Рис.3. Источник тепла, холодильник и рабочее тело в цикле Карно.

Рис. 3. Источник тепла, холодильник и рабочее тело в цикле Карно.

Б. Феноменологический подход. Даже если предположить, что температура тел в цикле Карно является равномерной по пространству, всё равно рассматриваемая система является неравновесной, пооскольку в действительности тела являются дискретными. Феноменологический поход к телам не может учесть такие особенности, как самоорганизация мелких движений, синхронизация процессов и появление более упорядоченных движений. Вместе с тем, результаты этих процессов не укладываются в рамки второго закона термодинамики.

В. Рассмотрение закрытых систем. Согласно теории Карно, для бесконечно длительной работы теплового двигателя нужно иметь утилизатор тепла, температура которого в данном процессе не повышается (иначе двигатель постепенно остановится) - в условиях нашей планеты в качестве такого большого резервуара тепла (холодильника) может применяться окружающая среда с температурой . При этом любой реальный цикл не может выходить за рамки контура 12341, который поэтому выражает собой самый эффективный цикл в заданных температурных пределах источника тепла и холодильника ^. (рис. 4, а). Однако, например, цикл на рис. 4, б имеет площадь больше площади контура 12341, поэтому такой цикл был бы более эффективным, чем цикл Карно, но его существование “не допускается”, согласно принятым законам: если мы предложимдля рассмотрения цикл на рис. 4 б, то нам сразу дадут отрицательный ответ - тот, кто осведомлён в законах термодинамики, скажет, что если минимальная температура охладителя равняется , то невозможно осуществить процесс охлаждения ab, который происходит ниже температуры :

Рис. 4. Схема доказательства максимальной эффективности цикла Карно: а) известный цикл, б) “неосуществимый” цикл.

Действительно, если рассматривать равновесное рабочее тело, внутри которого во всех точках пространства параметры состояния одинаковы и одновременно меняются по времени (как это бывает, к примеру, в двигателях внутреннего сгорания), то такой аргумент выглядит вполне обоснованным. Однако термодинамические процессы могут иметь гораздо более разнообразный характер - существует множество процессов, в которых состояние рабочего тела меняется не только по времени, но и по пространству. Допустим, состояние частицы рабочего тела характеризуется точкой а. Если все другие частицы рабочего тела имеют аналогичную температуру (как это бывает в закрытых объёмах двигателей), то об охлаждении частицы нечего и думать. Но не надо забывать, что на практике существуют циклы, в которых разные частицы рабочего тела одновременно имеют разную температуру: к примеру, в турбодвигателях температура потока вдоль течения меняется очень заметно, поэтому частицы газа здесь могут обмениваться теплом. Однако из-за несущественной теплопроводности газов эффектами теплопроводности, как правило, пренебрегают. Но давайте подойдём к вопросу с более общих позиций и допустим, что имеется газ с высокой теплопроводностью ( ). Тогда, если состояние частицы характеризуется точкой и одновременно в рабочем теле существуют частицы, состояние которых характеризуется более низкой температурой (к примеру, точка ), то теперь вполне можно говорить об охлаждении частиц, состояние которых характеризуется точками на линии , независимо от температуры внешнего охладителя , за счёт обмена теплом между частицами внутри самого рабочего тела. Например, все частицы на линии могут передавать тепло частицам, которые находятся в состоянии точки b.

Таким образом, если рассматривать такой процесс, в котором состояние рабочего тела меняется не по времени, а по пространству, то условие ограниченности минимальной температуры цикла, на котором основана вся теория Карно, становится абсурдным. Тогда рабочее тело может охлаждаться ниже температуры внешнего охладителя при одновременном снижении энтропии. Здесь мы приходим к вопросу циркуляции и регенерации тепла, который не является новым - он многократно изучен различными авторами, немало лет в поиске оптимальных схем регенерации затратил и автор данного исследования, и сейчас можно с уверенностью сказать: если для регенерации тепла применяется какое-нибудь тело в виде промежуточного аккумулятора энергии, то все попытки будут безуспешны, поскольку промежуточные тела создают разделяющие поверхности со скачкообразным изменением температуры и поэтому играют лишь роль односторонних тепловых ограждений. Только внутренняя циркуляция энергии в пространстве с гладкими градиентами параметров состояния путём непосредственного обмена между частицами даёт шанс решить данную проблему. Наши исследования вопроса регенерации отличаются именно тем, что в них идет поиск внутренних, природных механизмов: в частности, здесь мы покажем, что в качестве такого внутреннего аккумулятора энергии может служить нарастающий вдоль течения тепловой поток.