Второе начало термодинамики
13.1. История вопроса
Исторически второе начало, как один из законов термодинамики, возникло из анализа тепловых машин, работающих по идеальному рабочему циклу Н. Л.С. Карно (1824 г.) (8, с. 94, 245, 581;116, с. 258-259; 127). Двадцать четыре года спустя молодой У. Томсон (1848 г.) первым подверг математической обработке идеи Карно и ввёл абсолютную шкалу температур. Исторически первая формулировка второго закона термодинамики (как принцип Томсона) и введение термина «энтропия», вместо теплоты Карно, принадлежит немецкому учёному Р. Клазиусу (1850 г.): «невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым». Однако в природе такие явления широко распространены и наблюдаемы воочию. Для начала приведём следующие примеры (12, 57).
— Вода испаряется с открытой поверхности водоёма в начальный период зимы: более холодная вода на поверхности водоёма передаёт часть своей энергии более горячему «почти» насыщенному пару в холодной атмосфере. Теплофизические свойства этого пара такие же, как у насыщенного пара: при давлении 0,0 lam температура насыщенного пара равна 6,7 °С.
— Выстиранное мёрзлое бельё высыхает на морозе, несмотря на то, что энтальпия «почти» насыщенного водяного пара, образовавшегося на морозе, больше энтальпии воды.
— В малоснежную зиму высыхает снег на почве, несмотря на то, что вблизи поверхности снега пар можно считать насыщенным, а среднюю температуру воздуха считать выше средней температуры снега, как следствие эндотермического процесса сублимации снега.
— Хорошо известны и другие явления сублимации или возгонки: переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, без плавления. Явление сублимации сопровождается понижением температуры при сохранении первоначальной структуры вещества. Этим свойством обладают все вещества, которые широко применяются в промышленности. В химии известны и другие реакции, которые протекают с понижением температуры, используемые как хемотермические тепловые насосы, в которых движение тепловой энергии происходит и при отрицательных градиентах температур и давлений за счёт уменьшения внутренней (потенциальной) энергии рабочей среды (63, с. 549, 569, 649). В технике известно достаточно много устройств — тепловых насосов, работающих вопреки второму началу (12).
— Все процессы горения, в т. ч. и ископаемого топлива — это, в конечном итоге, передача энергии от менее нагретого тела к более нагретому телу. Будущая водородная энергетика основана на высвобождении из воды водорода и кислорода с помощью нанотехнологий катализаторов при электролизе воды, затрачивая меньшее количество энергии с целью последующего сжигания водорода для получения большего количества энергии. Во всём мире интенсивно ведутся поиски необходимых катализаторов.
Добавим к вышеизложенному избранную информацию о том, как на подобные, но «чисто физические» явления реагировали известные учёные (12).
В 1866 г. Дж. К. Максвелл установил, что если температура газа в земном поле тяготения будет зависеть от высоты, то это будет нарушением второго начала термодинамики. Для геофизиков это уже давно неопровержимый факт.
В 1871 г. Лорд Кельвин установил, что давление насыщенного пара над поверхностью жидкости зависит от формы поверхности, от радиуса кривизны раздела фаз. Для нас это явилось фундаментальной причиной изысканий в области солитонов с различными геометрическими масштабами энергии, т. е. с разной кривизной оболочек, полагая солитоны «подходящими» геометрическими моделями энергии, учитывая, что кривизна оболочек обеспечивает в них сепарацию квантов строго определённых масштабов энергии. Это явилось следствием или причиной того, что кривизна оболочки солитона и плотность в ней сконденсированной энергии взаимосвязаны единственным образом.
В 1875 г. Л. Больцман вывел формулу экспоненциальной зависимости концентрации частиц газа от высоты.
В 1876 г. И. Лошмидт высказал гипотезу о линейной зависимости температуры газа, находящегося в поле тяжести, от высоты, что давно уже подтверждено и учитывается конструкторами летательных аппаратов.
В 1914 г. К. Э. Циолковский, исходя из закона сохранения энергии, получил значение стационарного вертикального температурного градиента в газе в стационарном состоянии в поле тяжести.
В период 1958-2006 годы с помощью мёссбауэрской спектроскопии обнаружена слоистость гравитационного поля Земли (в нашей интерпретации результатов экспериментов в концепции двух видов энергии). В 2006 году О. Г. Верин связал гравитационный градиент с градиентом температуры в атмосфере (193, с. 84).
Примечание. В1958 г. немецкий физик Р. Мёссбауэр открыл физический ядерний гамма-резонанс, названный его именем: испускание или поглощение гамма — квантов ядрами атомов в очень узком диапазоне энергий (частот) ~10’10эД не сопровождающееся изменением внутренней энергии тела (8, с. 407). Эффект Мёс — сбауэра позволил измерять зеемановские расщепления. В лабораторных условиях измерены реальные оболочечные слои земного поля тяготения, изменение в них частот и, следовательно, плотности гравитационной энергии. Явление названо исследователями «гравитационным смещением». Такое смещение частот, свидетельствующее о чередовании оболочек гравитационного поля Земли-солитона, обнаружено при изменении высоты всего 20 м (193, с. 84).
В концепции двух видов энергии вертикальные градиенты температуры и гравитации в атмосфере обусловлены только различиями радиусов кривизны их эквипотенциальных слоёв, как множества слоёв-оболочек околоземного пространства, как оболочек солитона, отличающихся между собой разными потенциалами различных форм сконденсированной энергии. Градиент — это статическое воздействие на динамический процесс преобразования двух видов энергии, который приводит к статическому смещению потенциала, относительно которого происходит преобразование. Разная кривизна оболочек околоземного пространства, как солитона, обеспечивает сепарацию квантов энергии на разных частотах преобразований и плотностях сконденсированной энергии. Градиент параметра сконденсированной энергии по высоте является внешним ортогональным векторным полем, порождающим в каждой точке эквипотенциальной поверхности третий вектор тока энергии (вектор Пойнтинга), ортогонально скрещенный с парой других скрещенных векторов, лежащих в одной плоскости, касательной эквипотенциальной сферической поверхности с ненулевым значением толщины (оболочки). Будучи взаимосвязанными и равными по модулю, они являются результатом конденсации (и порождают её), а область скрещивания проявляет свойства солитона.
За прошедшее с тех пор время трудно перечислить всех учёных, инженеров и изобретателей, их работы и заявки на изобретения технических систем, функционирующих вопреки второму началу термодинамики только на названном температурном градиенте, даже без учёта технических систем, функционирующих на градиентах других физико-химических параметров.
Общий вывод достаточно большого числа ученых: «никаких принципиальных препятствий для преобразования тепла в работу кроме самого закона сохранения не существует» — Опарин (12).
Таким образом, второе начало, запрещающее «перпетум-мобиле» термодинамики, давно утратило своё значение как научная категория, но до сих пор продолжает вводить всех в заблуждение. Запрет был вынесен Парижской АН в 1775 году, когда наука ещё не имела ни законов сохранения, ни понятий о термодинамических свойствах веществ, а в академической комиссии не было ни одного физика, но сохранился до настоящего времени (57, с. 71). Научные споры (с разной степенью обострения) о возможности «вечного двигателя» и его поиски, начавшиеся в XII веке (202), начиная с XIX века (116) смещаются в область объяснения аномально большой энергии и поиски её источников. К настоящему времени многие из них уже объяснены, объявлены «псевдо-вечными» и либо широко используются, либо работают как «эксклюзивные лабораторные образцы» с плохой воспроизводимостью КПД>100%. К первым можно отнести неисчерпаемые источники энергии, основанные на переменных градиентах температуры в окружающей среде и в недрах Земли, на приливных волнах в океане, ветровой и солнечной энергии. В отношении к двигателям второго рода ныне действующая концепция энергии до сих пор, в лучшем случае, лишь констатирует нарушение второго начала, но не объясняет его, возможно, вследствие действия в физике множества взаимно разнородных аксиоматических систем.