Ctat_i_i_Publikaciix
advertisement
Cтатьи и Публикации Термодинамика УРАВНЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭНТРОПИИ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЫ КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ... УРАВНЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭНТРОПИИ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЫ КАК ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ - ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИИ ТИПА ТОРНАДО © Апциаури А. З. д.т.н.,профессор Контакт с автором: kneu2012@gmail.com Кутаисский Национальный Университет В работе показано, что уравнение производства энтропии, которое лежит в основу принципа перманентного нарастания энтропии и второго закона термодинамики, не только не пригодно для обоснования второго закона, а наоборот. Вызвано это тем, что для открытых и закрытых систем данное уравнение дает радикально отличающиеся результаты. Оно показывает, что теория Карно является только лишь частным случаем и открытие системы имеют способность генерировать полезную энергию из тепла равновесного пространства, что, в частности проявляется в торнадо. Следовательно, даются теоретические основания (Ge-теорема) для получения человеком энергии из равновесной окружающей среды. __________________________________________________________________________________ __ Ключевые слова: производство энтропии, открытие системы, генерация энергии, торнадо 1. ВВЕДЕНИЕ Уравнение производства энтропии было обосновано в фундаментальных трудах Ларса Онзагера и Ильи Пригожина. В наиболее обобщенном виде (с учетом всех сил и потоков) данное уравнение сформулировано на основе принципа взаимности Онзагера (или принципа симметрии кинетических коэффициентов). Несмотря на всю важность данной теории, в работах многих ученых отмечается, что данный принцип (впрочем, как и любой) не имеет универсальный характер. В данной работе, не рассматривая подробности принципа взаимности и справедливость его применения для обобщения уравнения производства энтропии, мы продемонстрируем, что принцип перманентного роста энтропии не является универсальным и, для открытых систем, он может грубо нарушаться. Для подтверждения отмеченного, мы возвращаемся к исходной системе фундаментальных законов сохранения массы, энергии и импульса, а так - же к закону теплопроводности Фурье [1-4]. 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Для случая течения вязкого, теплопроводного газа уравнение производства энтропии получается путем преобразования уравнения движения в форме Навье - Стокса и дифференциальных уравнении сохранения массы и энергии: , (1) В данном выражении скорости является вектором теплового потока (закон Фурье). Функция выражает влияние диссипации. Она зависит от тензора деформации ( )и сжимаемости ( )среды. Из структуры тензора деформации следует что, функция всегда больше нуля. , (2) Следовательно, под влиянием вязкости, изменение энтропии по времени всегда будет направлено в сторону ее увеличения. Однако, как показывает последний член уравнения (1), влияние теплопроводности и тепловых потоков может привести как к росту, так и к уменьшению энтропии вдоль течения. Далее мы покажем, что данный вопрос имеет весьма интересные нюансы. Для того чтобы продемонстрировать сказанное, преобразуем исходное выражение (1) , (3) В первую очередь, следует отметить ограниченность данного уравнения. Как видим, уравнение производства энтропии, непригодно для определения прироста энтропии, когда имеем течения со скачками (сверхзвуковые течения газов со скачками температуры, давления и скорости или течения с бесконечными градиентами). Рис.1. а - закрытая система. б - открытая система. Согласно (3), в таких течениях, приращение энтропии стремится к бесконечности. Однако, как известно, в случае течения со скачками, изменение термодинамических параметров состояния однозначно определяется из интегральных законов сохранения [1] и прирост энтропии в скачке отнюдь не является бесконечным. В работе [10] показано, что если теплопроводный газ монотонно разгоняется до сверхзвуковых скоростей, а потом появляется скачок, то суммарное приращение энтропии может оказаться отрицательным и в потоке будет создаваться сосущий эффект, что противоречит требованиям второго закона. В крайнем случае, уже из качественного анализа уравнения (3) видно, что он не является универсальным для всех физических процессов. А теперь посмотрим, что дает интегрирование уравнения производства энтропии. Для этого, с учетом уравнения неразрывности, его можно представить в следующем виде: , (4) Проинтегрируем данное уравнение по некоторому произвольному, фиксированному объему V (Рис.1): , (5) Или, с учетом преобразования Гауса-Остроградского: , (6) Где , (7) Покажем, какие результаты дает уравнение (6) для закрытых и открытых систем. Изменение энтропии в закрытой системе Рассмотрим некоторое закрытое пространство, заполненное жидкостью или газом (рис.1 а). Условие изолированности означает, что через ограничивающую поверхность объема A не проходит ни масса и не тепло. Следовательно, в произвольной точке ограничивающей поверхности, с направляющим вектором , имеем условия: , (8) , (9) Поэтому (6) принимает вид , (10) Таким образом, если в замкнутом пространстве, в какой- то момент времени, имеются неравномерности в распределении скоростей и температур (неуравновешенное начальное состояние), то изменение суммарной энтропии в течение времени будет направлено только в сторону увеличения. Данный результат является наглядным проявлением принципа неуклонного роста энтропии. Однако, как мы увидели, его справедливость очевидна только для закрытой системы и, как будет далее показано, данный принцип отнюдь не является универсальным для более общих, открытых систем. Изменение энтропии в открытой системе Рассмотрим некоторый конечный объем (рис.1.б), внутри которого, из равновесной окружающей среды, непрерывно поступает поток массы через поверхность . Через поверхность данного объема вытекает ровно такое же количество жидкости. Т.е. имеем условие из , (11) Данное условие является условием стационарности. Сказанное означает, что параметры рабочей среды меняются только по пространству. Соответственно, уравнение (6) для такого процесса имеет вид. , (12) В любой точке ограничивающей поверхности данного объема потоки массы и тепла отсутствуют, поэтому в данных точках соблюдаются условия (8) и (9). Однако, в сечениях и существуют потоки массы и, параллельно, могут существовать потоки тепла. Поэтому последний интеграл принимает вид , (13) или , (14) Таким образом, знак разности энтропии на входе и выходе открытой системы, в общем случае, не обязательно является положительным. Все зависит от свойства жидкости и условии течения на границах. Нарушение второго закона и абсурдность теории Карно В классической термодинамике, на один взгляд, довольно убедительно доказано, что самым эффективным способом преобразования тепла в механическую энергию является осуществление цикла Карно. Вместе с тем, при тепловом равновесии (или при отсутствии тел с разными температурами) даже данный самый эффективный цикл не может генерировать полезную энергию из равновесного пространства. Следовательно, в равновесной системе, согласно строгим законам термодинамики, невозможно преобразовать тепло в полезную работу. При этом в дополнении, существует теорема Карно, которая показывает, что эффективность данного самого экономичного цикла не зависит от свойства рабочего вещества. Все пути к эффективности перекрыты, для добычи энергии человек непременно должен искать высокотемпературные источники тепла, или сжигать какое - то топливо. Вот окончательный приговор, который вынес человек против природы - среды собственного обитания. Таким образом, основа глубокого научного пессимизма и идеологический фундамент современной теплоэнергетики - теория Карно, гласит, что невозможно найти такое рабочее вещество (газ, жидкость) и такую технологию, использование которых позволит генерировать полезную энергию из тепла окружающей среды. Вместе с тем, как не странно, фундаментальные принципы сохранения массы, энергии и импульса и уравнение производства энтропии (1) и (14), как их строгий результат, показывают обратное. Если свойства рабочего тела не имеют никакое значение для улучшения процесса преобразования тепла, то давайте представим случай течения такого газа, который имеет низкую вязкость и высокую теплопроводность. Удельный тепловой поток в уравнении (14) является одним из слагаемых суммарного вектора энергии и данный поток, в любой точке пространства, в случае стационарного течения, не может превышать полный поток энергии. Поэтому данная величина меняется в конечных пределах. Соответственно, объемные интегралы в правой части уравнения (14) должны меняться в конечных пределах. В таком случае, при , (15) правая часть уравнения (13) стремится к нулю и из (14) получаем , (16) При этом, если на входе имеем течение с малыми градиентами температуры (малый тепловой поток на входе), то , (17) т.е. приращение энтропии потока на выходе имеет отрицательный знак. Таким образом, если из ограниченного пространства вытекает поток жидкости и в струе имеем сильный продольный тепловой поток, направленный параллельно вытекающей струй (в сторону окружающего пространства), то энтропия выходящего потока будет ниже, чем на входе. Данный результат является парадоксальным, так как полностью нарушает принцип Карно и противоречит со вторым законом термодинамики. В частности, как известно, в случае теплоизолированного течения, полное давление потока, или давление торможения, определяется из уравнения: , (18) Следовательно, если энтропия газа на выходе меньше исходного, то полное давление вытекающего потока окажется выше, чем исходное давление поступающего потока (или давление окружающей среды) и поддержание потока не только не требует нагнетателя, а наоборот, избыточное давление на выходе может давать полезную энергию. При этом, в таком процессе, будет наблюдаться соответствующее снижение температуры потока. Таким образом, на основе фундаментальных законов, мы показали, что в природе существуют более оптимальные процессы, чем цикл Карно, который рассматривает только лишь схематизированные процессы в упрошенной системе. По данной причине, теория Карно непригодна для обоснования универсальных принципов и второй закон, в принятых формулировках, не имеет убедительное основание. На основе вышесказанного можно сформулировать теорему: Ge-Теорема: Если в произвольном, теплоизолированном объеме осуществляется стационарный транзит газа и в выходящей струе существуют преобладающие тепловые потоки, направленные в сторону окружающего пространства, то, при высокой теплопроводности и минимальном трении внутри пространства ( ), энтропия выходящего газа может оказаться меньше, (а давление торможения - больше), чем на входе, создавая, тем самым, самоподдерживающий эффект, или эффект генерации полезной энергии из равновесной среды. К сожалению, молекулярная теплопроводность газов и жидкостей довольно незначительна. Вдоль потоков массы не могут наблюдаться значительные потоки тепла и данный эффект, чаще всего, не может преодолеть негативное влияние вязкости в течениях обычных масштабов. Однако, в природе такие странные эффекты наблюдаются в больших масштабах и одним из таких наглядных проявлении данного явления можно считать торнадо. Множество авторов считает, что спиралевидное течение потоков создает сосущий эффект. Впервые об этом странном явлении даются сведения в работах В. Шаубергера и Ф. Попеля, которыми, в середине прошлого столетия были исследованы течения в спиралевидных каналах. Впоследствии о наличии самоподдерживающего эффекта внутри торнадо писалось так много, что мы не беремся перечислить всех этих авторов, мыслящих смело, в условиях не доверия со стороны представителей классической науки. Подавляющее большинство этих работ имеет один недостаток, в них не ясно, в чем состоит физическая сущность такого явления и как можно разрушить ошибочные теоретические основы классической термодинамики. В наших исследованиях [10] теоретически доказано, что классическая термодинамика не является универсальной для более общих, открытых систем. Показано, что внутреннее перераспределение энергии в закрученных потоках, на самом деле, приводит к эффектам генерации механической энергии из тепла. Аналогичные механизмы могут возникать и при синхронизации турбулентных и кавитационных потоков [5,9]. Не говоря о процессах с химическими превращениями [8]. Процесс внутри торнадо можно рассмотреть как частный случай процессов, в которых наблюдается кажущееся охлаждение из-за внутренней циркуляции тепла (или имплозия - в терминах Шаубергера). Проведенные нами конкретные расчеты показали, что в условиях соблюдения законов сохранения массы, энергии и импульса, а так же, в условиях соблюдения закона Фурье, справедливость которых не вызывает никакие сомнения, при очень высоком значении коэффициента теплопроводности (подразумевается условный коэффициент теплопроводности при очень сильной турбулентности),энтропия вдоль изолированного потока перманентно уменьшается, вопреки принципу перманентного роста энтропии. Следовательно, появляется явный эффект генерации механической энергии из тепла, что можно считать одним из главных причин устойчивости и разрушительной силы торнадо. 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Принцип перманентного роста энтропии и теория Карно о невозможности непрерывной генерации полезной энергии из равновесного пространства (или второй закон), справедливы только для замкнутых систем с постоянной массой. При условиях, которые сформулированы в предложенной теореме, в открытых системах, механическая энергия может непрерывно генерироваться из тепла окружающей среды, как это наблюдается в частности, в торнадо. Литература [1] Лойцянский Л.Г. – Механика жидкости и газа. Главная редакция физико-математической литературы издательства “Наука”, издание третье, переработанное и дополненное, 1970, - 903 стр. [2] Рейнольдс А.Дж. – Турбулентные течения в инженерных приложениях. М.: Энергия, 1979, 401 стр. [3] Седов Л.И. – Механика сплошной среды. Главная редакция физико-математической литературы. Издательство “Наука”, 1976, -536 стр. [4] Слеттери Дж. С. – Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах: Пер. с англ. Колпащикова В.А. и Кортневой Т. С. – М.:Энергия, 1978, - 448 стр. [5] Aptsiauri A. - The equation for entropy of opened non equilibrium systems and violation of the second law of thermodynamics - Jan. 29 , 2012. (Rus) http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11741.html [6]. Aptsiauri A. - Carnot,s theory as a special case and the violation of the second law of thermodynamic due circulation of heat in one-dimensional supersonic flow of heat-conducting gas.March 27, 2012 (Engl)http://www.sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/11895.html [7] Aptsiauri A. - General principles of useful energy generation from equilibrium environment-circulation of energy and implosion against the second law - March.20, 2013. (Rus) http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/12718.html [8] Aptsiauri A. - Generation of usable energy by alternation of internal accumulation and energy release processes and water as strange fuel. Jun. 9, 2013. (Rus) http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/12942.html [9] Aptsiauri A. - Wirbelphysik stellt entropiesatz in frage – “Raum und Zeit”, Munchen-185/2013. 56-60 pp. [10] Aptsiauri A. - Non-equilibrium thermodynamics -//Saarbrucken: LAP, LAMBERT Academic Publishing GmbH@Co.KG -2012. -285 p. Дата публикации: 2 апреля 2014 Источник: SciTecLibrary.ru