая исключительно Человеку Разумному.
9. Информация — универсальное свойство материи, энергии, объектов, и их совокупности (универсума, вселенной, мира) субъектов и их совокупности, разума и Человека разумного, описывающее все перечисленное иотделяемое от всего перечисленного без изменения состояния и сущности всего вышеперечисленного. Не существует без всего вышеперечисленного.
10. Человек Разумный — субъект, наделенный разумом, способный преобразовывать информацию, материю, энергию, мир и самого себя. Не существует без всего вышеперечисленного.
ИСТОРИЯ
Крайне актуальной во все времена человечества является задача извлечения энергии во всех её видах и применения энергии всеми возможными способами как для развития человечества, чем занимается разумная его часть, так и для его уничтожения, либо его части, либо всего в целом, что является уделом безумной части человечества. Научная мысль человечества всегда работала и работает в направлении понимания сущности энергии.
Свет солнца, и первый костер воспринимались в первую очередь как свет и тепло, что побуждало задумываться в первую очередь именно об этих видах энергии.
Наиболее обоснованно и фундаментально к этой задаче подошел великий английский ученый физик, математик, механик и астроном Исаак
Ньютон, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики.
Относительно тепловой энергии в середине 18 века в европейской науке господствовала теория теплорода, впервые выдвинутая Робертом Бойлем. В основе этой теории лежало представление о некой огненной материи, посредством которой распространяется и передается тепло, а также огонь.
Новое понимание предложил великий русский ученый М. В. Ломоносов который обратил внимание ученого сообщества, что ни расширение тел по мере нагрева, ни увеличение веса при обжиге, ни фокусировка солнечных лучей линзой не могут быть качественно объяснены теорией теплорода. Связь тепловых явлений с изменениями массы отчасти и породили представление, что масса увеличивается вследствие того, что материальный теплород проникает в поры тел и остается там. Но,
М. В. Ломоносов заинтересовался почему при охлаждении тела теплород остаётся, а сила тепла теряется?
Опровергая одну теорию, М. В. Ломоносов предложил другую, в которой он убрал понятие теплорода. А именно - основание теплоты заключается в следующем:
1. «в движении какой-то материи» — так как «при прекращении движения уменьшается и теплота», а «движение не может произойти без материи»;
2. «во внутреннем движении материи», так как недоступно чувствам;
3. «во внутреннем движении собственной материи» тел, то есть «не посторонней»;
4. «во вращательном движении частиц собственной материи тел», так как «существуют весьма горячие тела без» двух других видов движения «внутреннего поступательного и колебательного», напр. раскалённый камень покоится (нет поступательного движения) и не плавится (нет колебательного движения частиц).
М. В. Ломоносов доказал, что причиною теплоты является внутреннее движение связанной материи, что полностью соответствует физике Ньютона.
Эти рассуждения имели огромный резонанс в европейской науке. Теория, как и полагается всему новому, долго критиковалась, не принималась европейскими учёными, но истина находит свою дорогу всегда.
Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру — термометра.
В 1877 г. австрийский физик Людвиг Больцман сделавший большой вклад в статистическую физику впервые связал между собой энтропию и вероятность, температуру и энергию, далее была описана связь между универсальной газовой постоянной и числом Авогадро, из которой следует
значение постоянной Больцмана, хотя достаточно точное значение постоянной
k =1,346 • 10−23 Дж/K как коэффициента связи в формуле для энтропии появилось в трудах Макса Планка.
Термодинамика появилась как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первыепаровые машины появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление промышленной революции.Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Принято считать, что термодинамика как наука ведёт своё начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам. Однако посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» вышла в уже в 1822 году и опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно.
В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии, далее Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.
В конце 19 века термодинамика была развита в работахГиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений.
В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.
Таким образом на современном этапе коллективными усилиями человечества разумного сформулированы четыре начала термодинамики:
1.
2. Первое начало термодинамики: это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
3. Второе начало термодинамики: имеет несколько формулировок Формулировка Кельвина: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет уменьшения внутренней энергии только одного теплового резервуара.Формулировка Оствальда:невозможен вечный двигатель второго рода. Вечный двигатель второго рода – это тепловая машина без низкотемпературного резервуара. Формулировка Клаузиуса: теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому.
4.
АНАЛИЗ
Поскольку все перечисленные законы справедливы для классической физики в понятиях материи, движения и энергии, где материя в твердом, жидком и газообразном состоянии представлена в виде подвижных частиц (молекул, атомов, элементов плазмы и их комбинаций - корпускул), а энергия как сумма кинетических энергий некоего количества корпускул, вне
Нулевое начало термодинамики: формулируется так -
изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь
угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными.
замкнутой системы, при всех процессах, происходящих в системе, остаётся
Энергия любой
постоянной.
Третье начало термодинамики (тепловая теорема Нернста) -
физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Все процессы при абсолютном нуле, при которых система переходит из одного равновесного
состояния в другое, происходят без изменения энтропии.
химических, квантовых, ядерных и других процессов целесообразно ввести понятие
«корпускулярная энергомеханика». Анализируя современные формулировки законов термодинамики начиная с нулевого, напрашивается резонный логический вопрос: не является ли формулировка нулевого начала термодинамики обратной формулировкой Клаузиуса из второго начала? Логика говорит, что да. То есть если теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому, то этот процесс может самопроизвольно происходить обратным образом пока система не достигнет равновесия, что и сформулировано в нулевом начале.
В этой связи, совершенно резонно, что нулевое начало термодинамики следует рассматривать как следствие формулировки Клаузиуса из второго начала термодинамики. Тем более нулевое начало потому и нулевое, что вошло в обиход физиков уже после существования первого и второго начал.
Относительно первого начала термодинамики на современном этапе науки дискутировать не имеет смысла – закон сохранения и трансформации энергии пока ещё никто не оспаривает. На сей день этот закон необходимо принимать человечеством разумным как аксиому не требующую доказательств, как закон сохранения материи, как точку отсчета в термодинамике, аналогично точке в геометрии Эвклида.
Относительно третьего начала – тепловой теоремы Нернста так же нет оснований для обсуждения. Физический смысл и математическая логика теоремы очевидна, понятна, многократно экспериментально подтверждена, и открывает возможности человеку разумному для дальнейшего исследования предельных и запредельных состояний материи, энергии, и объектов физического мира.
Самым спорным и проблемным выглядит второе начало термодинамики. Множество формулировок вызывает и множество вопросов. Логический анализ показывает, что формулировка Оствальда о невозможности вечного двигателя второго рода не что иное как частный случай закона сохранения энергии – первого начала термодинамики. Если следовать первому началу, то очевидно и безапелляционно что вечный двигатель невозможен ни первого, ни второго, ни ещё какого рода. И этот постулат, очевидный человеку разумному необходимо принять в виде данности нашего мира как минимум на сегодняшний день. Формулировка Кельвина, так же как и нулевое начало пересекается с формулировкой Клаузиуса и так же является её следствием. А именно: если
«теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому» то и
«циклический процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет уменьшения внутренней энергии только одного теплового резервуара» так же будет невозможен.
Таким образом самой логически понятной, физически справедливой и достоверно проверенной для второго начала термодинамики остается формулировка великого Клаузиуса.
Но именно эта формулировка не давала покоя человеку разумному по имени Джеймс Максвелл.
В декабре 1867 года Джеймс Максвелл в письме к Питеру Тейту высказал идею устройства, нарушающего второй закон термодинамики. Через четыре года он представил ее в монографии «Теория тепла». В 1874 году другой великий физик, Уильям Томсон, назвал это устройство "Демон Максвелла".
Мысленный эксперимент Джеймса Максвелла состоит в следующем: сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть отверстие с устройством, которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени (горячие) - (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а (холодные) останутся в левом.Таким образом, получается, что "Демон Максвелла" позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе.
Это на первый взгляд, но при более детальном изучении становится очевидным, что если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд, то для функционирования самого "Демона Максвелла" ему необходима передача энергии от внешнего источника. Тогда за счёт этой внешней энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией, но в этом случае система не будет замкнутой. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (
храповики собачка) приведён вФейнмановских лекциях по физике, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».
Тем не менее, этот парадокс со своим экстравагантным названием привлекал и привлекает внимание многих весьма известных ученых и изобретателей.
Так в 1929 году приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард (виднейший участник Манхеттенского проекта) показал, что даже идеально действующий демон увеличивает собственную энтропию всякий раз, как получает информацию о движении молекулы. Энтропия всей системы остается неизменной, ибо демон и газ образуют единое целое. Чисто математически Лео Сциллард попытался связать информацию и энергию, но об экспериментальном физическом подтверждении математической формулы Сцилларда сведений пока нет.
Далее по его пути, но уже с позиций физики пошел Марк Рейзен - профессор Техасского университета в Остине. Он и его коллеги разработали новый метод сверхглубокого охлаждения газов, в котором применяется лазерное устройство аналогичное по своим действиям демону Максвелла.Хотя физики уже научились доводить газ до температур в микрокельвины с помощью доплеровского поглощения лазерного излучения, но так можно охладить лишь отдельные вещества, таких как пары
щелочных металлов. Но профессорРейзенсчитал, что их метод гораздо более универсальный и применим для любого газа, атомы или молекулы которого могут находиться
в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях и что существует множество веществ, отвечающих этому требованию.
Главный вывод из этих экспериментов: нахождение замкнутой термодинамической системы в двух
долгоживущих метастабильных квантовых состояниях уже предполагает пересмотр нулевого и второго начал термодинамики и возможность реализации "Демона Максвелла" в атомарно-квантовой области.
Теоретические и экспериментальные работы в этом направлении продолжаются многими научными сообществами. Наиболее интересны два примера:
• В 2010 г. по сообщению в New Scientist мысленный эксперимент "Демон Максвелла" якобы удалось воплотить в реальность физикам из университетов Тюо (яп. 中央大学
) (Chuo University) и Токио (University of Tokyo) . Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один находился на поверхности стекла, второй мог вращаться вокруг первого. Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики (броуновское движение), естественно, с равной вероятностью как по часовой, так и против часовой стрелки.Далее авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (подъём), иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле. Далее физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.Так был создан аналог открываемой и закрываемой "Демоном Максвелла" дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы камеры и системы коррекции напряжения поля необходима энергия. Но японцы подчёркивают: данный опыт впервые на практике доказал реальность теплового насоса — "Демон Максвелла", Новый эксперимент, описанный встатьевNaturePhysics, позволил также проверить уравнение Ярзинского (Jarzynski equality), описывающее преобразование информации в энергию. Японские ученые посчитали, сколько бит содержали кадры с положением ротора, и установили, что при комнатной температуре один бит превращается в 3 х 10 -21 джоулей, в полном соответствии с теорией.
• Далее в 2015 году физики из Финляндии, США и России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) создали автономного искусственного "Демона Максвелла". Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. Созданная учеными система основана на одноэлектронном транзисторе, который образует небольшой медный остров, подключенный к двум сверхпроводящим алюминиевым выводам. "Демон Максвелла" контролирует движение электронов через транзистор. Когда частица находится на острове, демон притягивает ее положительным зарядом. Если электрон покидает остров, демон отталкивает его при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры системы.Все манипуляции демон выполняет в автономном режиме (его поведение определяется транзистором), а изменения температуры указывают на корреляцию между ним и системой, так что все выглядит так, как будто демон знает о состоянии системы и способен ею управлять.
Приведенные выше попытки реализовать техническим образом демона Максвелла находятся в области микромира и квантовой физики, в тоже время Максвелл рассматривал работу демона в области классической физики – корпускулярной энергомеханики.
Для технической реализации демона в этой области следует обратить внимание на два выдающихся изобретения, которые давно применяются человеком разумным по отдельности, но ещё не проявили себя совместным синергетическим эффектом.
Первое – двигатель Стирлинга: Как это часто случается в науке и технике выдающиеся достижения совершают не профессиональные ученые, а просто очень любознательные разумные люди. Таким и оказался шотландский священник Роберт Стирлинг который 27сентября 1816 год получил английский патент No 4081 1819 на двигатель работающий практически на любой разнице температур. Необходимо отметить, что первые элементарные двигатели горячего воздуха были известны ещё задолго до Стирлинга. Но главным достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом тепла». В современной научно-технической литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность термодинамической системы
Стирлинга. Теории
цикла Стирлингане существовало до тех пор, пока не появились работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 году общую теорию работы тепловых двигателей — Цикл Карно, из которой следовало,
что и цикл Стирлинга строился аналогичным образом.
Второе – тепловой насос: Концепция тепловых насосов была разработана ещё в 1852 году выдающимся британским физиком и инженером лордом Кельвином и в дальнейшем усовершенствована и детализирована австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером который спроектировал и установил первый известный тепловой насос в
1855 году. Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от низкотемпературного источника к высокотемпературному потребителю. В отличие от самопроизвольной передачи тепла, которая всегда происходит от горячего тела к холодному, тепловой насос переносит тепло в обратном направлении. Но для работы теплового насоса ему нужен внешний источник энергии. В процессе работы компрессор потребляет механическую или электрическую энергию. Соотношение перекачиваемой тепловой энергии и потребляемой электрической (или с учетом КПД электродвигателя механической) называется коэффициентом трансформации (или от английского COP — coefficient of performance) и служит показателем
эффективности теплового насоса. В широкой практике теплонасосов, СОР находится в пределах 2-7, в экономически эффективном техническом применении не менее 4. Конструкция типового теплового насоса состоит из испарителя, конденсатора, компрессора и дросселя.
Широко применяемыми в нашей повседневной жизни примерами тепловых насосов являются холодильники и кондиционеры.
В то же время современные тепловые насосы могут использоваться как для нагревания, так и для охлаждения, создавая требуемый климат независимо от внешней среды.
ВЫВОДЫ
1. На уровне молекулярных, атомарных и субатомных частиц (корпускул) существуют устойчивые термодинамические системы с метастабильным состоянием.
2. Уравнение Ярзинского показывает возможность метастабильного состояния в термодинамических системах .∆???? = ???????? − ???????? при ∆???? = А где: ∆???? - разница энергий двух частей термодинамической системы, а А - работа совершаемая этой разницей энергий.
Выводы показывают, что закрытая корпускулярная термодинамическая система состоящая из двух разделенных частей обладает минимальной разницей энергий как минимум на энергию хотя бы одной корпускулы. Это объяснимо в рамках классической физики и теории вероятности а именно –
вероятность разделения движущихся корпускул одномоментно на две равные части как по количеству корпускул так и по количеству суммарной энергии движущихся корпускул стремится к нулю при увеличении числа разделяемых корпускул. И чего следует вывод, что даже часть!!! работы А хотя бы одной корпускулы возможно применить в качестве работы демона Максвелла.
В то же время резонные вопросы возникающие к японским ученым по поводу корреляции информации и энергии в виде «один бит превращается в 3 х 10 -21 джоулей» на основании того, что «Учёные посчитали, сколько бит содержали кадры с положением ротора» не комментируется.
Главный вывод заключается в следующем:
закрытая корпускулярная термодинамическая система в которой тепловая энергия представлена в виде суммы кинетических энергий корпускул ???? = ∑???? ????, ???????? ????????
состоящая ????????????
из двух разделенных частей обладает минимальной разницей энергий и возможностью её увеличения за счет этой разницы. Количественной связи между информацией и энергией на данное время не установлено. ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Предложение сформулировано далее в выводах и в следствии
доказательства следующей энергетической теоремы:Гипотеза: В изолированной термодинамической системе состоящей из
двух разделенных частей энергия от низкотемпературной части может передаваться к высокотемпературной части за счет внутренней энергии низкотемпературной части системы.
Доказательство:
С целью доказательства гипотезы создается техническая модель "Демона Максвелла" в которой испаритель теплового насоса размещается в низкотемпературной части системы, а конденсатор и компрессор размещаются в высокотемпературной части, охлаждаемая часть двигателя Стирлинга размешается в низкотемпературной части системы, а нагреваемая часть размещаются в высокотемпературной части системы, при этом вал двигателя Стирлинга соединяется с валом компрессора которые так же располагаются в высокотемпературной части системы, что предусматривает возможность суммировать и учитывать тепловые потери, обусловленные трением в механической части конструкции в энергии перемещаемой тепловым насосом ????тн .
Исходные данные модели:
1. Изолированная корпускулярная термодинамическая система
состоящая из двух частей разделенных изолирующей стенкой, где энергия низкотемпературной части ????нч меньше энергии высокотемпературной части ????вч на разницу ΔQ = ????вч -????нч
2. Тепловой насос перемещающий энергию ????тн с коэффициентом трансформации СОР = (4 ± ∆????????????)
3. Двигатель Стирлинга с КПД=25%
Двигатель Стирлинга преобразует изначальную разницу тепловых энергий частей системы ΔQ в механическую работу Адс с КПД=25%. Адс = 0,25ΔQ при этом, энергия 0,75ΔQ перемещается рабочим телом двигателя Стирлинга в низкотемпературную часть системы.
Тепловой насос путем трансформации механической работы двигателя Стирлинга Адс в тепловую энергию ????тн. с коэффициентом СОР = (4 ± ∆????????????) перемещает тепловую энергию ????тн из низкотемпературной части системы в высокотемпературную и восстанавливает энергетический баланс системы.
В итоге энергетический баланс системы выглядит так:
????тн =Адс ∗COP=0,25ΔQ∗(4±∆????????????)=ΔQ∗(±∆????????????)
Выражаясь "демонической" терминологией "Демону Максвелла" достаточно четверти изначальной разницы энергии ΔQ в высокотемпературной части системы для своей работы чтобы восстановить эту разницу в полном объеме из низкотемпературной части системы. Причем при нехватке демонических сил (-∆????????????) восстановить ΔQ не получится, а при избытке (+∆????????????), ΔQ будет восстановлена с избытком. Выражаясь языком формул: при (+∆????????????) ????вч ↑ ????????????????нч ↓ ????????????, система займет крайнее метастабильной состояние с максимальной разницей энергий ΔQ ↑, а при (-
∆????????????) ????вч ↓ ???????????? ????нч ↑ ???????????? система займет другое крайнее метастабильное состояние с минимальной разницей энергий ΔQ ↓
Схема конструкции и движения энергии показаны на
рис.1 Рис.1 Конструкция работает следующим образом:a) Изначально, термодинамическая система находится в
неравновесном состоянии с разницей энергий достаточной для работы двигателя Стирлинга с превращением тепловой энергии в механическую с КПД=25%. При этом, 75% тепловой энергии перемещается рабочим телом двигателя Стирлинга в низкотемпературную часть термодинамической системы.
- b) Двигатель Стирлинга вращает вал компрессора теплового насоса.
- c) Тепловой насос посредством механической энергии перемещает
рабочим телом теплового насоса энергию из низкотемпературной части термодинамической системы в высокотемпературную часть с коэффициентом СОР = (4 ± ∆????????????).
Вывод:
В изолированной термодинамической системе, состоящей из двух разделенных частей, энергия от низкотемпературной части системы может передаваться к высокотемпературной части системы за счет внутренней энергии низкотемпературной части системы. Следствие:
На современном этапе развития науки и техники человечества разумного три начала термодинамики предлагается сформулировать так:
1. Первое начало: Закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
2. Второе начало термодинамики:
В изолированной термодинамической системе состоящей из двух разделенных частей энергия от низкотемпературной части системы может передаваться к высокотемпературной части системы за счет внутренней энергии низкотемпературной части системы. 3.
Энергия любой замкнутой системы, при всех
процессах, происходящих в системе, остаётся постоянной.
Третье начало термодинамики (тепловая теорема Нернста) -
Все процессы при абсолютном нуле, при которых система переходит из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения
энтропии.
В рамках изложенных выводов и их экспериментального подтверждения автором совместно с коллегой Гавриковым Андреем Викторовичем получен патент РФ 2692615, поданы международные заявки ЕПО 2019000011, PCT/RU 2018/000784 авторами создано экспериментальное устройство – автономная климатическая система, реально работающая на действующем объекте
рис 2. Рис 2. Устройство работает без внешнего подключения и полностью обеспечивает климатический режим медицинского центра. Электрическая энергия генерируется турбодвигателем Стирлинга собственной конструкции, за счет разницы температур внешней среды и помещения как при отопительном режиме, так и в режиме кондиционирования.
Генерация электрической энергии в данном устройстве происходит за счет избыточной механической энергии двигателя Стирлинга сверх той, что необходима тепловому насосу. Это обусловлено применением оригинальной конструкции турбодвигателя Стирлинга с КПД более 60%.
Предпосылки дальнейшего развития технологии на современном технологическом уровне (еще 10 лет назад это было почти невозможно) обусловлены следующими факторами:
- СОР современных теплонасосов 4 – 7 (обратный КПД 25-13%)
- КПД современных высокоскоростных (более 100 000 об/мин)
турбогенераторов достигает более 60%
3. Современные хладагенты позволяют сформировать термодинамический цикл для конкретного источника низкотемпературной энергии – вода, воздух, грунт, солнечная радиация с подъемом температуры от -20 до +70 град. С.
Эти параметры позволяют одновременно с отоплением или кондиционированием генерировать электрическую энергию из любого вида низкотемпературных источников. Пример масштабного применения проекта автономной климатической системы для индивидуального жилья с возможностью зарядки электротранспорта приведен на
рис.3 рис.3 Область дальнейшего развития и применения технологии термотрансформации крайне широка от бытовых автономных холодильников, кондиционеров и теплонасосов до энергообеспечения крупных производственных и коммунальных комплексов, электрозарядки дорожного и рельсового электротранспорта, обеспечения тепловой и электрической энергией поселений и городов без зависимости от угля, нефти и газа, то есть в формате будущего - безуглеродной энергетики.
