А ПОЧЕМУ БЫ И НЕТ?
Синтетический
«демон» Максвелла
А.Ю.Дроздов, Харьков
E-mail: alexey_drozdov@mail.ru
Классическая термодинамика устанавливает принципиальный запрет на создание так называемого «вечного двигателя» второго рода — то есть двигателя, способного напрямую превращать в полезную работу хаотическое тепловое движение молекул.
А вот Максвелл (автор известного уравнения распределения молекул газа по скоростям) еще в XIX веке придумал устройство, как будто бы способное преодолеть этот запрет. Идея Максвелла заключалась в том, чтобы сосуд с газом, находящимся при температуре выше абсолютного нуля, разделить перегородкой с окошечком и заслонкой, и возле этой заслонки посадить микроскопического «демона», способного открывать заслонку, когда, скажем, слева направо летят быстрые, «горячие» частицы, и закрывать её на пути медленных, «холодных» частиц. Следствием работы такого фантастического существа стало бы повышение температуры в правой части сосуда и её понижение в левой части. А потом, с помощью обычной тепловой машины, работающей по циклу Карно. можно было бы получить полезную работу, используя вроде бы самопроизвольно возникающую разность температур.
Однако после длительных дискуссий физики пришли к выводу, что Максвелл ошибался, так как и окошечко с заслонкой и сам «демон», должны иметь микроскопические размеры, а потому сами служить объектами хаотического теплового движения и не обладать способностью отличать «горячие» частицы от «холодных».
Тем не менее еще около десяти лет назад сотрудникам Харьковского физико-технического института удалось поставить успешный эксперимент, в котором рабочим телом служил так называемый электронный газ, а роль «демона» Максвелла — постоянное неоднородное магнитное поле, то есть поле неподвижного постоянного магнита. Следствием действия этого устройства было возникновение не разности температур, а разности электрических потенциалов.
Приведу цитату из этой работы, опубликованной а виде препринта. который можно разыскать в научных библиотеках России (О.А.Лаврентьев. Экспериментальные доказательства возможности преобразования тепловой энергии хаотического движения частиц непосредственно в электрическую. ХФТИ. 1992 / скачать pdf 3.99 МБ ).
«Измерения показали, что <...> в цепи, соединяющей два электрода из одинакового материала с одинаковой термоэмиссионной способностью, нагретых до одинаковой температуры, помещенных в постоянное неоднородное магнитное поле, наблюдается электрический ток. <...> С изменением направления магнитного поля на противоположное меняется на противоположное и направление тока. Имеется, по крайней мере, качественное соответствие экспериментальных и расчётных зависимостей силы тока от характеристик магнитного поля. Всё это подтверждает достоверность приведенных доказательств возможности преобразования тепловой энергии хаотического движения частиц в электрическую».
Однако использовать на практике этот метод получения энергии невозможно из-за малости эффекта и высокой температуры, необходимой для создания свободного электронного газа. Поэтому для реализации идеи Максвелла при обычных температурах я предлагаю другую схему. А именно, нужно создать такую молекулярную систему, в которой пространственные затруднения для теплового движения молекул рабочей жидкости в одном направлении были бы меньшими, чем в противоположном.
Представим себе, что некая рабочая жидкость пропитывает полимер, синтезированный из мономера, растворенного в этой же жидкости. Если полимер представляет собой как бы слоеный пирог, состоящий из пластин твердой фазы толщиной порядка размера молекулы мономера, а между этими пластинами находится рабочая жидкость, то атомные группировки, равномерно распределенные по всей площади полимерной поверхности пластин и имеющие одинаковую пространственную ориентацию, окажутся способными выполнять роль «демона» Максвелла.
Это можно пояснить таким примером: если зажать между пальцами ячменный колосок и тереть его, то несмотря на хаотические движения пальцев, ость колоска приобретёт направленное движение в соответствии с наклоном шипов.
Ясно, что молекулы исходного мономера должны быть плоскими и иметь по четыре группировки атомов, расположенных противоположно друг другу – две из них обладать способностью вступать в реакцию поликонденсации, а две другие служить как бы шипами ячменного колоса, то есть выполнять роль «демона» Максвелла. Подобными свойствами могут обладать, например, молекулы ароматических полициклических соединений (см.рисунок): группировки СНО и NН2 способны реагировать друг с другом, образуя полимер, а радикалы R, расположенные под острым углом к «экваториальной» линии молекулы могут выполнять роль шипов ячменного колоса.
Одна из возможных схем синтеза «демона» Максвелла
В определённом температурном интервале плоские дискообразные молекулы мономера могут существовать в виде столбчатой жидкокристаллической фазы, растворенной в подходящем органическом растворителе. Если эту систему поместить в сильное электрическое поле, то молекулы мономера, обладающие электрическим дипольным моментом, приобретут одинаковую пространственную ориентацию. Поэтому после реакции поликонденсации возникнет слоистая полимерная структура лиотропного жидкого кристалла, пропитанная растворителем, которая сохранится и после выключения электрического поля. И если амплитуда тепловых колебаний жидкой фазы будет превышать длину «зубьев» полимерного храпового механизма то в системе возникнет направленный ток жидкости в соответствии с пространственной ориентацией радикалов R.
«Химия и жизнь», 2001, №12