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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.