На рисунке вариант трубы Ранка-Хилша, как видно из рисунка труба может разделять газ на два потока горячий и холодный,
в неподвижном положении для это требуется совершать работу по закачке в трубу газа.
Но в чем потери этой работы и куда идёт не потраченная на охлаждение энергия? Можно ли полученный теплый воздух пропустить через устройство ещё раз выжимая из него тепловую энергию? Увеличиться ли суммарный КПД устройства если использовать его в движении как тепловой насос? Люди используют энергию ветра, солнца, воды, почему бы не использовать энергии окружающего воздуха?
-- Вс июл 25, 2010 14:20:51 --На заметку термический КПД цикла Карно имеет максимальное значение только для циклов без регенерации тепла. Для таких циклов передача тепла в окружающую среду является принципиальной необходимостью, связанной с необходимостью производства работы против сил гравитации. (см. [Л-4]). В
регенеративном цикле Ленуара работу против сил гравитации можно свести к минимуму и в пределе к нулю. Это позволит получить термический КПД выше КПД цикла Карно при равных температурных параметрах.
Цикл Карно имеет только максимальную работоспособность за цикл среди всех мыслимых циклов. Однако это мало значимо для практики, так как увеличения мощности можно достичь, и достигают увеличением числа оборотов, выигрывая при этом и в габаритах.
-- Вс июл 25, 2010 14:24:06 --А вот тут аналог демона Максвелла в гидродинамике
http://www.erg.glb.net/scientific-article1.html-- Вс июл 25, 2010 14:33:52 --Демон Максвелла — идеальный тепловой насосЭта идея основана на утверждении классической термодинамики, что молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, двигаются не только в разных направлениях, но и с весьма различными скоростями — от практически нулевой до некоторого максимального значения.
Идея заключается в том, что если отгородить мембраной некоторую часть пространства и заставить гипотетическое устройство (или существо), называемое «демоном Максвелла», пропускать в эту область снаружи только те частицы, скорость которых в момент подлёта к этой мембране больше средней, а обратно не выпускать ничего, то через какое-то время в огороженной области соберутся высокоэнергетичные «тёплые» частицы, а в вне её останутся более медленные «холодные» частицы. Таким образом, в прежде однородном объёме газа образуются тёплая и холодная области, т.е.
«демон Максвелла» является идеальным тепловым насосом.Механическим аналогом «демона Максвелла» является, например, подпружиненная дверка мышеловки, пропускающая мышку внутрь и захлопывающаяся за ней. Если «обстреливать» такую дверку, скажем, металлическими шариками, то открыть её и попасть внутрь смогут только те из них, которые движутся с достаточно высокой скоростью — более медленным для этого «не хватит сил», то есть энергии. Правда, применительно к частицам газа размеры такой «дверки» должны быть не более нанометра (поскольку газокинетические диаметры молекул большинства газов, в том числе образующих атмосферу, лежат в диапазоне от 0.3 до 0.5 нм), а необходимая для её «открытия» энергия должна соответствовать средней кинетической энергии молекул газа при нужной температуре. Однако главная беда этой идеи даже не в том, что необходимы столь мизерные размеры и усилия — прогресс нанотехнологий даёт надежду, что создать нечто подобное вполне возможно если не сейчас, то в не слишком отдалённом будущем. Главная беда в том, что судя по всему, на самом деле все молекулы газа, находящегося в равновесном состоянии, имеют практически одну и ту же скорость! Поэтому «демон Максвелла» не реализуем в принципе — он лишь плод фантазии, базирующейся на ошибочных представлениях об идеальном газе.
Следует заметить, что иногда под «демоном Максвелла» имеется в виду любой способ внести какой-то порядок в хаос теплового движения — скажем, разделять частички не по скоростям, а по направлению, получив струю вещества. Главное, чтобы затраты на это были меньше, чем энергетический выигрыш, полученный в результате такого разделения.
Поток из хаоса
Другая идея по извлечению тепловой энергии заключается в следующем. Обычно частицы газа движутся хаотически во всех возможных направлениях. Но если каким-то образом хотя бы некоторую их часть заставить двигаться в одном и том же направлении (не меняя абсолютную величину их скоростей), мы получим направленный поток — ветер в газовой среде или течение в жидкости. А как извлечь пользу из ветра и течения, люди знают уже не одну тысячу лет! При этом на макроуровне упорядочивание движения и возникновение потока будет сопровожаться уменьшением температуры и бокового давления в этом потоке — ведь хаотического теплового движения стало меньше.
Можно ли изменить хаотическое направление движения на желаемое без затрат энергии? Можно! В обычной жизни это успешно осуществляется с помощью различных пассивных отражателей и экранов. Правда, при переходе на микроуровень размеры этих устройств должны быть существенно меньше длины свободного пробега молекул (для воздуха при нормальных условиях она составляет порядка 30 нм), а неровности направляющих поверхностей не должны превышать доли газокинетического диаметра молекул, то есть быть не более 1 ангстрема (0.1 нм), что налагает жёсткие ограничения на материалы и технологии их изготовления.
Тем не менее, этот путь не представляется таким уж безнадёжным.
Есть сведения, что сопротивление потоку воды специальной мембраны из нанотрубок оказалась на несколько порядков меньше расчётного. Возможно, здесь имело место проявление именно этого эффекта.Более того, вполне вероятно, что нечто подобное можно организовать и на макроуровне, причём с помощью самых обычных технологий — в буквальном смысле лопатой и экскаватором! По утверждению Виктора Шаубергера, именно это происходит ежесекундно и повсеместно в естественно текущих ручьях и реках, и именно этим объясняется их способность к естественной очистке русла от наносов и прохладная температура основного потока. Причиной такого эффекта является естественное вихревое движение воды в русле реки, самоорганизующееся особым образом и за счёт порождаемых макроскопическими завихрениями воды всё более мелких вихрей (очевидно, прежде всего на стыках более крупных вихрей и границах струй), в конце концов обеспечивающее необходимые эффекты на наноуровне — на уровне отдельных молекул. Искусственное спрямление и «улучшение» русла нарушает условия возникновения этого движения, в результате, хотя скорость сброса воды возрастает, растёт и температура потока, а русло интенсивно заполняется отложениями.
Скорости молекул газа
Несмотря на то, что современная классическая термодинамика выглядит вполне законченным монументальным сооружением, на самом деле тут не всё так гладко. Вот, например, один из неудобных вопросов, касающихся самых основ современной термодинамики газов: почему молекулы газа в равновесном состоянии должны иметь столь значительный разброс по скоростям, разве из-за взаимных столкновений и неизбежного при этом обмена энергией их скорости не должны выровняться по величине и быть примерно одинаковыми? Ведь термин «абсолютно упругие столкновения» подразумевает, что вся кинетическая энергия остаётся именно кинетической и не переходит в другие формы, но не запрещает её перераспределение между участниками столкновения, более того, именно за счёт такого перераспределения в классической термодинамике объясняется обмен теплом между стенками сосуда и газом внутри него.
Классические представления о распределении молекул газа по скоростям
По представлениям классической термодинамики, молекулы газа, даже находящегося в равновесном состоянии, имеют широкий диапазон мгновенных скоростей, различающихся не только по направлению, но и по абсолютной величине. При этом если направления в среднем равномерно распределены во все стороны, то абсолютные величины скоростей частиц лежат в очень широком диапазоне. Большинство частиц имеют скорость, близкую к некоторой усреднённой величине, находящейся внутри этого диапазона, однако всегда существует некоторое количество более быстрых и более медленных частиц. Профиль этого распределения является статистически стабильным и соответствует Гауссову распределению вероятностей, а теоретический диапазон возможных скоростей лежит в пределах от 0 до бесконечности.
В подтверждение этого приводятся теоретические распределения Больцмана и Максвелла, соответствующие вышеприведённому утверждению и подтверждаемые экспериментально полученными распределениями Штерна и Ламмерта. Однако теория подразумевает возможность бесконечно больших скоростей молекул, но на опыте, несмотря на все старания, не удалось обнаружить молекулы со скоростями выше некоторой достаточно чётко определяемой верхней границы.
Нелогичность классических представлений о распределении по скоростям
С точки зрения обычной механики утверждение о наличии при равновесном состоянии газа огромного разброса скоростей его частиц выглядит совершенно нелогичным. В самом деле, при упругом столкновении двух шаров они могут обменяться импульсами лишь частично или почти полностью. Теоретически возможен и абсолютно полный обмен импульсами, но это идеальный случай, — на практике всегда находится причина, по которой этого не происходит! А в результате многих столкновений с частичным обменом импульсами в среде, состоящей из таких хаотично движущихся шаров одинаковой массы (а ведь это и есть механическая модель идеального газа), их скорости постепенно выравняются и будут практически одинаковыми (с учётом частоты столкновений в нормальных атмосферных условиях для этого потребуются лишь малые доли секунды).
В самом деле, быстрый шар легко может догнать медленно движущийся в том же направлении и передать ему часть своего импульса или разность импульсов. Но самый быстродвижущийся шар сзади не подтолкнёт никто (его попросту никто не догонит из задней полусферы), а вот спереди он рано или поздно наскочит на более медленного собрата и потеряет часть своей энергии и скорости, подтолкнув того (в лучшем случае — передаст ему всю разницу импульсов, но ни один из шаров при этом всё равно не приобретёт скорости большей, чем была изначально у догнавшего шара). При встречном столкновении двух шаров они также могут разлететься обратно или в стороны под углом, но при этом величины их скоростей могут лишь выровняться, но никак не превысить прежнюю скорость самого быстрого из них. Кстати, по этой же причине более горячий газ с более быстрыми частицами может передать свою избыточную энергию более холодному, частицы которого движутся медленнее, а вот обратный процесс невозможен. Также невозможно и вновь выделить из «тёплого» результирующего газа «горячие» молекулы — их там просто нет, они уже отдали свой избыток энергии более медленным «коллегам» и теперь скорости всех молекул практически одинаковы.
Справедливости ради надо заметить, что при столкновении трёх и более шаров возможна ситуация, когда два шара сталкиваются возле третьего таким образом, что передают ему значительную часть своей суммарной кинетической энергии, как бы «вытеснив» его между собой. В результате скорость этого «выбитого» шара может превысить исходную скорость любого из трёх шаров. Однако даже на плоскости организовать подобную ситуацию непросто (спросите у бильярдистов!), а в объёме — ещё сложней. Вероятность тройных столкновений при нормальных условиях так мала, что обычно ею вообще пренебрегают и начинают учитывать только в случае больших давлений, когда длина свободного пробега частиц газа становится сравнима с их газокинетическим диаметром (для воздуха при нормальных условиях эти величины отличаются примерно в 100 раз). Да и распределения молекул по скоростям при таком механизме «ускорения» должны иметь совсем иной вид — должен быть резкий пик для средней скорости и практически незаметные «хвосты» по бокам от него, соответствующие отношению вероятности одновременного столкновения трёх и более частиц (да не любого, а вышеописанного «хитрого») к вероятности столкновения двух, причём «медленный» хвост должен быть раза в два толще «быстрого».
Кроме того, столкновения молекул газа с молекулами стенок содержащего его сосуда априори предполагаются с частичной передачей импульса — ведь именно передачей части импульса более быстро движущихся «горячих» частиц более медленным «холодным» и объясняется выравнивание температуры газа и стенок сосуда. Так почему же внутри объёма газа между его частицами этот механизм не должен действовать и при столкновениях частичный обмен импульсами не предполагается, а выравнивание температуры объясняется лишь распространением быстрых «горячих» частиц по всему объёму с сохранением ими своего импульса? А если такой обмен действует и в объёме газа, то как мы только что видели, скорости всех его молекул очень быстро должны стать практически одинаковыми!
Скорость звука в газе и скорость его молекул
Ещё одна «странность». Логично допустить, что максимальная скорость передачи воздействий в среде должна быть равна максимальной скорости её частиц. Поэтому следовало бы предположить, что скорость звука в газовой среде равна максимальной (или максимально вероятной) скорости его частиц — ведь именно они являются физической основой для переноса энергии звуковой или ударной волны. Однако, если скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет примерно 330 м/с, то средняя скорость его молекул в тех же условиях, вычисленная из предположения, что тепловая энергия — суть кинетическая энергия его частиц, составляет порядка 550 м/с. Результаты получаются, мягко говоря, несколько странные. Конечно, были придуманы объяснения, позволяющие кое-как свести концы с концами, но получившаяся конструкция оказалась весьма шаткой, поэтому обычно этот момент вообще стараются опустить или пройти мимо него как можно быстрее. Недаром термодинамика и акустика являются разными разделами физики, пересекающимися друг с другом лишь весьма выборочно. А ведь, казалось бы, наоборот, они должны были давно и неразделимо слиться друг с другом — ведь основа-то у них одна — движение частиц газа.
Вот ещё пара «звуковых» вопросов, необъяснимых с точки зрения вероятностного распределения скоростей молекул. Почему скорость потока газа, попадающего в атмосферу, изначально сверхзвуковая (скажем, при выстрелах и взрывах), очень быстро снижается до скорости звука в атмосфере, а затем именно с такой скоростью ударная волна может распространяться на многие километры? Да, конечно, выброшенные частички газа тормозятся при столкновении с невозмущёнными частицами. Но ведь «горб» «официального» распределения по скоростям весьма пологий, а торможение потока до скорости звука происходит резко!
Другой вопрос. Полученные теоретические и экспериментальные результаты говорят, что в соответствии с распределением Максвелла 50% молекул укладываются в диапазон скоростей порядка ±30% относительно наиболее вероятной скорости. Вдумайтесь! Скорости половины молекул могут различаться почти вдвое (от 70% до 130%), а оставшаяся половина различается по скоростям уже в разы! Если предположить, что звук переносится всеми молекулами (а иное предполагать нет оснований), то из-за такой разницы скоростей переносчиков уже на небольшом расстоянии от источника звука всё должно бы смешаться в один нечленораздельный гул. Между тем при отсутствии преград и отражений звук вполне чётко распространяется на десятки и сотни метров. Несколько сот метров звук проходит практически без размытия — каждый может убедиться в этом, вслушиваясь в удары грома при грозе, даже если молния вспыхивает в паре километров от наблюдателя (задержка между вспышкой и звуком 5 секунд и более; раскаты здесь объясняются большой длиной молнии, но первый удар почти всегда слышится чётко). Музыка и даже речь, усиленные мощными динамиками, также вполне разборчиво слышны на расстоянии в сотни метров — это может проверить каждый, посетив в ближайший праздник «места народных гуляний». То же касается и ударной волны при взрывах — она может проходить многие километры как компактный и почти нерасплывшийся сгусток механической энергии, передаваемый воздушной средой. Конечно, она ослабляется пропорционально квадрату расстояния до источника, но ни о каком выраженном размывании ударной волны, неизбежном при существенном различии скоростей элементов среды распространения, речь не идёт.
В ответ на подобные возражения физики лишь кивают и разводят руками: — мы сами понимаем, что это выглядит весьма странно, но вот есть экспериментально полученные распределения зависимости числа молекул от их скоростей, и мы можем объяснить их, только признав идеальность столкновений в газе относительно сохранения (либо обязательно полного обмена) количества движения каждой из сталкивающихся частиц и неидеальность столкновений этих же частиц со стенками сосуда (иначе бы температура стенок и газа взаимно не выравнивалась)! Однако даже из житейского опыта следует, что в мире крайне мало идеальных вещей, а если что-то объявляется идеальным, то скорее всего где-то есть какой-то подвох!
). Несмотря на огромный разброс энергий отдельных молекул. Или давление. Или... - в общем, откройте учебник и узнайте какие есть еще термодинамические параметры, как их классифицируют, как оценить их флуктуации и т.д.
(так у автора) вместо 10 частиц и закон сохранения импульса отменим?