CC BY
20server and make the system more scalable as well, during the encoding and decoding of the voice packets during the phone call, voice packets can be routed to and fro communicating clients through other clients within the network. This is basically creating another overlay network on top of the existing VoIP network and also unleashing the full potential of CARMA-P2P in VoIP.
Conclusion.
Since CARMA does local computation of network awareness, implementation of CARMA in SIP to replace client location tasks currently handled by SIP servers will eliminate latency that might occur during connection sessions when a call is being initiated. While this may sound as simple as they come, a broader research work on the possibility of this will definitely pay off.
References
1. Node Placement Analysis for Overlay Networks in IoT Applications International Journal of Distributed Sensor Networks Volume 2014 (2014), Article ID 427496.
2. https:// datatracker.ietf.org/doc/rfc2848/
3.https://www.packetizer.com/ipmc/papers/under standing_voip/ how_voip_works.html.
4. Poryev G. Multi-Tier Locality Awareness in Distributed Networks // iH^opMa^nm TexHO^oriï Ta KOMn'roTepHa iH^eHepia. 2009. № 3(16). C. 13-17.
5. Poryev G. CARMA based MST Approximation for Multicast Provision in P2P Networks/Poryev G., Schloss H., Oechsle R.//In Proceedings of the Sixth International Conference on Networking and Services, 7-13 March 2010 p.,Cancun:Proceedings Cancun, Mexico: IARIA, 2010.—P. 123-128. 6. H. Schloss, R. Oechsle, J. Botev, M. Esch, A. Hohfeld, and " I. Scholtes,"HiOPS overlay efficient provision of multicast in peer-to-peer systems ," in 16th IEEE International Conference on Networks (ICON 2008), New Delhi, India, 2008, pp. 1-6.
7. B. Augustin, X. Cuvellier, B. Orgogozo, F. Viger, T. Friedman, M. Latapy, C. Magnien, and R. Teixeira, "Avoiding traceroute anomalies with Paris traceroute," in IMC '06: Proceedings of the 6th ACM SIGCOMM conference on Internet measurement. New York, NY, USA: ACM, 2006, pp. 153- 158
8. S. Ratnasamy, M. Handley, R. Karp, and S. Shenker,"Topologically-aware overlay construction and server selection," in INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE, vol. 3, 2002, pp. 1190- 1199 vol.
ДЕМОН АНДРЕЕВА, ДВИГАТЕЛЬ АНДРЕЕВА, ЦИКЛ
АНДРЕЕВА
Андреев Ю.П.
Независимый исследователь
ANDREEV'S DEMON, ANDREEV'S ENGINE, ANDREEV'S
CYCLE
Andreev U.P.
Independent researcher
АННОТАЦИЯ
В 1867 году английский физик Д.К. Максвелл придумал мысленный эксперимент с мифическими демонами с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс второго начала термодинамики. В 1929 году Л. Сцилард предложил вариант двигателя с одной молекулой, который как бы мог нарушить второе начало. В "Фейнмановских лекциях по физике" Р.Ф. Фейнманом также был предложен вариант двигателя в виде храповика с собачкой, как вариант устройства, как бы нарушающего второе начало. Но все эти предложенные варианты так и не были созданы в виде реальных устройств. В данной статье рассматривается устройство - демон Андреева. Это устройство является полным аналогом множества демонов Максвеллы. То есть, это устройство пропускает отдельные молекулы с одной стороны стенки и не пропускает с другой. И конструкция этого устройства настолько проста, что его несложно изготовить в наше время. В результате появиться реальная возможность подтвердить или опровергнуть второе начало термодинамики.
ABSTRACT
In 1867, English physicist D.K.Maxwell devised a thought experiment using mythical demons to demonstrate an apparent paradox of the second law of thermodynamics. In 1929, L.Scilard offered a one-molecule engine version that could supposedly break the second law. In "The Feynman Lectures on Physics", R.P.Feynman offered a ratchet-and-pawl engine version that could also hypothetically break the second law. However, all of these versions were not real, created devices. This article discusses a device - "Andreev's Demon". This device is a complete analogue of the Maxwell's Demons; that is, this device allows separate molecules to pass through a wall from one side without allowing them to pass through from the other side. The design of this device is so
simple that it is now easy to construct. As a result, we will have a genuine opportunity to confirm or disprove the second law of thermodynamics.
Ключевые слова: демон Андреева, демон Максвелла, двигатель Андреева, второе начало термодинамики, вечный двигатель второго рода, цикл Карно, цикл Андреева.
Keywords: Andreev's demon, Maxwell's demon, Andreev's engine, the second law of thermodynamics, perpetual motion machine of the second kind, Carnot cycle, Andreev's cycle.
У Максвелла демон сидел у закрытой дверцы и сортировал молекулы по скоростям. В результате в одной половине сосуда собирались «горячие» молекулы, а в другой половине - «холодные». Но можно упростить алгоритм работы демона Максвелла. Пусть демон сидит у дверцы и открывает ее, когда с одной стороны к ней подлетает любая молекула, независимо от того, «горячая» она или «холодная». Когда к дверце подлетает молекула с другой стороны, то демон дверцу не открывает и молекула не может пролететь через отверстие. То есть, молекулы с одной стороны будут пролетать через отверстие с дверцей, которой управляет демон, а молекулы с другой стороны пролетать не будут. В результате давление в одной половине сосуда увеличится, а в другой половине - уменьшится. Получившуюся разность давлений также можно использовать для совершения полезной работы.
Допустим, что есть пластина с отверстиями и дверцами у отверстий. И этими дверцами управляют демоны Максвелла таким образом, что пропускают молекулы только с левой стороны. Если пластина с такими демонами будет находиться в открытом газовом пространстве, то сила давление газа на левую сторону пластины будет меньше, так как площадь пластины для молекул с этой стороны будет меньше на суммарную площадь отверстий в пластине. Часть молекул, попадающих в створ отверстий, будут пролетать на противоположную сторону, так как демоны будут открывать дверцы перед молекулами с этой стороны. То есть, молекулы будут ударяться только в саму пластину, но не в дверцы отверстий. Сила давления слева Fл = P(Sп - So). Сила давление с правой стороны будет больше, так как демоны не открывают дверцы перед молекулами с этой стороны и все молекулы ударяются и отскакивают как от самой пластины, так и от закрытых дверок на отверстиях. Fп = PSП. Поэтому на пластину будет действовать «демоническая» сила Fд = PSп - P(Sп - So) = PSo. «Демоническая» сила зависит только от давления и суммарной площади отверстий в пластине.
Допустим, что в каждом отверстии установлены приборы, которые фиксируют разницу между пролетающими в разных направлениях молекулами. Когда демоны не работают, то дверцы закрыты и молекулы не могут пролетать через отверстия. Разница между количеством пролетающих с разных сторон молекул N = 0. То есть, все молекулы, летевшие в створ отверстий, ударились и отскочили от закрытых дверок на отверстиях. Когда же демоны заработают, то картина изменится. Молекулы будут пролетать только с одной стороны и поэтому N Ф 0.
Для лучшего понимания конструкции демона Андреева необходимо разобраться с эффузией в разреженном газе [1, стр. 353]. Стенка разделяет однородный разреженный газ на 2 части А и Б. В стенке есть отверстия. Размер отверстий и толщина стенки малы по сравнению с длиной свободного пробега молекул. В этом случае через отверстия возникают 2 эффузионных потока молекул: из А в Б и из Б в А. Эти потоки совершенно независимы друг от друга. Если давления и температуры в обеих частях равны, то равны и эффузионные потоки. Равное количество молекул пролетает из А в Б и из Б в А. N = 0. Хотя молекулы и пролетают через отверстия в обе стороны, но можно считать, что стенка как бы без отверстий, так как количество молекул в А и Б не изменяется и нет переноса молекул из А в Б и из Б в А. Результат аналогичен тому случаю, когда демоны Максвелла не работают и не пропускают молекулы. Если давление в части А увеличится, то и эффузионный поток из А в Б также увеличиться. Эффузионный поток из Б в А останется неизменный. Поэтому N Ф 0. Например, когда давления были равны, то пролетало по 10 молекул с каждой стороны. N = 10 - 10 = 0. После увеличения давления в А, из А в Б стало пролетать 12 молекул. N = 12 - 10 = 2. То есть, можно считать, что из А в Б переместилось только 2 молекулы. Эффузионные потоки по 10 молекул из каждой части компенсируются.
Тут главное понять разницу между большим отверстием (БО) в толстой мембране и наноотвер-стием (НО) в наномебране. См. рис. 1.
Рис.1.
Уже созданы графеновые мембраны с нано- атом. Наноотверстие в такой мембране можно метровыми отверстиями [2]. Толщина мембраны 1 представить в виде прослойки абсолютного ваку-
ума, через которую пролетают отдельные молекулы. Пролетая эту прослойку вакуума на длине свободного пробега (красная стрелка), внутренняя молекула становится внешней молекулой. Или наоборот - внешняя молекула становится внутренней. В большом отверстии (БО), много больше длины свободного пробега молекул, это невозможно. Там нет чёткой границы, пролетая через которую на длине свободного пробега, молекула меняет свой статус.
И самое главное. Скорость вылетающих или влетающих молекул через наноотверстия не зависит от разницы давлений. От разницы давлений
зависит только количество таких молекул. Через большое отверстие проходит газодинамический поток молекул. И скорость этого потока зависит от разницы давлений. При небольшой разнице давлений скорость такого потока может быть в 10 раз и более меньше тепловой скорости молекул. От разницы давлений зависит и количество молекул в этом потоке, проходящем через большое отверстие. Эта двойная зависимость не позволит работать нижеописанному двигателю, если в мембране будут большие отверстия.
А вот конструкция устройства - демон Андреева. См. рис. 2.
Рис. 2.
1 - сосуд. 2 - непроницаемая стенка, разделяющая сосуд на две части Г и Д. 3 - мембрана с микроскопическими отверстиями. 4 - насос. В -газовая среда вокруг сосуда. Площади и количество отверстий в обеих мембранах равны. Толщина мембран и размер отверстий в них малы по сравнению с длиной свободного пробега молекул. Это и есть демон Андреева. Как видно из рисунка, его конструкция очень проста и вполне может быть создана в современных условиях. Как же работает этот демон?
Пусть этот демон находится в разреженном газе. Предположим, что в отверстиях находятся приборы, фиксирующие разницу между эффузи-онными потоками молекул. Первоначально давления и температура газа внутри сосуда и снаружи равны. Эффузионные потоки: из В в Г, из Г в В, из В в Д, из Д в В - равны. Поэтому N = 0 и № = 0. Индексы в, н - это верхняя и нижняя мембраны. То есть, когда давления в частях Г, Д и В равны, то приборы зафиксируют тот факт, что между Г, Д и В переноса молекул нет. То есть, можно считать мембраны как бы непроницаемыми. Что аналогично тому случаю, когда демоны Максвелла не работают и не пропускают молекулы через отверстия.
Включим насос 4, который будет откачивать газ из части Г в часть Д. В результате давление в части Г уменьшится относительно внешнего давления В. Так как газ из части Г откачивается в часть Д, то давление в части Д увеличится относительно внешнего давления В. Поскольку давление в Г уменьшилось, то уменьшился и эффузионный поток из Г в В. Эффузионный поток из В в Г остался неизменным, так как внешнее давление не изменилось. В результате приборы в отверстиях верхней мембраны зафиксируют разницу между влетающими и вылетающими молекулами. N Ф 0. Результат, аналогичный показаниям приборов в
отверстиях пластины, с работающими, мифическими демонами Максвелла, когда они пропускают молекулы с одной стороны.
Так как в части Д давление увеличилось, то увеличился и эффузионный поток из Д в В. Эффузионный поток из В в Д не изменился, так как внешнее давление не изменилось. В результате приборы в отверстиях нижней мембраны также зафиксируют разницу в эффузионных потоках. N Ф 0. Результат также аналогичен показаниям приборов в отверстиях пластины с работающими демонами Максвелла. В результате работы вакуумного насоса установится динамическое равновесие. Насколько больше молекул станет влетать через верхнюю мембрану, настолько же больше молекул будет вылетать через нижнюю мембрану. Например, до включения вакуумного насоса все эффузи-онные потоки через каждое отверстие были равны 10 молекулам, так как давления в В, Г и Д были равны. После включения насоса потоки стали примерно такими. Из В в Г - 10 молекул, так как внешнее давление не изменилось. Из Г в В - 8 молекул, так как давление в части Г уменьшилось. N = 10 - 8 = 2. Из Д в В - 12 молекул, так как давление в части Д увеличилось. Из В в Д - 10 молекул, так как внешнее давление не изменилось. Мн = 12 -10 = 2. Через верхнюю мембрану в часть Г влетает 2 молекулы. Но и через нижнюю мембрану из части Д вылетает также 2 молекулы. И эти молекулы пролетают через мембрану в одном направлении. Количество внутренних молекул внутри сосуда не изменяется. То есть, можно считать, что переноса молекул из В в сосуд или из сосуда в В нет. Наружную поверхность верхней мембраны можно представить левой стороной пластины с демонами Максвелла. Наружную поверхность нижней мембраны можно представить правой стороной пластины с демонами Максвелла. Как если бы верх-
няя и нижняя мембраны сблизились и соединились в одну мембрану. Эти 2 влетевшие молекулы и 2 вылетевшие молекулы пролетают через мембраны в одном направлении. Поэтому их можно представить как 2 молекулы, которые пролетели через отверстия в пластине, дверцы которых открыли демоны Максвелла. В результате эти 2 влетевшие и 2 вылетевшие молекулы также не оказали воздействие на сосуд. Результат аналогичен результату пластины с демонами Максвелла. И поэтому внешнее давление на сосуд сверху уменьшится. А давление на сосуд снизу не изменится. Поэтому на
щ . в ж X
К_I
Е
Рис.
сосуд снизу будет действовать «демоническая» сила. Демон Андреева - это полный действующий аналог множества демонов Максвелла.
Допустим, есть сосуд, в котором одна стенка - это стенка с демонами Максвелла. Когда демоны пропускают молекулы внутрь сосуда, то давление внутри растёт и газ через большое отверстие выходит наружу. Когда же демоны пропускают молекулы из сосуда наружу, то давление внутри падает и окружающий газ через большое отверстие попадает в сосуд. Оба этих варианта также несложно сделать. См. рис. 3.
I 1 1 г
ж
. 3.
Вариант Е эквивалентен тому варианту, когда демоны Максвелла пропускают молекулы внутрь сосуда. В этом варианте вакуумный насос 4 откачивает газ из сосуда наружу. В сосуде с демонами больше молекул пролетает внутрь - здесь тоже больше молекул пролетает внутрь. В сосуде с демонами газ выходит из сосуда - здесь тоже газ выходит из сосуда. Если насос спрятать внутри сосуда, то внешне не отличить - где сосуд с демонами, а где его работающий аналог. Вариант Ж соответствует варианту, когда демоны пропускают молекулы из сосуда наружу. В этом варианте насос 4 закачивает внешний газ внутрь сосуда и поэтому больше молекул вылетает из сосуда через мембрану. И этот вариант является полным аналогом сосуда с демонами.
Как пишет Сивухин Д.В. [1, стр. 188], взаимодействие молекулы со стенкой можно мысленно разделить на 2 этапа. На первом этапе молекула тормозится стенкой, останавливается и как бы прилипает к стенке. При этом на стенку действует сила Fl. На втором этапе молекула отталкивается стенкой, ускоряется и отскакивает от стенки. При этом на стенку действует сила F2. Эта сила подобна силе отдачи при выстреле из орудия, где роль снаряда играет отскочившая молекула. На самом деле эти 2 этапа происходят одновременно и создают результирующую силу F = Fl + F2. Но так как массы и средние скорости молекул равны, то и Fl = F2 = F/2. Сосуды на рис. 3 позволяют разделить взаимодействие молекулы со стенкой на 2 отдельных этапа. Рассмотрим вариант на рис. 3ж. Когда насос не работает, то эффузионные потоки молекул через отверстия мембраны равны. N = 0. Все силы компенсируются. Если включить насос, который закачивает внутрь сосуда газ, то давление внутри сосуда увеличивается относительно внешнего давления. Соответственно, эффузионный поток молекул из сосуда также увеличивается. Например, когда насос не работал, то вылетало и влетало по 10 молекул через каждое отверстие. Насос заработал. Вылетать стало 12 молекул, а влетать также 10 молекул. N = 12 - 10 = 2. Можно
считать, что через каждое отверстие стало вылетать только по 2 молекулы. Сила, действующая на сосуд, от каждой вылетающей молекулы F2 = F/2. Поэтому сила от двух вылетающих молекул F/2 + F/2 = F. Две вылетевшие молекулы эквивалентны одной дополнительной внешней молекуле, которая как бы ударилась в мембрану снаружи и отскочила. То есть, увеличив внутренне давление в сосуде, мы как бы увеличиваем и внешнее давление на мембрану. Но если сила при отскоке молекулы действует на мембрану, то при вылете молекул, сила действует не на мембрану, а на внутреннюю поверхность противоположной мембране стенки. Но это не важно, так как мембрана и сосуд - это единое целое.
С точностью до наоборот, всё происходит и в варианте на рис. 3е. Например, первоначально через каждое отверстие влетало и вылетало по 10 молекул. N = 0. Когда насос работает и откачивает газ из сосуда, то давление внутри уменьшается и только 8 молекул вылетает из сосуда. N = 10 - 8 = 2. То есть, можно считать, что в сосуд влетает только 2 молекулы. Эти 2 влетевшие молекулы можно представить в виде 2-х прилипших к мембране молекул, как на первом этапе. Они не отскочили, а стали частью сосуда, продолжая двигаться внутри сосуда Поэтому и сила, действующая на сосуд от двух влетевших молекул F/2 + F/2 = F. Эта сила эквивалентна одной молекуле, которая ударилась и отскочила от мембраны. Если бы эти две молекулы ударились и отскочили от мембраны, то на сосуд действовала бы сила F + F = 2F. Поэтому можно считать, что в результате снижения давления в сосуде, одна внешняя молекула как бы не ударилась снаружи в мембрану и не отскочила. То есть, внешнее давление со стороны мембраны как бы уменьшилось. Таким образом, увеличивая или уменьшая внутреннее давление в сосуде, мы увеличиваем или уменьшаем внешнее давление на сосуд со стороны мембраны.
Если соединить эти 2 сосуда стенками, а насос будет перекачивать газ из одного сосуда в другой, то получится устройство, как на рис. 2.
Если при ударе и отскоке молекулы от стенки силы Fl и F2 складываются, то в случае с демоном силы вычитаются. Сила F1, от влетающей в верхнюю часть сосуда молекулы, действует на непроницаемую стенку 2 вниз. Сила F2, от вылетающей из нижней части сосуда молекулы, действует на непроницаемую стенку 2 вверх. Результирующая сила F = F1 - F2 = 0. То есть, влетающую и вылетающую молекулы можно представить одной мо-
лекулой, которая как бы пролетела через сосуд насквозь и не оказала на него воздействие.
Если есть аналог демонов Максвелла, то можно на его основе попробовать сделать "вечный" двигатель второго рода. Это не сложно. Для начала выясним, какие силы действуют на сосуд при вылете молекул. Возьмём сосуд, как на рис. 3ж и рассмотрим силы, действующие на сосуд. См. рис. 4.
Рис. 4.
При нагнетании газа внутрь сосуда, внутри создаётся избыточное давление Pи. Это давление оказывает силу давления на мембрану и противоположную стенку. Площади мембраны и противоположной стенки равны Sм = Sc. Сила давления на стенку Fc = PиSc. Сила давления на мембрану Fм = Pи(Sм - So), так как площадь мембраны, в которую ударяются молекулы, меньше общей площади мембраны на суммарную площадь отверстий в мембране. Но так как 8м — то Рм — Ри(5с - .).
Ри Рм
Эти силы противодействуют. В результате на сосуд действует "демоническая" сила Fд = Fc - Fм = PиSc - Pи(Sc - So) = PиSo. Эта сила создаётся за счёт вылетающих молекул. Но как было описано выше, вылетающая молекула создаёт только силу F2 = F/2. Поэтому Fд = PиSo/2.
Если же насос откачивает газ из сосуда, как на рис. 3е, то силы действуют на внешние поверхности сосуда и мембраны. См. рис. 5.
Рис
Ffl
. 5.
Так как внутреннее давление меньше наружного, то можно считать наружное давление избыточным PИ. Это давление оказывает силу давления на наружные поверхности мембраны и противоположной стенки. Аналогично Sм = Sc. Сила давления на стенку Fc = PиSc. Сила давления на мембрану Fм = Pи(Sc - So). Эти силы противодействуют. В результате на сосуд действует "демоническая" сила Рд = Рс - Рм = Ри8с - Ри(8с -
So) = PиSo. Но как было описано выше, влетающая молекула создаёт силу F1 =F/2. Поэтому на внешнюю поверхность стенки действует "демоническая" сила Fд = PиSo/2. Эта сила возникает за счёт уменьшения внешнего давление со стороны мембраны за счёт влетающих в сосуд внешних молекул. А теперь рассмотрим конструкцию двигателя на основе данного демона Андреева. См. рис. 6.
8
Ffl^
S
V77777777777777777ZZ77777777777777/ '7Л
Fn<-
................../v.............Fn«-^
Я
10
Рис. 6.
5 - малый цилиндр. 6 - торцевые стенки мало- коаксиально закреплённый на малом цилиндре. 9 -го цилиндра. 7 - поршень. 8 - большой цилиндр, мембрана с микроскопическими отверстиями. 10 -
опора, в которой закреплён шток поршня. Шток проходит через отверстие в правой торцевой стенке. Место прохода герметично. Внутренний объём малого цилиндра через боковые отверстия в малом цилиндре соединяется с внутренними объёмами больших цилиндров. Поршень делит малый цилиндр на две части Г и Д. Часть Г малого цилиндра и большой левый цилиндр представляют как бы часть Г демона на рис. 2. Часть Д малого цилиндра и правый большой цилиндр как бы представляют часть Д демона на рис. 2. Поршень выполняет роль насоса. При движении цилиндров в какую-либо сторону, в одной части давление увеличивается, а в другой уменьшается. Как работает данный двигатель?
Допустим, что цилиндры под действием внешней силы сдвинулись вправо. В результате давление в части Г повышается, а в части Д понижается. В части Г действуют противодействующие силы Fд и Fп - сила, действующая на поршень. Fп = РиБп, где Бп - площадь поршня. Принцип создания силы Fд рассмотрен выше на примерах с рис. 4 и 5. Чтобы двигатель заработал, необходимое условие Fд > Fп. Fд = РиБо/2. Результирующая сила, действующая на левую часть двигателя равна Fp = Fд - Fп = РиБо/2 - РиБп = Ри(Бо/2 - Бп). На правую часть действуют такая же сила, только на внешнюю поверхность большого цилиндра. Fp = Ри(Бо/2 - Бп). А суммарная сила действующая на двигатель Fcyм = Ри(Бо/2 - Бп) + Ри(Бо/2 - Бп) = Ри(Бо - 2Бп). отсюда следует, что для работы двигателя необходимо условие Бо > 2Бп. Под действием силы FcУМ поршни продолжат движение вправо уже без участия внешней силы. При движении цилиндров влево приложения сил поменяются. Но на цилиндры также будет действовать сила Fcyм = Ри(Бо - 2Бп).
Сила Fп является "вредной" и её надо уменьшить. для этого достаточно уменьшить Ри. Увеличивая Бо, мы уменьшаем Ри, так как молекулам легче вылетать через более большую суммарную площадь отверстий. Но сила Бд = РиБо/2 останется
без изменений, так как во сколько раз уменьшится Ри, то во столько же раз мы увеличили Бо. Увеличивая Бо, мы уменьшаем Fп. Но Fд остаётся неизменной.
остаётся выяснить, за счёт какой энергии двигаются цилиндры. Молекулы, вылетающие из цилиндра через мембрану, создают силу Fp. Молекулы внутри цилиндров движутся со средней тепловой скоростью как и внешние молекулы. и вылетают молекулы из через мембрану с той же средней тепловой скоростью. Но так как цилиндр, из которого вылетают молекулы, движется в противоположном относительно вылета молекул направлении, то средняя скорость вылетевших молекул будет меньше относительно средней скорости внешних молекул. То есть, вылетевшие молекулы часть своей кинетической энергии отдали цилиндру. В результате температура наружного газа у внешней поверхности мембраны левого большого цилиндра уменьшается.
Сила Fp действует на внешнюю поверхность большого цилиндра, так как со стороны мембраны внешнее давление уменьшилось из-за влетающих через мембрану в цилиндр молекул. Под действием этой силы цилиндры движутся. Это аналогично случаю движения поршня в цилиндре, когда давление с одной стороны поршня выше. Расширяющийся газ, двигая поршень, совершает работу и охлаждается. Поэтому, при движении цилиндров вправо, внешний газ у наружной поверхности правого большого цилиндра также будет охлаждаться, совершая работу по перемещению цилиндров. То есть, работа по перемещению цилиндров была совершена только за счёт внутренней энергии газа. Этот охлаждённый газ восстановит свою внутреннюю энергию за счёт тепла окружающего газа и может снова совершать работу в следующем цикле. Получился классический "вечный" двигатель, работающий только за счёт охлаждения окружающей среды.
данный двигатель можно представить как один из вариантов двигателя Стирлинга. См. рис 7.
Рис. 7.
11 - малый цилиндр. 12 - большой цилиндр. 13 - малый и большой поршни, соединённые вместе. 14 - трубка, соединяющая внутренние объёмы малого и большого цилиндров. Н - нагреватель. Когда давления внутри и снаружи равны, то все силы компенсируются и поршни неподвижны. Начинаем нагревать нагреватель Н. Газ внутри также начинает нагреваться и давление Ри внутри увеличивается. На большой поршень действует сила FБп = РиБбп. На малый поршень действует сила Fмп = РиБмп. две силы противодействуют, но
поршень движется под действием более большой силы FБп. В результате на поршни действует результирующая сила Fp = FБп - Fмп = РиБбп - РиБмп = Ри(Ббп - Бмп). Под действием силы Fp поршни двигаются влево. При этом вытесняемый из малого цилиндра газ, проходя через нагреватель, нагреваясь и увеличиваясь в объёме, поддерживает избыточное давление Ри внутри цилиндров. Работа по перемещению поршней происходит за счёт тепла внешнего источника. Чисто гипотетически, если бы удалось сделать так, что при движении порш-
ней влево внутренний объём уменьшался, а внутреннее давление увеличивалось, то получился бы вечный двигатель. Но на самом деле внутренний объём увеличивается, а давление уменьшается. И вроде как невозможно сделать так, чтобы при
движении поршней влево, внутреннее давление увеличивалось.
Но немного изменим конструкцию двигателя на рис. 7. См. рис. 8.
Рис. 8.
Большой цилиндр убрали. В большом поршне сделали полость, закрытую мембраной. Эта полость соединяется с объёмом малого цилиндра. Получилась половина несколько видоизменённого варианта двигателя на рис. 6. Здесь также противодействуют силы Fп и Fд. Сила Fп аналогична силе Fмп, а сила Fд аналогична силе FБп. Пусть So = 2SБп. Тогда Fд = Pи2SБп/2 = PиSБп. Только в данном случае площадь большого поршня заменяет удвоенная суммарная площадь отверстий в мембране. Fp = Fд - Fп = Pи(SБп - Sп). при условии So = 2SБП, силы эквивалентны силам в двигателе Стир-линга на рис. 7. В отличии от варианта на рис. 7, при движении изменённых поршней влево, проис-
ходит уменьшение внутреннего объёма и поэтому внутреннее давление Pи увеличивается. Вылетающие молекулы создают силу Fp, которая и двигает поршни влево, поддерживая внутри избыточное давление Pи. поэтому подогрев внутреннего газа от внешнего источника в данном случае не нужен. Газ, выходящий через мембрану охлаждается, как это было описано выше. То есть, работа по перемещению поршней производится за счёт тепла внутреннего газа.
Остаётся выяснить, каков термодинамический цикл данного двигателя. Для этого рассмотри такой вариант двигателя. См. рис. 9.
Рис. 9.
Это половина двигателя на рис. 6. Только добавлены клапаны 15. График цикла в координатах Р,У выглядит примерно так. См. рис. 10.
Рис. 10.
при движении цилиндров вправо, давление внутри повышается, а объём уменьшается АБ. Возникает сила Fp, которая движет цилиндры вправо до упора торца малого цилиндра в поршень. Это рабочий ход, во время которого производится какая-то работа. Выходящий через мембрану газ охлаждается, так как часть своей внут-
ренней энергии он тратит на движение цилиндров и работу, как это было описано выше. Когда цилиндры останавливаются, то внутреннее давление сравнивается с наружным, так как молекулы газа вылетают через мембрану БВ. Затем цилиндры движутся влево и возвращаются в первоначальное положение ВА. Это холостой ход. при этом дви-
жении клапаны 15 открываются и внешний газ свободно поступает внутрь цилиндров. Цикл завершился. В результате внутренний газ имеет первоначальную температуру как и до начала цикла. То есть, можно считать, что внутренний газ как бы получил тепло О от окружающей среды и восста-
новил свою температуру до первоначального состояния.
Аналогичный процесс происходит и при пониженном внутреннем давлении в цилиндрах. См. рис. 11.
Рис. 11.
В этом случае график будет выглядеть примерно так. См. рис. 12.
Рис. 12.
Цилиндры движутся влево. Внутренний объём увеличивается, а давление понижается АБ. Это рабочий ход. Через мембрану внутрь влетают молекулы, снижая внешнее давление со стороны мембраны. В данном случае движение цилиндров происходит за счёт молекул внешнего газа у наружной поверхности стенки большого цилиндра, как это было описано выше. Поэтому внешний газ у стенки охлаждается. Дойдя до крайней точки влево, цилиндры останавливаются. Внутреннее давление сравнивается с наружным БВ. Потом цилиндры движутся вправо ВА. Это холостой ход. При движении цилиндров вправо, клапа-
РТ
Рис. 13.
ны 15 открываются и газ из малого цилиндра вытесняется наружу. Температура этого газа равна температуре окружающей среды. И этот газ из цилиндра, вытесняет охлаждённый газ у стенки. То есть, можно считать, что внешний газ у стенки восстанавливает свою температуру до первоначального состояния за счёт тепла Q окружающей среды. Цикл завершился и система пришла в первоначальное состояние.
Так как у двигателя на рис. 6 нет клапанов, то график термодинамического цикла выглядит примерно так. См. рис. 13.
Этот цикл АБВГА состоит из двух совмещённых циклов АБВА и ВГАВ. Поэтому в отличии от двигателей с клапанами, здесь нет холостых ходов. Оба хода цилиндров вправо-влево являются рабочими. В цикле Карно и цикле Андреева работа совершается за счёт тепла. Только в цикле Карно
рабочее тело сначала получает тепло от внешнего источника, а затем совершает полезную работу. В цикле Андреева всё происходит наоборот. Рабочее тело сначала совершает работу за счёт своего тепла. А затем рабочее тело получает тепло от окружающей среды и восстанавливает свою темпера-
туру до первоначальной. В этом случае рабочее тело ну никак не может отдать тепло окружающей среде, так как температура рабочего тела ниже температуры окружающей среды. Конечно, при работе такого двигателя будет происходить его нагрев за счёт трения. Но это тепло от нагрева является "топливом" для такого двигателя и поэтому оно будет использовано в последующих циклах работы. поэтому, независимо от кпд такого двигателя, всё тепло будет преобразовано в полезную работу.
Как уже было сказано, уже есть графеновые мембраны толщиной в 1 атом и размером отверстия 1 нм. Такие размеры много меньше длины свободного пробега молекул газа 70 нм при атмосферном давлении. То есть, демон Андреева и двигатель Андреева могут работать и при атмосферном давлении. и даже при повышенном давлении, а не только в разреженном газе. Например, для увеличения мощности двигателя Стирлинга внутреннее давление газа в цилиндрах повышают. Для увеличения мощности двигателя Андреева он также может находиться внутри сосуда с повышенным внутренним давлением.
Как писал А. Эйнштейн - воображение позволяет нам заглянуть за горизонт обыденной жизни. Воображение важнее, чем знание. Сцилард придумал свой вариант "вечного" двигателя (ВД2) с двумя поршнями, перегородкой, следящей системой, памятью. Естественно, что такой сложный вариант ВД2 был неработоспособным. Фейнман придумал свой, тоже достаточно сложный вариант в виде вертушки с храповиком и собачкой с пружинкой. и такой вариант ВД2 был неработоспособен. Знаний у Сциларда, Фейнмана и других учёных очень много. Но им не хватило воображения, чтобы придумать описанный вариант ВД2. В этом двигателе нет ничего, что препятствовало работе такого ВД2. Не нарушается ни один физический закон. Но пока научное сообщество в упор не хочет признать того факта, что ВД2 возможен и даже вполне может быть изготовлен в современных условиях.
Литература
1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 2. ФиЗМАТЛиТ. 2005 г.
2. http://www.popmech.ru/technologies/13887-айтагпуу-АЬт/.
МОДЕЛЬ АТОМА, НАИБОЛЕЕ АДЕКВАТНО, ОТРАЖАЮЩАЯ ВЕЩЕСТВЕНУЮ ФОРМУ СУЩЕТВОВАНИЯ МАТЕРИИ
Вышинский В.А.
Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины
Доктор технических наук Киев
MODEL OF ATOM MOST ADEQUACY REFLECTING THE SUBSTANTIVE FORM OF MOTHERHOODING
Vyshinskiy V.A.
V.M. Glushkov Institute of cybernetics of National academy of Science of Ukraine],
Doctor of Technical Sciences Kiev
АННОТАЦИЯ
В настоящей статье предлагаются модели таких частиц нано уровня существования материи, как гравитационный диполь, нейтрон, протон и электронно -позитронная пара. Приводится пример построения в природе атома водорода на этих частицах вещества. Обосновывается естественный способ их возникновения в природе. Показано, что в формировании атома главная роль удержания его как единого целого приходится на гравитационное поле, в частности вращение электрона, вокруг ядра атома, удерживает не электрическое поле, а гравитационное.
ABSTRACT
In this paper, we propose models of such particles at the nano-level of existence of matter, such as a gravitational dipole, a neutron, a proton, and an electron-positron pair. An example is given of constructing in nature the hydrogen atom on these particles of matter. The natural way of their origin in nature is substantiated. It is shown that in the formation of an atom, the main role of keeping it as a whole is in the gravitational field, in particular, the rotation of an electron around the atomic nucleus, not the electric field, but the gravitational field.
Ключевые слова: гравитационный диполь, нейтрон, протон, позитрон, электрон, электронно -позитронная пара
Keywords: gravitational dipole, neutron, proton, positron, electron, electron-positron pair
