Самовосстанавливаемый энергетический ресурс Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

2. Everitt W.N., Yiertz M. Some ineqalies assocated with certein differential equations // Math. Z. - 1972. - № 126. - Р 308-326.

3. Everitt W.N., Yiertz M. On some properties of the rowers of a formally self-adjoins differential expressions // Proc. London Math. Soc. - 1972. - 24 (3).

- Р. 149-170.

4. Everitt W.N., Yiertz M. On some properties of the prower-ties of a formally self-adjoins differential expressions // Proc. London Math. Soc. - 1972. -Р. 24(3). - Р. 756-768.

5. Бойматов К.Х. Теоремы разделимости // Докл. АН СССР. - 1973. -Т. 213, № 5. - С. 1009-1011.

6. Отелбаев М. О разделимости эллиптических операторов // Докл. АН СССР. - 1977. - Т. 234, № 3. - С. 540-543.

7. Отелбаев М. Коэрцитивные оценки и теоремы разделимости для эллиптических уравнений в Rm // Труды МИАН. - 1983.

8. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1973.

9. Треногий В.А. Функциональный анализ. - М.: Наука, 1980.

10. Соболев С.Л. Некоторые применения функционального анализа в математической физике. - Л.: ЛГУ, 1952.

11. Отелбаев М. Об условиях самосопряженности оператора Шредин-гера с операторным потенциалом // Укр. мат. ж. - 1976. - Т. 280, № 6.

САМОВОССТАНАВЛИВАЕМЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕСУРС

© Марсов У.С.

Украина, г. Симферополь

Представлен метод расчета квантовых процессов, происходящих в атомах молекул при генерации тепловой энергии наиболее распространенных топлив при их горении, а именно: водорода, метана, дизельного топлива (ДТ) и химически чистого угля (ХЧУ), то есть углерода, приведшей к выявлению - самовосстанавливаемому энергетическому ресурсу.

Известно, что наличие энергии является одним из необходимых условий для решения практически любой задачи, которая неизменно сталкивается с энергетической проблемой.

Данная работа связана с решением этой проблемы в области отопительных систем зданий различного назначения, в том числе и жилых помещений, а также в двигателях транспортных средств и стационарных средствах снабженных двигателями.

1. Цель статьи

Изложить подробно результаты теоретического исследования процесса горения распространенных видов топлива, используемых в народном хозяйстве, на квантовом уровне, позволившее открыть на количественном уровне ранее неизвестный и повсеместный самовосстанавливаемый энергетический ресурс.

Исследование производилось в последовательности, показанной в пунктах 2^5.

2. Подбор эмпирических данных исследуемых топлив

2.1. Молярная масса, М, кг/моль:

а) для водорода - 0,002;

б) для метана - 0,016;

в) для ДТ - от 0,180 до 0,200;

г) для ХЧУ - 0,024.

2.2. Теплота сгорания, Н:

Н/ Н// Н///

МДж/моль МДж/м3 МДж/кг

а) для водорода:

0,24 10,713 120

б) для метана:

0,804 35,9 50,28

в) для дизтоплива:

7,8 348,2 42,5

г) для ХЧУ:

0,64 28,57 26,6

Между Н/, Н// и Нда существует следующая зависимость, по которой, зная любое одно из значений теплоты сгорания, можно определить нужное значение любой из трех единиц измерения, т.е.: МДж/моль; МДж/м3 и МДж/кг. Так:

Н/ = Н/// ■ М = Н// : 44,64 (1)

Н// = Н/ ■ 44,64 = Н/// ■ М ■ 44,64 (2)

Н/// = Н/ : М = (Н// : 44,64) : М (3)

где М - молярная масса.

3. Анализ процесса горения исследуемых топлив

3.1. Химическая реакция горения исследуемых топлив:

а) для водорода:

2Н2 + О2 = 2Н2О

(4)

б) для метана:

СН4 + 2О2 = СО2 +2Н2О (5)

в) для ДТ:

C14H28 + 2102 = 14CO2 + 14H2O (6)

г) для ХЧУ:

С2 + 2О2 = 2СО2 (7)

3.2. Определение количества рекомбинаций приходящихся на одну молекулу топлива при химической реакции горения (ХРГ) топлива.

Nrecomb/molec. top.:

а) для водорода:

(2 ■ 0 + 1 + 2 ■ 1) : 2 = 3 : 2 = 1,5 (8)

б) для метана:

1 ■ 0 + (2 ■ 1) + 1 + 2 ■ 1 = 2 + 1 + 2 = 5 (9)

в) для дизтоплива:

1 ■ 0 + (21 ■ 1) + (14 ■ 1) + (14 ■ 1) = 21 + 14 + 14 = 49 (10)

г) для ХЧУ:

1 ■ 0 + (2 ■ 1) + (2 ■ 1) = 2 + 2 = 4 (11)

3.3. Определение масс энергетических, man для исследуемых топлив.

3.3.1. Общая формула:

man = H : с2 (12)

где Н - теплота сгорания (энергия) конкретного топлива; с - скорость света ~ 3 ■ 108 м/с.

3.3.2. Масса энергетическая, приходящаяся на 1 моль топлива:

manrnof1 = H/ : с2 кг/моль (13)

а) для водорода:

man.moi-1 = 0,24 ■ 106 : 9 ■ 1016 = 0,0266 ■ 10-10 кг/моль;

б) для метана:

0,0897 ■ 10-10 кг/моль;

(14)

а) для водорода: 1,2 ■ 10 10 кг/м3;

б) для метана: 4,0 ■ 10-10 кг/м3;

в) для ДТ: 38,7 ■ 10-10 кг/м3;

г) для ХЧУ: 3,174 ■ 10-10 кг /м3.

3.4. Количество электронов во внешних оболочках (орбиталях) атомов молекул, участвующих в ХРГ топлива, ^

а) для водорода:

3.5. Среднее количество электронов участвующих в одной рекомбинации ХРГ, Н,/гесоть., приходящихся на одну молекулу конкретного топлива:

N0 = 12 : 2 = 6

(15)

б) для метана:

N0 = 16 + 12 = 28

(16)

в) для ДТ:

N0 = (14 ■ 16) + (14 ■ 6) = 308

(17)

г) для ХЧУ:

N0 = 16 ■ 2 = 32

(18)

а) для водорода:

Ne/гecomb. 6 : 1,5 4

(19)

б) для метана:

Ne/гecomb. 28 : 5 5,6

(20)

в) для ДТ:

^/гесоть. = 308 : 49 = 6,28

(21)

г) для ХЧУ:

^/геоошь. = 32 : 4 = 8 (22)

3.6. Масса энергетическая рабочего электрона шапгаЬе, т.е. электрона внешней оболочки атома молекулы (отвечающая энергии W = шс2):

т т „-3

М/1 ап.то1 ап.М (23)

апгаЬе (( • ыА) (ме • ыь)

где МА - постоянная Авагадро = 6,022 • 1023 моль-N - число Лошмидта = 2,6867 • 1025 м-3.

Итак, при химической реакции горения водорода:

0,0266 -10-10 1,2 -10-10

6 • 6,022-1023 6 • 2,6867-1025

= 0,74 40 кг / гаЬ.е

при химической реакции горения метана:

і.гаЬ.

при ХРГ дизтоплива:

manгabe = 0,53 ■ 10 36 кг/гab.e

при ХРГ ХЧУ:

man.гab.e = 0,47 ■ 10 36 кт/го-Ьх

man.гab.e = 0,37 ■ 10 36 кт/го-Ьх

3.7. Определение температуры горения топлива.

Температура горения топлива в прямой зависимости находится от расходной используемой энергетической массы рабочего электрона, шапгаЬе, участвующего в химической реакции горения топлива и прямо пропорциональна ей.

т • с2 т

Тёог. = = 4,348 • 1039 • т^.. ~ V (24)

А^.е т^.е

где Аоуе - энергия кванта электрона, испускаемая им за одно оборачивание вокруг ядра атома, для повышения температуры на 1 Кельвин равная 2,07 • 10-23 Дж/К (при процессе горения) [1]; с - скорость света (фотона) равная ~ 3 • 10 м/сек; шоуе - масса кванта электрона = 0,23 • 10-39 кг [1];

V - частота колебаний электрона за квантовое время 10-15 сек. [2] (численно равная температуре, в Кельвинах).

1.

т ,

ап.гаЬ.е

Так, при горении:

0,74-10-36 • 9-1016 0,74 • 10-36

а) водорода - Тgor. =-----------------------=--------------— = 3217 К;

2,07 • 10-23 0,23 • 10-39

б) метана - Tgor. = 2304 К;

в) ДТ - Tgor. = 2043 К;

г) г) ХЧУ - Tgor. = 1609 К.

4. Определение конечных параметров хрг каждого исследуемого топлива

4.1. Определение массы фотона, mf, на одну рекомбинацию.

mf = man.rab.e * Ne/recomb (25)

а) при ХРГ водорода:

mf = 0,74 • 10-36 • 4 = 0,296 • 10-35 кг

б) при ХРГ метана:

mf

в) при ХРГ ДТ:

mf

г) при ХРГ ХЧУ:

mf = 0,53 • 10-36 • 5,6 = 0,297 • 10-35 кг

mf = 0,47 • 10-36 • 6,28 = 0,295 • 10-35 кг

ш = 0,37 • 10-36 • 8 = 0,296 • 10-35 кг

Таким образом, масса фотона при ХРГ любого из исследуемых топлив

- одинакова, и в среднем равна:

шг = 0,296 • 10-35 кг

4.2. Определение частоты излучения фотона, Vf, при ХРГ, в Гц - 1/с:

Vf = (шf • с2) : И (26)

где: И - постоянная Планка.

а) при ХРГ водорода:

= (0,2%-'°-15 •9-10“) = 4,02^ Гц.

* (6,626176 -10 -34)

При ХРГ метана, ДТ и ХЧУ, vf, также равно 4,02 • 1014 Гц, так как все сомножители в равенстве (26) - одинаковы для них.

Таким образом, частота излучения фотона при ХРГ любого из иссле-

дуемых топлив совершенно одинакова и равна: 4,02 • 1014 Гц.

4.3. Определение энергии фотона, Wf, в Дж и эВ.

Wf = ш1, • с2 = 0,296 • 10-35 • 9 • 1016 = 2,664 • 10-19 Дж = 1,663 эВ (27) или по классической формуле:

Wf = Иу = 6,626 • 10-34 • 4,02 • 1014 = 2,664 • 10-19 Дж = 1,663 эВ (28)

Итак, т.к. масса фотона и частота излучения фотона для всех исследуемых топлив - одинакова, то соответственно и энергия фотона для них одинакова и равна:

Wf = 2,664 • 10-19 Дж = 1,663 эВ

4.4. Определение длины волны излучения фотона, X, в метрах:

X = И : (щ^ • с) (29)

Т.к. величины соотношения для всех исследуемых видов топлива одинаковы, то и величина, X, для них одинакова и равна:

Я=>26'76;Ю-"),. = 0,75-10- м.

(0,296 -10-35 • 3 -108)

Итак, X = 0,75 • 10-6 м.

4.5. Определение импульса фотона, р, в кг • м • с-1:

р = (Иу) : с = И : X (30)

Т.к. все величины соотношений (30), определяющих импульс фотона для всех исследуемых видов топлив, одинаковы, то величина:

6,626176-10-34 • 4,02-Ю14 8 879 10-28 -1

р =-------------------------= 8,879 -10 кг - м - с

3-108

для всех них будет одинакова, то есть:

р = 8,879 • 10-28 кг • м • с-1

4.6. Определение скорости фотона, в м/с

= р : mf (31)

Т.к. все величины соотношения (31) определяющего скорость фотона для всех исследуемых видов топлив одинаковы, то ее величина будет:

Vf = 8,879 ■ 10-28 : 0,296 ■ 10 -35 = 299,96877 ■ 106 м/с.

Подводя итоги, мы видим, что выходные параметры ХРГ для всех исследуемых топлив оказались одинаковыми, поэтому закономерны и не являются случайными.

5. Использование найденных параметров при расчете некоторых физических величин

5.1. Определение молярной теплоты сгорания, Н/, исследуемых топлив, в МДж/моль:

Н = Wf * Na * Nrecomb/molec. = A * Nrecomb/molec (32)

где A = произведение постоянных величин Wf и Na одинаковое для всех химических реакций горения исследуемых топлив - равное:

16 ■ 104 Дж/моль (33)

Поэтому имеем:

а) для ХРГ водорода:

Н/ = 16 ■ 104 ■ 1,5 = 24 ■ 104 = 0,24 МДж/моль (34)

б) для ХРГ метана:

Н/ = 16 ■ 104 ■ 5 = 80 ■ 104 = 0,8 МДж/моль (35)

в) для ХРГ ДТ :

Н/ = 16 ■ 104 ■ 49 = 784 ■ 104 = 7,84 МДж/моль (36)

г) для ХРГ ХЧУ:

Н/ = 16 ■ 104 ■ 4 = 0,64 МДж/моль (37)

Все эти значения теплот сгорания топлив на 1 моль, полученных теоретическим способом, полностью совпадают с эмпирическими значениями теплот сгорания исследуемых топлив (см. 2.2. для Н).

Поскольку существует жесткая зависимость между теплотами сгорания всех трех единиц измерения [1-3], то теплоты сгорания всех трех единиц сгорания, полученные теоретическим способом для Н/ будут совпадать со значениями этих величин, полученных эмпирическим путем во всех трех единицах измерения, т.е. и для Н// и Нда.

5.2. Определение энергии синтеза, приходящейся на одну молекулу воды (Н2О) и на одну молекулу углекислого газа (СО2), получаемых эмпирическим способом.

5.2.1. Энергия синтеза воды на 1 моль, ’^шй./тоШ2о, равна 0,24 МДж/моль (см. 2.2. - теплота сгорания водорода МДж/моль, при котором продуктом синтеза является только вода (Н2О) см. 3.1.).

5.2.2. Энергия синтеза углекислого газа (СО2) на 1 моль, равна:

ст1./то1.со2 = НШ4 - 2НШо = 0,804 - (2 ■ 0,24) = 0,324 МДж/моль (38)

5.2.3. Энергия синтеза молекулы воды (Н2О):

WcЫlmoШ2O = 0,24-106 NA 6,022-1023

Wcmt/mofecH20 = С'П/^‘,Нг0 = ’ =4-10-39 Дж/молек =2,5 эВмолек (39)

м

5.2.4. Энергия синтеза одной молекулы углекислого газа (СО2):

^^єссч = = ^0324:163 = 5,38- 1СГ39 Дж/ молек = 3,32 эВ/молек (40)

5.3. Определение энергии синтеза, приходящейся на одну молекулу воды (Н2О) и одну молекулу углекислого газа (СО2), полученными теоретическим способом по законам квантовой механики.

5.3.1. Энергия синтеза молекулы воды (Н2О), при ХРГ водорода:

Wcint./molec.H2O — Wf * ^гесотЬ/то1ес.Н20 — 1,663 * 1^ — 2,5 эВ/то1ес.Н2О (41)

где Н-есотЬ/то1ес.Н20 - количество рекомбинаций приходящихся на синтез одной молекулы Н2О, равное 1,5 (см. 3.2.).

5.3.2. Энергия синтеза молекулы углекислого газа (СО2):

Wcmt./mo1ec.СО2 — W'f ^гесотЬ/то1ес.С02 — I,663 2 — 3,326 эВ/то1ес.СО2 (42)

где Н-есотЬ/то1есС02 - количество рекомбинаций приходящихся на синтез одной молекулы СО2, равное 4 : 2 = 2, т.к. на одну молекулу топлива приходится 4-е рекомбинации, а продуктов синтеза 2 молекулы.

5.3.3. Таким образом, значения энергии синтеза молекулы воды (Н2О) и молекулы углекислого газа (СО2), полученные эмпирическим способом (см. (39) и (40)), а также теоретическим способом (см. (41) и (42)) - полностью совпадают.

Однако следует иметь в виду, что энергия только синтеза молекулы воды (Н2О) и энергия только синтеза углекислого газа (СО2) в чистом виде одинаковы и равны 1,663 эВ, но в настоящее время их значения принято брать в сумме с энергией деления кислорода, О2.

Так принято, энергией синтеза молекулы воды (Н2О), считать сумму энергий синтеза Н2О и 0,5 энергии деления О2, т.к. в этом случае энергия деления, О2, распределяется на две молекулы синтеза Н2О, то есть:

1,663 эВ + 1,663/2 = 1,663 эВ + 0,832 эВ = 2,5 эВ (43)

Также, аналогично, принято энергией синтеза углекислого газа СО2 , считать сумму энергий синтеза СО2 (в чистом виде) и деления, О2, т.е.:

1,663 эВ +1,663 эВ = 3,326 эВ ~ 3,33 эВ (44)

6. Результаты исследования

1. Следует, в первую очередь, обратить внимание на факт замечательного свойства газа кислорода (О2), заключающегося в том, что при ХРГ происходит два вида реакций: реакция деления молекул кислорода, О2, на два активных атома, Оь и реакция синтеза молекулы воды или молекулы углекислого газа, причем каждая из этих реакций сопровождается выделением одинаковой по величине энергии равной 1,663 эВ = 2,664 ■ 10-19 Дж.

2. Энергия деления молекулы кислорода на единичные атомы, а затем синтез единичных атомов в молекулы кислорода в замкнутом объеме, может быть использована как самостоятельный источник энергии при определенных искусственно созданных условиях и может составить в этом случае: 0,32 МДж ■ моль-1 или 14,28 МДж ■ м-3, что превышает теплоту сгорания водорода в этих единицах измерения.

При этом основным достоинством такой генерации тепловой энергии может явиться то, что заданное рабочее количество кислорода не требует постоянной подпитки рабочего тела, т.е. его расхода, при этом это количе -ство постоянно сохраняется и может работать в кругообороте неограниченное время (при соблюдении герметичности замкнутой системы), при этом регулируя расход в широком диапазоне, можно получать необходимую мощность в оптимальном необходимом размере.

3. Ко всему сказанному по этому поводу нельзя не отметить, что выявлен экологически чистый процесс генерации тепловой энергии с отсутствием побочных отходов и вредных выделений.

4. Следует отметить, что рассмотрение возможных конструкций устройств для этой цели не входит в задачи данной статьи.

Список литературы:

1. Марсов УС. Симбиоз квантовой атомно-молекулярной физики и химии / Исследование, проверено НАН Украины, Отделением физики и астрономии. - 2008-2009. - С. 21.

2. Нобелевская премия по химии за 2000 год.

3. Марсов УС. К вопросу о новых и возобновляемых источниках энергии. - Симферополь: Изд. «УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ» Крымского государственного инженерно-педагогического университета, 2004. - Вып. 5. - С. 20-23.

4. Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: МИР, 1982.

5. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике / Пер. с англ. Ч. 8-9. -М.: МИР, 1978. - С. 526.