Решение Проблемы энергоинверсии и фундаментальные циклы

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Решение Проблемы энергоинверсии и фундаментальные циклы энергетики.

© Стекольщиков Михаил Вениаминович, к.т.н., mvs021@ya.ru

Доклад презентован на Международном Конгрессе-2018 «Фундаментальные проблемы естествознания» 28.07.2018, СПб.

Ключевые слова: теплоэнергетика, тепловые машины Карно, резонатор, ррm-2, регенеративный и эквивалентный циклы.

СОДЕРЖАНИЕ.

§1. Введение………………………………………………………………………………..1 §2. Что такое КПД и КПДт? Когда КПД более 100%?.................................................5

§3. Известные и неизвестные теплоэнергетические стандартные циклы………...6 §4. Основное уравнение работы Ландау для теплоэнергетики……………………..9

§5. Новый метод визуализации схем циклов (МВСЦ)……………………………....11 §6. Фундаментальные циклы теплоэнергетики и их визуализация………………13 §7. Обсуждение результатов и выводы……………………..…………………………16

§8. Список использованной литературы…………………………………..………….18

§1. Введение

Самый опасный вид загрязнения окружающей среды – это загаженные мозги.

Академик И.В. Петрянов-Соколов

Тепловые двигатели вырабатывают примерно ~ 80% электроэнергии, используемой человечеством. Без тепловых двигателей совершенно невозможно представить современный транспорт - автомобили, тепловозы, суда, самолеты, вертолѐты и космические аппараты. Общим для всех существующих тепловых машин является то, что в них совершается преобразование теплоты в механическую энергию, которая и создает силу тяги. «Раздел энергетики, связанный с получением, использованием и преобразованием тепла в энергию различных видов» называется Теплоэнергетика (ГОСТ 19431-84).

Работа и теплота, эти процессы известны человечеству с глубокой древности. Но теоретические основы теплоэнергетики заложены французским инженером С. Карно в книге "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" только в 1824 году [К1]. Естественно, что у ученых, изучающих эти процессы, должен был возникнуть вопрос: при каких условиях взаимопревращения теплоты и работы будут наиболее эффективными? Анализ работы тепловых машин занимает в термодинамике особо почѐтное место.

Все тепловые машины являются циклическими устройствами. Термодинами́ческие ци́клы для закрытых систем – это круговые процессы в теплоэнергетике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объѐм, температура и энтропия).

Теплоэнергетические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу и наоборот.

Компонентами тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель, холодильник или резонатор (с помощью которых формируется необходимое состояние рабочего тела).

Анализ позднейших формулировок термодинамики ХХ века даѐт значительное расхождение с первоначальными формулировками механической теории теплоты (МТТ), т.е. теплоэнергетики. Это связано с тем, что теплоэнергетика ограничена применением и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2

улучшением тепловых двигателей и изучает любую систему, лишь бы процессы в ней сводились к процессам в тепловой машине. В ХХ веке произошло развитие прикладной науки теплоэнергетики, в фундаментальные науки термодинамику и статфизику. Статфизика стала постепенно фундаментальной наукой под влиянием «Метода Гиббса», но сама теплоэнергетика захирела, оставшись ограниченной принципом Карно.

И. Пригожин (1999): Современная термодинамика представляет собой фундаментальную науку и представляет «теорию, описывающую в обобщенном виде преобразования состояния вещества. Что же касается порождаемого теплотой движения, то оно является лишь следствием некоторых таких преобразований. В основе термодинамики по существу лежат два закона, или начала: одно из начал относится к энергии, а другое – к энтропии». [П5]. Если первое начало есть закон сохранения и превращения энергии в термодинамических системах, то второе начало представляет собой закон о спонтанном росте энтропии [Л1, с. 47].

Метод Гиббса оказался чрезвычайно плодотворным для физической и химической науки XX века, но оказался особо опасным для традиционной теплоэнергетики и был оттуда низвергнут. Это привело к «дезориентации как инженерной, так и общественной мысли».

«Работами Гиббса статистическая физика, основанная Клаузиусом, Максвеллом и Больцманом, была превращена в логически связанную и стройную систему. Гиббс дал общий метод, применимый принципиально ко всем задачам, которые могут быть поставлены перед статфизикой. К сожалению, метод Гиббса не получил должного распространения. Основной недостаток большинства имеющихся книг по статфизике и заключается как раз в том, что их авторы, вместо того чтобы положить в основу этот общий метод, приводят его только между прочим. Статфизика и термодинамика образуют вместе единое целое. Все понятия и величины термодинамики наиболее естественно, просто и строго вытекают из понятий статфизики» [Л1]. Основным успехом термодинамики оказалась возможность точно определить положение равновесия и направление протекания с помощью метода Гиббса (G ≡ H – TS)р, где р – давление.

Согласно современным представлениям, Вселенная состоит из Материи находящейся в непрерывном движении. Количественной мерой движения Материи является энергия (U)V или энтальпия (Н)р. Закон сохранения энергии - фундаментален: энергия не возникает и не уничтожается, а только переходит из одного вида в другой. Для количественной характеристики фазовых переходов различных форм движения и соответствующих им взаимодействий, различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия термодинамической системы (G) характеризует скорость внутреннего движения вещества, потенциальная энергия (TS) характеризует взаимоположение частиц вещества, при температуре Т, где S – энтропия.

Таким образом, не смотря на кажущееся многообразие существующих видов энергии, все они сводятся, в конечном счете, к кинетической энергии механического движения какихлибо частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.

Энергия – философская категория, единая мера различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, не расходуется и не исчезает бесследно. Единой мерой движения энергии является

работоспособность –∆G = Аmax ≡ ∆(TS – H)р.

Эксергия (техническая работоспособность исходя из цикла Карно, 1956) − это технологический продукт широкого потребления − универсальная валюта для существующих технологических процессов [Ш1, Я1].

Но осталась и другая, отвергнутая теплоэнергетика, изложенная с разницей 100 лет в работах Клаузиуса и Ландау. Клаузиус считал возможным два технологических процесса производства работы из теплоты (1867) [К2], академик Ландау провѐл фундаментальное исследование теплоэнергетики (1964) [Л1, §19, §20].

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3

«По-видимому, ни в одной другой области науки не делалось такого большого числа неверных утверждений и выводов, как в термодинамике. Такие ошибки встречаются как у основателей термодинамики, так и у современных ученых» [Б1, Б2].

Поэтому бытует мнение: «термодинамика не только не способствовала существенному прогрессу в практике преобразования тепла в работу, но и привела к дезориентации как инженерной, так и общественной мысли» [С2]. При анализе поздних формулировок теплоэнергетики наблюдается значительное расхождение с первоначальными формулировками механической теории теплоты!? Случайно или злонамеренно?

1.1. Проблема цикла энергоинверсии.

До сих пор существует подход к получению эксергии сформированный в 18 веке, приводящий к разрушению и загрязнению окружающей среды и представлящий собою «Сизифов труд». Сизифов труд – это когда при выработке эксергии, неизбежно требуется загрязнить или искалечить среду обитания. Затем для ее очистки и регенерации до первоначального состояния необходимо «затратить» эксергию. Значит, надо дополнительно еѐ произвести, при этом вновь искалечить и загрязнить природу... И начать процесс снова…[Л4].

Между тем практически вся используемая нами энергия теряется в среде в виде тепла. И дело не в том, что энергоустановки работают с некоторым КПД, меньшим единицы. Эксергия, полученная сжиганием энергоносителя, рано или поздно рассеивается в виде тепла.

Удваиваясь каждые ~30 лет, потребление эксергии человеком сравняется с энергией солнечной радиации примерно через 300 лет. Когда это произойдет, предпринимать что-либо будет поздно, флора и фауна на Земле деградируют. Так что реагировать необходимо заранее. Одни эксперты полагают, что доля эксергии не должна превышать 1 % от солнечной, другие – 0,1 %. В первом случае деградация станет катастрофической примерно через 140 лет, во втором – через 50. Не исключено, что именно еѐ начало наблюдается сегодня.

Кратко концепцию энергоинверсии можно изложить следующим образом. С потеплени-ем климата, нужно бороться посредством «фабрик холода», которые бы преобразовывали тепло рассеянное в Атмосфере и Гидросфере, в э/энергию. Если бы такие «фабрики холода» удалось сделать достаточно мощными и поставить их производство и эксплуатацию на поток, то это дало бы многослойный эффект [Х1].

Во-первых, отъѐм тепла у атмосферы и/или океана означал бы прямое их охлаждение, что не только позволило бы справиться с текущим потеплением климата, но и дало бы в перспективе средство для локального управления климатом.

Во-вторых, мы получили бы возможность перейти, к регенеративной теплоэнергетике, построенной на «круговороте тепла»: собирающей тепло, рассеиваемое различными источниками теплового загрязнения, что позволило бы резко сократить добычу ископаемых энергоносителей.

В-третьих, сокращение добычи ископаемых энергоносителей уменьшит выделение в атмосферу загрязняющих веществ, прежде всего – углекислого газа и воды, что ослабило бы парниковый эффект.

В-четвѐртых, это бы позволило начать реанимацию окружающей среды в Атмосфере, Гидросфере, Космосе на земле и под землѐй.

В-пятых, это позволило бы перейти к Антропной Цивилизации (АЦ). Проблема перехода к «безотходной цивилизации» (переход на замкнутые циклы оборота веществ) становится все более острой и насущной. С течением времени становится все яснее, что траектория, по которой движется человечество, заканчивается. На такую «технологическую революцию» нам отпущено 10–20 лет [Х1, М2].

Выход из мирового кризиса возможен только через переход к «Новому Технологическому Укладу», на который указал Президент РФ В.Путин на сессии ГА ООН

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4

(2015). «Речь должна идти о внедрении принципиально новых природоподобных технологий, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой. Это действительно вызов планетарного масштаба. Убежден, чтобы ответить на него, у человечества есть интеллектуальный потенциал». Таким образом, была задана стратегия научно-технологического развития России на долгосрочный период. Важность этой проблемы подчеркивалась неоднократно величайшими деятелями планеты.

Критерием природоподобных технологий (ПП-технологии) является универсальный критерий любого процесса: изменение энтропии (∆S) [П6]. В гармонии с окружающим миром, находятся только те технологические процессы, в которых ∆S ≤ 0, так как иначе, при любом масштабном процессе с ∆S > 0, происходит необратимое влияние на окружающий мир.

В.И. Вернадский впервые обратил внимание на то, что живое вещество выполняет в биосфере определѐнные целевые функции. Важнейшими функциями живого вещества являются воспроизводство биомассы и биогенная мобилизация химических элементов. Растения-продуценты преобразуют энергию Солнца, запасая еѐ в первичной фотосинтетической биомассе, и передавая дальше по пищевым цепям к животным и микроорганизмам [Т4].

Физика вступила в конфликт с термодинамикой, так как не могла и не хотела отказаться от принципов механики, праматери современного естествознания, в пользу 2НТ. Существует непреодолимое противоречие между обратимостью микропроцессов и якобы необратимостью макропроцессов.

В Нобелевской лекции В.Л.Гинзбург [Г4] приведя перечень 30 важнейших проблем физики начала 21-го века (список Гинзбурга), отдельно выделил три «великие» проблемы: «…это, во-первых, вопрос о возрастании энтропии, необратимости и «стрелы времени». Тем самым Академик Гинзбург на самом высоком научном уровне поставил под сомнение «менталитет 2НТ» [Л4], т.е. легитимность «принципа необратимости» – неизбежного роста энтропии (∆S > 0) в любых процессах.

Пригожин: «Второе начало термодинамики носит весьма общий характер. Но если бы в межмолекулярных силах превалировало дальнодействие, например гравитационные силы меж-ду частицами, то сразу же возникли бы затруднения, поскольку наша классификация перемен-ных на экстенсивные (пропорциональные объему) и интенсивные (не зависящие от объема) была неприменимой» [П5, с. 107]. Смысл разъяснения заключается в том, что 2НТ применимо только к стохастическим процессам, к которым технологические процессы не относятся.

Ф. Энгельс: «Вопрос о том, что делается с потерянной как будто бы теплотой, поставлен, так сказать, без уверток лишь с 1867 г. (Клаузиус). Неудивительно, что он еще не решен; возможно, что пройдет еще немало времени, пока мы своими скромными средствами добьемся его решения… Кругооборота здесь не получается, и он не получится до тех пор, пока не будет открыто, что излученная теплота может быть вновь использована» [Э1].

Парадигма всесилия 2НТ была разрушена ещѐ в середине ХХ века, когда были открыты автоволновые и автоколебательные процессы. «Автоколебательный элемент работает подобно «вечному двигателю». Он автономно совершает циклические переходы через некоторую группу состояний» [Л5]. В этом случае энтропия меняется циклически, чего 2НТ не допускает.

Непримиримую борьбу с «менталитетом 2НТ» вѐл академик Ландау: «Термодинамика необратимых процессов есть необратимая глупость» [Г4, с.211; К3], это высказывание по поводу работ нобелиата по химии И.Пригожина.

Климонтович Ю.: «Парадоксально, однако, следующее. В Курсе Физики Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица в томах, посвященных как Статистической физике, так и в первых изданиях тома «Электродинамика сплошных сред» приводятся, правда, в неявной форме – без

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

5

необходимого анализа следствий, формулы, находящиеся в прямом противоречии со вторым законом термодинамики» [К3, с. 113].

Кстати, следует добавить, что до 1962 г., Ландау был «главным научным цензором» по физике в СССР [Г5].

Базаров И.П.: «Громадные запасы внутренней энергии морей и океанов нельзя использовать без привлечения для этих целей других тел, которые при этом изменяют свое состояние. Использование же внутренней энергии этих колоссальных источников с одновременным охлаждением или изменением состояния других тел не противоречит второму началу» [Б2, с.305].

Между тем Н. Тесла сформулировал эту альтернативу еще в 1897 году: «Наша задача развить средства получения энергии из запасов, которые вечны и неисчерпаемы, развить методы, которые не используют потребление и расход каких бы то ни было «материальных» носителей. Сейчас мы совершенно уверены, что реализация этой идеи не за горами: возможности развития этой концепции заключаются именно в том, чтобы использовать для работы двигателей в любой точке планеты чистую энергию окружающего пространства».

Впервые на государственном уровне, попытка создания цикла энергоинверсии была предпринята АН СССР в 1954 г. Президиум АН СССР принял постановление, которым проф. П. К. Ощепкову поручалось подготовить материалы и провести эксперименты по вопросам концентрации энергии [регенерации рассеянной энергии окружающей среды] (Постановление № 0104, п.4 от 10.07.1954) [О2¸ с.239].

Ощепков предполагал создать «колебательный контур, в котором поочередное взаимообращение происходило бы не между электрической и магнитной формами энергии, а между электрической и тепловой ее формами» [О2, с.253]. Закончить эти исследования не удалось, направление было уничтожено в «пользу ТермоЯда», при хрущѐвской реформе АН

СССР (1961) [П9, П10]. Но 60 проведших лет, не пошли тому на пользу, а «воз и ныне Тамм».

Это была главная стратегическая ошибка в энергетике! За последующие 60 лет в

СССР и РФ были озвучены десятки экономических стратегий, но, ни одна из них не была осуществлена, а запустить многочисленные попытки реформ и «разогнать» экономику не удалось [Ч1].

Почему же работы по энергоинверсии вызвали такое «бешеное» сопротивление. На это ответил один из ведущих специалистов в энергетике. Бродянский В.М. [Б9]: «Если энергию, рассеянную в окружающей среде, концентрировать и использовать для обогрева жилища или других потребностей, то можно обойтись не только без органического топлива (угля, атомного, а затем и термоядерного. Ведь запас энергии в окружающей среде практически неисчерпаем». То есть победа энергоинверсии, делала бессмысленными изыскания в области ТермоЯда, и всей традиционной энергетики. Этого «Ядерноакадемический союз» [В1] пережить не мог.

Вот что писал М.Планк «о вечном двигателе 2-го рода (ррm-2): «Такая машина могла бы быть использована одновременно и как мотор и как холодильная машина, без какой бы то ни было затраты энергии и материалов: она была бы, таким образом, самой выгодной машиной в мире. Правда, она не была бы равноценна perpetuum mobile, так как производила бы работу вовсе не из ничего, а из теплоты, заимствуемой ею из резервуара».

Такая машина не являлась бы поэтому, как perpetuum mobile, противоречием первому началу. Однако она обладала бы наиболее важным для человечества достоинством perpetuum mobile —способностью производить работу даром, так как тепло, которое содержится в почве, в воздухе, в океане, подобно кислороду воздуха, предоставляется в неисчерпаемом количестве в непосредственное распоряжение каждого [П3, §37].

Мнение противников ррm-2, обосновывается только принципом Карно – энергия бывает бесполезной. «…Из принципа Карно следует, что превратить теплоту в работу полностью нельзя. Следовательно, в природе существует асимметрия во взаимной

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

7

«Очевидно, бессмысленна электростанция, на создание которой расходуется больше электроэнергии, чем она выдаст за весь срок службы» [Я1, с.91], т.е. при η < 1.

Это общее правило термодинамики, когда в процессе участвует несколько циклов, только тогда возможно, что итоговый КПД процесса, η > 1.

Кроме общего КПД, в термодинамике присутствует термический КПД цикла: КПДт: ηТ = А2/Q1 или в гиббсовском виде ηТ = G/ Н = 1 − Т(∆S/∆H) [Б7]. Это КПД отдельного цикла, он по определению, не может превышать 100%, всегда в цикле ηТ ≤ 1. Но если в процессе параллельно проходят несколько циклов, то наблюдается их сумма, и ηТ > 1, см. Табл.1.

Сейчас преобладает ошибочное мнение [Б8, с.с. 220-224], что значение КПД топливного элемента больше 100% «объясняется не совсем строгим определением КПД, так как в качестве затраченной энергии берется только тепловой эффект реакции, без учета тепла, поглощаемого из окружающей среды»!? [А3, с.118; Б7].

Квантовая генерация эксергии в химической термодинамике представлена ЭДС топливных элементов (ТЭ). Считается, что ТЭ обладают высоким КПДт из-за того что не подчинятся принципу Карно и поглощают энергию окружающей среды Qo. Генерация электроэнергии топливными элементами представлена в Табл.1 [Ю1].

Исходя из анализа термических КПД (ξ) электрохимических реакций, представленных в (Табл.1), утверждаем, что химическая генерация эксергии характеризуется тремя возможными схемами:

•ξ < 1, что соответствует двухуровневой схеме (=) цикла Карно (Табл.1, п.3);

•ξ = 1, что соответствует трѐхуровневой схеме (≡) с резонатором (Табл.1, п.1);

•1< ξ < 2, что соответствует суперпозиции (≡) + (=) двухуровневой и трѐхуровневой схем (Табл.1, п.2). Это вытекает из метода циклов, где любой цикл может быть представлен суммой или разностью соответствующих циклов.

Работа генерируемая в термодинамических процессах определяется уравнением Гиббса-Ландау, которое выглядит так: Ӕ = -∆G = -∆H + Tо∆S (3) [Л1, §20].

§3. Известные и неизвестные теплоэнергетические стандартные циклы. 3.1. Революция в теплоэнергетике С.Карно.

С.Карно(1824), сформулировал три закона теплового движения исходя из теории теплорода. Он увидел аналогию тепловых машин с гидравлическими, использующими перепад уровня воды. «Невозможно построить тепловую машину только с одним источником тепла».

2.1 «…повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы»: принцип разности потенциалов для производства работы» [К1, с.22]. «Согласно этому принципу, недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добыть холод; без него теплота стала бы бесполезна».

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

8

Согласно Оствальду (1892), такая циклическая машина, дающая работу за счет одного источника тепла (монотермический цикл), названа perpetuum mobile 2го рода (ррm-2) [О3]. Этот принцип ошибочно называют Вторым началом термодинамики, вопреки более позднему закону Больцмана [Л1, §8].

2.2 «Обратно: повсюду, где можно затратить эту силу, возможно, образовать разность температур и нарушить равновесие теплорода…» [К1, с.22]: принцип регенерации теплоты и динамического нагревания/охлаждения.

3.«Все операции, здесь описанные, могут быть проведены в одном направлении или

вобратном… Результатом первых операций было получение определенного количества движущей силы и перенос теплорода от тела А к телу В; результатом обратных операций будет затрата полученной движущей силы и возвращение теплорода от тела В к телу А: обе операции уничтожают друг друга или, так сказать, друг друга нейтрализуют» [К1, с.29]: принцип термомеханического колебательного контура или резонатора.

Карно впервые предложил термомеханический резонатор, производящий циклическое превращение теплоты в работу и обратно, использующий обратную связь. В механическом резонаторе происходит циклическое превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно, этот цикл в литературе, однако никогда не упоминается.

Если обозначим входной (JВХ) и выходной (JВЫХ) потоки энергии, а коэффициент усиления мощности КУМ, при коэффициенте обратной связи (– β). Тогда JВЫХ = KУМJBX, и JВХ = βJВЫХ + JПАД, где JПАД – интенсивность (мощность) падающей волны, а интенсивность излучения на выходе: JВЫХ = JПАД КУМ/(1 − βК). Величина JВЫХ неограниченно возрастает, при βКУМ = 1, что означает переход от режима усиления к режиму генерации. Поэтому это равенство есть известное в радиотехнике условие квантовой генерации [М2, §142].

Главная особенность любого резонатора, это создание «отрицательного сопротивления». Из радиотехники хорошо известно, что любая колебательная система, способная усиливать и генерировать колебания. «Для этого нужна обратная связь. Теория генераторов радиодиапазона хорошо разработана. Для описания таких генераторов вводится понятие отрицательного сопротивления или проводимости, т.е. вводится элемент, имеющий отрицательные потери». А первый квантовый оптический резонатор был создан только в 1960 г., после пяти лет поисков [П7].

Таким образом, Карно создал три стандартных теплоэнергетических цикла: Цикл Карно, обратный Цикл Карно, композитный цикл Карно (резонатор).

Пригожин отмечал и недостатки цикла Карно. «Весьма замечательно, что в описании идеальной тепловой машины ни разу не упоминаются лежащие в основе его реализации необратимые процессы. Ни слова не говорится о топке, в которой сгорает топливо. Предложенная Сади Карно модель лишь использует конечный результат горения: возможность поддержания разности температур между двумя источниками… Мир горит как огромная печь; энергия, хотя она и сохраняется, непрерывно рассеивается»[П6]. «Горение есть портрет содержания Второго Начала» [Э2].

3.2.Р.Клазиус: Механическая теория тепла (МТТ)

Труды Клаузиса по механической теории тепла сначала появились в форме мемуаров (1848 – 1862), а затем собраны в классический труд «Механическая теория тепла» (1867)

[К2].

Именно здесь заложен фундамент теоретической теплоэнергетики, именно эти идеи сохранили свое значение до наших дней.

1.Клаузиус ввѐл понятие механическое работы и ее меры. Клаузиус дополнил теплоэнергетику эквивалентным циклом и назвал принцип эквивалентности первым началом МТТ.

Применив цикл к выражению для внутренней энергии тела: (Q = U2 – U1 + А), где

Q = ∂Q и А = ∂Q, и проинтегрировав его вдоль замкнутого контура, с учѐтом условияdU 0, Клаузиус получил выражение «∂Q ∂А или А = Q, что означает моно-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

9

термический цикл. КПДт идеального монотермического цикла равен 100%, (η = А/Q = 1), что превышает КПДт цикла Карно. КПДт идеального монотермического цикла равен 100%, (η = А/Q = 1), что превышает КПДт цикла Карно. Эквивалентный термодинамический цикл (ЭТЦ) важнейшие достижение работы Клаузиуса.

«Итак, в круговом процессе вся сообщенная телу теплота (т. е. алгебраическая сумма всех сообщенных телу в течение кругового, процесса количеств теплоты, которые могут быть как положительными, так и отрицательными) просто равна всей совершѐнной внешней работе». Равенство это выражает «принцип эквивалентности». Клаузиус назвал принцип эквивалентности между работой и теплотой первым началом МТТ (теплоэнергетики) [К2], но упоминание этого принципа встречается как «Первое начало термодинамики» [Б3, К6], при том что термодинамика гораздо шире теплоэнергетики.

2.Вторым началом МТТ, Клаузиус назвал цикл Карно. В отличие от Карно, полагавшего, что в цикле работа получается только за счет течения теплорода, при переходе

его с верхнего уровня на нижний, без изменения его количества, т. е., что Q1 = Q2. Клаузиус меняет подход: «Полученное из тела количество Q1 теплоты разделилось на две части, из которых одна – Q превратилась в работу, а другая – Q2 перешла от тела К1 к более холодному телу К2».

3.Клаузиус ввел понятие энтропии (S), как исходного параметра движения тепловых процессов, разделив все процессы на обратимые и необратимые, по знаку изменения энтропии.

4.Клаузиус ввѐл принцип компенсации, при преобразовании теплоты в работу. Под «компенсацией» логично следует понимать работу [Б8, с. 216].

3.3.Известные фундаментальные термодинамические циклы.

Теперь рассмотрим фундаментальные термодинамические циклы известные в наше время. В 1984 г. Комитет научно-технической терминологии АН СССР выпустил сборник определений, терминов, понятий и буквенных обозначений величин термодинамики, отражающие современный уровень развития ее понятийного аппарата и языка [Т2]. В сборнике перечислены всего три фундаментальных идеальных цикла:

• Прямой Термодинамический цикл [Т2, п.104] – Термодинамический цикл, в

котором

крабочему телу подводится большее количество теплоты при большей температуре и отводится меньшее количество теплоты при более низкой температуре, разность же этих теплот равна совершенной работе.

Сюда же относится Цикл Карно, состоящий из дух изотерм и двух адиабат [Т2, п.104]. Цикл Карно имеет максимальный термический КПД в заданном интервале температур, но в то же время можно подобрать сколько угодно циклов, имеющих такой же КПДт, поэтому далее подразумевается обобщѐнный цикл Карно [Б6, с.90].

• Обратный Термодинамический цикл [Т2, п.105] – Термодинамический цикл, в

котором к рабочему телу подводится меньшее количество теплоты и при меньшей температуре, а отводится большее количество теплоты и при более высокой температуре, разность же этих теплот равна затраченной работе.

• Регенеративный термодинамический цикл [Т2, п.109] –Термодинамический цикл,

в котором осуществляется отвод теплоты от рабочего тела в одном или нескольких процессах цикла для подвода ее к рабочему телу в одном или нескольких других процессах этого цикла.

Практически представляется возможным отнимаемую от газа теплоту не отводить, а

передавать газу; таким образом, эта теплота будет постоянно циркулировать в газе.

Такой способ использования этой теплоты носит название регенерации теплоты, а циклы, в которых такая регенерация осуществляется, называются регенеративными циклами [Б6,

с.90].

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

10

3.4. Регенеративный термодинамический цикл.

Итак, мы имеем два известных цикла Карно (прямой и обратный) и регенеративный цикл (РТЦ). Рассмотрим Регенеративный термодинамический цикл подробнее.

Таким образом к настоящему времени в технической литературе упоминаются пять энергетических циклов: прямой и обратный циклы Карно, Композитный цикл Карно (КЦК), Эквивалентный цикл Клаузиуса (ЭЦК) и Регенеративный термодинамический цикл (РТЦ).

Регенерация бросовой теплоты ((от позднелат. regenera-tio – возрождение, возобновление) – утилизация той части теплоты, которая была уже отработана в конкретном процессе, использование остаточной теплоты после завершения конкретного процесса в том же самом или другом процессе. Например, одной из мер повышения КПД перехода теплоты

вработу в газотурбинной установке является применение регенерации теплоты. Экономичность ГТУ при применении регенерации повышается.

Регенеративные циклы могут быть осуществлены только при наличии аккумулятора теплоты, который воспринимает теплоту от охлаждаемой части газа и отдает ее нагреваемой части. Таким образом, в отличие от цикла Карно, который осуществляется между двумя источниками теплоты, для регенеративных циклов необходим промежуточный источник, аккумулирующий теплоту, т.е. такой цикл работает по трехуровневой схеме.

Практически представляется возможным отнятую от газа теплоту не выводить, а оставлять в цикле. Таким образом, эта теплота будет постоянно циркулировать в цикле [Б6,

с.90].

Важным фактом является то, что регенеративный цикл (РТЦ) принципиально отличен от цикла Карно тем, что он не требует внешнего холодильника. В настоящее время РТЦ используется только в качестве вспомогательного цикла внутри основного, но не используется самостоятельно. Хотя согласно методу циклов, циклы обладают аддитивными свойствами: их можно складывать друг с другом и вычитать один из другого. Но между тем на РТЦ фактически наложена «анафема» на самостоятельное использование.

Итак регенеративный цикл представляет собою трехуровневую схему преобразования энергии (Басов-Прохоров, 1955 г.) [Н1, с. 29-32].

После открытия в физике автоколебательных процессов стало окончательно ясно, что

вприроде существует два типа преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию (спонтанное и вынужденное):

(= – схема): Двухуровневая схема (цикл Карно (Принцип теплового двигателя)), использующая внешний приемник энергии (холодильник) [К1]. Процесс является

спонтанным, Æ = Q1 – Qo, ηТ = 1 – Тo/Т1.

(≡ – схема): Трѐхуровневая схема (Принцип автоколебаний или квантовой генерации), использующая внутренний приемник энергии (резонатор и обратную связь) [Н1, с. 29-32]. Процесс – вынужденный: Æi = Qi. При этом КПДт: ηТ = 1.

3.5. Низкотемпературные (инвертированные) циклы Карно.

Авторитетный специалист по криологии проф. Архаров А.М, в своих трудах приводит Цикл холодильной машины (Æ + Q2 = Qo) и «холодного» двигателя Æ = Qo – Q2 [А4].

3.6. Схемы квантовых переходов в термодинамике.

Значительный вклад в развитие термодинамики внес А.Эйнштейн. В 1916 г. Эйнштейн отметил, что спонтанных процессов излучения и поглощения квантов света недостаточно для объяснения существования состояния термодинамического (динамического) равновесия между излучением и веществом, вводит понятие процесса вынужденного излучения. Введение принципа динамического равновесия между излучением и веществом, равносильно утверждению об отрицании принципа необратимости. Исходя из термодинамических представлений, Эйнштейн доказал, что вероятность вынужденных переходов, сопровождающихся излучением (∆S < 0), должна быть равна вероятности вынужденных переходов, сопровождающихся поглощением света (∆S > 0). Только таким образом, вынужденные переходы могут с равной вероятностью происходить как в одном, так