Термодинамика
Предыдущая глава ( Агрегатные состояния ) | Содержание книги | Следующая глава ( Тепловое излучение ) |
Соответствующая статья Википедии: Термодинамика
Определения
Теплота – хаотичное движение и равноправное механическое взаимодействие различных частиц:
- Реальные материальные частицы.
- Фотоны.
- Фононы Дебая (см. «Теплоемкость»).
Законы термодинамики не являются фундаментальными, и следуют из статистической теории системы частиц, возникшей благодаря молекулярно-кинетической теории, основанной М.В. Ломоносовым.
Давление – объемная плотность кинетической энергии частиц, отделяемая от внутренней (как бы некинетической) тепловой энергии, и создающая силы действия на макроскопические объекты в системе микрочастиц, например, давление на стенки сосуда. При отсутствии силовых полей, давление вместе с температурой стремится стать одинаковым по всему занимаемому объему (см. "Сплошная среда"). Уравнение суммарной кинетической энергии ("Система частиц", 13): \[PV=NkT\tag{1}\] Тепловое расширение тел происходит силами давления хаотично двигающихся частиц вещества. Наиболее низкий коэффициент теплового расширения имеют диэлектрические кристаллы, где все частицы жестко связаны (алмаз, кварц и т.д.).
Полная энергия равновесной системы или энтальпия ("Система частиц", 1), применимая для газов и жидкостей, находящихся вне силовых полей, имеет известное общее выражение:
\[H=TS=U+PV\tag{2}\]
\[U=CT\tag{3}\]
\(U\) – внутренняя энергия теплового (колебательного, вращательного) движения частиц, которое не создает давление;
\(C\) – теплоемкость системы, зависящая от свойств, состояния и количества вещества;
\(P\) – давление в системе;
\(V\) – объем замкнутого пространства или удельный (молярный) объем.
Соотношение, получаемое из (1), (2), (3) сокращением \(T>0\): \[S=C+kN\tag{4}\] Теплоемкость, следовательно, аналогична энтропии:
- Определяется числом состояний системы.
- Равна сумме теплоемкостей частей системы. Поэтому можно использовать удельную (молярную) теплоемкость.
Молярная теплоемкость и молярная энтропия в системе СИ находятся в соотношении: \[S_M=C_M+kN_A=C_M+R\tag{5}\] где \(N_A\) – число Авогадро, \(R\) – универсальная газовая константа Менделеева.
Абсолютная величина энтропии физических тел определяется только формулами (4) и (5), поскольку статистический вес \(\Omega\) в общем случае не имеет определения.
Энтропия
Изменение энтальпии любой системы в результате теплообмена с внешней средой, приводит к изменению ее температуры и/или энтропии, но глобальная энтропия при теплообмене не снижается. Рост энтропии проявляется в увеличении занимаемого объема или в росте давления, если объем ограничен.
Что сдерживает рост энтропии вселенной, в которой все частицы естественно стремятся равномерно заполнить весь ее объем? Звезды и планеты, удерживающие своим тяготением жидкость и атмосферу, созданы вопреки принципу равномерного распределения микрочастиц в отсутствии силовых полей. Ограничить рост энтропии и структурировать материю могут только самоподдерживающиеся эфирные вихри, как источники всех полей.
В неравновесной системе, состоящей из частей с разными параметрами, сумма энергий частей равна энергии всей системы: \[PV=\sum{P_iV_i}=k\sum{N_iT_i}=NkT\tag{6}\] Давление пропорционально плотности (концентрации) частиц и температуре: \[P_i=\frac{N_i}{V_i}kT_i\tag{7}\] В жидкостях и газах могут существовать свободные вихри, где центральное статическое давление снижено по отношению к периферии. Вместе со статическим давлением также снижается температура или, при баротропном течении, плотность (концентрация) частиц, а значит теплоемкость и энтропия.
Эфир сам по себе не является системой частиц с термодинамическими параметрами, но может поддерживать стабильные макровихри, которые увлекают материальные частицы в вихревое движение. Это сдерживает рост энтропии и температуры вселенной.
Машины
Эксплозия | Имплозия | |
---|---|---|
Примеры | взрыв, сгорание | вихрь, сжатие, объемный (вакуумный) взрыв |
Объем | расширяется | сокращается |
Энтропия | растет | падает в центре свободных вихрей |
Преобразование | тепло -> давление | статическое давление -> динамическое давление давление -> тепло |
Машина | камера сгорания, цилиндр, поршень | турбина, ротором может быть само рабочее тело |
КПД | ограничен | неограничен, возможно «вечное» движение в эфирных вихрях |
Эксплозия (взрыв) – принцип преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию, появившийся после изобретения пороха. Поэтому традиционно применяется химическая энергия, и первые тепловые машины, в сущности, были похожи на огнестрельное оружие (цилиндр вместо ствола, поршень вместо снаряда).
Эффективность (КПД) тепловой машины не превышает относительного уменьшения энтальпии (полной энергии) рабочего тела в ходе преобразования: \[\eta\leq\frac{H_{ВХ}-H_{ВЫХ}}{H_{ВХ}}=1-\frac{H_{ВЫХ}}{H_{ВХ}}=1-\frac{T_{ВЫХ}S_{ВЫХ}}{T_{ВХ}S_{ВХ}}<1\tag{8}\] Теоретическая идеальная машина Карно не изменяет энтропию рабочего тела во время совершения им полезной работы, а только снижает его температуру. Верхнюю границу КПД (изоэнтропный КПД) реальных машин оценивают по формуле для машины Карно: \[\eta=1-\frac{T_{ВЫХ}}{T_{ВХ}}\tag{9}\] Имплозия, в терминологии изобретателя Шаубергера, обозначает естественный эффективный источник кинетической энергии постоянного сжатия вместо циклического расширения. Наиболее эффективные двигатели используют области постоянно повышенного давления в среде рабочего тела, приводящие среду в постоянное движение по всему ее объему. «Вечные» двигатели используют давление окружающего эфира.
Машина | Принцип | Максимум КПД |
---|---|---|
Паровая машина | Эксплозия с внешним сгоранием | 10% |
Двигатель Стирлинга | Эксплозия с внешним сгоранием | 30% |
Бензиновый поршневой ДВС | Эксплозия | 30% |
Дизельный ДВС | Эксплозия + имплозивное зажигание | 40% |
Турбонаддув для поршневого ДВС | + имплозия | +10% |
Авиадвигатель | Эксплозия + имплозия | 40% |
Паровая или газовая турбоустановка | Эксплозия + имплозия | 40% |
Идеальный поршневой двигатель (см. "Теплоемкость") | Эксплозия | 50% |
Ракетный двигатель | Эксплозия без поршня | 60% |
Парогазовая турбоустановка | Эксплозия + имплозия | 60% |
Теоретическая машина Карно с разностью температур 1000 – 100 °С | Эксплозия | 70% |
Двигатель Клема | Имплозия | – |
Турбина Шаубергера | Имплозия | – |
Предыдущая глава ( Агрегатные состояния ) | Содержание книги | Следующая глава ( Тепловое излучение ) |