ЧТО НЕ ЗАМЕТИЛИ БОЙЛЬ И МАРИОТТ?
С незапамятных времён человечество мечтало о бестопливной генерации энергии. На этом пути была освоена энергия движущейся (падающей) воды, энергия ветра, в последнее время энергия волн, Солнца и термальных источников. Казалось бы, человечество уже достигло своей цели - бестопливные источники генерации энергии уже освоены, но их мощность катастрофически отстаёт ото всё возрастающих потребностей человечества в энергии. Поэтому параллельно шло освоение традиционных технологий получения энергии путём сжигания полезных ископаемых. Сначала эта была древесина, затем уголь, сегодня нефть, газ, атомное топливо.
Наибольшее применение на этом пути нашла генерация энергии по взрывной технологии высокоактановых производных из нефти. Суть её заключается в мгновенном переходе топлива из жидкого состояния в газообразное, благодаря чему высвобождается до 40 кДж из одного грамма топлива. Ни одна бестопливная генерация не в состоянии конкурировать с подобной энергетической мощностью, поэтому эти два вида генерации существуют параллельно друг другу. Причём все попытки вытеснить топливную (деструктивную) генерацию бестопливной оканчиваются неудачей, именно из-за энергетической плотности которую позволяет реализовать технология взрыва топливной смеси. Поэтому альтернативный путь бестопливной генерации необходимо искать в направлении высокоэнергичных процессов соизмеримых по энергетической плотности с двигателями внутреннего сгорания.
Фактически все двигатели внутреннего сгорания построены на законе Бойля-Мариотта:
Р(0)V(0) = P(n)V(n)
где
Р(0) – давление системы при нормальных условиях;
V(0) – объём системы при нормальных условиях;
Р(n) – давление системы при n-условиях;
V(n) – объём системы при n- условиях.
Иными словами изменение одного из параметров системы автоматически изменяет другой параметр.
При взрыве топлива в объёме V(n) в нём формируется давление Р(n), которое стремится перевести систему в нормальные условия, то есть происходит увеличение объёма с V(n) до V(0), что в соответствии с рассмотренным законом переводит систему из состояния с давлением Р(n) в состояние с давлением Р(0). Рабочий цикл на этом завершается и всё повторяется сначала.
Но рассмотренный закон это всего лишь частный случай более общего закона, который ни Бойль, ни Мариотт, ни кто-либо другой, к сожалению, так и не разглядели.
Давление в классической механике равно:
P = F/S
где F - сила, а S – площадь.
Соответственно:
F = m*a
m – масса;
а – ускорение.
Р*V = (F/S)*V = F*l
где l – путь, пройденный силой F, что соответствует в классической физике понятию работы или энергии.
Р*V = F*l = m*a*l = m*u^2
В единицах измерения:
[(Н/м^2)*м^3] = (Н*м) = (кг*м*м/с^2) = (кг*м^2/с^2) = [Дж]
Таким образом, произведение давления на объём – есть энергия системы, но в соответствии с законом Бойля-Мариотта эта энергия в процессе изменения состояния системы всегда остаётся постоянной. Что кажется очень уж странным, так как газ находящейся под давлением в 1 атмосферу и в 100 атмосфер, уж точно не может иметь одну и ту же энергию. Это легко проверить по той работе, которую совершит газ находящейся под соответствующим давлением.
Природа этого парадокса заключается в том, что закон Бойля-Мариотта рассматривает систему относительно некой начальной точки, в качестве которой в большинстве случаев подразумевают нормальные условия [1]. Иными словами относительно начальных условий система рассматривается этим законом как стационарное явление. Это удобно для понимания природы рассматриваемых изменений системы, но мешает увидеть основной механизм, который обеспечивает это изменение.
Если рассматривать закон Бойля-Мариотта как:
Р(0)*V(0) = P(n)*V(n) = E(0)
Р(0) = E(0)/V(0)
E(n) = E(0)*[P(n)/P(0)] = P(n)*V(0)
То, мы увидим, что энергия системы в n-состоянии пропорциональна давлению системы в этом состоянии и объёму, который эта система занимает в нормальных условиях.
Именно в этом соотношении спрятана дверь, за которой находится бестопливная генерация, не только сопоставимая с энергетической плотностью современных двигателей внутреннего сгорания, но при этом она имеет возможность многократно её превзойти. И, что особенно важно, на производство такой энергии не надо будет расходовать ни одного грамма топлива.
Так, если один грамм воды, занимающий объём в один куб. см, нагреть до температуры 500 градусов в замкнутом объёме, то этот объём воды может производить до 283 кДж [2], т.е. более чем в 6 раз, чем можно получить из одного грамма бензина. При этом на нагрев воды придётся израсходовать всего 4 кДж, оставшаяся при этом энергия расходуется на технологические потери и бестопливную генерацию.
[1] Но может быть и любая другая точка, природа закона от этого не меняется.
[2] V(0) = 1672 куб. см (1,672*10^(-3) куб. м) пара содержится в 1 куб. см воды, который в замкнутом объёме находится под давлением в 1672 атм [P(n) = 1,69*10^(8) Па].