Об одной идее создания “вечного” двигателя

Рассмотрим систему, показанную на рис. 3. Она представляет собой два одинаковых полых металлических шара А и В, соединенных диэлектрической трубкой С, а также металлического стержня D. Его металл такой же, как у шаров. Поэтому при его контакте с шарами не будет контактной разности потенциалов. Система находится в гравитационном поле с ускорением свободного падения g,направленного от шара А к шару В. Расстояние между центрами шаров равно h. В шарах А, В и трубке С находится плазма какого-нибудь газа. Это значит, что температура данной системы порядка 2000 К.

Из-за гравитационного поля концентрация молекул газа, его ионов и электронов в шаре А будет меньше, чем в шаре В. Эта разность концентраций определяется распределением Больцмана (барометрической формулой). Причем из-за того, что масса электрона намного меньше массы иона, шар А будет заряжен отрицательно, а шар В – положительно (мы предполагаем, что в плазме нет отрицательных ионов). (На рисунках данной работы положительные заряды показаны большими точками, а отрицательные заряды – малыми точками.) При этом отрицательный заряд шара А будет расположен на внешней его поверхности (как известно, в металле заряды располагаются на его внешней поверхности). Ионы не могут проходить сквозь стенки шара В. Но они могут отбирать электроны у металла, рекомбинировать и в итоге положительный заряд шара В также будет расположен на внешней его поверхности. В стержне D будет наоборот: верхняя его часть будет заряжена положительно, а нижняя – отрицательно, т.к. в нем свободно могут перемещаться электроны, а ионы не могут. При этом если нет контакта стержня D с шарами А и В, то данная система будет находиться в термодинамическом равновесии, а также в электростатическом равновесии.

Если стержень D привести в контакт с шарами А и В, то электроны будут переходить от шара А к стержню D и от стержня D к шару В(выравнивание потенциалов и установление электростатического равновесия). При этом в стержне D из-за сил электрического поля, создаваемого заряженными шарами А и В, электроны будут перемещаться сверху вниз. Если электрическое сопротивление стержня намного меньше, чем плазмы в трубке С, то из-за короткого замыкания произойдет разряд шаров А и В. Но при этом нарушится термодинамическое равновесие в плазме. Поэтому электроны по трубке С будут переходить от шара В к шару А. В итоге в данной системе будет неубывающий во времени постоянный электрический ток, т.е. будет динамическое равновесие. Энергия этого тока может быть превращена в механическую работу и тем самым в принципе может быть создан “вечный” двигатель.

В шарах А и В плотность плазмы неодинакова. Поэтому в местах контакта плазмы и внутренних поверхностей этих полых шаров возможны неодинаковые контактные разности потенциалов. Из-за них в равновесии разность потенциалов между металлами шаровА и В может быть равной нулю, т.е. сумма работ при перемещении электрона из металла шара В в плазму, из плазмы шара В в плазму шара А, из плазмы в металл шара А может быть равной нулю (из-за одинаковости концентраций электронов проводимости в металле шаров А и В так и должно быть, если исходить из формулы Больцмана (6.2)). Но независимо от равенства (или не равенства) нулю этой работы (т.е. независимо от наличия или отсутствия контактных разностей потенциалов между металлом шаров и плазмой в них) это не означает, что при замыкании стержнем D шаров А и В в цепи не будет неубывающего во времени тока, т.к. для термодинамического равновесия в плазме нужно, чтобы шары были заряженными; но при этом не будет электростатического равновесия в металле. В пространстве между шарами А и В имеет место электрическое поле, которое и приводит в движение электроны стержня D при замыкании им шаров А и В.

Если нет контакта стержня D с шарами А и В и не учитывать влияния зарядов стержня D на заряды шаров А и В, то для случая, когда радиусы шаров намного меньше высоты h (в этом случае можно пренебречь зависимостью от координат концентрации частиц внутри шаров), формулы Больцмана для ионов и электронов плазмы имеют вид:

n_+А = n_+В exp (- U₊ / kT ), (6.1)

n _–А = n _–В exp (- U_– / kT ), (6.2)

где Т – абсолютная температура, n_+А , n_+В , n_–А , n _–В – концентрации ионов (+) и электронов (–) в плазме шаров А и В, U₊ , U_– − разности потенциальных энергий ионов и электронов в шарах А и В соответственно.

Так как заряды располагаются на внешних поверхностях шаров, то в них плазма электронейтральна. Поэтому

n_+А = n_–А ; n_+В = n_–В . (6.3)

Из (6.1), (6.2) и (6.3) следует:

U₊ = U_– . (6.4)

Очевидно:

U₊ = m₊ g h – eφ , (6.5)

U_– = m_– g h + eφ , (6.6)

где m₊ , m_– − массы иона и електрона, e – заряд электрона (иона), φ –разность потенциалов шаров А и В. Первые слагаемые в (6.5) и (6.6) показывают величину разности в шарах А и В потенциальной энергии ионов и электронов в гравитационном поле, а вторые слагаемые − в электрическом поле, создаваемом заряженными шарами.

Подставляя (6.5) и (6.6) в (6.4), находим:

φ =( m₊ − m_–) g h / 2 е ≈ m₊ g h / 2 е. (6.7)

Оценим величину разности потенциалов на концах стержня D (без учета влияния на него зарядов шаров А и В). В средней части стержня в равновесии не должно быть тока. Это возможно, когда гравитационная сила, действующая на электрон, равна электрической силе, создаваемой нижними и верхними зарядами стержня:

m_– g = еЕ,

где Е – напряженность электрического поля в этом месте от этих зарядов: Е=φ_о/h, где φ_о – искомая разность потенциалов на концах стержня D. Из этих равенств имеем:

φ_о = m_– g h / е. (6.8)

Поскольку масса электрона намного меньше массы иона (протона), то величина φ_о намного меньше разности потенциалов (6.7). Поэтому ею можно пренебрегать в системе (рис. 3), а разность потенциалов φ будет электродвижущей силой в цепи.

Пусть m₊ = 1,7·10^{-27 кг (такая масса протона), g = 10 м/с2} (такое земное ускорение), h = 0,2 м. Тогда по формуле (6.7) находим: φ = 1· 10^-8 В. Хотя эта величина очень малая, это имеет принципиальное значение. Если ток в цепи имеет место (это может быть выяснено экспериментально), то это означало бы, что возможно не только флуктуационное нарушение второго закона термодинамики, но возможно и принципиально другое (нефлуктуационное) нарушение этого закона. Если же тока в цепи нет, то возникает вопрос: в чем ошибка в вышеприведенных соображениях? По-видимому, с этим предстоит разбираться.

Отметим, что важность принципа состоит в том, что если имеет место нарушение второго закона термодинамики в одной системе (например, в системе (рис. 3)), то подобное нарушение может быть и в других системах.

Как видно из (6.7), величина φ может быть увеличена путем увеличения величин m₊ , g и h, т.е потенциальной энергии m₊ g h. Заменив массу протона на массу иона определенного вещества, величину φ можно увеличить приблизительно на 2 порядка. Также, заменив земные гравитационные силы на центробежные (во вращающейся системе), величину φ можно увеличить приблизительно на 4 порядка. В итоге величину φ можно увеличить приблизительно на 6 порядков. Но и в этом случае она будет малой: φ = 1· 10^-2 В. Поэтому возникает вопрос о возможности замены слабых гравитационных и центробежных сил на большие электрические силы, а также замены плазмы на полупроводник. Между ними имеется сходство в том, что их удельная электропроводимость возрастает с повышением температуры.

Если в системе (рис. 3) плазму с диэлектрической трубкой заменить на полупроводник, то в полученной системе из-за гравитационных сил, как и в стержне D, шар А будет заряжен положительно (а не отрицательно, как в случае плазмы), а шар В – отрицательно. Полупроводник в шарах А и В будет электронейтрален (свободные заряды будут располагаться на внешних поверхностях металлических шаров), т.е. будут справедливы равенства (6.3), а также из-за того, что n_+А = n_+В , то будет и равенство n_–А = n_–В. При этом из формулы (6.2) следует, что U_– = 0, а из (6.6) следует, что, как и для стержня D, разность потенциалов между шарами определяется формулой (6.8). Поэтому в цепи не будет электродвижущей силы и, следовательно, не будет неубывающего во времени электрического тока. Такая же ситуация будет и в случае, если гравитационные (или центробежные) силы заменить на электрические, т.е. если эту систему поместить во внешнее электрическое поле.

В то же время, система, представляющая собой полупроводники в электрическом поле, обладает явными преимуществами: не нужно высоких температур; не нужно вращения системы; из-за больших электрических сил система может быть очень компактной; система состоит только из твердых тел; возможность непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую; а также не нужно высоких давлений, как в системе (рис. 2) вблизи критической температуры. Мы покажем, что такая система (как и система (рис. 2)) пригодна для тщательной экспериментальной проверки в ней формулировки 1.