Грозит ли нам тепловая смерть (или новый закон движения)

Грозит ли нам тепловая смерть (или новый закон движения) О. Ф. Меньших Со всех сторон раздаются голоса о глобальном потеплении, строятся прогнозы, когда под воды океана скроется Лондон и ряд других городов мира, государства договариваются о сокращении вредных выбросов промышленности в атмосферу, Альберту Гору в 2007 году присуждена Нобелевская премия за цикл работ, раскрывающих опасности, подстерегающие человечество в связи с прогрессирующим глобальным потеплением. Все эти прогнозы разделяются большинством учёных, что не может не встревожить всерьёз всех нас и обязывает учёных-физиков найти способ избавления от этой угрозы.

Сжигание различного рода топлив для приведения в действие механических систем, с одной стороны, сокращает запасы ценного химического сырья, а с другой стороны, приводит к повышению количества тепловой энергии на Земле, что дополнительно усугубляет глобальное потепление в мире. Каков же выход? Ведь человек не может обходиться без энергии углеводородов, не может остановить промышленность, отказаться от автомобилей и самолётов. Даже использование электроэнергии, получаемой от гидросистем или солнечной радиации, не спасает положения, так как эта энергия, в конечном счёте, увеличивает запасы тепла на Земле.

Традиционная термодинамика не даёт рецепта избавления от надвигающейся угрозы, доказывая, что все неравновесные процессы преобразования энергии протекают при соблюдении принципа возрастания энтропии, введённого Р. Клаузиусом в 1865 году и лежащего в основе второго начала термодинамики, согласно которому процесс, при котором работа переходит в тепло без каких-либо изменений состояния системы, необратим, то есть невозможно полностью преобразовать в работу всё тепло, взятое от тела, не производя никаких других изменений состояния системы (принцип Томсона). Принцип Томсона эквивалентен утверждению о невозможности вечного двигателя 2-го рода, то есть к.п.д. любого теплового двигателя з = (Т1 — Т2)/Т1 меньше единицы, где Т1 — температура нагревателя, производимая от сжигания топлива, Т2 — температура холодильника, то есть температура отработавших газов, выбрасываемых тепловым двигателем (двигателем внутреннего сгорания) в окружающую среду.

В микромире, то есть в мире атомов и молекул, из которых состоят все окружающие нас тела, этот принцип нарушается. Тело, нагретое в равновесном состоянии до температуры Т, излучает электромагнитные некогерентные колебания с частотами х и со сплошным спектром, спектральная плотность которого uх, T = 8рhх3/c3[exp (hх/kT) — 1] достигает максимума на частоте х0, определяемой равенством б0kT= hх0, где k = 1,38*10 — 23 Дж/град — постоянная Больцмана, h = 6,62*10 — 34 Дж*сек — постоянная Планка, б0 — некоторая постоянная.

Так, при температуре Т = 2980 К (250 С) частота х0 = 1,97*1013 Гц и значение постоянной б0 = 3,17. При этом максимум спектральной плотности равен max uх, T = 1,98*10 — 19 Дж/Гц м3 при ширине спектра излучения (по уровню 0,707) порядка 1,4*1013 Гц. Следовательно, объёмная плотность инфракрасного теплового излучения составляет при этом ч = 1,98*10 — 19* *1,4*1013 = 2,77*10 — 6 Дж/м3. С ростом температуры Т тела плотность теплового излучения существенно возрастает, а максимум спектральной плотности сдвигается в коротковолновую область спектра. При определённых температурах тело излучает в видимом диапазоне волн, а при сверхвысоких температурах — в области ультрафиолетового, рентгеновского и гамма диапазонов волн. Возбуждение электромагнитного излучения нагретыми телами следует объяснить хаотическим колебательным и вращательным движениями атомов и молекул, которые составлены из элементарных частиц — тяжёлых положительно заряженных протонов и лёгких отрицательно заряженных электронов. Поскольку последние более подвижны, то основной вклад энергии электромагнитного излучения составляют движущиеся электроны. Их колебательные движения и определяют частоту электромагнитных колебаний в излучении. Поглощая разные порции тепловой энергии, указанные колебания заряженных микрочастиц создают кванты электромагнитного поля разной частоты, что и объясняет наличие сплошного спектра электромагнитного излучения [1−4].

Электромагнитное излучение нагретого тела уменьшает его внутреннюю энергию, и это тело охлаждается. Если атомы и молекулы вещества поглощают электромагнитную энергию, то такое вещество, наоборот, нагревается в процессе переноса тепловой энергии от более горячего тела к более холодному. В случае равновесного состояния системы, когда температура тела во всех его точках остаётся неизменной во времени (при равенстве потоков поглощения и испускания во всех дифференциальных объёмах тела), атомы и молекулы вещества находятся в колебательно-вращательном состоянии с разными амплитудами и частотами, значения которых определяются температурой тела Т. При этом микрочастицы поглощают квант теплового поля бkT и излучают квант электромагнитной волны hх с произвольной начальной фазой, хаотически изменяющейся от микрочастицы к микрочастице и во времени, вследствие чего результирующее электромагнитное колебание некогерентно и имеет сплошной спектр. При постоянстве температуры тела Т квант теплового поля может различаться по энергии вариацией величины коэффициента б, и, следовательно, создаваемый им квант электромагнитного поля будет иметь частоту х. Для разных атомов и молекул вещества, находящегося в равновесном термодинамическом состоянии (Т = const), варьируют коэффициенты б. Следовательно, разные порции тепловой энергии, поглощаемые разными атомами и молекулами, будут иметь и различные амплитуды и частоты колебательно-вращательных движений в тепловом поле. Векторы этих колебаний хаотически распределены по их направлениям в телесном угле 4р стерадиан, что согласуется с броуновским движением микрочастиц, обнаруженным Р. Броуном в 1827 году, а впоследствии описанным А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905;06 годах.

Указанное свойство молекул и атомов, которое можно назвать как термодинамическая конверсия энергии, объясняет их хаотическое колебательно-вращательное движение в тепловом поле, а идеально упругие соударения между собой этих микрочастиц с разными векторами-импульсами сохраняет само тепловое поле. Характеристика этого теплового поля — его температура, физическая сущность которой определяется мерой хаотического движения микрочастиц и является силовой характеристикой этого поля. Сила FT, прикладываемая к микрочастицам, прямо пропорциональна температуре Т и обратно пропорциональна плотности вещества и может быть записана как FT = 2бkT/lСВ.ПР, где lСВ. ПР — длина свободного пробега микрочастицы между её последовательными идеально упругими соударениями. Эта сила понимается как внутренняя сила, возникающая от действия теплового поля на микрочастицы, либо как внешняя сила, если предположить корпускулярность теплового поля по аналогии с электромагнитным. Однако природа термодинамической конверсии энергии остаётся пока неизвестной. Одним из интересных выводов концепции такой конверсии энергии является броуновское движение микрочастиц в вакууме и в состоянии невесомости, что указывает на способность самодвижения материи под действием внутренних сил, что противоречит законам сохранения импульса и момента импульса. Предложение о проведении эксперимента по обнаружению броуновского движения микрочастиц в вакууме и в состоянии невесомости сделано автором [6,7], а в качестве микрочастиц предлагается использовать ферримагнитный порошок (диаметр частиц менее 0,1 мкм), размещённый в космическом аппарате в вакуумной прозрачной колбе. Такой порошок за определённый промежуток времени распространится, как газ, по всему объёму колбы, что можно наблюдать по рассеянию лазерного излучения, пропускаемого через прозрачные стенки колбы. Такой эксперимент можно повторять многократно в одном космическом полёте за счёт применения внешних намагничивающих постоянным током и размагничивающих переменным током с экспоненциально спадающей амплитудой электромагнитов. Это позволит статистически проанализировать закономерность броуновского движения микрочастиц в вакууме, когда на эти микрочастицы не действуют внешние силы, что позволит существенно развить теорию броуновского движения, сформированную более ста лет назад.

Важно отметить, что в равновесной термодинамической системе микрочастиц тепловая энергия Q = cMT (где c — удельная теплоёмкость вещества, M — его масса), распределённая неравномерно на NМ микрочастиц вещества, так что бСРkNМT = Q, где бСР — среднее значение коэффициента б для NМ микрочастиц (атомов и молекул), преобразуется в кинетическую энергию mVCР2/2 движущихся микрочастиц с массами m и средними скоростями VСР, так что выполняется равенство W = NМmVСР2/2 = Q, откуда можно записать равенство средних величин тепловой и кинетической энергии бСРkT = mVCP2/2, которыми постоянно во времени обменивается каждая микрочастица: поглощая в одном акте тепловой квант, микрочастица, разгоняясь под действием её внутренней силы до скорости VСР, после её соударения с другой микрочастицей в другом акте возвращает свою кинетическую энергию в тепловое поле, поддерживая температуру тела неизменной. Этот процесс взаимного превращения энергии между тепловым и механическим полями для равновесной термодинамической системы протекает с коэффициентом преобразования энергии, равным единице, что эквивалентно утверждению, что к.п.д. термомеханического взаимодействия на уровне микрочастиц в нарушение второго начала термодинамики равен единице. Следовательно, в микромире второе начало термодинамики нарушается, что отвечает критерию существования вечного двигателя 2-го рода применительно к миру микрочастиц.

Рассуждая философски, следует задаться вопросом, можно ли воспользоваться свойствами материи микромира при реализации адекватных свойств для макросистем? Если на этот вопрос можно получить утвердительный ответ, то задачей физиков будет найти способ осуществления прямого преобразования тепловой энергии в механическую работу, которая затем снова превратится в тепловую с к.п.д. = 1. Это позволило бы преобразовывать тепловую энергию окружающей среды, например, воды морей и океанов с их практически неисчерпаемыми запасами тепловой энергии, в механическую работу без какой-либо затраты топлива, то есть без повышения запасов тепловой энергии Земли, что разрешило бы существенно экологические проблемы человечества, связанные с глобальным потеплением, а также привело бы к экономии углеводородов и позволило бы их использовать в химической перерабатывающей промышленности для синтеза новых материалов и веществ.

Несколько столетий проводились безуспешные попытки создания вечного двигателя и, наконец, физики мира договорились о невозможности создания такового на базе теплового двигателя, источником энергии которого является топливо, горючее вещество.

Перенос термомеханических процессов микромира в термодинамической равновесной системе на уровень макросистемы оказался возможным в связи с открытием в 2007 году автором данной работы ферромагнитного термодинамического (ФМТД) эффекта, заключающегося в возникновении силы, приложенной к ферромагнитному веществу в направлении его движения в пространственно локализованном насыщающем магнитном поле, объясняемый магнетокалорическим процессом адиабатического охлаждения ферромагнитного вещества при его размагничивании насыщающим магнитным полем, при котором центр притяжения указанного локализованного магнитного поля и центр намагниченности ферромагнитного вещества пространственно разделены в динамике движения ферромагнитного вещества со скоростью, согласованной с параметром магнитной вязкости ферромагнетика, при этом совершаемая под действием указанной силы механическая работа по перемещению ферромагнитного вещества и поддерживающая движение последнего, происходит за счёт притока тепловой энергии к ферромагнитному веществу из окружающей среды.

Первое из устройств, действие которых основано на ФМТД-эффекте, предложено автором в патенте на «Магнитовязкий маятник» [9], применительно к возвратно-поступательному резонансному движению ферроматериала в насыщающем магнитном поле, подкачка колебаний которого осуществляется каждые полпериода незатухающих колебаний. Последние сравнительно низкочастотны, поэтому такое устройство иллюстрирует принцип действия вечного маятника, а не рекомендуется к использованию в качестве энергетического устройства. В последующих работах автора [10−12] ФМТД-эффект положен в основу работы устройств с непрерывным вращением ферромагнитных дисков или колец в локализованном насыщающем магнитном поле, и такие устройства являются прообразами серьёзных энергетических устройств, которые могут и должны найти широкое применение.

Обратимся к рассмотрению действия одного из таких устройств [13, 14], реализующих по существу новый закон движения.

Устройство основано на феномене преобразования энергии неподвижно локализованного в пространстве постоянного во времени (стационарного) насыщающего магнитного поля в ферромагнитных материалах, обладающих свойством магнитной вязкости — магнитным последействием [15−17] и движущихся относительно указанного магнитного поля с некоторой скоростью, в результате которого в ферромагнитном материале, охваченном указанным насыщающим магнитным полем, возникает сила, вектор которой совпадает с вектором скорости ферромагнитного материала и поддерживает указанное движение. Действие устройства связано также с известным для ферромагнетиков свойством уменьшения их относительной магнитной проницаемости в насыщающих магнитных полях (кривая А. Г. Столетова, 1872), а само такое уменьшение (с учётом магнитной вязкости) протекает с запаздыванием во времени по экспоненциальному закону. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, можно утверждать, что совершение механической работы происходит за счёт потери ферромагнетиком его внутренней энергии, и такой ферромагнетик при этом должен охлаждаться. Если бы этого не происходило, то был бы нарушен закон сохранения и превращения энергии, хотя отдельными работами физиков доказывается возможность нарушения основополагающих законов сохранения энергии, импульса и момента импульса [18−20] в связи с экспериментально обнаруженным в 1957 году несохранением чётности в слабом взаимодействии, поставившим вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира. В связи с развитием теории гравитации наметился дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени, и фундаментальные законы сохранения в связи с развитием теории гравитации требуют дальнейшего уточнения. Заявленный автором и апробированный экспериментально закон сохранения поляризации электромагнитных волн [21−25] также порождает сомнения в его всеобщности, если рассматривать физические процессы, лежащие в основе термодинамической конверсии энергии.

Простейшим устройством на ФМТД-эффекте является ферромагнитное кольцо 1 с осью вращения 2, части которого помещены в локализованные насыщающие магнитные поля постоянных магнитов 3 (одного или нескольких, как указано схематично на рис. 1).

Ферромагнитное кольцо радиуса R приводится во вращательное движение в одном из направлений от внешнего источника, после чего оно продолжает вращаться с угловой скоростью щ сколь угодно долго относительно своей оси, если возникающий в кольце вращательный момент равен или больше момента трения и присоединённой к оси полезной нагрузки. Постоянные магниты создают в ферримагнитном материале кольца насыщающее магнитное поле на длине L магнитных зазоров, а постоянная магнитной вязкости ф ферромагнитного материала связана с геометрией конструкции и динамикой его работы соотношением:

Рис. 1

в = L / щRф,

где в — некоторый безразмерный коэффициент, величина которого уточняется в дальнейшем.

Если ферромагнитное кольцо неподвижно (щ = 0), то картина изменения относительной магнитной проницаемости ферроматериала м (х) вдоль криволинейной оси х, совпадающей со средней линией кольца, является зеркально симметричной относительно центра магнитного притяжения (ЦМП) в точке х = Х0, находящейся на расстояниях L/2 от концов магнитного зазора каждого из постоянных магнитов. С учётом зависимости магнитной индукции от напряжённости магнитного поля В (Н) значение м (х) достигает максимума при напряжённости магнитного поля Н* на внешних краях магнитных зазоров и равно мМАХ, затем вновь уменьшается, и в насыщающем магнитном поле становится равным мMIN.

Иначе обстоит дело, если ферромагнитное кольцо вращается (щ? 0) на оси вращения относительно неподвижно закреплённых постоянных магнитов, то есть ферромагнитный материал протягивается вдоль магнитных зазоров со скоростью V = щ R. Зеркальная симметрия м (х) относительно ЦМП нарушается из-за свойства магнитной вязкости ферроматериала с постоянной магнитной вязкости ф, определяющей запаздывание во времени намагничивания движущегося ферроматериала. Намагниченность последнего J = B — м0Н = м0Н (м — 1), где м0 = 1,256*10 — 6 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Здесь м = м (х).

Изменение намагниченности ДJ (t) в зависимости от времени t описывается как:

ДJ (t) = [J (t) — J0] = [J? — J0] [1 — exp (- t/ф)], (1)

где J0 и J? — соответственно значения намагниченности непосредственно после изменения напряжённости Н магнитного поля в момент t = 0 и после установления нового равновесного состояния. Значение ф зависит от природы магнитной вязкости и в различных материалах может изменяться от 10 — 9 с до нескольких десятков часов. Поскольку произведение м0ННАС (ННАС — напряжённость насыщающего магнитного поля постоянных магнитов) постоянно внутри магнитного зазора, то изменение намагниченности ДJ (t) связано с изменением величины относительной магнитной проницаемости м (х) по экспоненциальному закону:

м (х) = мМАХ* - (мМАХ* - мMIN) [1 — ехр (- t/ф)], (2)

где мМАХ* - относительная магнитная проницаемость ферроматериала кольца в начале магнитного зазора (х = 0), в динамике мМАХ* < мМАХ.

В конце магнитного зазора (х = L) постоянного магнита относительная магнитная проницаемость ферромагнетика становится равной мМIN* и при этом мМIN* > мМIN, однако мМAX* >> мМIN*, то есть при движении ферроматериала в магнитном зазоре его относительная магнитная проницаемость изменяется по экспоненциальному закону на величину? м = мМAX* - мМIN* за время? t = L / щR.

Обозначив отношение мМАХ*/мМIN = h, выражение (2) можно переписать в форме м (х) = мМАХ* - (мМАХ* - мMIN) [1 — ехр (- t/ф)] = мMIN[1 + (h — 1) exp (- t/ф)], (3)

где значения мMIN и h могут быть найдены экспериментально для конкретного ферроматериала, скорости его протяжки V и насыщающего магнитного поля ННАС.

Как известно, в неоднородном продольном магнитном поле сила F, действующая со стороны этого поля на намагниченное тело, равна

F (x) = J v (?H/?x) = м0Н[м (x) — 1]v[1 — (2x/L)](2HНАС/L), при 0? х? L. (4)

Учитывая, что при всех значениях напряжённости магнитного поля всегда выполняется неравенство м >> 1, равенство (4) с достаточной степенью точности может быть преобразовано к более простому для расчёта виду:

F (x) = 2м0ННАС2 v м (х) (1 — 2x/L) / L. (5)

Поскольку разные дифференциальные поперечные сечения S ферроматериала с объёмами S dx на различных расстояниях от ЦМП постоянного магнита испытывают различные по величине и направлению силы, что отображается множителем (1 — 2х/L), то равнодействующую силу FУ в целом по всему объёму v, заключённому в любой произвольный момент времени в магнитном зазоре постоянного магнита, находят интегрированием дифференциальных сил вида:

dF (x) = (2м0ННАС2S/L) (1 — 2x/L)м (х) dx. (6)

Величина 2м0ННАС2S = const (x), при этом интеграл от функции f (x) = (1 — 2x/L) м (х) / L находят с учётом выражения (3) как:

L

I = (мMIN/L) ?[1 — (2x/L)] [1 + (h — 1) exp (- t/ф)] dx. (7)

Интеграл (7) содержит переменные x и t, связанные через скорость движения V ферроматериала ферромагнитного кольца, поэтому имеем dx = V dt. Обозначая отношение х/L= = е и отношение L/Vф = в, получим dx = L dе, и интеграл (7) переписывается к виду:

I = мMIN ?(1 — 2 е)[1 + (h — 1) exp (- в е)] dе. (8)

Как известно, магнитная индукция В в насыщающем поле остаётся практически неизменной при увеличении напряжённости магнитного поля Н, то есть dB/dH? 0 (это известный парапроцесс). Это, в свою очередь, означает, что в этом режиме увеличение напряжённости магнитного поля Н численно равно уменьшению во столько же раз относительной магнитной проницаемости м (Н), так как произведение В = м0 м (Н) Н = const (H) при парапроцессе.

Поскольку интеграл от функции (1 — 2 е) по dе в пределах 0? е? 1 равен нулю, то интеграл (8) может быть представлен в виде:

I = мMIN (h — 1) ?(1 — 2 е) exp (- в е) dе = ?м?(1 — 2 е) exp (- в е) dе, (9)

где ?м = мМАХ* - мMIN — перепад относительной магнитной проницаемости ферромагнетика в магнитном зазоре в течение времени? t = L/V за вычетом малой разности (мMIN* - мMIN).

Решение интеграла (9) имеет вид:

I = (?м / в 2)[exp (- в)(в + 2) + в — 2], (10)

то есть однозначно определяется параметром в = ?t / ф, выражающим относительное пребывание любого произвольно взятого дифференциального объёма ферроматериала в магнитном зазоре постоянного магнита по сравнению с постоянной ф магнитной вязкости ферромагнетика, которое определяется скоростью его движения V в насыщающем магнитном поле ННАС. Анализируя выражение (10), отмечаем, что эта функция I (в) имеет максимум при значении в * = ехр (1) = 2,718 (основание натурального логарифма е), и при этом значение максимума I (в*)/?м = 0,139, а при значениях в > 0 и в >? имеем I (в) > 0.

Так как угловая скорость вращения ферромагнитного кольца равна щ = 2р n, где n — частота вращения [об/с], выражение (10) для интеграла I (n) от аргумента n имеет вид:

I (n) = ?м [n / (n* e)2] [exp (- n* e / n)(n* e + 2 n) + n* e — 2 n], (11)

где n* = L / 2рR ф в* = L / 2р e R ф — значение частоты вращения ферромагнитного кольца, при котором достигается максимум действующей касательной силы на это кольцо в направлении его вращения и, следовательно, максимум вращательного момента М1 = FУ R (здесь индекс единица означает, что это вращательный момент, создаваемый от действия только одного постоянного магнита). Таким образом, результирующая касательная сила FУ, непрерывно во времени действующая на ферромагнитное кольцо со стороны только одного постоянного магнита, в функции частоты вращения n ферромагнитного кольца равна

FУ = 2м0ННАС2S? м[n / (n* e)2] [exp (- n* e / n)(n* e + 2 n) + n* e — 2 n], (12)

и эта силовая характеристика представлена графически на рис. 2 в виде кривой с максимумом, равным MaxFУ = 0,139 *2м0ННАС2S?м = 0,278 м0? м ННАС2 S [н]. Притом эта сила создаётся взаимодействием ферромагнетика внутри магнитного зазора постоянного магнита, то есть без учёта дополнительной силы в том же направлении за счёт разности краевых эффектов магнитного поля. Можно полагать, что при учёте этой дополнительной силы максимум результирующей касательной силы будет оцениваться как MaxFУ? 0,3 м0? м ННАС2 S.

Непрерывность во времени действия указанной силы объясняется тем, что по выходе из магнитного зазора одного постоянного магнита (если применяется N таких же магнитов, симметрично распределённых по окружности ферромагнитного кольца, как видно из рис.1) относительная магнитная проницаемость ферроматериала вновь восстанавливается до её исходного значения мНАЧ, для чего расстояние по дуге между смежными постоянными магнитами выбирают приблизительно втрое большем, чем длина магнитного зазора L. Если число постоянных магнитов принять равным N, то обеспечение указанного условия приводит к соотношению:

рR? 2NL. (13)

С учётом (13) при условии равенства величин правой и левой частей указанного соотношения значение частоты вращения n* ферромагнитного кольца при максимальном вращательном моменте равно:

n* = 1 / 4 е N ф. (14)

Согласно выражений (13) и (14) можно формировать конструкцию устройства — задать число постоянных магнитов N, определить радиус ферромагнитного кольца R и длину магнитного зазора L и подобрать подходящий материал ферромагнетика по его магнитной вязкости ф для обеспечения требуемой частоты вращения n* ферромагнитного кольца.

При использовании ферромагнитного кольца с N постоянными магнитами результирующий вращательный момент МК*, возникающий в ферромагнитном кольце, равен:

МК* = N M1? 0,3 N м0? м ННАС2 S R, (15)

если ферромагнитное кольцо вращается с частотой n*. На графике рис. 2 максимум силовой характеристики всегда приходится по оси абсцисс на значение n / n* = 1. При увеличении частоты вращения ферромагнитного кольца (n > n*) вращательный момент МК (n) уменьшается в соответствии с графиком силовой характеристики на рис. 2 и рассчитывается по формуле:

МК (n)? 2,16 Nм0? мННАС2 SR[n / (n* e)2] [exp (- n* e / n)(n* e + 2 n) + n* e — 2 n], (16)

в которой множитель 2,16 = 0,3 / 0,139 взят с учётом краевых эффектов магнитного поля используемых постоянных магнитов одинаковой конструкции.

Рис. 2

При механическом соединении с одной осью вращения (рис. 1). К идентичных рассмотренному выше устройств возникает параллельное механическое объединение вращательных моментов от каждого из К устройств. При этом результирующий вращательный момент МУ на оси вращения равен:

МУ (n) = К МК (n). (17)

Момент трения и полезной присоединённой нагрузки на ось вращения в стационарном состоянии, то есть при вращении оси с постоянной частотой n = const (t) уравновешивается указанным в (16) или (17) вращательным моментом. Согласно теории автоматического управления стационарное состояние графически определяется точкой пересечения кривой силовой характеристики с кривой (в общем случае) нагрузочной характеристики, как это указано на рис. 2, и при этом устойчивое равновесие соответствует той точке пересечения, в которой производные соответствующих графиков имеют противоположные знаки.

Так, в точке пересечения силовой характеристики I (n) с рабочей нагрузочной характеристикой UР (n) имеем:

Sign [dI (n)/dn] = - Sign [dUP (n)/dn], (18)

и проекция этой точки на ось абсцисс определяет установившееся значение относительной частоты n/n* вращения ферромагнитного кольца или системы из К таких колец, механически связанных с единой осью вращения. Задаваясь значением n*, находим и n, зная точку пересечения силовой и нагрузочной характеристик.

На рис. 2 представлены три различные нагрузочные характеристики — критическая, рабочая и характеристика холостого хода (без присоединённой полезной нагрузки). Видно, что чем больше полезная нагрузка, тем больше угол наклона нагрузочной характеристики по отношению к оси абсцисс. В первом приближении, когда частота вращения сравнительно невелика, влиянием среды, в которой вращаются ферромагнитные кольца, можно пренебречь, и нагрузочная характеристика имеет форму прямой линии, что указывает на линейную зависимость момента полезной нагрузки (или трения в подшипниках оси вращения) от частоты вращения n. Так выглядит характеристика для критического режима (наиболее тяжёлого). При увеличении частоты вращения к линейной компоненте прибавляется нелинейная с соответствующими коэффициентами. Так, для рабочей характеристики показано некоторое увеличение крутизны этой характеристики к её концу. Применительно к характеристике холостого хода, когда потери на трение в подшипниках составляют небольшую долю полезной энергии, частота установившегося режима может быть весьма значительной. Однако при условии, что ферромагнитные кольца вращаются в жидкой среде, с помощью которой к ферромагнитным кольцам транслируется тепловая энергия из окружающей среды в соответствии с ФМТД-эффектом, нелинейная составляющая в характеристике холостого хода играет доминирующую роль, как это видно из рис. 2, и установившееся значение частоты вращения существенно снижается по сравнению с той, какой бы она была в отсутствие жидкостной среды. Следовательно, в зависимости от момента полезной нагрузки на ось изменяется частота её вращения в установившемся равновесном состоянии. Компенсация этих изменений, когда требуется поддерживать частоту вращения оси неизменной с достаточной степенью точности, возможна при соответствующей регулировке насыщающего магнитного поля, как это видно из выражения (16). С этой целью на постоянные магниты следует наложить обмотки подмагничивания, расходуя на эти цели часть энергии, получаемой от устройства, и образуя систему автоматического регулирования статического или астатического типа. Можно также использовать коробки передач механического типа с переменными передаточными отношениями и центробежные регуляторы скорости вращения, хотя в этом случае неоправданно теряется полезная энергия на трение в центробежном регуляторе, когда снижается присоединённая нагрузка. На рис. 3 представлена функциональная схема устройства с К ферромагнитными кольцами и N постоянными магнитами для каждого из этих колец 4, 5,…6, механически связанными с единой осью вращения 2. Ферромагнитные кольца помещены в сосуд 9 с жидкостью 10, которая за счёт своей вязкости существенно увеличивает потери на вязкое трение при увеличении скорости V ферромагнитного кольца. Поэтому предпочтительно для снижения нелинейной составляющей нагрузочной характеристики снизить частоту вращения ферромагнитных колец в зависимости от их радиуса R. С другой стороны, эффективная работа электрогенератора 8 осуществляется на повышенных частотах вращения его ротора, например, до величины 50−100 об/с. Следовательно, оправдано применение редуктора 7 с повышающим передаточным отношением (порядка 10 и более). Жидкость 10 пропускают через очищающий её фильтр 11. Стенки сосуда 9 и проточная жидкость 10 забирают тепловую энергию из окружающей среды и передают её ферромагнитным кольцам, которые охлаждаются при их вращении благодаря ФМТД-эффекту, что соответствует закону сохранения и превращения энергии. К.п.д. такого преобразования тепловой энергии в механическую равен единице, как это характерно при взаимодействии тепловой энергии с микрочастицами — атомами и молекулами вещества, кинетическая энергия w которых в тепловом поле с температурой Т определяется равенством

бkT = w = mV2/ 2,

где k = 1,38*10 — 23 Дж/град К0 — постоянная Больцмана, m и V — соответственно масса и среднеквадратическая скорость атомов или молекул вещества, нагретого до абсолютной температуры Т по шкале Кельвина, и при этом переход тепловой энергии в кинетическую, и наоборот, происходит без потерь, то есть с к.п.д., равным единице.

Рис. 3

Заявляемое техническое решение является принципиально новым, использующим практически даровую тепловую энергию окружающей среды (водной или воздушной), а в условиях космического полёта использующим энергию тепловой и световой радиации Солнца и других небесных тел. Такие двигатели совершенно безопасны и не загрязняют окружающую природу. Они могут конкурировать с тепловыми двигателями, имеющими низкий к.п.д. и потребляющими при своей работе топливо (нефтепродукты, газ, уголь и др.) то есть выделяющими тепловую энергию, что сказывается (хотя и медленно) на ухудшении климата в мире. Двигатель, работающий на тепловой энергии окружающей среды, напротив, улучшает экологическую обстановку, определяет равновесие между выделением и потреблением тепловой энергии. В частности, такого рода устройства могут использоваться в холодильных установках и кондиционерах в летний период времени, а также благополучно работать и в зимнее время. Полезная мощность Р при работе устройства (включая и мощность потерь на трение) компенсируется тепловым потоком, потребляемым ферромагнитными кольцами, по формуле

Р = dQ/dt,

где Q — тепловая энергия, потребляемая с помощью радиатора устройства из окружающей среды, равная

Q = с М? Т,

где с — удельная теплоёмкость жидкости 10, М — масса жидкости, ?Т — изменение температуры жидкости для замкнутой системы или различие температуры ферромагнитного кольца и окружающей среды. Поэтому Р = с? Т (dM/dt), причём величина dM/dt = у (dvж/dt) определяет производительность потока жидкости (литров в секунду), у — плотность жидкости.

Рассмотрим пример реализации заявляемого технического решения.

Пусть R = 0,5 м и N = 50. Тогда согласно (13) выбираем L = 15 мм = 0,015 м. Пусть выбираем ферромагнетик для ферромагнитных колец с изменением его относительной магнитной проницаемости? м = 1000 (например, от мМАХ* = 1500 до мМIN = 500) при использовании насыщающего магнитного поля ННАС = 10 кА/м. Поперечное сечение ферромагнитных колец принимаем равным S = 2 см² = 2*10 — 4 м². Тогда от каждого из используемых постоянных магнитов получаем результирующую касательную силу, приложенную к кольцу, MaxFУ? 0,3 м0? м ННАС2 S при частоте вращения оси, равной n*. Расчёт этой силы даёт величину MaxFУ? 0,3*1,256*10 — 6*1000*10 8*2*10 — 4 = 7,54 н. При использовании 50 постоянных магнитов общая касательная сила становится равной 377 н. Толщина одного кольцевого устройства может быть равна около 2,5 см, так что при высоте набора таких устройств в 1 м получаем К = 40, и касательная сила такого синтетического устройства объёмом около 1 м³ равна 15 100 н. Результирующий максимально возможный вращательный момент на оси будет 15 100 н * 0,5 м = 7550 н*м. Пусть оптимальная частота вращения оси n* = 2 об/с. Тогда мощность на валу будет равна Р (n*) = 2рn*МУ (n*) = 94,8 кВт. Согласно выражения (14) находим значение постоянной магнитной вязкости ф = ¼ е n* N = ¼*2,718*2*50 = 0,92 с = = 0,92 мс. Пусть рабочая нагрузочная характеристика в точке её пересечения с силовой характеристикой на рис. 2 отвечает уровню 0,7 от максимума последней, и тогда полный вращательный момент на валу системы оказывается равным 5280 н*м при скорости вращения вала 5,5 об/сек. Так что мощность на валу составляет Р (n) = 182,4 кВт, и с учётом потерь на трансмиссию, на вязкое трение и электрогенерацию можно рассчитывать на получение электроэнергии мощностью 100 кВт. Редуктор берут с передаточным отношением 1:9,1, так что вал электрогенератора вращается с частотой 50 об/с. Таким образом, объемная удельная мощность предлагаемой системы оказывается не хуже 100 кВт/м3. Соответствующая тепловая энергия потребляется из окружающей среды с помощью радиаторов теплозабора, например, прокачкой морской воды через радиатор, в котором циркулирует специальная невязкая жидкость 10 с хорошей теплопроводностью, поступающая в сосуд 9 (рис. 3).

На основе подобных блоков можно создавать сверхмощные стационарные источники электроэнергии вблизи морей с их практически неисчерпаемой тепловой энергией. Такие энергетические блоки могут использоваться на кораблях и подводных лодках. В зоне сильных ветров также могут быть построены электростанции, перерабатывающие тепловую энергию воздушных потоков в электроэнергию благодаря ФМТД-эффекту. Ферромагнитные кольца (или диски) больших радиусов практически сложно выполнимы, поэтому такие кольца (диски) можно выполнять составными из отдельных ферромагнитных элементов, собираемых в кольцо или диск. Это позволит удешевить производство таких устройств. Важно использовать постоянные магниты с большим энергетическим произведением (В Н) max. У лучших современных магнитных материалов это произведение достигает величины 320 Тл.* *кА/м (40 млн. Гс. э), например, у материала с высокой коэрцитивной силой SmCo3 [26−29].

На рис. 4 представлена зависимость относительной мощности на валу двигателя (с точностью до постоянного множителя, определяемого конструкцией) от относительной частоты n/n* его вращения при условии, что n* = 1 / 4 е N ф согласно (14) для диапазона значений 1? n/n*? 10. Из этого графика видно, что мощность на валу двигателя растёт с увеличением частоты вращения вала, хотя при этом силовая характеристика на рис. 2 снижается.

Рис. 4

броуновский движение двигатель вал Однако этот рост мощности ограничен относительным значением, равным 0,452 при отношении n/n* >? против значения 0,139 при n/n* = 1, что указывает на нецелесообразность значительного увеличения частоты n относительно её оптимального значения n* (более трёх раз), поскольку иначе неоправданно возрастают габариты двигателя (радиус кольца R). Выбор оптимального значения отношения n/n* осуществляют из соображений конъюнктуры.

При построении энергетических устройств большой мощности из отдельных модулей, подобных представленному на рис. 3, соединение осей вращения 2 между отдельными модулями следует выполнять через муфты сцепления, последовательно включая их при запуске всей системы в работу. При этом сначала запускают первый модуль от внешнего источника, затем сцеплением его со вторым модулем приводится в действие этот модуль. Затем уже два соединённых между собой модуля сцепляют с третьим, вводя его в работу, и т. д. по всей цепи модулей, что упрощает процедуру запуска всей системы модулей.

При этом последовательно запускаемые в работу модули работают в режиме холостого хода, а полезная нагрузка (мощный генератор электрического тока, нагруженный на линию электропередачи) включается только после запуска всей системы.

Модульная конструкция интересна также и тем, что позволяет автоматически регулировать угловую скорость общей оси вращения при изменении нагрузки путём отсоединения или присоединения к ней группы модулей, используя муфты сцепления. Так, десять рассмотренных выше модулей могут вырабатывать электроэнергию мощностью порядка 1 МВт в объёме около 20 м³. При этом поток тепловой энергии к ферромагнитным кольцам должен быть 250 ккал/сек, что означает темп охлаждения воды объёмом, например, 10 тонн, в 0,025 град/сек или 40 сек/град. Это, в свою очередь, приводит к необходимости создания потока воды к радиаторам теплозабора порядка 5000 литров в минуту, если поддерживать разность температур между потоком воды и радиатором теплозабора не более 3 градусов.

Большие перспективы, открывающиеся в связи с использованием прямого преобразования тепловой энергии окружающей среды в механическую, а затем и в электрическую энергию, в значительной мере покроют всё возрастающие потребности человечества в энергии без негативных последствий от её использования для нормальной жизнедеятельности человека и всей окружающей его флоры и фауны. Расчёты показывают, что в водах морей и океанов содержится колоссальное количество тепловой энергии, приходящейся на понижение температуры воды всего на 10, которая к тому же постоянно восполняется за счёт солнечной радиации с плотностью потока облучения около 1,5 кВт/м2 при огромной площади водной поверхности.

Поскольку главной причиной глобального потепления считается именно солнечная радиация, то спасение от «тепловой смерти» просматривается на пути забора тепловой энергии с водных бассейнов с одновременным обеспечением изобилия в получаемой от этого электроэнергии, а последнюю при её избытке можно передать в космическое пространство, то есть выбросить за пределы Земли, в форме мощного электромагнитного излучения, например, на Луну для снабжения её будущих обитателей энергией.

Рассмотренное техническое решение представляет интерес для физиков, занимающихся проблемами магнетизма, а также физиков-теоретиков для интерпретации процессов, происходящих на микроуровне в ферромагнитном веществе.

В частности, важно проследить связь между магнитной вязкостью и шириной петли гистерезиса в ферромагнетиках, а также исследовать физические причины нарушения второго начала термодинамики при реализации ФМТД-эффекта.

В частности, можно показать, что при помещении устройства в идеальный термостат создаваемая устройством механическая энергия при последующем её преобразовании в тепловую энергию, например, от нагревания вязкой жидкости за счёт вязкого трения, вновь будет потребляться вращающимися ферромагнитными кольцами, то есть поддерживать их вращательное движение, и при к.п.д., равным единице, такое вращательное состояние будет сохраняться во времени.

При этом действие такой модели будет аналогично хаотическому движению атомов и молекул, вызванному тепловым полем, когда такое их движение, в свою очередь, поддерживает само это поле, и к.п.д. такого процесса взаимодействия тепловой и кинетической энергии равен единице. Таким образом, ФМТД-эффект открывает принципиально новую страницу в физической науке.

1. Д. В. Сивухин Общий курс физики, 2 изд., т.4 — Оптика, М., 1985.

2. М. Борн, Атомная физика, пер. с англ., 3 изд., М., 1970.

3. М. А. Леонтович Введение в термодинамику, 2 изд., М.-Л., 1952.

4. И. А. Квасников Термодинамика и статистическая физика, М., 1991.

5. А. Эйнштейн, М. Смолуховский Броуновское движение, пер. с нем. и франц., М-Л., 1936.

6. О. Ф. Меньших, Броуновское движение микрочастиц в вакууме (научная гипотеза), МААНО, М., 2007.

7. О. Ф. Меньших Прибор для регистрации броуновского движения ферромикрочастиц в вакууме в состоянии невесомости, Патент РФ № 2 343 513, бюлл. № 01 от 10.01.09.

8. О. Ф. Меньших Ферромагнитный термодинамический эффект, МААНО, М., 2007.

9. О. Ф. Меньших Магнитовязкий маятник, Патент РФ № 2 291 546, бюлл. № 1, 2007.

10. О. Ф. Меньших Ферромагнитовязкий ротатор, Патент РФ № 2 309 527, бюлл. № 30, 2007.

11. О. Ф. Меньших Магнитный двигатель, Патент РФ № 2 310 265, бюлл. № 31 от 10.11.2007.

12. О. Ф. Меньших Магнитовязкий ротатор, Патент РФ № 2 325 754, бюлл. № 15 от 27.05.2008.

13. О. Ф. Меньших Способ получения энергии и устройство для его реализации, Патент РФ № 2 332 778, бюлл. № 24 от 17.08.2008.

14. О. Ф. Меньших Способ исследования динамики намагничивания ферромагнетика, быстро вводимого в насыщающее сверхсильное магнитное поле, Патент РФ № 2 488 839, приоритет от 03.06.2012, опубл. в бюлл. № 21 от 27.07.2013.

15. Д. Д. Мишин Магнитные материалы, М., 1981.

16. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц Механика, 4 изд., М., 1988.

17. Р. Фейнман Характер физических законов, пер. с англ., М., 1968.

18. Е. Вигнер Этюды о симметрии, пер. с англ., М., 1971.

19. О. Ф. Меньших, Закон сохранения поляризации электромагнитных волн, МААНО, М., 2003.

20. О. Ф. Меньших Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, Доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, М., Институт проблем управления АН СССР, 22.04.1975.

21. О. Ф. Меньших Способ генерирования электрических колебаний, Авт. свид. СССР № 1 380 476 с приоритетом от 15.04.1983.

22. О. Ф. Меньших Устройство для обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах, Патент РФ № 2 276 394, бюлл. № 13 от 10.05.2006.

23. О. Ф. Меньших Устройство для измерения «красного смещения» плоско поляризованного когерентного излучения, Патент РФ № 2 276 347, бюлл. № 13 от 10.05.2006.

24. А. А. Преображенский, Е. Г. Бишард Магнитные материалы и элементы, 3-е изд., М., 1986.

25. И. Е. Февралева Магнитотвёрдые материалы и постоянные магниты, К., 1969.

26. Постоянные магниты, Справочник, М., 1971.

27. О. Ф. Меньших Способ производства постоянных магнитов, Патент РФ № 2 483 380, приоритет от 07.04.2011, опубл. в бюлл. № 15 от 27.05.2013.