Комплексные числа

Сифон забирал воду из нижнего водоема в узкую трубу; вода из широкой трубы

сливалась в сосуд, расположенный выше водоема, откуда она подавалась на

водяное колесо и сливалась снова в водоем. Колесо через вал вращало

мельничий жернов.

Эта оригинальная машина, естественно, работать не могла, так как по

законам гидравлики направление движения жидкости в сифоне зависит только от

высот столбов жидкости и не зависит от их диаметра. Однако во времена Зонки

об этом четкого представления у практиков не было, хотя уже в работах

Стевина по гидравлике вопрос о давлении в жидкости был решен. Он показал

(1586 г.) «гидростатический парадокс» — давление жидкости зависит только от

высоты ее столба, а не от ее количества. Широко известным это положение

стало позже, когда аналогичные опыты были вновь и более широко поставлены

Блезом Паскалем (1623-1662 гг.), но и они не были поняты многими инженерами

и учеными, по-прежнему считавшими, что чем шире сосуд, тем больше давление

содержащейся в нем жидкости. Жертвами подобных заблуждений были иногда даже

люди, работавшие на самом переднем крае современной им науки и техники.

Примером может служить Дени Папин (1647-1714 гг.) — изобретатель не только

«папинова котла» и предохранительного клапана, но и центробежного насоса, а

главное первых перовых машин с цилиндром и поршнем. Папин даже установил

зависимость давления пара о температуры и показал, как получать на основе

ее вакуум, и повышенное давление. Он был учеником Гюйгенса, переписывался с

Лейбницем и другими крупными учеными своего времени, состоял членом

английского Королевского общества и Академии наук в Неаполе. И вот такой

человек, который по праву считается крупным физиком и одним из

основоположником современной теплоэнергетики, работает над вечным

двигателем! Более того, он предлагает такой perpetuum mobile, ошибочность

принципа которого была совершенно очевидна и современной ему науке. Он

публикует этот проект в журнале «Философские труды» (Лондон, 1685 г.).

Идея вечного двигателя Папина очень проста — это по существу

перевернутая «вверх ногами» труба Зонки. Из широкого сосуда выходит тонкая

трубка, конец которой расположен сверху над сосудом. Папин полагал, что,

поскольку в широком сосуде вес воды больше, его сила должна превосходить

силу веса узкого столба в тонкой трубке, вода будет постоянно сливаться из

конца тонкой трубки в широкий сосуд. Остается только подставить под струю

водяное колесо и вечный двигатель готов!

Очевидно, что на самом деле так не получится; поверхность жидкости в

тонкой трубке установится на том же уровне, что и в сосуде, как в любых

сообщающихся сосудах.

Судьба этой идеи Папина была той же, что и других вариантов

гидравлических вечных двигателей. Автор к ней больше не возвращался,

занявшись более полезным делом — паровой машиной.

В дальнейшем было предложено еще много гидравлических вечных

двигателей и с другими способами подъема воды, в частности капиллярных и

фитильных. В них предлагалось жидкость поднимать из нижнего сосуда в

верхний по смачиваемому капилляру. Действительно, поднять жидкость на

определенную высоту таким путем можно, но те же силы поверхностного

натяжения, которые обусловили подъем, не дадут жидкости стекать с капилляра

в верхний сосуд.

Основная идея вечных двигателей второго рода.

Утверждение закона сохранения энергии — первого закона термодинамики —

сделало попытки создать perpetuum mobime-1 абсолютно безнадежным занятием.

И хотя они все еще продолжаются, «генеральное направление» мыслей

создателей вечных двигателей изменилось. Новые варианты вечных двигателей

рождаются уже в полном согласии с первым началом термодинамики; сколько

энергии поступает в такой двигатель, ровно столько же и выходит. Эти

двигатели даже называют иначе, чтобы избежать термина «вечный двигатель».

Тем не менее, несмотря на согласие с первым законом и маскирующие

названия, эти двигатели остаются типичными perpetuum mobile и сохраняют их

основной признак — абсолютную невозможность осуществления.

Дело в том, что соблюдение какого-0либо одного, даже очень важного

закона вовсе не гарантирует возможность того или иного явления. Каждое из

них определяется несколькими законами. Поэтому оно может происходить только

в том случае, если не нарушает ни одного из тех законов, которые к нему

относятся.

В частности, для любых тепловых машин соблюдение первого начала

термодинамики необходимо, но не достаточно. Существует еще и второе начало

термодинамики, соблюдение требований которого столь же обязательно. Новые

вечные двигатели, о которых пойдет речь ниже, относятся именно к тепловым

машинам; они могли бы работать, только нарушая ограничения, полагаемые

вторым законом термодинамики. Поэтому такой двигатель и был назван «вечный

двигатель второго рода». Впервые этот термин ввел известный физико-химик

В.Оствальд в 1982 году по аналогии со старым классическим perpetuum mobile-

1.

Кто придумал первый perpetuum mobile-2, установить трудно; во всяком

случае, они появились не ранее последней четверти XIX века. В принципах

вечных двигателей второго рода нет такого разнообразия, как в принципах

создания вечного двигателя первого рода. Основная идея perpetuum mobile-2

едина для всех самых разнообразных проектов.

Ведущий идеолог данного направления профессор В.К.Ощепков ставит

задачу таким образом: «…отыскать такие процессы, которые позволили бы

осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии

окружающего пространства в энергию электрическую. В этом я вижу величайшую

проблему современности». И далее: «…открытие способов искусственного

сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь

активных форм будет таким открытием в истории развития материальной

культуры человечества, что … можно сравнить разве только с открытием

первобытным человеком способов искусственного добывания огня».

Если вникнуть в существо перспектив рассматриваемой идеи, то она

сводится к тому, что рассеянная «тепловая энергия» окружающего пространства

«извлекается», концентрируется и превращается в электрическую энергию,

способную производить работу. Нарушения первого закона термодинамики здесь

нет. Сколько энергии забирается из «окружающего пространства», столько и

превращается в электроэнергию.

Такая идея, действительно, чрезвычайно заманчива. «Концентрированная»

энергия использовалась бы для нужд человечества, «рассеивалась» бы при этом

в окружающей среде, а затем ее можно было бы снова «концентрировать» и

пускать в дело. В энергетике человечества осуществился бы вечный круговорот

энергии, который позволил бы сразу «убить двух зайцев» — снять как проблему

поиска источников энергии, так и проблему теплового, химического и

радиационного загрязнения окружающей природы.

Чтобы проанализировать все стороны этой грандиозной идеи научно,

нужно прежде всего уточнить используемую ее авторами терминологию,

перевести ее на современный научный язык.

Прежде всего отметим, что «окружающее пространство» само по себе

энергии не содержит. Энергия содержится только в материальной среде

(веществе или поле), заполняющей это пространство. Поэтому правильно было

бы говорить «окружающая среда». Но и такая формулировка тоже не годится.

Термин «окружающая среда» имеет разное содержание в зависимости от того,

как его использовать. Здесь могут быть два случая.

В первом случае под окружающей средой понимают все то, что находится

вне границ системы (в данном случае двигателя). Это означает, что в

окружающую среду входят по крайней мере атмосфера, гидросфера и литосфера

земли, в которых существуют разности давления, температур и химического

состава. Следовательно, она включает и запасы топлива, гидроэнергетические

ресурсы и так далее. Другими словами в окружающей среде, определяемой таким

образом, нет равновесия.

Используя неравновесность в окружающей среде, человек всегда получал

необходимую ему энергию как в форме теплоты, так и в форме работы. Если бы

эта среда была равновесной, то есть вся имела бы один и тот же усредненный

и равномерно распределенный химический состав, одну и ту же температуру,

одно давление, один уровень воды, одинаковый везде электрический заряд и

так далее, то все кругом было бы мертво и неподвижно. Именно

неравновесность, наличие разности потенциалов во внешней среде и определяют

возможность существования всей энергетики.

При такой трактовке термина «окружающая среда» извлечение из нее

энергии и превращение ее в работу или электроэнергию давно известно. Ничего

нового в таких процессах нет: так всегда и делалось.

Во втором случае под окружающей средой понимают только равновесную

часть всего окружения системы. Основанием для введения такого более узкого,

локального понятия служит то, что в окружении системы всегда имеется в

практически неограниченном количестве некая среда, имеющая одни и те же

температуру, давление и химический состав. Примером такой среды может

служить, например, вода у поверхности океанов, морей, других больших

водоемов или атмосферный воздух у поверхности земли. Существующие в них

некоторые небольшие разности потенциалов в круг рассмотрения не входят.

Такая равновесная окружающая среда, как показывает многовековой опыт

человечества, не может служить источником энергии, поскольку никаких

разностей потенциалов, неравновесностей, которые можно было бы

использовать, в ней нет. Она ведет себя, как та «мертвая вода» без разницы

уровней, о которой писал Леонардо да Винчи.

Наконец, о первой части выражения «тепловая энергия окружающего

пространства». Поскольку теплота есть энергия только в процессе перехода,

говорить о «тепловой энергии», да еще «содержащейся» в окружающей среде,

некорректно. Энергия теплового движения частиц составляет часть внутренней

энергии тела, причем выделить ее «в чистом виде» практически невозможно.

Поэтому в науке пользуются термином «внутренняя энергия».

Разберем понятия «концентрация» и соответственно «рассеяние» энергии.

Концентрация — это понятие, связанное с сосредоточением чего-либо в

определенном месте (объеме или поверхности). Применимо к энергии это

соответствует ее количеству, приходящемуся на единицу объема или

поверхности (Дж/м3 или Дж/м2). Если это количество растет, говорят о

концентрировании энергии, если падает — о ее рассеянии.

Сторонники perpetuum mobile-2 используют этот термин в смысле, не

имеющим отношения к действительному ее содержанию. Они называют

«концентрированной» энергией электрическую энергию и работу, а «рассеянной»

— внутреннюю энергию тел и теплоту. Однако разница в них не в концентрации,

а в степени упорядоченности, организованности движения частиц. Именно эта

упорядоченность и определяет в основном качественную сторону энергии, ее

работоспособность.

Теперь, после уточнения всех терминов, мы можем вернуться к

принципиальным основам perpetuum mobile-2. Становится очевидным, что его

идея основана на получении работы из равновесной окружающей среды путем

использования той части ее внутренней энергии, которая связана с

хаотическим тепловым движением молекул.

В.К.Ощепков назвал такой процесс ученым термином «энергетическая

инверсия» (инверсия — от лат. inversio — «перестановка»,

«переворачивание»). Другими словами, это — обратное превращение части

внутренней энергии равновесной окружающей среды в электроэнергию или

работу.

Именно такой процесс запрещен вторым началом термодинамики. Поэтому,

чтобы доказать возможность создания вечного двигателя второго рода, нужно

неизбежно опрокинуть или обойти «стоящий на дороге» второй закон

термодинамики.

Сторонники perpetuum mobile-2 применяют для этого целый комплекс

доводов — от общефилософских рассуждений со ссылками на классиков до

экспериментальных данных!из различных областей науки. Все доводы, как

правило, носят описательно-умозрительный характер и даются без четкого

научного обоснования. Однако их красивое внешнее оформление в сочетании с

убежденностью и энтузиазмом в некоторых случаях может показаться

убедительным. Помогает тут и благородная цель — экономия ресурсов и

спасение окружающей среды от загрязнения.

Какие perpetuum mobile-2 изобретают теперь.

Различных проектов perpetuum mobile-2 предлагается очень много, и

принципы их действия самые разнообразные: термомеханические, химические,

гравитационные, электрические… Есть и такие, к которым трудно подобрать

научный термин, чтобы объяснить принцип их действия.

Вместе с тем независимо от принципа действия все предложенные

двигатели можно разделить на два больших класса.

Первый из них включает правильные, «идейно чистые» вечные двигатели

второго рода, основанные на «энергетической инверсии», о которой ужу

говорилось. Естественно, что ни один из них не работает несмотря на все

усилия их авторов. Эти «настоящие» perpetuum mobile-2 большей частью

основаны на простых термомеханических принципах. В зависимости от области,

к которой тяготеет изобретатель, проекты таких perpetuum mobile-2 опираются

либо на теплотехнику, либо на холодильную технику. Однако многие

изобретатели, разочаровавшись в возможностях и той и другой, ищут “новые

пути”. Отсюда — появление проектов электрических, химических и

электрохимических вечных двигателей второго рода. Реализация любого из этих

проектов и пуск соответствующего двигателя сразу сняли бы вопрос об

осуществлении perpetuum mobile-2 и перевернули бы всю термодинамику. Однако

ни одного акта о внедрении такой системы нет.

Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне

могут работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой perpetuum

mobile-2. Принцип их действия находится в полном согласии с законами

термодинамики. Однако делаются попытки выдать их за настоящие perpetuum

mobile-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при

тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии

в них нет.

Термомеханические perpetuum mobile-2.

Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект

вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что

это произошло более 100 лет назад.

Один из принципов работы наиболее часто встречающихся парадоксальных

вечных двигателей второго рода — взаимодействие двух тел разных температур,

при котором тело с меньшей температурой охлаждается еще больше, тем самым

повышая температуру тела второго, то есть передавая ему часть своей

внутренней энергии. Приводятся в пример такая модель perpetuum mobile-2,

как кипящий вследствие повышения температуры (повышения его внутренней

энергии на величину ?U=3?R?T) чайник c водой, поставленный на ледяную

поверхность.

Но ведь одна из формулировок второго закона термодинамики в

элементарной (школьной) физике так и звучит: «В природе невозможны

процессы, единственным результатом которых является переход теплоты от тела

с меньшей температурой к телу с большей температурой». То есть данная

модель есть не что иное, как еще один вариант «вечного» двигателя.

Рассмотрим еще один характерный perpetuum mobile/

Первым известным изобретателем в этой области был некий американский

профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-

мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь

сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 году.

Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей

среды», был тоже американец Ч. Триплер, человек более известный, чем

Гемджи, в связи с тем, что он сконструировал действующую установку для

сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триплера появилась впервые в 1899

году.

Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие

в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды.

Именно здесь, в специфической области низких температур, где «на холоде»,

казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба

изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения,

что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов

вечных двигателей второго рода связано с сенсационными успехами техники

низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х — 90-е годы

прошлого века.

Именно два последних достижения низкотемпературной техники того

времени — аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха —

послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера.

Прототипами их можно назвать только условно. Поскольку идея была совсем

новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане — как

двигатели.

Как же, по мысли Гэмджи, должен был работать этот двигатель? Известно,

что при температуре окружающей среды (например, 300К=27?С) аммиак кипит при

давлении 1,0 МПа. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным

в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление.

Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (детандер).

В этом случае он расширяется, например до 0,1 МПа, отдавая внешнюю работу,

соответственно охлаждается до 250К и частично при этом сжижается. Жидкий

аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который

приводится в движение самой расширительной машиной, — детандером. В насосе

давление аммиака снова повышается до начального. Холодная смесь жидкого

аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Qо.с,

поступающей из более теплой атмосферы, он снова испаряется. Таким образом,

двигатель работает отдавая потребителю работу L (равную работе,

производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на

привод насоса).

Никакого нарушения первого закона термодинамики — закона сохранения

энергии — здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Qо.с,

столько и отводится в виде работы (L=Qо.с). Но «нуль-мотор» — это типичный

«монотермический двигатель» — perpetuum mobile-2.

Представим себя на минуту положение того механика, которому надо

запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он

неподвижный, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление

везде одинаково — 1,0 МПа. Начнем раскручивать маховик и затем отпустим,

чтобы машина уже сама продолжала работу. Однако можно заранее предсказать,

что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки

привести ее в движение и любыми другими способами приведут к тому же

результату.

Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер)

работала, нужно, чтобы давление за ней было ниже, чем перед ней. Гемджи

думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из

трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно

затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не

может, так как давления и до него, и после него равны, а если его

раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос,

перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не

охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать

только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачивая работу

L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую

бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаваться в окружающую среду.

Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как

двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то

время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.

Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б.

Айшервуд своему шефу, рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя

Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования

нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во

внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского

флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую

департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для

продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них

правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить

свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это

безотлагательно».

Мы познакомились с многовековой историей попыток решить энергетические

проблемы «прямым путем» — создать двигатель, производящий работу либо из

ничего (вечные двигатели первого рода), либо из того, что есть, но работу

произвести не может (вечные двигатели второго рода).

Эти попытки, естественно, к успеху не привели, хотя и способствовали

определенным образом на первых этапах развитию науки об энергии. Более

того, весь путь «псевдоэнергетики», занятой поисками вечных двигателей,

неразрывно связан с историей настоящей энергетики. Псевдоэнергетика по-

своему «отслеживала» стоящие перед настоящей энергетикой задачи, пытаясь

тоже решить их.

Увлечение вечными двигателями, сохранившееся еще до нашего времени в

своеобразной форме perpetuum mobile-2, несмотря на «научное» оформление

долго жить не сможет. Вечный двигатель второго рода, так же как и его

предшественник — вечный двигатель первого рода, останется лишь интересным и

поучительным эпизодом истории физики и энергетической науки.

-----------------------

Груз Стержень

Модель вечного двигателя Оннекура.

F

I G

H

Магнитный вечный двигатель А.Кирхера

Страницы: 1, 2, 3