«ЖОНГЛИРОВАНИЕ»  МОЛЕКУЛАМИ  ИЛИ  «ГОЛЫЙ КОРОЛЬ»

Трещалов Г.В.

В предыдущей статье [1] мы затронули, идею создания автомобилей с использованием описанного в ней принципа, а именно, «демона Максвелла».

Сразу оговоримся, что вода здесь ни причём; и автомобиль этот будет использовать в качестве топлива .... тёплый воздух из атмосферы. Каково? Но так ли утопична эта идея?

Давайте попытаемся заглянуть в гипотетическое будущее.

Учитывая, что - как мы знаем - окружающий нас воздух содержит значительное количество энергии, вполне реально представить себе автомобиль, работающий буквально «на воздухе». Он, по-видимому, будет иметь большой воздухозаборник для засасывания тёплого воздуха, а выхлопом у него будет ... воздух, охлаждённый, скажем, до минус 30-ти градусов, который немедленно будет смешиваться с окружающим тёплым и снова готов к работе для едущего следом автомобиля. Курьёзно, но эти автомобили автоматически будут соблюдать дистанцию между собой, поскольку ехать в «выхлопе» впереди идущего автомобиля невозможно, и придётся подождать, пока подготовится «рабочая смесь» для следующего. Правда, эти автомобили хорошо будут ездить только в тёплых широтах и летом. А для холодных широт придётся изготовить автомобили с выхлопом в минус 70-80 градусов. Но дороги при этом придётся изолировать от пешеходов. Но, разве с этим нельзя смириться ради чистоты атмосферы? Да и двигатель у такой машины ни в коем случае не должен быть обычным, тепловым, иначе формула Карно поглотит всю добытую из воздуха энергию и даже «демону Максвелла» не оставит.
Утопия?
Рассмотрим всё подробно.
Для начала давайте посчитаем, сколько энергии содержится в окружающем нас воздухе и, при условии извлечения её из воздуха, достаточно ли её для движения автомобиля.
Расчёт (расчёт приблизительный, только оценочный и не учитывает некоторые детали, в частности - изменение теплоёмкости воздуха при изменении температуры).

Теплоёмкость воздуха   C = 1 кДж/кг·K.

Плотность воздуха         p = 1,28 кг/м³.

Будем считать, что температура окружающего воздуха равна 20 градусам Цельсия (в дальнейших расчётах считаем газ идеальным).

При охлаждении 1 м³ воздуха на 50 градусов высвободится энергия:



- масса объекта, умноженная на его теплоёмкость и умноженная на разницу начальной и конечной температуры.

Для прохождения легковым автомобилем 100 м со скоростью 60 км/ч необходимо 250 кДж энергии (10 грамм бензина) (теплотворность бензина = 46 МДж/кг, КПД автомобильного двигателя внутреннего сгорания  40-60%)

Автомобиль с воздухозаборником площадью 0,5 м² пропустит через себя при этом 50 м³ воздуха. Охладив весь этот воздух на 50 градусов можно высвободить


Как мы уже знаем, «демону Максвелла» для работы тоже нужна энергия; и, следовательно, часть этой энергии ему придётся отдать. Часть энергии уйдёт на потери, но


Поскольку запас очень большой (92 %), то возможны варианты с площадью воздухозаборника и температурой выхлопа. Скажем, при воздухозаборнике площадью 0,3 м² (соизмеримом уже с площадью радиатора «Жигулей») и температуре выхлопа минус10 град, имеем количество энергии:

 
Как видно - запас энергии ещё достаточно высок.

То есть из этого расчёта видно, что если мы сумеем извлечь энергию из воздуха - её вполне должно хватить для движения автомобиля.
А теперь - про основную составляющую этого гипотетического автомобиля, - его энергетическую установку-движитель.
Что же это за устройство, которое может отнимать энергию от холодного тела и отдавать его горячему и нарушающее тем самым основополагающий закон мироздания - Второй Закон Термодинамики? Существует ли такое устройство?

Оказывается, да! И изобретено оно уже почти 80 лет назад. Это вихревой генератор или труба Ранка (Ranque vortex tube). Его запатентовал в 1933 году французский инженер Georges Ranque. О том, что это устройство работает и выдаёт энергии даже больше, чем потребляет, не знает, по-видимому, уже только ленивый. Правда получать от этих устройств пока удаётся только тепловую энергию в количестве в 1,5 - 2 раза превосходящем затрачиваемую энергию.

Что же получается? Оно нарушает закон сохранения энергии, поскольку его КПД, рассчитанное по привычной нам формуле (энергия полученная, поделённая на энергию затраченную) превышает 100%? Сейчас уже, чтобы не вступать в противоречие с основными законами физики, КПД этих машин осторожно называют «эффективностью» (хотя этот параметр всё же в действительности не является КПД). Но смысла это не меняет - они выдают энергии больше, чем потребляют и более того разделяют поток газа или жидкости (рабочего тела для этих машин) на два потока - холодный и горячий. Причём холодный поток холоднее начального (входящего) потока рабочего тела, а горячий - горячее, что, по теории, и должен делать пресловутый, уже упоминаемый нами «демон Максвелла».

Расчёт этих машин является отнюдь не тривиальной задачей и никем он пока в точности не сделан, что, по-видимому, и является камнем преткновения для их повсеместного внедрения.

Здесь, кстати, стоит рассмотреть ещё один интересный аспект и причину столь незначительного применения трубы Ранка. Следует отметить, что это устройство в настоящее время в большинстве случаев используется только в качестве холодильника (теплового насоса). Однако большинством пользователей этих устройств, признано, что коэффициент полезного действия этих машин крайне низок и поэтому их так редко применяют.

Однако давайте рассмотрим этот аспект внимательней.

В отличие от нагревателей, то есть, устройств, превращающих любой вид энергии - электрическую, химическую, кинетическую во внутреннюю (то есть в тепло), все устройства, применяемые для охлаждения чего-либо ниже температуры окружающей среды (холодильники) являются тепловыми насосами.

Здесь не следует путать их с охладителями, в которых объект охлаждается до температуры окружающей среды только посредством теплопередачи без затрат внешней энергии. К ним относятся радиаторы всех типов, теплообменники, пруды-охладители и градирни на ТЭЦ и т.п. Единственная энергия, которая при этом иногда затрачивается - это энергия, потребляемая вентилятором или насосом для принудительной циркуляции хладагента (воздуха, воды, масла и т.п.). Однако температура любой части этого охладителя в любом случае никогда не опускается ниже температуры окружающей среды (согласно Второму Началу Термодинамики).

В тепловых насосах, как известно, обязательным «побочным» продуктом является теплота, которая попросту выбрасывается в окружающую среду в виде отходов. Однако мы забываем, что эта теплота как раз и есть энергия; и выбрасывая её - мы тем самым только понижаем КПД установки (энергия эта попадает в знаменатель формулы КПД)

Но это и является основным принципом работы холодильных устройств - если мы не выбросим «лишнее» тепло, то и не получим нужный нам холод. Эта энергия пока никак не утилизируется, поскольку она в большинстве случаев является низкопотенциальной по отношению к окружающей среде и крайне неэффективно, а зачастую и просто бесполезно пытаться утилизировать её имеющимися средствами.

При этом интересен следующий факт: чем сильнее мы хотим охладить объект, тем больше теплоты (энергии) нам необходимо выбросить и тем самым искусственно понизить КПД этого устройства - это же очевидно. Кроме того, если «выбрасываемый» трубой Ранка, используемой в качестве холодильника, поток горячего воздуха имеет существенное давление и скорость, то и это ещё многократно понижает КПД такого холодильника.

Кстати, тут ещё можно задуматься, а применим ли термин КПД (в том смысле, к которому мы привыкли) к тепловым насосам вообще, ведь продуктом, который мы получаем от тепловых насосов, является холод, то есть отрицательная относительно окружающей среды энергия. И КПД, посчитанный по стандартной схеме (энергия полученная разделить на энергию затраченную) при этом принимает абсурдное отрицательное значение. И, кстати, таким же абсурдным получается КПД теплового насоса, используемого в качестве источника тепла. Он обычно получается больше 100% (!)... Это в независимости от того какой тип теплового насоса используется, будь то труба Ранка, или нагреватели использующие элементы Пельтье, или любые другие устройства [2].

Следует ли удивляться, что КПД подобного холодильника будет тем меньше, чем сильнее мы охлаждаем объект, если каким-то образом не утилизировать выбрасываемую в виде тепла энергию. Ниже будет предложен способ подобной утилизации энергии и существенного повышения таким образом эффективности этого устройства.

Однако вернёмся пока к принципу работы трубы Ранка.

Существует множество теорий для этих машин, поясняющих причину охлаждения одного потока и разогрева другого. Одна говорит, что происходит разогрев потока от трения о стенки аппарата, но не объясняет охлаждение. Другая - объясняет это адиабатическим расширением одной части газа и сжатием другой, но не поясняет возникновение дополнительной энергии. Некоторые теории для жидкостей (в частности для воды) поясняют это возникновением кавитации, другие резонансом, следующие - взаимодействием свободных молекул водорода и кислорода, присутствующих в воде или наоборот разрывом связей этих молекул. Даже есть теории, объясняющие извлечение энергии из «физического вакуума», возникающего при работе устройства.

Возможно все эти эффекты в разной степени, несмотря на то, что зачастую противоречат друг другу, имеют место быть в трубе Ранка.

Мы хотим предложить свою теорию, как нам кажется, не вступающую в противоречие ни с одной из вышеописанных и объясняющую этот эффект с единой точки зрения и для жидкостей и для газов. Для этого нам понадобятся некоторые дополнительные данные. - Скорость молекул воздуха при 0 градусах Цельсия равна 400 м/c.

Однако, это среднеквадратичная скорость. И в любом газе (и в частности в воздухе) присутствуют быстрые и медленные молекулы. Распределение их по скоростям определено графиком - законом распределения Максвелла (рис.1). Именно на базе этого распределения Максвелл и высказал предположение о возможной сортировке молекул гипотетическим «демоном».