некоторые подходы к разработке энергосберегающих

УДК 621.311.25
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ, ОСНОВАННЫХ НА ТРАНСПОРТНЫХ ФОРМАХ ПЕРЕНОСА МОМЕНТА ИМПУЛЬСА
Л.В. Лысенко, А.К. Горбунов, А.П. Коржавый, В.К. Шаталов, А.Л. Лысенко
e-mail: [email protected], [email protected]
Рассмотрены теоретические зависимости по исследованию кинетики импульса и момента
импульса, которые определяют переход от транспортных технологий к кинетическим
формам переноса.
Ключевые слова: вещество, энергия, импульс, момента импульса, кинетика, энерготехнологические процессы.
Depending on the theoretical studies of the kinetics of momentum and moment of momentum,
which define the transition from transport technologies to kinetic forms of transposition.
Key words: matter, energy, momentum, moment of momentum, kinetics, power technologies.
Введение
По-видимому, самой совершенной мини-электростанцией живой клетки является митохондрия, точнее АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). В этом аккумуляторе энергии
связи между атомами фосфора и кислорода являются макроэнергетическими. При их разрыве выделяется значительное количество энергии. Основные закономерности переноса
такой энергии митохондриями предложены и описаны профессором А.Д. Виноградовым
[1].
В целом, к настоящему времени, вопросы транспорта энергии в макроскопических
системах достаточно хорошо изучены и подробно описаны [2]. В зависимости от состояния, в котором находится термодинамическая система, по-разному ведут себя термодинамические потоки. Такие потоки, переносом вещества или импульса из одной части среды
в другую, возникают, когда значения тех или иных физических параметров отличаются в
объеме среды [2], и, в целом, известны. Энерготехнологические процессы - это совершенно другие объекты.
Энерготехнологические процессы - это физико-химические процессы, сопровождающие преобразование вещества, энергии и момента импульса. При этом энерготехнологические процессы рассматриваются ,как преобразование вещества, энергии и момента
импульса с диффузионно- кинетическими этапами.
Формы переноса момента импульса следуют из энерготехнологических процессов.
В основе энерготехнологических процессов лежит феноменологическое уравнение
AФT
L
,
(1)
AФ 2  T
где L, A, Ф, T – безмерные комплексы.
Из феноменологического уравнения следуют известные зависимости:
 уравнение теплопроводности Фурье;
 уравнение для вязких жидкостей Ньютона;
 уравнение диффузии Фика;
 уравнение кинетики вещества.
А также неизвестные уравнения
 уравнение кинетики электрического заряда;
 уравнение кинетики магнитного заряда;
 уравнение транспортировки электрического заряда;
 уравнение транспортировки магнитного заряда;
 уравнение кинетики импульса;
 уравнение кинетики момента импульса;
 уравнение транспортировки момента импульса.
Покажем некоторые следствия из вышеприведенного феноменологического уравнения.
Особенности зависимостей кинетики импульса и момента импульса, определяющие
переход от транспортных технологий к кинетическим формам переноса
При оценке кинетики и транспортировки момента импульса и импульса [13] рассматриваются 4 процесса:
 кинетика импульса;
 кинетика момента импульса;
 транспортировка импульса;
 транспортировка момента импульса.
Как было показано ранее [37] основными энерготехнологическими параметрами
являются кинетика импульса, равновесные концентрации импульса и момента импульса ,
их концентрационные напоры, градиенты концентраций, константы скорости кинетических преобразований, коэффициенты кинематической и динамической вязкости.
Физический смысл коэффициента кинематической вязкости - одной из характеристик переноса импульса, заключается в том, что коэффициент кинематической вязкости (v) определяет меру массовой концентрации момента импульса.
При выводе уравнения переноса импульса в феноменологическом уравнении необходимо принять следующие безразмерные комплексы
0, 5
(2)
Lk   W  K k  
(3)
Фk  X k  Kk  
Tk  X k  Vmax    1
(4)
l
Ak  k
(5)
X k
Исходное феноменологическое уравнение будет иметь следующий вид
Lk   Ak  Фk  Tk Ak  Фk2  Tk 
(6)
При условии перехода в транспортную область Ak  Фk → , а также исключении
турбулентной компоненты Vmax = 0, феноменологическое уравнение (6) упрощается
Lk  1 Фk .
(7)
После подставок и преобразования получим классическое уравнение Ньютона для
вязкой жидкости
(8)
τ  ν  grad  ρW  .
Аналогично получаем следующие уравнения переноса:
 уравнение теплопроводности Фурье;
 уравнение диффузий Фика;
 уравнение транспортировки момента импульса;
 уравнение транспортировки электрического заряда;
 уравнение транспортировки магнитного заряда.
0, 5
2
Ранее в [6] был представлен физический смысл числа Re. Число Re показывает,
во сколько раз поток импульса, транспортируемый за счет скорости Vтах больше потока, определяемого случайным (хаотичным) движением структурных элементов:
V  W 
Re  max
(9)
W 

x
Здесь в уравнениях (29):

– плотность жидкости;
W  – пространственный концентрационный напор импульса;
  W 
– градиент концентрации импульса;
X k
– размер кинетического слоя;
lk
X k – размер транспортного слоя.
При выводе кинетических уравнений в феноменологическом уравнении (1) необходимо принять Т → .
В этом случае феноменологическое уравнение имеет вид:
Lk   AkФk
(10)
После подставок и преобразований имеем уравнение кинетики
d W 
  K k W .
(11)
dt
Если в формулу (11) вместо концентрации импульса подставить концентрацию
момента импульса М и равновесную концентрацию момента импульса Мр , получим
уравнение кинетики для преобразования момента импульса.
dM
  K M  M p    K  M
(12)
dt
Здесь в уравнениях (11) и (12):
M – объемная концентрация момента импульса;
Mp – равновесная объемная концентрация момента импульса;
M – хронометрический концентрационный напор момента импульса;
t
– время;
K k ,K – константы скорости преобразования импульса и момента импульса.
Аналогично получаем
 уравнение кинетики электрического заряда;
 уравнение кинетики магнитного заряда;
 уравнение кинетики энергии.
Дадим физический смысл уравнению кинетики. Уравнение кинетики обеспечивает в законе сохранения импульса (момента импульса) процесс исчезновения
(преобразования) одной формы импульса (момента импульса) в другую. Формы импульса (момента импульса) многообразны.
Преобразование ( кинетика) вещества , энергии и импульса ( момента импульса)
неразделимые процессы.
В любом физико-химическом процессе ,например, в преобразовании вещества ( в
химических реакциях) имеется и кинетика энергии и кинетика импульса . Мы просто
иногда не обращаем на это внимание.
Кинетические процессы обобщают случайные процессы и связаны с распределением Больцмана через константу скорости процессов.
Из этого следует уравнение кинетики случайных событий
dA
  K э  А  Ар  ,
(13)
dt
3
где
Кэ - константа скорости случайных событий;
А - частота случайного события;
Ар - равновесный достоверный предел случайных событий.
Из уравнения случайных событий (13) следует аналогия энтропии и времени,
покажем это.
После интегрирования уравнения кинетики случайных событий имеем
(14)
 K э  t  ln Aэ ,
где
 А  Ар  .
Аэ 
(15)
А0  Ар 
Аналогично для энтропии
(16)
S  K  ln A
Сравнивая формулы (14) и (16) при условии Аэ=А, получаем
S
 K эt 
(17)
K
Таким образом из уравнений 13÷17 следует
 энтропия и время аналогичны;
 безразмерное время Kэt отрицательно по отношению к безразмерной энтропии
S/К;
 время и энтропия разнонаправлены.
В соответствии с концепцией энерготехнологических потоков из уравнений 1и 9
определим поток вероятности J через волновую функцию B
h
J    grad B 2 
(18)
m
Здесь
h - постоянная Планка;
m – масса элементарной частицы;
B 2 - квадрат волновой функции ( плотность вероятности нахождения элементарной частицы в точке пространства).
Из уравнения следует, что поток вероятности прямо пропорционален градиенту
плотности вероятности.
С учетом уравнения (18) получим транспортное уравнение для заряда
h
J z   grad Qz
(19)
m
где
Jz - поток заряда
Qz - объемная концентрация заряда
h
- аналог кинематической вязкости среды для заряда
m
grad Qz - градиент объемной концентрации заряда
Из уравнения (19) и (1) следует, что магнитный и электрический заряд определяют момент импульса qэ × qм = М,
где:
 qэ – электрический заряд;
 qм – магнитный заряд;
 М – момент импульса.
Определим связь потока момента импульса и турбулентного течения.
4
Переход режима течения жидкости из ламинарного в турбулентный определяется
качественным изменением структуры потока. Преимущественный поток импульса при
ламинарном течении превращается в преимущественный поток момента импульса
при турбулентном течении.
Если коэффициент кинематической вязкости () определяет меру массовой концентрации момента импульса, то коэффициент динамической вязкости () определяет объемную концентрацию момента импульса. Следовательно, транспортировка (поток) момента
импульса при турбулентном течении описывается следующей зависимостью:
(20)
Фс    grad  ,
где:     ; grad  – градиент объемной концентрации момента импульса.
Кинетика импульса определяется по формуле (12), однако с учетом формулы (20)
опишем уравнение кинетики момента импульса следующей зависимостью:
d
 k    p    k   ,
(21)
d
где:  – хронометрический концентрационный напор момента импульса;
 p – равновесная концентрация момента импульса.
Хронометрические концентрационные напоры импульса и момента импульса
определяются их равновесными концентрациями, которые числено равны динамической и
кинематической вязкости жидкости при ламинарном течении.
Необходимо отметить, что пространственные концентрационные напоры определяются геометрическими размерами, а хронометрические напоры следуют из временных
параметров преобразования форм импульса и момента импульса.
Уравнение (21) описывает турбулентный режим течения жидкости при наличии
преобразования форм момента импульса, например, кавитации [6]. Таким образом турбулентное течение включает два режима:
 транспортную форму переноса с потоком момента импульса без его преобразования (уравнение 20);
 кинетическую форму переноса с преобразованием момента импульса
(уравнение 21).
Как было отмечено ранее [6], переход турбулентного режима из транспортной
формы переноса в кинетическую форму определяется катастрофическим явлением. При
этом разрушение движущейся субстанции (жидкости, газа, плазмы) в соответствии с
уравнением (21) происходит в зоне максимального потока момента импульса с учетом форм переноса импульса и момента импульса.
Транспортные формы переноса импульса в результате сил вязкости в трехмерном
пространстве определяют объемную силу и подчиняются уравнению:
d  W 
    2  W  .
(22)
d
Здесь 2 W  – оператор Лапласа.
Кроме объемной силы от вязкого течения имеют место
g
– массовая объемная сила в гравитационном поле Земли;
grad P – объемная сила от разности давлений на противоположных границах, рассматриваемого объема.
Французский инженер и ученый Анри Навье в 1822 году в соответствии с основным уравнением динамики обобщил эти составляющие и получил следующее уравнение
для течения несжимаемой жидкости при постоянных параметрах вязкости и плотности:
dW

 g  grad P   2W .
(23)
d
Здесь 2W – оператор Лапласа.
5
С учетом кинетических форм переноса импульса уравнение (23) запишем в следующем виде
dW

 g  grad P   2W  K   W 
(24)
d
Уравнение (24) является основным уравнением энерготехнологических процессов для совместного описания кинетических (-K(W)) и транспортных (2W)
форм переноса импульса.
Для использования уравнения (24) в квантовой механике необходимо заменить коэффициент динамической вязкости  на постоянную Планка. В связи с таким преобразованием дадим энерготехнологическую интерпретацию постоянной Планка.
Первая энерготехнологическая интерпретация заключается в том , что постоянная
Планка – это размерность кванта момента импульса. Таким образом квант дает философское основание для рассмотрения поля момента импульса (импульса), как самостоятельной (самодостаточной) формы субстанции.
Три формы субстанции вещества, энергии и момента импульса (импульса) дают
экспериментально исследованное многообразие материального мира.
Для определения второй энерготехнологической интерпретации постоянной Планка сгруппируем одноразмерные коэффициенты пропорциональности в уравнениях переноса: в формуле теплопроводности Фурье (а - коэффициент температуропроводности), в
формуле Фика для диффузии (D - коэффициент диффузии), в формуле Ньютона транспортировки импульса для вязких жидкостей ( - коэффициент кинематической вязкости).
Формула (19) для переноса зарядов, где введем z = h/m (отношение постоянной
Планка к массе элементарной частицы), образует коэффициент пропорциональности аналогичный коэффициентам а, D и  для соответствующих зависимостей переноса энергии,
вещества и импульса.
Таким образом вторая энерготехнологическая интерпретация постоянной Планка –
это фундаментальный коэффициент (параметр ) переноса элементарных частиц в известном уравнении переноса.
Все многообразие потоков обобщается кинетическими и транспортными формами
переноса импульса и момента импульса.
Выводы Приведенные теоретические разработки по исследованию кинетики импульса и момента импульса определяют переход от транспортных технологий к кинетическим формам переноса, что важно для разработки энергосберегающих технологий
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вейсман М.Г. Тайная жизнь тела: клетка и ее скрытые возможности. СПб.: Издво Вектор, 2011. 160 с.
2. Глаголев КВ., Морозов А.К Физическая термодинамика: Учебное пособие. М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 272 с.
3. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с.
4. Гуревич Л.Э. Основы физической кинетики. Л-М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1940. 242 с.
5. Лысенко Л.В. Теоретические основы конструкторских оценок энерготехнологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1997. 64 с.
6. Энерготехнологические процессы. Проблемы и перспективы: Сборник. М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 190 с.
7. Лысенко Л.В., Минаев А.К, Буланов А.В., Лысенко А.Л. Кинетика импульса //
Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы: Материалы международной конференции. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. С. 499 - 501.
6