Теория тепла И.В.Померанцева | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Впервые столкнувшись с этой теорией, я не придал ей особого значения, хотя и отметил её проработанность и серьёзный подход автора к обоснованию своих тезисов, а также постоянное обращение к результатам множества экспериментов, на которых основывается традиционная термодинамика. Мне понравилось то изящество, с которым эта теория могла объяснить многие «неудобства» классической термодинамики (наличие двух типов теплоёмкости, проблемы с распределением молекул газов по скоростям и пр.). Особо ценным было то, что на основе своего подхода И.В.Померанцев (Туркан-Суринович) изобрёл и успешно испытал устройства, которые в случае истинности традиционных взглядов должны были оказаться принципиально неработоспособными. Но тем я тогда и ограничился...

Снова к этой теории я вернулся, рассматривая различные аппараты Виктора Шаубергера. При этом я с удивлением обнаружил множество совпадений во взглядах и выводах Померанцева и Шаубергера, касающихся термодинамических процессов (конечно, с учётом различий их подходов — «алхимического» Шаубергера и «научно-математического» Померанцева). На мой взгляд, именно теория тепла и работы И.В.Померанцева может пролить свет на принципы действия многих аппаратов Шаубергера — как двухфазных (вода+воздух), так и чисто воздушных.

Я не считаю возможным сразу отмести то, что предложил И.В.Померанцев — его аргументация представляется достаточно убедительной, а подробно обоснованные выводы весьма интересны и, на мой взгляд, во многом лучше, чем классические, соответствуют интуитивным представлениям о том, «как это могло бы быть».

Основы своей теории И.В.Померанцев изложил в книге «Тепло, работа и физический вакуум» (книга 1, Пермь, 2005 г.; на данной странице сайта все ссылки на номера глав относятся именно к этой книге). Правда, о «физическом вакууме» в этой книге говорится мало — этому должны были быть посвящены следующие книги. Для подробного ознакомления с теорией надо, конечно, прочитать саму книгу. Здесь же я лишь коротко изложу некоторые моменты, на мой взгляд наиболее интересные для нашей тематики.

Update 2011. Позднее, во время работы над электромагнитной термодинамикой (ЭМТ) я не мог не обратиться к результатам Померанцева, проверяя различные положения ЭМТ, главным образом применительно к газообразному состоянию вещества, подробно исследованному Померанцевым. Этот анализ нашёл отражение в новом разделе страницы — «Теория Померанцева и ЭМТ». По своей сути теория Померанцева основана на том же принципе, что и традиционная молекулярно-кинетическая теория (МКТ), представляющая частицы газа в виде «абсолютно упругих шариков без электрического заряда», что ведёт к отождествлению полной энергии газа лишь с его кинетической энергией и абсолютно не соответствует действительности. А это неизбежно ведёт и к неверным выводам, в частности к необходимости введения самостоятельной «тепловой субстанции».

Авторская аннотация

Кто может представить книгу лучше, чем её автор? Пожалуй, никто. Поэтому позволю себе привести здесь авторскую аннотацию к I книге «Тепло, работа и физический вакуум» в редакции 2005 г.

Приводится окончательное решение «задачи многих тел» с удалением из анализа распределения Максвелла, как не отвечающего природным явлениям и введением в анализ векторной математической модели распределения частиц по энергиям их движения автора.

Первое начало термодинамики в математическом определении Клаузиуса устанавливает совершенно другие, ранее не известные, истины, а введение в анализ собственного температурного параметра, являющегося энтальпией в градусном выражении, исключает смысл введения в анализ первого начала. На основании новых полученных результатов, второе начало термодинамики опровергает закон сохранения и превращения энергии в Природе. Соответственно, также теряется смысл его введения в анализ.

Неравенство собственного температурного параметра абсолютной температуре, с изменением давления газов, при идеальном взаимодействии молекул реальных газов, указывает на материальность тепловой энергии. Абсолютная температура отражает материальную тепловую энергию, а собственный температурный параметр отражает механическую энергию веществ во всём диапазоне их энергетических состояний.

Осуществляется переход к детерминизму явлений в Природе.

Обзор основных положений и выводов теории Померанцева

Этот раздел представляет собой первую редакцию данной страницы, опубликованную в 2009 году. В 2011 году в связи с новыми обстоятельствами страница была существенно дополнена.

Идеальность газов во всём диапазоне температур и давлений

Прежде всего, Померанцев постулирует идеальность поведения газов во всём диапазоне температур и давлений (глава 1.2). Однако это не просто постулат, введёный по прихоти автора. Именно такой вывод даёт спектральный анализ: «С достаточно большой точностью можно утверждать, что все газы при любых температурах (вплоть до таких низких, при которых не удается проводить экспериментальные исследования) и давлениях ведут себя так, как будто они состоят из частиц, вращающихся, колеблющихся и поступательно движущихся по обычным законам классической механики».

В главе 1.4 также отмечается, что «экспериментальные исследования скорости распространения звука с изменением давления указывают на идеальность рассматриваемого газа во всём диапазоне его давлений, подтверждая экспериментальный результат спектрального анализа, без введения в анализ каких-либо теорий».

Реинкарнация теплорода

Рассматривая зависимости в поведении газовых сред, в конце главы 1.3 Померанцев приходит к предварительному выводу о том, что наблюдаемое «возможно тогда и только тогда, когда механическая работа и тепло являются самостоятельными объектами, когда тепло является материальным объектом природы»! Таким образом, провозглашённое самостоятельно существующее тепло является своего рода реинкарнацией теорий XVIII века, где предусматривалось самостоятельное существование некоей «тепловой субстанции», в то время называвшейся флогистоном или теплородом. Но не следует считать, что это простое воскрешение представлений многовековой давности. Возможно, наука о тепле просто завершает очередной виток своего развития, наполняя старые понятия новым содержанием.

Развивая свою мысль, в главе 1.4 Померанцев приходит к необходимости наряду с «традиционной» абсолютной температурой T ввести так называемый «собственный температурный параметр», обозначенный им символом «III». При этом отмечается, что «переходя в область реальных газов, они становятся идеальными, если их энергетические параметры рассматривать относительно собственного температурного параметра — III°, а не относительно абсолютной температуры — T°».

Анализируя вновь введённый параметр, в главе 1.5 Померанцев отмечает: «Собственный температурный параметр III можно называть энтальпией в градусном выражении. Однако собственный температурный параметр не содержит в себе теплоёмкость вещества, этим он отличается от энтальпии». Мои взгляды на физическую суть этого параметра изложены ниже.

В заключении первой части книги Померанцев ещё раз объясняет: «абсолютная температура фиксирует тепловую энергию, а собственный температурный параметр фиксирует только механическую энергию, в состав которой также входит часть тепловой энергии».

Постоянная теплоёмкость газов

Введение собственного температурного параметра позволяет Померанцеву перейти к теплоёмкости газов С₀, постоянной при любых температурах и давлениях, связанной с «обычной» теплоёмкостью формулой C₀ · III = C(T,P) · T. Общеупотребительные температурно-зависимые изохорическая и изобарическая теплоёмкости есть лишь её феноменологические проявления в разных условиях, при этом с ростом температуры «традиционная» изобарическая теплоёмкость асимптотически приближается к единой «истинной» теплоёмкости Померанцева. Остаток первой части первой книги посвящён обоснованию этого вывода.

О скоростях молекул газа

Практически вся вторая часть первой книги посвящена вопросу о скоростях молекул газа, находящегося в равновесном состоянии. С одной стороны, из механистических соображений логично предположить, что скорости молекул зависят от температуры, но не вероятностно, а детерминировано, то есть одной температуре соответствует одна и та же скорость всех молекул. С другой стороны, существуют распределения Максвелла и Больцмана, носящие именно вероятностный характер и вроде бы подтверждаемые экспериментальными данными.

И.В.Померанцев предлагает следующее объяснение наблюдавшихся эффектов — действительно, направления движения молекул газа хаотичны, но величина их скоростей практически одинакова, однако важнейшую роль играет «тепловая субстанция», которая может взаимодействовать с пучками атомов и молекул вплоть до их преломления (изменения направления движения) на границе потока тепла. Именно эффект преломления и обусловил наблюдавшиеся экспериментально результаты, ошибочно интерпретированные в пользу теории вероятностных скоростей молекул. По своим свойствам эта тепловая субстанция во многом идентична инфракрасному излучению — также распространяется со скоростью света и поглощается различными веществами с нагревом преимущественно непрозрачных поверхностей и лишь в малой степени — объёма прозрачных тел. Но вот преломления потоков материальных объектов (атомов или молекул) на границе пучка инфракрасных лучей, похоже, никто не ожидает (по крайней мере при мощностях, характерных для температур источника излучения в пределах 1500°С).

Исходя из новых представлений, Померанцев вводит новую векторную модель движения частиц газа, названную им «векторная модель распределения Туркан-Суринович» и на основе её анализа приходит к тезису об энергетической двуслойности взаимодействия частиц газа. Более подробно двухслойная энергетическая модель газа рассмотрена ниже.

Экспериментальное доказательство материальности потока тепла

Наиболее убедительным доказательством правильности утверждения о существовании некинетической материальной природы тепла является разработка и успешное длительное использование устройства, основанного на этом принципе, описанное в главе 2.13. Общепризнано, что испарившиеся атомы алюминия ведут себя так же, как молекулы идеального газа, в том числе подчиняются тем же законам распределения по скоростям. Более того, классические опыты по получению этих распределений Штерна и Ламмерта ставились именно на испаряющихся в вакууме металлах. Поэтому особенно ценно то, что созданное устройство продемонстрировало несостоятельность прежних представлений практически в тех же условиях.

При вакуумном напылении металлов (в частности, алюминия) в вакуумной камере создаётся разрежение, обеспечивающее длину свободного пробега молекул существенно большую, чем размеры камеры. Затем источник напыляемого металла нагревается до состояния, когда металл начинает испаряться в вакууме. Испарившиеся атомы разлетаются от источника и оседают на покрываемых деталях. Источник обычно располагается в центре камеры, а покрываемые металлом детали-мишени — вокруг него. Проблема заключается в том, что вакуумные напылительные камеры обычно оснащаются окошком для визуального контроля за ходом процесса. Естественно, напыляемый металл оседает на это окошко так же успешно, как и на всё остальное внутри камеры, поэтому стекло приходится чистить перед каждым циклом напыления, а эта операция увеличивает трудоёмкость и значительно снижает производительность установки.

Решение заключалось в следующем. Перед смотровым окошком на пути атомарного пучка испарившегося металла устанавливался вращающийся диск с щелями. Важно, чтобы все атомы металла, пролетевшие сквозь щель, на ещё достаточно большом расстоянии от стекла успели бы пройти через границу луча тепловой субстанции и преломились, т.е. отклонились от прямого пути, благодаря чему не смогли бы попасть на стекло окна. Такие окна эксплуатировались месяцами без чистки стёкол от налёта металла. Изобретение было проверено на металлургическом заводе в г.Лысьва (Пермская область) и награждено серебряной медалью ВДНХ.

Если бы были верны традиционные представления, то пучок атомов игнорировал бы прохождение границы теплового луча и не менял своего направления, поскольку по этим представлениям инфракрасное излучение, даже если и может каким-то образом механически воздействовать на движущиеся в том же направлении свободные атомы (а направление строго одно и то же — ведь и атомы, и инфракрасное (тепловое) излучение порождаются одним и тем же источником), — то это воздействие может заключаться лишь в некотором ускорении в том же направлении за счёт энергии поглощённых фотонов, но при одинаковых направлениях потока атомов и ИК-излучения никак не может сколько-нибудь существенно изменить направление движения частиц. Запыление стекла тогда бы несколько уменьшилось за счёт частичного перекрытия потока атомов диском, но не прекратилось бы совсем.

Для меня этот изящный и практически полезный эксперимент в своё время явился более убедительным подтверждением базовых положений теории Померанцева, нежели десятки исписанных формулами и графиками страниц, и наиболее твёрдым «орешком» при проверке некоторых положений электромагнитной термодинамики, не предусматривающей неизвестных общепринятой физике материальных носителей тепла. Тем не менее, при внимательном рассмотрении и этот экспериментальный факт можно объяснить, не прибегая к концепции «материального тепла».

Энергетические слои и их взаимодействие

Третья часть книги посвящена анализу обнаруженной ранее энергетической двуслойности частиц газа.

В ходе этого анализа Померанцев доказывает первичность энергий частиц газа по сравнению с их скоростями, то есть приоритет закона сохранения энергии над законом сохранения импульса молекул. Попутно подробно анализируются теплоёмкости одно- и многоатомных газов.

Кроме того, большое внимание уделяется скоростям звука в газе и потока газа в различных условиях.

Скорости потоков газов

В главе 3.6 Померанцев замечает, что «при движении газа в молекулярном потоке, т.е. при движении в вакуум без взаимного соударения молекул, вся тепловая энергия газа переходит в однонаправленное механическое движение. В то же время, в том же потоке, движущимся с взаимодействием молекул между собой в потоке, наблюдается звуковое ограничение скорости потока. Такое ограничение, например, наблюдается на створе щели, установленной между атмосферой и вакуумом».

Здесь же выводится зависимость энергии, обуславливающей максимальную скорость движения молекул в собственной среде (скорость звука) Е_ЗВ от общей энергии молекулы газа E₀: Е_ЗВ = E₀ / 2^{(r + 0.5)} (195), где r — число атомов в каждой молекуле газа. Это связано с тем, что нижний механический уровень движения является именно поступательным движением молекулы, перемещающим её в пространстве и позволяющем ей переносить звуковую энергию. Всё остальное к переносу звука прямого отношения не имеет — оно относится к верхнему энергетическому уровню и представляет собой энергию колебательного движения молекулы и составляющих её атомов. Поэтому скорость звука — это именно скорость перемещения частиц газа, соответствующая нижнему энергетическому слою.

В конце главы Померанцев замечает: «вакуум заполняется молекулами окружающего воздуха, причём со скоростью большей и много большей звуковой скорости. У газа есть такой запас энергии, который реализуется как раз при движении молекул в вакуум». Это связано с тем, что «для любого вещества в газообразном состоянии, при поступательном движении массы газа, с переходом всей энергии верхнего уровня на нижний механический уровень движений, организуется скорость распространения звука с энергией E_ЗВ, которая равна энергии приходящейся на одну координатную ось от полной энергии E₀» (а скорость звука — это как раз поступательная скорость частиц газа). Именно этим обусловлена огромная разница предельных скоростей потока газа в своей среде (в частности, скорости ударных и звуковых волн) и при истечении в вакуум, в том числе эффекты, возникающие при движении со сверхзвуковыми скоростями.

Кстати, в заключении первой части книги уже говорилось, что «относительно абсолютной температуры тепловая энергия должна быть больше, чем относительно собственного температурного параметра. Разность энергий, как разность температур, нам предстоит куда-то спрятать.

Проблему, куда спрятать интересующую нас разность энергий, решил Ван дер Ваальс и до конца жизни сомневался в правильности её решения. Он был интуитивно уверен, что все газы идеальны в любом их энергетическом состоянии.

Разность энергий спрятана в поправках Ван дер Ваальса. Поправки отсутствуют у газов в вакууме. Там мы наблюдаем равенство абсолютных температур с собственными температурными параметрами для всех газов. Вот и всё решение поставленной проблемы».

Тепло, работа и физический вакуум

Какие же выводы относительно взаимоотношений тепла и работы делает И.В.Померанцев и причём тут «физический вакуум»?

Во-первых, тепло материально и при адиабатических процессах (сжатии и расширении) не появляется и не уничтожается, а лишь концентрируется или разрежается. При этом для двухатомных газов (воздуха) кинетическая составляющая образует порядка 30% от общей энергии газа (глава 3.10).

Во-вторых, «новое» тепло появляется («реализуется») путём «инверсии физического вакуума» при процессах трения, омического нагрева и им подобных. В самом «физическом вакууме» тепло находится в «нереализованном», скрытом состоянии и в таком виде никак не проявляется в материальном мире. Очевидно, что в таком случае при генерации тока в термопаре или при отборе механической работы от тепловой машины материальное тепло должно «конвертироваться» обратно в «физический вакуум», правда, ненадолго — до тех пор, пока полученная работа или ток не произведут где-то в другом месте новое тепло за счёт трения или омического нагрева...

От себя замечу, что если тепло материально, то в большинстве случаев это как раз то, что обычно называют инфракрасным (тепловым) излучением. Поэтому можно сказать, что материальное тепло неплохо изучено и достаточно широко используется в технике и быту, начиная с обычных инфракрасных обогревателей. Однако в отличии от традиционных представлений об инфракрасном излучении, Померанцев приводит экспериментальные доказательства возможности преломления пучков атомов на границе потока тепла (более подробно я обсужу их ниже), а также обосновывает появление нового тепла «инверсией физического вакуума» при различных процессах трения.

Выводы о возможности и невозможности «вечных двигателей II рода»

В книге И.В.Померанцева есть и ещё одно весьма любопытное заключение, непосредственно касающееся путей получения «свободной энергии» и вытекающее из некоторой несимметричности тепловых процессов, обусловленной двойственной природой тепла. В конце главы 3.10 он приходит к следующему выводу: на основе классической тепловой машины, «питаемой» теплом и производящей механическую работу, построить вечный двигатель II рода невозможно, а вот для обратной тепловой машины, с помощью механической работы производящей тепло (скажем, при сжатии газа), это вполне осуществимо (в виде открытой системы, в замкнутой КПД будет равен 1, и полезной работы получить не удастся)! Это перекликается с утверждениями того же Виктора Шаубергера, подчёркивавшего, что первично именно движение, и все его установки запускались именно механическим импульсом. При этом для тепловых машин предпочтительны газы с как можно меньшим числом степеней свободы молекул (желательно — одноатомные), а для обратных тепловых машин, наоборот, лучше подойдут многоатомные газы с максимально возможным количеством внутримолекулярных степеней свободы.

Теория Померанцева и ЭМТ

Предыдущая часть данной страницы была завершена ещё в 2009 году. Позднее, занимаясь электромагнитной термодинамикой, я не мог не учитывать выводы и факты, приведённые в столь добротном исследовании, как книга И.В.Померанцева. Результаты этого анализа и сопоставлений (по состоянию на июль 2011 года) приведены ниже. Наиболее актуальны два момента — это распределение молекул газа по скоростям и материальность тепла, экспериментально подтверждённая рассеянием атомов в тепловом пучке.

О сути «собственного температурного параметра» по ЭМТ

Как уже было сказано выше, исходя из механистической модели взаимодействия атомов газа, Померанцев был вынужден ввести так называемый «собственный температурный параметр» вещества III, подобный температуре, но отличный от неё. С вводом этого параметра все расчёты значительно упростились и приобрели стройность и законченность. Однако в результате Померанцев был вынужден придти к мысли о существовании отдельной материальной тепловой субстанции.

Но какова физическая суть этого параметра, если не зацикливаться на весьма абстрактной «энтальпии в градусном выражении, не содержащей в себе теплоёмкость»? Посмотрим на таблицу 2, приведённую Померанцевым в главе 1.5.

Двуокись углерода CO₂ при 400 К (127°C)
Давление P, атм	Скорость звука C_S, м/с	Собственный температурный параметр III°	Энтальпия H	Отношение III°/H
1	306.09	384.2	72.47	5.3
10	303.52	377.8	71.35	5.3
40	295.81	358.8	67.42	5.3
70	290.41	345.84	63.24	5.5
100	285.53	334.32	58.84	5.7

В этой таблице ясно видно, что с ростом давления собственный температурный параметр уменьшается и всё более удаляется от температуры как таковой (для всей таблицы равной 400 К). Однако из ЭМТ следует, что по мере повышения давления и вызванного этим роста концентрации частиц газа дистанция относительно свободного пробега сокращается быстрее межмолекулярного расстояния из-за наличия достаточно большой зоны выраженного отталкивания вокруг молекул. Таким образом, число воздействий на единицу площади стенки растёт быстрее линейной зависимости, а следовательно, также быстро падает и суммарная кинетическая энергия молекул, поскольку по ЭМТ температура есть характеристика удельного потока тепловой энергии, который объект может отдать вовне, и для сохранения этого потока постоянным при увеличении частоты прохода носителей тепловой энергии их индивидуальная энергия должна уменьшиться в той же пропорции. В данном случае сокращение длины пробега сокращает период колебаний и увеличивает число взаимодействий каждой молекулы в единицу времени, поэтому её тепловая (кинетическая) энергия должна уменьшиться. Это проявляется в виде уменьшения собственного температурного параметра. Таким образом, можно сказать, что собственный температурный параметр Померанцева выражает именно кинетическую составляющую тепловой энергии газа, что, в общем-то, как раз соответствует ходу мысли автора.

Проблема заключается в том, что в силу механистического подхода к движению частиц газа, Померанцев считает, что вся механическая энергия молекул всегда находится в кинетической форме, а не переходит периодически в потенциальную форму, как это следует из анализа движения молекул по ЭМТ. Поэтому в анализе Померанцева отсутствует учёт приатомной зоны отталкивания, размеры которой обычно существенно превышают размеры самих молекул газа и при давлениях порядка 100 атм становятся сравнимы с длиной пробега частиц газа в их глобулах. А в таких условиях постулированный Померанцевым тезис об «энтальпии в градусном выражении» уже не работает: с ростом давления соотношение III°/H начинает заметно отличаться от своих значений при меньших давлениях, хотя, по мысли автора, должно бы было остаться тем же самым. Сам Померанцев объясняет это возможной меньшей точностью измерений при высоких давлениях, однако измеренные величины (т.е. скорость звука) не слишком отличаются от аналогичных при меньших давлениях, и такое сильное падение точности измерений маловероятно. Ссылка на частичное сжижение газа при давлениях 70 и 100 атм также несостоятельна, поскольку критическая точка для углекислого газа, действительно, имеет давление 73 атм, но температура опытов почти на 100 градусов выше критической (т.е. не 31°C, а 127°C), и это принципиально исключает возможность сжижения углекислоты. Здесь просто проявляется ограниченность применяемой Померанцевым концепции «абсолютно упругих механических столкновений», где нет места для постоянного перераспределения механической энергии между кинетической и потенциальной формами. Поэтому необходим корректный учёт электромагнитного взаимодействия молекул, а также учёт глобулярного характера движения частиц газа при относительно невысоких температурах и больших давлениях. С ростом давления доля потенциальной формы энергии возрастает и становится достаточно существенной, а доля кинетической формы, соответственно, убывает. Именно это убывание и отражает падение величины собственного температурного параметра при изотермическом повышении давления. И именно из-за отсутствия давления и обусловленной им доли энергии в потенциальной форме, в вакууме «мы наблюдаем равенство абсолютных температур с собственными температурными параметрами для всех газов» (конец главы 1.13).

Подытоживая сказанное, можно сделать вывод, что таинственное «материальное тепло» Померанцева — это часть энергии движения, находящаяся в потенциальной форме в момент торможения частиц газа при сближении друг с другом. Подробнее об этом говорится дальше.

Распределение молекул газа по скоростям

Значительная часть книги Померанцева посвящена вопросу распределения молекул газа по скоростям. Это действительно принципиальный вопрос, поскольку именно он позволяет оценить энергетические возможности газа и важнейшие особенности его поведения, в частности передачу звука и других механических воздействий.

Померанцев выделяет три важнейшие скоростные характеристики газа:

средне-вероятную (вероятную) скорость v_в = √(2 · k · T / m), определяющую давление газа (совпадает с распределением Максвелла);
среднеквадратичную скорость (Ламмерта) v_к = √(3 · k · T / m), определяющую тепловую энергию газа (совпадает с распределением Максвелла);
максимальную скорость (Штерна) v_м = √(5 · k · T / m), служащую верхней границей разброса скоростей частиц газа (в распределении Максвелла принципиально отсутствует).

Традиционный анализ выделяет ещё среднюю скорость частиц газа, в соответствии с распределением Максвелла оцениваемую как v_с = √((8 / π) · k · T / m).

Необходимо сказать, что по ЭМТ давление газа определяется не только кинетической составляющей, как это постулирует Померанцев вслед за МКТ, но и потенциальной электромагнитной составляющей, влияние которой возрастает с ростом концентрации молекул газа, и когда среднее расстояние между ними становится сравнимым с размерами атомов, потенциальная составляющая уже является преобладающей. Но при малых концентрациях молекул (в том числе при условиях, близких к атмосферным) львиную долю давления газа обеспечивает именно кинетическая составляющая — так, как это описывает классическая МКТ.

О непременимости распределения Максвелла к газам

ЭМТ, как и Померанцев, отрицает истинность Максвелловского распределения частиц газа по скоростям, но по разным причинам. Померанцев признаёт тот же принцип движения частиц, что и Максвелл, и отрицание строится на результатах практических экспериментов и теоретических рассуждениях. В ЭМТ сам характер движения частиц принципиально отличается от принятого Максвеллом и Померанцевым, поэтому здесь отсутствуют даже основания для применения распределения Максвелла. Проверка прямым моделированием подтвердила — распределение мгновенных скоростей заметно отличается от максвелловского.

О действующих скоростях частиц газа

В механистической концепции, унаследованной Померанцевым от МКТ, скорость частицы между взаимодействиями считается неизменной. А раз мгновенная скорость между столкновениями постоянна, то именно она определяет скорость распространения механических воздействий в газе. В ЭМТ нет явно выделенных моментов взаимодействий, можно выделить лишь их экстремумы. Мгновенная скорость частиц всё время меняется, и при анализе распространения механических воздействий следует говорить об интегральной (усреднённой) скорости частицы. Такая усреднённая скорость частиц, определяющая распространение возмущений в среде, в ЭМТ была названа действующей скоростью.

Вводя свою альтернативную векторную модель «Туркан-Суринович», Померанцев постулирует равенство всех скоростей по абсолютной величине (начало главы 2.7). Хаотичными являются лишь направления. При механистическом подходе к взаимодействию частиц газа это вполне логично. А что говорится по этому поводу в ЭМТ? А там говорится, что хотя мгновенные скорости всё время меняются, действующая скорость близка к максимальной мгновенной скорости частицы между взаимодействиями, причём чем меньше концентрация частиц и реже взаимодействия между ними, тем ближе эти скорости, так как существенное изменение скоростей происходит лишь в ближних окрестностях частиц. А именно при достижении максимальной скорости практически вся энергия частицы переходит в кинетическую форму (впрочем, в окружении других частиц — не совсем вся; совсем вся механическая энергия частиц становится кинетической лишь при истечении газа в вакуум). Кроме того, максимальные и действующие скорости частиц однородного газа в установившихся условиях весьма близки. Таким образом, к движению частиц газа по ЭМТ в первом приближении можно применить анализ Померанцева для его векторной модели. Однако для оценки энергетических характеристик газа надо оперировать максимальными скоростями, а для анализа распространения механических возмущений — действующими.

О приоритете энергии над скоростью и о «материальном тепле»

В своём анализе Померанцев приходит к предположению о приоритете энергии над скоростью (глава 2.4). Анализируя распределение скоростей и энергий по векторной модели в главах 2.7 и 2.8, в главе 2.9 он делает вывод о наличии в газе двух «энергетических слоёв», которые он называет первым, или верхним, и вторым, или нижним. Нижний энергетический слой он связывает с механической энергией молекул газа (а в его модели «механическая энергия» тождественна кинетической, ибо для потенциальной там просто нет условий). Верхний энергетический слой связывается с «тепловой аурой» — это то самое материальное тепло некинетической природы, о котором говорится в предисловии к книге и на которое Померанцев опирается, говоря о свойствах «физического вакуума». Наконец, в главе 2.11, сравнивая теоретическое распределение Больцмана с экспериментальными распределениями Штерна и Ламмерта, Померанцев делает окончательный вывод: «Первична энергия, вторична скорость». Этот же вывод он подтверждает и в главе 2.12, приходя к следующему заключению: «это указывает на наличие тепловой энергетической среды, как самостоятельного объекта Природы».

Стоит заметить, что в классической механике скорость неразрывно связана с импульсом тела, законы сохранения импульса и энергии равноправны, а найти ситуацию, в которой бы один из них не срабатывал, так и не удалось, несмотря на усилия сотен теоретиков, экспериментаторов и изобретателей. Более того, если уж сталкивать законы сохранения импульса и энергии «в лоб», я бы поставил на закон сохранения механического импульса — как известно, он инвариантен, т.е. автоматически выполняется в любой инерциальной системе отсчёта, а закон сохранения механической энергии — нет.

Поскольку в модели газа Померанцева, так же как и в МКТ, скорость и энергия тождественны, и излишек энергии «спрятать» негде, для объяснения несоответствия скоростей энергиям Померанцеву пришлось ввести новую сущность — «тепловую ауру», «тепловую энергетическую субстанцию».

А как решается этот вопрос в ЭМТ? Здесь всё проще — будучи в окружении других частиц, в силу дистанционного электромагнитного взаимодействия частицы газа всегда обладают не только кинетической, но и потенциальной энергией. Именно потенциальная составляющая, а не «тепловая аура», составляет «верхний энергетический слой» Померанцева, а полная тепловая (т.е. механическая) энергия частицы, как и положено в механике, является суммой её потенциальной и кинетической энергий, в ходе теплового движения постоянно перетекающих друг в друга. Поэтому необходимости для введения «тепловой энергетической субстанции» в данном случае нет.

Материальное тепло, незапыляющиеся окна и опыты Штерна и Ламмерта

Важнейшим аргументом в пользу концепции Померанцева является его объяснение опытов Штерна и Ламмерта, а также основанное на его теории собственное изобретение, успешно использованное в промышленности. И то, и другое выполнено на основе концепции «материального тепла». Однако рассмотрим всё это внимательнее.

О преломлении пучков частиц на границе теплового луча

В качестве одного из свойств «материальной тепловой субстанции» Померанцев постулирует её способность преломлять пучки атомов (глава 2.13).

Поиск в Интернете не дал никакой информации по этому поводу. Сведений о преломлении лучей света и других видов электромагнитных излучений на веществе — сколько угодно, а вот о преломлении пучков вещества на границах световых или тепловых лучей — ничего. Причин может быть две — либо подобные эксперименты никому не приходили в голову, либо такого явления не существует. Второе объяснение вполне вероятно, ибо различные напыления широко используются в современных технологических процессах, и кто-нибудь из столкнувшихся с подобным явлением наверняка написал бы об этом, а подобный эффект для фундаментальной науки является принципиально новым и не должен бы был остаться незамеченным. Посмотрим, нет ли другого объяснения подобному эффекту?

О термическом вакуумном напылении

Ещё немного уточним сведения о процессе термического напыления в вакууме, тем более что и Ламмерт, и Штерн использовали аналогичный процесс, только не в промышленных, а в лабораторных установках. Температура испарения большинства металлов весьма высока. Для алюминия (Померанцев) при нормальном давлении температура кипения 2300°С, для серебра (Штерн и Ламмерт) чуть ниже — 2160°С. В вакууме температура кипения стремится к температуре плавления, однако и она достаточно велика — 961°С (1234 К) у серебра и 659°С (932 К) у алюминия. При таких температурах практически все вещества подвержены интенсивной тепловой ионизации. Поэтому на самом деле от испарителя к экранам и окнам летят не нейтральные атомы, а ионы! Более того, для того, чтобы эти ионы (а их заряд в силу термической потери электронов всегда положителен) летели куда надо, на напыляемые детали иногда специально подают отрицательный потенциал, электростатически «подправляя» поток ионов именно на мишени, а не на стенки камеры.

Справа показана вероятная схема установки Померанцева. К сожалению, в книге она описана в самом общем виде, поэтому реконструкция весьма условна. Цифрами обозначены: 1 — испаритель металла; 2 — вращающийся диск с щелями (в данном случае щель движется сверху вниз); 3 — диафрагма; 4 — смотровое стекло. Диафрагма у Померанцева не упоминается, но без неё на смотровое стекло могут попадать атомы металла, преломлённые в другом месте траектории щели, где угол преломления соответствует направлению на стекло. Вместо диафрагмы может выступать кожух вокруг окна внутри камеры (своего рода тубус), служащий той же цели (впрочем, некоторые варианты анализа показывают, что можно попытаться обойтись без диафрагмы и тубуса). Между диском и стеклом достаточно большое расстояние, «чтобы все атомы металла успели пройти через границу луча тепловой субстанции и преломились, т.е. не смогли попасть на стекло окна». Однако диск и испаритель также разделяет немалое расстояние, иначе диск «перехватит» на себя слишком большую долю испарившегося металла, и установка будет экономически неэффективной.

Таким образом, после прохождения щели мы имеем весьма узкий пучок одноимённых ионов, траектории которых изначально практически параллельны. До щели их удерживало вместе отталкивание со стороны соседей. Однако после прохождения щели соседи исчезли, и теперь ничто не мешает ионам разлетаться по сторонам. Как мы видели при моделировании поведения «атомов» по ЭМТ, даже нейтральные атомы со скомпенсированным электрическим зарядом вполне бодро разлетаются в стороны, заполняя отведённое им пространство. На одноимённо заряженные ионы действует ещё бóльшая сила отталкивания, которая с ростом расстояния убывает гораздо слабее (обратно пропорционально лишь 2-й, а не 6-й степени). Поэтому разлетаться в стороны пучок ионов должен ещё резвее. В результате на мишень-стекло попадут лишь считанные ионы, находившиеся строго по центру пучка.

Результаты моделирования свободного разлёта параллельного пучка ионов (голубые шарики изображают стекло).

Однако рост плотности пучка может замедлить его разлёт, и, может быть, при достаточно интенсивном потоке напыляемых ионов на стекло их будет попадать гораздо больше! Тем не менее, моделирование не подтверждает это: как при уменьшении, так и при увеличении исходной плотности пучка вдвое, его плотность в районе мишени-стекла изменилась мало (зависимость слабее, чем корень 4-й степени от изменения исходного расстояния между частицами).

Результаты свободного разлёта параллельного пучка ионов вдвое меньшей концентрации (исходная поступательная скорость, масса и заряд ионов те же, что и в предыдущем случае).

Результаты свободного разлёта параллельного пучка ионов вдвое большей концентрации (исходная поступательная скорость, масса и заряд ионов те же, что и в первом случае).

Таким образом, весьма вероятно, что вместо преломления Померанцев имел дело с рассеянием. В чём здесь разница? Разница принципальна — при преломлении на границе луча все атомы должны отклоняться в одну и ту же сторону, а при рассеянии — равновероятно во все стороны. К сожалению, в своей книге Померанцев не приводит технических подробностей установки и распределение отклонённых атомов на тех поверхностях, куда они в конце концов попали. А круговое движение щелей диска при неподвижных поверхностях осаждения — окне и стенках камеры — даёт круговую картину, не позволяющую понять, отклонялись ли напыляемые атомы лишь в одну сторону щели или в обе...

Но рассеяние — не единственный механизм, который может отклонить прошедшие через щель частицы от своей прежней траектории. Рассматривая конкретный «срез» прошедшего через щель пучка, следует заметить, что при конечной ширине щели по мере поворота диска сечение пучка затеняется не сразу, а постепенно, от одного края к другому. В результате создаётся неоднородность энергетической «подпитки» в разных местах сечения пучка, а следовательно, и неоднородности его плотностных и скоростных характеристик, а это может привести к эффектам, поворачивающим пучок подобно преломлению. К сожалению, данных даже для прикидочных оценок такого механизма недостаточно.

Если диск с щелями был электрически изолирован от заземления (умышленно или случайно), то причина может быть и ещё проще — первые осевшие на нём ионы делали этот диск положительно заряженным, а наведённый таким образом положительный заряд эффективно отклонял следующие ионы в сторону от диска и, следовательно, от смотрового стекла за ним. При этом электростатическое отклонение на диске никоим образом не исключает описанное выше электростатическое же рассеивание пучка проскочивших ионов, а картина осаждения может быть очень похожей на ожидавшиеся Померанцевым результаты преломления.

Что наблюдали Штерн и Ламмерт?

В отличии от установки Померанцева, и у Штерна, и у Ламмерта вращались и щели, и поверхности осаждения. Поэтому полученные ими распределения не размазаны по всей поверхности осаждения, а имеют весьма чёткие параметры. Но что же отражают эти распределения?

Отнюдь не только распределение нормальных скоростей (от нити испарителя к поверхности осаждения). Здесь также неизбежно влияние бокового рассеивания пучка, которое будет наблюдаться как в случае нейтральных атомов, так и, в гораздо большей степени, в случае ионизированных. Чтобы отсечь этот фактор, отверстие необходимо делать не в форме длинной щели, а в виде компактной дырочки. Тогда в плоскости вращения мы увидим общее распределение скоростей, а в перпендикулярной ей плоскости, проходяшей через ось вращения — распределение вышеупомянутого бокового рассеяния, которое следует вычесть из общего распределения, чтобы выделить нормальную составляющую в чистом виде (впрочем, можно просто сравнить высоту области рассеивания с высотой щели). Кроме того, по тем же причинам взаимного отталкивания, неизбежно и изменение нормальной составляющей скорости частиц, вызванной разными силами отталкивания с соседями, летящими перед ними и после них, поскольку расстояния до них неодинаковы из-за естественного разброса интервалов времени между отрывом атомов от массива испаряемого материала.

Таким образом, распределения Штерна и Ламмерта могут отражать не только (а, возможно, и не столько!) разброс термодинамических скоростей испарившихся атомов, но также и результаты вторичного электрического рассеивания пучка ионов испарившегося вещества, да и в принципе условия этих опытов далеки от равновесных. Поэтому использование этих результатов для подтверждения постулатов, относящихся к равновесному состоянию газа, как это делается в МКТ, представляется весьма сомнительным.

Выводы Померанцева и ЭМТ

При всём различии подходов к основам взаимодействия частиц газа, некоторые важные выводы Померанцева и ЭМТ оказываются поразительно близкими.

Двуслойность энергетической структуры молекул газа

В результате анализа Померанцев приходит к выводу о двухслойности, двухкомпонентности полной энергии частиц газа. При этом один слой соответствует механической (в модели Померанцева — чисто кинетической) энергии, а другой слой он вынужден приписать «тепловой субстанции».

ЭМТ также говорит о двух компонентах энергии молекул газовой среды, однако эти компоненты вполне традиционны — это кинетическая энергия, та же самая, что и у Померанцева, и потенциальная энергия, обусловленная дистанционным электрофизическим взаимодействием частиц газа.

Скорости молекул газа

Померанцев говорит о том, что наблюдаемый разброс скоростей молекул газа обусловлен лишь разбросом проекций их хаотичных направлений на направление, выбранное экспериментатором, при одинаковости абсолютных величин этих скоростей.

ЭМТ говорит о том, что мгновенные скорости молекул газа принципиально всё время меняются в ходе «перетекания» их кинетической энергии в потенциальную и обратно во время теплового движения. Однако почти всегда важны не мгновенные скорости, а средняя скорость между взаимодействиями, называемая действующей скоростью, и максимальная мгновенная скорость, соответствующая моменту, когда практически вся механическая энергия частицы находится в кинетической форме. А в ходе энергетического обмена между частицами эти скорости склонны к выравниванию и в среднем различаются не слишком сильно. Поэтому, как и у Померанцева, главным различием между действующими скоростями является их направление, а не абсолютная величина.

Такое положение дел открывает возможность применить в ЭМТ математический аппарат описания проекций скоростей частиц газа, разработанный Померанцевым для своей векторной модели.

Материальная теплота

Возникающий при расчётах «избыток» энергии Померанцев был вынужден спрятать в «энергетическую ауру», некую «тепловую субстанцию». У него просто не было другого выхода в рамках его концепции, не дающей молекулам газа возможности обладать потенциальной механической энергией (я имею в виду внутреннюю потенциальную энергию среды, а не потенциальную энергию, обусловленную внешними факторами, такими как гравитация). В ЭМТ существование внутренней механической потенциальной энергии среды является прямым следствием постулируемого дистанционного электрофизического взаимодействия, и потому необходимости в «тепловой энергетической субстанции» нет. Соответственно, в рамках ЭМТ нельзя поддержать и все выводы Померанцева, следующие из этого тезиса, а экспериментальным фактам следует подыскать другое объяснение. ♦