Теория плазмотеплолизерного процесса нагрева воды

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Известно, что для нагрева одного литра воды на один градус требуется 4,19 кДж тепловой энергии или 4,19/3,6=1,16 Втч электрической [1]. Средняя температура теплоносителя отопительных систем 70 град. С. Если принять температуру внутри отапливаемой комнаты, равной 20 град. С, то это означает, что теплоноситель, например вода, подаваемая в батареи отопления, должна нагреваться на 50 град. Тогда на нагрев одного литра воды на 50 град, расходуется 50х1,16=58,20 Втч электроэнергии. Если в отопительной системе циркулирует, например, 10 литров воды, то расход электроэнергии на её нагрев составит 0,582кВтч. Конечно, это теоретическая величина энергии. Она меньше её экспериментального значения, которое зависит от способа нагрева воды или её раствора. Давно используется нагрев воды электронагревателями, в которых напряжение и ток -непрерывные функции.

В этом году появился новый процесс нагрева воды - плазмотеплолизёрный. При этом процессе формируется плазма в зоне катода, которая и нагревает раствор воды. При этом функции напряжения и тока, подаваемые на клеммы катода и анода, теряют непрерывность и процесс их изменения становится импульсным. Так как уже доказано, что импульсные процессы расхода электроэнергии экономнее непрерывных процессов, то возникает необходимость проверить это при плазмотеплолизёрном процессе нагрева раствора воды.

Запатентованные модели плазмотеплолизёров состоят из двух камер: анодной и катодной, которые соединены между собой в нижней части. Рабочая площадь катода многократно меньше рабочей площади анода (рис. 1). Это увеличивает плотность тока на поверхности катода и вокруг него возникает плазма атомарного водорода. Температура этой плазмы зависит от плотности раствора и скорости его прохода через катодную зону. Она изменяется в интервале от 2700 до 10000.

Рис. 1. Двух камерный плазмотеплолизёр

Удельная теплоёмкость водных растворов КОН и NaOH, 1 моль которых растворён в молях воды, представлена в табл. 1. Все данные относятся к давлению 760мм рт. ст. и температуре, указанной в таблице [1].

Таблица 1. Теплоёмкость растворов КОН и NaOH

Атом водорода

Чтобы понимать процесс формирования плазмы атомарного водорода в зоне катода, представим существующую информацию о структуре атома водорода и процессе формирования им температуры в растворе воды. Атом водорода - самый простой атом (рис. 2).

Рис. 2: а) теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии; b) модель атома водорода с воображаемой связью электрона с протоном

Математическая модель для расчёта спектров атомов и ионов (1) не имеет энергии, соответствующей орбитальному движению электрона в атоме водорода [2].

. (1)

Из этой математической модели следует, что электрон в атоме вращается только относительно своей оси симметрии. Так как разноименные электрические заряды электрона и протона сближают их, то роль ограничителя сближения могут выполнить только одноимённые магнитные полюса этих частиц (рис. 2, а). В связи с этим, для последующего описания поведения электронов в атомах, вводим понятие энергетический уровень электрона в атоме вместо понятий орбита и орбиталь.

На рис. 3 показаны энергетические переходы электрона атома водорода, следующие из закона (1) формирования спектров атомов и ионов, из которого следует, что энергия связи электрона с протоном определяется зависимостью [2]

. (2)

Подставляя в формулы (1) и (2) и , получим теоретические значения (теор) спектра атома водорода, полностью совпадающие с экспериментальными значениями (эксп), и энергии связи электрона с протоном (табл. 2).

Таблица 2. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на первом (3) и остальных энергетических уровнях (табл. 2). Поскольку энергия связи протона с электроном на первом энергетическом уровне равна то при имеем [2]

(3)

Рис. 3. Схема сложения энергий фотона , электрона и энергий связи электрона с ядром атома 13,60, 3,40, 1,51 eV... в процессах поглощения; n = 1, 2, 3...- энергетические уровни электрона

Энергия связи электрона с протоном в момент пребывания его на первом (n=1) энергетическом уровне равна = 13,6 eV, а его полная энергия - [2]. После поглощения фотона с энергией электрон переходит на второй (n=2) энергетический уровень и его энергия связи с ядром уменьшается и становится равной =3,4 eV (табл. 2). После поглощения фотона с энергией электрон переходит со второго на третий (n=3) энергетический уровень и его энергия связи с ядром вновь уменьшается и становится равной и т.д. Из схемы (рис. 3) следует закон формирования спектров атомов и ионов (1) и закон изменения энергий связи электрона с протоном (2).

С увеличением энергии связи электрона с ядром (табл. 2) он ближе приближается к ядру атома или глубже погружается в свою ячейку (рис. 2 и 3). Под понятием "ячейка" мы понимаем объем конической формы с вершиной на ядре атома, в которой вращается электрон подобно волчку. Чем больше энергия связи электрона с ядром, тем ближе он расположен к ядру или глубже в своей ячейке (рис. 2 и 3).

Когда электрон излучает фотоны, энергия его связи с ядром атома увеличивается и он погружается глубже в свою "ячейку". При поглощении фотонов энергия связи электрона с ядром уменьшается и он, продолжая вращаться и прецессировать на ядре, удаляется от него, приближаясь к поверхности атома.

Таким образом, атом водорода представляет собой стержень, на одном конце которого расположен положительно заряженный протон, а на втором - отрицательно заряженный электрон. Размер электрона на два порядка меньше размера самого атома, а размер протона на три порядка меньше размера электрона и на пять порядков меньше размера атома (рис. 2 и 3).

Модель атома водорода, показанная на рис. 2, ярко демонстрирует его активность. С одной стороны расположен положительно заряженный протон, готовый вступить в связь со свободным электроном, а с другой - отрицательно заряженный электрон, готовый вступить в связь с протоном или электроном. Вот почему атомы водорода существуют в свободном состоянии только при высокой температуре При этой температуре электроны атомов находятся в возбужденном состоянии, то есть на самых высоких энергетических уровнях, где связь с протонами у них чрезвычайно слаба.

Причину излучения фотонов при сближении электрона с протоном можно описать так. При соосном сближении электрона с протоном разные моменты, вращающие протон и электрон, и разные скорости их вращения относительно одной и той же оси формируют момент сил, который будет тормозить или ускорять вращение электрона. Для восстановления равенства моментов электрона и протона электрон излучает часть своей массы в виде фотона или поглощает его из среды и приближается или удаляется от протона (рис. 3). Из анализа спектра реликтового излучения следует, что электрон атома водорода устанавливает связь с протоном, начиная со 108-го энергетического уровня [2]. Расстояние между протоном и электроном, согласно закону Кулона, в этот момент равно

(4)

В момент установления связи между электроном и протоном излучается фотон с энергией , равной энергии его связи с протоном на 108-м энергетическом уровне. Длина волны и радиус излученного фотона оказываются равными длине волны максимума реликтового излучения [2].

. (4)

После установления контакта между электроном и протоном начинается процесс синтеза атома водорода. Переходя с уровня на уровень и приближаясь к протону, электрон излучает фотоны разных радиусов и энергий.

На рис. 4 представлена осциллограмма двух спектральных линий атома водорода. Первая светлая линия (слева) соответствует второму энергетическому уровню () с энергией связи 3,40eV, а вторая (справа) - третьему ()- с энергией связи 1,51eV.

Рис. 4. Спектр атома водорода: 2-й () и 3-й () стационарные энергетические уровни электрона

Результаты табл. 2 позволяют вычислить энергии фотонов, которые излучает электрон при переходе на второй () стационарный энергетический уровень со всех остальных стационарных уровней (табл. 3 и 4).

Таблица 3. Спектр атома водорода

Таблица 4. Энергии фотонов, излучаемых электронами при их последовательных переходах на второй энергетический уровень

Дальше мы увидим, что светлая зона слева (рис. 4), вблизи спектральной линии , формируется фотонами, излучаемыми при синтезе молекул водорода. Выявленная нами информация о структуре электрона и протона позволяет составить представление о процессе формирования атома водорода.

Можно полагать, что магнитные поля и протона, и электрона подобны магнитным полям стержневых магнитов и поэтому имеют магнитные полюса. Поскольку масса протона значительно больше, чем электрона, то образование атома водорода начнется с приближения электрона к протону.

Так как магнитные поля и протона, и электрона имеют наибольшую напряженность вдоль их осей вращения, то при сближении электрон и протон будут вращаться соосно. Если их противоположные магнитные полюса будут направлены навстречу друг другу, то сближать электрон с протоном будут и электрические, и магнитные силы и протон поглотит электрон.

Известно, что масса покоя электрона , масса покоя протона , а масса покоя нейтрона . Разность между массой нейтрона и протона оказывается равной . Это составляет масс электрона. Таким образом, чтобы протон стал нейтроном, он должен захватить 2,531 электрона. Поскольку поглощается только целое число электров, то возникает вопрос: куда девается остаток массы электрона? Современная физика нарушенный баланс масс в этом процессе объясняет просто: рождением нейтрино.

Изложенное позволяет полагать, что протон может поглощать не единичные электроны, а их кластеры. Однако, в любом случае часть электрона с массой останется не поглощенной. Теперь мы можем сформулировать новую гипотезу о судьбе не поглощенной массы электрона. Не поглощенная часть электрона, не сформировавшись ни в какую частицу, разрушается, превращаясь в субстанцию, которую мы называем эфиром.

Когда же при сближении электрона с протоном навстречу друг другу будут направлены их одноименные магнитные полюса, то кулоновские силы, действующие не вдоль оси сближения, а нормально к тороидальной поверхности электрона, будут сближать его с протоном, а магнитные - отталкивать их друг от друга. Между этими силами установится равновесие, и образовавшаяся таким образом структура будет являться атомом водорода (рис. 2).

Природа сделала электрон таким, что он имеет электрическое поле, близкое по форме к сферическому, и магнитное поле, подобное магнитному полю стержневого магнита. Электрон с ядром атома сближают силы их разноименных электрических полей, а ограничивают это сближение силы их одноименных магнитных полюсов.

Минимальное расстояние, на которое электрон приближается к протону, равно

м (3),

то есть - порядка ангстрема, что согласуется с принятым в современной физике размером атома водорода (рис. 2).

Если размер протона принять равным одному миллиметру, то размер электрона будет около метра, а расстояние между ядром атома водорода (протоном) и электроном окажется около ста метров (рис. 2).

При формировании атома водорода электрон и протон будут сближаться только тогда, когда их спины (вращения) совпадают (рис. 2). Это ограничение сразу формирует второе требование - противоположность направления векторов магнитных моментов электрона и протона . Если действительно существует такая последовательность, то из неё автоматически следует главное различие между электромагнитными структурами электрона и протона: направления векторов спина и магнитного момента у электрона совпадают, а у протона направления спина и магнитного момента противоположны (рис. 2).

Это важное следствие приводит к правилу формирования молекул. Если их формируют валентные электроны, то их спины должны совпадать. Если молекулу формируют протоны (речь идет главным образом о протонах атомов и молекул водорода), то спины протонов, соединяющих атомы в молекулы, также должны совпадать. Руководствуясь этим правилом, мы будем строить структуры различных молекул.

Модели молекулы водорода

По мере уменьшения температуры среды электроны атомов водорода переходят на нижние энергетические уровни (приближаются к протонам). Их связь с протонами становится прочнее, и появляются условия для соединения в единую структуру двух протонов и двух электронов (рис. 5).

Рис. 5: а) - схема молекулы ортоводорода с энергиями связи; b) - процесс синтеза молекулы ортоводорода с излучением фотонов электронами [4] с) параводород; d) излучение фотонов электронами параводорода

Известно, что энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы - 4,53eV. Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов. Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV.

Так как фотоны излучают электроны, то при формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает вопрос: на каких энергетических уровнях должны находиться электроны в атомах водорода перед тем, как они начнут объединяться в молекулы?

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV, а когда на втором, то - 3,4eV (табл. 3 и 4). Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,4eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на 2-й (примерно) энергетический уровень. В этом случае он излучит фотон с энергией (табл. 3, 4).

. (6)

Фактически он излучает фотон с меньшей энергией 2,26eV и оказывается не на 2-ом энергетическом уровне, а между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию (табл. 2 и рис. 4).

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией, то в молекулярном спектре появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (рис. 4) между спектральными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням атома водорода, указывает на то, что электроны атомов водорода, переходя с 4-ых и других энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается равной 2,26eV.

Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур. В результате энергии связи между протонами и электронами в молекуле ортоводорода оказываются такими, как показаны на рис. 5, а.

Два протона и два электрона, как принято в современной химии, образуют структуру с довольно прочной связью, равной 436 кДж/моль. В расчете на одну молекулу это составит

, (7)

а на один атом - 2,26 eV (рис. 5, а).

На рис. 4, а, b атомы водорода связывают в молекулу их электроны. Направления векторов магнитных моментов обоих электронов совпадают. Данную структуру назовем ортоводородом. Обратим внимание на то, что на концах модели водорода разные магнитные полюса. Это значит, что она может обладать некоторым магнитным моментом. Этому факту придали смысл совпадения векторов магнитных моментов протонов и назвали такую структуру ортоводородом.

Обратим внимание на логические действия Природы по образованию такой структуры молекулы водорода (рис. 5, а). Электростатические силы взаимного притяжения первого электрона и первого протона уравновешиваются противоположно направленными магнитными силами этих частиц. Именно поэтому векторы и их магнитных моментов направлены противоположно. Электростатические силы отталкивания, действующие между первым и вторым электронами, уравновешиваются сближающими их магнитными силами, поэтому направления векторов обоих электронов совпадают.

Отметим важный момент. В структуре ортоводорода (рис. 5, а) формируется электрон - электронная связь, а в структуре параводорода (рис. 4, с и d) электрон - протонная связь. Поскольку векторы магнитных моментов электрона и протона, расположенных на краях этой структуры, направлены противоположно, то общий магнитный момент такой структуры близок к нулю (рис. 5, c и d).

Интересно отметить, что в смеси молекул водорода - ѕ молекул ортоводорода. Однако при уменьшении температуры газа все молекулы ортоводорода (рис. 5, а) превращаются в молекулы параводорода (рис. 5, b). Причиной этого является увеличение сил отталкивания между электронами ортоводорода. При уменьшении температуры расстояние между этими электронами уменьшается, электростатические силы отталкивания увеличиваются и молекула ортоводорода (рис. 5, а) разрушается, превращаясь в молекулу параводорода (рис. 5, b).

Настала очередь проанализировать существующие представления о химической связи между атомами в молекулах. Они описываются несколькими теориями.

Ионная теория связи описывает связи, устанавливаемые между противоположно заряженными ионами. На основании этого связь между первым протоном и первым электроном, а также между вторым электроном и вторым протоном в молекуле ортоводорода (рис. 5, а) считается ионной.

В соответствии с теорией ковалентной связи, ее образуют два не спаренных электрона двух атомов. Такую связь мы видим между первым и вторым электронами молекулы ортоводорода (рис. 5, а). Правильнее было бы назвать связь между электронами просто электронной связью, между протонами - протонной связью и связь между электроном и протоном - электронно-протонной связью.

Теория водородной связи описывает химические связи, реализуемые атомом водорода. Схема атома водорода (рис. 2) указывает на то, что атом водорода является идеальным звеном для связи между атомами. Эту связь формируют как кулоновские силы протона и электрона, так и их магнитные силы. Плазмотеплолизёрные химические процессы

В межфазной границе "плазма - раствор" будут протекать одновременно следующие химические реакции:

. (8)

И

 (9)

Так как перед тем, как начать формировать молекулу водорода, электрон атома водорода должен опуститься со 108-го энергетического уровня на 4-й энергетический уровень, то при образовании одного моля (mol) атомарного водорода выделится энергия (табл. 3).

(10)

При температуре ниже 2700С атомы водорода соединяются в молекулы. Энергия, которая при этом выделяется, как считают химики, равна 436 кДж/моль. При соединении молекулы водорода с атомом кислорода образуется молекула воды с выделением энергии 285,8 кДж/моль. Если отнестись с доверием к приведенным величинам энергии, которая выделяется последовательно при синтезе атомов водорода, молекул водорода и молекул воды, то учитывая, что в молекуле воды два электрона принадлежат двум атомам водорода и то, что один литр синтезируемой воды имеет 55,56 молей молекул воды, то в этом случае выделится следующее количество энергии [1]

; (11)

; (12)

. (13)

Суммируя полученные результаты, имеем 175332,81 кДж/л. воды. Это - потенциальная энергия, которая может выделиться при описанном последовательном синтезе одного литра воды, если выделяющиеся газы: водород и кислород будут сгорать в зоне плазмы. Количество этой энергии почти в шесть раз больше энергосодержания одного литра бензина (30000 кДж) [2].

Если же часть этих газов будет уходить из зоны плазмы и выделяться в анодной и катодной камерах (рис. 1), то величина энергии 175332,81 кДж/л. будет меньше. Для её уточнения необходимо измерить объёмы указанных газов, выходящие из анодной и катодной камер в единицу времени.

Масса водорода, полученного из одного литра воды, равна гр. Энергосодержание одного грамма молекулярного водорода равно 142 кДж, а - водорода, полученного из одного литра воды, рано

(14)

Это почти в два раза меньше энергосодержания одного литра бензина (30000 кДж). Теперь приведем вариант расчета энергии, выделяющейся при плазмотеплолизёрном процессе, когда образующиеся газы: водород и кислород не сгорают в плазме, а выходят в свободное состояние и их надо удалять из анодной и катодной камер.

В данном случае при синтезе одного атома водорода выделится энергия (13,598-12,748)=0,85 eV (табл. 3 и 4). А при синтезе одного моля атомарного водорода выделится энергия [2]

(15)

Так как в одной молекуле воды два электрона двух атомов водорода, то при синтезе одного литра воды, содержащего 55,06 молей, выделится энергия

(82,0х55,06х2)= 9029,84 кДж/л. (16)

Суммарное количество энергии при синтезе атомов водорода (16) и молекул водорода (12) в катодной камере окажется таким

(9029,84 + 24006,16)= 33036,0 кДж/л. (17)

Это больше, чем при сжигании одного литра бензина (30000 кДж) или водорода (14), полученного из одного литра воды.

Итак, водородная плазма в катодной камере может генерировать при плазменном электролизе воды в процессе разложения одного литра воды на водород и кислород 33036,0 кДж энергии. Это в (33036,0/30000)=1,10 раза больше энергии, получаемой при сжигании одного литра бензина.

Таким образом, чтобы получить дополнительную энергию, необходимо вначале синтезировать атомы водорода, а затем молекулы водорода. Процессы их синтеза и являются главным источником дополнительной тепловой энергии, но при обычном электролизе воды, эта тепловая энергия не генерируется, так как молекулы водорода выделяются из кластеров ионов воды в синтезированном состоянии [3].

Дополнительную тепловую энергию генерируют фотоны, излучаемые электронами. Откуда они берут её? Рассматривая модель электрона (рис. 6), мы установили, что он может существовать в свободном состоянии только при строго определенной его электромагнитной массе.

Рис. 6. Схема модели электрона

При соединении с протоном ядра атома, он излучает часть энергии в виде фотонов и его электромагнитная масса уменьшается. Но стабильность его состояния при этом не ухудшается, так как энергию, унесенную фотоном, компенсирует энергия связи электрона с протоном ядра атома. Как только электрон отделится от атома и окажется в свободном состоянии, то для поддержания своей устойчивости он должен восстановить свою массу, соответствующую его свободному состоянию. Где он возьмет её? Источник один - окружающая физическая среда (физический вакуум) в виде эфира. Из этой среды он и восполняет потерянную энергию (массу) в виде излученного фотона, поглотив часть субстанции, которую мы называем эфиром. Восстановив константы (массу, энергию, заряд), электрон приобретает устойчивое свободное состояние.

Как только сформируются условия для вступления электрона в связь, то, устанавливая её, он сразу же излучает энергию в виде фотонов. При новой стадии свободного состояния он вновь восстанавливает свои константы (массу, заряд, энергию), поглощая эфир из окружающей среды. Таким образом, электрон трансформирует энергию эфира в энергию фотонов [3]. Расчёты показывают, что электроны химических элементов Солнца излучили за время существования Солнца количество световых фотонов, масса которых равна массе современного Солнца. Это убедительное доказательство того, что эфир - разряжённая субстанция, заполняющая всё космическое пространство, является первичным источником формирования всех фотонов, в том числе и тепловых [3].

Тут возникает сразу такой вопрос: есть ли свободное пространство в атомах любого вещества, которое может служить источником эфира, поглощаемого электроном при восстановлении им своих констант? Ответ следует из геометрических параметров атома, а они таковы: если размер ядра атома представить равным одному мм, то размер одного электрона в атоме будет около метра, а размер самого атома около 100 метров. Так что в атоме достаточно свободного пространства, заполненного эфиром, необходимым электрону для восстановления своих констант после потери связи с протоном ядра атома или с электроном соседнего атома.

Из изложенного следует, что источником дополнительной тепловой энергии является эфир, а преобразователем энергии эфира в энергию фотона - электрон [3]. Поскольку тепловая энергия - совокупность тепловых фотонов, излучаемых электронами, то первичным источником тепла является эфир и нам надо искать экономные процессы преобразования энергии эфира в энергию тепла. плазмотеплолизерный фотон водород

Приведенные результаты расчетов показывают возможность получения дополнительной тепловой энергии при реализации плазмотеплолизёрного процесса. Аналогичные процессы генерирования тепловой энергии происходят и при явлениях кавитации воды, молекулы которой в данном случае разрушаются механически, а их повторный синтез генерирует тепло [3].

Поскольку при плазменном процессе напряжение и ток изменяются импульсно, то есть основания ожидать появление дополнительной энергии в плазменном процессе нагрева раствора воды. Не исключено участие в этом процессе холодной трансмутации ядер новых атомов на поверхности катода, а также процессов синтеза атомов новых химических элементов, которые, как известно, также сопровождаются выделением тепловой энергии. Результаты экспериментальных исследований будут представлены в следующей статье.

Литература

1. Никольский Б.П. Справочник химика. Том II. М-Л. Госхимиздат 1962.

2. Канарёв Ф.М. Начало физхимии микромира. 15-е издание. http://www.micro-world.su/

3. Канарёв Ф.М. Импульсная энергетика. Том II монографии «Начала физхимии микромира». http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/228

4. Мыльников В.В. Визуализация атомов, ионов, молекул и кластеров. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-46-00/584-2012-04-03-13-51-47

Размещено на Allbest.ru