30 Май

Молекула-демон Андреева




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Для начала вспомним контактную разность потенциалов, возникающую при контакте двух разнородных металлов. При контакте двух разнородных металлов часть электронов переходит с одного металла на другой. При разъёдинении металлов один металл оказывается заряженный положительно, а другой отрицательно. Этот факт доказал ещё А. Вольта своим опытом с двумя дисками из меди и цинка и электроскопом [1]. Возражений против этого нет.

Возьмём другой пример. В закрытом сосуде летает одиночная молекула. Она может так летать вечно, ударяясь и отскакивая от стенок сосуда. Возражений против этого также нет. Но, в принципе, ничто не мешает объёдинить эти два явления и в результате получится интересное явление.

Допустим, имеется молекула газа с такими вот свойствами. При столкновении с одним материалом, назовём его анод, на молекулу с анода переходит 1 электрон. При столкновении с другим материалом, назовём его катод, электрон с молекулы переходит на катод. Материал, из которого сделаны анод и катод, неизвестны. Как неизвестна формула молекулы газа. Но это не важно. Просто примем как факт то, что такая молекула и такие материалы есть. Ведь и демон Максвелла, и двигатель Сциларда, и вертушка Фейнмана тоже не были изготовлены в натуре. А просто предлагалось обсудить вопрос, что будет, если они бы существовали? Поэтому тоже обсудим вопрос, что будет, если описанные ниже анод, катод и молекула существуют?

Имеется вот такой сосуд. См. рис. 1.

Рис. 1.

1 – анод. 2 – катод. Внутри сосуда летает одна молекула. Эта молекула ударяется в анод (а). При этом 1 электрон переходит с анода на молекулу. Анод заряжается положительно, а молекула отрицательно. После отскока молекула летит к аноду и ударяется в него (б). При этом 1 электрон переходит с молекулы на катод. Катод заряжается отрицательно, а молекула становиться нейтральной. Затем молекула снова летит к аноду и процесс повторяется. После многочисленных соударений молекулы с анодом и катодом, анод заряжается положительно, а катод отрицательно. Между анодом и катод возникает некоторая разность потенциалов.

Возможен и такой вариант. См. рис. 2.

Рис. 2.

В данном варианте свойство молекулы таково, что нейтральная молекула  при столкновении с анодом получает 1 электрон. А при столкновении с катодом нейтральная молекула отдаёт 1 электрон катоду. При первоначальном столкновении с анодом нейтральная молекула получила 1 электрон (а). Но при столкновении с катодом молекула передает катоду 1 электрон, который она получила от анода и плюс к этому 1 свой электрон (б). В результате при столкновении с катодом молекула передаёт катоду 2 электрона и заряжается положительно. При  последующем столкновении с анодом молекула уже также получит с анода 2 электрона. То есть, молекула в этом варианте будет переносить по 2 электрона одновременно.

Например, молекула столкнулась с анодом. Анод зарядился положительно, а молекула – отрицательно. Между ними действует сила притяжения. Молекула после удара отскакивает с меньшей скоростью, так как часть своей кинетической энергии тратит на преодоление силы притяжения. Отрицательно заряженная молекула летит к отрицательно заряженному катоду. Между молекулой и катодом действует сила отталкивания, что также снижает скорость молекулы. При ударе молекула передает электроны катоду и заряжается положительно. Между молекулой и катодом действует сила притяжения. На преодоление этой силы также тратится кинетическая энергия молекулы. При каждом столкновении скорость молекулы снижается. То есть, температура такого «газа», состоящего из одной молекулы уменьшается. Его температура становиться ниже температуры стенок, анода и катода. Поэтому этот «газ», состоящий из 1 молекулы получает тепло от стенок, анода и катода, в которые ударяется молекула. А они в свою очередь получают тепло от окружающей среды. И за счёт этого тепла от окружающей среды молекула будет постоянно восстанавливать свою кинетическую энергию. Без тепла окружающей среды через некоторое количество столкновений молекула прилипла бы к аноду или катоду. То есть, такая молекула-демон переносит электроны с анода на катод за счёт тепла окружающей среды. В результате имеем классический вечный двигатель второго рода, но уже без кавычек. Так как это действительно вечный двигатель. В таком двигателе нет никаких механических движущихся частей. То есть, ломаться в таком вечном двигателе нечему в принципе. Запустили внутрь такого сосуда газ, состоящий из таких молекул и всё. Будет работать тысячелетия, пока какие-нибудь внешние причины не повредят сосуд или Земля не остынет.

Но что будет, если в сосуде будет множество таких молекул? См. рис. 3.

Рис.3.

У анода 1 будут отрицательно заряженные молекулы. У катода 2 — положительно заряженные молекулы. Эти заряженные молекулы будут также взаимодействовать между собой. Так как они имеют разноимённые заряды, то они будут притягиваться друг к другу. При соприкосновении молекул 1 электрон с отрицательно заряженной молекулы будет переходить на положительно заряженную молекулу. В результате обе станут нейтральными. Потом эти нейтральные молекулы всё равно столкнуться с анодом или катодом и снова приобретут какой-либо заряд. Электроны в этом случае будут переноситься от анода к катоду молекулами не напрямую, а через множество других молекул. На это также будет тратиться кинетическая энергия молекул и в результате температура газа внутри сосуда будет уменьшатся. Но молекулы газа будут получать тепло окружающей среды через стенки сосуда, анод и катод при соударении с ними.

В отличии от демона Максвелла, двигателя Сциларда или вертушки Фейнмана в данном вечном двигателе нет ни одной движущейся детали. Так же нет необходимости наблюдения за молекулами, определения их скорости и т.д. То есть, нет всех тех причин, которые делают демона Максвелла, двигатель Сциларда и вертушку Фейнмана неработоспособными.

Возможно, что этот процесс будет невозможен при комнатной температуре, но будет возможен при высокой температуре. В этом случае кпд такого преобразователя тепловой энергии в электроэнергию будет теоретически равен 100%. Так как тепловая энергия преобразуется в электроэнергию напрямую, без каких-либо промежуточных стадий. Также нет необходимости отдавать часть тепла холодильнику, как в термодинамическом цикле Карно.

Небольшой расчёт. Ток 1 ампер равен заряду в 1 кулон, прошедшему через проводник за 1 секунду. Так как заряд электрона 1,6х10-19 К, то в 1 Кулоне 6,25х1018 электронов. Каждая молекула при соприкосновении будет переносить 1 электрон. Например, молекулы воздуха за 1 секунду ударяются в 1 см2 поверхности примерно 2,25х1023 раз. Допустим, что столько же раз будут ударяться молекулы-демоны в анод и катод. Но так как молекулы-демоны переносят электроны не напрямую, а через другие молекулы, то допустим, чтобы перенести 1 электрон необходимо примерно 105 ударов молекул-демонов в анод и катод. Соответственно, за 1 секунду будет переноситься примерно 6,25х1018 электронов. Значит при площади анода и катода 1 см2 можно получить ток 1 ампер. Конечно, напряжение, создаваемое одним таким элементом, будет небольшое, десятки милливольт. Допустим, каждый элемент будет создавать напряжение 0,05 В. Если соединить последовательно 2000 элементов, то получим напряжение 100 В. Толщина одного элемента 1 мм. Ещё 2 мм это промежуток между элементами для прохождения теплоносителя. Так как такое устройство вырабатывает электроэнергию за счёт тепла окружающей среды, то необходим подвод этого тепла к каждому элементу. Общая площадь одного элемента можно сделать 100 см2. Ток такого элемента 100 А. Соответственно мощность всей батареи 100 В х 100 А = 10000 Вт или 10 кВт. Что для индивидуального использования одной семьёй вполне достаточно. Размер такой батарей 10 см х 10 см х 600 см. Так как такой источник электроэнергии работает за счёт теплоты окружающей среды, то основная проблема в таком источнике — это обеспечить подвод необходимого количества теплоты к нему от окружающей среды. Сколько тепла поступило от окружающей среды — столько электроэнергии получим.

Допустим, по морю плывёт корабль с двигателем мощностью 100000 кВт. Так для обеспечения энергией двигателя этого корабля, необходимо охлаждать в течении 1 минуты 10 м3 морской воды с 20 до 5 градусов по Цельсию. И плывя по такому, в буквальном смысле слова, океану энергии, корабль вынужден сжигать много топлива.

Литература:

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Изд-во МФТИ, 2004 г.

Молекула-демон Андреева
Written by: Андреев Юрий Петрович
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 03/12/2017
Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)
Available in: Ebook