Энергетики

Вид материала

Документы

Содержание Часть вторая 1.2. Структура и механизм распада молекул азота 1.3. Баланс продуктов азотной реакции 1.4. Теплота азотной реакции 1.5. Источники плазмы и электронов

Подобный материал:

• Программа повышения квалификации профессорско-преподавательского состава высших учебных, 183.06kb.
• «интехэко» инновационные технологии и экология, 139.9kb.
• Энергетическая революция: Перспективы устойчивого развития энергетики, 120.47kb.
• Министерство Энергетики России. Сдоклад, 56.14kb.
• Проблемы безопасности атомной энергетики и их значимость для Нижегородской области, 510.75kb.
• Программа рекомендована к изданию учебно-методическим объединением по направлениям, 87.69kb.
• Моделирование экономической устойчивости систем энергетики, 442.65kb.
• Инновационные технологии возобновляемой энергетики, 126.63kb.
• Исполнительный орган государственной власти липецкой области управление энергетики, 20.61kb.
• Курс евро-лев: приблизительно 1: 2 Цена бензина А95: 2,42 лева за 1 литр (на 21 июля, 739.68kb.

^ ЧАСТЬ ВТОРАЯ


ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ


1. Азотная реакция в воздушной среде

1.1. Немного предыстории

Задолго до появления книги Д.Х. Базиева /3/ были известны случаи, когда энергия взрыва превосходила расчетную или теоретически возможную. В первую очередь это относилось к взрывам запыленного воздушного пространства: в угольных шахтах, на элеваторах, мукомольных и других пылеобразующих производствах. Без теории трудно было понять причину взрывной энергии. Тем не менее, поскольку кроме воздуха и пыли в облаке ничего не было, то помимо обычного сгорания органического вещества в кислороде воздуха, причина могла быть только в участии оставшейся части воздуха – азота. Механизм же азотной реакции оставался неизвестным.

Повторим необходимые условия частичного распада азота с выделением энергии связи его элементарных частиц /3,4/. Таких условий два: первое условие – наличие плазмы, как состояния, ионизированного раздробленного вещества, хотя бы на атомы; второе условие – наличие электронов – генераторов энергии. В случае недостатка электронов, когда коэффициент размножения менее трех, может идти затухающая ядерная реакция частичного распада вещества, в частности, и азота – частичный фазовый переход высшего рода (ФПВР). В отличие от полного распада, при частичном расщеплении вещества сохраняются его физико–химические свойства вследствие малости дефекта массы. Поэтому продукты азотной реакции не превращаются в радиационное излучение как при полном распаде, а вступают в химическую реакцию между собою, образуя, в основном водяной пар. То есть азотная реакция (с окислением до ) является экологически рациональной по сравнению со сгоранием органического топлива (с окислением до ) и с ядерной реакцией (с полным распадом радиоактивных веществ). Азотная реакция не засоряет атмосферу вредными химическими веществами, не вызывает потепления атмосферы (с угрозой катастрофы) из–за , не засоряет пространство радиоактивными веществами.

Во вторую очередь следует указать на избыточную энергию термоядерных взрывов. Так, Д. Х. Базиев /3/ указывает, что накопленные в результате распада заряда урана электроны становятся генераторами энергии, расщепляя осцилляторы атмосферного воздуха – азот и кислород. При этом выделившаяся при взрыве энергия на 2…3 порядка была выше расчетной.

Что же становится с испорченными атомами азота, кислорода, испытавшими дефект массы? Может быть мы, используя воздух как ядерное топливо, сделаем атмосферу непригодной для обеспечения жизни на Земле? Для подтверждения своей теории и, в частности, того, что магнитное поле есть поток мелких положительно заряженных элементарных частиц – электрино, Д. Х. Базиев сделал следующий опыт /4/. Пробирки с водой были помещены между полюсами постоянного магнита в магнитное поле более сильное, чем земное. Расчет был на то, что с течением времени электрино должны осесть на молекулы воды, имеющие противоположный – отрицательный – избыточный заряд. При этом масса воды в пробирках должна увеличиться, что и произошло на самом деле. Таким образом, была подтверждена материальная, а не волновая природа магнитного поля. Но это еще не все, и может быть не самое главное: пробирки после опыта были оставлены в фоновом магнитном поле Земли, и через некоторое время масса воды в них стала равна исходному значению. Это значит, что масса элементарных частиц в молекулах вещества зависит от внешних условий и находится в равновесии с природой. Поэтому азот, кислород, вода после частичного ФПВР восстанавливаются в природных условиях и находятся в определенном равновесии между собой.

То есть, если природу использовать не варварскими методами, как в случае с ядерным (урановым) и органическим топливом, а щадящими методами типа рассматриваемой азотной реакции, то равновесие в природе поддерживается автоматически за счет круговорота вещества и энергии во Вселенной.

^ 1.2. Структура и механизм распада молекул азота

Известно, что молекулы азота распадаются на атомы или с ними происходят некоторые превращения, например, N₂  CO /14/, при подведении к ним энергии. Это может быть: нагревание, удар, взрыв, излучение, электрический разряд и т. п. Так, при 5000ºС диссоциирует на атомы более 95% азота, а при давлении 70 Па азот распадается на атомы уже при тлеющем электрическом заряде. Однако механизм процесса распада и превращения азота не разработан. Для понимания механизма распада рассмотрим сначала структуру молекулы азота.

Пожалуй, единственно достоверным фактом является японская фотография молекул золота, рассмотренная Д. Х. Базиевым /3/. На ней изображена совокупность неправильных сфер при увеличении в раз, которые авторы посчитали за молекулы. По теории же Базиева сфера – это глобула (пространство) внутри которого в вакууме совершает возвратно–поступательное и вращательное (для газа и жидкости) движение одна молекула вещества. Размер молекулы примерно на три порядка меньше размера глобулы. Электродинамическое взаимодействие с соседями, расписанное в /3,4/, осуществляется за счет внешней энергии. Однако, расход энергии небольшой ввиду того, что движение молекулы происходит в вакууме и практически безынерционно.

Высокая скорость вращения молекулы требует для ее устойчивости к электродинамическим нагрузкам тщательной балансировки. То есть масса молекулы и ее частей хорошо уравновешена относительно оси вращения. Поэтому никаких выступающих частей просто не может быть, так как при превышении механической прочности несбалансированные тела вращения разрушаются, распадаются, рассыпаются на механически устойчивые фрагменты. Из условия минимума поверхностной энергии самыми устойчивыми будут сферические структуры (по аналогии, например, с каплями воды) или близкие к ним. В наибольшей мере условию устойчивости отвечает сфера из 12-ти нуклонов, в отдельности представляющая углерод ¹², а также – отдельный нуклон – нейтрон или атом водорода.

Исходя из двух условий (сбалансированности и минимума энергии) молекулу азота можно представить в виде двух сфер типа ¹² на одной оси с расположенными между ними, соответственно, четырьмя нуклонами и двумя электронами связи симметрично относительно оси.

При нагревании газа увеличивается частота колебаний и скорость молекулы, диаметр глобулы и, соответственно, силы взаимодействия с соседями, которые при превышении прочности молекулы приводят к ее распаду на фрагменты.

При попадании на молекулу заряженной частицы (при облучении, электрическом разряде …) во-первых, может случиться распад вследствие прямого ударного действия, если оно превышает прочность соединения частей молекулы в единое целое; во-вторых, возникает разбалансировка молекулы, приводящая к ее распаду по указанной причине. Во всех трех случаях – неконтактное электродинамическое, прямое ударное действие и разбалансировка – необходимо превысить некоторый энергетический порог – энергию активации. Энергию активации можно уменьшить, применяя катализаторы.

Теперь, зная структуру молекулы и механизм распада, можно анализировать на какие устойчивые фрагменты может расщепляться молекула азота. При симметричном распаде могут получиться два атома азота, но они сами по себе имеют фрагмент типа ¹² и два нуклона – атома водорода. То есть атом азота окончательно может распасться на углерод ¹² и два атома водорода ¹. При несимметричном распаде можем получить из молекулы азота один атом углерода ¹² и один атом кислорода ¹⁶ или – два атома ¹² и четыре атома ¹. Этому также способствует то, что разламывание молекулы азота на две части происходит в местах их соединения, то есть по двум электронным мостикам, которые (электроны) выламываются вместе с прилегающими к ним нуклонами – атомами водорода: как бы отрывается готовая молекула водорода , которая распадается в свою очередь на отдельные атомы и электроны. В конечном итоге азот может с наибольшей вероятностью распадаться на три наиболее устойчивых элемента: ¹², ¹⁶, ¹. При распаде молекулы азота становятся свободными также два электрона связи, которые тотчас обращаются в генераторы энергии, производя частичный ФПВР фрагментов плазмы.

Почему же из наиболее устойчивых частиц преимущественно образуется вода (водяной пар)? При распавшемся азоте в плазме много атомов кислорода, структурно представляющих сферу типа ¹² с четырьмя нуклонами типа ¹, а также – две дырки еще для двух нуклонов типа ¹ так, чтобы, когда их шесть (в виде бублика, лежащего на сфере) в наибольшей степени отвечать не только условию сбалансированности, но и минимума поверхностной энергии. То есть, атом кислорода, имея в своей структуре две дырки, как два гнезда в обойме нагана, только и ждет, когда появляется два атома водорода, чтобы их заполнить … и образовать молекулу воды . Недаром в химической литературе везде отмечается, что активный (атомарный) водород “выхватывает” атомы кислорода, независимо то того, в свободном они или в связанном состоянии.

Таким образом, распад азота с образованием воды может идти по следующим реакциям:

(1), (2), (3).

Как видно, в реакции (1) образуются соседние по таблице Менделеева элементы, и это является общим свойством веществ: образовывать соседние элементы. Поэтому два элемента углерода, например, из реакции (2), имея избыточный положительный заряд и объединяясь с помощью электронов в двухмостиковую молекулу , снова распадаются, образуя соседей: бериллий и азот. Азот опять следует, например, реакции (2), а бериллий аналогично образует двухатомную молекулу, из которой снова получаются соседи и т. д. При этом кислород и водород образуют водяной пар, а оставшийся углерод выпадает в виде графита, то есть в конечном итоге из азота получаются и остаются наиболее устойчивые вещества:

(4).

^ 1.3. Баланс продуктов азотной реакции

Как известно, объемные доли азота и кислорода в воздухе составляют, соответственно, 0,79 и 0,21. Зная плотности азота , кислорода и воздуха (при нормальных условиях: 0ºС и 760 мм рт. ст.), найдем массовые доли азота и кислорода

;

.

Относительное число молекул азота (к молекулам кислорода) найдем из уравнения баланса массы

, откуда

.

Относительное число молекул кислорода (к сумме молекул азота и кислорода в воздухе) – по определению (совпадает с объемной долей).

Зная механизм распада азота, можем сделать расчет и составить баланс продуктов азотной реакции. При этом будем иметь в виду, что распаду подвергаются все без исключения молекулы азота, и весь водород переходит в воду.

В свою очередь, образование воды идет своим известным цепным механизмом /9/. Звенья цепочки реакций имеют меньший активационный барьер, чем прямая реакция (3), что снижает затраты энергии на возбуждение реакции. Особенностью цепной реакции является ее разветвление на реакцию, ведущую к образованию воды , и – реакцию, ведущую к образованию малоактивного радикала , прерывающего цепочку реакций, особенно на холодных границах зоны реакции. То есть, если азот является ускорителем реакции, то кислород, как видно, является замедлителем реакции и поэтому должен частично остаться в продуктах реакции.

Для расчета количества кислорода-замедлителя, оставшегося в продуктах азотной реакции, представим объем зоны реакции в виде куба с ребром, условно вмещающим 10 молекул воздуха. Тогда количество молекул в объеме куба будет, соответственно, , а на границах куба . С учетом соотношения молекул кислорода и азота в воздухе количество молекул кислорода на границах зоны реакции будет

.

Количество молекул оставшегося неиспользованным кислорода-замедлителя на границах зоны реакции с учетом равной вероятности () разветвления реакции (на ее продолжение и прерывание) будет:



или молекулы О₂ на каждую молекулу О₂ в воздухе.

Уравнение баланса продуктов азотной реакции (на одну молекулу кислорода воздуха) в общем виде можем записать так:

(5).

Коэффициенты в (5) определим следующим образом.

Целое число молекул (на одну молекулу ):

.

Коэффициент (как остальное )



Теперь уравнение баланса азотной реакции при принятых условиях будет иметь вид:

(6).

Массовые доли продуктов реакции:

– водяной пар (вода) ;

– углерод (графит) ;

– кислород (замедлитель) ;

– водород (в составе воды) .

Коэффициенты и параметры могут меняться от условий проведения азотной реакции.

^ 1.4. Теплота азотной реакции

Поскольку нам неизвестны дефекты массы продуктов азотной реакции, в первом приближении можем определить теплоту реакции по теплотворной способности водорода .

Доля водорода в азотной реакции по уравнению (6) составляет 0,101 кг на каждый килограмм воздуха. Отсюда – теплота азотной реакции (по теплотворной способности водорода) на 1 кг воздуха составит:

воздуха.

Теплота азотной реакции на 1 кг топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) из расчета ~30 кг воздуха на 1 кг топлива (с учетом коэффициента избытка воздуха) составит

топлива,

что в 9 раз больше, чем теплотворная способность топлива. Для обеспечения теплотворной способности 1 кг топлива достаточно 4-х кг воздуха, что в 7…8 раз меньше расхода воздуха в ДВС. Для реальных условий указанные цифры будут меньше, но все равно они экономически и экологически выгодны, так как энергия берется из воздуха.

^ 1.5. Источники плазмы и электронов

В чистом воздухе источником плазмы, как состояния ионизированного вещества, и электронов является сам воздух, составляющие его ионы и молекулы в основном азота и кислорода. В предыдущем материале достаточно подробно был изложен механизм расщепления азота, кислорода на фрагменты и – образования воды. При распаде молекул становятся свободными электроны, связывающие атомы. Эти электроны начинают ФПВР путем взаимодействия с атомами и другими фрагментами, отрывая мелкие частицы-электрино, как это было описано выше.

Зная количественный состав воздуха , легко подсчитать количество электронов при разламывании двухмостиковой молекулы азота (освобождается 2 электрона) и одномостиковой молекулы кислорода (1 электрон):



(на одну молекулу кислорода в исходном воздухе).

Так же, по уравнению (6) видим, что в результирующих продуктах азотной реакции в свободном и связанном состоянии имеется 7,6 атомов кислорода (на одну молекулу в исходном воздухе). Таким образом, на каждый атом кислорода приходится по электрона, что обеспечивает реакцию интенсивнее, чем горение (до ) примерно в раз (по соотношению количества атомов на одну молекулу кислорода и электронов), что совпадает с отношением теплотворной способности воздуха и топлива. Однако полученное количество электронов не обеспечивает незатухающую ядерную реакцию, что, впрочем, нам и не надо, и даже вредно.

В реальных условиях плазму можно создать не во всем объеме воздуха, а в некоторых микрозонах с концентрацией ионизирующего воздействия в локальной области пространства, заполненного воздухом, в том числе, вблизи стенок камеры, на которые нанесен, например, катализатор. Поэтому может быть недостаточно электронов для начала азотной реакции или реакция будет слабой и быстрозатухающей. Для увеличения энергетической емкости азотной реакции следует вводить в зону реакции вещества, богатые электронами: углеводороды (топливо), алюминий и его окислы (алюминиевая пудра), микрокремнезем, алюмосиликаты и другие, которые подбираются опытным путем.