6. вода – источник тепловой энергии вводная часть

6. ВОДА – ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Вводная часть
Энергетическая эффективность воды не ограничивается получением из неё дешевого водорода. В последние годы проведено большое количество экспериментов, доказывающих возможность получения дополнительной тепловой энергии из воды. Происходит это в процессах кавитации воды и воздействия импульсного тока на её ионы и кластеры.

Ниже мы опишем серию экспериментов, которые показывают, что вода может генерировать значительное количество дополнительной тепловой энергии, выявление которой блокировалось ошибочным электротехническим законом сохранения энергии. Мы продолжим анализ этой ошибочности, чтобы специалистам было легче разобраться в её сути.
6.1. Плазменный электролиз воды
Первый в мире патент на плазмоэлектролитическую ячейку был получен в СССР в 1987 г [21]. Самая простая плазмоэлектролитическая ячейка представлена на рис. 78. Её корпус изготовлен из диэлектрического материала. Раствор в ячейку подаётся снизу через трубчатый катод 5. Так как площадь анода 3 значительно больше работающей площади двух катодов 4 и 5, то в зонах (Р-Р) катодов возникает плазма.

Поскольку в плазме идут хаотические процессы, то её сопротивление меняется также хаотически. Осциллограммы напряжения (рис. 79), тока (рис. 80) и мощности (рис. 81), полученные с помощью электронного осциллографа «Handyscope - 2», подтверждают это.

Рис. 78. Схема плазмоэлектролитической ячейки (патент № 2157862):

1-корпус ячейки, 3-анод, 4-катод (выпускной патрубок),

5-катод (впускной патрубок), 6 и 7 – втулки; Р-Р – зоны плазмы
Вполне естественно, что возникают сложности в точном измерении напряжения и тока на клеммах плазмоэлектроитической ячейки, поэтому мы уделим внимание этому вопросу и покажем, что игнорирование противоречий в показаниях различных приборов долгое время скрывало значительные резервы уменьшения затрат электрической энергии при её импульсном потреблении из сети. Первичный источник сетевой энергии – генератор электростанции, питающий тысячи потребителей. Это значительно усложняет проверку ошибочности электротехнического закона сохранения энергии, согласно которому величина энергии или мощности на клеммах потребителя не может быть больше величины электрической энергии, забираемой из сети.

Рис. 79. Осциллограмма напряжения в сети питания плазмоэлектролитической ячейки

Рис. 80. Осциллограмма тока в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки

Рис. 81. Осциллограмма мощности в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки
Как видно (рис. 79), амплитуды импульсов выпрямленного сетевого напряжения превышают 300В. Такое напряжение названо действующим. Оно также непрерывно, как и сетевое синусоидальное напряжение. Поэтому математическая программа, обрабатывая эту осциллограмму, выдаст среднюю величину напряжения без учета моментов времени, когда величина тока (рис. 80) равняется нулю, а напряжение не участвует в этот момент в формировании средней величины мощности. В результате средняя величина оказывается равной не средней величине напряжения, периодически участвующего в формировании мощности, а средней величине, непрерывно генерируемого напряжения. Особо отметим, что до сих пор нет понимающих ошибочность сложившейся процедуры учета напряжения в формировании импульсной мощности, забираемой из сети (рис. 81) [3], [4].

Считается, что перемножение средних значений напряжения и тока даёт в этом случае достоверную величину средней мощности . Поскольку сетевой источник энергии не ограничен в своих возможностях питать одновременно большое количество потребителей, то указанную ошибку почти невозможно зарегистрировать экспериментально. Попытайтесь убедить в этом авторов ошибочных математических программ, закладываемых в электроизмерительные приборы. Они тут же сообщат Вам, что их программы позволяют измерять в секунду десятки тысяч ординат и выдают сверхточную среднюю величину меняющегося напряжения (- средняя величина напряжения не показана на рис. 79) и тока ( - средняя величина тока показана на рис. 80).

Если спросить у математиков, как их программа, заложенная, например, в осциллограф учитывает интервалы времени неучастия напряжения в формировании мощности, когда ток (рис. 80) равен нулю, то они не поймут необходимость такого учёта. Интервалы времени, когда ток равен нулю, отмечены на осциллограмме тока (рис. 80) цифрами 1,2,3, ………n. В эти интервалы времени напряжение не участвует в формировании мощности, поэтому требуется введение скважности для учёта этого неучастия, но оно отсутствует в математической модели (32). В результате средняя величина мощности оказывается увеличенной в количество раз, равное скважности импульсов напряжения.

Суть отмеченного наиболее ярко представляется при импульсном расходе электрической энергии с большой скважностью импульсов. Многие импульсные эксперименты по нагреванию воды импульсами напряжения и тока мы проводили в течение 5мин. или 300с со скважностью импульсов напряжения и тока, равной . Из формулы (32) следует, что при импульсном токе среднее напряжение (300 В) остаётся неизменным в процессе всего эксперимента 300с (рис. 82). Это значит, что при однократном делении произведения амплитуд напряжения и тока на скважность (32) одна из перемножаемых величин остаётся на клеммах ячейки постоянной. В этом случае или вольтметр должен показывать 300В, или амперметр – 50А в течение 300 с (рис. 82).


Рис. 82. Схема времени действия максимальных (300В, 50А) и

средних (3,0В, 0,5А) значений напряжения и тока
При скважности импульсов, равной 100 и длительности эксперимента 300с энергия в ячейку подаётся 300/100 всего 3 сек, а 297с ячейка не получает энергию, что и является причиной столь небольшой величины средней импульсной мощности. Все приборы, подключённые к клеммам ячейки, отказываются подчиняться математическим программам определения средней мощности по формуле (32) и указывают её величину, соответствующую формуле (31), но математики игнорируют это фундаментальное противоречие [1], [5].

Мы не будем повторять анализ сути физической ошибки, заложенной в формуле (32). Желающие знать её могут прочесть в главе 14 монографии «Начала физхимии микромира» http://www.micro-world.su/ , а мы продолжим анализ процесса получения дополнительной тепловой энергии из воды. Опишем результаты различных экспериментов по получению из воды дополнительной тепловой энергии ячейками, которые потребляют электроэнергию из сети в виде импульсов напряжения и тока с большой (до 100) скважностью импульсов.

На рис. 83 представлена вольтамперная характеристика плазмоэлектролитической ячейки, работавшей с одномолярным раствором соляной кислоты HCl. Энергии связи валентного электрона атома хлора представлены в табл. 18, а результаты эксперимента – в табл. 17.

Рис. 83. Вольтамперная характеристика, соответствующая таблице 17
Таблица 17. Результаты эксперимента при расходе 1-нормального раствора HCl 8,74 л/час и его температуре на входе 23,0 C

Ном. точки	Напря-жение, V	Сила тока, A	Энерг. на входе, kJ	Темп. воды на выходе, С	Энерг. на выходе kJ	Показ. Эффек. %
1	10	1,7	61,2	24	36,6	59,8
2	40	8,2	1180,8	49	952,1	80,6
3	58,5	9,15	1927,0	73	1831,0	95,0
4	80	7,85	2260,8	82	2160,6	95,6
5	100	6,65	2394,0	83,5	2215,5	93,0
6	102	3,75	1377,0	81	2121,1	154,0
7	85	4,7	1438,2	69	1684,5	117,1
8	76	4,3	1176,5	65	1538,0	130,7
9	68,5	3,75	924,7	55	1171,8	126,7
10	88	4,5	1425,6	71	1757,8	123,3
11	92	4,2	1391,0	71	1757,8	126,4
12	94	4,4	1489,0	71,5	1776,1	119,3
13	98	4,2	1481,8	71	1757,8	118,6
14	68	3,9	954,7	56	1208,5	126,6
15	64	3,3	760,3	50	988,7	130,0
16	61	3,05	669,8	46	842,3	126,0
17	57,5	9,3	1925,1	72	1794,4	93,2

Примечание: энергии выделяющихся газов водорода и кислорода, а также излучаемого света, не учитывались.

При повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока (рис. 83 и табл. 17). Затем, при напряжении более 40 Вольт линейность изменения тока нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 - 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 - 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 - 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины [32].

Таблица 18. Спектр 1-го электрона атома хлора

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп.)	eV	9,08	11,25	12,02	12,34	12,53
(теор.)	eV	9,08	11,24	11,99	12,34	12,54
(теор.)	eV	3,89	1,72	0,97	0,62	0,43

Энергия на входе в ячейку определялась по показаниям вольтметра и амперметра наивысших классов точности, а на выходе - по разности температур раствора, прошедшего через ячейку.

Вольтамперная характеристика индивидуальна для каждой ячейки и режима её работы. Она зависит от конструктивных параметров ячейки, используемых материалов катода и анода, концентрации и химического состава раствора, а также от его расхода (рис. 84).

Чтобы выяснить влияние расхода раствора на вольтамперную характеристику, были проведены специальные эксперименты при разном расходе раствора KOH (рис. 84).

Во всех трех группах экспериментов устойчивая плазма у катода появляется при напряжении около 100 Вольт и исчезает при понижении напряжения до 85 Вольт. В период существования плазмы наблюдался интенсивный выход парогазовой смеси.


Рис. 84. Вольтамперные характеристики плазмоэлектролитического реактора при расходе раствора КОН: 1 – 3,6 л/ч; 2 – 8,2 л/ч; 3 – 12,2 л/ч
Как видно на рис. 84, вольтамперные характеристики представляют собой двойные петли. Анализ рис. 84 показывает, что наибольшее влияние на закономерность изменения тока оказывает расход раствора. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это - взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.
6.2. Физическая модель процесса
Для выявления физической модели процесса весьма желательно наблюдение за тем, как он протекает. Для этого была изготовлена специальная ячейка, катодная камера которого была выполнена в виде отверстия в плоском органическом стекле толщиной 24 мм. Игольчатый катод из вольфрама был введен сверху в отверстие, а рабочий раствор поступал снизу и выходил в боковое отверстие. Прозрачность органического стекла позволяет видеть некоторые детали плазмоэлектролитического процесса при разных режимах работы ячейки.

Анализируя данные рис. 83 и табл. 15, можно сформировать следующую физическую модель плазмоэлектролитического процесса. При повышении напряжения до 60 Вольт в растворе работает хорошо известная - ионная проводимость. При таком потенциале молекулы воды, вступая в контакт с катодом положительно заряженными протонами атомов водорода, диссоциируют на молекулярный водород (рис. 53) и ионы гидроксила (рис. 52). В этом случае идет обычный процесс электролиза воды [32].

По мере повышения напряжения растет кинетическая энергия ионов, сфокусированных на катод, которые начинают отделять от молекул воды атомы водорода и их протоны. Вначале в самом растворе, вблизи катода, появляются отдельные искры. Это указывает на то, что протоны атомов водорода отделяются от молекул воды и в процессе движения их к катоду вновь соединяются с электронами, синтезируя новые атомы водорода. Дальнейшее повышение напряжения увеличивает количество протонов, отделившихся от молекул воды, и у катода формируется плазма атомарного водорода (точки 5, 6). Электроны атомов водорода в этот момент находятся в возбужденном состоянии и совершают переходы с высоких энергетических уровней на низкие, генерируя свет бальмеровских спектральных линий. По интенсивности этих линий можно судить, между какими энергетическими уровнями атомов водорода наибольшее количество электронов совершает переходы.

По мере снижения напряжения (точки 7-14) объем плазмы уменьшается, энергетические уровни электронов атомов водорода, на которых они задерживаются, удаляются от протонов, энергия излучаемых фотонов уменьшается, длина волны увеличивается, и цвет плазмы переходит последовательно от ярко белого к красному. Наконец, наступает момент (точка 15), когда потенциал на электродах оказывается недостаточен для отделения протонов от молекул воды, и процесс затухает, возвращая систему в исходное состояние - ионной проводимости (рис. 83).

Анализируя табл. 15 и рис. 83, видим, что наибольший интерес представляют данные на режиме, соответствующем точке 6. Этот режим сформировался самопроизвольно. В точке 5 устойчивая плазма отсутствует, наблюдается лишь мерцание вблизи катода. Затем, через некоторое время, самопроизвольно уменьшается ток, и сразу же появляется устойчивая плазма.

Сформировавшаяся плазма ограничивает контакт раствора с поверхностью катода (увеличивает сопротивление в цепи катод - раствор). В результате величина тока резко уменьшается и остается такой до тех пор, пока энергии плазмы и приложенного напряжения будет достаточно для отделения протонов от молекул воды.

На границе "плазма - раствор" атомы водорода соединяются в молекулы. Дальнейшая их судьба зависит от наличия атомов кислорода. Если они есть, происходит образование молекул воды с характерными микровзрывами, которые генерируют шум на некоторых режимах работы ячейки. Если же атомов кислорода нет у катода, то молекулы водорода смешиваются с парами воды и удаляются из реактора.

Если после появления плазмы (рис. 83, точка 6) увеличивать напряжение, то температура плазмы возрастает и острие вольфрамового катода становится вначале ярко белым, а потом начинает плавиться и кипеть. Этот процесс легко наблюдать через прозрачное органическое стекло реактора. Чем больше напряжение и расход раствора, тем интенсивнее этот процесс. Известно, что температура плавления вольфрама 3382, а температура кипения 6000

Таким образом, при плазмоэлектролитическом процессе источником плазмы является атомарный водород. Переменное электрическое поле удерживает атом водорода в возбужденном состоянии, формируя его плазму с температурой (2700...10000)С. Интенсивность этой плазмы будет зависеть от приложенного напряжения и от расхода раствора, омывающего катод. Чем больше приложенное напряжение и больше расход раствора, тем интенсивнее плазма.

6.3. Химическая модель процесса
Приступая к выявлению химической модели плазмоэлектролитического процесса, отметим, что современной химии неведомо обилие энергетических уровней у каждого электрона и обилие энергий связи между атомами в молекулах. Мы не знаем, как были получены величины энергий связи атомов водорода с атомом кислорода в молекуле воды до наших исследований, расчетным или экспериментальным путем, но мы уже показали, что эти энергии не соответствуют энергиям диссоциации молекул воды при низковольтном её электролизе, то есть не соответствуют затратам энергии при разложении воды на водород и кислород. Поэтому перед нами встает проблема: как быть дальше? Доверять этим и другим результатам расчетов современной химии или поставить их под сомнение?

Поскольку атомарный водород существует при температуре (2700....10000) C [13], то в зоне катода образуется плазма с такой температурой. Конечно, плазма будет существовать только при условии достаточной плотности атомов водорода в заданном объеме. Для выполнения этого условия необходимо увеличить плотность тока на катоде. После формирования атомов водорода или отделения их от молекул воды они продолжали бы оставаться в невозбужденном состоянии, если бы отсутствовало внешнее воздействие. Однако, в процессе работы плазмоэлектролитического реактора атомы водорода находятся под непрерывным воздействием переменного электрического поля, которое вынуждает атомы водорода находиться в возбужденном состоянии, что подтверждается наличием полного комплекта бальмеровских спектральных линий на спектрограмме. К сожалению, мы пока не имеем полного спектра атома водорода и не знаем о наличии лаймоновских спектральных линий, спектральных линий Пашена и др., что затрудняет анализ изучаемого явления [32].

В межфазной границе "плазма - раствор" будут протекать одновременно следующие химические реакции:
. (103)

и

(104)
Если у анода образуется молекула кислорода, то выделится энергия
(105)
В модели ячейки, результаты испытаний которого представлены в таблице 15, водород и кислород выходят через один патрубок, поэтому в нем возможны эндотермические реакции [2]:
1-образование перекиси водорода
(106)
2-образование озона

(107)
3-образование иона гидроксония
(108)
К сожалению, мы точно не знаем интенсивность как экзотермических (103, 104, 105), так и эндотермических (106, 107, 108) реакций. Закономерность изменения температуры раствора (табл. 17) указывает на то, что в зоне существования молекулярного водорода (точки 3, 4, 5) интенсивность эндотермических реакций ниже, чем в точках 7 - 15, где плазма атомарного водорода сохраняется, а температура раствора снижается. Уменьшение температуры раствора при понижении напряжения (табл. 17, точки 6 - 15) как раз и объясняется интенсивным поглощением тепла при образовании перекиси водорода , озона и иона . Низкая температура электролитического раствора в зоне анода также объясняется эндотермическими реакциями.

Японские исследователи Ohmori и Mizuno обнаружили на катоде плазмоэлектролитической ячейки вкрапления никеля, хрома, железа и углерода [12]. Источником этих химических элементов, как они считают, является холодный ядерный синтез. Мы уже проанализировали это явление.