16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/124/9621.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 08 (124) апрель 2009 года

«Демон» Максвелла – шутка или реальность?

Новые технологии Герман ТРЕЩАЛОВ, инженер-гидроэнергетик

Споры вокруг способов получения альтернативной энергии не только не утихают, но с каждым днем становятся все актуальнее.

Группа инженеров сконструировала гидравлическую турбину для получения энергии из безнапорного потока текущей воды (свободно-поточный гидроагрегат). Однако при замере мощности вдруг выяснилось, что энергии она дает больше, чем по расчетам.

Известно, что движущийся поток воды имеет кинетическую энергию, которую из этого потока можно извлечь (что и делают свободно-поточные турбины). Однако извлечь из потока всю его кинетическую энергию невозможно. Для этого его бы пришлось полностью остановить, и он уже перестал бы быть текущим потоком. Поэтому скорость потока воды на выходе рабочего органа турбины меньше, чем на входе, и именно этой разницей и определяется эффективность установки. При входящей скорости, равной 1 м/c, и выходящей 0,5 м/с, мы сможем забрать у потока 75 процентов его кинетической энергии (у реальных свободно-поточных турбин эта цифра еще меньше):

(Eвх – Eвых)/Eвх = (V2вх – V2вых)/V2вх.

Но, как говорилось выше, созданная машина выдавала энергии даже больше, чем полная кинетическая энергия потока.

Откуда же взялась дополнительная энергия, полученная от машины?



Кинетическая или потенциальная?

Давайте представим себе кубометр воды размером 1 метр x 1 метр x 1 метр, движущийся со скоростью 1 м/c. Его кинетическая энергия не вызывает сомнений:
Ek = m x V2/2 = 1000 (кг) x 1 (м/с)2/2 = 500 (Дж)

Однако есть еще и давление верхних слоев воды на нижние (потенциальная энергия). И если мы позволим растечься этому кубу воды, мы сможем ее извлечь. С учетом того, что центр масс этого куба находится на половине его высоты, то есть h = 0,5 метра, она равна:

Ep = m x g x h = 1000 (кг) x 9,8 (м/c2) x 0,5 (метров) = 4900 (Дж)

То есть потенциальная энергия этого кубометра воды почти в 10 раз превышает его кинетическую энергию. Нетрудно посчитать, что при скорости, равной 0,5 м/с, эта разница увеличивается до 40 раз!

Таким образом, мы видим, что в текущем потоке, кроме кинетической энергии, существует и потенциальная энергия, величина которой зависит от глубины потока. Но ее эксергия (то есть та часть энергии, которая может быть извлечена и которая в состоянии совершить работу) при обычных условиях равна нулю. Ведь вокруг любого объема воды находится точно такая же по свойствам (глубина, скорость, температура) вода.

Теперь давайте представим, что мы извлекаем из кубометра воды, движущегося в потоке, часть его кинетической энергии и затрачиваем ее на «отодвигание» соседнего с ним кубометра воды. То есть, притормаживая движущийся выше по течению объем воды, мы будем ускорять следующий за ним (ниже по течению). Вследствие этого между ними возникнет разница в уровнях, и появляется потенциальная энергия разницы этих уровней, которую можно из потока извлечь. Возникает следующий вопрос: будет ли количество извлеченной потенциальной энергии больше, меньше или равно энергии, затраченной на ускорение второй части воды, то есть, иными словами, на увеличение его кинетической энергии?



Расчеты для гидротурбины

Прибегнем к услугам математики. Для примера рассмотрим машину, позволяющую разгонять выходящий поток воды за счет частичного отбора энергии у входящего потока. То есть это машина с положительной обратной связью между энергиями входящего и выходящего потоков. Кстати, машина, работающая именно на этом принципе, и была изобретена учеными (см. начало статьи).

Принцип работы установки следующий. Рабочие органы входного потока извлекают часть кинетической энергии из потока и передают ее при помощи обратной связи рабочим элементам выходного потока, дополнительно ускоряющим выходной поток. Поскольку расход воды, входящий в установку, равен выходящему и скорость вытекающего потока выше, чем входящего, то площадь сечения выходящего потока будет меньше, чем входящего. Следовательно, его глубина будет меньше, чем глубина входящего потока на величину h. Вследствие этого возникает потенциальная энергия разницы уровней горизонтов входящего и выходящего потоков.

Энергетический баланс установки следующий: E = Eh + Ek1 – Ek2

Суммарная энергия установки будет равна потенциальной энергии разницы уровней бьефов плюс кинетической энергии входного потока минус кинетической энергии выходного. Опустив все математические выкладки, имеем:

E = M x (g x h + (V12 x (1 – (H1 / (H1 – h) 2) / 2)
или
E = M x (g x H1 x (1 – V1 / V2) + (V12 – V22) / 2),
где M – масса воды, входящая в установку в некоторую единицу времени, равная плотности воды, умноженной на активную площадь входного потока и умноженной на его скорость.

Необходимо отметить, что все математические выкладки основаны строго на уравнении Бернулли (законе сохранения энергии) и уравнении неразрывности потока (законе сохранения массы).



Извлечение энергии без затрат извне

Далее начинается самое интересное. Видно, что в уравнении левая часть в скобке будет линейно возрастать в зависимости от h или по гиперболе для V2, а правая будет убывать, причем по параболе. Кто же перетянет? Построим зависимость энергии от перепада уровней h. График сделаем для различных величин входной скорости V1, приняв ее за константу.

Парадоксально! График зависимости энергии от перепада уровней имеет экстремум. Причем на восходящей ветви баланс энергии будет положительным (коэффициент мощности > 1), то есть извлекаемая потенциальная энергия будет больше затрачиваемой на ускорение выходящего потока кинетической, и установка будет саморазгоняться, пока не достигнет максимума. Энергия, выдаваемая установкой в этой точке, будет превышать кинетическую энергию входного потока в несколько раз. А при определенных условиях в десятки и даже сотни раз!

При этом скорость выходящего потока будет существенно (порой в 2 – 3 раза) выше скорости входящего, а, следовательно, кинетическая энергия выходящего потока в 4 – 9 раз выше кинетической энергии входящего. Более того, не все «в порядке» и с входной скоростью. Она также имеет экстремум.

Как ни парадоксально, но существует оптимальная скорость входного потока, при превышении которой мощность установки будет резко падать. Это связано с существенными затратами энергии на разгон уже и без того быстродвижущегося потока. Подобная машина сама для себя создает подпор и в состоянии извлекать потенциальную энергию из объекта без затрат энергии извне.



Мифология или наука?

Вам это ничего не напоминает?

Наиболее сведущие в физике сразу воскликнут: «Да ведь это же «демон Максвелла»! Пресловутый и неуловимый! Многие скажут, что Максвелл предложил своего «демона» для термодинамики, а здесь мы оперируем гидродинамикой. Да, но смысл от этого не меняется – мы можем извлечь из объекта (в данном случае – потока жидкости) потенциальную энергию, которую при обычных условиях извлечь невозможно, – и при этом ничего не затрачивая (даже не строя плотины!).

Правда, извлечь можно все же не всю потенциальную энергию. Во-первых, глубина выходящего потока не равна нулю. Во-вторых, часть извлеченной потенциальной энергии переходит в дополнительную кинетическую энергию, выплескиваемую с этим потоком. А она ведь даже больше, чем кинетическая энергия входящего потока. Но это – та плата, которую мы должны отдать «демону», чтобы он согласился работать на нас.

Может возникнуть вопрос: «А как же тогда выходящий поток, имеющий уменьшенную глубину, сопрягается с окружающим его потоком воды с нормальной, неизмененной глубиной?». Тут стоит как раз вспомнить, что скорость выходящего потока выше, чем окружающей среды, и вследствие эффекта эжекции возникает так называемый «гидравлический прыжок», который выравнивает несоответствия кинетической и потенциальной энергий двух потоков. Этот «прыжок» по сути представляет собой бурун, завихрение в потоке.

Вывод из всего вышеописанного невозможно переоценить. В природе существует процесс, позволяющий извлекать не извлекаемую прежде потенциальную энергию из любого ее имеющего объекта, и он найден! Это – принцип положительной обратной связи с возможностью передачи энергии между разными потоками энергоносителя. И есть возможность получения бесплатной, экологически чистой энергии из окружающей среды, предсказанная великим английским ученым Джеймсом Максвеллом еще в 1871 году в виде шуточного демона. Может быть, именно поэтому это всегда и воспринималось не более чем шутка великого ученого?

Или это все же реальность?

С термодинамикой и аэродинамикой, правда, пока еще не все ясно, но, поскольку этот процесс существует в гидродинамике, то он должен существовать и в любой другой отрасли физики. Некоторые разработки в термо- и аэродинамике уже имеются. Но, даже если этот процесс не будет найден для них в ближайшее время и поиск его затянется еще на десяток лет, то, как минимум, использование его гидродинамической интерпретации уже сейчас сулит человечеству огромные дивиденды в виде бесплатной энергии и чистой атмосферы.

В заключение хотелось бы отметить, что все вышеприведенные расчеты сделаны для идеальной жидкости, а на способ получения энергии и расчета устройств, использующих этот принцип, а также на конструкцию этих устройств поданы международные патентные заявки.

СПРАВКА

Демон Максвелла – мысленный эксперимент 1867 года, его главный персонаж – гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс второго начала термодинамики.

Одним из следствий второго начала термодинамики является невозможность передачи тепла от тела с меньшей температурой телу с большей температурой без совершения работы.

Мысленный эксперимент состоит в следующем. Предположим, сосуд с газом разделен непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам – только из правой части сосуда в левую. Тогда, через большой промежуток времени, горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а холодные – в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (второе начало термодинамики).

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счет этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 08 (124) апрель 2009 года:

  • Сибирские энергетики не хотят в девяностые
    Сибирские энергетики не хотят в девяностые

    Сибирская энергетическая ассоциация (СЭА) подвела итоги работы в 2008 году и определила свою стратегию в условиях экономического кризиса. ...

  • Отечественному производителю – зеленый свет!
    Отечественному производителю – зеленый свет!

    Холдинговая компания «Электрозавод» – лидер отечественной промышленности по разработкам и производству высоковольтного электротехнического оборудования. ...

  • Штрафов не будет
    Штрафов не будет

    Россия не станет штрафовать Белоруссию за недобор газа в 2009 году, заявил посол РФ в Белоруссии Александр Суриков. По его словам, Белоруссия может недобрать по итогам 2009 года 5 миллиардов кубометров газа. Причиной этого стала теплая зима, а также сокращение производства на белорусских предприятиях. Согласно контракту между «Белтрансгазом» и «Газпромом», Белоруссия должна выкупить в 2009 году 21,6 миллиарда кубометров газа. ...

  • Встроенные трансформаторы в современных условиях
    Встроенные трансформаторы в современных условиях

    В связи с обновлением оборудования, устаревшего не только морально, но – что еще хуже – физически, совершенствованием релейной защиты и внедрением АИИСКУЭ идет активная замена старых трансформаторов на новые, отвечающие современным требованиям. ...

  • Современные технологии – рынку России!
    Современные технологии – рынку России!

    Мы рады сообщить вам, что VIII Международный форум «PCVEXPO / Насосы. Компрессоры. Арматура» пройдет с 13 по 16 октября 2009 года в 3-м павильоне МВЦ «Крокус Экспо». ...