Бета-версия "Доказательств" готова!

[macroevolution]

Ура! Я добил все-таки первую пробную версию "Доказательств эволюции" (в 10 частях)
Спасибо всем, кто помог!
Я не забыл все замечания и пожелания, высказанные в предыдущем обсуждении ! Но пока не все учел, т.к. жду, что появятся новые, да и теперь смотреть на все целиком, наверное, удобнее. Я помню те советы и учту их.

Моя особая гордость - оригинальный раздел №9  "Этические и эстетические аргументы" (сам придумал, как бы. Этого не было в моих источниках, или по крайней мере я не заметил).

Спасибо особое nikola_borisov за присланные материалы. И я с нетерпением жду того же от afranius, tinmonument, asafich, равно как и от не представленых в ЖЖ Андрея Журавлева и Алексея Шипунова. Люди, вы же писали чего-то такое для несостоявшейся книги! Присылайте, please!

Comments

[pogorily.livejournal.com]

>Что касается формулы Карно - то она дает верхний предел КПД только для идеально-газового ТД. Для негазовых ТД КПД может быть на порядки больше. Пример: мышечное сокращение.

Вот здесь вы неправы.
Формула Карно дает верхний предел КПД преобразования тепловой энергии (за счет разницы температур) в механическую работу. Этот же предел относится и к преобразованиям тепла в любую "безэнтропийную" энергию, например, прямое преобразование тепла в электричество термоэлементами (эффект Зеебека - преобразование тепла и в электричество и эффект Пельте - преобразование электричества в тепло с охлаждением холодного спая, имеют те же ограничения по КПД, что тепловая механическая машина и механический холодильник). Эта формула - прямое следствие фундаментального закона термодинамики о неубывании энтропии. Ее нарушение дало бы возможность создать вечный двигатель второго рода, а именно - потратить полученную энергию (электрическую или механическую) на работу холодильника, а полученную разность температур рабочих тел использовать в первой части (преобразователе тепла в нетепловую энергию, котрой было бы выработано больше, чем потрачено холодильником). Закон сохранения энергии при этом соблюдается (т.е. вечного двигателя первого рода нет), энергия берется из внешней среды холодильником (его "горячей" частью) и устройством выработки "неэнтропийной" энергии (тоже "горячей" частью).

Так что формула Карно, выведенная им для весьма частного случая (преобразование тепла в механическую работу двигателем на идеальном газе) носит куда более фундаментальный и всеобщий характер.

Что же касается КПД мышц - там нет промежуточного этапа преобразования энергии химических связей в тепло. Химическая энергия напрямую (конечно, через целый ряд промежуточных химических реакций, но без преобразования ее в тепловую) преобразуется в механическую.
В этом случае термодинамика вообще не имеет отношения к вопросу.
Примеров подобных процессов с высоким КПД (теоретический предел 100%) очень много. Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот. Преобразование химической энергии в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах и обратное (электрической в химическую) в аккумуляторах.

Если я недостаточно внятно объяснил, прошу задавать вопросы.

[nikola-borisov.livejournal.com]

Спасибо за очень подробное объяснение.

Насчет формулы Карно - согласен с Вами, был неправ: она справедлива не только для газов, но и вообще для всех рабочих тел, большие коллективы частиц которых совершают хаотические (тепловые) движения в пространстве.

Кстати, можно (мысленно) представить себе "нано-двигатель", цилиндр которого - ну, скажем, углеродная нанотрубка (положим цилиндрическую поверхность этой трубки теплоизолирующей). С одного конца такая трубка "наглухо запаяна", запаянное "дно" контактирует с нагревтелем температуры Т1. С другого конца трубку закрывает скользящий (без трения) поршень, за поршнем поддерживают температуру Т2 < T1. Внутрь трубки помещены единичные молекулы (для простоты можно считать, что молекула в трубке всего одна). Ясно, что система из одной молекулы (да хотя бы и десяти молекул) термодинамикой не описывается (ибо для таких систем бессмысленно понятие температуры). Вопрос: может ли КПД такого "нано-двигателя" быть больше, чем (Т1-Т2)/Т1 (но, разумеется, меньше единицы)?

Что касается аналогии преобразования электрической энергии в механическую в электромоторе и химической в механическую в молекулярном моторе, из большого коллектива которых состоят мышцы, - то нет ли тут одной принципиальной разницы, и вот какой: в электромоторе такое преобразование происходит на макроскопическом уровне (энергия макроскопического электромагнитного поля передается макроскопическому ротору). В мышцах же каждый акт передачи энергии от АТФ миозину - микроскопический, а корреляция между движениями больших коллективов молекул миозина обеспечивается благодаря ориентации мышечных волокон на тканевом уровне и саркомеров на субклеточном.

Продолжая мысленный эксперимент с нанотрубками, допустим, что удалось ориентировать параллельно какому-либо направлению большие коллективы наших нанотрубок (скажем, с помощью электрического или магнитного поля, предварительно включив в нанотрубки ионы или ферромагнтиные частицы). Опять вопрос: может ли такой макроскопический двигатель из нанотрубок иметь КПД > (Т1-Т2)/Т1 (но, разумеется, меньше единицы)?

[pogorily.livejournal.com]

Честно говоря, не очень хочется об этом думать (насчет теплового двигателя с единственной молекулой).
Из общих соображений ясно, что все сведется к "демону Максвелла" какого-либо вида. То есть что на организацию на уровне отдельных молекул уйдет больше энергии, чем получится с ее (организации) использования.
Я "вечные двигатели" придумывал когда в школе учился. Об одном из них, почему он не будет работать, понял только в институте.

Что касается электродвигателя - там тоже микроскопические явления (тепловое движение электронов в металле), организованные внешним фактором - наложенным электрическим полем. Именно это и есть электрический ток, причем скорость дрейфа электронов в металле (регулярного их перемещения, образующего ток) в очень много раз меньше скорости их теплового движения.
Сходная ситуация и в гальваническом элементе или аккумуляторе (т.е. преобразовании химическая - электрическая энергия в любую сторону). Там отдельные акты химических реакций идут в обе стороны, без тока зарядного или разрядного они находятся в равновесии. А ток (вызываемый внешней цепью) придает процессу направленность.

[nikola-borisov.livejournal.com]

на организацию на уровне отдельных молекул уйдет больше энергии, чем получится с ее (организации) использования.

Такое возражение годится и для мышцы. Для того, чтобы ее вырастить, надо затратить энергию, большую, чем работа, которую она совершает.

Тогда в чем разница между коллективом ориентированных нанотрубок и мышцей? И может ли коллектив нанотрубок иметь КПД, сравнимы с КПД мышцы? Если нет, что почему? Потому, что в первом случае скорость движения молекул рабочего тела во всех направлениях порядка sqrt(kT/m) (т.е. тепловая), а в втором - для направленного смешения вдоль молекул актина она существенно еньше, чем для хаотичных тепловых колебаний?

[pogorily.livejournal.com]

Спасибо, вы раскрыли аспект, о котором я как-то не подумал ни разу.
Действительно, во всех машинах, не имеющих термодинамического ограничения по КПД, скорость дрейфа рабочих частиц (будь то электроны или молекулы) пренебрежимо мала в сравнении с тепловой.

[nikola-borisov.livejournal.com]

Действительно, во всех машинах, не имеющих термодинамического ограничения по КПД, скорость дрейфа рабочих частиц (будь то электроны или молекулы) пренебрежимо мала в сравнении с тепловой.

Интересно, можно ли этот нетривиальный вывод показать в виде теоремки, аналогичной теореме Карно? Аспирантам что ли задачку такую предложить?

Кстати, вот еще о чем подумал: отличие от тепловых и электрических машин, а также термоэлектрических, гальванических элементов, светодиодов/фотодиодов и др., молекулярные моторы (по крайней мере, естественные моторы, работающие от гидролиза АТФ) - необратимы. Хотя бы потому что гидролиз АТФ - необратимый процесс, управляемый АТФазами, а обратный процесс - синтез АТФ - тоже необратим и управляется другими белками -АТФ-синтазами. Насчет искусственных молекулярных моторов - надо луркать, может что-то уже и сделали. По-крайней мере, Гугл на "reversible molecular engine" не выдает ни одного примера уже работающего устройства, и Пабмед - тоже. Еще раз спасибо за чудесную дискуссию, заставившую меня луркать даже у Сивухина :)