Колесникову К.С.

Модератор: Ибадуллаев

Колесникову К.С.

Сообщение admin » 04 июн 2009, 14:28

Председателю научного совета по проблемам машиноведения и технологических
процессов РАН, академику РАН
Колесникову К.С.

Уважаемый Константин Сергеевич!

Искренне благодарен Вам за отзыв о моей работе «Основы теплотехники и теории рабочих процессов» и просил бы уделить еще какое-то время общению со мной.
Суть моего видения проблем в том, что во второй половине 19-го века после бурного развития в технической термодинамике произошел спад, а затем и откат назад. Теоретики вместо реального изучения и выявления новых термодинамических зависимостей занимались словесной эквилибристикой, которая в конечном итоге потихоньку свела на нет второй закон термодинамики. Нынешняя техническая термодинамика признает первый закон термодинамики и не признает ее второй закон. Готов доказать данный факт в открытой дискуссии к каковой призываю наиболее теоретически подготовленных сотрудников Вашего научного совета.
К сожалению, составитель рецензии не вник в смысл излагаемых в книге рассуждений и оценил их теми же «штампами», которые в термодинамике приняты и которые мною отвергаются.
Для начала, чтобы определиться с темой дискуссии дам краткий анализ двух положений рецензии.
1. В рецензии сказано: «В основе его рассуждений лежит формула КПД идеального цикла двигателя внутреннего сгорания t = 1-1/εk-1, по которой КПД зависит от степени сжатия в любом температурном интервале».
В цикле любой идеальной тепловой машины состояние рабочего тела определяется равнозначными (по статусу) и строго взаимосвязанными и взаимозависимыми параметрами Р, V и Т. Если есть заданная величина степени сжатия ε, то ни интервал температур Т1 и Т2, ни интервал давлений Р1 и Р2 не может быть любым. Данные интервалы (Т1 - Т2, Р1 - Р2) при конкретной величине степени сжатия независимо от количества подведенной теплоты будут иметь одинаковые значения. То есть, при изменении количества подводимой теплоты начальные значения параметров (Т1 и Р1) и конечные значения (Т2 и Р2) будут изменяться, но их интервалы в во всех случаях останутся прежними: Т1 - Т2= const, Р1 - Р2= const.
В абз. 4 рецензии автору предлагается при одинаковой степени сжатия ε = 10 цикла Карно и цикла V = const брать одинаковый интервал температур и что якобы в этом случае КПД цикла Карно превысит 90%. Позвольте, а куда в таком случае деть законы Бойля – Мариотта и Гей-Люссака, определяющие термодинамические зависимости между Р, V и Т. В данном конкретном примере мы исходим из того, что ε = V2/ V1 = 10= const. При данном условии интервал температур Т1 и Т2 не может быть произвольной или заданной величиной. Величина Т1 будет зависеть от ε и Q1, а величина Т2 –исключительно от ε = δ = 10.
«При этом автор не учитывает, что реальный цикл обязательно существует в каком-то температурном интервале. А как только последний будет задан, появится предельное значение степени сжатия εпр = (Т1 / Т2)1/ k-1, при котором работа сжатия станет равна работе расширения, а также значение ε = (εпр)0.5 , при котором работа цикла будет максимальной. Но только при предельной степени сжатия, где работа цикла будет равна нулю, КПД достигнет максимального значения, равного КПД цикла Карно при принятых температурах Т1 и Т2. И никаких противоречий с теорией!»
Прежде чем делать какие-то утверждения определимся с темой разговора. Если мы говорим о реальных (действительных) циклах, то надо оставить термодинамику в покое и перейти к анализу рабочих процессов. Если мы говорим об идеальных циклах и идеальных тепловых машинах, то надо оставить в покое реальные циклы. Это очень важно. И в связи с этим по поводу приведенного утверждения:
Работа расширения может уравновесить работу сжатия только в идеальном обратимом адиабатном (изоэнтропном) процессе, совершаемом без подвода и отвода теплоты. В идеальном цикле преобразования теплоты в работу (т.е. осуществляемом с подводом теплоты к рабочему телу) работа сжатия никогда не сможет уравновесить работу расширения. В идеальном цикле работа расширения всегда будет больше работы сжатия на количество работы, эквивалентной количеству подведенной теплоты (вернее, на разницу Q1 - Q2).
В связи с этим составьте расчет КПД идеального цикла при интервале температур Т1 = 20 000 К (можете задать и 2 млн К), Т2 = 273 К (температурный эквивалент подводимой теплоты равен 2500 0С) и объясните, каким образом в данном расчете работа сжатия сможет уравновесить работу расширения.
«при предельной степени сжатия, где работа цикла будет равна нулю, КПД достигнет максимального значения» - не знаю как Вы думаете, но, по моему мнению, данное утверждение вообще лишено смысла.
Из логики данного утверждения вытекают 2 противоположных вывода: 1. Если работа равна 0 (нулю), то КПД будет равен 1 (единице) и вечный двигатель второго рода возможен. А куда деть второй закон термодинамики? 2. КПД это отношение количества подведенной теплоты к количеству теплоты, преобразованной в работу. Нет работы – значит, нет и КПД. Если работа равна нулю, то и КПД равен нулю.
Не вдаваясь в подробности, скажу, что динамика изменения количества работы и величины КПД при увеличении степени сжатия следующая: при идеальной (предельно допустимой) величине степени сжатия и работа и КПД идеального цикла будут иметь наивысшие значения. Дальнейшее увеличение степени сжатия повлечет за собой уменьшение и количества работы и КПД. При эталонной величине степени сжатия, при которой вся подведенная теплота будет расходоваться на совершение работы и компенсацию холодному источнику и работа и КПД цикла будут равны нулю. Этому есть и теоретическое и математическое обоснование, они будут опубликованы в новой книге.
Чтобы выводы в отношении цикла Карно были поняты, попросил бы составителя рецензии ответить на следующие элементарные вопросы: 1. В каком виде процесса – изотермном расширения или адиабатном расширения (далее используем термин «участок диаграммы») подводится теплота и совершается вся полезная (передаваемая потребителю) работа цикла Карно? 2. По какой формуле должно быть рассчитано количество работы, совершаемой на изотермном участке расширения при условии Т1 = const и с учетом изменения каких параметров состояния из Р, V и Т такой расчет должен составляться? 3. Какое отношение интервал температур между Т1 и Т2, создаваемый адиабатным расширением (совершаемым без подвода и отвода теплоты) имеет к термическому КПД цикла, рассчитываемому по формуле t = 1- Q2/ Q1? 4. Если вся полезная работа цикла совершается на изотермном участке расширения, какое отношение интервал температур Т1 и Т2, создаваемый адиабатными сжатием и расширением, имеет к КПД цикла? Если из диаграммы цикла Карно убрать изотермы, то адиабаты сжатия и расширения соединятся и образуют обратимый изоэнтропный процесс совершаемый в интервале температур Т1 и Т2. В этом случае становится совершенно ясным, что интервал температур Т1 и Т2 никакого отношения к КПД цикла не имеет.
Теперь перейдем к вопросу о том, что такое второй закон термодинамики, почему он фактически исчез из технической термодинамики, какими «самовольными» положениями-допущениями теоретики его заменили.
Переход теплоты с высшего на низший температурный уровень есть реальный (самопроизвольный) процесс. Данный процесс является строго односторонним. Без компенсирующего принудительного процесса он необратим. Проще говоря, горячее тело может самопроизвольно охладиться до температуры окружающих его холодных тел, но холодное тело само по себе не может нагреться выше температуры окружающих тел.
Переход теплоты с низшего на высший температурный уровень является принудительным и в то же время обратимым процессом. Проще, тело нагревается принудительно, охлаждается самопроизвольно.
Действующая доктрина технической термодинамики утверждает: идеальные циклы по преобразованию теплоты в работу могут быть только круговыми, замкнутыми, равновесными и обратимыми. Идеальные циклы состоят только из обратимых процессов. Данные утверждения являются ложными, они доказывают недействительность второго закона термодинамики.
Тема сложная, поэтому пока разберемся с тем, что такое «обратимость» идеальных процессов и циклов. 1. Процесс подвода теплоты от горячего источника к холодному рабочему телу – есть самопроизвольный процесс перехода теплоты с высшего (горячий источник) на низший (холодное рабочее тело) температурный уровень. С точки зрения объектов термодинамической системы данный процесс не просто необратим, а абсолютно необратим. Процесс расширения нагретого до температуры Т1 рабочего тела можно приостановить и, совершив обратный процесс сжатия, вернуть его в исходное состояние. Но при этом рабочее тело нагреется лишь до температуры Т1 и не сможет вернуть теплоту горячему источнику тоже имеющему температуру Т1. 2. Расширение рабочего тела с отводом работы и охлаждением до температуры Т2 – есть самопроизвольный процесс перехода теплоты с высшего на низший температурный уровень - строго односторонний и необратимый процесс. 3. Отвод теплоты от горячего рабочего тела к холодному источнику тоже является самопроизвольным процессом перехода теплоты с высшего на низший температурный уровень. Данный процесс выполняет требование второго закона термодинамики об отдаче части теплоты холодному источнику. 4. Сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры – осуществляет переход теплоты с низшего на высший температурный уровень. Т.е., это обратимый процесс, т.к. рабочее тело нагревается принудительно и, соответственно, имеет возможность самостоятельно вернуться в исходное состояние.
Что мы получаем при подведении итогов: 1. Передача теплоты рабочему телу для горячего источника является абсолютно необратимым процессом. Но для рабочего тела данный процесс является принудительным процессом перехода теплоты на высший температурный уровень, т.е. обратный процесс отвода теплоты или расширения (с отводом работы) произойдет самопроизвольно. Т.е., процесс подвода теплоты к рабочему телу для изменяющегося состояния рабочего тела является обратимым (1). 2. Процесс расширения является самопроизвольным и необратимым (2). 3. Процесс отвода теплоты к холодному источнику является самопроизвольным и необратимым (3). 4. Процесс сжатия является принудительным и обратимым (4).
Таким образом, идеальный цикл по преобразованию теплоты в работу должен состоять из двух обратимых и двух необратимых процессов.
В связи с этим задаю и себе и Вам вопросы:
1). Что говорит теорема Карно (не путайте с циклом Карно) по данному поводу? Теорема Карно говорит, что для преобразования теплоты в работу рабочее тело необходимо нагреть до величины Т1 температуры теплоотдатчика (т.е. осуществить принудительный переход состояния рабочего тела на высший температурный уровень – обратимый (1) процесс) и затем осуществить самопроизвольный переход состояния рабочего тела на низший температурный уровень до величины Т2 (температуры теплоприемника) необратимый (2) процесс. Второй закон термодинамики добавил к теореме Карно требование - чтобы данные процессы превратились в круговой цикл необходимо вернуть рабочее тело в исходное состояние. Для этого рабочее тело должно совершить еще один необратимый - самопроизвольный процесс передачи части подведенной теплоты холодному источнику. Причем для любого цикла процесс передачи теплоты холодному источнику является строго односторонним и необратимым, а потому передаваемая холодному источнику теплота в данном цикле принципиально не может быть использована.
То есть, в основе любого цикла по преобразованию теплоты в работу лежат теорема Карно и второй закон термодинамики.
Если данные положения не понятны или вызывают сомнения, можете задать дополнительные вопросы.
2). Аргументы того, почему теорему Карно нельзя применять к «циклу» Карно приведены в той книге. Они достаточны, их надо проанализировать еще раз. Чтобы анализ стал более понятным ставлю вопрос в иной плоскости: Чем же «цикл» Карно, по моему мнению, не угодил второму закону термодинамики?
Ответ: Тем, что процесс отвода теплоты в цикле Карно действительно является обратимым процессом. В данном цикле совершается не односторонний и необратимый процесс отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику, а трехсторонний процесс эквивалентного обмена энергией между источником работы, рабочим телом и холодным источником. В цикле Карно на изотермном участке сжатия (нижняя изотерма цикла) к рабочему телу подводится работа сжатия и от рабочего тела отводится эквивалентное количество теплоты. Эквивалентный обмен энергией между телами есть требование первого закона термодинамики (Р.Майер, Гельмгольц). Односторонний и необратимый процесс отдачи части теплоты холодному источнику – есть требование второго закона термодинамики (Р. Клаузиус, В.Томсон). Изотермический способ отвода теплоты холодному источнику при неизменной энтропии рабочего тела в цикле преобразования теплоты в работу есть прямое отрицание требования второго закона термодинамики.
Следовательно: 1. Прямые циклы по преобразованию теплоты в работу состоят из обратимых и необратимых процессов и данные циклы не могут быть обратимыми. 2. Любой прямой цикл преобразования теплоты в работу (в том числе и «цикл» Карно), не содержащий строго односторонний и необратимый процесс отвода теплоты к холодному источнику противоречит второму закону термодинамики и поэтому не может считаться циклом.
Раз речь пошла о втором законе термодинамики, у меня к Вам возник вопрос:
Руководствуясь безусловной истиной – «практика – критерий истины» термодинамика постулирует, что согласно второму закону термодинамики при преобразовании теплоты в работу часть теплоты необходимо отдать холодному источнику. Искать вдохновение в практике можно до определенного предела. После этого практика должна получить теоретическое обоснование. Теоретическое обоснование в точных науках должно сопровождаться математическим обоснованием. Если нет ни теоретического, ни математического обоснования всякий имеет право заявить, что результатам экспериментов он не доверяет. Вопрос звучит следующим образом:
3). Какое теоретическое и математическое обоснование действующая техническая термодинамика дает требованию второго закона термодинамики о передаче части теплоты холодному источнику? Может, мы ошибаемся, и второй закон не требует этого? На каких объективных, реально существующих и математически доказуемых термодинамических зависимостях основано требование второго закона термодинамики?
Серьезным огрехом в моем анализе составитель рецензии посчитал положение о «разомкнутых циклах».
«Строго говоря, разомкнутых циклов не существует, это – скорее, разговорное понятие. Любой цикл замкнут по определению. Существуют разомкнутые (открытые) схемы, но при их расчете термодинамический цикл условно считают замкнутым через атмосферу. Поэтому в идеальной постановке, когда учитывается изменение свойств и состава рабочего тела вследствие сгорания топлива, различий в расчете замкнутых и разомкнутых схем нет».
Для ответа на данную цитату привожу сокращенную выдержку из проекта новой своей книги:
Термодинамика идеальных газов при рассмотрении термодинамических явлений и зависимостей оперирует понятиями термодинамических процессов идеального газа. С позиций термодинамики идеального газа нет процессов «замкнутых» и нет процессов «разомкнутых». Все циклы, которые протекают в конкретных термодинамических системах, состоят из последовательно переходящих из одного вида в другой вид процессов идеального газа.
Термодинамика при анализе состояния идеального газа исходит из того, что есть равнозначные друг другу начальное и конечное состояние газа (начальное положение есть конечное положение и конечное положение есть начальное положение). Все, что расположено между начальным и конечным состоянием рабочего тела, представляет собой неразрывную связь процессов, последовательно переходящих из одного вида в другой вид. По этой причине ни в каком круговом процессе (цикле) разрыва термодинамической связи между процессами быть не может.
Любой цикл завершается в той точке, в которой он начался. Именно неразрывность связей и последовательность термодинамических процессов обеспечивает возврат объектов термодинамической системы к исходному состоянию. С позиций термодинамики идеального газа понятие «замкнутый цикл» звучит также нелепо, как и понятие «разомкнутый цикл». Если говорить на бытовом примере, они звучат примерно так же нелепо, как «замкнутый круг» и «разомкнутый круг». Круг есть круг и он не может быть ни замкнутым, ни разомкнутым.
«Любой цикл замкнут по определению» - ложное утверждение.
Любой цикл по определению может быть только круговым! Иначе в термодинамической системе невозможно обеспечить циклично повторяемую последовательность процессов.
Процессы, протекающие в изолированной термодинамической системе, завершаются изохорным процессом отвода теплоты с обновлением состояния рабочего тела. Словосочетание «обновление состояния рабочего тела» говорит само за себя и его можно заменить другим словосочетанием «приведение рабочего тела к исходному состоянию путем отвода теплоты к холодному источнику». Процессы, протекающие в открытой термодинамической системе, с позиций термодинамики идеального газа завершаются абсолютно таким же изохорным процессом, но с обновлением вещества рабочего тела. Точно таким же образом словосочетание «обновление рабочего тела» можно заменить словосочетанием «получение нового рабочего тела с исходным состоянием». Поэтому с точки зрения термодинамики идеального газа между процессами, протекающими в циклах, не может быть разницы – они все термодинамические и неразрывностью связей обеспечивают круговой характер процесса. Но с точки зрения учения о термодинамических системах – это совершенно разные циклы.
Процессы, протекающие в термодинамических системах, в своей совокупности называются циклами, т.к. они представляют собой периодически (циклично) повторяемый набор одних и тех же последовательных действий объектов системы по изменению состояния рабочего тела.
Циклы, протекающие в термодинамических системах, называются круговыми, так как началу каждого цикла соответствует одно и то же исходное состояние объектов системы и одно и то же состояние рабочего тела.
С точки зрения термодинамической системы отличие замкнутого цикла от разомкнутого в том, что замкнутый цикл каждый раз начинается при одном и том же состоянии одного и того же рабочего тела, а разомкнутый цикл каждый раз начинается при одном и том же состоянии другого рабочего тела.
Определения «замкнутый» и «разомкнутый» относятся не к определению цикла, а к определению вида термодинамической системы, в которой данный круговой цикл протекает. Поэтому: 1. Замкнутым называется цикл, протекающий в изолированной термодинамической системе. 2. Разомкнутым называется цикл, протекающий в открытой термодинамической системе (конец цитаты).
Надеюсь, составитель рецензии в будущем не будет пользоваться непонятным для термодинамики термином «схемы».
К сведению: из определений циклов подлежит исключению и определение «равновесный», которое относится к характеристике понятия «состояние», а не к понятиям «процесса» или «цикла». Но это довольно сложная тема. В проекте новой книги она освещена достаточно полно.
Составитель рецензии удивился тому, что я с точностью до сотой доли процента установил количество теплоты передаваемой в идеальном цикле холодному источнику. Честно говоря, я удивлен этому не меньше. Во-первых, расчет в той моей книге является ошибочным. Во-вторых, на данный момент составлена математическая модель эталонного цикла второго закона термодинамики, которая позволяет рассчитать, что в идеальном случае в работу может быть превращена 0.89074 часть от располагаемой теплоты и холодному источнику должна быть отведена 0.10926 часть от располагаемой теплоты цикла. Теперь можно не удивляться, потому что есть полное теоретическое обоснование и точный математический расчет.
В части того, что в книге есть небольшая путаница в термодинамических понятиях, замечание принимаю с благодарностью. На совершенно юмористический «ляп» с диаграммами на обложке мое внимание обратили другие теоретики. От данного недостатка я почти избавился. Хорошо, что Вам в руки не попало мое первое сочинение, посвященное проблемам термодинамики. Оно было издано в августе 2007 года. Прочитав ее зав. кафедрой «Поршневых двигателей» МГТУ им. Н.Э. Баумана Н.А. Иващенко был настолько поражен, что воскликнул: «Древние египтяне разбирались в термодинамике лучше, чем Вы!».
Согласитесь, что за не полные 2 года в моих знаниях термодинамики произошел значительный прогресс.
Как Вы заметили, «составитель рецензии» и Вы в моем понимании разные лица. Скорее всего, рецензию составил один из молодых старших научных сотрудников не выше кандидата наук (да и то многовато). Об этом свидетельствует и эпиграф (для юмора!) к рецензии. Очень просил бы Вас настоящее письмо для анализа и ответа передать теоретикам самого высокого ранга.
Сообщаю также, что рецензия и настоящий мой ответ переданы для публикации на моем сайте. Думаю, что дискуссия и ее результаты будут интересны читателям сайта.
Просил бы Вас дать ответ как можно скорее, т.к. у меня со временем проблемы.
С огромным уважением и благодарностью

20.05.09 г. Ибадуллаев Г.А.
admin
Администратор
 
Сообщения: 8
Зарегистрирован: 20 мар 2009, 18:47

Re: Колесникову К.С.

Сообщение Миронов » 03 авг 2009, 20:45

Сложно оценить текст , наполовину обрезанный. Хотелось бы знать, что думает Председатель Совета по машиностроению о перспективах двигателей с высокими степенями сжатия. Как обеспечить прочность деталей группы движения (шатуны, поршни, поршневые пальцы, коленчатый вал, подшипники) при многократном увеличении всех давлений цикла. А удельные давления в парах трения?
Миронов Валентин.
Миронов
 
Сообщения: 3
Зарегистрирован: 03 авг 2009, 11:30


Вернуться в Научные дискуссии

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 0

cron