Теория теплорода, существовавшая в науке в девятнадцатом веке, не могла объяснить многие явления. Ученые предполагали, что существует связь между тепловой и механической энергией. Только в 1843г. английский ученый Джемс Прескотт Джоуль (1818-1879гг.) впервые определил механический эквивалент теплоты. В 1847г. Джоуль изготовил прибор, преобразующий механическую работу в теплоту. За счет энергии опускающихся грузов приводились во вращение лопатки, перемешивающие жидкость. Неподвижные лопатки, закрепленные в корпусе, затормаживали ее.

 

 
Таким образом, механическая работа превращалась в тепло, температура которого замерялась термометром. В 1848г., после завершения цикла опытов по определению механического эквивалента теплоты, Джоуль выступил с докладом, в котором изложил свои теоретические представления о природе теплоты и физических свойствах газов. Основываясь на представлении о молекулах газа как упругих шариках, Джоуль рассматривал давление газа как результат ударов его молекул о стенки сосуда.

 
В 1859г. английский физик Джемс Клерк Максвелл (1841-1879гг.) выступил на заседании Британской ассоциации содействия развития науки с докладом, в котором дал вывод распределения молекул по скоростям, позволяющим определить «среднее число частиц, скорости которых лежат между определенными пределами, хотя скорость каждой отдельной частицы изменяется при каждом столкновении». Максвелл, предложив известный мысленный эксперимент с так называемым «демоном», стимулировал поиски статической интерпретации второго принципа термодинамики.

 
«Демон» Максвелла – это обратная задача, которую успешно решил Джоуль. Он преобразовал механическую работу в тепло, а Максвелл предложил преобразовать движение молекул в механическую энергию. Эта более трудная задача так и не была решена учеными, поэтому мысленный эксперимент назвали «демоном» Максвелла. В природе «демон» Максвелла решается очень красиво. Более быстрые молекулы, преодолевая силу притяжения Земли, поднимаются на большую высоту. За счет преодоления силы тяготения молекулы теряют свою энергию и охлаждаются. Пары воды при этом конденсируются. В виде дождя сконденсировавшаяся вода может выпадать в более высокой местности. Образуются полноводные реки, которые вращают мощные турбины. Эта электрическая энергия, в виде «демона» Максвелла, используется во всем мире.

 

 
Обратную задачу можно решить в лабораторных условиях с помощью предлагаемого прибора. На фиг.1 изображен главный вид экспериментальной установки. На фиг.2 показано сечение А-А. На фиг.3 показан сегмент ротора в увеличенном масштабе.

 
1 – неподвижный корпус установки.
2 – жестко закрепленные стойки на неподвижном корпусе с магнитными подшипниками, для них потребуется специальная смазка для подшипников
3 – вращающийся ротор.
4 – вал ротора, установленный на магнитных подшипниках.
5 – ребра ротора для осуществления теплообмена.
6 – перегородки внутри ротора.
7 – отверстия в вале ротора для вывода отработанного пара.
8 – отверстия для сообщения сегментов.
9 – уровень воды в сегментах.
10 – газовая горелка, неподвижно закрепленная на корпусе.
11 – направление вращения ротора со скоростью V.
12 – испаряющиеся молекулы, которые прижимаются силой Кориолиса к перегородке.
13 – молекулы, выталкиваемые в полый ротор.
14 – молекулы, вылетевшие в ротор.
15 – молекулы, отбрасываемые к периферии, и прижатые силой Кориолиса к противоположной стенке.
16 – область пониженного давления.

 
Прибор работает следующим образом. Через отверстие в вале ротора 7 внутренняя полость ротора заполняется водой. От внешнего источника энергии ротор 3 раскручивается до определенных оборотов. Привод первоначальной раскрутки ротора на рисунках не показан. Через отверстия 8 вода под действием центробежной силы равномерно распределяется по всем сегментам. На чертеже их показано четыре, но может быть выполнено гораздо больше. Это зависит от числа оборотов, на которых проводится эксперимент. Ротор 3 жестко посажен на вал 4, который установлен в магнитных опорах на стойках 2. Эти магнитные опоры создают минимальное сопротивление при вращении ротора. Таким образом, потерями на трение в опорах при вращении ротора можно пренебречь. Сопротивлением воздуха также можно пренебречь из-за его небольшой величины.

 
Электронным прибором замеряется уровень воды 9 в сегментах вращающегося ротора. Включается газовая горелка 10, которая нагревает ребра ротора 5 и наружную поверхность ротора 3. За счет теплообмена нагревается вода внутри ротора. Температуру воды необходимо замерить с высокой точностью и удерживать ее постоянной. При этой температуре происходит эффективное испарение воды. За счет того, что ротор вращается с окружной скоростью V поз.11, испаряющиеся молекулы 12 движутся по инерции с этой окружной скоростью, и силой Кориолиса прижимаются к перегородке 6. На стенке этой перегородки возникает область повышенного давления. Этим давлением молекулы 13 выталкиваются к оси вращения ротора.

 
Преодолевая центробежную силу, молекулы затормаживаются, выделяя свою кинетическую энергию в ротор. Вновь испаряющиеся молекулы с поверхности воды обладают импульсом, направленным к оси вращения. За счет этого импульса молекулы 14 выталкиваются в ротор. Через отверстие 7 в роторе пар выходит в атмосферу. Молекулы с низкой энергией выдавливаются в область пониженного давления 16. Там они начинают двигаться к периферии вращения и прижимаются силой Кориолиса к противоположной стенке перегородки 6. Эти молекулы 15 скатываются по стенке, сжижаются и снова попадают в воду 9.

 
В сегменте образуется устойчивый вихрь, из которого более быстрые молекулы вылетают в ротор, а испарившиеся молекулы с низкой скоростью снова конденсируются в жидкость. В образовавшейся области пониженного давления 16 происходит интенсивное испарение воды, подпитывая энергией устойчивый вихрь. Часть жидкости постоянно испаряется в атмосферу, поэтому уровень воды в роторе будет понижаться. Измеряя понижение уровня воды в роторе, можно определить количество образовывающегося пара за счет тепловой энергии газовой горелки.
Замеряя температуру выходящего в атмосферу пара, и зная температуру нагретой воды, можно рассчитать количество тепловой энергии, преобразованной в роторе. Ротор вращается при постоянных оборотах, а механическая энергия снимается с него на электрический генератор. Замеряя момент на валу 4, можно рассчитать количество отведенной от ротора механической энергии.
Сравнивая количество подведенной к ротору тепловой энергии с отведенной механической энергией, можно рассчитать коэффициент преобразования тепловой энергии в механическую. Тепловая энергия межфазового перехода воды при ее испарении вычитается из общего баланса. В данном эксперименте энергия межфазового перехода не участвует в механическом преобразовании энергии. Это и есть обратная задача преобразования энергии, которую успешно решил Джоуль.

 
Автор: /Н.Т. Бобоед/