Страница 120 из 150
Должен сказать, что круговая циркуляция вещества обычно обладает малой интенсивностью, так как самопроизвольно возникающие разности интенсиалов весьма невелики. Это одна из причин, почему ранее ее обнаружить не удавалось. Вторая, более важная причина - запрет теории Клаузиуса: если кому-либо из ученых и доводилось когда-нибудь наблюдать в опыте соответствующую циркуляцию, то он не верил глазам своим - такова сила догмы. Для создания устройств большой мощности требуется, возможно, пойти по тому же пути, по какому пошел живой организм (он объединяет в себе многие миллиарды подобных однотипных контуров). Обычно эти контуры представляют собой самофункционирующие термодинамические пары, входящие в главный эволюционный макроряд.
Весьма существенно, что каждая такая самофункционирующая система нарушает, помимо закона Клаузиуса, еще какой-нибудь известный закон либо опирается на некий новый закон, неизвестный ранее. Например, термофазовый ПД нарушает уравнение Томсона-Кельвина (см. параграф 4 гл. XXIII), один из термоэлектрических ПД нарушает закон Вольта (см. параграф 5 гл. XXIII), а другой имеет в своей основе новый закон, обнаруженный в рамках ОТ (см. параграф 6 гл. XXIII), и т.д.
Должен заметить, что в природе существует бессчетное множество уже готовых термодинамических неоднородностей, обеспеченных соответствующими круговыми процессами. К их числу относятся, например, разности температур между различными слоями воздуха, воды и Земли, разности давлений насыщенного пара над соленой водой моря и пресной водой втекающей в него реки (намек на это содержится, в частности, в работе Трайбуса [76]) и т.п. Все эти и многие другие подобные разности и круговые процессы, несомненно, нарушают второй закон термодинамики, но делают это очень ненаглядно, ибо в качестве рабочего тела иногда приходится рассматривать большие участки атмосферы, воды и земли либо даже всю Землю или Солнечную систему. Это запутает кого угодно, поэтому такой ПД не убедителен. Надо использовать разности интенсиалов и круговые процессы, намеренно осуществляемые в небольшом контролируемом объеме, чтобы все происходило на глазах изумленного экспериментатора. Иными словами, для создания ПД необходимы разности интенсиалов, которые образуются самопроизвольно и затем поддерживаются тоже самопроизвольно и вечно на определенном уровне благодаря осуществлению непрерывного или периодически повторяющегося кругового процесса, происходящего в контролируемом объеме под действием указанных разностей интенсиалов. Наиболее твердый орешек здесь - это круговой процесс [ТРП, стр.448-450].
3. Нарушение теории фазовых превращений Томсона-Кельвина.
Теперь можно приступить к описанию различных реально действующих циркуляционных вечных двигателей второго рода (ПД). Первый из них основан на использовании процессов фазовых превращений - испарения жидкости и конденсации пара. Принято считать, что эти процессы подчиняются теории Томсона-Кельвина. Однако детальный теоретический и экспериментальный анализ с позиций ОТ покажет, что это не соответствует действительности, и поможет нам создать соответствующие фазовые ПД. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Хорошо известно уравнение Томсона-Кельвина (1871 г.), определяющее давление насыщенного пара над искривленной поверхностью жидкости. Согласно этому уравнению, давление над выпуклым мениском должно быть выше, а над вогнутым - ниже, чем над плоским (в справочниках обычно приводится давление насыщенного пара над плоским мениском, оно принимается за основу и считается равным 100%). Это значит, что в среде с давлением насыщенного пара 100% в несмачиваемом капилляре жидкость, имеющая выпуклый мениск, должна испаряться, а в смачиваемом, наоборот, благодаря вогнутому мениску конденсироваться.
Другими словами, если принять за основу теорию Томсона-Кельвина, то надо признать, что в закрытом сверху несмачиваемом жидкостью капилляре достаточно большого диаметра давление пара по краям мениска должно быть выше, чем в средней плоской части, где оно равно 100%. В результате жидкость должна самопроизвольно испаряться с краю и конденсироваться в середине, то есть должна возникать вечная в целом бездиссипативная макроскопическая непрерывная циркуляция жидкости и пара, показанная на рис. 30, а [21, с.335]. В смачиваемом жидкостью капилляре циркуляция должна иметь обратное направление. Оба вида циркуляции суть необходимые следствия уравнения Томсона-Кельвина, которое выведено из второго закона термодинамики. С другой стороны, подобная циркуляция категорически запрещена самим вторым законом - это первое противоречие в существующей теории фазовых превращений, которое достойно быть упомянутым. Второе, еще более разительное противоречие заключается в следующем.
В работах [26, 30] показано, что процесс испарения разыгрывается в тончайшем поверхностном слое жидкости, охватывающем по толщине всего несколько молекул. Поэтому физический механизм этого процесса должен целиком определяться термодинамическими условиями (температурой, давлением и т.д.) и практически не зависеть, вопреки уравнению Томсона-Кельвина, от кривизны мениска, если только радиус кривизны много больше размеров молекулы испаряющейся жидкости. Задать термодинамические условия - значит задать конкретную паропроизводительность элемента площади поверхности любого мениска (выпуклого, плоского или вогнутого). При данной паропроизводительности элемента парциальное давление пара должно определяться суммарной площадью всех элементов, заключенных в рассматриваемом объеме.
Например, в цилиндрическом капилляре парциальное давление пара над искривленным мениском - выпуклым или вогнутым - должно быть во столько раз больше парциального давления над плоским мениском, во сколько раз площадь поверхности искривленного мениска F превышает площадь поперечного сечения капилляра F0 , то есть воображаемого плоского мениска. Иными словами, при данной паропроизводительности давление целиком определяется условиями отвода пара от поверхности мениска. Отношение площадей (критерий конфигурации мениска)
В = F/ F0
используется для количественной оценки движущей силы процесса циркуляции пара в фазовом вечном двигателе второго рода.
Все эти соображения были подтверждены в многочисленных экспериментах с единичными капиллярами, помещенными в среду различной влажности (см., например, [17, с.263; 20, с.300 и др.]). Здесь я приведу наиболее характерные опытные данные, они хорошо иллюстрируют выводы ОТ, касающиеся теории Томсона-Кельвина, и позволяют судить о количественной стороне работы фазового ПД (из совместной работы с Л.А. Матулис).
На рис. 31 изображены результаты экспериментов по испарению воды из стеклянных вертикально ориентированных смачиваемых капилляров различного диаметра d. Капилляры находятся в герметически закрытой стеклянной банке диаметром 95 мм и высотой 180 мм, на дно банки налита вода, так что пар в банке является насыщенным, его влажность равна 100%. Расстояние от верхнего края капилляра до поверхности воды Н = -105 мм, знак минус говорит о том, что уровень воды в банке расположен ниже начального мениска капилляра. Нижний конец капилляра во всех случаях заглушен. Банка помещена в термостат с постоянной температурой Т = 35 К. В различные моменты времени t с помощью микроскопа измеряется заглубление h мениска в капилляре (здесь величины h и ? имеют другой смысл, чем на рис. 30).
На рис. 31, а изображена зависимость h от t для d = 30 (кривая 1), 50 (кривая 2) и 105 мкм (кривая 3). Те же данные, кроме кривой 2, приведены на рис. 31, б и в в виде зависимости потока массы (скорости испарения) Jm с поверхности мениска от времени t (б) и глубины h (в). На рис. 31, г показана скорость испарения влаги в функции диаметра капилляра d при h = 0,6 (кривая 4) и 1,0 мм (кривая 5). Из рисунка видно, что в среде с влажностью 100%, создаваемой плоским мениском жидкости, с поверхности вогнутого мениска вода испаряется, что подтверждает выводы ОТ и опровергает теорию Томсона-Кельвина. Скорость этого испарения сильно падает с ростом глубины h (времени t) и диаметра капилляра. Максимальная скорость соответствует начальному моменту (t = 0), когда мениск находится у верхнего края капилляра (h = 0).