Где заканчивается термодинамика
кто-то прочитав название скажет - да я знаю такое устройство - это тепловой насос он нарушает правила термодинамики. но нет, работа теплового насоса основана на законах термодинамики. я про это не так давно писал. но есть ли класс явлений на которой законы термодинамики не распространяются? да такой класс явлений есть. и мне было удивительно что многие этого не знают, хотя это не я придумал.
класс явлений на который термодинамика не распространяется называется электричество.
почему так? нас не интересуют кинетическая энергия частиц. главное в электродинамике это ток I = ΔQ/Δt т.е. количество заряда прошедшее за промежуток времени через поперечное сечение проводника. а основное уравнение МКТ связывает давление объём и температуру газа с кинетической энергией молекулы.
кроме того для тепловой машины зависит от разницы температур её рабочего тела и ее максимальный КПД = 1 - Tх/Tн. откуда такое? ну известно что газ при нагревании расширяется, а при остывании сжимается т.е. совершает работу. что бы нагреть газ нужно подвести к нему некоторое количество теплоты. вам нужно чтобы это количество теплоты совершило максимальное количество работы.
т.к. реальные значения Тх - температура холодного газа (холодильника) и Тн температура нагретого газа ограничены, максимальный КПД тепловой машины тоже ограничен. т.е. уйти от термодинамики еще означает увеличить максимально возможный КПД машины.
конечно сказать что электричество открывает возможность создания вечного двигателя тоже неправильно. на электричество закон сохранения энергии распространяется, однако кое-что электричество может. сначала несколько примеров для иллюстрации.
первый наш пример обычная солнечная панель.
я не будут подробно рассказывать как работает фотоэлектрический модуль. суть в том что есть некоторый переход который носитель заряда в данном случае электрон преодолеть не может самостоятельно, у него для этого не хватает энергии. эту область значений энергий электрона называют запрещенной зоной.
но если по электрону шарахнуть фотоном, электрон приобретает необходимую энергию для преодоления запрещенной зоны. т.е. фотон перебрасывает электрон через запрещенную зону.
т.к. система изначально была уравновешена, возникает разность потенциалов. чтобы снова уравновесить систему электрон должен вернутся обратно, но вот не задача через запрещенную зону он этого сделать не может и вынужден идти обратно через нагрузку, чем и создает в нагрузке ток.
нас это в общем-то мало интересует. лучше представьте себе такую ситуацию. вы выходите в чистое поле в погожий зимний денек с электрочайником и солнечной панелью мощностью несколько киловатт.
на улице приятный морозец и солнышко. так или иначе вы подключаете электрочайник к панелям и через несколько минут у вас в чайнике кипяток, а на улице -10 °С.
нарушились ли законы термодинамики? вообще говоря нет, потому что система открытая т.е. в неё поступает энергия из вне, но тем не менее. мы без термодинамических процессов, т.е. нашей солнечной панели не нужен холодильник, получили "концентрат" солнечной энергии и смогли его легко утилизировать. тут стоит обратить внимание, что солнечные панели не содержат двигающихся частей.
наш второй пример солнечный коллектор
здесь все тоже самое. отличие от солнечных батарей, производящих электричество, солнечный коллектор производит нагрев некого теплоносителя. солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, обеспечения энергией теплиц.
здесь все тоже самое. зимой вполне можно использовать солнечный коллектор, проблема в том что солнечный день короткий и энергии вы получаете немного.
значит два примера для который законы термодинамики типа нарушаются. давайте рассмотрим еще один пример.
термоэлектрический преобразователь
подобно солнечной панели он преобразует тепло в электричество. но он полностью подчиняется законам термодинамики. такой преобразователь имеет холодные и горячие части, и очень не высокий КПД. распространенные сейчас модули имеют КПД ~5%
ну и на хрен нам сдался такой модуль? ничего не обычного в нем нет, да еще очень низко эффективный. поэтому и сдался в общем-то только чтобы показать их жуткую неэффективность и представить главного героя нашего повествования.
выпрямляющая антенна оптического диапазона частот э/м волн
здесь все смешнее. представим обычную радио антенну. давайте для простоты возьмёт диполь Герца.
Диполь Герца
видно, что через R течет переменный ток. а если этот ток выпрямить и скажем заряжать конденсатор? вот мы преобразовали энергию электромагнитной волны в электрический заряд. в последствии конденсатор можно разрядить через нагрузку получив тем самым постоянный электрический ток.
такие антены назвают выпримляющими антенами или ректенами
а теперь вопрос что будет если изготовить антенну и "диод" на оптический диапазон э/м волн? выберем ИК диапазон т.е. тепловой.
что мы получили? а получи ли очень забавную штуку. мы опять без холодильника преобразовали э/м волны в электрический заряд. здорово мы обманули термодинамику. так давайте изготавливать такие штуки. и вот тут мы сталкивается с рядом проблем.
- оптический диапазон частот - сотни ГГц. что очень много. наш "диод" должен эффективно работать на этой частоте.
- ну и второе следует из первого маленькая длинная волны - единицы мкм(миллионная доля метра), что говорит о размере антенны.
- ну и вишенка на торте, что антеннки очень маленькие сотвественно очень маленькие электрические потенциалы, что предъявляет еще более высокие требования к нашему "диоду".
так что практическое создание таких антенн сопряжено с определенными сложностями. однако как хороши подобные системы скажем в космосе! им не нужен холодильник для эффективной работы, а ведь отвод тепла в безвоздушном пространстве представляет серьёзную проблему. (интересная заметка по теме)
это вобщем-то испоьзуется и сейчас. на МКС развернут массив солнечный панелей, а не используется РИТЭГи которые нужно эффективно охлаждать.
ту еще надо вот что заметить что МКС не далеко от Солнца. и плотность солнечного излучения(КВт/м²) большая. но чем дальше чем мы от летает от Солнца тем меньше плотность излучения.
почему так? представим, что Солнце точечный источник. тогда все его излучение можно заключит в сферу с радиусом орбиты Земли. тогда плотность излучения на орбите Земли будет равна мощности Солнца деленное на площадь сферы. радиус сферы возмем 1 а.е. для наглядности.
площадь поверхности шара S = 4πR²
например от Солнца до Марса 1.52 а.е. следовательно плотность излучения будет в 2.3 раза меньше. т.е. на солнечную панель будет падать в 2.3 раза меньше энергии.
видно, что для полетов куда-то дальше чем Марс солнечные батареи подходят плохо. и тут подойдут наши атомные батарейки. которые смогут снабжать энергией космический аппарат несколько лет в не зависимости от удаления от Солнца.
опишем конструкцию нашей космической батарейки. конструкция довольно простая. состоять она будет из двух цилиндров вставленный один в другой. внутренняя поверхность внешнего представляет из себя набор фотоэлементов. внутренний цилиндр представляет из себя цилиндр из термолюминесценцирующего материала, заполоненного делящемся материалом выделяющие тепло. между цилиндрами то, чего в космосе навалом - вакуум.
работает это так: термолюминисцирующий материал нагревается и начинает светится, это излучение мы преобразуем в электричество при помощи фотоэлектрических модулей на внутренней поверхности внешнего цилиндра. вакуум между цилиндрами играет рояль теплоизоляции. все просто.
причем не обязательно использовать экзотические антенны, все будет работать с "обычными" фотоэлементами. по сути это теже солнечные панели, просто Солнышко мы возим с собой. ну и спектр излучения поуже.