Действие формулировки второго закона термодинамики в технических системах

Цитирование: Цугленок Н. В. Действие формулировки второго закона термодинамики в технических системах / Н. В. Цугленок // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(6). С. 761–767. EDN: RUVMPW

Второй закон термодинамики сформулировал Роберт Клаузиус в 1850 г., опираясь не на собственные исследования, а на существующие работы других ученых и на циклическую теорию Санди Карно, разработанную в 1825 г., о круговом движении тепла и холода в цилиндре. С помощью рабочего газового тела под действием разности температурных потенциалов двух резервуаров теплота переходит от нагревателя к холодильнику, а в обратном цикле – перенос тепла происходит от холодного тела к горячему за счет внешнего источника, в данном случае теплового насоса в виде цилиндра в двигателе Стирлинга, создавшего тепловой двигатель, названный в дальнейшем двигателем Стирлинга, на который 27 сентября 1816 г. он получил английский патент № 40811819, Эта теория подтверждает, что обмен энергией между телами не односторонний и идет возвратно поступательно и циклически во многих технических системах, без использования дополнительных источников энергии, что явно противоречит второму закону термодинамики [1].

В настоящее время двигатели Стирлинга применяются в различных сферах, способных работать на разных низкотемпературных и высокотемпературных источниках тепла, в первую очередь на дизельных подводных лодках, без их всплытия, для пополнения запасов воздуха. Такие двигатели установлены на шведских лодках НАРП «Голланд» и «Викинг», французских «Сага 1» и «Сага 2», японских «Хирусио». NACA. Их используют на космических кораблях и солнечных электростанциях. В России разрабатывается проект замены паровых турбин атомных станций на двигатели Стирлинга. Они уже выпускаются для туристов для автономного получения электрической и тепловой энергии в отсутствие централизованных источников энергии, применяются также для автономного тепло- и электроснабжения фермерских поселений и во многих других сферах.

Несмотря на работы Стирлинга, Клаузиус ввел понятие внутренней энергии системы в физику и дал формулировку второму началу и второму закону термодинамики со следующей формулировкой: «тепло никогда не может перейти от более холодного тела к более теплому, без одновременного изменения, связанного с этим переходом».

Очевидно, что Клаузиус виртуально подразумевал, что этот переход возможен с одновременным изменением условий такого перехода, и формулировка второго закона термодинамики была написана на конкретную работу только идеальных тепловых двигателей. Далее Клаузиус утверждал, что коэффициент полезного действия (КПД) в технических системах (тепловом двигателе) не может быть больше единицы. И это утверждение стало незыблемым даже для всех устройств, работающих на других принципах.

Так появилась термодинамика – эмпирическая наука об основных способах преобразования и движения внутренней энергии в телах для совершения механической работы.

Но в те времена никто не отметил, что при отключении и остановке любой тепловой машины наблюдается обратное движение особенно зимних температур в тело двигателя, когда – 762 – граница теплообмена с преобладающей разностью низких температур низкотемпературным потоком квантовой энергии перемещается в обратном направлении.

Историки пишут о том, что Клаузиус, сидя за чашкой чая, наблюдал, как он остывает при передаче тепловой энергии в окружающее пространство комнаты. Если бы Клаузиус провел элементарный эксперимент – вылил бы из чашки кипящий чай и затем налил бы в нее очень холодную воду, он в своих ладонях через минуту почувствовал бы холод, который быстро поглощает тепло из внутренней стенки кружки и перемещается к наружной стенке. Это наблюдение он почему-то не провел и не проверил обратное движение холодного потока квантовой энергии в горячую стенку чашки. Конечно, в этом случае он, возможно, и не стал бы таким образом формулировать второй закон термодинамики при одностороннем движении тепловой энергии от одного тела к другому.

К сожалению, при дополнительном накоплении знаний и практических примеров в технологических процессах перехода энергии от менее нагретых сред и тел к более нагретым формулировка второго закона термодинамики физиками была урезана и изложена вообще в упрощенной формулировке: «энергия не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому».

Непонятно, какая это энергия? Если, тепловая-кинетическая, то это может быть только при преобладающей величине более высокой температуры тела над другой. Но другие виды энергии: квантовая, потенциальная, ядерная электронная, протонная, электрическая, магнитная, электронно-ионная, химическая, осмотическая, механическая, гравитационная и т.д., могут переходить от тела к телу независимо от движения тепловой-кинетической энергии. Необходимо отметить, что самопроизвольное движение любой энергии от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому, и наоборот, не возможно.

Любой вид энергии от тела к телу может переходить только при наличии действия теплового напряжения, создаваемого преобладающей разностью температурных или энергетических потенциалов или доминирующей величиной других видов энергии до наступления энергетического или теплового равновесия между телами. По нашему мнению, понятие формулировки второго закона современными физиками, претендующего на общий закон термодинамики, сокращенный и изложенный в виде «энергия не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому », характеризует одностороннее движение тепловой кинетической энергии. Это очевидно и, по нашему мнению, не корректно и не отражает общее возвратно-поступательное движение энергий в средах и телах.

Формулировка даже не предполагает, как двигаются энергии по пока не известному общему закону термодинамики в природных и технических термодинамических системах при возвратно-поступательном движении тепла, холода и при различных дополнительных видах энергии.

Поэтому действующая укороченная формулировка второго закона термодинамики с понятием «самопроизвольное движении энергии от тела менее нагретого к более нагретому не возможно» противодействует созданию общей теории и достоверной формулировки основного закона термодинамики, отражающего реальное возвратно-поступательное движение энергии в средах и телах при различных энергетических воздействиях и, соответственно, передачи тепла и холода в большинстве природных и технических системах.

В связи с этим назрела необходимость рассмотреть и провести анализ соответствия формулировки второго закона термодинамики известным физическим явлениям движения тепла или холода и других видов энергии в окружающих средах и телах и технических термодинамических системах.

Мы провели такой анализ работ ряда ученых, начиная с нашего знаменитого русского ученого М. В. Ломоносова, который правильно исключил существовавшее ранее понятие теплорода, подтвердил и доказал, что причиной теплоты является внутреннее движение связанной материи, что полностью соответствует физике Ньютона. Но, к сожалению, в этой формулировке, почему-то отсутствует понятие, какими силами или энергиями организовано это движение связанной материи в средах и телах и почему любая система при прекращении действия каких-то сил или энергий приходит в состояние постоянного равновесия и покоя [2].

Далее Кельвин систематизировал знания и ввел понятия энтропии и абсолютной температуры. Французский ученый Луи де Бройль в 1923 г. предложил внутреннюю энергию движения энергии считать виртуально корпускулярно-волновым взаимодействием и дуализмом.

Понятие энтропии к формулировке второго закона применил Людвиг Больцман: « Энтропия замкнутой системы либо увеличивается, либо остается постоянной». Энтропия в любой системе стремится к максимуму.

В 1940-х годах Роберт Майер и Прескотт Джоуль сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии,

Идеи Лео Сцилларда, Рольфа Ландауэра, в том числе в 1982 г. Чарльза Беннета, наверное, выражают основную фундаментальную задачу современной науки – ключевых основ мироздания – энергии и информации [3].

Более ранние работы Людвига Больцмана и эксперимент Джеймса Максвелла на факте работы технической термодинамической системы, представляющей сосуд, разделенный перегородкой на две части, имеющей отверстие с устройством, которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из первой части сосуда во вторую, а медленным (холодным) молекулам из второй части в первую. Таким образом, этот процесс, якобы позволяющий самопроизвольно нагреть вторую часть сосуда и охладить первую за счет возвратнопоступательного движения энергии, основанной на разности температурных потенциалов среды, без дополнительного подвода энергии, получил название «Демон Максвелла».

Аналогичные физические явления наблюдаются и в механических тепловых насосах, кондиционерах и холодильниках, работающих практически во всех странах мирового пространства, передающих энергию третьими телами, перемещаемых в этих системах мотор-компрессорами, которые давлением и вакуумом обеспечивают возвратно-поступательное, циклическое перемещение тепла и холода от более холодных тел к горячим и наоборот.

Газообразный фреон с низкой температурой кипения до –20 °C посредством мотор-компрессора из испарителя, погруженного в земные низкотемпературные источники энергии 5–8 °C – воды, грунта, воздуха, извлекает и передает некоторую часть плюсовой тепловой энергии газообразному фреону, который мотор-компрессором передается в конденсатор, после которого установлен пружинный дроссель, позволяющий компрессору создавать высокое давление в конденсаторе и некоторый вакуум в испарителе. В конденсаторе низкотемпературные – 764 – пары фреона конденсируются в жидкую фракцию с повышением его температуры до 50–60 °C и ее передачей контактным способом потребителям или другим телам. КПД этих процессов равно 4, что в четыре раза и более выше КПД теплового двигателя, который не может быть больше единицы.

В настоящее время в Красноярске разработана новая термоэлектрическая схема работы теплового насоса, которая исключает в тепловом насосе еще и дроссель – пассивный конструктивный элемент, создающий перепад давления рабочего тела между конденсатором и испарителем. В такой схеме вместо дросселя устанавливается турбина турбоэлектрогенератора, создающего сопротивление подаче фреона из конденсатора в испаритель компрессором с высокой температурой до 50 °C и высоким давлением до 25 атм. Турбина высокооборотистого электрогенератора вращается под действием давления жидкого фреона и вырабатывает электрическую энергию как минимум с КПД не менее 50 %. Тепловой коэффициент использования энергии или трансформации энергии в таких электротермических системах, по сравнению с КПД теплового двигателя, всегда больше единицы и находится в пределах 4–7 [2].

Работы немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, выполненные в 1821 г. с изобретением термопары, также отличались от формулировки второго закона термодинамики при открытии им термоэлектрического эффекта. Термопара, спаянная из двух разных металлов, являлась источником тока. Она «самопроизвольно» извлекала электрическую энергию разностью температурных потенциалов при тепловом напряжении между двумя средами или телами и обеспечивала движение электронов от более высоких температурных потенциалов к низким, от плюса к минусу, а во внешней замкнутой сети электрическая энергия передавалась обратным движением электронов во внешнюю сеть от более холодного минуса термопары к более теплому плюсу.

В 1942 г. известный русский ученый, академик Абрам Федорович Иоффе, продолжил работу Томаса Зеебека и заложил основы полупроводниковой термоэлектрической энергетики. Он использовал в термопарах не спай разнородных металлов, а спай полупроводников, которые позволяли увеличить КПД генератора и уменьшить разницу температур между нагреваемой и охлаждаемой средами [4].

Такие термоэлектрические генераторы, работающие на разности потенциалов теплового напряжения между телами, впервые выпускались в осажденном Ленинграде и Правдинским опытным заводом источников тока в Пушкинском районе Московской области для зарядки аккумуляторных батарей в партизанских отрядах и в разведгруппах на фронтах [4]. Впоследствии они выпускались для питания коротковолновых радиостанций «Урожай» и поставлялись на экспорт.

В 2015 г. физики из Финляндии, США и России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) создали модель, основанную на работе одноэлектронного транзистора, с небольшим медным островом, подключенным к двум сверхпроводящим алюминиевым выводам. Когда частица находится на острове, медный остров транзистора притягивает ее положительным зарядом. Если электрон покидает остров, он отталкивается при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры в системе [5].

Аналогичный опыт проводился учеными и с жидкостями. В случае заполнения сосуда, разделенного проницаемой lenta-перегородкой, в одной части холодной водой, в другой ча-– 765 – сти более теплым водным солевым раствором, одинаковые по объему заполнения, но разные по массе за счет концентрированного раствора во второй части сосуда, преобладающим действием энергии осмотических сил, более холодная вода с более низкой температурой из первой части сосуда через влагопроницаемую перегородку под действием энергии осмотических сил вроде бы «произвольно» переходит во вторую часть сосуда в более теплый солевой раствор, охлаждая его.

На построенной электрической станции в Фукуоке японские инженеры по одну сторону мембраны в емкости пропускали пресную холодную воду из обычного горного ручья, так же как и в описанном эксперименте, а по другую – морскую. Более холодная вода ручья, стремясь к выравниванию концентрации солевого раствора и массы в обеих частях емкостей, переходит через мембрану к соленому более теплому раствору морской воды, повышает ее объем в емкости, которая за счет увеличенной ее высоты при ее подаче на крыльчатку вращает турбину. Данная осмотическая электростанция мощностью 100 кВт, построенная и запущенная в 2025 г., вырабатывает 880 000 кВт*ч электрической энергии в год.

Ученые в г. Новосибирске предложили технологию производства тепловой энергии, эффективность которой растет пропорционально снижению температуры холода в земной атмосфере. Так родился проект «ТепХол» – «Тепло из Холода» [6].

В качестве эффективного материала ученые синтезировали композит на основе силикагеля со специальными солями, который значительно превосходит по характеристикам обычный активированный уголь, в качестве рабочего тела используется не фреон или аммиак, а пары обычного метанола.

Холодный жидкий метанол подается в емкость, где нагревается контактным способом всего на несколько градусов незамерзающей воды из реки, озера или скважины (около 0–5 °C). Нагретый метанол при этом испаряется, и его пары адсорбируются специально созданным пористым материалом – адсорбентом – с выделением значительного количества тепла – до 40– 60 °C, которого уже достаточно для его передачи в системы отопления теплых полов или радиаторов, отапливающих квартиры или здания. Достаточно 10 кг специального адсорбента, который будет отапливать дом и прослужит не менее пяти лет.

Проведенный анализ работ по возвратно-поступательному движению тепла и холода между средами и телами или энергией третьих тел в специальных технических устройствах демонстрирует не «самопроизвольное», а возвратно-поступательное движение тепла и холода между телами, преобладающее действие высоких или низких температур или третьих тел и дополнительных источников энергии – электронных, электрических, осмотических, гравитационных, абсорбционных вакуумных и т.д.

Эти приведенные термодинамические процессы противоречат формулировке второго закона термодинамики, придуманной Клаузиусом для идеальных тепловых двигателей, который нельзя рассматривать как основной закон термодинамики, действующий в технических и природных термодинамических системах.

В связи с этими неопровержимыми данными для идеальных тепловых машин и других технических термодинамических систем, отличных от работы идеальных тепловых двигателей, напрашивается и подходит более реальная и справедливая формулировка основного закона термодинамики: «реверсивное движение энергий и границ теплообмена в средах и телах – 766 – невозможно без действия преобладающих градиентов низких или высоких температур или других источников энергии».

Данная формулировка объединяет два противоположных первоначальных мнения Роберта Клаузиуса и экспериментов Стирлинга и Джеймса Максвелла и результатов исследований других современных ученых и, по нашему мнению, адекватно отражает движение тепловой энергии в технических термодинамических системах, работающих с использованием разных тепловых источников энергии, вызывающих возникновение и перемещение различных видов внутренней энергии между телами, находящимися в различных окружающих средах.