Тред №952035

Эндотермические Реакции и Химические ВД2Р

.
Вот картинка из учебника "Химия" для 8-9 класса (а ничего более сложного нам и не нужно):
.

 .
В газе или жидкости имеются молекулы с самыми разными скоростями (см. распределение Максвелла по скоростям), сталкивающиеся друг с другом. Чтобы они вступили в химическую реакцию, они должны сначала разорвать уже имеющуюся химическую связь между атомами. На это требуется энергия (называемая энергией активации), поэтому в реакцию вступают только те молекулы, чья суммарная кинетическая энергия при столкновении превышает потенциальный барьер реакции. В результате реакции, формируются новые химические связи, система попадает в потенциальную яму (которая в случае эндотермической реакции выше, чем до реакции, а в случае экзотермической - ниже). При этом, в форме кинетической энергии, высвобождается часть энергии активации молекул реактантов, потраченной на разрыв связи между атомами. Оставшаяся часть энергии активации (разность между энергетическими уровнями до и после реакции) в случае эндотермической реакции превращается в запасенную энергию химической связи продуктов реакции. Если в резервуар, где происходит эндотермическая реакция, нет подвода тепла, он будет охлаждаться. Если же подвод тепла есть, например, резервуар погружен в океан (или в лаву), то температура смеси будет поддерживаться постоянной - тепловая энергия океана (лавы) будет превращаться в химическую энергию продуктов реакции. 
.
Вы только что прослушали описание демона Максвелла. Для тех, кто не успел это осознать, повторяем еще раз.
.
Потенциальный барьер эндотермической реакции делает абсолютно то же самое, что должен был делать демон Максвелла. Только в 10000000000000000000000000 раз лучше, потому что реакция происходит во всем объеме смеси, а не на стенке с одной дыркой, в ней участвуют все молекулы газа или жидкости одновременно, при каждом столкновении друг с другом. Хотите обрезать хвост распределения Максвелла (отделить только молекулы газа со скоростями V > V₂)? Пожалуйста - как сказано в предыдущем параграфе, в химическую реакцию вступают только те молекулы, чья суммарная кинетическая энергия при столкновении превышает потенциальный барьер реакции. И что интересно - фонарика нам никакого не нужно! Не нужно тратить дополнительную энергию, чтобы узнать скорости молекул. Это происходит автоматически: если суммарная кинетическая энергия молекул реактантов больше потенциального барьера - реакция пройдет. Меньше барьера - не пройдет, молекулы столкнутся и разлетятся без изменений. Так что возражения против демона Максвелла с позиции квантовой механики теряют свою силу. 
.
Напрямую запрет на переход тепла от более холодного тела к более горячему без совершения работы в эндотермической реакции не нарушается. Реакция изымает "бесполезную" тепловую энергию среды и превращает ее в другую форму - энергию хим. связей молекул. Продукты реакции могут храниться до тех пор, пока они не понадобятся. Они могут быть транспортированы в другое место и их энергия может быть высвобождена и использована для совершения работы уже там. 
.
Здесь нет ничего гипотетического. Все, что написано выше - давно и хорошо установленные экспериментальные факты, описанные в любом учебнике химии. Также в любом учебнике химии написано, что для того, чтобы определенные эндотермические реакции происходили, необходимо нагреть реакционную смесь до высокой температуры и поддерживать постоянный приток тепловой энергии (пример - получение негашеной извести из карбоната кальция: СаСО₃ + тепло → СаО + СО₂ ). Но вот чего там не написано - это того, что для прохождения эндотермических (и любых химических) реакций требуется разность температур (как в тепловой машине). Ничего подобного - эндотермические реакции прекрасно происходят при одной и той же температуре, стремясь, правда, ее понизить (но мы можем занять тепло у мирового океана, коры или мантии Земли). Позднее, очистив продукт с запасенной химической энергией и добавив к нему другие реагенты, можно инициировать экзотермическую реакцию и высвободить запасенную энергию в виде тепла (для негашеной извести - добавить воду:  CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + тепло, а предварительно очищать CaO даже не нужно, поскольку побочный продукт эндотермической реакции, СО₂, будучи газом, самопроизвольно выводится из реакционной смеси). В общем, как заказано - химический вечный двигатель 2 рода (ХВД2Р), одна штука. Получите и распишитесь. 
.
Пусть физика настолько не любит ВД2Р, что постулирует их невозможность. Но какое нам дело до физики? Русика не пытается исправить физику, она выдвигает другие аксиомы. В данном случае, русика согласна с химией и биологией, что ХВД2Р возможны (хотя химия и биология о своем согласии еще не подозревают). 
.
И не надо так на меня смотреть:
 

 
Я прекрасно понимаю, какую реакцию вызывает это утверждение. Но что делать, если все-таки она вертится? До 2002 г., я был уверен, что вечные двигатели невозможны. Настолько это логично и очевидно (столь же логичной и очевидной на протяжении 2000 лет казалась аксиома Аристотеля, что вечное движение невозможно: если не прикладывать силу, любое движущееся тело рано или поздно остановится). И тем не менее, в конечном итоге я сделал то, что считается эталоном антинаучности и бессмысленной траты времени, - придумал вечный двигатель (точнее, несколько типов ВД). Я не хотел, я не нарочно, оно само. Но раз уж это случилось, лучше бы об этом молчать. Признаваться в этом просто неприлично - это практически ставить на себе крест в глазах любого здравомыслящего человека. Знаю; но Истина дороже. 
.
Вернемся к нашим баранам. Обращает на себя внимание то, что в ХВД2Р нет замкнутого цикла. А мы его и не обещали! Главная задача - изъять тепловую энергию и превратить ее в полезную работу. Выполнено. При этом в систему поступают одни химические вещества, между ними происходит эндотермическая реакция, продукты с запасенной энергией смешиваются с другими химическими веществами, происходит экзотермическая реакция и на выходе мы получаем тепловую энергию и третьи химические вещества. И что? Именно так происходит циркуляция воды, углерода, любых химических веществ на Земле. Так работает вся биосфера. Каждое живое существо получает и строительные материалы для своего тела, и энергию из окружающей среды, перерабатывает и выбрасывает в среду же отходы своей жизнедеятельности. Для одного живого существа замкнутого цикла и использования одних и тех же веществ нет. Но цикл замыкается в масштабах всей планеты - его образует вся экосистема Земли. Подобно этому, система, использующая эндотермические реакции и тепло среды, будет являться лишь частью полного ХВД2Р, который включает в себя всю планету.
.
Напомню, что первоначальная постановка проблемы касалась не неорганических эндотермических реакций, а "биохимических", катализируемых "ферментами" живых "клеток" внутри планеты. Речь, конечно, не о нашей углеродной гидрофильной форме жизни, а о тех формах, которые живут при температурах от нескольких сотен до нескольких тысяч градусов. Тепловой энергии там достаточно - намного больше, чем в мировом океане. Предполагая, что "клетки" внутри планеты имеют сложные молекулы с функциями, сходными с функциями наших ферментов, мы легко можем представить себе, как происходят катализируемые ими эндотермические реакции. Фермент, прежде всего, это катализатор, а катализаторы уменьшают высоту потенциального барьера реакции, то есть энергию активации:
 

 
Фермент (это может быть комплекс из нескольких субединиц) связывает молекулы субстрата А и В и удерживает их в наиболее выгодном положении друг относительно друга - до тех пор, пока за счет ударов молекул среды или поглощения теплового излучения среды не приобретет (или не накопит - возможно, такие ферменты могут накапливать, сохранять энергию за счет "пружинных свойств" своей структуры) достаточную энергию, чтобы произошла эндотермическая реакция. Продукт эндотермической реакции передается по конвейеру другому ферменту, потом третьему, и т.д., которые совершают другие биохимические реакции. На выходе получается продукт, наиболее удобный для хранения, транспортировки и последующего использования запасенной энергии. У нашей формы жизни это глюкоза, которая является продуктом не одной-единственной биохимической реакции вследствие поглощения фотона от Солнца, а многих последовательных реакций, в которых участвует большое число ферментов.
.
На самом деле, для создания молекул с запасенной энергией ферменты могут использовать не только эндотермические реакции, но и реакции, обратные экзотермическим. Чем они отличаются от эндотермических реакций? Предпочтительным направлением реакции. Дело вот в чем. Большинство химических реакций обратимы - они могут идти в обоих направлениях. Предпочтительное направление называется "прямой реакцией", противоположное ему - "обратной реакцией". Пусть для обратимой реакции  АВ ↔„ А + В  прямой реакцией является экзотермический распад АВ на А и В:
.
АВ → А + В + тепло,
.
а обратной - эндотермический синтез АВ из А и В:
.
А + В + тепло → АВ.
.
Если в подходящем растворе имеется вещество АВ, то при достаточной температуре (для инициации экзотермических реакций тоже требуется энергия активации) начнется распад АВ. По мере распада, А и В с определенной скоростью вступают между собой в эндотермическую реакцию синтеза АВ, но поскольку распад является прямой реакцией, он преобладает и концентрации А и В растут. В конце концов, молекул А и В станет так много, а молекул АВ так мало, что скорость синтеза АВ сравняется со скоростью его распада. Установится химическое равновесие. 
.
Еще раз - молекул АВ, по сравнению, с А и В, очень мало (пусть в 1000 раз меньше). Но для ферментов этого достаточно - они обладают очень высокой специфичностью. Пусть один фермент катализирует синтез АВ из А и В, используя тепловую энергию среды, а второй фермент тут же производит другую ферментативную реакцию, используя энергию, выделяющуюся при распаде АВ на А и В, для синтеза другой молекулы с запасенной хим. энергией (подобно нашим ферментам, которые используют энергию глюкозы для синтеза, скажем, АТФ). Тогда концентрация АВ будет близка к нулю - она будет намного меньше, чем должна быть при химическом равновесии. Потому что новосинтезированный АВ тут же используется вторым ферментом для своих темных целей. Но химические реакции всегда стремятся к химическому равновесию, поэтому синтез АВ будет все время продолжаться. А поскольку этому синтезу помогает первый фермент, то его скорость будет достаточно высокой. Разумеется, она будет зависеть от температуры среды.
.
Я специально обращаю внимание на этот вариант, потому что, во-первых, экзотермические реакции, при любой фиксированной температуре, намного чаще бывают прямыми, то есть предпочтительными, чем эндотермические реакции. По простой причине - энергия активации для экзотермической реакции значительно меньше, чем для аналогичной эндотермической реакции. Поэтому выбор подходящих эндотермических реакций ограничен. Если же ферменты могут использовать не только прямые эндотермические реакции, но и реакции, обратные экзотермическим, то это даст им намного больший выбор подходящих вариантов. Во-вторых, здесь имеется замкнутый цикл относительно молекул А, В и АВ. Кроме того, можно сказать, что "единственным результатом" работы такого биохимического ВД2Р с двумя (как минимум) ферментами будет производство некого вещества с запасенной химической энергией. 
.
Некоторые определения ВД2Р включают в себя требование замкнутого цикла, тогда как другие определения содержат условие "единственным результатом работы ВД2Р является превращение тепла в работу". Оба этих требования избыточны. Главное для ВД2Р - это все же сама способность превращения тепла в работу, а при помощи замкнутого цикла или нет, значения не имеет. К хлоропластам же этого требования никто не применяет, вдобавок к самой их способности превращать лучевую энергию в химическую? Что касается "единственного результата работы ВД2Р": а если он вдобавок еще шьет, или дышит, или мило краснеет, то это уже не ВД2Р? Очень уж это неопределенное требование, под него можно подогнать всё, что угодно. Тем не менее, как ни странно, вышеописанный ВД2Р с двумя ферментами удовлетворяет обоим этим избыточным требованиям. То есть это настолько "классический" вечный двигатель 2 рода, насколько это возможно.
.
На этом о биохимических реакциях внутри планет пока всё. Мы просто хотели узнать, возможно ли использовать тепло среды для синтеза молекул с запасенной химической энергией биохимическим путем. С точки зрения химии и биологии - безусловно, возможно. Более того - с достаточной степенью уверенности можно утверждать, что именно био-катализируемые эндотермические реакции являются основным источником энергии для большинства (я не говорю "всех", потому что всегда найдутся отщепенцы) форм жизни, живущих внутри планет. Аналогично - био-катализируемые эндотермические реакции являются основным источником энергии для большинства форм жизни, живущих внутри звезд, только уже не химические реакции, а ядерные. 
.
Вернемся на поверхность Земли. Можно ли создать химические или биохимические ВД2Р здесь? Можно. Но экономической целесообразности они иметь, скорее всего, не будут. Биохимический ВД2Р слишком дорог. Если использовать живые бактерии со специально сконструированными ферментами, эти клетки нужно кормить. Вряд ли производство топлива при их помощи обойдется дешевле, чем, скажем, деревья, которые можно использовать как топливо прямо сейчас (и это тоже возобновимый ресурс). Если же использовать очищенные ферменты, это будет еще дороже. Химический ВД2Р имеет другую проблему: он не работает по замкнутому циклу. В систему поступают одни химические вещества, происходит эндотермическая реакция, продукты смешиваются с другими химическими веществами, происходит экзотермическая реакция и на выходе мы получаем тепловую энергию и третьи химические вещества. Вопрос: где взять столько дешевых и широко распространенных веществ, способных вступать в эндотермическую реакцию? И чтобы все эти реакции и их продукты были достаточно экологичными, не вредили окружающей среде? Кроме этого, на поверхности Земли слишком холодно. При температуре мирового океана порядка 25° С имеется слишком мало тепловой энергии для эндотермического синтеза веществ, которые в ходе последующей экзотермической реакции (скажем, горения) создадут температуру, сравнимую хотя бы с температурой горения дерева (750° С). Градусов 100-200 - возможно. Этого, конечно, достаточно, чтобы вскипятить воду и генерировать электричество при помощи пара. Достаточно для проверки принципа - но не для конкуренции с уже существующими электростанциями. На самом деле, я могу много говорить о ХВД2Р, писать формулы, обсуждать детали. Но вывод останется прежним - экономической целесообразности они не имеют. 
.
Так что ХВД2Р - это пока не для нас. Не помогут они решить энергетические проблемы человечества... Но не расстраивайтесь! Главное ведь мы сделали - поняли, что ВД2Р в принципе возможны. Шоры с глаз сняты - и теперь мы можем открытыми глазами посмотреть вокруг, поскрести по сусекам Мира Идей, не завалялись ли там другие ВД2Р? Оказывается, завалялись. И много. Причем некоторые из них вполне пригодны для практического использования, вполне экономичны и экологичны. Но прежде чем обсуждать "общую теорию ВД2Р", давайте сначала рассмотрим еще один частный случай - ВД2Р, использующий испарение и конденсацию воды. Что может быть экологичней и доступней, ведь воды-то на Земле море? Сгодится любая вода, не обязательно пресная. Более того, эта же технология с небольшими изменениями может быть использована и для опреснения морской воды. А нехватка пресной воды тоже сейчас большая проблема для многих стран. Дешевое, экологичное и возобновимое электричество, обилие пресной воды для орошения пустынь и сельскохозяйственных земель - что еще человечеству надо, чтобы достойно встретить старость?
.
Хм. Зачем старость? Почему старость? В Космос, сукины дети, в Космос! Там быстро помолодеете. Прикованное к Земле человечество действительно ожидает только старость, скупое расходование скудных ресурсов, унылая экологичность, параноидальное стремление к использованию только возобновимых ресурсов (есть такой термин - sustainable development, под этим соусом человечество хотят связать и кастрировать). Тошнит, как представишь. Это не жизнь; это доживание. Нет, вечные двигатели на воде штука полезная, кто бы спорил, а я не буду. И экологичная до предела. Но экологичность не должна быть самоцелью. Это синоним остановки развития, то есть старения человечества. Жизнь вообще не экологична - любой живой организм (особенно животные) потребляет ценные пищевые ресурсы, а выбрасывает в окружающую среду отходы своей жизнедеятельности, в буквальном смысле слова засирая свою среду обитания. То, что имеется цикл, что дерьмо одного организма является ценным пищевым ресурсом для другого организма, отнюдь не заслуга и не сознательная гражданская позиция первого организма. Он просто жрет и, пардон, срет. Такова се ля ви. Так что человечество здесь отнюдь не уникально - мы живые и ведем себя соответственно. Я, конечно, не предлагаю сбросить все моральные ограничения и увеличить темпы загаживания Земли. Просто во всем нужно знать меру - особенно в том, что кажется нам хорошим и единственно верным. Без фанатизма; разумный компромисс между идеальным и возможным. Нужно правильно расставлять приоритеты. Приоритетом для нас должно быть развитие, а не доживание и доедание оставшихся ресурсов.
.
ВД2Р, которые я предлагаю, это всего лишь временное решение накопившихся проблем, заплата, чтобы пережить кризис, не скатившись в войну всех против всех за оставшиеся ресурсы. Настоящее решение стоящих перед человечеством проблем это искусственная гравитация. Она даст доступ к ресурсам астероидов и комет Солнечной системы, а затем и других звездных систем (напоминаю, на другие планеты человечеству лезть нельзя, это настоящее табу). Но об этом позже, давайте сначала закончим с вечными двигателями.
.
Маленькая просьба к постоянным читателям. Не сочтите за труд, сохраните на своих компьютерах все страницы данной ветки. Это несложно сделать: просто нажмите Ctrl+S в своем браузере и затем сохраните страницы в выбранной папке. Займет 3 минуты от силы. И время от времени повторяйте процедуру. Зачем? Просто рано или поздно какие-то организации или корпорации (ЦРУ, NSA, Моссад, нефтяные компании, производители электростанций или опреснительных установок, и прочая) обратят внимание на то, что я здесь пишу. И шансы достаточно велики, что они захотят закрыть свободный доступ к этой информации. Вместе со всем сайтом. Если же они будут знать, что уничтожение сайта не поможет, информация уже рассредоточена на многих компьютерах, атака может вообще не состояться. Я не параноик, это просто одна из мер предосторожности. Backups ведь не только параноики делают, не так ли? Заранее благодарю.