Предупрежу сразу - статья не для остолопов, требует определенных знаний, подготовки и наличия мозгов. Причем не просто мозгов, а мозгов, приученных к здравому, рациональному, и логическому мышлению. Но прочитав эту статью, Вы сможете разобраться во многих заблуждениях современной теоретической термодинамики и выкинуть на помойку многие тома, написанные безмозглыми физико-теоретиками, в т.ч. и некоторыми нобелевскими лауреатами по физике.
Осмысливая описанный в этой статье теоретический цикл тепловой машины, Вам придётся переосмыслить один из основных догматов современной теоретической физики - закон сохранения энергии. А это чревато опасностью заполучить когнитивный диссонанс.
Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. d-pi@yandex.ru
Вот чем мне НЕ нравится КОНТ - что сидишь-сидишь за компьютером, горбатишься-горбатишься, форматируешь-форматируешь, вставляешь картинки, а потом - оба-на, облом, что-то там не загружается и пропадает, многочасовая работа - псу под хвост. Поэтому публикуюсь я на Дзене, на своём канале "Не верь стереотипам", а сюда буду просто выкладывать анонсы и наиболее важные статьи. А на Дзен буду давать ссылки - и вовсе не для того, чтобы зарабатывать на рекламе. Всех придурков, которые будут вопить - "не читайте это, это всё написано только ради монетизации" я приглашаю поработать на переводе моих статей на Дзене в формат КОНТа - пускай они их публикуют даже в своих блогах, но с указанием авторства, а я просто буду давать на них ссылки.
Эта статья на Дзене была опубликована под названием
Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Entracte 1 - Отвечаю Юлии на критику
Entracte (фр., антракт), если кто не знает - от "entre", что значит "между" + "acte" - "действие".
А ДЕЙСТВИЕ такое - я решил написать цикл статей, чтобы донести до умных читателей всю глупость академиков РАН и преподавателей физики. Поэтому, чтобы понять суть проблемы, я бы рекомендовал сперва прочесть на Дзене:
2. Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Часть 2 - некоторые технические разъяснения.
3. Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Часть 3 - Изучаем матчасть цикла Карно
4. Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Часть 4 - О чём же эти "теоремы"?
Возможно, Вы потратите на чтение и вникание в суть проблем часа два-три, но зато, если разберётесь, поумнеете лет на двадцать. Неплохой баланс, не так ли?
В ответ на статью Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Часть 4 - О чём же эти "теоремы"? я получил следующий комментарий от моего постоянного и непримиримого оппонента Юлии, которая, как я подозреваю, работает преподавателем физики - скорее всего, в школе:
Этот комментарий лишний раз подтверждает мои тезисы о том, что основная проблема современной физики заключается в том, что программы обучения по физике разрабатывают ничего не понимающие в физике остолопы из Министерств просвещения, высшего образования и науки, школьные и вузовские учебники физики по физике переписывают друг у друга, не понимая смысла написанного, авторы-остолопы, тоже мало сведущие в физике, проверяют эти учебники, утверждают и дают "добро" на их использование в процессе обучения остолопы, и затем вдалбливают глупости, написанные в учебниках в головёнки школьников и студентов тоже остолопы - школьные учителя физики, доценты и профессора кафедр физики в вузах. И всё это происходит под неусыпным наблюдением остолопов из РАН.
Ну что ж, давайте разбираться. Тем более что я, как неплохой тактик, специально подводил Юлию к написанию подобного комментария, дабы её глупость была лучше видна. Заманить противника (оппонента) в ловушку, окружить и потом наголову разбить - это наиболее эффективная тактика еще со времён греко-персидских войн.
ИТАК, о чём речь.
Как я уже писал в статье Зависимость КПД теплового двигателя от свойств используемого газа, КПД теплового двигателя, работающего по замкнутому циклу, напрямую зависит от свойств, точнее, теплоёмкости газа, который используется в качестве рабочего тела. Что наглядно демонстрирует глупость теорем Карно, изучаемых в школах и в вузах:
Предположим, что нам необходимо при помощи идеального теплового двигателя системы Карно (см. рис. 2) выполнить некоторую полезную работу по подъему некоего груза массой m на высоту H (см. рис. 1А).
Рис. 1. Расчётная схема для определения требуемого количества теплоты для выполнения различными реальными газами одинаковой работы по подъему груза. Как Вы можете убедиться, я использовал тот самый "идеальный двигатель Карно", который и кочует из одного учебника в другие, но с той лишь разницей, что в моём случае этот двигатель выполняет полезную работу, в отличие от цикла Карно.
Рис. 2. Собственноручный рисунок Сади Карно, поясняющий работу теплового двигателя, как он это представлял.
То есть требуется поднять груз из положения cd в положение gh.
Условимся, что работу будем выполнять, используя в качестве рабочего тела различные реально существующие в природе газы, а не виртуальный идеальный газ Gi (Gaz idéal) и исключительно за счет передачи рабочему телу тепловой энергии.
В положении cd груз находится в равновесии (см. рис. 1В). Уравнение равновесия для груза можно представить так:
G + p_атм. S = p_cd S , где: [1]
G – вес груза,
p_атм. – величина атмосферного давления,
p_cd – давление газа, заключенного в сосуде abcd,
S – площадь поршня.
Чтобы при помощи идеального теплового двигателя выполнить работу по подъему груза, мы поставим «холодный» двигатель на нагреватель (тело A, имеющее температуру T_A), см. рис. 1С. Именно нагреватель, так как это тело A будет использоваться нами именно в этом качестве – оно будет нагревать «холодное» рабочее тело внутри двигателя с температурой T_cd < T_A.
Так как температура нагревателя выше температуры рабочего тела, то будет иметь место процесс теплообмена. Тело A, имеющее температуру T_A, будет передавать теплоту (тепловую энергию, внутреннюю энергию) рабочему телу идеального двигателя, имеющего более низкую температуру T_cd. Температура рабочего тела начнет повышаться, что вызовет увеличение давления внутри цилиндра (в полном соответствии с законом Шарля, который иногда называют вторым законом Гей-Люссака, P / T = const), и поршень идеального теплового двигателя начнет двигаться вверх, выполняя работу по подъему груза. Допустим, что именно в тот момент, когда поршень достиг положения gh, температура рабочего тела идеального двигателя T_gh сравнялась с температурой нагревателя T_A (см. рис. 1D):
T_gh = T_A
Уравнение равновесия груза в этом положение будет описываться уравнением:
G + p_атм. S = p_gh S [2]
Из сравнения уравнений [1] и [2], следует вывод, что p_cd = p_gh То есть во время подъема давление внутри идеального рабочего двигателя практически не меняется. А это значит, что весь процесс подъема груза происходит при изобарном расширении газа, выступающего в роли рабочего тела.
Из последней колонки таблицы 1 видно, что для выполнения одной и той же работы при использовании в качестве рабочего тела идеального теплового двигателя разных газов, необходимо передать рабочему телу совершенно разное количество теплоты. Причем существенно разное.
Так, наиболее эффективными являются аргон и неон – им на выполнение работы требуется около 4,16 кДж тепловой энергии, (а, вернее, 0,99 килокалории теплоты), азот, кислород и водород, с показателями от 5,84 до 6,22 кДж тепловой энергии занимают места в середнячках, весьма неэффективны водяной пар и углекислый газ, а абсолютный рекордсмен по растранжириванию тепла – хлор – 12,74 кДж. То есть, для выполнения той же самой работы «хлорному» идеальному тепловому двигателю надо передать в три раза больше тепла, чем «аргонному» или «неонному».
Надеюсь, я наглядно продемонстрировал, что КПД теплового двигателя весьма существенно зависит от природы рабочего тела и что теорема Карно - это очевидная глупость?
Мой наивный, бестолковый и глупый оппонент Юлия заявила, что, цитирую "2. Строчки теплоемкости для хлора и фтора перепутаны. Соответственно, выводы и здесь ошибочны."
Прежде всего, даже если не брать в расчёт фтор и хлор, то можно увидеть, что эффективность использования в качестве рабочего тела неона или аргона примерно в 1,5 раза выше, чем у воздуха, чистого азота, чистого кислорода, и даже самого лёгкого газа - водорода, примерно в 2 раза выше, чем у паров воды или углекислого газа. Но у Юлии, видимо, и со зрением проблемы.
Я не против разумной критики своих статей, но - РАЗУМНОЙ. Возможно, я тоже где-нибудь накосячил - я тоже человек и могу ошибаться в чём-то. Кроме того, я - перфекционист, а разумная критика позволяет "шлифовать" статьи, искать новые доказательства. Но Юлино замечание, что мои выводы по поводу зависимости эффективности тепловых двигателей, работающих по закрытому циклу несостоятельны лишь потому, что "перепутаны теплоёмкости хлора и фтора" - это идиотизм.
Кроме того, я не гордый. Я могу себя проверить и перепроверить. Благо справочник "Физические величины: Справочник. А. П. Бабичев, Н. А. Ба- Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под. ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с. — ISBN 5-283-04013-5" выложен в Рунете на многих сайтах в формате djvu.
Итак, справочник скачен, страница 201, таблица 9.2 Удельная изобарная теплоёмкость с_р, Дж/(кг*К)...
сканы из справочника "Физические величины"
Что ж, действительно перепутаны.
Я очень благодарен Юлии за это замечание и за то, что она внимательно изучала мою предыдущую статью. Я частенько называл её "тупой овцой с куриными мозгами" и теперь приношу ей свои извинения - так как вот такая критика мне и нужна.
Что ж, необходимо исправить ошибку в таблице 1. Смотрим на исправленную таблицу:
Всё равно хлор остался "чемпионом" по растранжириванию тепловой энергии (теплоты) - его эффективность при использовании в качестве рабочего тела тепловой машины, работающей по замкнутому циклу в 9048/4158 = 2,18 - то есть более чем в два раза ниже, чем у неона.
Юлия любит приводить "денежные примеры" при доказательстве своих "физических представлений". Поэтому я воспользуюсь её методом. Юлия, скажите пожалуйста, если одна бригада грузчиков обязуется поднять Вам всю вашу мебель по лестнице на 9-ый этаж за 4158 рублей, а другая бригада - за 9048 рублей при совершенно одинаковом качестве работ, то какую бригаду Вы подрядите?
То же самое и с теоремами Карно - я наглядно показал, что эффективность "идеальной тепловой машины системы Карно" существенно падает, если заменить неон (или какой другой благородный газ) на хлор, углекислый газ, воздух или даже на водород. Так зачем формировать у школьников ошибочные стереотипные представления, впаривая им глупости о цикле и теоремах Карно?
Теперь переходим к замечанию Юлии №1. "Представленное им "устройство" не предусматривает циклической работы. Соответственно, все его выводы как минимум преждевременны (а на деле - неверны)."
Честно говоря, после этого замечания мне страшно захотелось снова назвать Юлию тупой овцой с куриными мозгами - ну неужели не дотумкать самой, как наиболее рационально следует завершить цикл. Хотя бы использовать предложения самого Сади Карно - надавить на поршень некоей внешней силой.
Но потом я подумал, что Юлия на самом деле не так уж и виновата. В первую очередь виноваты остолопы-академики глубоко пенсионного возраста, оккупировавшие РАН, а также остолопы-чиновники из различных Министерств, занимающихся просвещением, образованием и наукой. Начиная с бестолковых и невежественных министров.
Вот если бы Юлии на уроках физики рассказали про устройство и принцип действия двигателя Томаса Ньюкомена, про "рационализаторские предложения", которые привнёс в двигатель Ньюкомена Джеймс Уатт, про устройство и принцип работы паровозных паровых машин:
Нужен ли "тепловым" двигателям "холодильник"? (Начало)
Нужен ли "тепловым" двигателям "холодильник"? (Продолжение)
глядишь, Юлия бы и не написала такое очевидно глупое для меня замечание. О двигателе Томаса Ньюкомена, о рацпредложениях Джеймса Уатта я расскажу в недалёком будущем - так что подписывайтесь на канал в Дзене, чтобы хоть немного разбираться в реальной физике.
Итак, надо завершить цикл тепловой машины. То, что я не сделал этого раньше - это была тактическая ловушка, в которую я заманил своего "заклятого врага" - оппонента Юлию. Пора завершить окружение противника - завершить цикл.
Можете назвать это "теоретический цикл Дубровского". Его главное отличие от дебильного цикла Карно заключается в том, что этот цикл вполне себе работоспособен - то есть посредством нагревания газа (рабочего тела внутри цилиндра с поршнем) и посредством охлаждения газа можно выполнить некую полезную работу - например, поднять груз массой m на высоту h = h_1 + h_2
Теоретический цикл Дубровского.
"А" Предположим, у нас имеется идеальная машина системы Карно, столь любимая остолопами-академиками и профессорами вузов: цилиндр с "невесомым" поршнем внутри и с полным отсутствием трения (вспоминаем рис. 1 и рис. 2). Внутри машины размещен некий электронагревательный элемент с электрическим сопротивлением R. На поршне установлен груз массой m, который необходимо поднять на некоторую высоту h - то есть выполнить полезную работу. В таком исходном состоянии поршень неподвижен. На поршень действует сила, создаваемая атмосферным давлением Z = rS, где r = 1 атм, а S - это площадь поршня, вес поднимаемого груза G = mg и сила, создаваемая давлением газа внутри цилиндра P = pS
Очевидно, что P = Z + G или pS = rS + mg
"В" Чтобы начать цикл, начнём нагревать газ, включив тумблер. По электрической цепи потечёт ток, равный I = U/R и электронагревательный элементы начнёт нагревать газ. Кол-во выделенного тепла Q = I^2 * R * t
Это тепло начнёт нагревать газ. Предположим, что всё выделенное тепло уйдёт исключительно на нагрев газа внутри цилиндра. И что газ пока не будет нагревать стенки цилиндра, т.е. теплообмена цилиндра с "холодильником-атмосферой" не будет. (Прямо ощущаю, как взбудоражатся тупые ослы, которые завопят - "Дубровский признал необходимость "холодильника"!!!, Дубровский признал, что атмосфера является "холодильником"!!!"
Да, тупые ослы. Если тепловой двигатель работает по замкнутому циклу, то "холодильник" необходим для его работы. А атмосфера в качестве "холодильника" может быть заменена на сосуд с водой или даже морозильную камеру бытового холодильника. Так что тупым ослам лучше промолчать - так они хотя бы покажутся не такими тупыми.
"С" Допустим, мы нагреваем один моль газа внутри цилиндра - именно НАГРЕВАЕМ, в отличие от цикла Карно, в котором "нагреватель" не нагревает, а "холодильник" не охлаждает.
Газ, нагреваясь, повышает своё давление, сила, действующая на поршень снизу, увеличивается и поршень с установленным грузом начинает подниматься. Теоретически процесс подъёма можно рассматривать как изобарический процесс.
"D" Допустим, мы нагреваем один моль газа внутри цилиндра с 400 кельвинов до 600 кельвинов - тогда в зависимости от того, какой именно газ мы решили использовать в качестве рабочего тела, мы затратим либо минимальное кол-во электроэнергии - если выбрали неон или аргон или в два с лишним раза больше электроэнергии, если выбрали углекислый газ или хлор. (Передаю пламенный привет безмозглым адептам цикла и теорем Карно, утверждающим, что КПД теплового двигателя не зависит от свойств выбранного в качестве рабочего тела газа.)
Подъём поршня и груза теоретически закончится при выполнении условия (p_D)*S = rS + mg. Груз в результате нагрева газа был поднят на высоту h_1. Очевидно, чем больше диаметр поршня (и его площадь), тем больший по массе груз можно поднять. Также очевидно, чем меньше диаметр, тем меньший груз можно поднять, но на большую высоту (при одинаковом количестве газа внутри цилиндра).
"Е" Фиксируем положение поршня специальными зажимами.
"F"Воспользуюсь любимым выражением денежных тузов: "фиксируем прибыль". То есть сдвигаем груз в сторону на достигнутой высоте, то есть нагрев газа уже привёл нас к выполнению полезной работы равной mg(h_1)
Очевидно, что в этом состоянии (p_D)*S > rS как раз на величину mg
После чего "надстраиваем цилиндр" и убираем фиксаторы поршня.
"G" Так как (p_D)*S > rS, то после удаления фиксаторов поршень продолжит подъём до высоты, когда (p_G)*S = rS
"H" Закрепим поднимаемый груз массой m к поршню тросом через "идеальный" отводной блок (у которого трение = 0, как обычно и бывает у идеальных отводных блоков :) )
"I" Вводим в действие "холодильник" - газ внутри цилиндра с поршнем начинает охлаждаться, вследствие чего его давление падает и под действием атмосферного давления поршень начинает опускаться, а груз массой m - подниматься.
Процесс подъёма груза при охлаждении рабочего тела в теории тоже можно рассматривать как изобарический.
Тут можно вспомнить остолопов-теоретиков Ландау и Лифшица, договорившихся о том, что бывает "положительная" работа, а бывает "отрицательная".
"J" Процесс опускания поршня и подъёма груза закончится, когда газ внутри цилиндра охладится до температуры "холодильника", при этом груз будет поднят на высоту h_2 и будет выполняться равенство (p_J)*S = rS - mg
"K" Снова "фиксируем прибыль", убираем трос, соединяющий поршень и груз - после чего поршень продолжит опускаться до тех пор, пока не будет выполняться равенство (p_K)*S = rS
Температура газа внутри цилиндра после адиабатного сжатия атмосферным давлением слегка повысится и он продолжит охлаждаться до температуры "холодильника", пока не придёт в состояние "L"
"L" Осталось загрузить поршень новым грузом, при этом поршень и сам груз просядут и примут исходное состояние "А".
Цикл можно повторить.
Завершив цикл, я полностью окружил "войска Юлии". Аргумент №1 выбит из её слабеющих ручонок. Мне осталось только нанести решающий удар. И вот он:
Повторю агрумент Юлии №3. Равенство А=Q1-Q2 автоматически следует из закона сохранения энергии. Если, по автору, Q1=Q2, то ни один тепловой двигатель никогда не может выполнить никакой работы, что заведомо неверно.
На самом деле равенство А = Q1 - Q2 следует из ошибочного ДОГМАТА сохранения энергии, причем даже не из принципа сохранения энергии, а ошибочно, стереотипно воспринимаемого многими этого принципа.
Дело в том, что в только что рассмотренном "цикле Дубровского" количество теплоты, полученной газом от электронагревательного элемента (красное Q на рисунке) до последней микрокалории равно количеству теплоты отданной газом "холодильнику" (синее Q на рисунке).
Но при этом, как можно видеть, была выполнена полезная работа A=mg(h_1 + h_2)
Иначе и быть НЕ МОЖЕТ !!! В любом замкнутом цикле (в том числе и в цикле Карно, если бы его можно было реализовать) Q_нагревателя = Q_холодильника.
И этот факт - самый сложный для восприятия, для осознания. Так как этот факт противоречит стереотипам, вбитым в головы граждан еще в школьные годы циклом Карно.
Ну, пожалуй, на сегодня достаточно.
ПРОДОЛЖЕНИЯ И РАЗЪЯСНЕНИЯ ПОСЛЕДУЮТ
Оценили 10 человек
15 кармы