Transformarea integrală a căldurii în lucru mecanic

3. Experiment de transformare a căldurii în lucru mecanic cu un randament de 100%

Se acceptă că într-un proces ciclic monoterm se realizează doar transformarea lucrului în căldură, nu și invers. Pentru a obține convertirea căldurii în lucru mecanic este necesar ca mașina termică să funcționeze cu două surse de căldură, la temperaturi diferite.
Dar cît de adevarate sunt aceste afirmații ale termodinamicii pe baza cărora s-a ajuns să se scrie mai multa filosofie decat fizică?
În principiu, în noua teorie a termodinamicii, căldura în sine nu se transformă în lucru mecanic. Căldura asigură formarea unui gradient de presiune în cazul gazelor și acest gradient de presiune produce un lucru mecanic. Dacă nu avem un gaz purtător, oricăt de mare ar fi cantitatea de căldură degajată lucrul mecanic produs ar fi infim.
Desigur că experimentul care se propune urmează această idee și anume transformarea unui solid direct în gaz urmănd ca acest gaz să producă lucru mecanic.
Pe lîngă conversia cu un randament teoretic de 100% a căldurii în lucru mecanic, vom utiliza spre disperarea actualilor teoreticieni o singură sursă de căldură.
Experimentul e destul de simplu constructiv, dar un pic cam scump și necesită puțină tehnică experimentală respectiv teste de ajustare.
Să considerăm un dispozitiv mecanic cu piston ca in fig. 3, care este îmbrăcat la interior cu un strat de bioxid de carbon solid. Desigur pentru a avea această situație întregul sistem trebuie să fie la o temperatură de -80° C. În interiorul dispozitivului avem un amestec de metan și aer la presiune atmosferică, care poate fi declanșat să explodeze cu ajutorul unei scîntei electrice.

Figura 3. Dispozitiv cu piston mobil

Atunci cand amestecul este aprins, în urma combustiei se formează bioxid de carbon și apă și desigur reacția fiind exotermă se degajă o anumită cantitate de căldură în sistem. Gazele rezultate din ardere, avand temperatură ridicată vor încerca să transfere o parte din această căldură pistonului și pereților dispozitivului. Însă, în această încercare de a transfera căldura spre exterior, aceste gaze vor întîlni stratul de CO2 solid care va prelua toată această energie. La temperatura de -79°C însă, bioxidul de carbon sublimează. În consecință în loc să încălzească dispozitivul și pistonul, căldura de reacție se transformă cu un randament apropiat de 100% direct în lucru mecanic.
Desigur din aranjamentul experimental se alege un asemenea volum de ardere și o asemenea grosime a stratului de CO2 solid încît căldura de reactie să nu reușească să sublimeze întreaga cantitate de CO2.
În urma acestei sublimări masive a CO2 în interiorul dispozitivului, presiunea crește și pistonul se deplasează spre dreapta ca în fig. 4. Din punct de vedere teoretic întreaga cantitate de căldură degajată în reacție se poate transforma direct în gradient de presiune și respectiv în lucru mecanic.

Figure 4 Integral heat conversions in mechanical work

Atît timp cît în interiorul sistemului, temperatura va fi mai mare de -79°C, procesul de sublimare a moleculelor de CO2 va continua și această creștere de presiune împinge în continuare pistonul spre dreapta.
În practică, un asemenea dispozitiv ar lucra cu un randament mai mare de 90%, însă diferența între valoarea experimentală și cea teoretică e mai mult decăt normală pentru fizică. Un model teoretic e o idealizare a unei situații, în vreme ce în practică ai pierderi.
Desigur trebuie luate masuri de precauție ca presiunea în dispozitiv să nu depașească 5 atm, caz in care bioxidul de carbon se poate topi înainte de a sublima.
Acest experiment simplu dă peste cap întreaga termodinamică actuală. În fapt din actuala termodinamică singurul lucru care va ramîne valid în noua teorie este legea conservării energiei.

MOTORUL CU CO2

O aplicație simplă a acestei noi teorii a termodinamicii o reprezintă motorul cu CO2. Desigur că acest motor, în viața de zi cu zi nu își va găsi o largă aplicabilitate. Avantajele lui sunt faptul că utilizează doar o sursă de combustibil (CO2 solid), fără a avea nevoie de oxigen pentru ardere și în același timp nu are nevoie de o temperatură înaltă pentru a funcționa. În spiritul noii teorii a termodinamicii, acest motor funcționează doar pe baza unei singure surse de căldură și contrazice în mod evident actualul principiu al doilea al termodinamicii.
Însă, chiar și în prezent, un asemenea motor și-ar găsi aplicații în misiunile spațiale sau în anumite situații speciale pe pămînt.
Funcționarea unui asemenea motor s-ar baza pe trei timpi asa cum se vede în tabelul de mai jos:

Timpul I Alimentarea. Combustibilul solid (CO2) este introdus în cilindru sub formă de fulgi și galeria de admisie se închide închisă ca în fig 5 atunci cînd pistonul se află la punctul mort superior. Figura 5

Timpul II: Dilatarea
Cilindrul și pistonul se află la o temperatură mai mare de -78 °C, ceea ce duce la sublimarea CO2, si gazul împinge pistonul spre punctul mort inferior ca în fig 6.

Figure 6

Timpul III: Evacuarea. Pistonul a ajuns în capătul de jos al cilindrului. Supapa de evacuare se deschide iar pistonul, în virtutea impulsului căpătat, se întoarce şi evacuează dioxidul de carbon gazos prin aceasta ca în fig. 7. Dacă în cilindru mai rămîne CO2 solid acesta poate participă la un alt proces de destindere.
Ciclul se repetă cu timpul I

Figura 7

În cazul condițiilor de pe pămînt, acest motor ar putea funcționa pe baza temperaturii atmosferice chiar și la poli

Can heat be transformed into mechanical work with a yield of 100 %?

I have asked a lot of research institutes to help me to perform this simple experiment. The cost of replication is about few thousands euro ... but it seems no one was interested...

It is accepted that in a monothermal cyclic process only work can be transformed into heat, but not vice versa. In order to obtain the conversion of heat into mechanical work, a machine is necessary to operate between two heat sources at different temperatures.
But how true are these statements of classical thermodynamics which have become more close to philosophy than experimental physics?
In principle, in a new theory of thermodynamics, heat itself cannot be transformed into mechanical work. But heat can generate a pressure gradient for a gas, and this pressure gradient can produce mechanical work. If you do not have a carrier gas, the amount of generated heat can be immens and the mechanical work would be infinitesimal. 
Of course the following experiment get use of this ideea, namely the transformation of a solid to gas directly (sublimation) followed by a gas expansion which produce mechanical work.
Besides converting of heat into mechanical work with a theoretical yield of 100%, a single source of heat is used to the disperation of theoreticians. 
The experiment is fairly simpleas construction, but a bit expensive and experimental technique that requires little adjustment tests.
Consider a mechanical piston as in Fig. 3, which is coated on the inside with a layer of solid carbon dioxide. Of course to have this case the entire system must be at a temperature of minus 80°C. In the device a mixture of fine charcoal and air is present, and this mixture can be triggered to burn by means of compression eventually combined with an electrical spark.
The first car engines were designed to use fine charcoal so ... there is no new theoretical approach for the experiment.

Figure 3 . Piston mobile device

When the mixture is ignited, in the combustion process new CO2 gas is generated and of course a certain amount of heat evolve in the system. Combustion gases having high temperature will attempt to transfer that heat to the gases in the chamber, to the the piston and to the walls of the device. But in his attempt to transfer heat to the outside, these gases meet solid CO2 layer that will take all this thermal energy. At a temperature of -79 °C, the carbon dioxide sublimes, it means transforms directly from solid into gas. Therefore instead of heating the device and the piston, the heat of reaction generates a further volume of gas inside compartment with a yield close to 100 %. 
Of course, the experimental arrangement is carefully chosen in order to correlate the thickness of solid CO2 on the walls with the quantity of heat released into the reaction. In practice it is necceary to be sure that heat evolving in reaction it is not enough to sublimate all the solid CO2 inside the chamber. 
Following this massive sublimation of CO2 into the device, the pressure increases and the piston moves to the right as shown in Fig 2 . From the theoretical point of view, all heat released in the reaction can be transformed directly into the pressure gradient respectively mechanical work.

Figure 4 Integral heat conversions in mechanical work

As long as within the system, the temperature will be higher than -79 ° C , sublimation of the CO2 molecules to continue and the pressure rise pushes the plunger to the right.
In practice, such a device would work with a yield greater than 95%, but the difference between experimental and theoretical value is caused by secondary factors and not by ,,principial” limitations. A theoretical model is an idealization of a situation, while in practice there are a lot of losses.
A supplementary condition necessary for the experiment: the pressure in the device cannot exceed 5 atm, in which case the carbon dioxide may melt before the sublimation. 
This simple experiment rule out quite the entire accepted thermodynamic.

Solid CO2 engine 
A simple application of this new theory of thermodynamics is the solid CO2 engine. Of course this engine in daily life will not find a wide applicability. Its advantages are that it uses only a source of fuel (solid CO2) without the need of oxygen for combustion and at the same time does not require a high temperature to operate. The engine has to be at a temperature higher then -79C, and in this case the surrounding acts like a ,,warm source”. 
But maybe, such an engine would find applications in space missions or special circumstances on the ground.
Operation of such an engine would be based on the three steps as shown in the table below:

Step 1 Feeding. The solid fuel (CO2 ) is introduced into the cylinder in the form of flakes and the intake manifold is close as shown in figure, when the piston is at superior dead point.

Time II: Expansion
As far the cylinder and the piston are at a temperature greater than -78 °C, in terestrial condition at 22°C, a sublimation of the CO2 takes place, and the gas pushes the piston to the inferior dead point as shown in Figure.

Figure 6

Time III : Disposal. The piston has reached the lower end of the cylinder. The outlet valve opens discharging carbon dioxide gas through it. The piston due to its inertia continue to move toward top ...
The cycle is repeated

Figure 7

In the ground conditions, the engine may operate on the basis of the atmospheric temperature even at the poles.