Аннотация: Показано, что создание альтернаторов (преобразователей, использующих свободную энергию магнитоупорядоченных тел и природных силовых полей), не противоречит общей теории неравновесных процессов переноса и преобразования энергии
Введение.
На сегодняшний день в мире насчитываются десятки работающих моделей энерго-установок, преобразующих энергию окружающей среды в электрическую, механическую и тепловую, и не менее сотни патентов на эту тему (см. статьи на сервере http://www.skif.vrn.ru). Наиболее типичными являются преобразователи, использующие в качестве рабочих тел постоянные магниты, плазму и плазмо-подобные среды, а также электрические контуры и разрядники. Такие преобразо-ватели называют часто "генераторами свободной энергии", "сверхединичными устройствами" (имея в виду КПД выше единицы), "генераторами избыточной мощности" и т.п. вплоть до употребления по отношению к ним термина "вечные двигатели". Поскольку физическое содержание всех этих терминов находится в вопиющем противоречии с законом сохранения энергии, будет правильным говорить об использовании в подобных установках неучтенных источников энер-гии, альтернативных не только обычному органическому и ядерному топливу, но и известным возобновляемым ее видам. Такие установки мы будем называть для краткости альтернаторами. Представляется важным рассмотреть вопрос о совместимости таких установок с законами термодинамики с позиций более общей теории неравновесных процессов переноса и преобразования энергии [1].
1. Элементы общей теории переноса и преобразования энергии
Еще до недавнего времени термодинамика (в особенности техническая) сохраняла все характерные черты более чем полуторастолетней давности теории тепловых машин с ее традиционным "багажом" в виде идеальных циклов и идеальных газов в качестве их рабочих тел. В соответствии с этим первое и второе начала термодинамики формулировались как принципы исключенного вечного двигателя 1-го и 2-го рода. Они носили характер запрета и исключали возможность создания тепловых машин, которые бы не имели соответственно источника тепла и теплоприемника, а при наличии того и другого - полностью превращали бы подведенное от источника тепло в работу. В отношении источ-ников упорядоченного движения таких ограничений не выдвигалось. Это естественным образом приводило к "сужению идеи о невозможности создания вечных двигателей 2-го рода до утверждения об исключительности свойств источников тепла [2]". Единственным методом в этой теории был предложенный еще С. Карно (1824) метод круговых процессов (циклов). Этот метод позволял абстрагироваться от свойств конкретных рабочих тел тепловых машин и находить совершаемую ими полезную работу по разности полученных и отданных в цикле теплот. Однако он был неприменим к открытым системам, а также к нетепловым и нециклическим машинам, и, кроме того ограничивался рассмотрением "обрати-мых" (квазистатических) процессов (при которых мощность приближается к нулю). Поэтому при попытках его применения к открытым системам, системам с отрица-тельными абсолютными температурами, с быстродвижущимися источниками тепла, установкам прямого преобразования энергии и машинам, получающим наряду с теплотой другие виды энергии, возникли серьезные трудности. Они были вызваны выходом за жесткие рамки применимости исходных концепций термоди-намики и привели некоторых исследователей к выводу о возможности нарушения (и даже "инверсии") ее принципов [3-5].
Между тем логика развития термодинамики и потребности новой техники потребовали введения в ее уравнения времени как физического параметра для учета кинетики реальных процессов. Это привело к возникновению термодина-мики неравновесных (необратимых) процессов (ТНП) [6]. К середине прошлого столетия ТНП сформировалась в самостоятельный и весьма общий макроскопи-ческий метод исследования кинетики разнообразных явлений переноса в их неразрывной связи с тепловой формой движения. Междисциплинарный характер этой теории, выразившийся в сближении термодинамики с теорией тепло-массо-обмена, гидродинамикой, электродинамикой и механикой сплошных сред, а также ее успехи в объяснении явлений, казавшихся странными с позиций классической термодинамики, выдвинули ее в число магистральных направлений развития современного естествознания.
Изучение необратимых процессов привело к отчетливому пониманию того, что свойства неравновесных систем принципиально отличаются от равновесных. Так, при протекании нестатических процессов возникают побочные эффекты (термомеханические, термохимические, термоэлектрические, термомагнитные и т.п.), обусловленные преодолением сил иной физической природы, чем та, которая вызвала данный процесс. Это означает, что процессы переноса неразрывно связаны с процессами ее превращения в другие формы (в том числе и тепловую), причем характер этих процессов зависит от природы преодолева-емых сил и от скорости процесса. Это обстоятельство послужило основой для дальнейшего обобщения ТНП сначала на нестатические процессы преобразова-ния энергии в нециклических тепловых машинах (включая установки прямого преобразования теплоты) [1], а затем - на процессы переноса и преобразования любых форм энергии в любых (в том числе нетепловых) машинах [7 ].
В методологическом отношении построение термокинетики отличается от классической термодинамики (термостатики) прежде всего отказом от идеали-зации процессов и систем, отраженной в понятиях "равновесный", "обратимый", "квазистатический", "идеальный" и т.д., а также от гипотез и постулатов статисти-ческой природы, лежащих в основании ТНП. Это позволило сохранить в термоки-нетике основное достоинство термодинамического метода - непреложную справедливость его следствий.
Объектом исследования термокинетики являются открытые пространст-вен-но неоднородные системы с произвольным (хотя и конечным) числом степеней свободы, рассматриваемые как единое неравновесное целое. В таких системах наряду со стационарными процессами теплопроводности, электропроводности, диффузии и т.п., рассматриваемыми в ТНП, протекают нестационарные процессы релаксации (выравнивания температур, напряжений, концентраций и т.п.) или, напротив, аккумулирования энергии в процессе совершения над ней полезной внешней работы. Эти процессы приводят к перераспределению экстенсивных термостатических параметров системы (энтропии, массы k-го вещества, заряда, импульса компонента и т.п.) по ее объему. Такое перераспределение приводит к смещению положения центра величины (его радиус-вектора и к возникновению некоторого "момента распределения" таких величин. Эти параметры, названные нами векторами смещения (энтропии, вещества, заряда, импульса и т.п.), обоб-щают понятие вектора электрического смещения, введенное Максвеллом, на процессы иной физической природы. Они характеризуют отклонение системы в целом от равновесия вследствие ее пространственной неоднородности и могут быть найдены по известному распределению плотности упомянутых выше термо-статических переменных.К их числу можно отнести также векторы поляризации и намагничивания, поскольку они также зависят от плеча электрического или магнитного диполя.
С учетом этих дополнительных переменных удается получить термодинами-ческое тождество, остающееся справедливым во всем диапазоне реальных процессов - от квазиобратимых до предельно необратимых. Это тож-де-ство делит процессы в неоднородных системах на две категории. Первые описывают про-цесс-ы переноса энергии (без изменения ее формы). Они характеризуются равно-мерным изменением плотности любых термостатических параметровво всех частях системы и напоми-нают равномерное выпадение осадков на неровную (в общем случае) поверх-ность. Другую категорию составляют процессы, которые вызывают лишь пере-распределение термостатических параметров по объему системыи напоминают перетекание жидкости из одной части сосуда в другую. Такие изменения состо-яния характерны для процессов релаксации или совершения над системой (или ею) полезной работы.
Введение в термодинамику неравновесных систем параметров, характе-ризующих положение термостатических переменных, позволило естественным образом ввести в ее уравнения понятия потока как производной по времени от координат центров этих переменных и понятие термодинамической силы как производной от энергии системы по этим координатам. Тем самым термодина-мическая сила приобрела в термокинетике простой и ясный смысл силы в ее обычном (ньютоновском) понимании. Единая размерность этих сил позволила находить их результирующую, что в свою очередь привело к упрощению законов переноса и к возможности учесть в них "пороговое" значение термодинамической силы, с которого начинается данный процесс.
Введение понятия обобщенной скорости процесса позволил учесть в уравнениях термодинамики время как физический параметр и описать в ее рамках кинетику процессов не только переноса, но и преобразования энергии. Учет кинетики процессов преобразования энергии позволил дополнить классическую теорию тепловых машин анализом взаимосвязи их мощности и экономичности и выявить существо-вание режимов с максимальным КПД, принимаемых обычно за номинальные [9]. Кроме того, удалось показать единство общих закономерностей процессов преоб-разования любых форм энергии и на этой основе предложить теорию подобия энергопреобразующих систем [8].
--
2. Универсальность второго начала термодинамики
Термокинетика, построенная на собственной понятийной и концептуальной основе, позволило рассматривать классическую термодинамику (термостатику) как частный случай неравновесной термодинамики при пренебрежимо малой скорости процессов и диссипации энергии. Из ее основного тождества непосред-ственно следует, что совершать полезную работу могут только пространственно неоднородные системы. Это положение обобщает принцип исключенного вечного двигателя 2-го рода классической термодинамики, одна из формулировок которо-го (данная еще С. Карно), гласит: "Повсюду, где имеется разность температур, может возникнуть и живая сила" (т.е. в современном понимании способность совершать полезную работу). Таким образом, с позиций термокинетики запрет классической термодинамики на использование тепла окружающей среды (в частности, мирового океана) в предположении его термической однородности не выглядит ошибочным. Иное дело, если рассматривать мировой океан как терми-чески неоднородную среду с различной температурой его поверхностных и глу-бин-ных слоев. Тогда использование его как практически неисчерпаемого и возобновляемого источника тепловой энергии нисколько не противоречит термодинамике, и, как известно, уже нашло практическое применение. Далее, из термокинетики следует, что совершение полезной работы всегда связано с переносом какого-либо энергоносителя (вещества, заряда, энтропии и т.п.) в данном случае физической величины ?i ) в поле каких-либо сил. Это означает, что в неоднородной системе, способной к совершению работы, всегда можно отыскать части, откуда поток энергоносителя исходит, и части, куда он входит. Это положение также обобщает второе начало термодинамики для тепловых машин, согласно которому рабочее тело тепловой машин непременно должно контактировать с источником тепла (точнее, энтропии), и с его приемником (т.е. с горячим и холодным источниками). Роль таких подсистем, выполняющих функции источника и приемника, могут выполнять различные области одного и того же тела, его компоненты, разноименные полюса диполей, электроны и "дырки" в полупроводниках, положительные и отрицательные ионы в плазме, противопо-ложно ориентированные спины ядер и атомов, вращающиеся в противоположные стороны частицы жидкости ("моли"), обладающие моментом инерции и т.п. - лишь бы они только противоположным образом изменяли свои свойства в процессе взаимодействия. В единстве этого положения для любых форм энергии и состоит универсальность второго начала термодинамики.
Вместе с тем термокинетика позволила уточнить и дополнить второе начало классической термодинамики. Согласно ей, не только КПД, но и сама преобразо-ван-ная форма энергии зависит от того, какие силы и в каком их соотношении пре-о---до-леваются в этом процессе (т.е. от его траектории в пространстве событий). Далее, согласно ей, пространственная неоднородность (наличие термодинами-ческих сил)является лишь необходимым, но еще не достаточным условием возникновения потоков энергоносителя. Необходимо, чтобы хотя бы одна из действующих в системе сил превысила свое "пороговое" значение. Такой "энер-гетический барьер" существует, вообще говоря, не только для тел, находящихся во внешних силовых полях (где силымогут быть отличны от нуля даже в стацио-нарном состоянии), но и для всех форм энергии. Так, для начала механического движения тел необходимо преодолеть "трение покоя", выражающееся, в частно-сти, в том, что скольжение тела по наклонной плоскости начинается лишь с определенных углов наклона. Для тепловой формы энергии это проявляется в необходимости создания определенного перегрева или переохлаждения одной из фаз для начала процесса фазового перехода. В отсутствие центров парообра-зования, конденсации или кристаллизации эта величина может стать весьма ощутимой. Для осуществления ряда химических и биохимических процессов необходимо введение катализаторов или ферментов, позволяющих снизить "энергию активации", необходимую для преодоления этого барьера. Для осущест-вления самопроизвольной реакции деления тяжелых ядер необходимо, как известно, введение достаточного количества быстрых нейтронов; для термоя-дерных реакций - повышение температуры до уровня в десятки миллионов градусов и т.д. Это обстоятельство выходит за рамки упомянутой выше формулировки 2-го начала, что и обусловливает дополнительное требование отсутствияв системе равновесия. Классическая термодинамика определяет равновесие как состояние, характеризующееся прекращением каких бы то ни было макропроцессов (и, следовательно, постоянством всех параметров системы). Однако последующее изучение стационарных необратимых процессов выявило недостаточную общность этого понятия и необходимость различения полного и частичного, внешнего и внутреннего, стабильного и лабильного, термического и механического, химического и электрического, осмотического и т.п. равновесия. Известны также состояния так называемого "заторможенного равновесия", когда самопроизвольные процессы замедленны ввиду отсутствия катализаторов, ферментов, зародышей новой фазы и т. п. Таким образом, равновесие практически никогда не бывает полным (истинным). В соответствии с опытом, по достижении частичного равновесия система может сколь угодно долго оставаться в неизменном состоянии, пока не будет совершено внешнее действие, позволяющее преодолеть так называемый "энергетический барьер". Поэтому обобщенная формулировка второго начала, даваемая термокинетикой, гласит: "Повсюду, где имеется пространственная неоднородность и при этом отсут-ствует равновесие, возможно полезное преобразование энергии". Наглядным примером необходимости пространственной неоднородности могут служить экзотермические реакции, проводимые сначала в гомогенных средах, а затем - в гальванических или топливных элементах, где электроды и химические реакции на них разнесены в пространстве. В первом случае реакции протекают термоди-намически необратимо, и их химическое сродство (максимальная работа) реалии-зуется в форме тепла. Во втором случае они близки к обратимым и сопровожда-ются, как известно, совершением полезной внешней работы с соответствующим уменьшением количества тепла, отдаваемого во внешнюю среду. Отсюда следует, что при поиске инженерных решений следует обратить пристальное внимание на искусственное создание пространственной неоднород-ности в рабочих телах альтернаторов, достаточной для преодоления "энергети-ческого барьера". Это можно осуществить, например, организацией колебатель-ного процесса с применением резонанса для увеличения амплитуды смещения термостатических параметров.
3. Возможность извлечения свободной энергии из окружающей среды
Как мы выяснили ранее, любые системы могут совершать полезную работу в меру своей пространственной неоднородности. Следовательно, всегда желательно знать эту меру или хотя бы ее изменение в каком-либо процессе. Это может быть сделано с помощью параметров пространственной неоднородности - термодина-ми-ческих сили сопряженных с ними векторов смещения. В общем случае совер-шение полезной или диссиативной работы сопровождается убылью специфи-ческой функции неравновесного состояния, которая по аналогии с энергией Гиббса может быть названа свободной энергией неоднородной системы или для краткости ее инергией (см. Статью "Энергия и анергия" на нашем сайте). Эта функция определяет максимальную полезную внешнюю работу, которую может совершить система до достижения в ней полного внутреннего равновесия. Остальную (равновесную, непревратимую) часть внутренней энергии системы иногда называют анергией. Наличие свободной энергии имеет принципиальное значение при выяснении самой возможности "извлечения" ее из рабочих тел или окружающей их среды. Немаловажно и знание ее величины для оценки реальных "запасов" свободной энергии. Эту энергию часто оценивают, исходя из принципа эквивалентности массы и энергии, упуская из вида, что внутренняя энергия включает в себя и анергию (в действительности убыль свободной энергии в каком-либо процессе определяется дефектом массы в нем и может быть на несколько порядков меньше).
Понимание того обстоятельства, что практически все стационарные состо-яния суть состояния частичного равновесия, заставляет нас внимательнее отнестись к потенциальным источникам свободной энергии. Наглядным примером могут служить урановые руды, на которые не обращалось внимания до тех пор, пока не было открыто явление радиоактивности. Сейчас использование ядерной энергии кажется обыденным. Аналогичная ситуация возможна и с обычной водой. Ее поведение в установках так называемого "холодного термоядерного синтеза" или в "теплогенераторах" Ю. Потапова [11] показывает, что вода может находить-ся на еще более низком энергетическом уровне. Процессы, приводящие к "активации" воды и преодолению "энергетического барьера" в этих установках, изучены еще недостаточно, вследствие чего эксперименты плохо воспроизводи-мы. Однако ясно, что вода в них изменяет свое энергетическое состояние, о чем свидетельствует постепенное уменьшение количества "избыточного тепла", получаемого в упомянутых установках, вследствие постепенной утраты водой своих первоначальных свойств (в установках Ю. Потапова это происходит в течение примерно трех лет).
Большой интерес представляют также постоянные магниты. Способность их совершать полезную внешнюю работу (например, поднимать грузы) общеизвест-на. Вопрос, следовательно, состоит лишь в инженерных решениях, позволяющих использовать ее. Не случайно наибольшее число проектов и действующих моде-лей альтернаторов имеют в своем составе постоянные магниты. Магнетизм веществ обусловлен в основном, как известно, спиновыми магнитными момен-та-ми их электронов, а также движением электронов в оболочках атомов. Эту энер-гию следовало бы отнести к "атомной", в отличие от тепловой (в основном межмо-лекулярной), электрохимической (в основном внутримолекулярной) и ядерной. Представляется удивительным, что, проникнув "вглубь материи" в поисках источ-ников свободной энергии до ядерной энергии, человечество "проскочило" собственно атомную энергию!
Об отсутствии в телах "атомного" равновесия свидетельствует сам факт самопроизвольного перехода электронов на нижележащий разрешенный уровень, сопровождающийся излучением энергии. Естественно, это сказывается и на величине намагниченности тел, которая, таким образом должна уменьшаться в процессе совершения работы. Однако это обстоятельство, насколько нам известно, не подтверждается экспериментально. Причиной может быть либо огромный "запас" магнитной энергии (что маловероятно), либо "подпитка" постоянных магнитов за счет окружающей среды. Известно, что даже слабые внешние поля могут вызвать в магнетиках с доменной структурой сильную намагниченность. Это связано с тем, что переориентация доменов с сильными локальными полями требует сравнительно мало энергии. Поэтому не исключено, что внешнее магнитное поле играет лишь роль источника "энергии активации". Во всяком случае, то обстоятельство, что магнитоупорядоченные рабочие тела ряда альтернаторов (например, конвертора В. Рощина и С. Година, развивающего мощность до 7 КВт без потребления какого-либо топлива) [12], сохраняют при этом стационарное состояние, свидетельствует о непрерывной "подпитке" их энергией со стороны окружающей среды. Об участии окружающей среды в этом процессе свидетельствуют кольцевые зоны пониженной температуры и напряжен-ности магнитного поля, зафиксированные в воздухе вокруг установки В. Рощина и С. Година. Согласно термокинетике, это может происходить вследствие участия в этом процессе всех других термодинамических сил. В этой связи следует коснуть-ся вопроса об использования свободной энергии окружающей среды (атмосферы, гидросферы, литосферы, естественных силовых полей и т.п.). Большая часть ее ресурсов уже используется, поэтому в качестве альтернативных видов рассматри-вается свободная энергия известных природных силовых полей (электрического, магнитного и гравитационного). Эти поля рассматриваются в настоящее время как возбужденные состояния физического вакуума, который присутствует повсемест-но и потому является, вообще говоря, одним из непременных компонентов любой системы. Наличие у этих полей свободной энергии не вызывает сомнений ввиду отличия от нуля их напряженностей, т.е. термодинамических сил. Что же касается ее количества, то оно практически неограниченно ввиду бесконечности объема Вселенной. Вполне возможно, что к числу таких полей будут отнесены и так называемые "торсионные" поля (поля кручения), после того как будут найдены измеримые параметры, характеризующие их напряженность. На сегодняшний день не существует единого подхода к объяснению природы свободной энергии окружающей среды и механизмов ее превращения в электромагнитную или механическую энергию. В качестве одной из концепций рассматриваются гипотеза нулевых колебаний физического вакуума [13]. Другая концепция основана на идее существования во Вселенной "конденсата электронов" типа куперовских пар с отличной от нуля плотностью. Предполагается, что спаренные электроны взаимо-дей-ствуют со спинами и с магнитным полем векторного потенциала [14]. Еще одна концепция связана с существованием в физическом вакууме еще одного, торсион-ного поля (поля сил инерции), обусловленного неоднородным распределением плотности углового момента вращения в нем гипотетических вихревых структур -инерционов [11].
Возможен еще один из механизмов, обеспечивающих "подпитку" спиновых систем постоянных магнитов или электромагнитов. Известно, что в магнитоупря-доченных средах (ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках) спины атомов и связанные с ними магнитные моменты при отсутствии возмуще-ния (возбуждения) строго упорядочены. При действии же на магнитные диполи некоторого крутящего момента оси вращения электронов и ядерных частиц отклоняются от направления внешнего магнитного поля, и спины начинают синфазно прецессировать вокруг направления с одинаковой угловой скоростью. Такая прецессия называется однородной. В состоянии возбуждения спины, как известно, отклоняются от состояния равновесия, а их прецессия становится неоднородной. Вследствие этого возникают волны нарушения спинового порядка, называемые спиновыми волнами [15]. Не исключено, что именно эти волны передают из окружающей среды энергию, необходимую для восполнения потерь постоянных магнитов в процессе совершения ими работы. Это объясняет обнару-женную во многих экспериментах решающую роль резонанса в достижении в альтернаторах эффекта "избыточной мощности" или самоподдерживающегося вращения.
В заключение хочется сказать, что в настоящее время имеются достаточные основания для поиска технических решений по созданию преобразователей ново-го поколения, использующих практически неисчерпаемую энергию окружающей нас среды.
Источники информации
1.Эткин В.А. Термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. - Саратов: СГУ, 1991.- 168 с.
2.Гухман А.А. Об основаниях термодинамики. М.: Энергоатомиздат,1986.
3.Ramsey N.F. Thermodynamics and statistical physics at negative absolute temperatures. // Phys. Rev., 103, N1 (1956).
4.Мёллер Х. Релятивистская термодинамика (странный случай из истории физики. // Эйнштейновский сборник 1969-1970 гг., М.: Наука, 1970, с.11.