Document 4066885

АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ГОРОДА ДОЛГОПРУДНОГО
ЛИЦЕЙ №11 «ФИЗТЕХ»
XI научно-практическая конференция
Старт в инновации
КОЛЬЦАР ЛАЗАРЕВА
Авторы работы:
Пьянков Семен, Мишин Денис
9
класс
Научный руководитель: Мишин Андрей Владиславович
2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
1. Введение и история
3
2. Описание установки
4
3. Исследование. Функционирование кольцара Лазарева
5
3.1Фаза первая (фаза запуска)
5
3.2Фаза вторая (рабочая)
7
3.3Факторы, мешающие стабильности работы
кольцара
12
3.4Массоперенос в газовой фазе
13
4. Заключение. Объяснения других исследователей и их
опровержение
16
5. Список литературы
19
6. Приложения
2
«Практика - критерий истины»
К.Маркс
«Абстрактной истины нет, истина всегда конкретна»
Г. Гегель
1. Введение и история.
В начале 70-х годов прошлого века на страницах журнала «Химия и Жизнь»
появилась статья о якобы действующей модели вечного двигателя 2-го рода (автор —
В.Жвирблис) — так называемом «кольцаре Лазарева», названного так по фамилии
запатентовавшего его конструкцию изобретателя.
Позднее, в 1997 г. в журнале «Юный Техник» была опубликована статья В.
Лихачёва «Как построить вечный двигатель своими руками» [4], в которой тоже
описывается эта конструкция.
Есть легенда, что подобную модель создал когда-то великий русский изобретатель
И. Кулибин, но подтверждений этому нет.
Заинтересовавшись этим устройством, мы решили выяснить принципы его работы.
Но столкнулись с проблемой — ни в литературе, ни в сети интернет научных объяснений
этому феномену нам найти не удалось. Все объяснения, которые мы нашли, сводились к
утверждению, что кольцар Лазарева является вечным двигателем 2-го рода (подробно мы
эти объяснения рассмотрим в конце нашей работы).
Удивившись тому факту, что человечество проигнорировало факт создания
«вечного двигателя», мы решили выяснить истинные причины работы кольцара.
Областью исследования в данной работе является изучение принципов действия
фонтана Кулибина (кольцара Лазарева), зависимости скорости работы этого прибора от
материала мембраны, от изменений температуры.
Целью данной работы является исследование и попытка дать объяснение работе
кольцара Лазарева с точки зрения современных знаний о термодинамике.
Для достижения намеченной цели необходимо было решить ряд задач:
·
1.Изучить имеющуюся литературу по данному вопросу.
·
2.Построить и изучить действующую модель устройства.
·
3.Проверить влияние различных начальных условий на работу кольцара.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы:
·
1.Анализ действия кольцара Лазарева (с привлечением к обсуждению
научного руководителя).
·
2.Создание модели – образца кольцара Лазарева.
·
3.Анализ данных, полученных в результате измерений.
3
2. Описание установки
Классическая модель кольцара представляет собой герметичный сосуд, в середине
которого находится пористая мембрана (керамика, дерево). Мембрана как бы «делит»
сосуд на две камеры: верхнюю и нижнюю. В обеих камерах находится жидкость; через
мембрану проходит трубочка, нижним своим концом находящаяся в жидкости нижней
камеры, а верхний конец трубочки загнут и находится в верхней камере выше уровня
жидкости.
Рис.1
Кольцар Лазарева: 1 – мембрана, 2 – жидкость в верхней и нижней
камерах, 3 – трубочка (капилляр).
В некоторых моделях для исследования свойств установки мы использовали
трубочку, которая шла снаружи – так легче наблюдать за уровнем жидкости в ней.
В наших установках будут некоторые другие нюансы, но их мы разберём по мере
появления и возрастания их важности. Перейдём теперь непосредственно к работе
кольцара.
4
3. Исследование. Функционирование кольцара Лазарева.
В ходе исследования мы сделали вывод, что функционирование кольцара следует
разделить на две фазы: фаза запуска и рабочая фаза. Они принципиально разные, поэтому
рассказ разделим на две части.
3.1. Фаза первая (фаза запуска).
Своё исследование мы начали с изучения свойств компонентов кольцара.
Капиллярные эффекты.
Одна из главных составляющих кольцара – пористая мембрана, состоящая из
множества капилляров. Рассмотрим, какие капиллярные явления проявляются в нашей
установке.
Многие видели, что в тоненькой трубочке, погружённой одним концом в воду, уровень
становится чуть выше, чем уровень окружающей её жидкости, а форма поверхности
жидкости внутри трубки – вогнутая. Но так будет не с любой трубочкой, в некоторых всё
будет с точностью до наоборот. То, как себя поведёт жидкость, зависит от свойств
материала, с которым она контактирует.
В первом случае молекулы жидкости сильнее притягиваются к стенкам трубочки,
чем к другим молекулам этой жидкости, образуя столб жидкости с вогнутой
поверхностью - вогнутый мениск (форма поверхности жидкости у отверстия трубочки).
Жидкость начнет подниматься вверх по стенке трубочки, при этом сила поверхностного
натяжения подтягивает соседние молекулы из жидкости, Но у любой жидкости есть сила
поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить площадь поверхности, и эта сила
будет чуть-чуть приподнимать молекулы жидкости, не контактирующие со стенками.
Во втором же случае, молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем
к стенкам, и начинают действовать те же эффекты, только в другом направлении.
Но в деревянной мембране нет трубочек, есть только волокна дерева и
пространства между ними, т. е. как раз не трубочки, а «палочки» (“анти-трубочки»),
5
соприкасающиеся между собой. Рассмотрим, как себя будет вести такая система:
поместим в жидкость два смачиваемых цилиндрических тела, и приблизим их друг к
другу.
Мы замечаем, что уровень жидкости в месте соприкосновения достаточно сильно
увеличивается (между волокнами дерева поднимается «столб» жидкости). Это значит, что
мембрана, имеющая волокнистую структуру (фитиль), ведет себя примерно так же, как
смачиваемые капилляры. (Аналогичный эффект можно наблюдать и с сыпучими телами, и
с пористыми).
Посмотрим, как высоко сможет в себя втянуть воду обычная салфетка, являющаяся
смачиваемой волокнистой структурой.
Как мы видим, уровень поднялся достаточно сильно, значит, есть сила, которая
заставила воду подняться, вопреки действию силы притяжения. И сила эта весьма велика!
Назовём её капиллярной силой. Как только вся салфетка пропитается жидкостью,
поступление новых порций жидкости прекратится.
Но если есть сила, всасывающая воду в капилляр, может быть, она будет
удерживать её там постоянно? Поднимем пропитанную салфетку, чтобы она не
соприкасалась с поверхностью жидкости. С салфетки не капает! Значит, капиллярные
силы способны удержать жидкость внутри салфетки.
Сможем ли мы извлечь из капилляров впитавшуюся в салфетку жидкость?
Проведём следующий опыт: возьмем 2 стакана; один полностью наполним
жидкостью, второй оставим пустым. Опустим салфетку так, чтобы один её конец был в
пустом стакане, а второй – погружён в воду в полном стакане. Жидкость из полного
стакана начнет всасываться в салфетку. Как только салфетка полностью пропитается
жидкостью, с неё (с салфетки) начнёт капать в пустой стакан! Капѐль будет продолжаться,
пока уровни воды в стаканах не сравняются.
Из этого опыта мы видим, что воду извлечь из капилляра можно, необходимо
лишь, чтобы он был полностью насыщен водой, и сверх того мы должны придать
небольшое избыточное давление жидкости. (В нашем случае это давление образовано
разностью уровней жидкости в двух стаканах: была разность уровней — жидкость
перетекала, не стало разности уровней — уровни сравнялись, жидкость перестала
перетекать).
Соотнесём то, что мы выяснили в ходе этих опытов, с тем, что происходит в
кольцаре.
Изначально у нас есть сухая (!) смачиваемая жидкостью мембрана; две камеры,
одна часть каждой камеры заполнена жидкостью, а другая часть – атмосферным газом.
Обозначим объем газовой части верхней камеры как V1, а нижней – V2, и давления газа
P1 и P2 соответственно.
Первоначально давления P1 и P2 равны (например, атмосферному давлению).
Мембрана начинает всасывать в себя жидкость из верхней камеры. Уровень жидкости в
верхней камере падает. Объем газа в верхней камере соответственно увеличивается,
давление падает.
6
Жидкость заполняет полости нашей перегородки, вытесняя воздух оттуда в
нижнюю камеру. Тем самым всасывание жидкости повышает давление в нижней камере.
Таким образом, возникает разность давлений, выталкивающая жидкость из нижней
камеры в трубочку. Но рано или поздно длина трубочки кончится, и, если разность
давлений при всасывании превысит rgh, с верхней части трубочки начнётся капѐль.
В предыдущих опытах мы убедились, что капиллярная сила достаточно велика, и
мембрана в любом случае пропитается жидкостью полностью. Продемонстрируем
процесс запуска кольцара.
Однако, разности давлений, создаваемой мембраной, может не хватить для
поднятия уровня жидкости до необходимой нам высоты - спросите вы.
Действительно, это так. Поэтому мы решили выяснить, какой объём должны
занимать полости в мембране, чтобы нам заведомо хватило разности давлений для запуска
кольцара.
Пусть в нашем кольцаре необходимо поднять жидкость на 10 см (rgh~1% от
атмосферного давления). (Процесс происходит при постоянной температуре, то есть
подчиняется формуле PV=const).
Тогда, чтобы изменить давление на один процент нам нужно будет на один
процент поменять любой из объёмов (этого нам заведомо хватит) то есть объём полостей
в мембране должен быть не меньше, чем 1% от меньшего из объемов V1 или V2 для
гарантированного запуска. (Это достаточное условие, и даже слегка избыточное)
Более точные расчёты нам не требуются. В реальных моделях кольцаров объём
мембраны составляет от 20% до 40% от минимального объёма газа в каждой из камер. Вся
вода, вытесненная из-за избытка объёма полостей мембраны, будет просто перекачана
через трубочку в верхнюю камеру. Тут важно лишь, чтобы вода в нижней камере не
закончилась до того, как пропитается мембрана, ибо массопереноса у нас пока что нет.
В нашей модели используется не деревянная мембрана, а фитиль из салфетки.
Деревянная мембрана может пропитываться жидкостью до 3-4 недель, в то время как
фитиль переходит в рабочую фазу в среднем через полчаса – час после начала
эксперимента с ним.
3.2. Фаза вторая (рабочая).
Итак, кольцар запущен. Под этими словами мы будем подразумевать, что вся
мембрана уже пропитана жидкостью, разность давлений P1 и P2 установилась на уровне
rgh, и уровень жидкости в трубочке остановился возле ее верхнего края. Капѐль, о
которой мы вели речь ранее, на стадии запуска, прекратилась, дальнейшего впитывания
жидкости в мембрану не происходит (мембрана уже наполнена жидкостью).
Соответственно изменения в V1 и V2 больше не происходят. Вроде бы жидкость
готова капнуть, но как только начинает расти капля, это приводит к таким изменениям V1
и V2, что меняются и давления P1 и P2, заталкивая капельку обратно.
Очевидно, что в этой точке разность давлений P1 и P2 максимальна (уровень в
трубочке больше вырасти не может, h = max).
7
Условимся такую разность давлений P1 и P2 в дальнейшем называть «рабочий
уровень» (по уровню жидкости в трубочке.)
Теперь найдём минимально возможное значение разности давлений.
Проведём такой опыт: в запущенном кольцаре уровняем давления верхней и
нижней камер (скажем, нарушив герметичность обеих). Уровень жидкости в трубочке
достаточно быстро сравняется с уровнем жидкости в нижней камере.
Теперь снова восстановим герметичность камер. Поскольку на мембрану сверху
давит столб жидкости верхней камеры, и это давление не уравновешено повышенным
давлением газа снизу мембраны, жидкость начинает вытекать из мембраны
С фитиля сразу видна капѐль (так как он не касается стенок), уровень в трубочке
начинает медленно ползти вверх. (В том случае, если мембрана вплотную прилегает к
стенкам камеры — мы видим, как жидкость тончайшим слоем по стенкам камеры
начинает стекать вниз.)
Уровень жидкости в трубочке начинает подниматься.
Капѐль будет продолжаться до тех пор, пока вода в трубке не поднимется до
некоторого уровня, затем этот процесс прекратится.
Рассмотрим этот уровень более внимательно.
Заметим, что разность уровней в трубочке и в нижней камере в точности равна
высоте жидкости в верхней камере + высоте мембраны.
Объясняется это тем, что на нижнюю камеру сверху давит столб жидкости, равный
сумме высот мембраны и жидкости верхней камеры, плюс давление газа верхней камеры
P1. На жидкость в трубочке давит газ из верхней камеры давлением P1. Именно
уравновешивая эту разность давлений, уровень жидкости в трубочке и поднялся до
8
данной точки. Снова возникла разность давлений P1 и P2 — равная rgh0 (где h0 – это
вышеописанный уровень жидкости в трубочке).
Условимся в дальнейшем называть такую разность давлений P1 и P2 - «нулевой
уровень»
Мы видим, что падение уровня жидкости в трубочке ниже h0 приводит к капѐли с
мембраны в нижней камере, если же разность давлений позволит ему подняться выше
рабочего уровня, начнётся капѐль в верхней камере. Пока уровень жидкости в трубочке
находится между этими двумя точками, капели не будет ни сверху, ни снизу.
Но что же заставляет колебаться уровни?
Рассмотрим закон Менделеева-Клапейрона для наших газов: P*V/T=const.
Видим, что изменение одного из параметров влечёт за собой изменение двух
других. Покажем это.
По условиям устройства кольцара, выполняется условие:
V1+V2=const.
Это следует из следующего рассуждения: конструкция кольцара жёсткая, т. е. его
общий объем постоянен, а общий объем состоит из объема жидкости в двух камерах
(жидкость несжимаемая, ее объем постоянен), объема мембраны (постоянен), и суммы
объемов газов V1 и V2.
Для простоты вычислений примем, что в момент запуска кольцара, еще при
одинаковых P1 и P2 (равных атмосферному давлению), первоначальные объемы газов в
камерах были равны. Т.е. в газовой фазе в обеих камерах находилось одинаковое
количество вещества.
9
(Константы в уравнении Менделеева-Клапейрона P*V/T=const будут одинаковы для
газов в обеих камерах, а это значит, что оба газа будут находиться на одной изотерме).
То есть, будет соблюдаться равенство:
P1*V1=P2*V2.
Построим изотерму идеального газа для температуры T1.
Чуть нагреем кольцар, возьмём новую изотерму – она будет более крутой, чем
первая (так как при большей температуре и объём и давление будут чуть больше), и будет
находиться чуть выше первой изотермы. Примем, что разность между нулевым и рабочим
уровнем невелика (h0 и h отличаются незначительно).
В начале работы у нас была разница давлений rgh, отметим две точки на
«холодной» изотерме для наших давлений. В отмеченных нами точках разность P1 и P2
(расстояние по вертикали между ними) будет соответствовать нашему рабочему
уровню h.
Теперь проведём прямую через точку (V1+V2)/2. Это будет такая прямая,
относительно которой объёмы V1 и V2 будут меняться только разнонаправленно и
симметрично друг другу (так как сумма объёмов постоянна).
Теперь перенесём наши точки с нижней изотермы на верхнюю, не изменяя объёмов
(мы синхронно нагрели обе камеры кольцара).
Посмотрим, что стало с разностью давлений – она увеличится (так как крутизна
гиперболы на этом отрезке при нагревании увеличивается)!
Если она возрастёт до значения, большего rgh, у нас начнётся капѐль сверху. Тогда
уменьшается верхний объём газов, а нижний растёт симметрично относительно прямой
V=(V1+V2)/2.
10
Теперь охладим кольцар до прежней температуры. Значения новых объемов (из
предыдущего опыта с нагреванием) так же перенесём вниз без изменений на холодную
изотерму и увидим, что разность давлений уменьшилась.
Если разность давлений упадет ниже rgh0, это приведёт к капѐли снизу. Вода
перетекает из верхней части в нижнюю, объём газов сверху растёт, а снизу – падает.
Таким образом, объемы газов в камерах изменяются на одинаковую величину, но
разнонаправленно (вспомним про нашу ось симметрии изменений объёмов).
Проверим то, что мы только что описали: создадим два кольцара с разными
отношениями объемов V1 и V2. Исследуем их поведение при нагревании и охлаждении
(после процесса запуска).
Поведение этих двух кольцаров совершенно разное, и не совсем полно
описывается нашими предыдущими рассуждениями с гиперболами.
Поведение у них следующее: при охлаждении — один из них (V1>V2) сначала
показал капѐль сверху, затем — капѐль снизу.
Другой (V1<V2) — повел себя совершенно иначе — при охлаждении сначала
показал капѐль снизу, затем сверху.
При нагревании мы наблюдаем противоположные поведения кольцаров.
Но что удивительно — и тот и другой при изменении температуры показали
последовательно капѐль и сверху, и снизу!!! (при проведении этого опыта надо набраться
терпения — т. к. смена направления капели происходит спустя продолжительное время, и
мы далеко не сразу заметили такое их поведение)
При исследовании нами ранее изотерм такого поведения не предвиделось!! Однако
опыт показывал нам именно это. Этот интересный факт мы объясняем следующими
рассуждениями. В камере, содержащей меньший объем газа, находится бóльший объем
жидкости. Эта жидкость работает своеобразным «маховиком», препятствующим резкому
изменению температуры соприкасающегося с ним газа.
Таким образом, в одной из камер у нас происходит запаздывание в изменении
температуры газа.
11
Вернемся к уравнению состояния идеального газа P*V/T=const.
Произведем серию расчетов, показывающих изменения объемов V1 и V2 при
изменении температуры на dT (соблюдая условия V1+V2=const и P2=P1+rgh).
(Взяв какие-либо начальные значения P, V, T, rgh и dT, мы можем посчитать конечные
значения V1 и V2, т. е. оценить направление капели и количество выпавших капель.)
Расчеты показывают и объясняют поведение наших кольцаров при
СИНХРОННОМ изменении температур в камерах. И расчеты предсказывают изменение
объемов (то есть количество выпавших капель) гораздо мѐньшие, чем мы видим на опыте.
Более того, они не предполагают возникновения капѐли с обеих сторон!
Но давайте проведем эти же расчеты не для синхронного изменения температуры, а
для несинхронного, с запаздыванием в одной из камер.
Т. е. произведем два расчета:
1) при нагреве на dT нижней камеры при условии неизменности T в верхней
камере;
2) при изменении на эту же dT в верхней камере при условии, что в нижней она
уже больше не меняется.
Т.е. камеры кольцара нагрелись на dT не синхронно, а друг за другом.
Запаздывания в изменении температуры будут больше у той камеры, которая
содержит БОЛЬШЕЕ количество жидкости (в нашей конструкции эта же камера содержит
МЕНЬШИЙ объем газа, это вызвано удобством в изготовлении).
Величину dT примем чрезвычайно малой, например 0,1 К.
Расчеты вполне согласуются с опытом ̶ видимо, наши рассуждения верны. И эти
расчеты объясняют противоположную работу двух наших кольцаров (из-за разного
соотношения V1 и V2 в них)
12
Обеспечить такой маленький разброс температуры (0,1 К) по всему объему кольцара
сможет далеко не всякий лабораторный термостат, что может объяснить факт работы
кольцара в термостате.
Таким образом, состояния наших газов в камерах действительно из своих
начальных точек А1 и В1 на первой изотерме придут в свои конечные точки А2 и В2 на
конечной изотерме, но придут разными путями (и совсем не кратчайшими, которые мы
показывали на рисунке 2); их путь будет зависеть от величины запаздывания изменения
температуры. (Следует учесть, что внутри этого пути эти точки будут лежать не на одной
и той же изотерме, т. к. у них будут отличаться температуры. Но, придя в свои конечные
точки, они опять лягут на одну и ту же изотерму, как и в начале пути).
13
3.3. Факторы, мешающие стабильности работы кольцара.
Отметим теперь факторы, мешающие стабильности работы кольцара (капли снизу
или сверху).
1) Один из таких факторов – объём трубочки, во всяком случае, на промежутке от h0
до h1. Ведь в момент времени, когда жидкость находится в этой области, капли
нет, а объёмы уже меняются!
2) Недостаточно большие объемы V1 и V2 – т.к. при нагревании у нас выдавливается
в капельки объем (dV), пропорциональный объему газа в камере. Нам выгоднее
иметь большие объемы газов в камерах (чтобы капѐль шла активнее).
3) Недостаточная разность масс жидкости в камерах — т.к. бóльшая разность
приводит к большему запаздыванию в изменении температур газов в камерах.
Вывод — для увеличения чувствительности кольцара на изменения температуры
окружающей среды нам необходимо:
·
максимально увеличить объемы V1 и V2 , (одновременно с этим имея ввиду, что в
камерах должны находиться разные объемы жидкости);
·
иметь наименьшее отношение площади сечения капилляра к площади сечения
кольцара. (Однако, при чрезвычайно малом сечении трубки капиллярный эффект в
ней может исказить наши результаты, кроме того, возникнет дополнительное
сопротивление движению жидкости в трубочке, что замедлит реакцию устройства).
Обобщая все вышесказанное, можно сделать вывод: для любого малого колебания
температуры окружающей среды dT мы можем подобрать такие объемы V1 и V2, и такое
14
отношение сечений трубочки и камер кольцара, что у нас возникнет капѐль, т.е. кольцар
будет работать!!!.
Одним из доказательств того, что кольцар можно считать вечным двигателем, было
то, что он работает в термостате. Но даже самые современные термостаты способны
обеспечить точность лишь в 0,01 градус Цельсия, при этом суть работы термостата (если
похолодало – нагреть, если нагрелось – охладить) будет заставлять работать кольцар «как
швейцарские часы».
Остался один нюанс – в кольцарах, представляемых Лазаревым и другими
исследователями, капѐли с мембраны не наблюдалось! Более того, и нами было замечено,
что кольцар может работать, когда капѐль идёт лишь сверху. Значит, есть альтернативный
способ массопереноса.
3.4. Массоперенос в газовой фазе.
Капѐль в нижней камере видно лишь с фитиля, со стандартной деревянной
мембраны мы капѐль можем и не увидеть. Капля в кольцаре с мембраной-фитилем
собиралась в самом низу фитиля и капала. В кольцаре с твердой деревянной мембраной
капля полностью растекается по поверхности мембраны, а далее – стекает по стенкам
нижней камеры тончайшим слоем, едва заметным глазу…
Такой вариант наиболее вероятен, но давайте поищем другой…
Предположим, что колебания температуры окружающей среды у нас настолько
малы, что не приводят к капели ни сверху, ни снизу. Уровень в трубочке лишь колеблется
между рабочим и нулевым уровнями.
Для стабильной работы кольцара нам НЕДОСТАТОЧНО обеспечить разность
давлений в камерах — нам также нужно обеспечить стабильный перенос жидкости из
верхней камеры в нижнюю, иначе вся жидкость снизу в виде капель может перейти в
верхнюю и процесс капѐли остановится. Если мы найдем способ перемещения жидкости
из верхней камеры в нижнюю через мембрану, то уже само наличие такого механизма в
итоге обеспечит нам и нужную разность давлений для капели (накапливающаяся
жидкость внизу будет повышать давление в камере, что приведет к вытеснению ее через
трубочку). Что же нам может обеспечить такой перенос?
Предположим, с мембраны идёт испарение, а на поверхности жидкости –
конденсация, как и говорится в нескольких объяснениях. Для того, чтобы понять, что там
происходит, разберёмся с парами жидкости в составе смеси газов.
Введём понятие насыщенного пара. Насыщенный пар – максимально возможное
содержание паров жидкости в замкнутом объеме при данной температуре. Он
обладает некоторыми особыми свойствами.
Основное свойство насыщенного пара – его давление не зависит ни от чего, кроме
температуры. Если парциальное давление паров жидкости меньше давления насыщенного
пара, идёт активное испарение со всех доступных нам поверхностей жидкости. Если же
давление пара выше давления насыщенных паров, то идёт активная конденсация, причём
на любую поверхность.
15
Исследователи ссылаются на правило Кельвина-Томпсона, гласящее, что над
выпуклым мениском давление насыщенных паров будет выше, чем над вогнутым.
Допустим, что это так, но в конструкции нашего кольцара в смачиваемой мембране
мениски все вогнутые (ранее мы показали на опытах, что наши мембраны обладают
свойствами смачиваемых капилляров). Что, согласно этому правилу, будет нам лишь
мешать.
Так что же нам может обеспечить более активное испарение жидкости с мембраны,
чем с гладкой поверхности?
Проведём следующий эксперимент. Посмотрим, зависит ли давление газа в нижней
камере кольцара от наличия в этой камере капиллярной системы?
В емкость, содержащую этиловый спирт в жидкой фазе, поместим сухой фитиль,
на кончике которого закрепим магнитик, чтобы в нужный нам момент мы могли бы
сдвинуть фитиль, окунув его кончик в жидкость, используя другой магнитик снаружи
емкости.
Из нижней части нашей емкости отведем измерительную трубку, по уровню
жидкости в которой мы будем оценивать давление газов внутри емкости.
После размещения сухого фитиля, закроем емкость герметично.
В начальный момент по изменению уровня в измерительной трубке мы наблюдаем
повышение давления смеси газов (идет испарение спирта). Наступает момент, когда
уровень в трубочке стабилизировался — это означает, что пары спирта стали
насыщенными, и процесс испарения/конденсации пришел к равновесию.
Аккуратно сдвинем нижний кончик фитиля (используя внешний магнитик) таким
образом, чтобы он окунулся в жидкость.
Спирт начал всасываться в фитиль.
Мы отмечаем резкое повышение давления — уровень жидкости в измерительной
трубочке устремился вверх!!!
Температура у нас оставалась неизменной, никаких других изменений параметров
мы не производили — ни объем, ни давление газа мы не меняли. Значит — изменилось
давление паров жидкости.
Неужели и правда давление насыщенного пара повысилось от того, что изменилась
форма поверхности жидкости на фитиле???
Если это так — то у нас в руках вечный двигатель! И мы можем обеспечить
постоянную разность давлений в разных камерах, не меняя термодинамических
параметров системы!?
Однако радость наша была недолгой — спустя некоторое время уровень в
измерительной трубке вернулся к прежнему…
Теперь аккуратно магнитиком вынем кончик фитиля из жидкости, и посмотрим,
сможем ли мы повторить это же действие спустя некоторое время.
16
Повторные опыты с окунанием фитиля в жидкость не приводили к
вышеописанному эффекту, следовательно, этот эффект — необратим.
Действительно, после того как фитиль пропитался спиртом, в условиях, когда
вокруг него насыщенный пар, он попросту не может высохнуть.
Значит, это объяснение работы кольцара неверно. Но разберёмся, почему при
промокании фитиля повысилось давление?
Изучив научную литературу по этому вопросу, удалось выяснить, что при
смачивании поверхности жидкостью выделяется некоторое количество энергии. Фитиль
попросту нагревается, повышая давление газов в камере, и провоцируя испарение с
фитиля (т. к. в непосредственной близости от фитиля повысилась температура, а,
следовательно, и давление насыщенного пара). Поэтому давление и растёт. Потом фитиль
начинает остывать, давление возвращается к предыдущему уровню. Но из-за того, что
пары жидкости в этот момент уже насыщенны, фитиль сохнуть не будет и при
последующем погружении не даст нам начального эффекта.
Однако массоперенос через газовую фазу всё же будет происходить, но не при
любых условиях.
Обратим внимание на тот факт, что благодаря конвекции в любом большом объеме
(в любой комнате) присутствует разность температур на разных высотах, при этом она
будет наблюдаться постоянно.
Это значит, что верхняя камера всегда будет чуть-чуть горячее нижней.
Мембрана заполнена жидкостью из верхней камеры, значит, температура
мембраны будет чуть выше температуры жидкости внизу.
Таким образом, в нижней камере мы имеем «горячую» мембрану и холодную
жидкость, следовательно, с мембраны будет испаряться постоянно больше, чем там же
конденсироваться. Для бóльшего проявления этого эффекта нам нужно использовать
легкоиспаряющуюся жидкость.
Увидеть массоперенос в газовой форме достаточно трудно, но мы всё же проведём
такой эксперимент: создадим кольцар из шприца.
Подведём тепло к мембране, поместив в мембрану (фитиль) резистор,
подключенный к источнику тока.
После запуска заметим, что с трубочки капает постоянно. Сначала уровень воды в
нижней камере упадёт, так как мы нагрели и нижнюю атмосферу, а потом перестанет
изменяться, с мембраны капать не будет, а капѐль сверху будет продолжаться.
Уровень жидкости в нижней камере шприца не меняется. Это значит, что скорость
испарения и конденсации в точности равна скорости капели, а у нас это было примерно
капля раз в 30-40 секунд.
17
4. Заключение.
Объяснения других исследователей и их опровержение.
В результате выполненного исследования нам удалось дать достаточно полное и
точное обоснование работы данного изобретения, мы разобрали примеры и проверили их
на опытах.
Но ещё перед началом исследования мы решили просмотреть всю информацию,
какую сможем найти в различных источниках. Информации очень мало, но все-таки мы
нашли несколько объяснений и предложений по улучшению работы кольцара. Нам
удалось доказать их ошибочность, после чего мы начали исследование и по-своему
объяснили и доказали работу кольцара.
Приведем несколько из известных, но, на наш взгляд, ошибочных объяснений:
ОБЪЯСНЕНИЯ И ОПРОВЕРЖЕНИЯ
Опровержение:
Предлагаемое объяснение:
1.
Кольцар Лазарева - гравитационный двигатель.
Гравитационный двигатель - гипотетическое
несуществующее (и, видимо, невозможное)
устройство, преобразующее потенциальную энергию
гравитационного поля в механическую работу.
Работа производится за счёт перемещения
рабочего тела в гравитационном поле.
В нижней камере кольцара постоянно происходит
испарение жидкости с поверхности мембраны и с
поверхности жидкости, равно как и конденсация на
поверхность мембраны и на поверхность жидкости.
Это означает, что пары жидкости находятся в
термодинамическом равновесии.
Молекула жидкости, испарившаяся с мембраны,
подвержена влиянию гравитационной силы, поэтому с
бóльшей вероятностью начнет движение вниз, на
поверхность жидкости.
Молекула, испарившаяся с поверхности жидкости,
тоже имеет больше шансов вернуться вниз, чем
улететь вверх и сконденсироваться на мембране.
Таким образом, начинается дрейф молекул сверху вниз,
что приводит к преобладанию испарения на
поверхности мембраны и конденсации на поверхности
жидкости.
Происходит перенос жидкости сверху вниз, что
приводит к повышению уровня жидкости в нижней
камере, а это приводит к повышению давления в ней и
вытеснению жидкости через трубочку в верхнюю
камеру.
18
Если подобный эффект в данном случае
имеет место, то нужно, чтобы
массоперенос жидкости вниз был
скомпенсирован массопереносом
жидкости наверх.
Для этого нам придётся поднимать
наверх такую же массу воды, что под
действием гравитации оказалась внизу.
Причём, работа по поднятию
жидкости вверх будет больше работы,
которая была произведена при переносе
жидкости вниз, так как заметно
увеличится путь, который придется
пройти. (Высота трубочки больше, чем
путь молекулы вниз от мембраны до
поверхности жидкости.)
Следовательно, такое объяснение
неверно, и кольцар не является
гравитационным двигателем.
2.
В верхней камере площадь испарения жидкости
больше, чем в нижней камере (в верхней камере
площадь испарения = поверхность жидкости, а в
нижней = площадь жидкости + площадь мембраны).
Следовательно, с большей поверхности будет
испаряться большее количество жидкости, это
приведет к повышению давления паров жидкости в
нижней камере, что приведет к вытеснению
жидкости через трубочку в верхнюю камеру.
Давление паров жидкости в обеих
камерах будет одинаковым — оно
будет равно давлению насыщенных
паров при конкретной данной
температуре (пары будут
насыщенными, т. к. они находятся в
объеме, содержащем жидкую фазу
этого же вещества). Как мы знаем,
давление насыщенного пара зависит
исключительно только от
температуры и рода вещества, и не
зависит от площади поверхности
жидкости.
Поскольку температура в обеих
камерах одинакова (по условиям
эксперимента), то и разности давлений
насыщенных паров в камерах не будет.
Следовательно, данное объяснение
неверно.
Предлагаемое улучшение конструкции
кольцара:
Опровержение:
На поверхность жидкости в верхней камере
1. предлагается капнуть неиспаряющуюся жидкость
(например масло). Тогда давление паров жидкости в
нижней камере будет увеличиваться (из-за испарения),
но не приведет к повышению общего давления газов в
верхней камере. Следовательно, жидкость (под
давлением образующихся в нижней камере паров)
будет подниматься по трубочке в верхнюю камеру.
Пары в нижней камере будут
насыщенными. Пары в верхней камере
могут быть ненасыщенными.
Но достаточно испарения с одной
капнувшей капли жидкости из
трубочки, чтобы пары стали
насыщенными.
Таким образом, наступит
термодинамическое равновесие, и
указанный фактор просто перестанет
действовать .
Предлагается удалить из обеих камер воздух,
2. оставив только исключительно насыщенные пары
жидкости, что ускорит работу кольцара.
.
Если в кольцаре будет лишь
насыщенный пар, тогда вообще не
сможет возникнуть разность давлений
в двух камерах при одинаковой
температуре.
Уровень жидкости в трубке
останется на уровне жидкости в
нижней камере, причём через мембрану
постоянно будет капать, пока в
верхней камере не кончится жидкость.
Поэтому в случае, если в камерах
кольцара будут только насыщенные
пары — он вообще не будет
работать!!!
19
Заключение.
В ходе данной работы мы построили громадное количество разных вариаций
кольцара, неоднократно приходили к выводу, что это действительно вечный двигатель, а
после – опровергали сами себя. В итоге нам удалось понять и объяснить принцип его
работы, который удовлетворял бы всем законам физики. Кроме того, мы рассмотрели
различные варианты способов его функционирования, начальные условия. Теперь, как нам
представляется, можно утверждать, что одной физической загадкой стало меньше.
20
5. Список литературы
1.Вейник А.И., "Термодинамика реальных процессов", Минск, "Навука i тэхнiка", 1991.
2. Лихачев В., «Вечный двигатель... в бутылке», Журнал “Свет”, N2, 1999, стр.25
3. Лихачев В., Кольцар, http://treat.narod.ru/t47.html
4. Лихачёв В, «Как построить вечный двигатель своими руками», журнал «Юный техник»,
№ 11, 1997г.
5. Опарин Е. Г., «Физические основы бестопливной энергетики»,
http://erg.globalnet.uz/pub/info/oparin/oparin.htm
6. Сменковский Е. Г. Второе начало термодинамики и устойчивость систем. Деп.
ВИНИТИ № 1961, 1990.
7. Сменковский Е. Г. Использование в энергетике рассеянного тепла окружающей среды.
Деп. ВИНИТИ № 5035, 1990.
8. Шаров В., "Секрет Кулибина", журнал «Изобретатель и Рационализатор», №11,
2001, с.7
9. Международная Общественная Организация «ЭНЕРГОИНФОРМ», Как работает
кольцар Лазарева и другие вечные двигатели.
http://www.energoinform.org/pointofview/prohorov/coltsar-lazareva.aspx
21