Игнатович Владимир Николаевич. Об истории запрета вечного двигателя II рода

В последние десятилетия все чаще появляются работы, в которых обосновывается возможность создания так называемых вечных двигателей второго рода (ВД2) [1–9] – двигателей, способных производить работу за счет теплоты, поглощаемой из равновесной окружающей среды. Эти работы "с порога" отвергаются подавляющим большинством специалистов в области термодинамики, заявляющих, что второй закон термодинамики «запрещает» создание таких двигателей. Эти специалисты не знают, что указанный запрет недействителен уже более 65 лет, и что запрет на ВД2 следует не из второго, а из других законов термодинамики.

Впервые запрет, эквивалентный запрету "ВД2 невозможен", ввел В.Томсон в 1850 г. в виде следующей аксиомы: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов» [10, с.165].

Эта аксиому В. Томсон ввел для того, чтобы обосновать теоретически ряд результатов, полученных Сади Карно в работе «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в частности, теорему о том, что максимальная работа, производимая идеальной тепловой машиной за счет данного количества теплоты, зависит только от температур источника теплоты и холодильника и не зависит от свойств рабочего тела. Доказательство Карно основано на представлении о теплоте как неуничтожимой невесомой жидкости и о том, что работа в тепловой машине производится за счет перехода теплорода от нагревателя к холодильнику (падения с высокого температурного уровня на низкий). В.Томсон не считал теплоту невесомой жидкостью и с целью доказательства теоремы Карно ввел аксиому, приведенную выше. С той же целью Р. Клаузиус ввел аксиому «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому» [10, с.133].

В. Томсон и Р. Клаузиус построили доказательство методом «от противного». Они показали, что предположение о зависимости максимальной работы идеальной тепловой машины от рода рабочего тела приводит к противоречию с предложенными ими аксиомами.

Следует заметить, что ни В.Томсон, ни Р.Клаузиус не проводили никаких экспериментов с целью проверки указанных аксиом. Эти аксиомы можно было считать истинными постольку, поскольку экспериментально были подтверждены полученные теоретически их следствия – положение о существовании функции состояния энтропии, уравнение Клапейрона-Клаузиуса, закон действующих масс, закон Стефана-Больцмана и др.

Однако в 1947 г. А. А. Гухман доказал теорему Карно таким же методом, как Клаузиус («от противного»), основываясь на аксиоме, противоположной аксиоме Клаузиса: «Теплота не может переходить сама собой от более нагретого тела к более холодному» [11, с.80]). Теорему Карно можно доказать также на основе аксиомы, противоположной аксиоме В.Томсона: «Невозможно затратить механическую работу на нагревание самого холодного из окружающих предметов» [12]. Это означает, что теорема Карно не следует из аксиом В. Клаузиуса и В. Томсона, а истинность этой теоремы, как и истинность многочисленных уравнений термодинамики, полученных на ее основе, не может служить основанием для заключения об истинности запрета «ВД2 невозможен».

Нужно также заметить, что в XIX в. и первой трети XX в. второй закон термодинамики имел более богатое содержание, чем сегодня. В 1931 г. Планк писал, что из второго начала термодинамики вытекают следующие заключения: «Система покоящихся тел произвольной природы переходит с течением времени из любого начального состояния в состояние равновесия, в котором температура всех тел одинакова. В этом состоянии энтропия системы имеет максимальное значение из тех, какие она могла бы принять при данной полной энергии последней, определяемой начальными условиями» [13, с. 141]. Из перечисленного здесь только положение о максимуме энтропии сегодня следует считать следствием второго начала термодинамики. Первые два положения – следствия так называемых нулевого и общего начал.

Нулевое начало термодинамики можно сформулировать так: «У всех систем, находящихся между собой в равновесии, температуры одинаковы» [14, с. 12]; общее начало термодинамики так: «Изолированная макроскопическая система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может» [15, с. 17].

Если проанализировать устройство предлагаемых различными авторами ВД2, то можно обнаружить, что они нарушают не второе начало термодинамики, а нулевое и общее начало.

Во многих работах утверждается, что под влиянием гравитационного поля в вертикальном столбе газа сам собой возникает вертикальный градиент температуры, величина которого зависит от молекулярной массы газа [3, 6]. Это утверждение много десятилетий не проверялось опытным путем, а отвергалось на том основании, что из него следует возможность создания ВД2. Сегодня так поступать нельзя – вопрос о возникновении вертикального градиента температуры следует изучать опытным путем.

Ряд других предполагаемых конструкций ВД2 основан на предположении, что тепловое равновесие между различными контактирующими телами определяется не только температурами тел; тепловое равновесие различных по свойствам тел возможно в случае разности их температур [2, 6]. Такое предположение, противоречащее нулевому закону термодинамики, представляется весьма вероятным. Ведь диффузионное, химическое, электрическое равновесие в разнородных системах устанавливается при различных значениях соответствующих потенциалов. К примеру, электрическое равновесие в случае контакта различных металлов устанавливается при различных значениях электрического потенциала металлов. Соответственно, вопрос о скачке температуры на границе тел в условиях теплового равновесия тоже может быть предметом исследования.

Имеется множество сообщений, что в так называемом кольцаре Лазарева [2, 6] вследствие того, что давление насыщенных паров над выпуклыми менисками жидкости выше, чем над плоской поверхностью, возникает разность температур и незатухающая циркуляция жидкости между частями устройства. Это противоречит нулевому и общему началам термодинамики и может служить еще одним экспериментом по их проверке.

Подводя итоги, можно констатировать, что запрет «ВД2 невозможен» до последнего времени не обоснован опытным путем, следует не из второго закона термодинамики, а из нулевого и общего начал термодинамики, которые были введены без надлежащей экспериментальной проверки. Представляется перспективной постановка экспериментов, подтверждающих или опровергающих нулевое и общее начало термодинамики, и, соответственно, запрет «ВД2 невозможен».

ЛИТЕРАТУРА

ОБ ИСТОРИИ ЗАПРЕТА "ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА НЕВОЗМОЖЕН"

УДК 94(477)
ББК 63.3(4Укр=Укр) М34
Центр пам’яткознавства Нацiональної академiї наук України i Українського товариства охорони пам’яток iсторiї та культури
Вiдповiдальний редактор д.i.н., проф. Грiффен Л.О.

М34 Матерiали 13-ї Всеукраїнської наукової конференцiї «Актуальнi питання iсторiї науки i технiки» (м. Коростень, 16-18 жовтня 2014 р.)
/ Центр пам’яткознавства НАН України i УТОПIК., К., 2014., 384 с.

У матерiалах доповiдей учасникiв конференцiї з рiзних регiонiв України коротко висвiтленi питання, що стосуються актуальних проблем iсторiї науки i технiки, розвитку наукових та технiчних iдей, персоналiй видатних науковцiв та iнженерiв минулого тощо.

Збiрник буде корисним науковцям, що працюють в галузi iсторiї науки i технiки, пам’яткознавцям i музеєзнавцям, аспiрантам i студентам вiдповiдних спецiальностей, усiм, хто цiкавиться нашою iсторiєю та культурною спадщиною.

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.