"ВЕЧНЫЙ"
ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА АНДРЕЕВА
©Андреев
Юрий Петрович
Контакт с автором:
[email protected]
Аннотация
Статья посвящена
альтернативному способу получения энергии
за счёт охлаждения окружающей среды. В
макроскопических устройствах, согласно
второму началу термодинамики, это сделать
невозможно. Но на микроскопическом,
молекулярном уровне это возможно. С точки
зрения статистической физики мы опускаемся
до таких размеров, когда размер отверстий в
мембране сравним с длиной свободного
пробега частиц. Это условие накладывает
запрет на использования методов
статистической физики при расчете
взаимодействия мембраны на движение частиц.
То есть, второе начало неприменимо к
данному двигателю. Принцип работы такого
двигателя не противоречит молекулярно-кинетической
теории газов. Создание такого двигателя
позволит решить проблему загрязнения
окружающей среды и глобального потепления.
_____________________________________________________________________________________
Человечество с каждым
годом увеличивает потребление энергии. С
каждым годом увеличивается количество
машин на дорогах. Сжигается всё больше
углеводородов. Загрязняется окружающая
среда Повышается температура окружающей
среды. В связи с аварией на АЭС “Фукусима”
некоторые страны собираются отказаться от
АЭС. А это ещё более увеличит сжигание
топлива. Альтернативные источники энергии
пока не могут заменить существующие,
работающие за счёт сжигания различных
видов топлива. Но вокруг нас имеется
огромное количество энергии. Она есть везде,
в любое время года и дня. Это тепло
окружающей среды. Если снизить температуру
вод Мирового океана на 1 градус, то этой
энергии хватило бы человечеству на
несколько столетий при современно уровне
потреблении энергии. Но, согласно второму
началу термодинамики, это тепло невозможно
использовать для получения энергии.
Человечество находится в положении
потерпевших кораблекрушение - вокруг море
воды, а напиться невозможно. Предлагается
вариант двигателя, позволяющего получать
энергию только за счёт тепла окружающей
среды.
1 - малый цилиндр, 2 - большой
цилиндр, 3 - мембрана, 4 - поршень, 5 - опора.
Малый и большой цилиндры соединены между
собой коаксиально, как единое целое.
Главная деталь в этом двигателе – мембрана.
Поэтому разберёмся с её
принципом работы. Для лучшего понимания
принципа работы мембраны рассмотрим
предельно упрощённый расчёт. В мембране
множество отверстий размером порядка
несколько нанометров. Множество молекул
ударяется в мембрану и стенки цилиндров,
создавая силу давления. Будем считать
тепловые скорости всех молекул одинаковыми
- 500 м/с. Также будем считать, что все
молекулы двигаются шестью потоками,
параллельными координатным осям. Если одну
координату расположить по оси малого
цилиндра, то один поток молекул будет
двигаться влево, оказывая давление на
торцевую стенку цилиндра. Другой поток
молекул - вправо, оказывая давление на
поршень. Остальные 4 потока молекул будут
двигаться перпендикулярно оси цилиндра,
оказывая давление на его боковые стенки. То
есть, в создании давления на торец цилиндра
и поршень молекулы 4-х потоков не участвуют.
Аналогично в большом цилиндре - один поток
оказывает давление на внутреннюю
поверхность мембраны, а другой – на
внутреннюю поверхность большого цилиндра.
Остальные 4 потока оказывают давление на
боковые стенки большого цилиндра. Давление
оказывают только молекул, которые
непосредственно ударяются в торец, поршень,
мембрану и находятся в очень тонком слое
газа вблизи них. Остальные молекулы внутри
цилиндров - это промежуточные элементы.
Например, шары Ньютона. Допустим, между
крайними шарами находится 1　000
000 промежуточных шаров. Но при ударе в
промежуточные шары одного крайнего шара,
другой крайний шар отскочит с такой же
скоростью, как если бы они столкнулись
непосредственно, без промежуточных шаров
между ними. Естественно, если считать, что
эти удары абсолютно упругие и нет потерь. То
есть, все промежуточные шары можно убрать и
результат не изменится. Расстояние между
торцом и поршнем может быть как 0,1 мм, так и 10
метров. Но количество ударов молекул в
торец и поршень в обоих случаях равно . При
движении цилиндров с небольшой скоростью
вправо, внутренний объём уменьшается. Но
количество ударов молекул в торец и поршень
также практически будет одинаково. А вот
количество промежуточных молекул двух
потоков, которые не ударяются
непосредственно в торец и поршень, при этом
уменьшается. Уменьшается также количество
молекул 4-х потоков, которые оказывают
давление на боковые стенки малого цилиндра.
Эти молекулы вытесняются в большой цилиндр
и через мембрану вылетают наружу. Это,
примерно как в шарах Ньютона, постепенно
удалять промежуточные шары между крайними
шарами с 1 000 000 до 0. Но импульсы,
передаваемые крайними шарами друг другу,
при этом не изменяются.
Удары множества
молекул во внешнюю поверхность большого
цилиндра создают силу давления
F.
Удары множества молекул в наружную
поверхность мембраны создают силу давления
на мембрану F3.
Множество молекул, влетающих через
мембрану внутрь цилиндра, создают силу
давления на внутреннюю поверхность стенки
цилиндра F2.
Множество молекул, вылетающих через
мембрану из цилиндра, создают реактивную
силу F1,
также действующую на внутреннюю
поверхность стенки цилиндра. Когда
давление газа внутри и снаружи равно, то F
= F1
+ F2
+ F3.
Когда в цилиндре избыточное давление, то
больше молекул вылетает из цилиндра и
появляется дополнительная реактивная сила F1'
от вылета избыточных молекул. Остальные
силы не изменяются. F
< F1
+ F2
+ F3 + F1’.
На цилиндр действует реактивная сила F1'
от дополнительно вылетающих избыточных
молекул. Когда в цилиндре разрежение, то
меньше молекул вылетает из цилиндра и
реактивная сила F1
уменьшается. В этом случае на цилиндр
действует часть силы F,
которая не компенсируется уменьшенной
реактивной силой F1.
Двигатель работает
следующим образом. В первоначальном
положении давления внутри цилиндров и
снаружи равны. Одинаковое количество
молекул пролетает через мембрану в обе
стороны. Система в равновесии. Толкнём
цилиндры вправо.
При движении цилиндров
вправо газ внутри сжимается и больше
молекул ударяется в торец цилиндра. Назовём
их избыточные молекулы. При ударе каждой
избыточной молекулы в торец на цилиндр
действует изменение импульса 2
mv.
Изменения импульсов множества избыточных
молекул создают силу избыточного давления
на торец цилиндра Fи.
В то же время избыточное давление и внутри
большого цилиндра, так как оба цилиндра
соединяются отверстиями и газ из малого
цилиндра поступает в большой. В стенки и
мембрану изнутри ударяется больше молекул.
Но часть избыточных молекул, которые должны
были бы удариться в мембрану, попадают в
отверстия мембраны и вылетают наружу. При
вылете каждой избыточной молекулы через
мембрану на большой цилиндр действует
изменение импульса mv.
Изменения импульсов, множества вылетевших
через мембрану избыточных молекул, создают
дополнительную реактивную силу F1'.
Эта реактивная сила направлена по ходу
движения цилиндров и против силы
избыточного давления. Так как 2mv
в 2 раза больше mv,
то чтобы F1'
> Fи, через
мембрану должно в единицу времени вылетать
более чем в 2 раза больше избыточных молекул,
чем ударяется в торец цилиндра. Количество
избыточных молекул, ударяющихся в торец при
некотором давлении постоянно. Количество
избыточных молекул, вылетающих через
мембрану при таком же давлении, можно
регулировать, изменяя площадь мембраны и
количество отверстий на 1 см2 мембраны.
Можно подобрать её параметры таким образом,
что через мембрану в единицу времени будет
вылетать, допустим, в 3 раза больше молекул,
чем ударятся в торец цилиндра. То есть, сила F1'
будет в 1,5 раза больше силы избыточного
давления Fи. На
цилиндр будет действовать результирующая
сила, равная 0,5 Fи и
направленная по ходу движения цилиндров.
Под действием этой силы цилиндр будет
двигаться вправо с некоторым ускорением,
без приложения какой-либо другой внешней
силы. Двигаясь вправо за счёт этой силы,
цилиндры будут поддерживать внутри
избыточное давление. За счёт этого
избыточного давления создаётся реактивная
сила, которая движет цилиндры вправо.
Цилиндры будут двигаться вправо со
скоростью, при которой количество молекул,
вытесняемых из малого цилиндра в большой и
затем вылетающих через мембрану, будет
превышать более чем в 2 раза количество
избыточных молекул, ударяющихся в торец
малого цилиндра. Конечно, на ум сразу
приходит рассказ барона Мюнхгаузена о том,
как он сам себя вытащил за волосы из болота.
Но, в отличие от барона, в данном случае
система не замкнутая. При нормальном
давлении за 1 секунду в 1 см2
поверхности ударяется примерно 2,25 х 1023
молекул. Площадь поршня - 1 см2. При
движении цилиндров вправо, давление внутри
обоих цилиндров начинает повышаться и
больше молекул начинают вылетать через
мембрану, создавая избыточную реактивную
силу F1'.
В результате при движении цилиндров внутри
устанавливается некоторое избыточное
давление. Допустим - 0,01 кгс/см2. Сила
избыточного давления Fи
на торец цилиндра 0,01 кгс. Эту силу создают
удары 2,25 х 1021 избыточных молекул в
торец цилиндра за 1 секунду. Движутся
цилиндры или неподвижны, но примерно 2,25 х 1021
избыточных молекул ударяются в торец
малого цилиндра за 1 секунду. Так можно
считать, поскольку скорость цилиндров в
сотни раз меньше тепловой скорости молекул.
Допустим, за 1 секунду цилиндр сдвинулся
вправо на 2 метра. При этом в большой цилиндр
из малого было вытеснено 200 см3 газа
или примерно 5,4 х 1021 молекул. Но в
торец малого цилиндра за это время
ударилось только 2,25 х 1021 молекул.
Площадь мембраны такова, что все
вытесненные из малого цилиндра 5,4 х 1021
молекулы за 1 секунду вылетают через
мембрану наружу. Так как давление внутри 0,01
кгс/см2, то в 1 см2 мембраны будет
ударяться на 2,25 х 1021 молекул больше.
Допустим, площадь отверстий в мембране
составляет 50% от всей площади мембраны. То
есть, половина из 2,25 х 1021 избыточных
молекул, которые должны были бы удариться в
1 см2мембраны, будет попадать в
отверстия в мембране и вылетать наружу.
Через 1 см2 такой мембраны за 1 секунду
будет вылетать 1,125 х 1021 избыточных
молекул. Чтобы вылетело 5,4 х 1021
молекул, необходимая площадь мембраны - 4,8
см2. Эти молекулы, вылетающие через
мембрану площадью 4,8 см2 за 1 секунду,
создадут реактивную силу F1'
- 0,012 кгс. Сила избыточного давления Fи
- 0,01 кгс. Результирующая сила, действующая
на цилиндры и двигающая их вправо - 0,002 кгс.
Если площадь мембраны увеличить в 2 раза до
9,6 см2, то 5,4 х 1021 молекул смогут
вылететь за 1 секунду при избыточном
давлении 0,005 кгс/см2. Сила избыточного
давления 0,005 кгс. Реактивная сила останется
без изменений, так как количество
вылетевших избыточных молекул не изменится.
Соответственно, результирующая сила
увеличится до 0,007 кгс. Если цилиндры за 1
секунду пройдут 4 метра, то реактивная сила
0,024 кгс. Сила избыточного давления на торец
0,01 кгс. Результирующая сила 0,014 кгс. Это при
площади мембраны 9,8 кгс/см2. Изменяя
площадь мембраны и количество отверстий в
ней, можно подобрать оптимальный режим
работы такого двигателя. Под действием этой
силы цилиндры будут перемещаться вправо до
упора. Эту силу создают молекулы газа за
счёт своей кинетической энергии. Когда
цилиндры движутся вправо, то молекулы
вылетают влево. Их скорость при этом
уменьшается на скорость движения цилиндров.
Допустим, цилиндры двигаются со скоростью 4
м/с. Тогда скорость вылетающих молекул 500 м/с
- 4 м/с = 496 м/с. То есть, кинетическая энергия
молекул газа уменьшается.
Когда цилиндры
достигнет крайней правой точки и
остановятся, то их можно подтолкнуть в
обратную сторону. При движении влево внутри
цилиндров создаётся разрежение. Меньше
молекул вылетают через мембрану из
большого цилиндра наружу и реактивная сила
F1
уменьшается на F1’.
Равновесие сил нарушается. F
> F3
+ F2
+ F1
– F1’.
На наружную поверхность большого цилиндра
действует часть силы давления F',
которая не компенсируется уменьшенной
реактивной силой F1.
Эта сила F’
направлена по ходу движения цилиндров
влево. Так как внутри цилиндров пониженное
давление, то на наружную поверхность торца
малого цилиндра действует сила внешнего
давления Fв,
направленная против силы F'.
Реактивная сила от вылетающих молекул
уменьшается настолько, что F'
> Fв. Под
действием результирующей силы цилиндры
двигаются влево, поддерживая разрежение
внутри цилиндров. Цилиндры после
первоначального толчка также
самопроизвольно дойдут до левой крайней
точки. Как и в предыдущем процессе, часть
результирующей силы можно использовать для
получения энергии. Совершив движение
вправо-влево, цилиндры вернулись в
первоначальное положение. Цикл завершился.
При этом есть возможность получить энергию
только за счёт охлаждения окружающей среды.
Для увеличения мощности такого двигателя
его необходимо поместить в закрытый объём,
в котором создано повышенное давление
хорошо очищенного газа. Это также снимет
проблему засорения отверстий мембраны
мельчайшими частицами пыли.
Главное условие работы
такого двигателя – отношение числа
вылетающих через мембрану избыточных
молекул в единицу времени к числу
избыточных молекул, ударяющихся в торец
малого цилиндра за это же время, должно быть
больше более чем в 2 раза. Будучи запушенным
в работу, такой двигатель может работать
бесконечно долго только за счёт тепла
окружающей среды, охлаждая её.
　
Часть 2. Объяснение,
почему такой двигатель работоспособен.
Чтобы не возникало
вопросов, почему цилиндры получают импульс
mv,
когда молекулы влетают и вылетают через
мембрану? Попробую сразу очень упрощённо
объяснить, чтобы такие вопросы снять.
Допустим, имеется очень
маленькая сфера в вакууме, в невесомости. В
сферу ударяется молекула и отскакивает (а).
Под воздействием импульса 2
mv
сфера движется со скоростью V.
В такую же сферу, только с отверстием в
стенке, ударяется другая молекула (б). Под
действием импульса 2mv
сфера также движется со скоростью V.
Отскочившая молекула ударяется в
противоположную стенку (в). Под действием
импульса 2mv сфера
останавливается, а отскочившая молекула
снова летит к противоположной стенке. При
ударе в стенку молекула передаёт сфере
импульс 2mv и сфера
снова со скоростью V
летит дальше (г). Таким образом, сфера
половину времени движется со скоростью V,
а другую половину неподвижна. Дальнейшие
удары молекулы внутри сферы уже не влияют
на среднюю скорость сферы. Средняя скорость
сферы V/2. Такую
скорость сфера приобретёт под действием
импульса 2mv/2 или mv.
Такая же сфера с
прилипшей к стенке сферы молекулой.
Молекула отлипает и с тепловой скоростью
отскакивает от стенки (д). Сфера получает
импульс
mv
и со скоростью V1
движется в другую сторону. Молекула
сталкивается с противоположной стенкой
сферы (е). Столкновение можно разделить на
удар и отскок. При ударе молекула передаёт
сфере импульс mv и
останавливает сферу. При отскоке передаёт
импульс mv и сфера
со скоростью V1
движется в противоположную сторону. При
столкновении с противоположной стенкой
аналогичный процесс (ж). Сфера колеблется на
месте со скоростью V1.
Допустим, в стенке сферы появилось
отверстие. Молекула попадет в него и
вылетает наружу (з). Так как в этом случае
молекула не взаимодействует со сферой, то
сфера продолжает двигаться со скоростью V1,
которую она получила под действием
импульса mv. V/2
равна V1.
В сферу влетает
молекула. Сфера получает импульс
mv
и движется со средней скоростью V/2
(и). Затем молекула многократно и долго
сталкивается с противоположными стенками
сферы (к). Сфера в это время половину времени
двигается со скоростью V,
а другую половину - неподвижна. В это время
средняя скорость сферы V/2,
как от импульса mv.
Молекула ударяется в стенку и придаёт сфере
скорость V (л).
Отскочившая молекула попадает в отверстие
и вылетает наружу. Сфера двигается со
скоростью V, как
под действием импульса 2mv.
То есть, можно считать, что к импульсу
влетевшей молекулы mv,
добавился импульс от вылетевшей молекулы mv.
Аналогично, если через мембрану цилиндра
влетает или вылетает молекула, то цилиндр
получает от каждой влетевшей или
вылетевшей молекулы импульс mv.
Возьмём мембрану
толщиной несколько нанометров и с
множеством отверстий размером несколько
нанометров. Мембрана является торцевой
стенкой цилиндра. Множество молекул
движутся к мембране внутри цилиндра. Для
примера возьмём две молекулы. Одна молекула
сталкивается с мембраной и отскакивает.
Цилиндр не получает импульс
mv.
Другая попадает в отверстие и вылетает
наружу. Цилиндр получает импульс mv.
Мембрана служит как бы границей, при
пересечении которой каждой молекулой
цилиндр получает импульс mv.
Независимо от того, влетела молекула или
вылетела.
Но это в вакууме. В
атмосфере во внешние поверхности цилиндра
и мембраны ударяются внешние молекулы и
оказывают дополнительную силу давление на
эти поверхности. Для простоты представим,
что в мембрану и цилиндр в единицу времени
ударилось по 9 молекул.
Внешняя поверхность
цилиндра получила импульс 9 х 2
mv
= 18mv. Внешняя
поверхность мембраны получила 8 х 2mv
= 16mv. Но влетевшая и
вылетевшая через мембрану молекулы
передают на внутреннюю поверхность
цилиндра по импульсу mv.
18mv = 16mv
+ mv + mv.
Или F = F3
+ F2
+ F1.
Система в равновесии. Если в сосуде
избыточное давление, то из цилиндра
дополнительно вылетает избыточная
молекула. Тогда 18mv
< 16mv + mv
+ mv + mv'.
F < F3
+ F2
+ F1
+ F1'.
То есть результирующая сила F1'
будет направлена вправо. Если давление в
цилиндре низкое, то из цилиндра молекула не
вылетит. Тогда 18mv
> 16mv + mv.
F > F3
+ F2
на F1.
Результирующая сила F1
направлена влево.
Допустим, я изобрёл
инерцоид, состоящий из множества валов.
Сбоку каждого вала прикреплён грузик.
Поэтому при вращении вала он колеблется
около центра масс из-за дисбаланса. Все эти
колебания валов инерцоида– это внутренние
силы, которые не могут привести инерцоид в
движение. Валы вращаются с большой
скоростью. Но вдруг ось у одного вала
ломается и он отлетает в сторону со
скоростью 500 м/с. Инерцоид получает импульс
mv
и движется в противоположную сторону.
Другой вал ломается и снова инерцоид
получает импульс mv.
Допустим, рядом стоит такой же инерцоид.
Вылетевший вал из этого инерцоида со
скоростью 500 м/с попадает в первый инерцоид
и застревает в нём. Первый инерцоид также
получает импульс mv.
Множество молекул внутри большого цилиндра
можно представить в виде множества валов
инерцоида. Пока молекулы летают внутри
цилиндра и ударяются в стенки и мембрану, их
импульсы не могут привести в движение
цилиндр, подобно валам в инерцоиде. Но как
только молекула вылетает наружу подобно
сломавшемуся валу или влетает, то цилиндр
получает импульс mv.
Допустим, 2 инерцоида соединены сжатой
пружиной, которую фиксирует нить. Один
инерцоид во много раз массивнее другого.
Перерезаем нить и инерцоиды под действием
пружины расходятся в противоположные
стороны. То, что внутри инерцоидов
вращаются множество валов, на движение
инерцоиов под действием пружины не влияют.
Не будем учитывать гироскопический эффект.
Это всё внутренние силы, которые не могут
привести в движение инерцоид и не могут
оказать влияние на движение инерцоида под
действием внешней силы. Лёгкий инерцоид
имеет скорость 1 м/с. Тяжёлый инерцоид
получил импульс mv,
где m - масса
лёгкого инерцоида, а v
- 1 м/с.
Эти же 2 инерцоида
соединены между собой. На лёгком инерцоиде
начинают ломаться валы и они со скоростью 500
м/с отлетают в сторону. Причём только в
одном направлении. Все валы сломались и
отлетели. Тяжёлый инерцоид получает
суммарный импульс
mV,
где m - масса
инерцоида, а V - 500 м/с.
Будем считать, что масса инерцоида равна
массе валов. В обоих случаях от тяжелого
инерцоида отделилась одинаковая масса. Но
импульс во втором случае в 500 раз больше.
Когда инерцоид
отталкивается от другого инерцоида под
действием пружины – это аналогично тому,
что множество молекул вылетают через
большое отверстие. Допустим, множество
молекул находятся в безмассовой оболочке (красная).
Эту оболочку с
множеством молекул можно представить как
инерцоид. Удары множества молекул внутри
оболочки не могут сдвинуть её с места. Когда
давление внутри цилиндра повышается, то
оболочка движется по цилиндру и вылетает
наружу со скоростью, допустим, 1 м/с. При
движении оболочки удары молекул внутри её
также не влияют на движение оболочки.
Цилиндр получает импульс
mv,
где m - это масса
молекул внутри оболочки, а v
= 1 м/с. Хотя внутри оболочки молекулы
движутся со скоростью 500 м/с. Когда же
молекулы поодиночке вылетают через
отверстия мембраны - это аналог инерцоида, у
которого сломавшиеся валы со скоростью 500 м/с
отлетают в одну сторону. То есть, суммарный
импульс от такого же количества молекул,
вылетающих через мембрану, будет в 500 раз
больше.
Возьмём для примера осмос.
Сосуд разделён на две части мембраной с
большими отверстиями. В разных частях
сосуда раствор с различной концентрацией.
Через большие отверстия будут проходить
молекулы и растворителя, и растворимого
вещества. Осмотического давление
создаваться не будет. Если отверстия
уменьшить так, что будут проходить только
молекулы растворителя, то больше молекул
растворителя будут проходить из одной
части сосуда в другой. Объём раствора в
одной части увеличивается. Также
увеличится и давление в этой части сосуда.
То есть, размер отверстий имеет.
Установим на этот
двигатель мембрану толщиной 0,001 мм и с
отверстиями диаметром 0,001 мм. Затем
поместим его в закрытый объём, в котором
создадим глубокий вакуум. Вакуум будет
везде. В том числе и в самих отверстиях
мембраны. Затем запустим внутрь газ и
давление внутри станет, допустим, 1 мм рт. ст.
При таком давлении длина свободного
пробега молекул примерно 0,1 мм. То есть,
длина свободного пробега молекул примерно
в 100 раз больше диаметра отверстий в
мембране. С обоих сторон мембрану вакуума
уже нет. Но в самих отверстиях мембраны
глубокий вакуум остаётся. Сивухин Д. В.
Общий курс физики. т.2 стр. 352.
Отверстия в мембране можно
представить в виде микроскопических пор,
открытых с двух сторон. То есть, внутренний
объём цилиндров сообщается с внешним через
тонкую прослойку ультраразреженного газа.
Увеличим давление до атмосферного. Длина
свободного пробега молекул уменьшится до 10-5
см. То есть, внутри отверстий
ультраразреженного газа уже не будет. А
будет множество хаотично двигающихся
молекул, как внутри и снаружи цилиндра.
Чтобы внутри отверстий снова появился
ультраразреженный газ, надо уменьшить
размер отверстий в мембране. Допустим,
толщина мембраны и диаметр отверстия 1-2 нм.
Это в 50-100 раз меньше длины свободного
пробега молекул. То есть, в таких отверстиях
при атмосферном давлении снова будет
ультраразреженный газ.
31 января 2014 г.
