ЭлементыЭлементы большой науки
Жизнь в науке. Дневники
Главная / Дневники / Иван Владимирович Дуденков / Запись

ВЕЧНЫХ НАНОДВИГАТЕЛЕЙ ТОЖЕ НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ!

dudenkov
03.05.2007
19:04
Лет в 9, только что прочитав Занимательную физику Перельмана, я придумал "вечный двигатель", вроде бы не запрещенный механикой, по дальнейшему изучению физзики стало ясно, что он 2-го рода и запрещен термодинамикой. Наверняка многие через это проходили. Но на 1-м курсе, году в 1988, я придумал более хитрые модельные системы - "объекты с асимметричяным броуновским движением": мембраны с "причесанными" в одну сторону каналами, спирально "причесанные" наношестерни и наностержни, и т.п. Причесанные - за счет функциональных групп, расположенных под наклоном к поверхности. Понятно, что для вывода о запрете на превращение тепла в работу в таких системах, термодинамика должна формулироваться для анизотропной среды и т.д., но учебники об этом молчат. Тогда я сам для себя придумал такое опровержение идеи "вечного нанодвигателя" - к сожалению, нестрогое: в биохимии полно эволюционирующих асимметричных спиральных наноструктур, и если бы системы с направленным движением, не требующие подвода энергии извне (в виде АТФ, света и т.п.), были бы возможны, то природа бы непременно их изобрела, чего не наблюдается.
Сейчас же, в связи с достигнутой доступностью таких объектов для синтеза и расчетов, встал вопрос строгого математического решения этой проблемы или, если оно уже есть, информирования о нем химической общественности. На худой конец, подошли бы качественные молекулярно-механические расчеты тепловой эволюции асимметричных молекул этого класса. Предполагаю, что они остудят многие горячие головы.
P.S. Ажиотаж вокруг заведомо бредовой идеи "холодного термояда" создали физики, не знающие химии. Пробелы в физических знаниях у химиков не в меньшей степени могут поспособствовать дискредитации науки. Опасность этого уже назрела, но предотвратить ее еще не поздно.
Ответить предыдущая | следующая

КОММЕНТАРИИ:

03.05.2007 23:36#
n0isy
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Вы знаете, на этом сайте СОВЕРШЕННО СПОКОЙНО обсуждался холодный термояд, так как физики понимают, что у него КПД 0,00....001% и он нужен только как опытный образец, а вот СМИ этого совершенно не понимают, и думают, что это манна небесная, приносящаяя кучу электричества. Вот как раз такие чудописаки а развели ажиотаж в обществе... Так что нет ничего невозможного, может и холодный термояд "где-то рядом", как истина например. ;-)
04.05.2007 01:53#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Насчет холодного термояда. С точки зрения химии, самое короткое расстояние между ядрами водорода, которое только возможно при обычном атмосферном давлении, реализуется в молекулярном водороде (приблиззительно 0,75 ангстрем). В не так давно открытых переходно-металлических комплексах диводорода и их возможных борановых аналогах (иззвестных только как интермедиаты гидролиза и замещения) связь H-H из-за повышения координационного числа растягивается на где-то 0,10 ангстрем. Во всех остальных веществах химической связи H-H нет, расстояния возрастают до величин от 1,6 ангстрем (в молекуле воды) до 2,4 ангстрем вандерваальсового, все гидриды (в том числе гидрид палладия) укладываются в этот диапазон. Затраты энергии на сближение протонов соответственно возрастают. Молекулярно-механические, а также простейшие квантовые расчеты доступны на любом ПК, есть много ПО, позволяющего моделировать поведение ядер таких веществ наглядно. В частности, так легко увидеть, что фазовый переход со слиянием двух позиций протонов с заятостью 0,5 в один в ряде веществ с водородной связзью есть явление статистическое, и если даже где-то в кристалле 2 протона чудом окажутся на линии водородной связи, отталкивание разнесет их на уже упомянутые 2,4 ангстрема.
04.05.2007 13:32#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
> и если даже где-то в кристалле 2 протона чудом окажутся на линии водородной связи, отталкивание разнесет их на уже упомянутые 2,4 ангстрема

Расположите на одной линии два протона, и поместите между ними электрон.
Кулоновская сила притяжения каждого протона к электрону превысит силу отталкивания протонов друг от друга. Следовательно, сила отталкивания не может разнести эти протоны и они должны к электрону притянуться :)

Кстати, при каких условиях устойчива ионизированная молекула водорода? Или нет таковых?

04.05.2007 14:31#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Ионизированные молекулы (H2)+1 наблюдались только в плазме по спектрам, межатомное расстояние в них существенно больше, чем в молекулах H2. Попав в конденсированную среду, такие ионы диспропорционируют на нейтральный молекулярный водород и одиночные атомы водорода, связанные с кислородом, углеродом и т.д. Это относится и к предложенной Вами возможности попадания электрона между атомами водорода в среде. Катион (H3)+1 со спаренными электронами, образующими "треугольную" трехцентровую связь, гораздо более устойчив, он обратимо образуется в растворах водорода в "суперкислотах" (противоионы - BF4-1, PF6-1, CF3SO3-1 и некоторые другие). Но и в этом ионе межатомные расстояния где-то 0,85 ангстрем, т.е. тоже больше чем в H2. Катион (H3)+1 в виде индивидуальных соединений выделять не удавалось из-за его склонности восстанавливать "лучшие" анионы суперкислот. Правда, недавно начала развиваться химия галогенированных карборановых суперкислот, не склонных к восстановлению и инертных к замещению (например, соль протонированного бензола с таким анионом устойчива до 400 по цельсию!). Может быть, с их помощью и удастся зафиксировать катион (H3)+1 в массивных количествах. Но понятно, что к холодному термояду это не приблизит.
04.05.2007 15:02#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
> Но понятно, что к холодному термояду это не приблизит

Я это к тому, что электрическое отталкивание двух протонов здесь мало что объясняет, заряд промежуточного электрона это отталкивание компенсирует.

В какой-то мере понятно, почему атом водорода не превращается в нейтрон. Для этого нужно затратить энергию 0.78 МэВ.

А вот почему ионизированная молекула водорода не превращается в дейтрон, когда такая реакция энергетически выгодна (1.95 МэВ), не вполне ясно.
04.05.2007 15:29#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
В том, что (H2)+1 не превращается в дейтрон, виноват корпускулярно-волновой дуализм и выражающее его уравнение де Бройля. Электрон слишком легок. Мюонный катализ - единственный выход из этого противоречия, если пытаться избежать сверхвысоких давлений или температур (в токамаках, при сверхбыстром нагреве и т.п.). А в том, что H2 - вещество с самым коротким межводородным расстоянием при любом фиксированном давлении, виноват полуцелый спин электрона. Будь электрон бозоном, и никакой химии с направленными связями, органикой, жизнью и т.п. не существовало бы. Но как-то незаметно мы сползли с темы... Неужели реальная угроза "подкопа" под термодинамику никого не задевает? А то я посоветоваться хотел с теми, к то в ней понимает больше.
04.05.2007 21:09#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Однако, "корпускулярно-волновой дуализм и выражающее его уравнение де Бройля" не мешают, к примеру, изотопу бериллия Be(7,4) захватывать "слишком легкий" электрон из оболочки, и становиться литием Li(7,3). А изотопу Be(9,4) такое уже не под силу.
Так что, здесь все гораздо сложнее.

> Мюонный катализ - единственный выход из этого противоречия, если пытаться избежать сверхвысоких давлений или температур (в токамаках, при сверхбыстром нагреве и т.п.)

Есть еще ряд способов избежать сверхвысоких давлений и температур, об одном из которых на Элементах рассказывал Евгений (seasea) . Можно с помощью небольшой энергии создавать высокое давление и температуру локально, в пузырьках, например.
Получим "холодный" термояд, правда, невысокой производительности.

Что касается возможности получения ускоренного вращения макромолекулы за счет тепловой энергии атомов, то принципиально такое возможно. Только в результате, когда атомы потеряют свою энергию, ускорение вращения макромолекулы прекратится.
Т.е. в полном соответствии с законом сохранения энергии, тепловая энергия атомов перейдет в энергию вращения макромолекулы.

Если кто-то считает иначе и даже есть научная статья на эту тему, то ей самое место в "Собрании научных перлов" на Элементах.
04.05.2007 23:06#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Так 7Be испытывает электронный захват, а для s-электронов оказаться вблизи ядра очень даже неплохая вероятность. (Для 9Be подобный распад запрещает термодинамика). И совсем другое дело - сблизить ядра. Иначе бы никому и в голову не пришло спокойно применять приближение Борна-Оппенгеймера для квантовохимических расчетов большинства классов веществ, гарантируя погрешность оценки длин связей менее 0,001 ангстрем, и т.п. Говоря о сверхбыстром нагреве, я подразумевал в том числе и локальный нагрев, принципиального различия между капсулированием различных масштабов нет. А насчет перлов, то как только отрою соответствующие ссылки в своем непомерно разбухшем архиве, сразу предложу их на суд научной общественности. Вопрос только в том, что там весь фокус прячется в деталях, это не журналисты, а видимо, искренне заблуждающиеся химики. Так что очень смешно вряд ли будет.
05.05.2007 09:36#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
> Для 9Be подобный распад запрещает термодинамика

Объяснить закон сохранения энергии здесь ничего не может.
Должна быть теория, которая позволяет вычислить процентное соотношение протонов и нейтронов в ядрах, устойчивых к захвату электрона, а также периоды полураспада нестабильных ядер.

Насколько я знаю, такой теории нет.

К вам еще вопрос. Возможен ли в свободном состоянии атом водорода с двумя орбитальными электронами? Может такой атом дейтерия?
05.05.2007 12:12#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Атом водорода с двумя орбитальными электронами - это гидрид-анион. Ионных гидридов полно, это LiH, NaH, KH, RbH, CsH, BeH2, MgH2, CaH2, SrH2, BaH2, YbH2, EuH2, AlH3, тригидриды иттрия, лантаноидов и тяжелых актиноидов, а также многочисленные многокомпонентные соединения этого класса - все диэлектрики со спиново спаренными электронами. Дейтериды и тритиды мало отличаются по свойствам от легких гидридов, часто дейтериды используют для рентгеноструктурных и нейтронографических исследований вместо менее удобных для этого обычных гидридов. А насчет пригодных для количественных расчетов моделей ядра - тут все зависит от степени прогресса в КХД, и вопрос явно не к химикам. Мне самому интересно, как продвигаются расчетные экстраполяции ядерных свойств "острова стабильности" - своего рода тест на пригодность методов. Пока разнобой в этой области большой, и эксперименты (на единичных-то атомах) дают более надежную информацию. Но с другой стороны, это же и радует - если бы всё сразу научились качественно считать, программы ускорительных и детекторных экспериментов были бы угроблены, а с ними - и неожиданные данные, поззволяющие выйти за рамки допущений принятых моделей.
05.05.2007 13:54#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
О гидридах я подозревал :). А в свободном состоянии водород с двумя электронами возможен?
Если, например, водородный газ облучать электронами...
06.05.2007 21:34#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Судя по спектральной температуре и составу, свободных гидрид-ионов должно быть полно на Солнце. Свечение, сопровождающее их образование при поглощении электронов атомарным водородом, в сумме должно быть достаточно ослепительным. Астрономы наверняка смогут разъяснить это подробнее. Химикам как-то не часто приходится иметь дело с температурой порядка 6 тысяч.
08.05.2007 08:28#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
«...и если бы системы с направленным движением, не требующие подвода энергии извне (в виде АТФ, света и т.п.), были бы возможны, то природа бы непременно их изобрела, чего не наблюдается...»

Возможно природа их "изобрела", для примера можно привести бактерии, живущие в замкнутом объеме янтаря миллионы лет! А также бактерии, живущие на глубине 3 км. Кто проверял, соблюдается 2 закон термодинамики в этом случае? Мне неизвестно, чтобы кто-то детально проверил это.

«...Неужели реальная угроза "подкопа" под термодинамику никого не задевает? А то я посоветоваться хотел с теми, кто в ней понимает больше...»

В моей коллекции 6 типов ВД2 (работающих!) и один ВД1(возможно работающий, требуется более детальная проверка).
К примеру: в Японии создан пьезоэлектрический ВД2, работающий на микрофлуктуациях давления. И все это в соответствии с термодинамикой (за исключением необоснованного запрета на ВД2). Сигнал с микродатчиков суммируется и выпрямляется. Мощность мизерная, только на эл. часы хватает.
Лет 7 назад читал интервью японского бизнесмена, его фирма вложила 1 миллион(!) долларов в разработку более эффективного ВД2. При этом он заявил, что ВД1 малой мощности у них УЖЕ создан!. В начале тоже думал, что это утка, но когда подробнее разобрался в этом вопросе, оказалось, что категоричного запрета на нарушение закона сохранения энергии нет. Так что, если уже 1 закон термодинамики и физики (более фундаментальный) ставится под сомнение, то, что говорить про 2 закон (просто частный случай).

Поэтому как-то странно все это выглядит: "Даже если есть вечные нанодвигатели, то надо их запретить!"
08.05.2007 08:44#
seasea
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
>В моей коллекции 6 типов ВД2 (работающих!) и один ВД1...
Можно их где нибудь посмотреть?
08.05.2007 09:27#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
А что, еще один: http://pmobile2.narod.ru/vd2/discuss.htm
08.05.2007 10:13#
seasea
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Не годится. Там же написано, что вопрос закрыт.
08.05.2007 10:35#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
В том то и дело, что вопрос не закрыт. Само разделение раствора по фракциям противоречит 2 закону. В смысле интерпретации энтропии как меры порядок-безпорядок. Про диффузию забыли? В этом случае "вечное движение" будет определяться замедленной диффузией, а не относительно быстрым осмосом.
Просто в этом случае детальный и убедительный расчет затруднителен.
08.05.2007 12:15#
seasea
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Предлагаю сделать ВД из березы. Сок поднимается по стволу, а затем капает (ведь капает же, сам так сок собирал) на маленькую турбинку. Только вот почему-то только весной :-(.
08.05.2007 12:24#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Кстати интересный пример, только догматики вам скажут, что это невозможно и т.д.
Что касается баланса энергии т.есть ВД ли это, ответить сразу не готов.
08.05.2007 16:49#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
К сожалению, такое возможно только с живой березой. Сок поднимается из-за осмотического давления - разности концентраций растворенных в воде веществ. Простое смачивание не позволяло бы поднявшейся воде капать. Так что этот двигатель по-любому не вечен.
08.05.2007 19:53#
seasea
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Позвольте, а почему только с живой? Как фотосинтез способствует поднятию сока (раствора)? Чем отличается "живой" осмос от "неживого"? Я, конечно, согласен, что это имеет место только с живой берёзой, но не понимаю, почему это так. Объясните?
И еще. Если имеется пень березы (срубленной на дрова зимой) и в нем продолбить топором ямку, то она будет наполнятся соком. А сок, соответственно, будет стекать (вращая турбинку :-). Это проверенный факт. А вот старый пень такого эффекта не даёт. Почему?
Наверное, это вопрос к биологам.
08.05.2007 22:32#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
От биологов ответа не дождаться!

Мне кажется это осмос на сахаре и прочих производных крахмала. Впомните, подмороженный картофель начинает сластить. Соотвественно после зимы, запасенный в корнях, стволе крахмал распадается, что приводит к высокому осмотическому давлению.
09.05.2007 00:34#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Концентрация раствора в стекающем соке больше, чем воде, поступающей через корни. В мертвом дереве процесс будет идти, пока не вымоет из ствола все растворимые вещества. А фотосинтез создает эти самые вещества.
08.05.2007 17:38#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
По-моему, Вы невнимательно читали. При постоянной концентрации раствора диффузия будет - из-за силы тяжести. В состоянии равновесия концентрация раствора непостоянна, и это снимает все вопросы. Конечно, можно провести и точные расчеты, но для разрешения противоречий достаточно того, что уже сказано.
08.05.2007 22:23#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
1.Простите, но Вы ОЧЕНЬ невнимательно читали!
2. Конечно, это дело автора сайта, что там размещать, и кого упоминать. Но заверяю, что многое осталось в стороне, например диффузия(а не осмос).
Точные и убедительные расчеты проведены для другого случая, этот очень неубедительный.
09.05.2007 00:52#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Расчеты проведены автором для случая, когда вода устраняется, а раствор заменяется газом с эквивалентным давлением. Но в действительности это тот же случай, потому что уравнение диффузии раствора совпадает с уравнением газовой динамики. Принципиальная ошибка была в допущении, что диффузия выравнивает концентрацию раствора. Но при наличии силы тяжести это неверно. Просто градиент слишком мал, чтобы быть учтенным в лабораторных условиях. Однако океанологи, видимо, об этом знают. Соль как бы "оседает" в растворе под действием тяжести. Конечно, надо бы проверить все это точными выкладками, но мне не хочется тратить на это время.
10.05.2007 02:32#
dudenkov
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Насчет термодинамической невозможности разделения раствора по фракциям, то это смотря как понимать. Есть огромное множество примеров частично расслаивающихся твердых и жидких растворов, могут присутствовать ограничивающие области расслоения критические точки с макроскопическими флуктуациями, и все это - в полном соответствии с термодинамикой. Вот мембраны действительно могут быть интересные, почему я и поднимал вопрос. Постараюсь описать проблему более физическим языком. Представьте себе "односторонне" вращаемую шестерню, типа как в часовых механизмах: если это нанообъект соответствующей формы, а движение - тепловое, механически суммируемое множеством таких устройств до макромасштабов, будет ли это работать? Или канал мембраны, заслоняемый лепестками стенок, так что инерционный объект с одной стороны легко проходит сквозь, отклоняя лепестки, а с другой - застревает в пазухах: будет ли такая мембрана создавать градиент концентраций на голом месте?
10.05.2007 13:39#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
> Или канал мембраны, заслоняемый лепестками стенок, так что инерционный объект с одной стороны легко проходит сквозь, отклоняя лепестки, а с другой - застревает в пазухах: будет ли такая мембрана создавать градиент концентраций на голом месте?

А почему нет?
11.05.2007 07:44#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Эти одностороннии часовые шестеренки расматривал Фейман в своих лекциях. И там на основе квантовой механики, сказано что небудет она вращаться.
НО это только слова, детального расчета нет! Есть другие экспериментальные данные, которые противоречат термодинамике. Почему-то их не учитывают.
Если удастся создать такую мембрану, то возможно она будет работать. Мое мнение: это будет аналогом биологических мембран. О них есть одностороннее движение растворенных веществ.
10.05.2007 20:03#
bayak
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Иван Владимирович, по-моему, невозможность превращения тепла в работу, выполняемую асимметричными наноструктурами, связана как раз с изотропностью внешней среды. Если бы среда была анизотропной, то она могла бы выполнять работу по перемещению помещенных в неё объектов.
12.05.2007 21:27#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Так пробегала же статья на элементах. Там как раз рассматривался один из подобных ВД. В общих чертах: если взять маленькую шестереночку, приделать к маленькому храповику и опустить в жидкость с бруоновским движением, то как оказалось, храповик, из-за теплового движения, будет случайно открываться и шестереночка будет подрагивать то в одну сторону то в другую. А вот если храповик охладить ниже температуры окружающей среды, то да: шестереночка начнет вращаться в одну сторону.

В статье была ссылка на эксперимент с G-образной молекулой, которая работала как храповик.
12.05.2007 21:59#
voix
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Почему вы называете это "вечным двигателем"? Ведь закон сохранения энергии здесь не нарушается. Если шестеренка будет совершать работу, то, в конечном итоге, жидкость охладится и шестеренка остановится.
27.07.2007 12:15#
Вечных нанодвигателей тоже не должно быть!
Есть интересный вопрос, хотя немного в стороне. Существуют ли катализаторы которые смещают точку равновесия для химической реакции по типу А+В<=>АВ? В органической химии такие точно должны быть, но я не знаю так ли это. Подскажете?
Вести дневник и оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи
Логин:
Пароль:
Зарегистрироваться
Последние сообщения
Помощь
Всего дневников: 640

Пользователей
в системе: 2728

Всего записей
и комментариев: 48561

Записей и комментариев
за последние 24 часа: 18

АКТИВНЫЕ ДНЕВНИКИ


 
Энциклопедия | Новости | Блоги | Календарь | Право | Библиотека | Детские вопросы | ЖОБ При поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия