Мне пришло письмо:

Здравствуйте уважаемый Чёрный Кот.(вообще-то меня зовут nan :)
Ища в паутине одного своего знакомого (Коновалова, наверное?), обнаружил его в разделе рецензии и коментарии" Вашего сайта. Две фразы из вступления к разделу привлекли внимание и могут претендовать на роль мировоззренческих, во всяком случае для меня. Это во-первых: Диоген в своей бочке, говоря сам с собою, никогда не смог быть бы уверенным в жизненной правде своих идей". Во-вторых: Дураки обижаются на критику, а умные тихо, но эффективно её используют." Нет ничего важнее для новой идеи, чем попасть в творческую среду и пройти там чистилище. Причём чем на большее претендует идея, тем больше её должно полоскать, что бы она ярче заблестела. И нет ничего более необходимого и полезного для автора, чем конструктивная и пусть даже злобная критика. Никто лучше озлоблённого не заметит наших даже незначительных недостатков. Эти люди не являются соавторами, но очень помогают. Последнее ни в коей мере не относится к таким людям, что восседают в комитете РАН по лженауке". Только вдумайтесь в название комите
та. Наша РАН уже всё познала и со скуки ударилась в лженауку. Изливающий только грязь - есть невежа. Всё знают только Бог и невежи. Бог как Творец всего сущего, невежи по определению. И ещё я плохо воспринимаю тех людей которые всё ниспровергают и строят с нуля. Это просто чёрная неблагодарность к титаническому труду предшественников, очень часто проживших трагическую жизнь. Разве сегодняшний преобразованный во многом мир не говорит о реальности наших знаний, пусть и далёких от совершенства. Новое знание должно обязательно вбирать в себя уже накопленное. И последнее, сейчас стало модным пинать усопших титанов. Особенно достаётся Эйнштейну. Я далёк от мысли, что Эйнштейн нам изложил последнюю и окончательную истину. Ещё меньше истин осталось от Ньютона. Но разве не эти люди на своём этапе мощно раздвинули горизонт нашего знания?
Теперь о том, что побудило меня обратиться к Вам. Хочу пройти ещё одно чистилище. Я отношусь к армии изобретателей вечного двигателя второго рода. Получил даже патент на изобретение от Роспатента, правда по понятным причинам в описании ни словом не упомянул об этом. Моё принципиальное отличие от остальных подобных изобретателей состоит в том, что я с глубочайшим уважением отношусь ко второму закону термодинамики. Главным своим достижением считаю вскрытие механизма закона роста энтропии, показывающего, что это не постулат, а следствие закона сохранения результирующего импульса. Чтобы понять сложное и запутанное, необходимо во всём этом увидеть простое и главное. Таким простым и главным для понимания второго закона является нецентральное соударение. Прошу Вас если найдёте время ознакомиться со статьёй Доказательство и механизм реализации второго закона термодинамики" и разместить рецензию на Вашем сайте.

В выражениях свободны, лишь бы был конструктивизм. Сами понимаете, что на указанной стезе я наслышался. Сразу обращаю Ваше внимание, что базисом моих воззрений является эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде через нецентральное соударение. Если покажете ошибочность этого всё остальное не устоит.
С уважением Косарев Александр Владимирович.

Если бы не это вполне разумное и импонирующее письмо, я не стал бы прикасаться к одной из огромного множества подобных работ, но меня что-то зацепило :) и я попробую, хотя не вызвать раздражение автора своими слепыми и тупыми комментариями подчас бывает почти невозможно :)

Хочется сразу обратить внимание на то, что второй закон термодинамики - эмпирический закон и, строго говоря, до сих пор таким и остается точно так же как эмпирические законы Ньютона. Такое положение дел сохраняется просто потому, что эти законы являются следствием самых основных свойств материи, основание которых до сих пор еще не поняты. Попытки доказать или опровергнуть эти законы, используя те или иные умозрительные абстракции, предпринимаются постоянно, но, в конечном счете, они остаются бесплодными до тех пор пока не будет до конца поняты базовые основы материи и ее свойств. (Конечно, любые рассуждения в какой-то мере не бесплодны, но в смысле конечной задачи данных законов - явно бесплодны :)

И все же, в рамках условий окружающей нас ближайшей действительности, пока не было воспроизводимо документировано нарушение этих эмпирических законов. И это - очень серьезный аргумент против всех теоретических попыток их опровержения, ведь единственным критерием истины является корректно поставленный и однозначный по результатам опыт (корректно поставленный означает, что выбраны однотипные составляющие для операции сравнения утверждаемого и наблюдаемого).

А пока что не просто хорошим тоном, а важным принципом методологии науки считается развитие мировоззрения от уже незыблемо утвержденных фактов (а не теорий) - аксиом, верных для данных условий, и постепенное описание далее, за их границы, а не наоборот: начиная от сотворения мира и предположений о базовых основах материи (этих предположений может быть бесконечно много).

Косарев А.В.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО И МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

ВВЕДЕНИЕ

В феноменологической термодинамике существует много различных формулировок 2-го закона термодинамики. Так в [Л-5] автор приводит восемнадцать формулировок. 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. Причины и механизм закона роста энтропии в замкнутой термодинамической среде рассмотрены в первой главе, где показано что 2-й закон термодинамики является следствием эффекта вырождения результирующего импульса, как носителя кооперативной кинетической энергии в много частичной среде. Во второй главе показаны причины и механизм компенсации за преобразование тепла в работу, понятия являющегося одним из краеугольных в классической термодинамике.

В статье под диссипативной или многочастичной или тоже самое термодинамической средой (системой) понимается среда состоящая из огромного (не счётного) числа частиц конечных размеров.

Глава-1

ЭФФЕКТ ВЫРОЖДЕНИЯ РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕГО ИМПУЛЬСА

В МНОГОЧАСТИЧНОЙ (ДИССИПАТИВНОЙ) СРЕДЕ

В учении о тепле факт равновесного состояния и неизбежности его наступления для замкнутой многомолекулярной системы имеет особое, основополагающее значение. Все фундаментальные выводы термодинамики и статистической физики построены на этом факте. Покажем что результирующий импульс всех частиц системы (кроме механических частиц в системе есть поля, значительно влияющие на частицы, определяющие их взаимодействия и их условия, и абстрагироваться от них, описывая термодинамику, значит многое упустить), находящейся в равновесии, равен нулю как вектор. где n-количество частиц в системе. Обоснование данного утверждения для газа легко провести с помощью выводов статистической физики, где показывается, что в равновесном состоянии для Максвеловского распределения по скоростям средняя проекция скорости хаотического движения на любое направление оказывается равной нулю. Следовательно равна нулю и проекция среднего импульса на любое направление и результирующий импульс равен нулю как вектор.

Теперь рассмотрим замкнутую систему из нескольких частиц, находящихся в покое. Этой замкнутой системе извне передадим импульс . Наиболее характерным свойством этой замкнутой системы, с точки зрения механики, будет, наряду с сохранением полной энергии, то что этот импульс будет сохраняться постоянным по величине и направлению, сколько бы частицы не сталкивались между собой, не зависимо от свойств системы. Теперь же рассмотрим замкнутую систему из не счётного числа частиц. Здесь положение коренным образом меняется. Наиболее характерным свойством этой системы является стремление к равновесию, при котором как было показано выше результирующий импульс всех частиц равен нулю как вектор. Таким образом с одной стороны для замкнутой механической системы имеем с другой, при увеличении числа частиц системы, имеем прямо противоположное свойство , направленное движение исчезает. Попытаемся выяснить, каким образом разрешается этот парадокс, т.е. рассмотрим механизм релаксации. Парадокса нет, а есть произвольное изменение масштаба наблюдения: привнесенный импульс как был так и остался, но с укрупнением масштаба рассмотрения он становится пропорционально меньше. Каким образом кооперативная кинетическая энергия направленного движения с переходит в кинетическую энергию хаотически движущихся частиц с как вектор? Взаимодействие молекул (шаров) будем описывать законами абсолютно-упругого удара. 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. Если не нравятся абсолютно-упругие шары будем понимать под ними силовые поля, имеющие форму шара. Причём шаровые силовые поля рассматриваем для упрощения модели, что бы заострить внимание на главном виновнике рассеяния кооперативной энергии – не центральном соударении.

Рис. 1

Пусть имеем замкнутую систему, состоящую из одинаковых шаров. Причем n шаров покоятся, а один шар движется и сталкивается с покоящимися шарами. До столкновения результирующий импульс системы: , т.е. равен импульсу движущегося шара, а кинетическая энергия равна кинетической энергии движущегося шара. Причем кинетическая энергия строго направлена по результирующему импульсу системы, вся переносима этим результирующим импульсом. Шар 1 (см. рис.1) сталкивается с покоящимися шарами, при этом должны выполняться закон сохранения результирующего импульса и закон сохранения кинетической энергии. Сразу хочется обратить внимание, что понятие кинетической энергии не абсолютное, а относительное. Даже для системы со всеми покоящимися шарами общая кинетическая энергия зависит от того, относительно каких других систем мы смотрим. Это к вопросу о корректности фразы: "закон сохранения кинетической энергии". Пишу закон сохранения кинетической, а не полной энергии, т.к. принято считать что при абсолютно-упругом соударении шаров потенциальная энергия проявляется только в момент непосредственного соприкосновения. Эта схема принимается мною с тем что бы в наибольшей простоте раскрыть механизм рассеяния кооперативной кинетической энергии. При рассмотрении последовательности столкновений будем следить не за траекториями отдельных частиц, которые экспоненциально разбегаются, а за поведением результирующего импульса. Шар 1 с импульсом после столкновения с первым шаром 2 будет иметь импульс , а шар 2 приобретет импульс которые в сумме (геометрической) дадут первоначальный импульс . Закон сохранения импульса соблюден. Разложим импульсы шаров 1 и 2 после столкновения на оси и . Проекции и дадут первоначальный импульс , а проекции , перпендикулярные первоначальному результирующему импульсу на его величину после столкновения не влияют и в сумме дают нуль-вектор. Равенство по абсолютной величине импульсов и легко видно из векторной диаграммы (рис.1) 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 .

; ;

Так как и . Массы шаров для простоты все равны. Если, как было показано выше, результирующий импульс после столкновения сложится из двух проекций на ось и остался постоянным, то кинетическая энергия, переносимая этим импульсом после столкновения, т.е. проекциями и будет составлять только часть кинетической энергии, переносимой результирующим импульсом до столкновения. Другая часть кинетической энергии, переносимая взаимно уравновешенными импульсами и (нуль-вектором) переходит в хаотическую форму. После следующего соударения теперь уже двух движущихся шаров результирующий импульс сложится из 4-х шаров и произойдет дополнительное рассеяние направленной кинетической энергии и т.д. Таким образом

благодаря нецентральному соударению шаров в первоначальный направленный импульс лавинообразно вовлекается все большее и большее число шаров, а по мере вовлечения шаров происходит все большее рассеяние первоначально направленной кинетической энергии.

Не могу согласиться и вот почему. Во-первых, как-то забыт самый первый шар, а ведь он равноправно вошел в состав системы и, отскочив, продолжал свое симметричное (по отношению к первому ударенному) действие, сталкиваясь с другими шарами и неся свою долю первоначального импульса. Во-вторых вообще непонятно: если ранее утверждалось, что общий импульс системы сохраняется, то куда все подевалось после хаотических взаимоударений внутренних шаров?

Для наглядности представим, что шары связаны между собой пружинками, (чтобы не разлетаться) (что имеет место в оформленном веществе) и мы пинаем этот ком вещества. Безусловно, он полетит строго в соответствии с сохранением импульса, несмотря на то, что внутри его произошли множественные нецентральные соударения, в какую бы "хаотическую форму" не переходила часть энергии соударений.

Масса результирующего импульса постоянно растет, а скорость результирующего импульса, т.е. общего переноса падает. Но в кинетическую энергию скорость входит в квадрате, поэтому при увеличении массы и соответственно уменьшении скорости общего переноса кинетическая энергия общего переноса, т.е. та, которую несет результирующий импульс, уменьшается. Речь идет о кинетической энергии общего переноса (кооперативной энергии), переносимой 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, переносимая нуль-вектором. Результирующий импульс, оставаясь постоянным по величине и направлению как вектор (сложившись из огромного числа микро импульсов вовлечённых частиц), вырождается как носитель кооперативной энергии, равносильно тому, что и система приходит в равновесное состояние. Если это понимать так, что результирующий импульс сохранится, согласно общей величине MV, то никаких возражений нет. В противном случае, не думаю, что кусок вещества, получив пинок в безвоздушном пространстве, не сохранит первоначальный импульс и "остановится" относительно других тел так, какое положение занимал до этого :) хотя, в конечном счете, все его составляющие частицы уравновесятся вследствие взаимодействий между собой, огромную роль в которых играют полевые взаимодействия. Однако, меня смущает выражение в письме "базисом моих воззрений является эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде через нецентральное соударение", это звучит так, будто импульс все же не сохраняется, а вырождается в нуль, чего никак и никогда не происходит на практике. Вся кооперативная энергия переходит к нуль-вектору хаоса, складывающегося из пар взаимно уравновешенных импульсов. Отметим, что в случае центрального удара рассеяние вообще не происходит. Отметим также, что теория бильрдов Синая – частный случай эффекта вырождения импульса, когда стенка выступает по отношению к частице в качестве бесконечной массы.

Всесилие механизма релаксации, 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. Как уже было сказано, здесь рассмотрено только чисто механистическая часть реального айсберга явления, что недостаточно для описания всего эффекта уравновешивания. Вещество - все лишь закольцованная форма поля, и взаимодействие частиц вещества - это частный случай взаимодействия полей. Если же рассматривать реальную картину, сопровождающую такое взаимодействие, огромную роль в которой играет флуктуации вакуума (что очень многими вообще недооценивается и незамечается), то все описывается куда более общими законами, в которых нет места понятию "кинетической энергии".

Последний вывод находится в полном соответствии с формулой Больцмана

(описывающей чисто эмпирическую зависимость). При диссипации кооперативной энергии происходит увеличение хаотической энергии и температуры, которое может сопровождаться также расширением системы, что приводит к увеличению объема фазового пространства координат и импульсов, а стало быть термодинамической вероятности и энтропии.

Необходимо отметить, что эффект вырождения результирующего импульса проявляется в многочастичных средах не только в области классической динамики, но и в квантовой и релятивистской динамике, т.к. не центральное соударение имеет место во всех областях физической реальности. К сожалению, нет ни одного яркого примера демонстрации действия этого эффекта.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЕКТОРНЫХ КООПЕРАТИВНЫХ ПОТОКОВ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В МНОГОЧАСТИЧНОЙ СРЕДЕ.

Теперь наряду с процессом рассеяния направленной энергии (связанной с результирующим импульсом) в диссипативной среде рассмотрим противоположный ему процесс самоорганизации хаоса, возникновения диссипативных структур. В этом процессе диссипативная среда с , т.е. не имеющая выраженного направления движения, проходит стадию выравнивания в результате которой возникает диссипативная структура, обладающая кооперативным движением, движением общего переноса с , а стало быть возникает энергия общего переноса способная совершать полезную макроскопическую работу. Всякая неравновесность состояния термодинамической системы вызвана какой-либо разностью потенциалов (разность давлений, температур, разность химических или электрических потенциалов, разность энергетических уровней (а вот это - из другой опреы :))). Если в термодинамической системе есть неравновесность, т.е. разность потенциалов, то в этой системе имеется градиент потенциальной энергии. Если в системе есть градиент потенциальной энергии, то в этой системе действует сила, имеющая выделенное направление, против градиента потенциальной энергии:

_{( 1 )}

где - потенциальная энергия, запасенная в системе, , F - сила, действующая в системе, r - расстояние на котором имеется разность потенциалов . Действительно, должна быть какая-то сила, создавшая такое первоначальное взаимоположение, но вовсе не значит, что эта сила все еще действует, т.е. продолжает ускорение и развивает процесс. Выделенная фраза придает неверный смысл последующим утверждениям. Хотя градиент поля способен реализовать соответствующую силу, но не стоит забывать, что это чисто описательная абстракция: сама по себе сила не существует (как и сама по себе энергия) в виде некой самостоятельной реальности, а проявляется лишь как следствие воздействия конкретного агента данного поля на все то, с чем это поле способно взаимодействовать. Силы, породившие градиент - это одно, а сила поля, воздействующего на способное взаимодействовать с ним - другое.

В этом природа термодинамических сил в диссипативной среде. Она едина с природой любых сил, рассматриваемых в любых средах и всех во областях физики. Так как разность потенциалов действует на всю многочастичную систему, то и сила действует на систему в целом (нет, не на систему в целом, а конкретно на те ее составляющие, которые могут взаимодействовать с полем, и очень по-разному, в зависимости от конкретной разности потенциалов), вызывая коллективное совместное движение частиц диссипативной системы. Возникают термодинамические потоки массы и энергии, потоки энергии Умова-Пойнтинга. Неверный вывод из неверной предпосылки... Здесь особенно выделяется тенденция оперировать с некоей "чистой энергией". Осуществляется переход потенциальной энергии, запасенной в неравновесной системе, в кинетическую энергию общего переноса, имеющей результирующий импульс по направлению силы (-grad). В случае, например, луны-земли разности потенциалов гравии-поля никуда не переходят, в отличие от потенциальной энергии самого тела, на которое воздействует поле.

Это и есть механизм самоорганизации (синергетики) диссипативных структур, основополагающего понятия сильно неравновесной термодинамики.

Более ста лет назад профессором Умовым было введено понятие потоков энергии в диссипативной среде, даны их характеристики. Здесь ставится задача выявить механизмы, динамику возникновения потоков энергии в много частичной среде, понять условия существования этих потоков во времени, причины затухания, рассеяния этих потоков в диссипативной среде. При этом я пытаюсь указать на тесную связь между потоками энергии Умова-Пойнтинга в диссипативной среде и диссипативными структурами, введёнными Пригожиным.

Механизм возникновения кооперативного движения в неравновесной диссипативной среде не несёт в себе ничего нового по сравнению со вторым, основным законом динамики Ньютона. Всё предельно просто, исходя из имеющихся физических знаний о динамике малого (счётного) числа частиц. Сложность заключается в том что не всегда в неравновесной термодинамической системе (системе из не счётного числа частиц) под действием силы в соответствии с основным законом динамики происходит зримое ускорение массы, возникает кооперативное движение, совместный поток частиц. Для понимания причин этого необходимо уяснить очень важное для диссипативных сред понятие. Я назвал его главное пороговое соотношение или диссипативный порог много частичной системы. Дело в том что как только в многочастичной системе возник кооперативный поток, обладающий результирующим импульсом, то тут же начинает действовать механизм вырождения импульса, диссипирующий кооперативное движение. И закон Ньютона не выполняется в целом для системы?

Кинетическую энергию и импульс всегда нужно рассматривать в единстве. Кинетическая энергия переносима импульсом. Другое дело что кинетическая энергия в диссипативной среде существует в двух формах (разделяемых чисто умозрительно):

1) Кооперативная кинетическая энергия с (потоки энергии Умова-Пойнтинга).

2)Тепловая форма кинетической энергии с

Но всегда и ;

Закон сохранения и превращения энергии состоит из двух частей:

1). Сохранение энергии. Сумма кинетической и потенциальной энергии замкнутой сиcтемы остается постоянной не зависимо от протекающих в системе процессов.

( 2 )

2). Превращение энергии. При превращении одного вида энергии в другой выполняются равенства:

; ; ( 3 )

где: F - сила, - перемещение, - давление, - изменение объема.

Изменения и превращения энергии не происходят вне динамики процессов, следовательно протекают во времени. Всё это в равной степени относится и к термодинамике. Превращение одного вида энергии в другой происходит при обязательном совершении работы, т.е. совершается перемещение под действием или против действующих сил.

В макро среде (сплошной среде), являющейся совокупностью огромного (не счётного) числа корпускул, может формироваться только четыре вида макроскопических потоков энергии в зависимости от свойств среды и природы разности потенциалов: гидродинамический поток, когда разность потенциалов вызвана перепадом давлений или высот; фононный тепловой поток, когда разность потенциалов вызвана перепадом температур; поток заряженных частиц (электрический ток), вызванный разностью электрических потенциалов; электромагнитный фотонный поток частиц (частный случай лазер), вызванный разностью потенциалов различных уровней энергии в атоме (неверно! Разные энергетические уровни там не имеют никакого отношения к "разности потенциалов" поля.). Было бы более логичным все выделяемые абстракции соотносить хотя бы с четырьмя видами взаимодействий :) но лучше оперировать единой базовой причиной всех взаимодействий, проявляющейся в явлении флуктуации вакуума или, точнее, обусловленной некоей базовой основой материи.

Выделение некое "порога", до которого воздействующий импульс "не, вырождается", а после которого исчезает бесследно, некорректно потому, что этот порог является лишь следствием выбранного масштаба рассмотрения системы, как уже говорилось раньше. Вся разница лишь в том, "происходит ли зримое ускорение массы" или внешний результат незаметен для наблюдателя.

Все последующие рассуждение основываются на этих предпосылках, тенденциозно развивая их в желаемом направлении, в результате чего и становится возможным построение "вечного двигателя" :)

ДИССИПАТИВНЫЙ ПОРОГ МНОГОЧАСТИЧНОЙ СИСТЕМЫ И ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМЫ ПО РАЗНЫЕ СТОРОНЫ ОТ ПОРОГА

Вернемся к рассмотрению событий в неравновесных диссипативных средах под влиянием совместного действия основного закона динамики и эффекта вырождения результирующего импульса. Неравновесность состояния диссипативной среды, согласно идей выдвинутых Брюссельской школой, служит источником упорядоченности. Это необходимое, но не достаточное условие возникновения кооперативного движения, возникновения потоков энергии Умова-Пойтинга с . Всё определяется мощностями двух прямо противоположных процессов, зависящих от состояния и свойств системы. Если мощность возникновения кооперативных потоков больше мощности процесса диссипации кооперативной энергии, то в системе наблюдаются кооперативные потоки, возникают потоки энергии Умова-Пойтинга, формируются диссипативные структуры Пригожина. Для возникновения кооперативного движения в диссипативной среде необходимо преодоление главного порогового соотношения. Назовём его диссипативным порогом.

где - энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом и получаемая из потенциальной энергии неравновесности в единицу времени; - максимальная энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом, которую данная многочастичная система способна в единицу времени переводить в хаотическую форму по причине эффекта вырождения результирующего импульса.

Величина диссипативного порога является важнейшей характеристикой данной многочастичной системы. Именно диссипативный порог, определяющий соотношение между мощностью процесса самоорганизации и мощностью процесса диссипации определяет направление событий, направление эволюции в неравновесной диссипативной среде: а) при - область линейной неравновесной термодинамики, когда мы говорим о локальном равновесии и не возникает потоков энергии с. В данной ситуации система под действием причин релаксации стремится к равновесию, к состоянию с и . Это область действия 2-го закона термодинамики. Потоки энергии образуются в микрообластях и тут же рассеиваются. В зоне локального равновесия также существуют потоки энергии от высшего потенциала к низшему, но из-за того что эти потоки не обладают кооперативным движением, т.е. у них , то эти потоки не способны совершать макроскопическую работу.

б) при - область нелинейной, сильно неравновесной термодинамики. При этом условии возникают потоки энергии Умова-Пойтинга с , происходит формирование диссипативных структур и появляется возможность совершать макроскопическую работу. Причём для получения кооперативного движения вовсе не обязательно чтобы в каждый момент времени мощность процесса возникновения кооперативного движения была больше мощности процесса вырождения результирующего импульса. Необходимо чтобы за наблюдаемый промежуток времени образовалось больше кооперативной энергии чем её диссипировало. ; где: - мощность производства кооперативной энергии в неравновесной системе. - это максимальная мощность кооперативной энергии, которую способна диссипировать данная термодинамическая система.

Максимальная мощность процесса диссипации и есть тот порог не преодолев который не возможно в системе получить кооперативные потоки энергии, потоки Умова-Пойтинга, не возможно сформировать стабильную диссипативную структуру. Необходимо выполнение условия б), при соблюдении которого происходит первая бифуркация и в диссипативной среде формируется диссипативная структура. Для открытой диссипативной структуры возможны три варианта дальнейшего развития: Вариант 1): при равенстве подводимого из вне потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры плюс внешняя работа, структура может существовать сколь угодно долго.

; (4)

Назовем ( 4 ) соотношением стабильности. По причине того что в стационарных процессах действие причин релаксации ограничено (энергия передается на ограниченную массу, когерентность делает соударение близким к центральному удару, что также снижает рассеяние) по сравнению с условиями когда в процессе релаксации масса вовлекается лавинообразно, то становятся понятными принцип Онсагера о минимальном рассеянии энергии и принцип Пригожина о минимальном производстве энтропии в стационарных процессах. Вариант 2):

Здесь также возможны два случая: во-первых весь избыток направленной энергии, получаемый диссипативной структурой сверх необходимого для функционирования самой структуры, структура расходует на совершение внешней работы и может как и в варианте 1) существовать сколь угодно долго. Во-вторых, если внешняя работа не совершается, идет накопление кооперативной энергии в структуре и диссипативная структура идет к новой бифуркации, в результате которой формируется новое состояние, новая диссипативная структура. Принципиальный механизм бифуркации одной диссипативной структуры в другую заключается в следующем: при нарастании кооперативной энергии в диссипативной структуре, за счет увеличения мощности преобразования потенциальной энергии в направленную кинетическую возникает излишнее для данной диссипативной структуры кооперативное движение, способное совершать работу по преодолению оказывающихся на его пути потенциальных барьеров. Момент времени и совершаемая при этом работа и представляют собой бифуркацию: переход одной диссипативной структуры в другую. Если после бифуркации в новой диссипативной структуре устанавливается равновесие по варианту 1), то новая структура будет устойчивой. Если в новой диссипативной структуре вновь при определенных условиях с некоторого момента начинает накапливаться неравновесность, то система вновь готова к очередной бифуркации, к формированию последующей структуры. Описанное выше представляет собой механизм, динамику эволюции структур.

Вариант 3): ; Как только выполняется условие 3), то диссипативная структура начинает затухать и разрушаться или должна восстановить равновесие соответствующее данной диссипативной структуре.

Глава-2

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.

Рис.-2

Покажем что компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или тоже самое против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации. Рассмотрим Рис.-2. Здесь - атмосферное давление, - удельный объём 1кг. рабочего тела (воздуха) на входе в тепловую машину, - удельный объём 1кг. рабочего тела на выхлопе тепловой машины в атмосферу. Для большей ясности физики компенсации будем понимать под тепловой машиной традиционную газотурбинную установку работающую по циклу Рис.- 3а. Хотя причина компенсации одна и та же и для газотурбинных и для паротурбинных установок и для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том что 1кг.рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объём , под воздействием процессов внутри машины, чем объём на входе в тепловую машину.

А это означает что прогоняя через тепловую машину 1 кг. рабочего тела мы расширяем атмосферу на величину , для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания:

(см. Рис.-2)

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 1кг. рабочего тела должен иметь тоже атмосферное давление что и на входе в машину, но при большем объёме . А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния , он должен иметь и большую температуру, т.е. . Мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию: . 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:

(5)

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. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объём килограмма рабочего тела на выхлопе до объёма на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю. Что реально мешает достичь этого результата рассмотрим на циклах и процессах традиционной квазиравновесной термодинамики. Рассмотрим идеальный цикл простейшей газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении (см. Рис.- 3а). Здесь 1-2 - адиабатный процесс сжатия в компрессоре; 2-3 - изобарный процесс подвода тепла к рабочему телу в камере сгорания; 3-4 - адиабатный процесс расширения в турбине; 4-1 - изобарный процесс отвода тепла от рабочего тела к холодному источнику с целью вернуть цикл в исходную точку 1.

Используя температурную неравновесность между точками 4 и 2 мы организуем регенерацию тепла между процессами (4-1) и (2-3) при противотоке и снижаем количество тепла передаваемое холодному источнику, так как снижая температуру рабочего тела на выхлопе, снижаем в соответствии с уравнением газового состояния и объём рабочего тела на выхлопе. Однако на пути процесса регенерации тепла встает процесс предварительного сжатия рабочего тела (1-2) и перепад температур в регенераторе . Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, которые вызваны двумя причинами, ограничивающими передачу тепла от уходящих газов к воздуху в регенераторе (см. Рис. 3а):

Рис.-3а Рис.-3б

1) потери, вызванные сжатием воздуха в компрессоре. Так как нельзя охладить уходящие газы в регенераторе ниже температуры воздуха на входе в регенератор, то сжимая предварительно воздух в компрессоре и тем самым повышая температуру воздуха на входе в регенератор, мы ограничиваем передачу тепла от газов к воздуху и получаем первую потерю, принципиально не устранимую в циклах с предварительным сжатием рабочего тела.

2) Вторая причина потерь с уходящими газами вызвана тем, что для передачи тепла в регенераторе (q_рег ) от горячих газов на выхлопе из турбины к холодному воздуху, входящему в регенератор, необходим перепад температур (DТ_рег). Эта потеря тем меньше, чем меньше перепад температур DТ_рег(см. Рис. 3а и 3б). Но эту вторую потерю в принципе можно сделать сколь угодно малой, увеличивая теплопередающую поверхность регенератора и тем самым снижая DТ_рег в соответствии с формулой

q_рег = k F DТ_рег Ї = const. ( 6 )

где: q_рег – тепло, переданное в регенераторе от газов к воздуху; k – коэффициент теплопередачи; F – теплопередающая поверхность от газов к воздуху в регенераторе; DТ_рег - теплоперепад в регенераторе между газом и воздухом.

При этом необходимо отметить, что наиболее глубокое охлаждение газов можно осуществить только в противотоке между охлаждаемыми газами и подогреваемым воздухом.

Именно из-за адиабаты 1-2 (процесса предварительного сжатия) мы не можем осуществить полную регенерацию тепла и вынуждены отдавать тепло холодному источнику. Потери тепла в окружающую среду за счет в принципе можно свести к нулю, увеличивая площадь поверхности регенератора (см. (6)). Причина появления процесса предварительного сжатия (1-2) в том что из практики замечено: для получения газового потока необходимо сжатие газа, необходим перепад давлений. Необходимо получить неравновесность, запасти потенциальную энергию (между точками 1 и 2), которую вновь можно превратить в энергию кооперативного движения, в механическую работу. Однако если сразу использовать эту неравновесность, то никакого эффекта не будет даже в идеале, а на практике, по причине релаксации (трения), будут потери кооперативной кинетической энергии, возникшей при преобразовании потенциальной (внутренней) энергии. Поэтому необходимо усиление неравновесности, полученной в точке 2. Для этого производится подогрев рабочего тела до точки 3 и в системе накапливается, за счет подведенного тепла, дополнительная потенциальная энергия (эксергия), дополнительная неравновесность. Благодаря процессу подогрева 2 - 3 точка 3, в сравнении с точкой 2, получила второй уровень неравновесности, дополнительную потенциальную энергию. Это и дает нам возможность в процессе адиабатного расширения 3-4 получить выигрыш в работе по сравнению с процессом сжатия 1-2.

Но у нас еще остается неравновесность точки 4 по отношению к точке 2 и, используя эту температурную неравновесность, мы частично используем (регенерируем) тепло отходящих газов в процессе 4-1 на подогрев рабочего тела в начале процесса 2-3. На пути полной регенерации встал процесс предварительного сжатия 1-2, который поднял температуру рабочего тела в точке 2. Обратим внимание на то что процесс предварительного сжатия 1-2 является обязательным элементом всех используемых ныне тепловых циклов: и газотурбинных, и ДВС, и Ренкина.

Предлагается отказаться от процесса предварительного сжатия. Это становится возможным при работе газотурбинной установки по циклу изображенному на Рис.-3б. Здесь отсутствует процесс предварительного сжатия в компрессоре (1-2), а значит в принципе устранена причина №1 потерь тепла с уходящими газами. Подвод тепла и повышение давления производится в изохорном процессе 1-3. По такому циклу могут работать только установки пульсирующего типа.

Однако в рамках принятых воззрений при рассмотрении предложенного регенеративного цикла возникают противоречия. Энергия, аккумулированная уходящими газами больше тепла переданного в регенераторе воздуху даже в идеальном случае на величину , Рис.- 3б, т.к. отвод тепла от газов производится при постоянном давлении, а подвод тепла к воздуху осуществляется при постоянном объеме. Но здесь нет противоречия.

Согласно закона сохранения и превращения энергии сумма потенциальной и кинетической энергии замкнутой системы остается постоянной, а превращение видов энергии, т.е. потенциальной в кинетическую и наоборот количественно равны, причем превращение одного вида энергии в другой происходит через совершение работы (см. (3)).

Когда мы пишем , мы должны четко понимать что это не энергия. Работа в общефизическом смысле это сила действующая на пути, численный эквивалент энергии превратившейся из потенциальной в кинетическую или наоборот. Это необходимо учитывать при составлении балансов энергии. Если в системе не действуют силы или нет перемещений под действием силы или против действующих сил, то нет и работы, а значит нет превращения одного вида энергии в другой. Силы в системе возникают только если есть градиент потенциальной энергии , т.е. если есть неравновесность в системе.

Причем если перемещение возникает под действием силы, т.е. направление перемещения массы совпадает с направлением действующей силы, то происходит ускорение массы и увеличивается кооперативная кинетическая энергия, а значит согласно (3) уменьшается потенциальная (внутренняя) энергия системы. Примером такого случая может служить процесс в сопле.

Если перемещение происходит против действующих в системе сил, то увеличивается потенциальная (внутренняя) энергия и уменьшается кооперативная кинетическая. Работа совершается за счет уменьшения кооперативной кинетической энергии, уменьшения скорости потока. Примером такого случая может служить процесс в диффузоре или на выхлопе тепловой машины в окружающую среду.

Вот теперь с учетом изложенного о понятии компенсации рассмотрим и проанализируем регенеративный цикл без процесса предварительного сжатия. Цикл, изображен на Рис.-3б. В цикле: 1-3- процесс изохорного подвода тепла к рабочему телу с целью получения неравновесности в точке 3 по отношению к точке 1. В процессе 1-3 подводимое тепло вызывает рост температуры и давления. И неравновесность, а стало быть потенциальная энергия (градиент которой и вызывает "движущие силы огня") накапливаются в заданном объеме рабочего тела в виде перепада давления в точках 1 и 3, а также между изохорным процессом в точке 3 и изобарным процессом в точке 4. Причем все тепло в процессе 1-3 затрачивается на увеличение внутренней энергии рабочего тела: Теперь, имея перепад давления между точками 3 и 4, мы можем получить полезную работу (механическую энергию) в процессе адиабатного расширения 3-4. Учитывая, что в адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет убыли внутренней энергии рабочего тела, имеем:

(в соответствии с (3))

где - увеличение скорости потока рабочего тела в процессе 3-4.

В точке 4 мы опять имеем температурную неравновесность по отношению к точке 1, позволяющую нам осуществлять регенерацию тепла между процессами 4-1 и 1-3 в противотоке. Тепло, отдаваемое окружающей среде, будет зависеть от перепада температур в регенераторе - и будет тем меньше чем меньше .

где - увеличение внутренней энергии рабочего тела на выходе из цикла в сравнении с внутренней энергией на входе. Эта энергия необходима для поддержания давления - после расширения рабочего тела от до и содержится эта энергия именно в рабочем теле на выхлопе из регенератора тепловой машины.

- это часть кооперативной энергии потока полученной в процессе 3-4 и затрачена на работу по преодолению сил гравитации на выходе из установки (канала), работа проталкивания. Эта энергия аккумулируется в атмосфере, в окружающей среде. Причем как уже отмечалось ранее между теплотами и существует прямая зависимость. Уменьшая за счет передачи тепла в регенераторе и тем самым уменьшая температуру рабочего тела на выходе из регенератора, мы добиваемся уменьшения объема рабочего тела на выхлопе тепловой машины в соответствии с уравнением газового состояния Уменьшение объема на выхлопе снижает работу проталкивания и тем самым увеличивается техническая работа на величину И чем меньше температурный напор в регенераторе тем меньше тепло, отдаваемое окружающей среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня под вторым законом термодинамики объединяются два совершенно различных физических явления: закон роста энтропии, являющийся следствием эффекта вырождения результирующего импульса и "компенсация за преобразование тепла в работу", являющаяся следствием работы проталкивания против сил гравитации.

Подводя итог подчеркнём, что динамика многочастичных сред отличается от хорошо изученной динамики малого числа взаимодействующих частиц тем, что в многочастичной среде на известные законы динамики накладывается эффект вырождения результирующего импульса. Следствием эффекта вырождения импульса становится присущий каждой многочастичной системе диссипативный порог, разделяющий динамику многочастичной среды на два направления эволюции: по Клаузиусу – в направлении равновесного состояния, соответствующего максимуму энтропии и по Дарвину – в направлении формирования и усложнения диссипативных структур Пригожина. Подходы Хакена к трактовке и исследованию диссипативных структур на основе когерентного взаимодействия есть частный случай структур Пригожина как общей термодинамической категории. Когерентное взаимодействие приводит к централизации соударения, что способствует уменьшению рассеяния кооперативной энергии. Диссипативный порог когерентно взаимодействующей системы стремится к нулю. Необходимо также отметить что механизм вырождения результирующего импульса позволяет обосновать гипотезу молекулярного хаоса, являющуюся исходной посылкой статистической механики. Таким образом эффект вырождения результирующего импульса является связующим звеном, обеспечивающим единство классической динамики. Динамика малого числа частиц (динамика Ньютона) и динамика несчётного числа частиц (термодинамика, гидродинамика, электродинамика токов, теплопередача, динамика биологических структур, включая их эволюцию, и даже классическая статистическая механика) базируются на одних и тех же исходных постулатах, из которых вытекает эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде. Этих постулатов три: закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения результирующего импульса, корпускулярный характер строения материи.

"Природа компенсации за преобразование тепла в работу" заключается в том что, забирая из атмосферы рабочее тело с одним объемом, мы выталкиваем в атмосферу рабочее тело с гораздо большим объемом. На это требуется затрата кооперативной энергии для совершения работы проталкивания против сил гравитации плюс затраты тепла на увеличение внутренней энергии рабочего тела для поддержания атмосферного давления на выхлопе при большем объеме. Понятие о "компенсации за преобразование тепла в работу" введено в термодинамику в связи с неправильным толкованием труда Карно. Во времена Карно ещё не существовало понятия регенерации тепла и поэтому было заострено внимание на необходимости передачи тепла холодному источнику. А главным в работе Карно является указание на наличие неравновесности системы для получения работы (кооперативной механической энергии). Необходимо также обратить внимание на тот факт, что формулировка Томпсона "о невозможности вечного двигателя второго рода" напрямую вытекает из понятия о "компенсации за преобразование тепла в работу".

Приложение исследований к технике позволило запатентовать две установки: газотурбинную установку, дающую по оценкам резкое увеличение КПД и термоэлектрический преобразователь (термопарную поверхность), позволяющий получать большие мощности экологически чистой энергии.

ЛИТЕРАТУРА

Киттель, Рейф и др. Берклиевский курс физики. Т.1-5. Из-во “Наука”, 1972г.
Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред.

ИПК "Оренбурггазпромпечать", 2001г.

Косарев А.В. Патент на изобретение RU №2154181 “Газотурбинная установка”.

Бюл. №22 от 10. 08. 2000г.

Пригожин И. От существующего к возникающему. Из-во “Наука”, 1985г.

5. Путилов К.А. Термодинамика. Из-во “Наука”, 1971г.