ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПУТЕМ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Известны четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма, резко отличные по своим свойствам и характеристикам. Однородный в физическом и химическом отношениях конечный объем условимся называть фазой. Или, пользуясь определением Гиббса, назовем фазой однородную часть неоднородной системы.

Причиной существования различных фаз является баланс кинетической (тепловой) энергии молекул и энергии их взаимодействия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия молекул возрастает, увеличивается расстояние между ними, в соответствии с законом Кулона ослабевает их взаимодействие. Когда температура достигает критического значения, происходит плавление. Появляется новая фаза - жидкая. Осуществляется фазовый переход. При дальнейшем нагреве образовавшейся жидкости до следующей критической температуры происходит переход жидкости в газ. И так далее. Все упомянутые фазовые переходы обратимы, то есть при снижении температуры система повторит весь переход из фазы в фазу в обратном порядке. Важным моментом является возможность сосуществования фаз и взаимный переход при любой температуре.
Различают четыре агрегатных состояния вещества, но фазовые переходы могут быть n-того порядка (рода). Классификацию их ввел Эренфест /1/. Его идея о порядке перехода основана на разложении функции m (Т+dT, P+dP) в ряд Тейлора по степеням dT и dP. (Отметим, что в общем виде надо подвергнуть разложению в ряд по химическому потенциалу, электрическому, магнитному полю и так далее). Если отличны от нуля члены первого порядка, то имеет место фазовый переход первого рода. Если члены первого порядка обращаются в нуль вдоль кривой равновесия фаз, а отличны от нуля члены второго порядка, то имеет место фазовый переход второго рода и так далее.

1. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 1 РОДА

Фазовые переходы первого рода (ФП1) протекают с изменением агрегатного состояния вещества: плавление-затвердевание (кристаллизация), испарение - конденсация, растворение - кристаллизация, сублимация-кристаллизация. В точке перехода ФП1 характеризуется:
- скачкообразным изменением значений характеристических функций и физических свойств системы;
- первые производные характеристических функций и свойств системы (теплоемкость, вязкость, плотность, энтропия, энтальпия, изобарно-изотермический потенциал и т.д.) по физическим параметрам (температура, давление, химический потенциал, магнитное, электрическое, акустическое поле, гетерогенная поверхность и т.д.) равны нулю или имеют разрыв;
- наличием области метастабильного состояния.

2. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 2 РОДА

Фазовые переходы второго рода (ФП 2) протекают без изменения агрегатного состояния вещества и представляют собой структурную перестройку. Примерами ФП 2 являются: изменение кристаллографической модификации твердого тела, переход диамагнетика в парамагнетик, сверхтекучесть и сверхпроводимость, изменение скорости испарения и т. д.
В случае ФП2 переход осуществляется именно в точке (точка Кюри, - точка) и характеризуется:
- скачкообразным изменением значений характеристических функций и физических свойств системы при непрерывном и плавном изменении воздействующих на систему факторов;
- отсутствием поглощения или выделения тепла системой в критической точке, то есть, неизменностью общего числа связей, например, водородных, обеспечивающих взаимодействие между элементами системы: сколько связей рвется при структурной перестройке, столько их и образуется;
- равенством нулю первых производных характеристических функций и свойств системы (теплоемкость, вязкость, плотность, энтропия, изобарно-изотермический потенциал и т.д.) по физическим параметрам (температура, давление, химический потенциал, магнитное, электрическое, акустическое поле, гетерогенная поверхность, энергия переноса массы и т.д.). Однако, имеет место наличие разрыва функций вторых производных;
- отсутствием области метастабильного состояния, скачкообразным изменением структуры в точке перехода;
- специфичным по величине значением химического потенциала системы в точке перехода при его непрерывном изменении.
Исследованиям ФП2 или критических явлений посвящена обширная литература. Относительно последним на русском языке обзором достижений в этой области является монография Анисимова /2/.
Классическая теория ФП2 разработана Ландау /3/. Он интерпретировал ФП2 как структурную перестройку в системе, возможную при сосуществовании, как минимум, двух фаз. Структурой, по определению, называется взаиморасположение взаимодействующих частей системы. Поскольку интенсивность и характер взаимодействия зависит от значения воздействующих на систему факторов, структура отражает термодинамическое состояние системы в равновесном состоянии. Молекулы, взаимодействуя, образуют кластер (кластерная теория) - гроздь случайной формы, состава и размера. Изменение внешних параметров системы /4/: температуры, давления, напряженности электрического, магнитного, акустического, гравитационного полей, энергии переноса массы, ввод в систему твердых (поверхностная энергия) или растворимых примесей - приводит к изменению её термодинамического состояния.
При плавном изменении внешнего воздействия на систему в ней идет постепенное накопление "количества", а затем это воздействие приводит к скачкообразному появлению нового качества: нового взаиморасположения частиц, размера или состава кластеров - всего того, что воспринимается как структурная перестройка. Поскольку ФП2 в принципе вызывается изменением значения любого внешнего воздействия, то факторное пространство усеяно локальными экстремумами, которые могут быть удалены друг от друга на самые различные расстояния. Расстояние между локальными экстремумами определяется видом и энергией взаимодействия молекул. По Ландау /3/ величина скачка теплоемкости в критической точке под воздействием температуры составляет:
Ср = Т(А /2С р) (1)
где: Т - температура; А - коэффициент.
Уравнение (1) описывает случай, когда воздействующим на систему фактором является температура. В случае, когда на систему воздействует m факторов, но экстремумы теплоемкости расположены друг от друга достаточно близко в связи с чем наблюдается суперпозиция функций, уравнение будет иметь вид:
Ср = (1/2) (А/С р ) ( р mХm ) (2)
где: рm - статистический вес воздействия m - того фактора; Х - сила воздействия m - того фактора на изменение структуры вещества.
Возможность изменять теплоемкость и энтропию рабочего тела, используя явление ФП2 (Рисунок № 3 зависимости Ср/Ср0 воды от температуры Т), представляет большой интерес для энергетики. Реализация такой возможности требует решения целого ряда научно-технических проблем: разработки методов выявления экстремумов функции в многофакторном пространстве; исследования локализации отдельных экстремумов и взаимовлияния факторов; разработки технических средств инициирования структурных перестроек; разработки методов и средств автоматического контроля и стабилизации технологических эффектов.

3. МЕХАНИЗМ ИНИЦИИРОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕСТРОЕК В ЖИДКОСТЯХ МЕТОДОМ МГД РЕЗОНАНСА

На электрически заряженную частицу или систему электрозаряженных частиц, движущихся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца FЛ, стремящаяся изменить траекторию движения этих частиц. Она равна:
FЛ = eE + (e/c) |VB| (3)
где: е - заряд частицы; E - вектор напряженности электрического поля; с - скорость света в вакууме; V - вектор скорости заряженной частицы;
В - вектор магнитной индукции.
Таким образом, сила Лоренца имеет две составляющие: электрическую и магнитную. Магнитная составляющая возникает только при наличии магнитного поля и движения заряженной частицы в нем. Для электрической составляющей достаточно только наличия электрического поля.
Учитывая, что молекула воды представляет собой диполь, а вода всегда содержит ионы, не-растворимые и растворимые примеси - есть основание рассматривать раствор как систему электрозаряженных частиц. Эти частицы взаимодействуют между собой, образуя кластеры случайного размера и состава. Но каждая частица в кластере обладает тепловым движением. Как следствие, она имеет определенную вероятность выйти из состава кластера, когда сила Кулоновского взаимодействия с ближайшими соседями окажется незначительной. По этой же причине любая частица, находящаяся вне кластера, может войти в его состав. Таким образом, между кластерами существует динамическое равновесие, то есть, они непрестанно обмениваются частицами. Поскольку все протекающие процессы случайны, случаен размер и состав кластеров. Поэтому систему кластеров можно охарактеризовать функцией распределения по размеру, составу, внутренней энергии взаимодействия, по частоте колебаний. Общее количество кластеров ограничено законом сохранения массы: их общая масса не может превышать суммарной массы всех частиц, входящих в систему. Каждому термодинамическому состоянию системы соответствует определенная функция распределения кластеров. Наличие двух сил: Кулоновского взаимодействия и теплового движения частиц - приводит к тому, что каждая частица совершает колебания (осциллирует) вокруг положения равновесия с определенной частотой. Если мы заставим двигаться воду (систему кластеров) в электромагнитном поле, то возникающая при этом сила Лоренца будет стремиться изменить траекторию колебания частиц. Начнем менять вектор силы Лоренца с определенной частотой, изменяя направление электромагнитного поля, а в случае магнитной составляющей - и скорость движения воды. Когда частота изменения внешней силы, воздействующей на систему колеблющихся частиц, окажется резонансной, частица отклонится от положения равновесия на величину:
L = (e/c) |VB|/(2m ) (4.2)
где: - коэффициент затухания колебаний; - собственная частота колебаний молекулы; m i - масса i - той частицы, входящей в состав кластера.
Если принять, что кластер состоит из одинаковых частиц, то масса
j-того кластера, состоящего из N частиц, равна ( m i N )j. Средневзвешенный кластер, входящий в систему, имеет массу:
M = (m i N)j / N (4.3)
Тогда резонансная частота воздействующей силы (в нашем случае силы Лоренца) должна быть:
= (e/c) |VB|/ 2L (m i N)j)] (4.4)
Если при этом L будет больше некоторого критического расстояния, при удалении на которое сила Кулоновского взаимодействия не сможет удержать частицы в кластере, он разрушится, при этом изменится функция распределения кластеров по размеру, изменятся свойства воды как системы.
Из уравнения (4.4) следует, что изменить свойства системы можно, используя различные частоты, поскольку система неоднородна и состоит из кластеров различного размера (массы). Для оценки резонансных частот силы Лоренца воспользуемся следующими значениями переменных, входящих в уравнение: c=3 108 м/с; B = 0,4 Тл; V = 8 м/с; е = 1,6 10 -19 Кл; = 0,001с; L = 2 10 -10 м; m = 3 10-23 г. ( e - заряд электрона, m - масса одной молекулы воды, L - порядка размера молекулы ). Для определения размерности вспомним, что Кл=м -3/2 c-1 г1/2, а Тл =г1/2 м-1/2 с-1 . Тогда для кластера, состоящего только из N молекул воды, резонансная частота окажется =1,42 108/N Гц. Чем крупнее кластер (N), тем ниже частота. Чем выше заряд частицы в кластере, а значит и результирующий заряд кластера, тем выше частота. Чем плотнее кластер (меньше максимальное расстояние, при котором сила Кулоновского взаимодействия достигает критически малой величины), тем выше частота.
Учитывая, что резонансная частота силы Лоренца создается при наличии движения воды (гидродинамика) и определенного значения магнитной индукции, назовем такой метод инициирования ФП2 магнитогидродинамическим (МГДР) резонансом.
Оценим энергию, необходимую для перевода кластера из одного термодинамического состояния в другое. Изменение энергии системы при переходе её из одного квантового состояния в другое вычисляется по формуле:
E = ћ (4.5)
Учитывая, что постоянная Планка ћ = 6,63 10 -34 Дж с, подставим в уравнение (4.5) полученную ранее оценку резонансной частоты:
E = 6,63 10 -34 (1,42 10 8 /N) = (9,42 10 -26 /N) Дж (4.6)
Измерить такие энергозатраты при структурной перестройке представляется достаточно проблематичным. По этой же причине такой способ изменения теплофизических характеристик рабочего тела с точки зрения экономичности не имеет себе равных.

Контакты

«ЕТВ-Технология плюс»

Украина, г. Харьков

ул. Енакиевская, 1/318

тел:

+38(057)7193272           +38(067)7143659           +38(066)7228891           +38(093)5082160

e-mail:etwater@mail.ru

skype: energiya4

НАШИ ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА

- ENG
- Украина (Ukraine)
- Россия (Russian)
- Бразилия (Brasil)
- Польша (Poland)
ایران - Иран
- Германия (Deutschland)
- Κύπρος (Кипр)