Глупости школьной физики. ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЕ ОПРОВЕРЖЕНИЕ теорем Карно.

Передаю огромный, пламенный привет остолопам: академикам РАН, чиновникам из министерств просвещения, высшего образования и науки и профессорско-преподавательскому составу учебных заведений. И прошу - не потеряйте мой привет, а внимательно изучите его, чтобы не остаться такими же бестолковыми.

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. d-pi@yandex.ru

Напомню смысл теорем Карно, которые до сих пор вдалбливают остолопы-преподаватели, ни хрена не понимающие в физике и особенно - в термодинамике, в несчастные головёнки школьников и студентов.

Итак, смысл так называемых теорем (теоремы) Карно - следующий (как это преподносится в школах и вузах:

1. Полезная работа, выполненная за цикл любого теплового двигателя, в т.ч. ДВС и даже турбореактивных и реактивных двигателей  A = Q_нагр. - Q_хол., где Q_нагр. - тепло, полученное рабочим телом (газом) в течение одного цикла от "нагревателя", а Q_хол. - тепло, отданное рабочим телом "холодильнику"

2. КПД цикла Карно (почему-то остолопы часто упускают слово "термодинамический" - ведь речь идёт о некоем термодинамическом  КПД, ТКПД) - максимально возможный для любых тепловых двигателей (при заданном диапазоне температур "нагревателя" и "холодильника")

ТКПД = (Q_нагр. - Q_хол.) / Q_нагр. = (Т_нагр. - Т_хол.) / Т_нагр.

3. ТКПД цикла Карно (а многие, наверно, не менее 95% учеников) воспринимают это как реальный КПД реальных тепловых двигателей) не зависит от свойств рабочего тела.

На самом деле всё это - несусветная глупость и чушь. И я решил написать цикл статей, чтобы донести до умных читателей всю глупость защищающих теоремы Карно академиков РАН и преподавателей физики. Поэтому, чтобы понять суть проблемы, я бы рекомендовал сперва прочесть на Дзене:

1. Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Часть 1 - Некоторые разъяснения о роли РАН в развитии науки.
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?

Так вот, дело в том, что в любом закрытом термодинамическом цикле, в том числе и в цикле Карно (если бы его удалось хоть когда-нибудь реализовать) на самом деле Q_нагр. = Q_хол., то есть

A = Q_нагр. - Q_хол. = 0 и соответственно, тогда и 

ТКПД цикла Карно = (Q_нагр. = Q_хол.) / Q_нагр. = 0

Для начала давайте разберём вопрос, а правда ли, что ТКПД тепловых двигателей не зависит от свойств газа, который используется в качестве рабочего тела?

Давайте рассмотрим самый простой ЗАКРЫТЫЙ термодинамический цикл, который, в отличие от цикла Карно, можно легко реализовать, и в котором, в отличие от цикла Карно, производится полезная работа, равная 2mgh:

Рис. 1. Самый простой термодинамический цикл, в котором выполняется полезная работа за счёт нагревания и охлаждения газа.

"А" Предположим, у нас имеется идеальная машина системы Карно, столь любимая остолопами-академиками и остолопами - профессорами вузов: цилиндр с "невесомым" поршнем внутри и с полным отсутствием трения. 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 исходном состоянии "А" поршень неподвижен. На поршень действует сила, создаваемая атмосферным давлением Z = rS, где r = p_атм. = 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. Отмечу, что мы именно НАГРЕВАЕМ газ, в отличие от цикла Карно, в котором "нагреватель" не нагревает, а "холодильник" не охлаждает. 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. Чтобы поршень начал движение, требуется, чтобы давление внутри цилиндра слегка повысилось.

"С" В этих идеальных, идеализированных условиях, после того, как поршень с грузом начали движение вверх, то есть груз приобрёл некоторое кол-во движения mV, движение будет продолжаться, пока выполняется равенство pS = rS + mg. А так как при подъёме поршня с грузом объём газа увеличивается, то его давление начинает уменьшаться и нам требуется постоянным НАГРЕВАЕМ газа внутри цилиндра поддерживать требуемое давление. То есть в идеале мы имеем почти 100%-но изобарический процесс B-D.

"D" В какой-то момент мы достигли нужной высоты, затратив на это некоторое Q_нагревателя - количество теплоты, затраченной на нагрев газа. При этом наш "идеальный двигатель системы Карно" выполнил полезную работу, равную mgh (в отличие от цикла Карно, в котором никакая полезная работа не выполняется)

Подъём поршня и груза теоретически закончился при выполнении условия (p_D)*S = rS + mg. Груз в результате нагрева газа был поднят на высоту h. 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). И также очевидно, что если мы будем использовать в качестве рабочего тела гелий, неон или аргон, то нам на выполнение этой полезной работы, равной mgh, потребуется примерно в полтора раза меньше теплоты, чем если бы мы использовали азот, кислород, водород или воздух. И в 2,17 раза меньше теплоты, чем мы бы использовали в качестве рабочего тела хлор. Об этом я подробно написал в статье "Глупости школьной физики. Теоремы Карно. Entracte 1 - Отвечаю Юлии на критику"

Это я к чему - что на самом деле величина полезной работы, которую можно выполнить тепловой машиной, напрямую зависит от молярной теплоёмкости газа, что указывает на глупость теоремы Карно.

"Е" Мы позволяем газу внутри цилиндра остыть. При этом давление внутри цилиндра начинает падать и поршень с грузом начинает опускаться.

"F" Газ внутри цилиндра продолжает остывать, вследствие чего поршень продолжает опускаться. Очевидно, что процесс опускания поршня с грузом после набора грузом кол-ва движения mV - также изобарический, p*S = rS + mg

"G" В конце концов поршень вернётся в исходное положение. В процессе E-G нашим "идеальным двигателем Карно" также выполняется полезная работа, равная mgh по ОПУСКАНИЮ ГРУЗА массой m на высоту h.

Вот pV-диаграмма этого цикла:

Рис. 2. pV-диаграмма самого простого термодинамического цикла, в котором выполняется полезная работа.

Странно, но у фанатов цикла Карно тут даже и заштриховать какую-то "полезную площадь" не получится, хотя полезная работа тут выполняется и при расширении газа внутри цилиндра, и при сжатии.

И самое интересное, что в этом цикле (даже без каких либо подсчётов) очевидно, что Q_нагр = Q_хол, но при этом была выполнена полезная работа, равная 2mgh.

Вот сейчас тем самым местом, где спина теряет своё благородное название, можно сказать, Dark Side'ом of своей Moon

Рис. 3. The Dark Side of the Moon

я почувствовал, как полчища дебилов, которые по недоразумению считают себя физиками, и даже преподавателями физики, истошно завопят - груз поднялся, а потом опустился на то же самое место, значит, полезная работа равна нулю.

Я попрошу - если такие действительно есть, особенно среди школьных учителей или вузовских преподавателей физики, то, пожалуйста, представьтесь. Страна, особенно школьники и студенты должны знать в лицо таких остолопов.

На всякий случай я напомню, что даже нынешняя, глубоко ошибочная во много физика иногда пытается сказать правильные вещи. Так, даже современная физика утверждает, что вовсе не любая работа по замкнутому контуру равна нулю, а лишь только работа КОНСЕРВАТИВНЫХ СИЛ по замкнутому контуру равна нулю.

Как я и ожидал, такие граждане действительно довольно быстро обнаружились. К сожалению, они так и не представились должным образом (несмотря на наличие высшего образования)...

Специально для таких остолопов я написал дополнительные разъяснения:

Физика. Термодинамика. Уроки для Юлии. Урок №1. Кое-что о работе консервативных и неконсервативных сил. А также чуть-чуть про "положительную" и "отрицательную" работу.

Продолжение следует...

А если кому невтерпёж, рекомендую прочесть статью по разоблачению глупости "теорем Карно" и тех, кто её проповедует и защищает, на Яндекс Дзене:

Глупости школьной физики. ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЕ ОПРОВЕРЖЕНИЕ теорем Карно. Часть 1

и ту часть, которая касается непосредственно цикла Карно:

Глупости школьной физики. ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЕ ОПРОВЕРЖЕНИЕ теорем Карно. Часть 2 (основная)

Желаю всем читателям удачи в освоении РЕАЛЬНОЙ физики и РЕАЛЬНОЙ термодинамики