Рассуждения о движущей силе тепловой диффузии и машинах, способных развивать эту силу Текст научной статьи по специальности «Математика»

TECHNICAL SCIENCES

РАССУЖДЕНИЯ О ДВИЖУЩЕЙ СИЛЕ ТЕПЛОВОЙ ДИФФУЗИИ И МАШИНАХ, СПОСОБНЫХ РАЗВИВАТЬ ЭТУ СИЛУ

Андреев Ю.П.

Независимый исследователь.

Куминский

REASONING ON THE DRIVING FORCE OF THERMAL DIFFUSION AND MACHINES CAPABLE OF DEVELOPING THIS FORCE

Andreev U.P.

Independent researcher.

Kuminsky

АННОТАЦИЯ

В 1867 году физик Д.К. Максвелл придумал микроскопического демона, который мог сортировать молекулы по скоростям. В результате в одной части сосуда температура повышалась бы, а в другой части - понижалась. В другом варианте демон мог пропускать все молекулы независимо от скорости, но только из одной части сосуда в другую. В результате давление в одной части сосуда увеличивалось бы, а в другой уменьшалось. Если бы удалось создать аналог демона Максвелла, то возможно получилось и создать "вечный" двигатель второго рода. Японские ученые попробовали создать аналог демона Максвелла [1, 2]. В этом эксперименте с помощью электронного микроскопа, компьютера и электрического поля наночастицу заставили двигаться по потенциальной лестнице. Но это устройство работало не с молекулами газа, а с наночастицами. Был проведен эксперимент и с молекулами атомарного газа, охлажденного до температуры нескольких микрокельвинов [3]. Физики в МФТИ тоже пытаются создать квантовый "вечный" двигатель [4]. Но все эти аналоги демона очень сложные и не позволяют работать с молекулами газа при комнатной температуре. В этой статье предлагается очень простое устройство - аналог демона, пропускающего одиночные молекулы газа только с одной стороны перегородки.

ABSTRACT

In 1867 the physicist J.C. Maxwell invented a microscopic demon that could sort molecules by velocities. As a result, the temperature in one part of the vessel would rise, and in the other part it would fall. In another version, the demon could let through all the molecules regardless of velocity, but only from one part of the vessel to another. As a result, the pressure in one part of the vessel would increase, and in the other part it would decrease. If it were possible to create an analogue of Maxwell's demon, it would be possible to create a second-generation perpetual motion machine. Japanese scientists have tried to create an analogue of Maxwell's demon [1, 2]. In this experiment, using an electron microscope, a computer and an electric field, the nano particles were forced to move up a potential ladder. But this device didn't work with gas molecules; it worked with nano particles. An experiment was also conducted with molecules of atomic gas, cooled down to a temperature of several microkelvins [3]. Physicists at MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) are also trying to create a quantum perpetual motion machine [4]. But all these analogues of the demon are very complex and do not allow us to work with gas molecules at room temperature. In this article, we propose a very simple device - an analogue of the demon that allows through single gas molecules only from one side of the partition.

Ключевые слова: демоны Максвелла, тепловая диффузия, цикл Карно, вечный двигатель второго рода.

Keywords: Maxwell's demons, thermal diffusion, Carnot cycle, second-generation perpetual motion machine.

Хотя, по правде говоря, на самом деле аналог демонов Максвелла уже существует в природе. Но на это как-то не обратили внимание и не связали этот процесс с демонами. Это тепловая диффузия или эффект Кнудсена. Физик Поль предложил такой опыт для демонстрации тепловой диффузии [5, с. 355]. Берется сосуд со стенками из необожжённой глины и с электрическим нагревателем внутри. В стенках сосуда множество микропор, размер которых мал по сравнению с длиной свободного пробега молекул. Воздух из сосуда может выходить наружу через трубку, конец которой погружен в воду. Когда нагреватель включен и температура

внутри сосуда выше температуры наружного воздуха, то наружный воздух непрерывно засасывается в сосуд через микропоры в стенке сосуда. Давление в сосуде повышается и излишек воздух непрерывно выходит в виде пузырьков воздуха. Это и есть аналог стенки с демонами. Результат в обоих случаях аналогичен - через микропоры с разных сторон проходит разное количество молекул, как если бы в этой стенке были бы демоны. И эти демоны не пропускали бы часть молекул, которые попадают в створ микропор изнутри сосуда. В результате в сосуде создаётся повышенное давление.

И совсем не обязательно, чтобы в стенке обязательно были какие-то микродверцы, управляемые какими-то микроскопическими актуаторами. Главное, чтобы был аналогичный результат. А как он достигается - это не важно. Например, летающие птицы и современные квадрокоптеры. Птицы создают подъемную силу за счет машущих крыльев. Квадрокоптеры - за счет вращающихся воздушных винтов. Способы разные, результаты аналогичны. Если бы инженеры пытались создать летательные аппараты, летающие только за счет машущих крыльев, то не было бы сверхзвуковых истребителей, аэробуса А-380, вертолёта Ми-26. Поэтому не следует тупо пытаться сделать микроскопический аналог демона на каждой микропоре.

Согласно молекулярно-кинетической теории газов, силу давление газа на стенки оказывают удары множества молекул. Когда температуры и давления воздуха внутри и снаружи сосуда равны, то и тепловые скорости также равны. При этом равное количество молекул ударяются в глиняные стенки из снаружи и изнутри сосуда. Поэтому и равное количество молекул попадают в створ мик-ропор с обеих сторон. Соответственно и равное количество молекул проходят через микропоры в сосуд и обратно. Сколько молекул заходит в сосуд через микропоры - столько же молекул и выходят через микропоры из сосуда наружу. Поэтому давления внутри и снаружи равны. Количество внутренних молекул не изменяется и давление не изменяется.

Включим нагреватель в сосуде. Пусть трубка не погружена в воду и поэтому давления в сосуде и снаружи равны, так как внутренний объем сосуда сообщается с внешним через трубку. Температура внутри повышается. Тепловые скорости внутренних молекул увеличиваются. Поэтому для создания давления, равного наружному, в стенки сосуда изнутри будет ударяться меньше молекул, чем снаружи. В результате меньше молекул попадает изнутри в створ микропор и выходит наружу. Количество же внешних молекул, ударяющихся в стенку снаружи не изменяется. Поэтому в сосуд через микропоры входит больше молекул, чем выходит изнутри. Внешние молекулы, попавшие в сосуд, увеличивают свою тепловую скорость и должны бы увеличить внутреннее давление. Но это не позволяет сделать трубка, через которую внутренний объем сообщается с атмосферой. В результате наружный воздух непрерывно засасывается внутрь сосуда через микропоры и затем через трубку выходит наружу. Хотя давления внутри и снаружи равные.

Погрузим трубку из сосуда глубоко в воду так, что внутреннее давление не сможет преодолеть давление водного столба и воздух не будет выходить через трубку. В этом случае равное количество молекул ударяется в стенки сосуда изнутри и снаружи. А раз равное количество молекул ударяется в стенки, то и равное количество молекул попадает в микропоры изнутри и снаружи. Соответственно и равное количество заходит в сосуд и выходит из

него через микропоры. Но так как тепловые скорости внутренних молекул выше, то и давление на стенки изнутри выше, чем снаружи. Повышенное давление внутри сосуда создается за счет более высокой тепловой скорости внутренних молекул. Если уменьшить глубину погружения трубки так, что внутреннее давление превысит давление водного столба, то внутреннее давление понизится и из трубки начнут выходить пузырьки воздуха. При этом количество ударов молекул в стенку изнутри уменьшается. Уменьшается и количество выходящих молекул. Поэтому больше молекул входит через микропоры в сосуд, чем выходит из него. Чем меньше глубина погружения - тем больше воздуха будет засасываться в сосуд и больше пузырьков будет выходить. Максимальное количество засасываемого воздуха будет тогда, когда трубка не погружена в воду. Максимальное внутреннее давление будет тогда, когда воздух через трубку не выходит наружу.

Можно уменьшить внутреннюю температуру сосуда с помощью какого-либо охладителя. В этом случае все будет происходить с точностью до наоборот. Больше молекул ударяется изнутри в стенки сосуд, так как тепловые скорости молекул при охлаждении уменьшились. И для создания давления, равного наружному, необходимо большее количество ударов молекул. Поэтому больше молекул ударяется изнутри в стенку и больше молекул попадает в створ микропор. Соответственно, больше молекул выходит через микропоры стенки наружу. Этот эффект возможен только при условии - размер микропор много меньше длины свободного пробега молекул.

Это конечно удивительно - нет никакого насоса, а молекулы воздуха непрерывно засасывается через микропоры в сосуд, в котором при этом повышенное давление. И это повышенное давление не уравнивается с внешним давлением, как если бы стенка была непроницаемой. То есть, такая стенка имеет одновременно свойства непроницаемой стенки и стенки с отверстиями. Возьмем для примера осмос. Полупроницаемая мембрана разделяет соляной раствор и чистую воду. Для молекул соли мембрана является непроницаемой. Для молекул воды мембрана проницаема. Поэтому молекулы воды проходят в соляной раствор, создавая осмотическое давление. В данном случае мембрана так же сочетает свойства непроницаемой и проницаемой мембран. Если увеличить размер пор в мембране, то она станет проницаемой для всех молекул и осмотическое давление создаваться не будет. Как и в случае с осмосом, размер микропор в стенке имеет решающее значение. Стоит увеличить размер мик-ропор и эффект Кнудсена также исчезнет.

Это конечно прошлый век - стенка из необожженной глины. Но сейчас уже создана мембрана из графена с нанопорами размером от 1 до 4 нанометров [6]. И в этом случае можно считать, что у нанопор нет стенок, так как толщина графена - это 1 атом углерода. Такая графеновая мембрана будет работать значительно эффективней стенки из необожженной глины.

Тепловая диффузия возникает из-за различной тепловой скорости внешних и внутренних молекул. В результате чего разное количество молекул ударяется в стенки снаружи и изнутри сосуда. Но количество молекул, ударяющихся в стенки сосуда, можно изменять и другим способом - увеличивая или уменьшая внутреннее давление в сосуде. Увеличиваем давление - больше молекул ударяется в стенки изнутри и больше молекул вылетает через нанопоры. Как в случае с тепловой диффузией с пониженной температурой внутри сосуда. Уменьшаем внутреннее давление - меньше молекул вылетает из сосуда. Как в случае с повышенной температурой внутри сосуда. Условие равенства потоков через нанопоры.

1^= 1

Увеличиваем или уменьшаем температуру в В - поток молекул из В уменьшается или увеличивается. Увеличиваем или уменьшаем давление в В -поток молекул из В увеличивается или уменьшается. В результате через нанопоры пролетает разное количество молекул с разных сторон. Как если бы на этой мембране находилось множество демонов, которые не пропускали бы молекулы с одной стороны. То есть, можно прекрасно обойтись без демонов, имея при этом аналогичный результат. Можно пропорционально увеличить температуру и давление. В этом случае будет равенство потоков. Как в том случае, когда трубка слишком глубоко погружена в воду и воздух через неё не выходит.

Вспомним, как процесс столкновения молекул со стенками описывается у Сивухина Д.В. [5, с. 188]. Для целей вычисления процесс взаимодействия молекулы со стенкой удобно мысленно разделить на два этапа. На первом этапе молекула замедляется и останавливается, как бы прилипая к стенке. При этом на стенку нормально действовала бы сила если бы взаимодействие молекул ограничивалось только первым этапом. На втором этапе молекула отталкивается стенкой, ускоряется и отскакивает от стенки. Эта сила подобна силе отдачи при выстреле из орудия, где молекулы играют роль снарядов. При этом на стенку нормально действовала бы сила ^2, если бы взаимодействие молекул со стенкой ограничивалось только вторым этапом. На самом деле эти силы действуют одновременно и складываются в одну результирующую силу F = + F2. Так как средние тепловые скорости молекул равны, то можно считать, что = F2 = F/2.

Когда давление внутри и снаружи сосуда равны, то равное количество молекул ударяется в

мембраны с разных сторон и попадает в нанопоры. В результате через нанопоры влетает и вылетает равное количество молекул. Так как влетает и вылетает великое множество молекул, то для каждой влетающей молекулы найдётся "зеркально" вылетающая молекула. Как если бы молекула не влетела в сосуд, а ударилась в мембрану и зеркально отскочила. Из-за множества вылетающих молекул совсем не важно, что молекула "зеркально" вылетела совсем из другой нанопоры. Такую пару из влетающей и вылетающей молекул можно представить одной молекулой, которая ударилась и отскочила от мембраны. Множество влетающих молекул можно считать как бы прилипающими к мембране молекулами, которые создают силу . Множество вылетающих молекул можно считать как бы отлипающими от мембраны молекулами, которые создают силу ,Р2. А множество влетающих и вылетающих молекул создают силу F = F1 + F2. Уменьшая давление внутри сосуда, мы уменьшаем количество вылетающих молекул. В этом случае для части влетающих молекул не находится парной вылетающей молекулы. То есть, такие влетающие молекулы, можно считать как бы прилипшими к мембране молекулами. Эти молекулы влетают в сосуд и становятся частью сосуда, как если бы они прилипали к мембране. Допустим, что молекула прилипла к мембране. Эта молекула колебалась бы, как и все другие атомы кристаллической решётки. И эти колебания уже не влияли бы не центр масс сосуда. Это аналогично хаотичным движениям молекулы, которая сталкивается с внутренними молекулами и хаотично летает внутри сосуда. И эти столкновения также уже не влияют на центр масс сосуда. Это приводит к уменьшению силы F2. Увеличивая внутреннее давление, мы увеличиваем количество вылетающих молекул. Для этих дополнительно вылетающих молекул также нет парных влетающих молекул. Поэтому такие молекулы можно считать как бы отлипающими от мембраны молекулами, которые увеличивают силу F2. До вылета они были частью сосуда, как если бы они были прилипшими к мембране. Их колебания в составе кристаллической решётки или хаотичное движение внутри сосуда на оказывают влияние на центр масс сосуда. То есть, графеновая мембрана с нанопорами позволяет реально, а не мысленно разделять взаимодействие молекул с мембраной на отдельные этапы.

Сравним два сосуда. Один сосуд с мембраной и демонами. Другой сосуд с графеновой мембраной без демонов, но с нанопорами. См. рис. 1.

Рис. 1.

Рассмотрим сосуд, у которого одна стенка - это мембрана с демонами (1а). Площади мембраны и противоположной стенки равны 5М = Бс. Когда демоны не работают, то все силы уравновешены. Предположим, что демоны пропускают молекулы только из сосуда наружу. Внешние силы давления на мембрану и противоположную стенку сосуда уравновешиваются, так как все внешние молекулы ударяются и отскакивают от мембраны и стенки. Изнутри сосуда ситуация иная. Сила давления на внутреннюю часть стенки Рс = РБС, где P - давление газа, Бс - площадь стенки. Сила давления на внутреннюю поверхность мембраны РМ = Р(БС — 50), где = 5М, Б0 - суммарная площадь нанопор в мембране. Сила давления на мембрану меньше, так как молекулы, попадающие в нанопоры и пропускаемые демонами наружу, не оказывают воздействие на мембрану. На внутреннюю поверхность стенки действует "демоническая" сила Рд = Рс — РМ = РБС — Р(БС — Б0) = РБ0. Но так как эта сила создается за счёт дополнительно вылетающих молекул, то Рд = РИБО/2. Так как больше молекул вылетает из сосуда через мембрану, то через отверстие в сосуд непрерывно засасывается внешний воздух.

Рассмотрим другой сосуд, у которого одна стенка - это мембрана с нанопорами и без демонов (1б). Также 5М = Бс. Внутри сосуда находится насос Н. Когда насос не работает, то все силы также уравновешены. Насос заработал и стал закачивать воздух в сосуд. Через отверстие в сосуд непрерывно засасывается наружный воздух. Давление внутри сосуда становится избыточным РИ и больше молекул вылетает из сосуда, чем влетает. На внутреннюю поверхность стенки действует сила давления Рс = РИ$с. На внутреннюю поверхность мембраны действует сила давления РМ = РИ(5С — Б0), где = - суммарная площадь нанопор в мем-

бране. Сила давления на мембрану меньше, так как часть молекул попадает в нанопоры и вылетает наружу, не оказывая воздействия на мембрану. На внутреннюю поверхность стенки действует резуль-

тирующая сила РР = Рс

рМ = Ры$Г

Ри($С

счёт дополнительно вылетающих молекул, то РР = РИБО/2. Через отверстия в сосуды непрерывно засасывается внешний воздух. Результаты в обоих случаях полностью идентичны.

Предположим, что демоны только впускают молекулы внутрь сосуда (1в). Сила давления на внешнюю поверхность стенки Рс = РБС. Сила давления на внешнюю поверхность мембраны РМ = Р(5С — 50). Но влетающие в сосуд молекулы создают силу Рг = Р БО/2, которая действует на внутреннюю поверхность стенки однонаправлено с силой РМ. На внешнюю поверхность стенки действует "демоническая" сила Рд = Рс — РМ — Рг = Р5С — Р(БС — Б0) — РБО/2 = РБО/2. Через отверстие воздух непрерывно выходит наружу.

В другом сосуде насос откачивает воздух из сосуда через отверстие наружу (1г). Внутри сосуда создаётся разрежение. Поэтому внешнее давление можно считать избыточным РИ по отношению к внутреннему давлению. Сила давления на внешнюю поверхность стенки Рс = РИБС. Сила давления на внешнюю поверхность мембраны РМ = РИ (Бс — 50). Так как внутри разрежение, то влетает больше молекул, чем вылетает. И эти влетающие в сосуд молекулы создают силу Рг = РИБО/2, которая действует на внутреннюю поверхность стенки однонаправлено с силой РМ. На внешнюю поверхность стенки действует результирующая сила РР = Рс — Рм — Р±= РИ$С — РИ($С — $0) — РИ ^о/2 = РИ5О/2. Через отверстие воздух из сосуда непрерывно выходит наружу. Результаты в обоих случаях также полностью идентичны. Если насос будет работать бесшумно, то внешний наблюдатель не сможет отличить, где сосуд с демонами, а где сосуд с насосом.

Аналог демонов Максвелла есть. Остается проверить на практике - возможно ли на основе такого аналога создать "вечный" двигатель второго рода. При увеличении внутреннего давления на сосуд действует сила РР = РИБО/2. Эту силу можно использовать для создания избыточного давления РИ внутри сосуда. Для этого коаксиально пристроим к сосуду поршневой насос. См. рис. 2.

$о) = РИ$о. Но так как эта сила также создаётся за

Рис. 2.

1- графеновая мембрана. 2 - сосуд. 3 - цилиндр насоса. 4 - поршень насоса со штоком. Шток поршня жестко закреплен в неподвижной опоре. Сосуд также жестко скреплен с цилиндром и представляют единую деталь. В боковых стенках цилиндра насоса имеются отверстия, через которые внутренние объемы сосуда и цилиндра сообщаются. Сосуд с цилиндром могут двигаться по неподвижному поршню. При этом внутри сосуда и цилиндра будет создаваться избыточное давление или разрежение.

Пусть внешняя сила сдвинула сосуд с цилиндром вправо. Внутри сосуда и цилиндра создается избыточное давление РИ. В результате через нано-поры вылетает больше молекул, которые создают на внутреннюю поверхность стенки сосуда силу Рр = РИБО/2. Избыточное давление также создает силу давления на торцевую стенку цилиндра насоса ^т = РИ$т, где 5Т - площадь торцевой стенки цилиндра. Эти две силы противодействуют. Чтобы сосуд с цилиндром продолжили движение после первоначального толчка, необходимо условие РР > Рт или РИБО/2 > РИ5Т. Так как внутренние объёмы сосуда и цилиндра сообщаются, то избыточные давления в сосуде и цилиндре равны. Поэтому условие работы двигателя выглядит так БО/2 > Бт или 5О > 25т. То есть, суммарная площадь нанопор в мембране должна быть более чем в 2 раза больше площади торцевой стенки цилиндра. В этом случае Рр > Рт и сосуд с цилиндром продолжат движение без участия внешней силы. Этому есть простое объяснение. При ударе и отскоке молекулы на стенку действует изменение импульса молекулы 2ту. Когда молекула вылетает, то на сосуд действует импульс ту, который в 2 раза меньше. И чтобы компенсировать один удар молекулы в торцевую стенку, необходимо, чтобы две молекулы вылетели через нанопоры из сосуда. Допустим, что БО = 45т. В этом случае на внутреннюю поверхность сосуда действует суммарная сила Р3 =

Рр- Рт = 4РиБТ/2 - РИБТ = Р^т.

Тут есть ещё такой нюанс. Давление газа создают удары множества молекул. Уменьшаем давление в 2 раза - в 2 раза уменьшается количество

ударов молекул в стенку при неизменной температуре. Пусть внутри сосуда и цилиндра избыточное давление РИ. Уменьшаем это давление в 2 раза. Количество молекул, попадающих в нанопоры, также уменьшается в 2 раза. Чтобы количество вылетающих молекул не изменилось, необходимо в 2 раза увеличить суммарную площадь нанопор. В результате сила FP = РИБО/2 остается неизменной. А сила давления FT = РИ5Т уменьшается в 2 раза. И этому также есть очень простое объяснение. Силу FP создают вылетающие молекулы. А если внутренний объём и время вытеснения постоянны, то и сила FP = const, независимо от РИ. Но увеличивая суммарную площадь нанопор в мембране, мы уменьшаем FT. Может возникнуть сомнения в том, что внутри будет создаваться какое-то избыточное давление, так как суммарная площадь отверстий более чем в 2 раза больше площади торцевой стенки. Если бы в мембране были не нанопоры, а большие отверстия, то тогда газ мог бы вытесняться через мембрану и без избыточного давления внутри. Но не в случае с нанопорами. Условие равенства потоков через мембрану

А = Л.

V^l Vтв

Чтобы увеличить или уменьшить количество вылетающих молекул, надо увеличить или уменьшить РА или Рв. То есть, изменение количества вылетающих или влетающих молекул возможно только при изменении давления внутри сосуда. При этом изменяется количество ударяющихся в мембрану молекул и изменяется количество вылетающих или влетающих молекул. Изменение внутреннего давления будет порядка 1-2% относительно внешнего давления. Поэтому можно считать, что температура газа практически не будет изменяться и не будет влиять на потоки молекул..

Движение сосуда с цилиндром происходит за счет кинетической энергии внутренних молекул, вылетающих через нанопоры графеновой мембраны. Сосуд движется вправо, а молекулы вылетают влево. Поэтому скорость вылетающих молекул уменьшается относительно скорости внешних

молекул на скорость движения сосуда с цилиндром. Температура - величина, характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость хаотического движения молекул. То есть, скорость вылетающих молекул уменьшается - температура газа, выходящего через нанопоры, уменьшается. Движение сосуда с цилиндром происходит за счет тепла внутреннего газа, молекулы которого вылетают через нанопоры мембраны.

Пусть сосуд с цилиндром максимально сдвинуты вправо. Затем внешняя сила придает сосуду с цилиндром движение влево. Внутри сосуда и цилиндра создается разрежение. Поэтому внешнее давление можно считать избыточным по отношению к внутреннему. На внешнюю поверхность стенки сосуда действует сила РР = РИБО/2. На внешнюю поверхность торцевой стенки цилиндра действует сила РТ = РИ5Т. Эти две силы также противодействуют. Чтобы сосуд с цилиндром продолжили движение после первоначального толчка, необходимо условие РР > РТ или РИБО/2 > РИ5Т. Так как внутренние объёма сосуда и цилиндра сообщаются, то внешнее избыточное давление одинаковое для сосуда и цилиндра. Поэтому условие выглядит так БО/2 > БТ или 5О > 25Т. В этом случае РР > РТ и сосуд с цилиндром продолжат движение без участия внешней силы. Допустим, что 5О = 45Т. В этом случае на внутреннюю поверхность сосуда действует суммарная сила ^ = 4РИБТ/2 — РИБТ = РИ5Т. Движение сосуда с цилиндром в этом случае происходит за счёт тепла внешнего газа у внешней поверхности стенки. Давление на внешнюю поверхность стенки больше, так как внутри сосуда разрежение и меньше молекул вылетают через нанопоры, уменьшая силу Р2. Поэтому сосуд можно представить в виде поршня в цилиндре, с одной стороны которого давление газа больше. Газ с повышенным давление двигает поршень, охлаждаясь при этом. Так как в данном случае внешнее давление газа на внешнюю поверхность стенки сосуда больше, то это давление двигает сосуд. При этом газ у внешней поверхности стенки охлаждается.

Данный двигатель работает по своему, отличному от цикла Карно, циклу. В цикле Карно рабочее тело сначала получает тепло от внешнего источника. Затем рабочее тело за счет полученного тепла совершает какую-то полезную работу. А остальную часть полученного тепла бесполезно отдает холодильнику или окружающей среде. Вполне естественно, что по такому циклу сделать "вечный" двигатель не получится. Но возможен и такой альтернативный, термодинамический цикл. Рабочее тело сначала совершает полезную работу за счет своей внутренней энергии, охлаждаясь при этом. Затем рабочее тело восполняет свою внутреннюю энергию за счет тепла окружающей среды. Тепловая диффузия как раз и позволяет организовать такой альтернативный цикл. В таком цикле рабочее тело ни как не может отдавать тепло окружающей среде. Двигатель, работающий по такому циклу преобразует тепло на 100% в полезную работу, независимо от кпд двигателя. При работе такого

двигателя будет происходить его нагрев за счет трения. Но это тепло будет преобразовано в полезную работу в последующих циклах. Каков же термодинамический цикл предложенного варианта двигателя? См. рис. 3.

Рис. 3.

Пусть сосуд с цилиндром максимально сдвинуты влево (рис. 2). Сосуд с цилиндром начинают движение вправо. Внутренний объем цилиндра и сосуда уменьшается. Внутри сосуда и цилиндра создается избыточное давление и возникает суммарная сила Под действием этой силы сосуд с цилиндром движется ускорено. Давление внутри увеличивается и больше молекул вылетают из сосуда, что еще более увеличивает Процес происходит лавинообразно. В это время совершается полезная работа за счет охлаждения выходящего через нано-поры газа. Сосуд с цилиндром доходят до крайней правой точки и останавливаются (АБ). После остановки внутреннее давление сравнивается с внешним (БВ). Затем сосуд с цилиндром начинают движение влево. Их внутренний объем увеличивается. Внутри них создается разрежение. Поэтому на внешнюю поверхность стенки действует сила которая движет сосуд с цилиндром влево. Разрежение в сосуде с цилиндром увеличивается. Процесс также происходит лавинообразно. В это время также совершается полезная работа за счет охлаждения газа у внешней поверхности стенки. Сосуд с цилиндром доходят до левой крайней точки и останавливаются (ВГ). Затем внутреннее давление сравнивается с внешним (ГА). Сосуд с цилиндром совершили цикл и пришли в первоначальное состояние. Внутри сосуда и цилиндра газ, который имеет первоначальную температуру. При движении вправо охлаждается газ, выходящий через нано-поры. При движении влево охлаждается газ у внешней поверхности сосуда. Но потом этот охлаждённый газ получает тепло от окружающего газа и снова готов к совершению работы. В таком термодинамическом цикле нет фазы, когда рабочее тело должно отдавать тепло холодильнику.

И нет никаких объективных причин, которые бы не позволили работать такому двигателю по такому термодинамическому циклу. С точки зрения статистической физики мы опускаемся до таких размеров, когда размер нанопор в десятки раз меньше длины свободного пробега частиц. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул порядка 70 нм. И поэтому нельзя применять к такому двигателю цикл Карно или второе начало, которые применимы для макроскопических систем. Есть эффект Кнудсена или тепловая диффузия. И

это общеизвестный и признанный факт, против которого нет возражений. Есть графеновая мембрана с нанопорами. И это также факт, против которого нет возражений. А больше ничего и не нужно для работы такого двигателя. Нет никаких микроскопических деталей и механизмов, которые не позволили бы работать такому двигателю, как в случае с вертушкой Фейнмана. Предлагался вариант с микродверцей с пружинкой, которая должна была бы открываться под действием ударов молекул и пропускать молекулы с одной стороны. Но и эта дверца также не работала бы по той же причине, что и храповик с собачкой у Фейнмана. В предложенном двигателе не надо следить за отдельными молекулами. Не надо измерять их скорость, не надо ничего записывать в память, как в случае с двигателем Л. Сциларда [7]. То есть, в предложенном варианте двигателя нет тех причин, которые не позволяли работать ранее предложенным двигателям. Остается только одна субъективная причина, пока не позволяющая заработать такому двигателю. Это нежелание официальной науки признать тот факт, что "вечный" двигатель второго рода возможен. Трудно психологически признать тот факт, что какой-то дилетант смог придумать то, что не смогли придумать величайшие ученые за прошедшие столетия. А если ученые не предложили такой вариант двигателя, то значит этот двигатель не будет работать.

Но на патент на создание подъемной силы с помощью такой мембраны получено положительное решение о выдаче патента. В этом способе создания подъемной силы используется тот же принцип. Допустим, что мембрана с демонами находится в воздухе и демоны пропускают молекулы только с верхней стороны мембраны. На нижнюю сторону мембраны действует сила FH = PSM. На верхнюю сторону мембраны действует сила FB = P(SM — S0), так как часть молекул пропускают демоны. На мембрану снизу действует "демоническая" сила Рд = FH— FB = PSM — P(SM — S0) = PS0. Сделать аналог такой мембраны также очень просто. См. рис. 4.

Рис. 4.

Два сосуда соединяются непроницаемыми стенками. На стенке находится насос, откачивающий воздух из верхнего сосуда в нижний. Давление в верхнем сосуде уменьшается, а в нижнем увеличивается. Сила атмосферного давления сверху уменьшается за счет уменьшения вылетающих молекул. Сила атмосферного давления снизу увеличивается за счет дополнительно вылетающих молекул. В результате на сосуд действует результирующая сила FP = РИБО/2 + РИБО/2 = P^Sq. В этом случае для создания подъемной сила нет необходимости в аэродинамическом профиле крыла. Нет необходимости обтекания воздухом мембраны. Не нужны аэродромы, так как такой ЛА может взлетать и садиться вертикально. Нет никаких ограничений в размерах летательного аппарата. Можно сделать ЛА хоть 100 метров диаметром, а можно 1 см. В всех случаях подъемная сила будет создаваться гораздо более эффективно, чем с применением крыльев или воздушных винтов. Есть конечно проблема с засорение нанопор, но и она решаема. Со временем такие ЛА отправят современные ЛА на свалку. Ну и заявка на получение патента на описанный двигатель также подана. Предложения о сотрудничестве принимаются.

Литература

1. http://www.nanometer.ru/2010/11/27/de-mon_maksvella_236564. html

2. https://www.nature.com/articles/nphys1821

3. https://www.popmech.ru/science/11623-demon-maksvella-nauka-nevozmozhnogo/

4. https://www.popmech.ru/science/news-365682-v-mfti-sozdayut-lokalnyy-vechnyy-dvigatel-vtorogo-roda/

5. Сивухин Д.В. "Общий курс физики" Т.2.

6. http://www.popmech.ru/technologies/13887-atomarnyy-filtr/.

7. "В мире науки" 1988 г. № 1. стр. 54.