Второй закон термодинамики в актуальном изложении и перспектива низкотемпературной энергогенерации

Цитирование: Баякин С. Г. Второй закон термодинамики в актуальном изложении и перспектива низкотемпературной энергогенерации / С. Г. Баякин, Н. В. Цугленок, Т. А. Пьяных // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(2). С. 172–181. EDN: CVTFQL

Рис. 1. Диаграммы потребления видов энергии в мире, Китае и Великобритании

Fig. 1. Energy consumption charts for the world, China, and the UK

На основе современных знаний в части физики энергии частиц, физики волновой энергии, а также с позиции корпускулярно-волнового дуализма и логики понимания предлагается применить обобщающий термин раздела физики «Энергомеханика». При этом к физике энергии частиц применить термин «Корпускулярная энергомеханика», а к физике волновых процессов – «Волновая энергомеханика».

Предлагаемая терминология имеет основу фундаментальной гипотезы об универсальности мироздания в аспекте корпускулярно-волнового дуализма, выдвинутого французским учёным Луи де Бройлем в 1923 году. В основе лежит понимание того, что электрическая энергия является проявлением как корпускулярно-волнового взаимодействия, так и дуализма, в соответствии с фундаментальными законами классической физики в классическом математическом аппарате, описывающем связь волновой энергии и энергии движения материи, а именно: ^ _    – формула кинетической энергии; E = hv – формула волновой энергии, из которых следует материально-волновая связь мироздания посредством энергии, которая выражается так:

I     mv2

hv ⁼ “2“'                                                                (1)

где h – постоянная Планка; v – частота волны; m – масса; v – скорость.

К пониманию сущности энергии наиболее обоснованно и фундаментально подошел великий английский ученый, физик, математик, механик и астроном Исаак Ньютон, один из создателей классической физики, автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором изложен закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической физики.

Понимание тепловой энергии предложил великий русский ученый М. В. Ломоносов, который исключил существовавшее ранее понятие теплорода и представил понятие теплоты следующим образом:

• 1.    «В движении какой- то материи» – так как «при прекращении движения уменьшается и теплота» , а «движение не может произойти без материи» ;

• 2.    «Во внутреннем движении материи», так как недоступно чувствам;

• 3.    «Во внутреннем движении собственной материи» тел, то есть «не посторонней»;

• 4.    «Во вращательном движении частиц собственной материи тел» , так как существуют весьма горячие тела без двух других видов движения «внутреннего поступательного и колебательного», например, раскалённый камень покоится (нет поступательного движения) и не плавится (нет колебательного движения частиц).

Тем самым М. В. Ломоносов доказал, что причиной теплоты является внутреннее движение связанной материи, что полностью соответствует физике Ньютона. Термодинамика появилась как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Коллективным трудом Рудольфа Клаузиуса, Уильяма Томсона, Людвига Больцмана и Вальтера Нернста выполнен основной вклад в разработку и понимание второго закона термодинамики и сформулированы четыре начала термодинамики:

• 1.    Нулевое начало термодинамики – термодинамическое равновесие;

• 2.    Первое начало термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы;

• 3.    Второе начало термодинамики. Формулировка Клаузиуса : теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому;

• 4.    Третье начало термодинамики (тепловая теорема Нернста) – физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю.

Самыми спорными и проблемными выглядят трактовки второго закона термодинамики. А именно:

• 1)    «теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к более нагретому»;

• 2)    «циклический процесс, единственным результатом которого является производство работы за счет уменьшения внутренней энергии только одного теплового резервуара, также будет невозможен».

Теоретическое обоснование и практическое подтверждение принципа «Демон Максвелла», актуальное изложение второго закона термодинамики

Сомнение по формулировке Клаузиуса было выражено в декабре 1867 года, когда Джеймс Клерк Максвелл в письме к Питеру Тейту высказал идею устройства, нарушающего второй закон термодинамики. Через четыре года он представил ее в монографии «Теория тепла». В 1874 году другой великий физик Уильям Томсон назвал это устройство «Демон Максвелла».

Мысленный эксперимент Джеймса Максвелла состоит в следующем: сосуд разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть отверстие с устройством, которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам – только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени (горячие) – (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а (холодные) останутся в левом. Таким образом, получается, что «Демон Максвелла» позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе.

Это на первый взгляд. Но при более детальном изучении становится очевидным, что если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона и сосуд, то для функционирова-– 175 – ния самого «Демона Максвелла» ему необходима энергия от какого-либо, например, внешнего источника. Тогда за счёт этой внешней энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией, но в этом случае система не будет замкнутой. Тем не менее этот парадокс со своим экстравагантным названием привлекал и привлекает внимание многих весьма известных ученых и изобретателей.

В 1929 году приват-доцент Берлинского университета Лео Сциллард – участник создания первого ядерного реактора в США, чисто математически попытался связать информацию и энергию, где информация являлась бы механизмом работы «Демона Максвелла». Задачу продолжил решать Рольф Ландауэр, который развил идеи Сцилларда, введя понятие принципа Ландауэра. Этот принцип утверждает, что любое уничтожение информации связано с минимальными потерями энергии, пропорциональными температуре окружающей среды.

В 1982 году Чарльз Беннетт, опираясь на теорию информации, предложил ещё одну интерпретацию Демона Максвелла, которая показывает, что конечный объём памяти обязательно приведёт к уничтожению информации, что, в свою очередь, является термодинамически необратимым процессом. Он также предложил алгоритм вычисления разности свободных энергий двух систем, который получил название метод «Bennett acceptance ratio». (https://web.archive. org/web/20191128134426/Беннетт,_Чарльз_(физик)).

Идеи Лео Сцилларда, Рольфа Ландауэра, Чарльза Беннетта выражают фундаментальную задачу современной науки – выявление связи двух ключевых основ мироздания – энергии и информации.

Далее, но уже с позиций физики пошел Марк Рейзен, который считал, что атомы или молекулы газа могут находиться в двух долгоживущих метастабильных квантовых состояниях и что существует множество веществ, отвечающих этому требованию.

Главный вывод из этих теоретических исследований и экспериментов – это факт нахождения замкнутой термодинамической системы в двух устойчивых метастабильных квантовых состояниях также предполагает пересмотр второго начала термодинамики и возможность реализации идеи «Демон Максвелла» в атомарно-квантовой области.

Теоретические и экспериментальные работы в этом направлении продолжаются многими научными сообществами. Наиболее интересны четыре примера:

• 1.    Равенство Ярзинского – это уравнение в статистической механике, которое связывает разности свободной энергии между двумя состояниями и необратимую работу вдоль ансамбля траекторий, соединяющих одни и те же состояния. Оно названо в честь физика Кристофера Яр-зинского, который вывел его в 1996 г. По сути, равенство Ярзинского указывает на тот факт, что колебания работы удовлетворяют определенным ограничениям отдельно от среднего значения работы, возникающей в некотором процессе.

• 2.    В 2010 г., по сообщению в New Scientist, мысленный эксперимент «Демона Максвелла» якобы удалось воплотить в реальность физикам из университетов Тюо (яп. 中央大学 ) (Chuo University) и Токио (University of Tokyo). Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один находился на поверхности стекла, второй мог вращаться вокруг первого. Новый эксперимент, описанный в статье в Nature Physics, позволил также проверить уравнение Ярзинского.

• 3.    Далее в 2015 г. физики из Финляндии, США и России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) создали автономного искусственного «Демона Максвелла».

• 4.    В 2025 г. физики из Университета Штутгарта профессор Эрик Луц и докторант Милтон Агилар показали, что на атомном уровне классический принцип Карно перестаёт действовать в привычной форме. Авторы разработали математическую модель, которая позволяет оценивать эффективность квантовых машин, способных извлекать энергию не только из тепла, но и из самих корреляций между частицами. Это означает, что на атомном уровне двигатель может использовать внутренние состояния системы, превращая взаимосвязь частиц в дополнительный источник энергии. Исследователи подчёркивают, что речь идёт не об отмене второго закона термодинамики, а о его расширении (securitylab.ru/news/564768.php).

Практически все современные попытки реализовать техническим образом демона Максвелла находятся в области микромира и квантовой физики, в то же время Максвелл рассматривал работу демона в области классической физики. Очень точно это выразил Людвиг Больцман, который представил второй закон термодинамики, связав энтропию с вероятностью распределения частиц (корпускул).

Исходя из вышеизложенных представлений о сущности энергии в аспекте классических законов физики материальных объектов, предлагается сформулировать отдельное направление в области макроскопической физики как «Корпускулярная энергомеханика».

С целью подтверждения реальности процесса автономного переноса энергии в равновесной термодинамической системе с переходом в метастабильное состояние следует обратить внимание на три природных процесса.

Первый пример. Явление осмоса, которое естественным образом ярко демонстрирует реальность мысленного эксперимента Джеймса Максвелла и объясняется формулировкой Людвига Больцмана.

Общеизвестный эксперимент, в котором имеется сосуд как термодинамическая система, разделённый проницаемой мембранной перегородкой на две части – левую и правую, в которых находятся две равные по массе, температуре и, соответственно, по количеству энергии части раствора жидкости. При равных массе и температуре растворы жидкости отличаются только концентрацией, то есть количеством растворителя (далее пусть будет воды) и количеством растворённых молекул вещества.

Перегородка частей сосуда представляет собой мембрану, как, например, в яичной скорлупе, где с внутренней стороны природная мембрана пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара . Если такой природной мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через неё в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды .

Поскольку в левой части сосуда удельное количество молекул воды больше, чем в правой части, соответственно, количество молекул воды, проникающих в правую часть сосуда, больше. Следовательно, из левой части сосуда в правую часть поступает вода за счёт уменьшения массы воды и, соответственно, внутренней энергии в левой части сосуда, при этом без какого-либо внешнего воздействия – исключительно за счёт уменьшения внутренней энергии левой части сосуда.

Физика данного процесса объясняется наличием большей вероятности проникновения через мембрану большего количества молекул воды из раствора с меньшей концентрацией, в раствор с большей концентрацией, то есть из левой части в правую часть термодинамической системы. Таким образом, роль так называемого «Демона Максвелла» выполняет мембрана, которая позволяет переместить в правую часть сосуда и извлечь из левой части сосуда некую массу воды и, соответственно, энергии без дополнительного подвода энергии к системе до выравнивания концентраций растворов в обеих частях сосуда и перехода термодинамической системы в квазистабильное состояние с разным количеством энергии в обеих частях сосуда. Общеизвестная схема процесса осмоса представлена на рис. 2.

Неопровержимое экспериментальное доказательство принципа «Демон Максвелла» с использование эффекта осмоса представили инженеры японского города Фукуока, которые в 2025 г. запустили осмотическую электростанцию с ежегодной выработкой 880 000 кВт·ч.

На станции в Фукуоке по одну сторону мембраны подается пресная вода, а по другую – морская. Вода, стремясь перейти к соленой стороне, повышает давление, и возникающий поток вращает турбину, соединенную с генератором (globalenergyprize.org/ru/2025/08/29/v-japonii-otkryli-pervuju-osmoticheskuju-jelektrostanciju/).

Главное отличие этой технологии от ветровой и солнечной энергетики в том, что источник энергии доступен круглосуточно, независимо от погоды. Это первый объект такого типа в Японии и второй в мире. Первая аналогичная промышленная установка была сконструирована в Дании в 2023 г.

Второй пример. Выделение энергии в процессе фазового перехода вода-лёд. Феномен энергии фазового перехода вода-лёд заключается в том, что вода при охлаждении на один градус выделяет энергию 4,1 Дж/г за счёт снижения кинетической энергии молекул, а при переходе из фазового состояния воды в лёд при разнице температур также на один градус от 0 до –1, то есть при кристаллизации молекул воды, утрате подвижности молекул и, соответственно, кинетической энергии лёд выделяет удельное количество энергии 334 Дж/г, что больше в 81,5 раза. При этом плотность льда снижается до 900 кг/м³, при плотности воды 1000 кг/м³. Таким образом, при кристаллизации молекул воды область льда освобождается от каждой десятой подвижной молекулы, которые перемещают в область воды кинетическую энергию.

Ещё одно уникальное свойство фазового перехода вода-лёд – это опреснение воды, то есть вытеснение из области льда в область воды молекул соли и не только. В результате кристаллизирующиеся молекулы воды передают свою кинетическую энергию вытесняемым из об-

Рис. 2. Схема процесса осмоса

Fig. 2. Schematic diagram of the osmosis process ласти льда подвижным молекулам, что соответствует предположению Джеймса Максвелла о так называемых горячих молекулах, переносящих энергию от холодного тела к более нагретому, в данном случае ото льда к воде. Уникальное природное свойство воды является одним из принципиальных обстоятельств существования земной биосферы в её современном виде.

Наиболее вероятно, что именно этот физический процесс при среднегодовой температуре воздуха в Арктике примерно –12 °C и поверхностных вод –1,8 °C не позволяет промёрзнуть Северному Ледовитому океану на значительно большую глубину, чем в среднем до 4–6 метров вблизи Северного полюса. Причина, вероятно, в том, что энергия фазового перехода в виде кинетической энергии 10 % молекул воды и также молекул соли, вытесняемых из области льда в область соленой морской воды, создаёт молекулярно-энергетический барьер между льдом и морской водой. При гексагональной форме образования кристаллов льда удельная плотность энергии по площади молекулярно-энергетического барьера толщиной 0,01 м имеет расчётное значение 334 000 кДж/м2.

Таким образом, средневзвешенный интегрированный процесс передачи энергии от низкотемпературной части системы (лёд –12 °C) к более нагретой части системы (вода –1,8 °C) в термодинамической квазистабильной системе лёд-вода Северного Ледовитого океана обеспечивается уникальными свойствами фазового перехода воды.

Превалирование описанного глобального термодинамического процесса, препятствующего глубокому промерзанию Северного Ледовитого океана над другими факторами теплообмена, подтверждается также недоступностью тёплых океанических течений, ограниченных континентальными барьерами, а также наличием холодного Восточного антициклоническо-го круговорота в Северном Ледовитом океане. Следует отметить, что влияние геотермальной энергии ядра земли на температуру воды в Северном Ледовитом океане крайне незначительно, не более 0,02 % от солнечной.

Ещё один актуальный факт исследования свойств льда изложен в официальном Телеграм-канале ассоциации «Глобальная энергия» (https://t.me/globalenergyprize). « Лед реагирует, создает, преобразует энергию – и, возможно, в будущем его свой ства найдут применение в новых источниках энергии или устройствах для сбора заряда из окружающей среды».

Представленные на рис. 2, 3 схемы перемещения молекул воды с высокой кинетической энергией в процессе осмоса и в процессе фазового перехода вода-лёд позволяют естественными природными явлениями подтвердить реальность принципа «Демон Максвелла» и необходимость пересмотра формулировки второго закона термодинамики с целью применения новых знаний для технической реализации принципа генерации энергии из низкотемпературных источников, что крайне актуально для Арктической зоны РФ и не только.

Третий пример. Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от низкотемпературного источника к высокотемпературному потребителю. Физической основой создания устройства является природное свойство сжимаемых рабочих тел (в основном фреонов), которые потребляют количество энергии сжатия в разы меньше, чем количество энергии, перемещаемой рабочим телом из низкотемпературной области (например, из холодильника) в высокотемпературную область.

В отличие от самопроизвольной передачи тепловой энергии, которая в основном происходит от горячего тела к холодному, тепловой насос переносит тепло в обратном направлении.

Течения Северного Ледовитого океана

Рис. 3. Схема течений в Северном Ледовитом океане и схема перемещения молекул воды при образовании льда

Fig. 3. Schematic diagram of currents in the Arctic Ocean and diagram of the movement of water molecules during ice formation

Соотношение перемещаемой компрессором тепловой энергии и потребляемой электрической или механической энергии называется коэффициентом трансформации COP от английского – coefficient of performance и служит показателем эффективности теплового насоса. В широкой практике теплонасосов СОР находится в пределах 2–7, в экономически эффективном техническом применении около 4.

Важную роль в трансформации тепловой энергии в механическую играет принцип двигателя Стирлинга – теории цикла Стирлинга не существовало до появления работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 г. общую теорию работы тепловых двигателей – Цикл Карно, из которой следует, что работа двигателя Стирлинга соответствует этой теории. Основное преимущество принципа работы двигателя Стирлинга – возможность преобразовывать в работу любую разницу температур, заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре Двигатель_ Стирлинга). Термодинамический цикл Стирлинга, демонстрационная модель и схема работы двигателя представлены на рис. 4. Схема наглядно демонстрирует возможность получения механической работы в арктической термодинамической системе лёд–вода со среднегодовой усредненной разницей температур льда –12 °C и воды –1,8 °C.

С учётом того, что КПД современных конструкций двигателей Стирлинга может достигать 80 %, а источник низкотемпературной тепловой энергии в зоне Арктики практически безграничен и постоянно пополняется Солнцем, процесс экологически нейтральной низкотемпературной электрогенерации в Арктике выглядит не только возможным, но и высокоэффективным как для стационарных объектов, так и для водного арктического транспорта на электрическом приводе.

Рис. 4. Термодинамический цикл Стирлинга, демонстрационная модель и схема работы двигателя Стирлинга в системе лёд-вода

Fig. 4. Thermodynamic Stirling cycle, demonstration model, and diagram of a Stirling engine operating in an ice-water system

В рамках классической фундаментальной физики, на основании изложенного, следуют выводы:

• 1.    На уровне как молекулярных, атомарных и субатомных частиц (корпускул), так и на макроуровне существуют устойчивые термодинамические системы с метастабильным состоянием.

• 2.    Метастабильное состояние в термодинамических системах формулирует уравнение Ярзинского Δ F = Fa – Fb при Δ F = A , где: Δ F – разница энергий двух частей термодинамической системы, а A – работа, совершаемая этой разницей энергий.

• 3.    Часть работы A хотя бы одной корпускулы термодинамической системы возможно применить в качестве работы по принципу «Демон Максвелла», а другую часть работы А – для внешнего потребителя.

• 4.    Вероятность разделения движущихся корпускул одномоментно на две равные части как по количеству корпускул, так и по количеству суммарной энергии движущихся корпускул, стремится к нулю при увеличении числа разделяемых корпускул.

Главный вывод заключается в следующем – закрытая корпускулярная термодинамическая система, в которой тепловая энергия представлена в виде суммы кинетических энергий кор- пускул

1-1

0,5m_nVn, , состоящая из двух разделенных частей, обладает разницей энергии

i

частей и возможностью за счет этой разницы увеличения энергии одной из частей системы и совершения работы для внешнего потребителя.

– 181 –