Краеугольным камнем теории тепловых двигателей является понятие компенсации за преобразование тепла в работу. [2, 8]. Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла. Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60%, при перепадах температур свыше 1000˚С. В экспериментальной биологии ещё более 50-ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. И в тепловой машине и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По её канонам для такого КПД нужны перепады температур не совместимые с жизнью. В чём же секрет черепахи?

Со времён паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и совокупность технических решений по их реализации прошли длительный путь эволюции. Данное направление технической эволюции породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным за прошедший период эволюции для всего многообразия тепловых машин было понятие “компенсации за преобразование тепла в работу”. Это понятие сегодня воспринимаются как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности в данной сфере. Сразу отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера и самолёты не всегда летали. 
Исследование уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность. 
Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).
Отметим ещё один, пусть тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Покажем, что компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или тоже самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации. Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к ущербности всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла. Рассмотрим Рис.1. Здесь - атмосферное давление,  - удельный объём 1кг. рабочего тела (воздуха) на входе в тепловую машину, - удельный объём 1кг. рабочего тела на выхлопе тепловой машины в атмосферу. Для большей ясности физики компенсации будем понимать под тепловой машиной традиционную газотурбинную установку, работающую по циклу Рис. 2а (циклу Брайтона). Хотя причина компенсации одна и та же и для паровой машины, и для газотурбинных и для паротурбинных установок, и для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Рис. 1

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1кг. рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объём , под воздействием процессов расширения внутри машины, чем объём  на входе в тепловую машину.  
А это означает что прогоняя через тепловую машину 1 кг. рабочего тела мы расширяем атмосферу на величину , для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания:
 (см. Рис. 1)
На это затрачивается часть механической энергии полученной в машине. Однако работа по проталкиванию это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1кг. рабочего тела должен иметь тоже атмосферное давление  что и на входе в машину, но при большем объёме . А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния , он должен иметь и большую температуру, т.е. . Мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию: . Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу. Таким образом, общие потери энергии за преобразование тепла в работу в пересчёте на 1кг. рабочего тела и переданные окружающей среде составят: 
 (1)
Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Сказанное находится в полном соответствии с законом Майера . Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объём рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объёмом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т.е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом. И наоборот, если за счёт регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объём рабочего тела на выхлопе, а значит и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объём килограмма рабочего тела на выхлопе до объёма на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю. Что реально мешает достичь этого результата рассмотрим на циклах и процессах традиционной квазиравновесной термодинамики. Рассмотрим идеальный цикл простейшей газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении (см. Рис. 2а). Здесь 1-2 – адиабатный процесс сжатия в компрессоре; 2-3 – изобарный процесс подвода тепла к рабочему телу в камере сгорания; 3-4 – адиабатный процесс расширения в турбине; 4-1 – изобарный процесс отвода тепла от рабочего тела к холодному источнику с целью вернуть цикл в исходную точку 1.

Рис. 2а Рис. 2б

Используя температурную неравновесность между точками 4 и 2, мы организуем регенерацию тепла между процессами (4-1) и (2-3) при противотоке и снижаем количество тепла, передаваемое холодному источнику. Однако на пути процесса регенерации тепла встает процесс предварительного сжатия рабочего тела (1-2) и перепад температур в регенераторе . Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, которые вызваны двумя указанными причинами, ограничивающими передачу тепла от уходящих газов к воздуху в регенераторе (см. Рис. 2а):
1) потери, вызванные сжатием воздуха в компрессоре. Так как нельзя охладить уходящие газы в регенераторе ниже температуры воздуха на входе в регенератор, то, сжимая предварительно воздух в компрессоре и тем самым повышая температуру воздуха на входе в регенератор, мы ограничиваем передачу тепла от газов к воздуху и получаем первую потерю, принципиально не устранимую в циклах с предварительным сжатием рабочего тела. 
2) Вторая причина потерь с уходящими газами вызвана тем, что для передачи тепла в регенераторе (q_рег) от горячих газов на выхлопе из турбины к холодному воздуху, входящему в регенератор, необходим перепад температур (DТ_рег). Эта потеря тем меньше, чем меньше перепад температур DТ_рег (см. Рис. 2а и 2б). Но эту вторую потерю можно сделать сколь угодно малой, увеличивая теплопередающую поверхность регенератора и тем самым, снижая DТ_рег в соответствии с основной формулой теплопередачи: q_рег = k F ­DТ_рег Ї = const. (2)где: q_рег – тепло, переданное в регенераторе от газов к воздуху; k – коэффициент теплопередачи; F – теплопередающая поверхность от газов к воздуху в регенераторе; DТ_рег - теплоперепад в регенераторе между газом и воздухом.
Главным образом из-за адиабаты 1-2 (процесса предварительного сжатия) мы не можем осуществить полную регенерацию тепла и вынуждены отдавать тепло  холодному источнику. Потери тепла в окружающую среду за счет  можно в пределе свести к нулю, увеличивая площадь поверхности регенератора (см. (2)). Причина появления процесса предварительного сжатия (1-2) в том, что из практики замечено: для получения газового потока необходимо сжатие газа, необходим перепад давлений. Необходимо получить неравновесность, запасти потенциальную энергию (между точками 1 и 2), которую вновь можно превратить в энергию кооперативного движения в процессе расширения и далее в механическую работу. Однако если сразу использовать эту неравновесность, то никакого эффекта не будет даже в идеале, а на практике, по причине релаксации (трения), будут потери кооперативной кинетической энергии, возникшей при преобразовании потенциальной (внутренней) энергии. Поэтому необходимо усиление неравновесности, полученной в точке 2. Для этого производится подогрев рабочего тела до точки 3 и в системе накапливается, за счет подведенного тепла, дополнительная потенциальная энергия (эксергия), дополнительная неравновесность. Благодаря процессу подогрева 2 – 3 точка 3, в сравнении с точкой 2, получила второй уровень неравновесности, дополнительную потенциальную энергию. Это и дает нам возможность в процессе адиабатного расширения 3-4 получить выигрыш в работе по сравнению с процессом сжатия 1-2. 
После процесса расширения 3-4 у нас остается неравновесность точки 4 по отношению к точке 2 и, используя эту температурную неравновесность, мы частично используем (регенерируем) тепло отходящих газов в процессе 4-1 на подогрев рабочего тела в начале процесса 2-3. На пути полной регенерации встал процесс предварительного сжатия 1-2, который поднял температуру рабочего тела в точке 2 и перепад температур в регенераторе . Обратим внимание на то, что процесс предварительного сжатия 1-2 является обязательным элементом всех используемых ныне тепловых циклов: и газотурбинных, и ДВС, и Ренкина. Предлагается отказаться от процесса предварительного сжатия. Это становится возможным при работе газотурбинной установки по циклу изображенному на Рис.-2б. Это цикл Ленуара. Цикл Ленуара есть предельный цикл Гемфри. По такому циклу работают газотурбинные установки пульсирующего типа без компрессора. Отсутствие процесса предварительного сжатия в компрессоре (1-2) устраняет причину №1 потерь тепла с уходящими газами. Подвод тепла и повышение давления производится в изохорном процессе 1-3. Для осуществления регенерации в таком цикле предлагается регенератор специальной конвейерной конструкции. [4]. Предложенный регенератор для цикла Гемфри (для ГТУ пульсирующего типа) позволяет за счёт увеличения поверхности теплопередачи регенератора сколь угодно уменьшать и тем самым сводить потери тепловой энергии на выхлопе к минимуму.
Как показывает опыт общения, наибольшие трудности для восприятия вызывает регенеративный теплообмен между изобарным процессом 4-1 и изохорным процессом в цикле Гемфри (1-3 в цикле Ленуара, частный случай цикла Гемфри). Дело в том, что при равных перепадах температур, тепло изобарного процесса больше тепла изохорного процесса, т.к. изобарная теплоёмкость больше изохорной.  (закон Майера). По этой причине мне вменяют в вину нарушение 1-го закона термодинамики. Более сурового приговора по меркам сегодняшнего естествознания трудно придумать. Но нарушения 1-го закона здесь нет. Рассмотрим это на примере цикла Гемфри (рисунок 2б, цикл Ленуара, частный случай цикла Гемфри). При регенерации тепло от изобарного процесса 4 – 4а (пл. b-4а-4-e) передаётся изохорному процессу 1 – 1а (пл. а-1-1а-c). Тепло подведенное в изохорном процессе пошло на увеличение внутренней энергии рабочего тела и равно теплу отнятому в изобарном процессе. ; (3) Это тепло отобрано у изобарного процесса 4 – 4а. Запишем тепло изобарного процесса 4 – 4а, обозначенного площадкой b-4а-4-e:
; (4) , где  - давление окружающей среды. В (3) и (4) перепады внутренней энергии равны. Именно это тепло передаётся через стенку регенератора. Куда же девается составляющая ? Выше мы уже отмечали взаимосвязь между двумя составляющими переданного окружающей среде тепла (1). Так вот, когда мы отнимаем в процессе регенерации тепло , мы снижаем объём выхлопных газов с  до . Тем самым мы снижаем работу по расширению атмосферы (работу проталкивания) на величину . Эта работа уже не растрачивается на выхлопе, а остаётся на валу машины как полезная нагрузка. Баланс энергии соблюдён, 1-й закон термодинамики не нарушен.
Таким образом, регенерация позволяет самым существенным образом сократить передачу тепла в окружающую среду (в холодильник), сократить компенсацию за преобразование тепла в работу. Это снижает относительную долю переданного в холодильник тепла и, следовательно, повышает термический КПД. Однако отмеченные выше две причины (процесс предварительного сжатия рабочего тела и теплоперепад в регенераторе) накладывают ограничения на глубину регенерации.
Есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объём рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остаётся постоянным. По этой причине не происходит расширение атмосферы и соответственно затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объёму несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так нагрев воды при постоянном объёме на 1˚С приводит к увеличению давления на 5-ть атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, исключает компенсацию за преобразование тепла в работу. 
Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Внутренняя полость рабочих цилиндров заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05-0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объём. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объёма сильфонов постоянное атмосферное давление. 
Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно – шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала. 
Рабочие цилиндры расположены в объёме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съёмный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.
Принципиальная конструктивная схема теплового двигателя изображена на рисунке 3. 
Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 – рабочие цилиндры. Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник); 3 и 4 – сильфонные поршни; 11 – перепускной трубопровод, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров; 10 – запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров; 6 – сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку цилиндра ползуна – 9, передающего тяговое усилие от сильфонного поршня на шатун кривошипно – шатунного механизма; 7 – сочленение между ползуном и шатуном; 8 – кривошипно шатунный механизм; 12 – съёмные теплоизоляционные кожуха рабочих цилиндров. Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. 5 – шток, обеспечивающий взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток – 5, обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров. 
Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплён с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров, другая сторона, прикреплённая к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.
Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений, внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия. (См. например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю. Ишлинский. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с. 486.).
В предлагаемой конструкции сильфонный поршень напротив выполнен из не теплопроводящего материала. Возможно выполнение сильфонного поршня из названных выше теплопроводных материалов, но покрытых слоем не теплопроводного материала. В предлагаемой конструкции сильфонный поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение под воздействием штока – 5.
На Рис.4 изображён термодинамический цикл сильфонно поршневого двигателя.
Тепловой двигатель работает следующим образом.
Описание рабочего цикла заявленного теплового двигателя начнём с ситуации, изображённой на Рис.3. Сильфонный поршень первого цилиндра (на Рис.3 позиция 3) полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра (на Рис.3 позиция 4) полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха – 12 на цилиндрах 1 и 2 плотно прижаты к цилиндрам (как на правом цилиндре). Арматура – 10 (Рис.3) на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному так как они соединены с атмосферой. 
Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1 на Рис.4. В этот момент арматура – 10 и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы -12 теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра – 1. (см. Рис.3). В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы – 12 теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра – 2. (см. Рис.3). Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра – 2 не возможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0.05-0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

Рис. 3                                            Рис. 4

Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей жидкости составляет величину порядка 2200 – 11000 . (см. например, Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985, с.228). Принимая коэффициент теплоотдачи от кипящего масла к металлической поверхности рабочего цилиндра, на выше отмеченном уровне и учитывая разность температур между кипящим маслом с внешней стороны цилиндра и кипящей водой с внутренней стороны, получаем, что мощность теплового потока, подводимого к рабочему телу цилиндра, составит величину порядка 200 – 1000 . Рабочее тело (кипящая вода) в цилиндрах 1 и 2 находятся в процессе работы теплового двигателя при постоянном объёме. Интенсивно подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела до точки 2 (Рис.4). При этом давление внутри сильфонного поршня – 3 первого цилиндра не изменяется, так как внутренняя полость сильфонного поршня соединена с атмосферой. В результате создаётся перепад давлений по сторонам сильфонного поршня первого цилиндра. Этот перепад давлений между точками 2 и 1 (Рис.4) определяется внешней нагрузкой на валу машины. Как только давление в точке 2 (Рис.4) достигнет величины достаточной для преодоления внешней нагрузки, то сильфонный поршень первого цилиндра начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун – 9 передаётся на кривошипно – шатунный механизм. Происходит преобразование энергии теплового потока подводимого к рабочему телу первого цилиндра в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сильфонного поршня состояние рабочего тела в первом цилиндре не меняется и определяется точкой 2 на Рис.4. Сжатие сильфонного поршня – 3 приводит к тому, что через воздействие штока – 5, растягивается сильфонный поршень – 4. При этом сильфонный поршень – 4 растягиваясь, выталкивает рабочее тело из полости второго рабочего цилиндра через трубопровод – 11 в полость первого рабочего цилиндра, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня – 3. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме.
По мере сжатия сильфонного поршня – 3 в цилиндре – 1 происходит прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха – 12 к поверхности цилиндра – 1. Происходит это последовательно слева направо по мере сжатия сильфонного поршня -3. Это необходимо для того, что бы подводить тепло и поднимать давление рабочего тела только в рабочей зоне цилиндра – 1, в зоне гармошки сильфона, что снижает постепенный подогрев рабочего тела и повышение его давления вне рабочей зоны. Последовательное прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха – 12 нужно производить даже с некоторым опережением сжатия сильфонного поршня – 3, что ещё сильнее снизит и возможно исключит постепенный перегрев рабочего тела вне рабочей зоны цилиндра и обеспечит полное преобразование энергии теплового потока в механическую энергию на валу машины. 
Последовательное прижимание теплоизоляционных скорлуп к поверхности рабочего цилиндра можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединённой с коленчатым валом. В момент полного сжатия сильфонного поршня – 3, полного закрытия теплоизоляционным кожухом цилиндра – 1, при полном растяжении сильфонного поршня – 4 цилиндра – 2, полностью раскрывается теплоизоляционный кожух на цилиндре – 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра – 2, происходит сжатие сильфонного поршня – 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от цилиндра – 2 к цилиндру – 1. Цикл замкнулся.
При работе сильфонно поршневого двигателя проявляется, как уже отмечено выше, существенно вредный момент. Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где происходит преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это не допустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на не работающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.
Для надёжного недопущения постепенного подогрева рабочего тела вне рабочей зоны, кроме несколько опережающего прижатия теплоизоляционных скорлуп, необходимо отводить часть тепла от рабочего тела при его течении по перепускному трубопроводу -11 (Рис.3). Это снижает КПД двигателя до уровня, достигнутого в живой природе. 
Покажем, что доля тепловой энергии отведенной из цикла для поддержания постоянной температуры рабочего тела в точке 1 (Рис. 4), может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией подведенной в цикл и превращённой в механическую энергию на коленчатом валу. Составим уравнение теплового баланса для теплового потока q подводимого к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня. 
 (5); где: - работа, механическая энергия, полученная на коленчатом валу при сжатии сильфонного поршня -3; - тепло, отведенное из цикла при охлаждении трубопровода – 11, для поддержания постоянства температуры в точке цикла -1 (Рис. 4).
Величина теплового потока q определяется в соответствии с основной формулой теплопередачи:  (6); где:  – тепло, переданное к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня; k – коэффициент теплопередачи; F – теплопередающая поверхность рабочего цилиндра; - теплоперепад между маслом в греющем сосуде и рабочим телом первого цилиндра, имеющим температуру  в точке 2 (Рис. 4). Для заданных термодинамических и конструктивных условий величина теплового потока постоянна. .
Величина работы производимой первым цилиндром при сжатии сильфонного поршня – 3 равна: ; (7). В (7): - работа, произведённая в первом цилиндре в процессе сжатия его сильфонного поршня – 3; - перепад давлений между подогреваемым в первом цилиндре рабочим телом и атмосферным давлением внутри сильфонного поршня – 3; - площадь поверхности сильфонного поршня (площадь гармошки). Площадь гармошки равна площади единичной гармошки умноженной на число единичных гармошек; - длина, на которую сокращается при сжатии сильфонный поршень, обеспечивая тяговое усилие.
При заданной длине рабочего цилиндра площадь поверхности сильфонного поршня  можно изменять в очень широких пределах, изменяя число единичных гармошек сильфона. Из (7) видно, что если увеличивать площадь поверхности сильфонного поршня, то при постоянном тепловом потоке в рабочий цилиндр и постоянной работе сжатия сильфонного поршня будет уменьшаться перепад давлений между внешней и внутренней сторонами сильфона. Это перепад давлений между точками 2 и 1 на Рис. 4. Перепад давлений между точками 2 и 1 зависит от перепада температур между этими точками и наоборот. ; Запишем количество тепла, передаваемого из рабочей зоны цилиндра в нерабочую зону при сжатии сильфонного поршня и которое необходимо отводить из цикла для поддержания постоянства температуры в точке 1.
; (8). В (8) - масса рабочего тела, вытесненная из рабочей зоны в нерабочую при сжатии сильфонного поршня. Эта величина для конкретной конструкции постоянна; - массовая теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме; - перепад температур между точками 2 и 1, между температурой рабочего тела в рабочей зоне сильфона и температурой рабочего тела вне рабочей зоны после охлаждения в трубопроводе – 11 (Рис. 3). Эта величина при увеличении числа гармошек сильфона, как показано выше, уменьшается и в пределе стремится к нулю. А это означает согласно (8), что при этом стремится к нулю и , тепло, отводимое из цикла. Вернёмся к формуле (5). Здесь  с увеличением числа гармошек сильфона, с увеличением площади сильфона, снижается. При этом подводимое в цикл тепло q даже несколько возрастает. Это связано с тем, что температура рабочего тела  снижается, а значит, перепад температур между греющим маслом и рабочим телом растёт. Это приводит согласно (6) к некоторому росту подводимого тепла. С учётом сказанного термический КПД сильфонно поршневого двигателя в этих условиях возрастает, стремясь к 1 при стремлении  к нулю.

 при ;

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно поршневом двигателе  (8) не носят столь принципиально неизбежного характера как потери тепла (1) в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно поршневом двигателе как показано выше могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идёт о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями остаётся на уровне сегодняшних двигателей.
Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколь угодно в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий. Самой различной может быть и пространственная компоновка цилиндров.
В конструкции двигателя теплоизоляционные кожуха на цилиндрах можно изготовить не в виде множества последовательно прижимаемых скорлуп, а в виде единого цилиндра, разделённого вдоль оси на две скорлупы. Такой теплоизоляционный кожух будет надвигаться на подогреваемый цилиндр по мере укорочения сильфонного поршня. Для обеспечения теплообмена кожух раздвигается на две половинки и отводится от рабочего цилиндра.
Сильфонно поршневой двигатель может работать как на всех видах органического топлива так и на ядерном топливе.
Самым существенным для конструкции сильфонно поршневого двигателя является то, что рабочее тело в цилиндрах, перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме. Отметим этот принципиальный момент. Рабочее тело в процессе преобразования тепловой энергии в работу не изменяет своего объёма и, следовательно, исключается необходимость расширения атмосферы в процессе работы двигателя, исключается компенсация.
Этот двигатель позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой отмеченное в начале статьи. В мышечной клетке в качестве рабочего тела используется биологический раствор, состоящий на 90% из воды и являющийся не сжимаемой жидкостью, объём которой не меняется. В процессах преобразования тепла в работу мышечная клетка не производит расширения атмосферы, не производит работу против сил гравитации. Выше изложенное показывает, что между теорией Карно и живой природой нет противоречия. Они работают на разных принципах. Другое дело, что с разной эффективностью. Человек выбрал тупиковую ветвь технологической эволюции, в отличие от живой природы. Теория Карно применима только в частном случае, когда используется процесс расширения рабочего тела и то с оговорками [4,6]. Природа в процессе биологической эволюции нашла более разумный способ преобразования тепла в работу. Человек же изначально, со времён древнегреческого инженера Герона Александрийского стал использовать процесс расширения, обрекая себя на не разрешимые проблемы. 

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур. 
Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т.п. Покажем возможность работы сильфонно поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведём оценки для климатических условий Арктики. 
Принципиальная технологическая схема установки показана на Рис.5. На схеме Рис.5 цифрой 11 обозначен перепускной трубопровод, цифрой 13 дополнительно обозначен электрогенератор. Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0°С и до температуры плюс 4-5°С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода -11, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода) отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2-Б. Его температура кипения-конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7°С. Или бутин 1-Б (температура кипения +8,1°С). [9]. Тёплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10-15°С. Сюда опускаем сильфонно поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры тёплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5°С), бутадиен 1,2-Б (температура кипения +10,85°С), виниловый эфир (температура кипения +12°С). [9].

Рис. 5

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с, таким образом, подобранными теплоносителями, будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Выше отмечено, что подогрев несжимаемой жидкости при постоянном объёме резко увеличивает давление. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создаёт усилие на ползун и порождает мощность двигателя пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру. Так вот если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1°С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во первых использовать очень малые естественные перепады температур и во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому КПД не имеет особой значимости. Используемая энергия естественно возобновляема и, следовательно, неисчерпаема. Здесь главное использование малых температурных перепадов.
Особенностью предложенной установки является так же технологическая простота её изготовления. Её можно изготовить в условиях любого машиностроительного завода. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не даёт вредных выбросов в окружающую среду.

Постулат о “компенсации за преобразование тепла в работу” и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия, позиция носителей этих заблуждений из научной среды и связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем, грозящих самой жизни. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретён сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы. 
Тупиковая ветвь развития современных тепловых машин связана с непониманием природы “компенсации за преобразование тепла в работу”. Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что “компенсация за преобразование тепла в работу” в её устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания. 

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.
2. Базаров И.П. Термодинамика. – М.: “Высшая школа”, 1991г., 376с.
3. Косарев А.В. Патент на полезную модель RU №68067 Тепловой двигатель (варианты). Бюл. №31 от 10.11.2007г.
4. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
5. Косарев А.В. Природа компенсации за преобразование тепла в работу. // Доклады четвёртой Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”, том 2, Москва, Из-во “Буркин”, 2002г., с. 34-42.
6. Косарев А.В. Условие применения цикла Карно в качестве мерила эффективности преобразования тепла в работу. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8074.html
7. Косарев А.В. Сильфонно поршневой двигатель – двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. Коллективная монография “Передовые решения в науке и практике: научные гипотезы, новизна и апробация результатов исследований”. / АНО содействия развитию современной отечественной науки Издательский дом “Научное обозрение”. – М.: Планета, 2013.-168с.
8. Путилов К.А. Термодинамика. – М.: “Наука”, 1971г., 377с.
9. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград, “Химия”, 1978г., 392с. 

Ниже, на следующих двух, страницах размещена рецензия на статью.

Проблема турбулентности признана одной из самых сложных проблем сегодняшней макрофизики, особенно проблема турбулентности вязкой несжимаемой жидкости. Несмотря на то, что явление турбулентности впервые исследовано Рейнольдсом уже более ста лет назад, о механизмах возникновения турбулентности до сих пор нет даже качественных общепринятых представлений. Турбулентное течение, развивающееся в сильно неравновесных системах, характерно чрезвычайной неустойчивостью, непредсказуемостью поведения, беспорядочным изменением скорости, пульсирующей около среднего значения. Траектории движения отличаются сложностью, хаотичностью и нерегулярностью, вихревой разно масштабностью. Автор [11] приводит такие слова английского физика Г. Моффата: “… исследователи столкнулись с исключительными трудностями методов … и возникло понимание того, что проблема турбулентности, всегда считавшаяся трудной, в действительности чрезвычайно трудна”.
Первые теории, описывающие движение идеальной несжимаемой жидкости, послужили скорее развитию математики, чем описанию физической реальности. Так Р. Фейнман в [12] пишет: …”примерно до 1900г., основные усилия были направлены на решение красивых математических задач, которые ничего не имеют общего с реальными жидкостями”. Однако они стали отправной точкой для дальнейших исследований. Следующим шагом был учёт сил вязкости с использованием экспериментально установленного ещё Ньютоном закона вязкого трения. Это позволило достаточно хорошо описать ламинарное течение жидкостей в каналах, объяснить многие экспериментальные факты, например параболический закон скоростей по сечению потока и закон Пуазейля-Гагена. Однако в дальнейшем классическая гидродинамика столкнулась с непреодолимыми препятствиями, вызванными открытием Рейнольдсом турбулентности. Из существующих представлений турбулентность никак не возникала. Под напором потребностей практики стала развиваться теория подобия, в основу которой был положен эксперимент и критерии подобия. Теория подобия сняла остроту проблемы для практики, но для теории породила дополнительное множество трудных проблем. Развитие статистических методов и теории устойчивости Ляпунова привели к учению о детерминированном хаосе. Основными понятиями этого учения стали понятия устойчивых и неустойчивых состояний динамических процессов, бифуркации, аттрактора, в том числе странный аттрактор. Параллельно развивалась теория диссипативных структур Пригожина, изучающая процессы рождения порядка их хаоса в открытых сильно неравновесных термодинамических системах. Эти теории, особенно теория детерминированного хаоса, повторили начальный этап развития гидродинамики. Это скорее математические теории, которые пытались отобразить физические особенности таких сложных явлений как, например, турбулентность. Эти теории привели к скачку в развитии математического моделирования сложных явлений и развитию численных методов их решения. Но физическая суть этих явлений при этом проявлялась слабо. Примером этому служат теории Ландау – Хопфа, Колмогорова – Обухова, Фейгенбаума. Так авторы [7], описывая теорию Ландау – Хопфа о несовместимости частот турбулентных вихрей заключают: “Именно такое сложное, нерегулярное поведение траекторий и ассоциируется с турбулентным движением”. Описывая теорию Фейгенбаума, авторы [7], пишут: “Многократное повторение бифуркаций удвоения периода открывает один из возможных путей возникновения турбулентности. … и в пространстве возникает сложный апериодический аттрактор, ассоциируемый в этом сценарии с возникновением турбулентности”. Не стала общепризнанной и теория Колмогорова – Обухова в качестве адекватной модели турбулентности. Но эти теории, совместно с теорией Пригожина стали базовыми для подходов к изучению сложных явлений, относящихся к эволюционным, в которых одновременно проявляются и детерминизм и статистика.

Изложим исходные положения, которые позволят нам по новому взглянуть на структуру ламинарного потока и на механизм возникновения турбулентности. Занимаясь проблемами обоснования закона роста энтропии и вопросами диссипации кооперативных потоков энергии, автором статьи был вскрыт механизм вырождения результирующего импульса через нецентральное соударение. [4, 5]. Это позволило понять развитие эволюционных процессов в неравновесных системах как в направлении к равновесию (по Клаузиусу), так и в направлении эволюции диссипативных структур (по Дарвину).
Импульс и кинетическая энергия являются неразрывными характеристиками движущейся массы. В оби величины входит скорость. Причём кинетическая энергия переносима импульсом в том смысле, что она перемещается в направлении импульса. При рассмотрении этих характеристик движущейся массы в многочастичной (диссипативной) среде их неразрывная связь становится ещё очевидней. Когда в многочастичной среде соударение приводит к лавинообразному вовлечению массы в результирующий импульс, то, оставаясь постоянным как вектор, согласно закону сохранения результирующего импульса, он меняет свою энергетическую характеристику. Качественное изменение импульса приводит к качественному изменению связанной с ним кинетической энергии. С ростом массы импульс вырождается как носитель кинетической энергии. Это хорошо видно на Рис.1. При увеличении массы импульса вдвое, скорость импульса уменьшается вдвое. При этом переносимая им кинетическая энергия также снижается вдвое, т.к. скорость в кинетическую энергию входит в квадратичной зависимости. В тоже время при каждом нецентральном соударении возникают взаимно уравновешенные импульсы, несущие на себе часть энергии первоначального импульса. Эта часть кинетической энергии принимает новое, статистическое качество, теряет направленность и способность совершать макроскопическую работу. На рисунке виден ярко выраженный фрактальный характер процесса рассеяния. Таким образом эффект результирующего импульса является связующим звеном между детерминизмом динамики Ньютона и вероятностным характером статистической механики.

Всесилие механизма диссипации, приводящего систему к равновесию, заключается в том, что материя имеет корпускулярное строение, т.е. частицы имеют конечные размеры, а значит соударение нецентральное. Частиц же великое множество (достаточно вспомнить число Лошмидта) и затухание происходит очень быстро. Способность диссипативных сред качественно вырождать результирующий импульс и как следствие качественно изменять динамику, когда детерминизм динамики уступает место вероятности статистической механики является их стержневым свойством. Закон роста энтропии есть следствие эффекта вырождения результирующего импульса в многочастичной (диссипативной) среде.
Теперь наряду с процессом рассеяния направленной энергии в диссипативной среде рассмотрим противоположный ему процесс самоорганизации хаоса, возникновения диссипативных структур, возникновения кооперативного движения.
Всякая неравновесность состояния термодинамической системы вызвана какой-либо разностью потенциалов (разность давлений, температур, разность химических потенциалов, разность энергетических уровней). Уже в разности потенциалов, в наличии потенциальной энергии и заложена самоорганизация, заложены условия возникновения кооперативного движения. Если в термодинамической системе есть неравновесность, т.е. разность потенциалов, то в этой системе имеется градиент потенциальной энергии. Если в системе есть градиент потенциальной энергии, то в этой системе действует сила, имеющая выделенное направление, против градиента потенциальной энергии:

где  - потенциальная энергия, запасенная в системе, ; F – сила, действующая в системе; r – расстояние на котором имеется разность потенциалов .
Так как разность потенциалов действует на всю многочастичную систему, то и сила действует на систему в целом, вызывая коллективное, совместное движение частиц диссипативной системы. В форме массового (гидродинамического) потока, когда частицы свободны (газ, жидкость) или в форме фононного потока, потока бегущих волн, когда частицы связаны (кристалл) и могут совершать только колебательные движения. Возникают термодинамические потоки массы и энергии, потоки энергии Умова. Осуществляется переход потенциальной энергии, запасенной в неравновесной системе, в кинетическую энергию общего переноса, имеющей результирующий импульс по направлению силы (-grad). Это и есть механизм самоорганизации (синергетики) диссипативных структур, основополагающего понятия сильно неравновесной термодинамики. Подчеркнём, что самоорганизация в неравновесной термодинамической системе возникает в результате преобразования только потенциальной энергии неравновесности в кооперативную кинетическую энергию. Хаос не самоорганизуется. Понятие хаоса относится только к подсистеме кинетической энергии с . И здесь возможны только флуктуации.
Механизм возникновения кооперативного движения в неравновесной диссипативной среде не несёт в себе ничего нового по сравнению со вторым, основным законом динамики Ньютона. Сложность заключается в том, что не всегда в неравновесной термодинамической системе (системе из не счётного числа частиц) под действием силы в соответствии с основным законом динамики происходит зримое ускорение массы, возникает кооперативное движение, совместный поток частиц. Для понимания причин этого необходимо уяснить очень важное для диссипативных сред понятие. Назовем его – диссипативный порог многочастичной системы.

Рассмотрим события в неравновесных диссипативных средах под влиянием совместного действия механизмов самоорганизации и диссипации. Выясним условия, при которых в многочастичной среде начинают формироваться диссипативные структуры, условия их стабильного существования, условия эволюции и разрушения.
Как только в многочастичной системе возник кооперативный поток, обладающий результирующим импульсом, то тут же начинает действовать механизм вырождения результирующего импульса, диссипирующий кооперативное движение. И теперь всё определяется мощностями этих двух прямо противоположных процессов, зависящих от состояния и свойств системы. Если мощность возникновения (производства) кооперативных потоков больше мощности процесса диссипации кооперативной энергии, то в системе наблюдаются кооперативные потоки, формируются диссипативные структуры. Если свойства системы по вырождению результирующего импульса, диссипации потоков энергии таковы, что превосходят по мощности, возникающие кооперативные потоки, то в такой системе кооперативные потоки не возникают. В термодинамической системе в данной ситуации кооперативного движения не наблюдается, а идёт квазиравновесный процесс установления равновесия. Для возникновения кооперативного движения в диссипативной среде необходимо преодоление главного порогового соотношения. Мы назвали его диссипативным порогом.
 (1); где: - энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом и получаемая из потенциальной энергии неравновесности в единицу времени;  - максимальная энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом, которую данная многочастичная система способна в единицу времени переводить в хаотическую форму под действием причин диссипации.
Величина диссипативного порога (1) определяется максимальной мощностью процесса диссипации кооперативной кинетической энергии и является свойством, параметром данной много частичной системы.
Именно соотношение (1), определяющее соотношение между мощностью процесса самоорганизации и мощностью процесса диссипации определяет направление событий, направление эволюции в неравновесной диссипативной среде.
Рассмотрим поведение диссипативной системы при ее нахождении по ту или иную сторону от диссипативного порога.
а) при  (2) – область линейной неравновесной термодинамики, когда мы говорим о локальном равновесии и не возникает потоков энергии с . В данной ситуации система под действием причин релаксации стремится к равновесию, к состоянию с максимальной энтропией ( и ). Потоки энергии образуются в микрообластях и тут же рассеиваются. Вся потенциальная энергия неравновесности сразу переходит в хаотическую форму и не способна производить макроскопическую работу.
Условие (2) – определяет направление эволюции неравновесной системы к равновесию.
б) при  (3) – область нелинейной, сильно неравновесной термодинамики. При этом условии возникают потоки энергии Умова с , происходит формирование диссипативных структур и появляется возможность совершать макроскопическую работу.
Для того чтобы снизить рассеяние кооперативной энергии необходимо исключить лавинообразное вовлечение массы в кооперативный поток. Это достигается двумя способами: канализацией потока (попросту заключением потока в трубчатую структуру) и, во-вторых, централизацией соударения частиц, созданием условий для когерентного взаимодействия. Чем меньше диссипативный порог многочастичной системы, тем более устойчивы в данной среде кооперативные потоки, больше их мощность, при имеющейся неравновесности, и больше способность совершать работу против сил.
При выполнении условия (3), при преодолении диссипативного порога происходит первая бифуркация, в диссипативной среде формируется диссипативная структура. Диссипативная структура в зависимости от конкретных условий имеет определенные пространственные и временные рамки. Для открытой диссипативной структуры возможны три варианта развития:
Вариант 1): при равенстве подводимого из вне потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры, структура может существовать сколь угодно долго.
  (4)
Назовем (4) соотношением стабильности. Для отдельного процесса это условие его стационарности. По причине того, что в стационарных процессах действие причин релаксации ограничено (энергия передается на ограниченную массу, когерентность делает соударение близким к центральному удару, что также снижает рассеяние) по сравнению с условиями когда в процессе релаксации масса вовлекается лавинообразно, то становятся понятными принцип Онсагера о минимальном рассеянии энергии и принцип Пригожина о минимальном производстве энтропии в стационарных процессах.
Вариант 2):  (5)
Здесь также возможны два случая: во-первых, весь избыток направленной энергии, получаемый диссипативной структурой сверх необходимого для функционирования самой структуры, структура расходует на совершение внешней работы и может как и в варианте 1) существовать сколь угодно долго. Во-вторых, если внешняя работа не совершается, идет накопление кооперативной энергии или неравновесности в системе и диссипативная структура идет к новой бифуркации, в результате которой формируется новое состояние, новая диссипативная структура. Принципиальный механизм бифуркации одной диссипативной структуры в другую заключается в следующем. При нарастании кооперативной энергии или неравновесности в диссипативной структуре возникает излишнее, для данной диссипативной структуры, направленное кооперативное движение, способное совершать работу по преодолению оказывающихся на его пути потенциальных барьеров, свойственных структуре. Момент времени и совершаемая при этом работа, и представляют собой бифуркацию: переход одной диссипативной структуры в другую. Бифуркации возникают не спонтанно, а в момент преодоления потенциального барьера, возникающего на пути кооперативного движения. Это момент неустойчивого состояния. Потоки энергии Умова обеспечивают работу по преодолению потенциальных барьеров, переход структуры в новое состояние. Если после бифуркации в новой диссипативной структуре устанавливается равновесие по варианту 1), то новая структура будет устойчивой. Если в новой диссипативной структуре вновь при определенных условиях с некоторого момента начинает накапливаться кооперативная энергия или неравновесность, то система вновь готова к очередной бифуркации, к формированию последующей структуры. Описанное выше, представляет собой механизм динамики эволюции структур, эволюцию по Дарвину.
Вариант 3):  (6)
Как только выполняется условие варианта 3), то диссипативная структура начинает затухать и разрушаться.
Диссипативная структура формируется при устойчивом нарастания производства потоков Умова, а не в результате нарастания флуктуаций под воздействием усиливающейся неравновесности, как принято большинством авторов по данной тематике. Случайность, при благоприятном наложении на нарастающую неравновесность, может служить спусковым крючком для начала бифуркации, но не её причиной. Здесь главенствует детерминизм.
Детерминизм и статистическая механика – это крайние проявления динамики, которые являются скорее идеализацией. Реальный мир подчиняется эволюционной динамике, сочетающей обе крайности, проявляющиеся в различных явлениях в разной степени.
Состояния термодинамической системы делятся на равновесные и неравновесные. Неравновесные состояния в замкнутых системах, предоставленных самим себе, согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно стремятся (эволюционируют) к равновесному состоянию. Причиной этого является эффект вырождения результирующего импульса. Неравновесные термодинамические состояния системы характеризуются, протекающими в них под воздействием термодинамических сил, процессами. Если состояние неравновесной системы и возникающие в ней процессы подпадают под условие (2), то процесс развивается в сторону равновесия системы и в этом состоянии системы процесс затухнет.
Если же параметры неравновесной термодинамической системы таковы, что процессы в ней развиваются по условию (3) и при этом неравновесность системы поддерживается неизменной, то процесс не затухнет, а возникнет диссипативная структура. При этом возникший процесс может быть неустойчивым и устойчивым. Устойчивый процесс, в свою очередь, может быть переходным или стационарным. Устойчивость термодинамического процесса характеризуется тем, что кинетическая энергия кооперативного потока, меньше энергии потенциального барьера удерживающего кооперативный поток.  (7); Если наряду с (7) выполняется условие (5), то процесс будет переходным. Если наряду с условием (7), выполняется условие (4), то процесс будет стационарным и ему, по теории детерминированного хаоса, будет соответствовать аттрактор, устойчивая совокупность точек фазового пространства. Каждому стационарному состоянию соответствует свой аттрактор.
Условие  (8) соответствует неустойчивым состояниям процесса. Это условие бифуркации, когда процесс преодолевает сдерживающий барьер и в системе формируется новая диссипативная структура.
Состояние процесса, когда  (9), соответствует неустойчивому равновесию. В этой ситуации малейшее усилие может привести к неустойчивости процесса (8) и изменить его течение. Причём новое течение слабо предсказуемо в силу возможного случайного воздействия. Флуктуаций в том числе. Наиболее полно представление автора по данной тематике изложены в [5].
Отталкиваясь от выше изложенного, рассмотрим эволюцию гидродинамического потока по мере возрастания неравновесности, по мере увеличения числа Рейнольдса.

Рассмотрим процесс возникновения гидродинамического потока и процесс перехода от ламинарного движения к турбулентному. Поведение гидродинамического потока определяется числом Рейнольдса Re (10). Входящие в него величины являются, прямо или косвенно, управляющими параметрами потока. Это перепад давления на концах, от которого зависит скорость потока (), условное проходное сечение (), вязкость жидкости (), определяющая силы сцепления между молекулами жидкости и между молекулами жидкости и стенкой. Для данного конкретного потока прямым управляющим параметром является перепад давления. Примем для изучения наиболее простую гидродинамическую структуру – поток жидкости через горизонтальную трубу постоянного сечения при переменном, все возрастающем перепаде давления на концах трубы. Упрощения принимаем для большей наглядности физических процессов.
В начале при нулевом перепаде давления на концах жидкость в трубе будет находиться в равновесном состоянии. При незначительном перепаде система будет находиться в зоне локального равновесия. Возникающая в результате неравновесности, а значит, градиента потенциальной энергии, сила мала по величине и не способна преодолеть силы сцепления в жидкости и со стенкой трубы и вызвать кооперативное перемещение массы жидкости.

Рис. 2

Энергия неравновесности диссипирует в форму хаотического движения в зоне локального равновесия (2). Отдельные агрегаты молекул в результате самоорганизации будут получать микрокооперативное движение, но под действием нецентрального соударения, являющегося причиной процесса релаксации, оно будет рассеиваться. При дальнейшем увеличении неравновесности в системе возрастают силы давления и с некоторого момента они начинают превышать силы сцепления между пристенным слоем, связанным со стенкой и имеющим толщину порядка шероховатостей стенки, и основной массой жидкости. Происходит первая бифуркация в диссипативной среде и формируется диссипативная структура. Возникает поток энергии Умова, вызывающий поток массовый, ламинарный поток. Между покоящимся пристенным слоем и потоком жидкости возникает межслой, в котором происходит скольжение слоев друг относительно друга. Размеры межслоя по толщине того же порядка, что и размеры частиц жидкости.
С появлением потока появляется число Рейнольдса, начинает работать закон сохранения результирующего импульса. Сегодня принято считать, что жидкость при ламинарном движении перемещается отдельными слоями не перемешивающимися между собой. При этом скорость ламинарного потока в поперечном сечении изменяется от нуля у стенки до максимальной по оси трубы и имеет форму параболы (пунктирная линия на Рис.2). Причем по мере увеличения перепада давления и числа Рейнольдса парабола все более вытягивается. Но жидкость не может двигаться со скоростью меняющейся в поперечном сечении монотонно строго по закону параболы. Так как в этом случае все частицы жидкости, двигаясь с различными скоростями, должны будут с течением времени разлететься на большие расстояния друг от друга, разрывая все связи между ними как в парообразном состоянии, когда частицы практически свободны. На это требуется большое количество энергии равное скрытой теплоте парообразования, чего нет в низко температурном и относительно медленном ламинарном потоке. Да и о слоистости в макроскопическом плане при строго параболическом законе скорости говорить не приходится, так как толщина слоя в этом случае будет порядка размеров молекул жидкости. А это уже противоречит наблюдаемым фактам о макроскопических размерах слоёв.
Причём не только эпюра скоростей ламинарного потока, принятая в гидродинамике, противоречит макроскопическим размерам слоёв, но и слои не воспринимаются как чёткая, стабильная во времени и пространстве структура. Так авторы [6], говоря о ламинарном потоке, пишут: “…каждая частица жидкости движется по определённой прямолинейной траектории и вся картина течения представляет собой как бы движение различных слоёв жидкости с различными скоростями друг относительно друга”. Примерно об этом же пишет и автор [9]. Развивая эту мысль логично предположить, что ламинарный поток имеет также и слоистую структуру скорости (как на Рис.2). Центральный слой имеет максимальную скорость, затем по мере удаления слоя от центра к стенке скорость слоёв снижается скачками и скорость слоя непосредственно контактирующего со стенкой равна нулю. В самом слое частицы жидкости движутся с равными скоростями. Структура ламинарного потока напоминает телескопическую конструкцию, в которой элементы движутся с различными скоростями, от покоящегося внешнего элемента (пристенный слой), до, наиболее быстро движущегося, внутреннего. Это центральный момент работы, который позволит понять и физику турбулентности. В сегодняшней гидродинамике нет чёткого представления о слоистости, структура течения как бы слоиста, состоит из совокупности элементарных струек тока, заполняющих сечение потока. Причём струйки как бы не зависимы друг от друга. Мы же принимаем, что при стационарном ламинарном течении самостоятельными величинами являются строго структурированные слои, между которыми, при их взаимном скольжении, происходит диссипация кооперативной энергии за счёт сил трения. Внутри слоя частицы движутся как единое целое, элементарные струйки отсутствуют и диссипации энергии в толще слоя не происходит.
Причины расслоения. Выясним причины и механизмы, порождающие слоистый характер скорости ламинарного потока и как следствие слоистую структуру самого потока. Выясним также влияние на формирование слоёв различных параметров потока: вязкости жидкости, диаметра трубы, длины трубы, перепада давления на концах трубы, температуры жидкости. Напомним, что для простоты картины мы рассматриваем горизонтальный гидродинамический поток в трубе постоянного круглого сечения.
Выше был предложен механизм бифуркации (видоизменения) состояния диссипативной системы как преодоление кооперативным потоком потенциального барьера встающего на его пути. Таким потенциальным барьером, препятствующим перемещению жидкости в трубе, является энергия связи между частицами жидкости и частиц жидкости с частицами стенки трубы.

Рис.3 Рис.4 

На Рис.3 изображена известная из курса молекулярной физики диаграмма потенциальной энергии связи (взаимодействия) между частицами в зависимости от расстояния между ними. На расстоянии  между частицами они находятся в положении силового равновесия. При уменьшении расстояния (при сжатии среды) возникают силы отталкивания, при увеличении расстояния между частицами (при растяжении среды) возникают силы притяжения. Когда энергетическое состояние частиц ниже нулевого уровня потенциальной энергии, они находятся в связанном состоянии и совершают финитное движение (жидкости и кристаллы). Когда энергетическое состояние частиц выше нулевого уровня потенциальной энергии, они находятся в свободном состоянии и совершают инфинитное движение (газы). Для того чтобы жидкость в трубе начала двигаться, необходимо приложить усилие способное разорвать силы сцепления между молекулами жидкости и стенкой, необходимо совершить работу против сил сцепления и преодолеть суммарный потенциальный барьер. Такое усилие порождается неравновесностью системы, перепадом давления на концах трубы. Градиент потенциальной энергии неравновесности и вызывает силу способную преодолеть по- тенциальный барьер сил сцепления. По мере роста перепада давления на концах трубы возрастают усилия растяжения в жидкости от сечения большего давления к сечению меньшего давления. Наконец наступает момент, когда силы растяжения начинают превосходить силы сцепления и связи последних начинают рваться, формируется межслой. В результате напряжение сил растяжения внутри слоя снимается, и частицы слоя начинают двигаться как единое целое с одинаковой скоростью слоя, как целостный элемент. Происходит скольжение слоя относительно пристеночного слоя. Первый межслой в момент возникновения ламинарного потока формируется между покоящимся пристенным слоем и всей остальной массой жидкости движущейся в этот момент с постоянной скоростью. В силу симметрии задачи межслой имеет форму поверхности цилиндра. На этой поверхности и формируется потенциальный барьер сил сцепления, который необходимо преодолеть силам, возникающим как следствие перепада давлений. Зная плотность молекул на цилиндрическом межслое и энергию связи межде молекулами, (то есть, зная величину потенциального барьера связей в межслое), можно рассчитать величину неравновесности при которой возникает межслой. Возникновение слоев начинается от стенки трубы к центру потока. С одной стороны, чем ближе межслой к стенке тем больше его поверхность и соответственно больше потенциальный барьер сил сцепления, который необходимо преодолеть. С другой стороны площадь поверхности межслоя зависит от диаметра межслоя линейно, а поверхность поперечного сечения, на которую действует перепад давлений – квадратично. Отсюда чем больше диаметр межслоя тем при меньшей неравновесности (меньшем перепаде давления) можно преодолеть его силы сцепления. Покажем это аналитически.
Пусть труба, по которой течёт ламинарный поток, имеет длину . Диаметр первого межслоя обозначим через . Перепад давления на концах трубы обозначим через . Найдём зависимость перепада давления, необходимого для формирования межслоя, от диаметра межслоя. Сила связи между молекулами жидкости, принадлежащим разным сторонам межслоя, будет:

 (11)

где: [] – объёмная концентрация молекул в среде жидкости; - сила связи между молекулами жидкости, зависящая от вязкости жидкости и расстояния между частицами (см. Рис.3); [] – концентрация связей на единицу площади межслоя или число пар молекул разных слоёв на единицу площади, которые необходимо разорвать в межслое. Это выражение правомерно по причине плотной упаковки частиц в несжимаемой жидкости.
Мы здесь не пользуемся коэффициентом вязкости, т.к. последний используется при течении вязкой жидкости, а в нашем случае жидкость находится ещё в состоянии покоя.
Запишем силу, которая за счёт перепада давления на концах трубы обеспечивает разрыв силы (11) и формирует межслой.

 (12)

Приравнивая (11) и (12) найдём из полученного равенства перепад давления на концах трубы, необходимый для разрыва сил сцепления и формирования межслоя в зависимости от длины и диаметра межслоя.

 (13)

Из (13) видно, как и предполагалось, что при постоянной длине трубы, чем больше диаметр межслоя тем меньший перепад давления необходим для его формирования. Следовательно, первый межслой формируется у пристеночного слоя.
При движении жидкости всегда наблюдается покоящийся пристенный слой. То есть первый межслой всегда образуется вблизи стенки, но в среде жидкости, хотя самый большой диаметр межслоя находится между стенкой и жидкостью. Это можно объяснить двумя причинами. Во-первых, возможно, что силы сцепления между частицами стенки и жидкостью больше чем силы сцепления между частицами жидкости, так называемые смачиваемые поверхности. Во-вторых, даже если силы сцепления между частицами жидкости больше чем между стенкой и жидкостью, так называемые не смачиваемые поверхности, то с учётом шероховатости стенки общая площадь взаимодействия между стенкой и жидкостью много больше площади идеального цилиндра межслоя. Поэтому потенциальный барьер первого межслоя реально всегда меньше потенцииального барьера связи стенка-жидкость.
Заметим, что сила связи между молекулами или вязкость жидкости зависят не только от рода жидкости, но и от температуры жидкости. Привлекаю внимание к понятию температуры с тем, чтобы у читателя не сложилось впечатление, что, оперируя геометрическими и динамическими понятиями, я забываю о статистических закономерностях, всегда мощно присутствующих в многочастичных диссипативных системах. Подробнее о проявлении статистических закономерностей мы поговорим при рассмотрении турбулентного движения.
Теперь выясним: почему после разрыва сил сцепления в межслое, масса жидкости охватываемая межслоем (находящаяся внутри оболочки межслоя) не движется с ускорением под действием силы создаваемой перепадом давления, как того требует основной закон динамики? Ведь после разрыва сил связи перепад давления, т.е. сила, воздействующая на массу жидкости и создаваемая извне, не меняется. А опыт показывает, что скорость течения ламинарного потока через трубу постоянного сечения при неизменном перепаде давления на концах трубы не меняется. Объяснить это можно следующим образом. Да, в начальный момент после разрыва сил сцепления между молекулами и образования межслоя, жидкость охватываемая межслоем (внутри межслоя) начинает двигаться с ускорением. Возникает переходный режим течения. Но далее вступает в действие другой механизм. Между скользящими слоями жидкости возникают силы вязкого трения, которые тормозят движение. Величина силы вязкого трения определяется экспериментально установленным Ньютоном законом:
 (14), где: - коэффициент вязкого трения; S – площадь соприкосновения слоёв; - расстояние между скользящими слоями, равная толщине межслоя;  - скорость скольжения слоёв, равная разности скоростей слоёв.
Расстояние между слоями, толщина межслоя имеет порядок размера молекулы жидкости. Мы принимаем её величиной постоянной. С учётом этого и условий задачи, где заданы размеры потока и род жидкости, сила вязкого трения в (14) будет зависеть только от разности скоростей. В самый начальный момент разрыва и образования межслоя, скорость скольжения и следовательно сила вязкого трения равны нулю. Поэтому под воздействием перепада давления слой жидкости внутри межслоя начинает двигаться ускоренно. Это в свою очередь приводит к росту силы вязкости. Ускорение продолжается до того момента, когда сила вязкого трения сравняется по величине с силой внешнего воздействия (12). Приравнивая (12) и (14) найдём скорость скольжения слоёв относительно друг друга или скачёк скорости от слоя к слою. В данном случае это будет скорость первого движущегося слоя, т.к. скорость пристеночного слоя равна нулю.

 (15).

Когда скачёк скорости в межслое достигает значения (15), то в сформировавшейся диссипативной структуре ламинарного потока устанавливается соотношение стабильности (4) и переходный режим течения для данного перепада давлений заканчивается. Произведённая кооперативная энергия за счёт перепада давлений диссипирует под воздействием сил вязкости в межслое и структура остаётся в стабильном состоянии. Скорость слоя не меняется, если не меняется перепад давлений. Данному состоянию, т.е. состоянию, когда сформировался первый межслой, соответствует определённое число Рейнольдса. Этому числу соответствует минимальная скорость ламинарного потока и минимальный перепад давлений, для данных геометрических характеристик и вязкости жидкости.
Причины скачка скорости в межслое. Теперь выясним, почему скорость ламинарного потока меняется от слоя к слою скачком, а не по непрерывной параболе как принято считать. Для этого предварительно рассмотрим два момента.
1) Почему сила вязкости пропорциональна скорости скольжения слоёв? Силы сцепления между слоями преодолеваются не полностью. В то время как часть связей между частицами преодолевается, одновременно другая часть восстанавливается. Существует динамическое равновесие в межслое между силами сцепления и силами разрыва, вызываемыми внешним перепадом давления при данной скорости. Когда скорость скольжения слоёв возрастает, то соответственно возрастает и количество разрываемых и количество восстанавливаемых связей в единицу времени. Это приводит к росту мощности диссипации, равной произведению силы трения на пройденное расстояние в единицу времени. Так как расстояние постоянно (длина трубы), то возрастает сила трения. Что вызвано увеличением разрываемых связей в единицу времени. Поэтому коэффициент вязкого трения в размерности имеет время.
2) Покажем, что сила связи на одну пару частиц в слое больше силы связи в межслое.  (16). Для пояснения сказанного рассмотрим рисунки 3 и 4. На Рис.4 изображена линия связи между частицами, принадлежащими разным слоям по сторонам межслоя. В момент возникновения связи расстояние между частицами минимально, порядка размеров частиц, что соответствует расстоянию между частицами в слое. Далее в процессе скольжения слоёв относительно друг друга связь растягивается вплоть до разрыва. И так происходит со всеми связями в области межслоя. Среда в межслое находится постоянно в более растянутом состоянии, чем среда слоя. Теперь обратимся к Рис.3. Ламинарный поток в целом, по причине сил вязкости, находится в растянутом состоянии, т.е. правее линии . Выше мы выяснили, что среда в межслое более растянута, чем в слое и находится правее слоя как изображено на Рис.3. Из формы графика на Рис.3 и следует утверждение (16).
Теперь о причине скачкообразного изменения скорости ламинарного потока по сторонам межслоя. Когда по концам трубы создаётся перепад давлений, то в первый момент жидкость в трубе начинает растягиваться из-за наличия сил сцепления, находясь в неподвижном состоянии. При достижении перепада давления по концам трубы соответствующего (13), возникает разрыв с пристеночным слоем. При этом в момент разрыва и начала скольжения, силы вязкости Ньютона ещё равны нулю, а силы сцепления в межслое резко ослабляются в соответствии с (16). В этот момент нарушается равновесие между силами сцепления в межслое и силой созданной перепадом давления. Избыточная сила вызывает ускоренное движение возникшего слоя, пока не установится равновесие с возрастающими силами вязкого трения Ньютона. Когда перепад скоростей достигнет (15), то возникнет стационарный режим, соответствующий данному перепаду давлений по концам трубы. Таким образом, причина скачка скорости между слоями ламинарного потока вызвана соотношением (16).
Вообще механизм превращения энергии при возникновении межслоя следующий. После преодоления потенциального барьера сил сцепления в межслое часть потенциальной энергии неравновесности, создаваемой извне, расходуется на преодоление восстанавливающихся связей, другая часть преобразуется в кооперативную энергию потоков Умова, в полном соответствии с законом сохранения и превращения энергии. Потенциальная энергия неравновесности, затрачиваемая на разрыв восстанавливающихся связей, в момент разрыва между молекулами сразу преобразуется в хаотическую кинетическую энергию. Другая часть потенциальной энергии неравновесности, преобразовавшаяся в поток кооперативной энергии с , начинает диссипировать в хаотическую форму вследствие действия эффекта вырождения результирующего импульса в многочастичной среде. Устанавливается равновесие между мощностью процесса производства кооперативной энергии и мощностью процесса диссипации кооперативной энергии. В результате этого равновесия мы и наблюдаем равномерное движение ламинарного потока в трубе постоянного геометрического сечения. Вся диссипация кооперативной энергии в ламинарном потоке происходит только в зоне межслоя, т.к. сам слой движется как единое целое.
Как показано на Рис.2 скорость ламинарного потока, имея усредненную скорость, изменяющуюся по закону параболы, изменяется ступенчато. В слое скорость постоянна, а в межслое она резко меняется от скорости одного слоя до скорости другого на малой толщине межслоя, порядка размеров частиц жидкости.
Так как силы сцепления в межслое разрываются не полностью, то не полностью снимается и растяжение в слое. До момента разрыва связи данная связь служит для передачи кинетической энергии через межслой от быстрого слоя к медленному. Тем самым в ламинарном потоке идёт процесс передачи кооперативной энергии от центра к периферии. Если неравновесность, т.е. перепад давления продолжает нарастать, то вновь нарастает растяжение в массе жидкости до критической величины, при которой начинается формирование нового межслоя и так далее вплоть до начала турбулизации потока, до формирования качественно новой динамической структуры.
Образование второго межслоя. Рассмотрим образование второго межслоя, который формируется с ростом перепада давления вслед за пристеночным межслоем. Этот момент изображён на Рис.5, где ламинарный поток показан с торца. На рисунке затемнённым кольцом изображена стенка трубы, а пунктирными окружностями обозначены межслои.
Межслой большого диаметра – это первый межслой, образующийся в момент возникновения ламинарного потока между покоящимся пристенным слоем и потоком остальной жидкости. Примем его диаметр равным внутреннему диаметру трубы. Положение и диаметр этого межслоя постоянны и не меняются с ростом перепада давления и увеличения скорости потока. Обозначим диаметр этого первого, пристеночного межслоя , а диаметр второго межслоя .
С ростом перепада давления на концах трубы возрастает скорость ламинарного потока. При этом с возрастанием скорости скольжения в пристеночном межслое, возрастают силы вязкости Ньютона, препятствующие движению. Это приводит к растяжению в движущемся слое, так как он тормозится в межслое. С ростом перепада давления, этот процесс растяжения длится до тех пор, пока не достигнет критического значения и не сформируется в толще движущегося слоя новый межслой, который частично снимет напряжение растяжения.
В начале рассмотрим процесс образования второго межслоя качественно. Для этого обратимся к рисунку 6. Здесь по оси абсцисс отложен радиус потока (от оси трубы до стенки). По оси ординат отложена сила. Цифрой – 1 обозначен график зависимости силы от данного перепада давлений приходящейся на площадку поперечного сечения потока в зависимости от радиуса. Эта квадратичная зависимость определяется формулой, аналогичной (12).

Рис.5                                                               Рис.6

Цифрой – 3 обозначен график зависимости сил вязкого трения (14) в межслое, если бы он находился на заданном радиусе и при перепаде скоростей соответствующем заданному перепаду давлений на концах трубы. Зависимость эта линейная, т.к. в (14) площадь межслоя при постоянной длине трубы от радиуса зависит линейно. Цифрой – 2 обозначена точка пересечения этих двух графиков. Этой точке соответствует радиус, на котором силы вязкого трения будут равны силе, вызванной перепадом давлений на площадку данного радиуса.
По мере увеличения перепада давлений на концах трубы, будет увеличиваться растяжение среды в слое. При этом растяжение в массе слоя везде будет одинаковым, т.к. жидкости и газы передают усилия во все стороны одинаково. В процессе растяжения графики 1 и 3 будут видоизменяться, но точка пересечения – 2 будет присутствовать, изменяя свой радиус. - сила связи между частицами слоя по мере растяжения будет снижаться (см. Рис.3), пока при определённом не выполнится условие (17). Условию (17) будет соответствовать точка -2 со своим радиусом. Здесь сила вязкого трения, при наличии межслоя, будет равна силе давления, приходящуюся на площадь потока, охватываемого межслоем. На этом радиусе и образуется второй межслой. Почему именно на этом радиусе? На радиусе меньшем точки -2 разрыв произойти не может, т.к. здесь сила вязкого трения в межслое превышает силу поперечного давления, вызывающую растяжение. (Рис.6). На радиусах больших точки -2, образование слоя возможно, но состояние это будет не устойчивым. В возникшем в результате бифуркации центральном слое сила поперечного давления будет превышать силу вязкого трения, и вызывать новый разрыв, пока не установится устойчивое состояние, соответствующее точке – 2. При наступлении условия (17), возникает переходный процесс, при котором от пристеночного межслоя до радиуса точки – 2 пробегает возмущение. При этом частично снимается растяжение слоёв ламинарного потока и часть потенциальной энергии растяжения переходит в кинетическую энергию слоёв ламинарного потока. В точке -2 сброс потенциальной энергии максимален, а значит это состояние отвечает наибольшей устойчивости. Устанавливается стационарное состояние (4) для данного перепада давлений по концам трубы. В момент формирования второго межслоя вновь проявляется эффект, связанный с (16). Что вновь приводит к скачку скорости по сторонам второго межслоя.
Определим диаметр второго межслоя количественно.
1). Предположим, что  и  известны. Получены экспериментально или исходя из квантово-механических представлений.
2). После того как сформировался первый межслой, нам известны перепад давлений на концах трубы из (13) и скачёк скорости в первом межслое из (15).
3). Продолжим наращивать перепад давлений на концах трубы. При этом, из-за увеличения скорости, увеличивается сила вязкости в межслое и с другой стороны увеличиваются силы растяжения в слое. В конце концов силы растяжения достигают предела и в ламинарном потоке формируется второй межслой с диаметром .
4). Для расчёта характеристик второго межслоя примем предварительно некоторое значение , меньшее . Рассмотрение будем проводить в системе отсчёта, движущейся со скоростью равной скорости первого слоя после формирования первого межслоя. Этим мы сведём на первом этапе задачу нахождения  к задаче с .
5). Для принятого значения  найдём из (13) перепад давлений, необходимый для разрыва связей второго межслоя. А из (15) найдём скачёк скорости во втором межслое.
6). Полученный перепад давления, необходимый для образования второго межслоя () в сумме с перепадом давлений на момент образования первого межслоя (), дадут перепад давлений по концам трубы на момент образования второго межслоя. В этот момент первоначальный слой ещё движется как единое целое.
7). Вернёмся к исходной системе координат, связанной с неподвижной трубой. Зная перепад давлений на момент образования второго межслоя как сумму  и , найдём скорость первого слоя перед моментом образования второго слоя. Для этого силу давления из (12) приравняем силам вязкого трения из (14). То есть из формулы (15) найдём скорость скольжения в первом межслое на момент образования второго межслоя. Это будет абсолютная скорость движения первого слоя на момент образования второго межслоя и второго слоя.
8). Энергия потока в момент возникновения второго межслоя, в момент бифуркации, остаётся постоянной. Это связано с тем, что перепад давлений по концам трубы при бифуркации (видоизменении) потока остаётся постоянным.

 (18)

Происходит лишь перераспределение энергии между слоями потока. Этот факт используем при составлении баланса энергии.
9). Физическая система всегда стремится к устойчивому состоянию, которому соответствует минимум сил и энергии. Бифуркация, связанная с формированием второго межслоя возникает в момент, когда силы трения в первом межслое с ростом перепада давления начинают превышать суммарные силы трения в первом и втором возникшем межслое. А это потребует, без возникновения второго межслоя больших энергий на проталкивание. В связи с этим диметр второго межслоя должен соответствовать двум условиям:
а). Мощность процесса диссипации кооперативной кинетической энергии потока (энергии общего переноса) перед моментом бифуркации равна мощности после завершения бифуркации.
, (19)
где: слева равенства стоит произведение силы вязкого трения в первом межслое на скачёк скорости в первом межслое в момент перед бифуркацией; справа равенства стоит сумма произведения силы вязкого трения в первом межслое на скачёк скорости в первом межслое в момент после бифуркации и произведения силы вязкого трения во втором межслое на скачёк скорости во втором межслое в момент после бифуркации;
б). Кинетическая энергия потока через сечение трубы перед моментом бифуркации равна кинетической энергии после завершения бифуркации.
 (20)
где:  - плотность жидкости; выражения в круглых скобках представляют массовый расход через сечение потока.
В (20) ; В период бифуркации выполняется (18).
10). В выражении (19) для принятого в пункте 4) значения  известны все величины кроме величин входящих в произведение среднего члена. Из (19) находим произведение . Теперь произвольно задаём значение . Из физических соображений понятно, что величина скачка скорости в первом межслое после момента бифуркации будет меньше скачка в первом межслое перед моментом бифуркации. Исходя из этого принимаем некоторое значение и по формуле Ньютона (14) находим . Берём произведение полученных величин и подставляем в равенство (19). Если равенство при этих значениях не выполняется, то задаём другое значение . И так до тех пор пока не получим выполнение равенства (19). В этом случае нам будет известен скачёк скорости в первом межслое после момента бифуркации. Это будет скорость первого слоя после момента возникновения второго межслоя.
Далее, зная геометрические и скоростные характеристики потока перед моментом бифуркации и после момента бифуркации, проверяем выражение (20). Если после подстановки геометрических и скоростных характеристик в выражение (20), равенство не выполняется, то принимаем новое значение . Весь цикл расчётов повторяем до тех пор, пока не добьёмся выполнения равенства (20). То значение , при котором выполняется выражение (20) и будет искомым. Ему будут соответствовать и скоростные характеристики.
Расчёт характеристик ламинарного потока для возникновения третьего и последующих межслоёв производится аналогичным образом.
Необходимо отметить тот факт, что по мере увеличения перепада давления происходит в моменты бифуркаций постоянное изменение диаметров межслоёв. За исключением диаметра первого пристеночного межслоя все остальные диаметры межслоёв увеличиваются с ростом перепада давления. Происходит, с ростом давления, уменьшение толщины слоёв, при увеличении их числа.
В момент формирования межслоя в ламинарном потоке происходит бифуркация, т.е. переход к новому состоянию движения. Причём в ламинарном потоке от момента возникновения ламинарного потока до его перехода в турбулентное состояние происходит целый каскад последовательных бифуркаций, сопровождающихся появлением всё новых межслоёв. Им соответствует последовательность чисел Рейнольдса. На бифуркации ламинарного течения не обращали внимание потому, что они при спокойном движении однородной жидкости не заметны не вооружённым глазом.
Послойная запись уравнений гидродинамики. В гидродинамике установилось представление о неразрывности среды, состоящей в тоже время из элементарных трубок. Так автор [8] пишет: “Реальная жидкость не допускает наличия разрывов непрерывности ни внутри движущегося потока, ни на границах его с твёрдым телом”. Эти представления приводят к тому, что в уравнениях гидродинамики условие диссипации записывается по всей непрерывной среде. Например, уравнение Навье-Стокса записывается в виде:
 (21). Выражение взято из [7]. Из (21) вытекает, что оно записано для единицы объёма и при решении требуется интегрирование по всей массе (объёму потока) как непрерывной среде. Если принять представление о телескопической структуре слоистости и диссипации энергии только в межслое, то необходимо видоизменение уравнений гидродинамики, в том числе и Навье-Стокса. Уравнение движения необходимо записывать послойно, с учётом влияния межслоёв по границам слоя, для каждого стационарного состояния.

Рис.7

На Рис.8 изображены схемы действия сил на слои телескопической структуры ламинарного потока. Рис.7а – схема действия сил на центральный слой потока. Рис. 7б – схема действия сил на периферийные слои, охватывающие центральный слой.
Далее – необходимо различать стационарные и переходные процессы при записи уравнений баланса энергии. При бифуркациях, протекающих в критических значениях , общая величина энергии не меняется. Происходит лишь переход части потенциальной энергии растяжения в кинетическую энергию потока. Увеличение общей энергии потока происходит на участках роста перепада давлений между критическими числами Рейнольдса ламинарного потока, которые соответствуют бифуркациям, соответствуют моментам образования новых межслоёв.
Для данного и стационарного состояния:
- Уравнение баланса энергии потока для каждого слоя запишется в виде двух уравнений:
а) - общая энергия потока, суммируется по всем слоям. При этом  рассчитывается по законам упругости и соответствует Рис.3 для конкретной жидкости.
б)  - баланс между производимой энергией за счёт перепада давлений и её диссипацией в межслоях. При этом необходимо учитывать две возможности или их сочетание. Если, вся диссипированная энергия отводится и температура потока не меняется. Если , то диссипированная энергия переходит во внутреннюю энергию, что приводит к разогреву потока.
- Уравнение Навье-Стокса в нашей принятой задаче проще записать в форме основного закона динамики (так как слой движется как единое целое), с учётом действия сил по схеме 7а или 7б для каждого слоя.
- Уравнение непрерывности (сохранения массы) так же запишется послойно, с учётом постоянства скорости в слое и изменения скорости от слоя к слою.
- Описывая переходные процессы при формировании новых совокупностей межслоёв, в расчётах необходимо учитывать введённые выше соотношения неустойчивого состояния, устойчивого и неустойчивого равновесия (8),(9),(7).

Телескопическая структура ламинарного потока позволяет построить динамическую модель возникновения вихрей турбулентности.
Как следует из динамики эволюции для очередной бифуркации и возникновения новой диссипативной структуры необходимо преодоление потенциального барьера на пути кооперативного движения. Таким потенциальным барьером на пути увеличения скорости ламинарного потока, как уже отмечалось, встают силы сцепления между частицами жидкости, заставляющие более быстрые центральные слои жидкости тянуть за собой более медленные периферийные слои и затрачивать часть кооперативной энергии на совершение работы по разрыву сил сцепления. По мере увеличения перепада давления и скорости ламинарного потока (увеличения ) с некоторого момента динамическое равновесие в межслое не успевает восстанавливаться, и связи между слоями начинают разрушаться полностью. Так как процессы очень динамичны, то полный разрыв связей в межслое происходит не по всей площади межслоя, а в локальных зонах, ослабленных по каким-либо причинам (флуктуации, вибрации, изменение геометрии потока и т.д.). “Мы уже сказали, что течение по трубе становится турбулентным при достаточно больших значениях числа Рейнольдса. Опыт показывает, что для этогодолжно быть не меньше 1700. При меньших значенияхламинарное течение вполне устойчиво. … Принимая особые меры предосторожности для уменьшения неизбежно возникающих возмущений, можно, однако, отодвинуть переход к турбулентному режиму до ещё больших значений ; удавалось наблюдать ламинарное течение по трубе даже при = 50000”. [6]. Таким образом, соблюдая меры предосторожности, можно добиться огромного количества слоёв ламинарного потока, что будет способствовать накоплению потенциальной энергии растяжения среды потока. При этом как видно из Рис.3 будет снижаться потенциальный барьер сил связи. Будет достаточно малейших усилий для преодоления состояния неустойчивого равновесия и сброса огромной потенциальной энергии. В этот момент проявляется так называемый “эффект бабочки”. Напротив, в начальный период возникновения турбулентного движения (при≈1700) вихри возникают и исчезают. Так называемая перемежаемость. В английской литературе явление называется пафф-структуры. Это случайная перемежаемость, зависящая от случайных величин (воздействий). Но т.к. при этих условиях потенциальный барьер сил связи достаточно высок, то для полного разрыва локальной области межслоя нужны относительно мощные воздействия, которые встречаются реже. Сформировавшийся при таком воздействии вихрь успевает диссипировать до следующего такого воздействия. Так и возникает перемежаемость. И только после определенной величины числа Рейнольдса турбулентность становится стабильной, т.к. мощность кооперативной энергии достаточна, чтобы постоянно полностью преодолевать силы сцепления в локальных зонах межслоя. Из-за значительного растяжения потенциальный барьер сил сцепления понижается и достаточно меньших по силе возмущений для нарушения неустойчивого равновесия. Числитель в числе Рейнольдса соответствует величине кооперативной энергии потока, а знаменатель соответствует силам связи в жидкости (потенциальному барьеру). В силу усреднённого параболического закона скорости, указывающего на то, что относительная скорость в межслое расположенном со стороны стенки больше чем в межслое расположенном со стороны центра, быстрее преодолевается потенциальный барьер с внешней стороны слоя, т.е. ближе к стенке. Чем больше относительная скорость слоёв, тем больше кооперативной энергии для преодоления сил сцепления. Так как с внутренней стороны слоя потенциальный барьер не преодолен и остается напряженное связанное состояние, то возникают силы перпендикулярные скорости движения потока и направленные во внутрь потока. Это приводит к возникновению вихрей, закручивающихся во внутрь потока, как показано на Рис.2 в виде кривых стрелок. Возможна, но со значительно меньшей вероятностью и обратная закрутка, во внешнюю от центра потока сторону.
Возникшие вихри в свою очередь подчиняются закону сохранения момента импульса. Возникает, в результате бифуркации, турбулентное движение, новый вид диссипативной структуры. Таким образом, слоистая структура ламинарного потока позволяет объяснить механизм образования вихрей турбулентного движения при , то есть при таких числах Рейнольдса при которых кооперативная энергия потока достаточно велика, чтобы в локальных зонах межслоя полностью разрывать силы сцепления.

При дальнейшем увеличении неравновесности и числа Рейнольдса возникшие вихри начинают распадаться на более мелкие вихри, подчиняясь закону сохранения момента импульса, с учётом диссипации. Расслоение вихря вызывается тем, что внешняя сторона вихря тормозится силами вязкого трения от соприкосновения с окружающей вихрь средой, что вызывает растяжение среды внутри вихря. Это, под воздействием энергии вращения вихря, приводит к формированию межслоёв и разрыву сил сцепления уже внутри вихрей. Картина распада вихря на два изображена на Рис.8. Когда внутри первичного вихря образовался межслой (на Рис.8а он обозначен мелким пунктиром внутри вихря), то в первый момент вихрь ещё вращается как единое целое, но сила связи между центральной частью вихря и внешней оболочечной частью резко снижается. Так как движение стохастическое, вихрь испытывает сильные случайные воздействия со стороны окружающей его среды. Это приводит к вытеснению центральной части вихря из его внешней оболочки, и он начинает самостоятельное развитие. (Рис.8в). Внешняя вращающаяся оболочка первоначального вихря сдавливается внешним давлением в освободившуюся центральную область и формируется второй вихрь. Этот момент показан на Рис.8б. Энергия первоначального вихря разделилась на энергии двух вихрей, частично диссипируя.
Рис.8, изображающий физическую картину и механизм каскада вихрей турбулентности, проливает свет на теорию Файгенбаума о многократном повторении бифуркаций удвоения периода и на “гипотетическую картину усложнения течения, …, при дальнейшем увеличении числа Рейнольдса, ” [7] Ландау-Хопфа. Рис.8 отражает также фрактальный характер каскада турбулентных вихрей.
По мере увеличения неравновесности и числа Рейнольдса этот процесс дробления вихрей продолжается. Физика дробления вихрей (появление всё новых бифуркаций с ростом перепада давления и числа Рейнольдса) та же, что и при формировании всё новых межслоёв при ламинарном движении. Механизм формирования межслоя в вихре принципиально тот же, что и в ламинарном потоке. Только нужно учитывать некоторые особенности. При составлении баланса энергии по (20), необходимо учитывать, что линейная скорость в вихревом слое изменяется линейно в зависимости от радиуса, а не постоянна как в ламинарном слое. Величина первоначального вихря зависит от числа Рейнольдса и вероятностных причин, влияющих на величину площади разрыва в ламинарном межслое.
При турбулентном движении нарушается линейность перемещения слоёв. Траектории движения, из-за возникающих вихрей и случайного характера их возникновения, путаются. Это приводит к формированию странного аттрактора в фазовом пространстве. Причём если для ламинарного потока в данном стационарном состоянии для каждого слоя имеется свой аттрактор, то для турбулентного (стохастического) потока странный аттрактор общий для всего потока при данном стационарном состоянии.
Тем не менее, даже при интенсивной турбулентности сохраняется пристеночный слой и примыкающая к нему узкая зона ламинарности.
Причем процесс турбулизации носит двоякий характер: с одной стороны увеличивается свобода перемещения слоев, с другой увеличивается диссипация и мощность процесса релаксации. Это связано с тем, что отношение площади поверхности вихря к его объёму растёт с уменьшением размера вихря. Наибольшая диссипация происходит в малых вихрях. А это приводит к росту вязкого трения. Направление закрутки малых вихрей соответствует закрутке породивших их больших вихрей. Процесс турбулизации с увеличением неравновесности заканчивается тогда, когда эти две противоположные тенденции полностью разрушат потенциальный барьер сил сцепления в жидкости и она будет вести себя подобно газу. И с этого момента эпюра скоростей в сечении потока будет изменяться по параболическому закону (как в газе или паре). Собственно в таком состоянии жидкость и будет как бы соответствовать пару. Это вырожденное состояние странного аттрактора.
Критическое число Рейнольдса при котором начинается турбулизация потока, изменяется в широком диапазоне в зависимости от влияния не только скорости потока, диаметра и вязкости, но и дополнительных условий, способствующих преодолению потенциального барьера сил сцепления (температура, влияющая на вязкость и флуктуации, вибрация, встряхивание, расширение потока, дополнительные препятствия и т.п. снижают критическое число Рейнольдса). К числу случайных воздействий относятся и процессы образования и расслоения турбулентных вихрей, сопровождающиеся ударными волнами. Для количественного описания турбулентности на совокупность уравнений описывающих ламинарное движение необходимо наложить случайные воздействия, о которых сказано выше.
При турбулентном движении мощность процесса релаксации возрастает, но, тем не менее, турбулентное движение, являясь более сложным, менее хаотично чем ламинарное. [3]. При турбулентном движении результирующий импульс на единицу массы больше чем при ламинарном, а это значит что доля подсистемы порядка выше по отношению к доле подсистемы хаоса. Поэтому турбулентное движение является более упорядоченным с энергетической точки зрения, обладает большим потенциалом для совершения работы.
В экспериментах не замечено резких изменений расхода жидкости через трубу при переходе от ламинарного течения к турбулентному. Это говорит о том, что энергия для турбулизации черпается из потенциальной энергии растяжения в слоях и межслоях.
В турбулентном потоке из-за локальных зон полного разрыва в межслое, передача энергии от быстрых центральных слоёв к периферийным снижается, снижается растяжение среды потока (жидкости). С учётом завихренности и хаотизации это и сглаживает эпюру скоростей центральных зон турбулентного потока в сравнении с ламинарным потоком. Количественно это отображается законом изменения скорости турбулентного движения Колмогорова-Обухова на малых расстояниях.
Если исходить из телескопической структуры ламинарного потока, то физические принципы и механизмы возникновения гидродинамической турбулентности просты и наглядны. Сложности возникают в связи с наложением на эту простоту множества факторов, таких как вероятностный характер влияния флуктуаций и других случайных воздействий на состояния потока близкие к неустойчивым, многообразие граничных условий, в том числе их переменный характер во времени и пространстве. В совокупности это приводит к трудоёмким построениям при количественном описании гидродинамических процессов, как в стационарном состоянии, так и особенно при их эволюционном развитии.

1. Власов В.В. Основы векторной энергетики. М.: “Буркин”. 1999г., 124с.
2. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. – М.: “Мир”, 1973г., 280с.
3. Климонтович Ю.Л. Критерии относительной степени упорядоченности открытых систем. // УФН, ноябрь 1996г.
4. Косарев А.В. Эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной (диссипативной) среде как носителя кооперативной кинетической энергии. //Доклады 4-й Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”, том 1, Москва, Из-во “Буркин”, 2001г., с. 98-113.
5. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
6. Ландау Л.Д., Ахиезер А.И, Лифшиц Е.М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. – М.: “Наука”, 1969г., 400с.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. ТФ. Том 4. Гидродинамика. – М.: “Наука”, 1986г., 736с.
8. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: “Наука”, 1970г., 904с.
9. Осипов А.И. Самоорганизация и хаос. – М.: “Знание”, 1986г.,64с.
10. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1. Механика. – М.: “Наука”, 1979г., 520с.
11. Трубецков Д.И. Турбулентность и детерминированный хаос. Соросовский образовательный журнал N1(26) за 1998 г., с. 77-83.
12. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Т.7. Физика сплошных сред. – М.: “Мир”, 1977г., 288с.

P.S. Доклад представлен на 14-й Межвузовской Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”. Балаково, ноябрь, 2013г.

АННОТАЦИЯ

Несмотря на заманчивую простоту и надёжность, несмотря на почти двухсотлетние усилия исследователей, термоэлектрические преобразователи так и не стали источниками электроэнергии в промышленных масштабах из-за низкого КПД и малых единичных мощностей. Их широко используют только в измерительной технике. Предлагаемый тонкоплёночный термоэлектрический преобразователь новой архитектуры по оценкам позволит получить большие единичные мощности при относительно высоком КПД. Ещё одной особенностью предлагаемого термоэлектрического преобразователя является возможность его эффективной работы на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

Термопара является устройством, позволяющим непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, хаотическую энергию в кооперативную, способную совершать полезную макроскопическую работу. В термопаре тепловой поток, возникающий за счет разности температур спаев, распространяется от горячего спая к холодному. При этом фононы теплового потока в каждой ветви термопары увлекают за собой электроны проводимости, передавая последним направленную энергию теплового потока. Эффект увлечения электронов фононами впервые высказан Гуревичем. [2]. Эта переданная электронам направленная энергия теплового потока и есть ЭДС для каждой ветви термопары. Величина передаваемой энергии от потока фононов к электронам проводимости для каждой ветви термопары, по причине их различной кристаллической природы, различна. Опытным путем установлен термоэлектрический ряд проводников и полупроводников по отношению к стандартному проводнику – платине или серебру. Если термопара замкнута на контур, то в контуре создается ЭДС как разность ЭДС ветвей:

 (1)

Рассмотрим термоэлектрические явления в термопарах, изображенных на рисунках 1 и 2. На Рис.1 изображено последовательное соединение термопар в натуральную величину. На Рис.2 изображена та же цепочка термопар, но длина ветвей термопар уменьшена до длины порядка  микрона. В результате получим термопарную поверхность. На Рис.3 изображен в аксонометрии один элемент (одна термопара) термопарной поверхности, с указанной длиной ветвей.
Особенностью существующих термопар, в том числе и пленочных термопар, используемых в измерительной технике, является большое внутреннее сопротивление термопары как источника электродвижущей силы (ЭДС), вызванные большой длиной

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

и малым поперечным сечением ветвей термопары: , (2) где:  и ;  и ;  и  - удельное сопротивление, длина и поперечное сечение ветвей термопары.
Это же является причиной большого термического сопротивления для теплового потока через ветви термопары, часть кооперативной энергии которого и преобразуется термопарой в электрическую энергию. Такая особенность приводит к тому, что КПД современных термопар, по превращению тепловой энергии в электрическую, не превышает 1% для металлических и 5-7% для полупроводниковых термопар и не позволяет получить большие мощности термоэлектрических преобразователей. Исследования в области неравновесной термодинамики позволяют по иному взглянуть на процессы преобразования тепловой (хаотической) энергии в работу (электрическую энергию) в термопаре. 
Рассмотрим термопару, изображенную на рисунке 2. На рисунке: - тепловой поток, вызываемый разностью температур  и  между горячим и холодным источниками тепла. Длина ветвей термопары уменьшена до длины порядка  микрона. Соединим термопары на Рис. 3 в последовательные электрические цепочки как на Рис. 2. В результате получим тонкоплёночную термопарную поверхность (ТПТП), у которой ветви термопар превращаются в тонкие пленки, формируемые на основе пленочных технологий микроэлектроники(напыление, электролиз и т.д.). Пленки формируются на подложке, образующей спай. Мы в качестве примера рассматриваем термопару железо-никель на медной подложке спае. Внутреннее сопротивление такой термопарной поверхности как источника ЭДС будет на много порядков меньше чем существующих термопар. (См. (2)). А через большие, ни чем не ограниченные поверхности таких термопар можно, даже при малых перепадах температур, пропускать большие тепловые потоки.
Выясним характер изменения КПД термопары при уменьшении длины ветвей и переходе к пленочным термопарам, когда длина ветвей (толщина пленок) термопары уменьшится до порядка микрона или в пределе до 100-500А (ангстрем). Предел определяется длиной свободного пробега электрона в кристалле, на которой происходит ускорение электрона фононами, т.е. передача ему части кооперативной энергии теплового потока фононов.
Вначале определим поток тепла через электрически разомкнутую тонкопленочную термопару, за счет которого вырабатывается электрическая мощность. Будем рассматривать один квадратный метр () термопарной пленочной поверхности:

  (3)

где: k – коэффициент теплопередачи через термопарную поверхность;  - перепад температур между горячей и холодной средой, омывающих спаи термопары;  - коэффициент теплоотдачи от горячей среды к спаю;  - коэффициент теплоотдачи от холодной среды к спаю; - коэффициент теплопроводности слоев термопарной поверхности;  - толщина слоев термопарной поверхности.
Определим КПД термопары как отношение вырабатываемой термопарой электрической мощности к тепловому потоку, протекающему через разомкнутую термопару:
 ;  (4)
где:  - К П Д термопары;  - электрическая мощность, вырабатываемая термопарой;  - ЭДС, вырабатываемая термопарой;  - электрический ток в цепи термопары;  - внешнее сопротивление цепи;  - внутреннее сопротивление источника ЭДС (термопарной цепочки).
В общем случае ЭДС термопары зависит от трёх величин: пары проводников, температурной зоны, в которой происходит взаимодействие фононов с электронами, и перепадом температур между спаями, определяющим тепловой поток фононов через термопару.

; , (5)

где:  - удельная термо ЭДС, вызванная для данной пары потоком тепла при .  - определяет поток тепла  равный потоку тепла определенному по формуле (3).

; 

Для стандартной термопары, с помощью которой находят зависимость , перепад температур  определяет поток тепла через термопару. Примем поток тепла через эту стандартную термопару при , за единицу потока тепла для данной термопары. Тогда  получена при . И с учетом этого (5) запишется в виде:

, (6)

где:  - коэффициент, переводящий  с  в  для данной испытываемой термопары; - тепловой поток из (3).
Физически (6) понятно, так как именно кооперативный поток фононов увлекает за собой электроны проводимости, является той сторонней силой, которая создает ЭДС.
Теперь рассмотрим, как ведет себя с уменьшением длины ветвей термопары вырабатываемая ею электрическая мощность при прочих неизменных условиях. Учитывая (4) и (6) имеем:

  , (7) 

где:  и  - удельное электрическое сопротивление материала ветвей термопары;  - площадь одной ветви (пленки) термопарной поверхности;  - длина ветви термопары (толщина пленки);  и величины, постоянные для данной конкретной термопары.
Внешнее сопротивление цепи можно выполнить сколь угодно малым, увеличивая толщину внешних проводников. С учетом сказанного, принимаем внешнее сопротивление цепи равным внутреннему сопротивлению термопары.

 

Перепишем (7) в виде: 
Отсюда КПД тонкопленочной термопары будет (с учетом (3) и (4)):

 
 (8) где 

Из (8) видно, как того и следовало ожидать, что с уменьшением длины и увеличением поперечного сечения ветвей термопары, т.е. с уменьшением внутреннего сопротивления термопары как источника ЭДС, КПД термопары растёт. Уменьшая линейные размеры термопары (длину ветвей) до длин сопоставимых с длинами свободного пробега электрона, т.е. порядка 100 ангстрем, достигнутые значения КПД для термопар (1% для металлических и 5-7% для полупроводниковых) можно сохранить при малых перепадах температур. Отметим, что использованные при выводе (8) законы теплопередачи, Ома и Зеебека являются экспериментальными законами, проверенными в самом широком диапазоне. Их совокупное применение к тонкопленочной термопаре, предложенной конструкции и позволило получить (8). В связи с этим хотелось бы отметить такой момент, часто встречающийся в литературе при выводе формул КПД для термопары. Ссылаясь на фундаментальный характер законов по преобразованию тепла в работу, умножают КПД термопары полученный из формулы (4) на множитель  равный КПД Карно. Это представляется не правомерным. Коль скоро множитель является фундаментальным законом, то он должен реализовываться в экспериментальных законах, которые мы использовали. Если применять множитель, то закон Карно учитывается дважды. 
Вывод (8) вступает в противоречие с выводами традиционной термодинамики. Рассмотрим возникшее противоречие в свете динамики эволюции. Наиболее полно представления о динамике эволюции изложены в [9].
Передача тепла, тепловой поток в твердом теле осуществляется фононами, т.е. за счет согласованных колебаний кристаллической решетки твердого тела. Принято считать, что термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами: 1) зависимостью уровня Ферми (контактной разности потенциалов) от температуры, 2) диффузией электронов (или дырок) и 3) увлечением электронов фононами. Однако первые две причины не объясняют инверсию термо ЭДС, наблюдаемую у некоторых термопар. Инверсия термо ЭДС проявляется в том, что величина термо ЭДС зависит не только от разности температур, но и от абсолютного значения температур. При достаточно больших температурах величина термо ЭДС начинает падать и может даже переменить знак. К таким парам относятся пары Fe-Mo, Fe-Ag, Fe-Cu, для последней температура инверсии равна 300 градусов по Цельсию.
Третья причина, т.е. увлечение электронов проводимости направленным (кооперативным) потоком фононов кристаллической решетки, позволяет объяснить инверсию термо ЭДС. Дадим качественное объяснение этому явлению. Кристалл можно разбить на две более или менее автономные подсистемы. Первая подсистема – это кристаллическая решетка ионных остовов, причем ионные остовы совершают малые колебания около узлов решетки. Вторая подсистема – коллективизированные электроны, характер коллективизации которых может быть совершенно различным – от образования квазимолекулярных орбит до “газа” или “жидкости” электронов проводимости в металлах, омывающих решетку ионных остовов. Обе подсистемы кристалла являются колебательными системами. Эти колебательные подсистемы будучи системами с множеством степеней свободы (практически бесконечным) имеют спектр (практически бесконечный) мод колебаний подсистем, возбуждающихся при определенных условиях. Причем в случае эффекта Зеебека колебательная подсистема ионных остовов кристалла играет роль вынуждающей колебательной силы для подсистемы электронов проводимости. Частота вынуждающих колебаний ионных остовов (частота фононов) зависит от температуры. И когда частота вынуждающих колебаний фононов кристаллической решетки близка или совпадает с частотой собственных колебаний электронной подсистемы и происходит максимальная передача направленной кооперативной энергии фононов электронам проводимости в данном спектре частот (). Достигается максимальный КПД эффекта Гурвича. Из-за того, что для различных кристаллов (материала различных ветвей термопары) ионные остовы по разному откликаются на температуру (имеют разные частоты), а электронные подсистемы различных кристаллов имеют различные собственные частоты то, и передаваемая направленная энергия от фононов к электронам проводимости в разных ветвях термопары различна в данной температурной зоне. Разность между этими энергиями и дает термо ЭДС термопары. С изменением температуры у различных ветвей термопары могут поменяться местами (по величине передаваемой энергии) и периоды резонансов, а, следовательно, и передаваемая в каждой ветви направленная кооперативная энергия от фононов к электронам проводимости и здесь будет наблюдаться инверсия термо ЭДС.
Таким образом, ЭДС термопары обязана своим происхождением эффекту увлечения электронов фононами, а другие рассматриваемые причины могут лишь уменьшать или увеличивать внутреннее сопротивление источника ЭДС. Этот вывод подтверждает правомерность (6).
В термопаре, согласно динамике эволюции ([9]), происходит качественное преобразование тепловой энергии и она из хаотической формы у горячего спая, имея , переходит, благодаря температурной неравновесности между спаями и самоорганизации, в форму теплового потока фононов с результирующим импульсом отличным от нуля.

Рис . 4

Для обоснования сказанного рассмотрим процесс самоорганизации при наличии разности температур, выражающийся в появлении теплового (фононного) потока.
Пусть дана система (Рис. 4), состоящая из двух газов, находящихся в равновесии каждый по себе и разделенных теплопроводной (металлической) перегородкой. Пусть . В результате взаимодействия газов, в рассматриваемой неравновесной системе, возникает направленный тепловой поток, переносящий энергию от газа N1 к газу N2. Обмен импульсами и энергией между молекулами газов осуществляется через посредство потока фононов разделительной стенки, переносящих энергию и импульсы от горячего газа к холодному. Фононная волна передает энергию от частицы к частице в кристалле, и поэтому направленная энергия передается на конечную массу и квазиимпульс, согласно динамике эволюции, не вырождается. Конечно при движении одиночного фонона (одиночной волны) в направленный процесс вовлекаются соседние с направлением перемещения узлы решётки, и квазиимпульс рассеивается и затухает согласно второго закона термодинамики. Однако при достаточно плотном фононном потоке рассеяние снижается, а при когерентных волнах практически прекращается. При когерентности квазиимпульс не только передается на конечную массу от частицы к частице, но и соударение приближается к центральному, при котором вообще не происходит рассеяния импульса. В этих условиях как показано в [9], эффект вырождения импульса резко замедляется, замедляется диссипация кооперативной энергии и рост энтропии. Когда мы говорим о плотном фононном потоке, то имеем в виду не энергетическую плотность, а плотность потока квазичастиц фононов, обладающих квазиимпульсом, несущим на себе кинетическую энергию. Энергетическая плотность потоков Умова-Пойнтинга в кристалле зависит от плотности фононного потока квазичастиц, а также частоты и амплитуды фононов. Плотность потока фононов зависит от плотности газов, омывающих поверхность, а частота и амплитуда фононов зависит от перепада температур между сторонами поверхности. При толщине кристаллической теплопроводной стенки порядка десятков постоянных кристаллической решетки, т.е. порядка 50 – 200 ангстрем и относительно большой площади (макро размеров в теплопередаюшей плоскости в сравнении с микро размерами площади боковых ребер) потоки тепла через боковые ребра (вдоль стенки) пренебрежимо малы в сравнении с потоком тепла перпендикулярно стенке. К тому же узкие боковые ребра можно и теплоизолировать. Потоки тепла (потоки энергии Умова-Пойнтинга) в диссипативной структуре такой пленки не рассеиваются, за исключением узкой зоны возле боковых ребер через которые уносятся микро потоки тепла. Такое возможно только при условии, что переносящие тепло фононные потоки являются продольными когерентными волнами. Колебания узлов кристаллической решетки рассматриваемой пленки имеют три степени свободы, две в плоскости пленки и одну перпендикулярную плоскости. Как уже указывалось выше, колебания узлов в плоскости пленки не переносят энергии, за исключением узкой зоны возле боковых граней, через которые теряются микро потоки тепла. В плоскости пленки фононы представляют собой равновесные тепловые колебания, соответствующие температуре стенки. Всё количество тепла переносится перпендикулярной составляющей фононных колебаний. Причем независимо от углов, под которыми молекулы горячего газа бомбардируют пленку, энергия принимается и переносится только перпендикулярной составляющей фононов и таковой передается холодному газу. Так как в пленке практически нет рассеяния энергии, то здесь пренебрежимо мала мощность процесса релаксации, а это значит, что в такой пленке очень мала величина главного порогового соотношения. Здесь кооперативные потоки энергии возникают при очень малой неравновесности, при самых низких перепадах температур. Резкое снижение мощности процесса релаксации в предложенной пленке достигается тем, что кооперативный результирующий импульс передается последовательно от узла к узлу, т.е. на малые постоянные массы, причем в тонкой пленке этих соударений мало. Но самое важное, что импульс и переносимая им кинетическая энергия передаются, при плотном потоке фононов, продольными когерентными фононными волнами, при которых происходит практически центральное соударение, а значит, не происходит вырождение импульса и диссипации переносимой им энергии. Здесь очень мало производство Джоулева тепла. Предложенная стенка перестает быть диссипативной рассеивающей средой и работает как фильтр по отбору импульсов выделенного направления, перпендикулярного стенке. Из сказанного следует, что потоки энергии Умова-Пойнтинга, т.е. диссипативные структуры в кристаллической решетке стенки с хорошей теплопроводностью, формируются, при достаточной плотности квазичастиц, при низких значениях главного порогового соотношения, уже при очень малых перепадах температур. В отличие от теплопроводного кристалла вещество в аморфном состоянии имеет высокое значение главного порогового соотношения, так как из-за хаотического расположения ионов здесь исключается передача импульса на малую конечную массу по цепочке узлов и невозможно образование когерентных фононных волн, способствующих централизации взаимодействия, а стало быть, снижению вырождения импульса и диссипации энергии.
Направленный процесс передачи тепла (самоорганизация) наблюдается и при передаче тепла металлическим стержнем (традиционная термопара), если он имеет разную температуру концов, однако здесь диссипативный порог значительно выше, а соответственно велико Джоулево тепло и потери. В теплопроводной кристаллической стенке часть направленной кооперативной энергии теплового потока в результате взаимодействия фононов с электронами, передается электронам проводимости. Эта часть направленной энергии, определяемая из (8) в форме направленной электрической энергии освобождена от интенсивного воздействия причин релаксации. Во-первых, направленная энергия распространяется на малую, конечную массу свободных электронов проводимости, а значит. Во-вторых, благодаря уменьшению длины ветвей термопары до порядка длин свободного пробега электрона удается практически освободится от причины рассеяния направленной энергии электронов на ионных остовах решетки, т.е. резко снизить Джоулево тепло, являющееся следствием дисспации направленной электрической энергии. Вот эта не подверженная рассеянию направленная энергия и есть электрическая мощность термопары.
Источником ЭДС и электрической энергии в термопаре служит не разность температур как таковая. Температурная неравновесность является источником кооперативной энергии теплового потока.
Как уже отмечалось нами выше и из рассмотрения (8), достигнутые в настоящее время значения КПД термопар можно сохранить при перепаде температур в десятые и сотые доли градуса и превысить КПД Карно. Для придания термопарной поверхности необходимых прочностных свойств ее можно изготавливать многослойной как изображено на Рис.5. Получается она методом последовательного напыления. Многослойная термопара позволит дополнительно увеличить КПД. Методами нано технологий на толщине термопарной поверхности в 1 мм. можно нанести более 10-тысяч слоёв отдельных термопар.

Рис. 5

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур. Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур через стены зданий. Покажем возможность работы ТПТП на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии.
Постановка задачи: Оценить габаритные размеры и иные характеристики термоэлектрического преобразователя с архитектурой термопарной поверхности в климатических условиях Арктики.
Исходные данные:
1) Мощность установок – 1 Мвт.
2) Перепад температур между тёплым и холодным слоем воды по глубине – 10°С.
3) Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей воде составляет величину порядка 2200 – 11000 . Для конденсирующегося водяного пара порядка 4500 – 22000 . Коэффициент теплоотдачи от воды при естественной конвекции составляет величину порядка 110-1100. (См. например, Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985, с.228). 
Принимаем в численных оценках величину коэффициента теплоотдачи при кипении, конденсации – 5000. Это много скромнее верхних границ. Коэффициент теплопередачи в условиях кипения – конденсации будет того же уровня.

Рис. 6

Принципиальная схема термопарной установки с тепловыми контурами изображена на Рис. 6. Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0°С и до температуры 4-5°С. В эту область передаётся тепло от холодных спаев термопарной поверхности. Тёплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10-15°С. 
Термопарная установка располагается по уровню между холодным и тёплым слоями. Холодные спаи с помощью теплового контура соединяются с холодным слоем воды. Горячие спаи своим тепловым контуром соединяются с тёплым слоем. Для тепловых контуров подбираем в качестве теплоносителей вещества имеющие температуру кипения-конденсации в пределах температур слоя.
Для холодного, отводящего тепло контура, выбираем бутилен цис-2-Б. Его температура кипения-конденсации при атмосферном давлении составляет 3,7°С. Для тёплого, подводящего тепло контура, выбираем хлорид бора. Его температура кипения-конденсации при атмосферном давлении составляет 12,5°С. Вещества подобраны из [12]. Таким образом теплоперепад между спаями термопарной поверхности будет 12,5 – 3,7 = 8,8°С.
Посчитаем тепловой поток через один квадратный метр термопарной поверхности при выше перечисленных условиях.
5000x1x8,8°С = 44 Квт.
Тепловые контура с, таким образом, подобранными теплоносителями, будут работать в режиме тепловой трубы, что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры.
Примем КПД термопарной поверхности равным 10%. Хотя из теоретических воззрений, я не вижу причин, по которым нельзя получить в многослойной термопарной поверхности КПД в 50 и даже 90%. 
При КПД равном 10%, один квадратный метр термопарной поверхности будет генерировать порядка 4–х киловатт электрической мощности. Возьмём пластины по 10 квадратных метров. Мощность такой пластины размером 2м. на 5м. будет 40 киловатт. Пакет из 25-ти таких пластин даст мощность 1 Мвт. Учитывая нанотехнологии толщина пластины будет не более одного миллиметра. Толщина пакета из 25–ти пластин не превысит и метра. Плюс ко всему этому нужно добавить ещё примитивные по конструкции тепловые контура.

Плёночные нано технологии на сегодня хорошо освоены и широко используются. Особых успехов эти технологии достигли в области микропроцессорной техники. Хотя существуют трудности с получением сплошности особо тонких плёнок (порядка 0,01-0,1 микрона) и их защита от окисных плёнок, резко увеличивающих электрическое и термическое сопротивление. Успешное решение технологических задач по производству ТПТП не только снизит остроту энергетических и экологических проблем, но и позволит хотя бы частично сохранить бесценное сырьё для будущего химической промышленности.

1. Блатт Ф.Д. и др. Термоэлектродвижущая сила металлов. /Ф.Д. Блатт, П.А. Шредер, К.Л. Фойлз, Д. Грейг. / Перевод с английского И.А. Магидсона. – М.: “Металлургия”, 1980г., 248с. 
2. Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твёрдого тела. – М.: “Наука”, 1983г., 336с.
3. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: “Наука”, 1970г., 384с.

4. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. – М.: “Высшая школа”, 1977г., 288с.

5. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. Изд-во АН СССР, 1960г. 
6. Исакович Р.Я. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: “Недра”, 1970г., 488с.
7. Косарев А.В. Патент RU на изобретение №2131156 Термоэлектрический преобразователь. Бюл.№15 от 27.05. 1999г.

8. Косарев А.В. Тонкоплёночная термопарная поверхность – термоэлектрический преобразователь нового поколения. www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4372.html
Дата публикации: 14.01.2003г.
9. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
10. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем. – Изд-во “Радио и связь”, 1991г., 344с.

11. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. – М.: “Энергия”, 1968г., 584с.
12. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград, “Химия”, 1978г., 392с. 
13. Савельев И.В. Курс физики. Том 3. – М.: “Наука”, 1989г., 304с.
14. Строшио М., Дута М. Фононы в наноструктурах. / Пер. с англ. Под ред. Г.Н. Жижина. – М.: “Физматлит”, 2006г., 320с.

15. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. – М.: “Просвещение”, 1970г., 488с.

Рассмотрены морфологические и физиологические особенности клеточной органеллы митохондрии. Митохондрии являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В статье высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы и митохондрия работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии, обеспечивая все внутриклеточные перемещения.

Все живые организмы вне зависимости от их сложности имеют в своей основе клеточное строение. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции. Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер”. [9].

Основным источником энергии, функциональную основу жизни представляют циклические ферментативные реакции окисления и синтеза. Именно в силу цикличности этих реакций поддерживается постоянство неравновесности живой системы, формируются градиенты температур и давлений. Согласно синергетике и теории диссипативных структур наличие градиентов – необходимое условие для формирования в системе кооперативных потоков. Как пишет автор [10]: “Весьма вероятно, что через созидание диссипативных структур возникла жизнь”. К тому же на стадии окисления до 40% выделившейся энергии связывается в универсальном энергоносителе АТФ в удобный для живого вид потенциальной энергии, используемый во многих активных процессах.

Транспорт веществ внутри клетки и во всём организме обеспечивается кооперативными потоками энергии, продуцируемыми в клетках, т.к. только такие потоки способны совершать работу против сил диссипации, совершать внешнюю работу. В животной клетке действует своеобразный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию химических связей в механическую энергию гидродинамических потоков биологического раствора. Особенностью биологического двигателя является то, что производство механической работы в биоцикле сопряжено с синтезом высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных субстратов. Так, процессы окисления, идущие с выделением тепла, сопровождаются промежуточным синтезом АТФ, а процессы синтеза белков и других высоко молекулярных соединений, идут с поглощением тепла.

Вся кооперативная энергия в организме вырабатывается на клеточном уровне и расходуется на жизнеобеспечение самой клетки и на внешнюю по отношению к клетке работу (деятельность).

Первичная метаболическая энергия (в виде АТФ и кооперативных гидродинамических потоков гиалоплазмы) производится в митохондриях и частично в цитоплазме за счёт реакций окисления. Цикличность переноса вещества вовнутрь митохондрии и клетки и обратно обеспечивается цикличностью реакций синтеза и диссоциации.

МИТОХОНДРИЯ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Условный цикл производства кооперативной энергии в животной клетке представляется следующим. По причине того, что и межклеточная жидкость, окружающая клетку, и цитоплазма, окружающая эндоплазматическую систему, состоят на 70% из воды, т.е. несжимаемой жидкости, даёт нам основание условно принять процесс в месте протекания реакций окисления и синтеза изохорическим. В местах изохорического разогрева происходит местное повышение давления, возникает перепад давления между зонами протекания реакций и остальной цитоплазмой. Органоидами эндоплазма- тической системы клетки, главным образом в которых протекают циклические процессы окисления, являются митохондрии, где синтезируется энергоноситель организма АТФ.

Митохондрии – наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью, обладающие собственной ДНК. Они являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых (шарообразных) или удлинённых (палочкообразных) структур длиной 0,3 – 5 мкм и шириной 0,2 – 1 мкм. С помощью электронной микроскопии установлено, что митохондрии являются органеллами с двойными мембранами. Между наружной и внутренней митохондриальными мембранами расположено межмембранное пространство толщиной 10 – 20 нм. Внутренняя мембрана, имея большую площадь чем внешняя, образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая значительное место для размещения дыхательной цепи. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Большая часть белков митохондрий синтезируется вне митохондрий и контролируется ядром, митохондриальная ДНК кодирует лишь немногочисленные митохондриальные белки. Наблюдались случаи перемещения митохондрий в протоплазме. Считается, что доставка АДФ, ферментов, кислорода, субстратов для реакций окисления в матрикс, и вывод из матрикса в цитоплазму углекислого газа и АТФ, последовательно через две мембраны митохондрии, осуществляется методом активного транспорта. В зависимости от функциональной активности клеток, количество митохондрий в них изменяется от сотен до десятков тысяч. [2,4,11,12].

В [5] высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления, получаемую в соответствии с законом Гесса, более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы, происходит сжатие митохондрии и она работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии.

Строение внутренней мембраны митохондрии – классический пример рациональности природы. С одной стороны это большая, развитая поверхность для течения реакций окисления и синтеза АТФ, с другой – возможность получения гидродинамического потока на принципах сильфона.

Прежде чем описать принцип производства гидродинамических потоков митохондрией отметим, что в клетке есть ещё одна структура с двойной мембраной. Это ядро. В ядре имеются многочисленные ядерные поры, соединяющие внутреннее пространство ядра с цитоплазмой и протоки, соединяющие межмембранное пространство ядра с полостью ретикулума. “Ядерная оболочка пронизана множеством расположенных упорядоченно ядерных пор округлой формы диаметром 50 – 70 нм, которые в общей сложности занимают до 25% поверхности ядра. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт крупных частиц, а также обмен веществ между ядром и цитоплазмой”. [11, стр.31]. “Перинуклеарное пространство составляет единую полость с эндоплазматическим ретикулумом”. [11, стр.31 и Рис.1, стр. 18].

Схожесть морфологии митохондрии и ядра позволяет, во-первых, высказать предположение о единстве эволюционного происхождения митохондрии и клеточного ядра. Во-вторых, высказать предположение о наличии у митохондрии пор наподобие ядерных, соединяющих матрикс митохондрии с цитоплазмой и наличие проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с эндоплазматическим ретикулумом.

Рис.1

Митохондрия исполняет свои функции в два этапа (два такта). На рисунке – 1 показана последовательность этапов функционирования митоходрии. Здесь цифрой -1 обозначены митохондриальные поры, соединяющие полость матрикса с цитоплазмой. Цифрой -2 обозначены протоки, соединяющие межмембранное пространство митохондрии с пространством ретикулума. На рисунке -1 слева изображён этап сжатия. В этот период в матриксе и на кристах протекают реакции окисления цикла Кребса и дыхательной цепи. Выделяющееся в результате экзотермических реакций окисления тепло вызывает местный рост давления. Давление, воздействуя на площадь крист, заставляет митохондрию сжиматься, и она из палочкообразной формы превращается в округлую, уменьшаясь в объёме. При этом гиалоплазма из межмембранного пространства через протоку поступает в эндоплазматическую сеть, вызывая все внутриклеточные перемещения. Из матрикса гиалоплазма вместе с наработанной АТФ и углекислым газом вытесняется через митохондриальные поры в цитоплазму. На втором этапе (на рисунке -1 справа) в межмембранное пространство сжатой митохондрии из ретикулума через протоку начинает подаваться гиалоплазма. Это приводит к распрямлению митохондрии и она принимает палочкообразную форму, увеличиваясь в объёме. В матриксе создаётся разрежение и в него через митохондриальные поры поступают АДФ, субстраты для реакций окисления и кислород. Митоходрия готовится к новому циклу. Когда часть митохондрий в клетке сжимается, другая часть распрямляется.

Гидродинамические потоки, вырабатываемые митохондриями, и являются движущей силой внутриклеточного сборочного конвейера, основой активного внутриклеточного транспорта. Потоки упорядоченно движутся по развитой циркуляционной системе клеточного ретикулума.

В предложенной модели отпадает необходимость в прохождении крупных молекул в матрикс через две мембраны с помощью активного трансмембранного транспорта. Замеченные активные перемещения митохондрий в цитоплазме можно объяснить следующим. Когда случается отрыв протоки митохондрии от ретикулума, то в процессе сжатия у митохондрии возникает реакция струи, которая и вызывает её перемещение. Интересно отметить и такой факт. В [12, Том1] на Рис. 5.31 изображена электронная микрофотография лизосомы, внутри которой перевариваются, захваченные ею, старые митохондрии. Все митохондрии на фото имеют округлую форму, нет ни одной палочкообразной. Это можно объяснить тем, что оторвавшаяся старая митохондрия, сработав остатки субстратов внутри матрикса, успевает принять округлую форму. А вот для принятия палочкообразной формы у неё уже нет возможности.

Окислительные реакции, протекающие в митохондриях, или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл, так как основываются на тех же законах физической химии, что и технические устройства. На фотографиях, полученных с помощью электронных микроскопов, митохондрии имеют или округлую или вытянутую цилиндрическую форму. Это говорит не о различной морфологии, а о различных функциональных состояниях митохондрии.

Возникшим кооперативным гидродинамическим потоком, с одной стороны, выносятся в межклеточную жидкость продукты распада от реакций окисления и продукты синтеза в клетке, которые используются всем организмом, с другой стороны – происходят перемещения по эндоплазматической системе, обеспечивающие функционирование самой клетки. Скажем, перенос информационной РНК, сформировавшейся в ядрышке на матричном гене ДНК, к тому месту эндоплазматической сети, где в рибосоме на матричной базе информационной РНК происходит синтез соответствующего белка. Процесс кооперативного движения протекает до тех пор, пока давление в зонах повышения давления не сравняется с давлением в межклеточной жидкости. Поток из митохондрии и клетки вовне прекращается. Однако в течение кооперативного процесса в соответствующие зоны эндоплазматической системы доставлены исходные материалы для протекания реакций синтеза высокомолекулярных соединений, необходимых организму для функционирования и регенерации. Реакции синтеза – это эндотермические реакции и они протекают с затратой энергии. То есть в полостях эндоплазматической сети, где протекают реакции синтеза, снижается температура и соответственно давление, в результате чего вновь появляется перепад давлений между межклеточной жидкостью и средой эндоплазматической сети, но направленный во внутрь клетки. Вновь возникает кооперативный гидродинамический поток по эндоплазматической сети от меж- клеточной жидкости через внешнюю мембрану во внутрь клетки. При этом в клетку из межклеточной жидкости доставляется новая порция субстратов и других необходимых элементов для протекания следующего функционального цикла клетки и в частности “перезарядка” митохондрий. Как на Рис.1 справа. Поток вовнутрь продолжается до выравнивания давления и температуры внутри клетки и в межклеточной жидкости. Функциональный цикл окисления – синтеза животной клетки замкнулся.

Митохондриальный и клеточный цикл энергопревращения в целом соответствует циклу сильфонно поршневого двигателя. [7,8]. Отметим, что для возможности таких процессов мы предполагаем у митохондрии дополнительные морфологические особенности. А именно наличие двойных пор – 1 (Рис.1) как у клеточного ядра и наличие трубчатых каналов – 2 (Рис.1), соединяющих межмембранную полость с полостью ретикулума. Без таких морфологических особенностей митохондрия не сможет циклически работать. На эту мысль нас навела работа сильфонно поршневого двигателя. А конструкция сильфонно поршневого двигателя зародилась при изучении морфологии митохондрии. Отметим ещё раз, что при таких морфологических особенностях снимается проблема интенсивного пропуска субстратов через двойную мембрану митохондрии. В [7,8] показано, что митохондриальный цикл реализует принципиально иной способ преобразования тепла в работу, нежели тот, что реализуется в сегодняшних тепловых машинах. Этот, реализованный в живой природе принцип преобразования тепла в работу позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой. В экспериментальной биологии ещё более 50-ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса, что необъяснимо с позиций классической термодинамики.

В качестве примера опишем возможный механизм обмена между внутренней полостью ядра и цитоплазмой.

Рис. 2

Условная схема циклического обмена между полостью ядра и цитоплазмой изображена на Рис.2. Здесь: 1 и 2 – внутренняя и внешняя мембрана ядра; 3 – ядерная пора; 4 – ДНК.

Если предположить, что внутренняя мембрана ядра по площади больше внешней мембраны (как у митохондрии), то при поступлении потоков в межмембранное пространство ядра, (как на Рис.2, слева) межмембранное пространство раздувается, а внутренняя полость ядра сдавливается и содержимое ядра выдавливается через ядерные поры в цитоплазму. Этим потоком смывается сформировавшаяся в ядрышке информационная РНК и выносится к рибосомам цитоплазмы. На второй стадии (Рис.2, справа) содержимое межклеточной полости двойной ядерной оболочки, по причине циклической работы митохондрий, перетекает в митохондрии, что приводит к поступлению в полость ядра из цитоплазмы мономеров для формирования РНК или ДНК. Округлая форма и общий объём ядра за цикл не меняется по причине меньшей по площади поверхности внешней ядерной мембраны. Происходит только локальное перетекание гиалоплазмы. В случае с ядром разница в площадях внешней и внутренней мембран не приводит к изменению внешней формы как у митохондрии по причине того, что с одной стороны у ядра имеется большое количество пор, с другой – внутренняя мембрана ядра не имеет кристов. В [3] показана решающая роль митохондрий в сократительных процессах миоцитов. В [8] описана конструкция теплового двигателя, работающего на тех же физико-химических принципах, что и митохондрия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо проведение исследований митохондрий с помощью электронного микроскопа для выявления митохондриальных пор и проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с полостью эндоплазматического ретикулума, как у клеточного ядра. В случае их обнаружения изменится, принятая на сегодня картина обмена между матриксом митохондрии и цитоплазмой. Будет подтверждён принципиально новый биологический принцип преобразования тепла в работу. Получит объяснение высокий КПД мышечной деятельности, вытекающий из опытов Хилла и противоречащий классической термодинамике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.

2. Бышевский А.Ш., Терсенёв О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург. Изд-во “Уральский рабочий”, 1994г., 384с.

3. Долгов М.А., Косарев А.В. Взаимодействие эластического и гидродинамического компонентов в процессе сокращения и расслабления мышечного волокна. //Вестник Оренбургского гос. у-та №12(79), 2007г., с. 106-112. http://vestnik.osu.ru/2007_12/21.pdf.

4. Каменский А.А. и др. Биология. – М.: ЭКСМО, 2003г., 640с.

5. Косарев А.В. Биодинамика, механизм и условия производства кооперативных потоков энергии в биологических структурах. // Вестник Оренбургского гос. у-та. №6, 2004г., – с. 93-99. http://vestnik.osu.ru/2004_6/17.pdf.

6. Косарев А.В. О морфологических и функциональных особенностях митохондрии. //Материалы Всероссийской научно – технической конференции “Современные проблемы математики и естествознания”. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог” , 2009г., с.6-7.

7. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.

8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/140121164236.doc

9. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: “Мир”, 1979г., 512с.

10. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. – Санкт-Петербург: “СпецЛит”, 2004г., 496с.

11. Сапин и др. Анатомия человека. Т.1 –М.: “ОНИКС”, 2002г., 464с.

12. Тейлор Д. и др. Биология. / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. /Пер. с англ. Ю.Л. Амченкова, М.Г. Дуниной и др.). – М.: “Мир”. Том 1, 2001г., 454с. Том 2, 2002г., 436с. Том 3, 2002г., 451с.

В статье получили своё дальнейшее развитие теоретические представления, внесены новые конструктивные решения сильфонно-поршневого двигателя, работающего на принципиально новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. В отличие от традиционных тепловых машин, использующих для преобразования тепла в работу процесс расширения рабочего тела, в сильфонно-поршневом двигателе используется принцип изменения формы рабочего органа при постоянном объёме рабочего тела. Этот принцип выходит за рамки теории Карно и исключает потери, связанные с термическим КПД. 

Ранее в ряде работ [4,5,7,8] автором представлена теория и конструктивные варианты сильфонно-поршневого двигателя, работающего на принципиально новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. В отличие от традиционных тепловых машин, использующих для преобразования тепла в работу процесс расширения рабочего тела, в сильфонно-поршневом двигателе используется принцип изменения формы рабочего органа при постоянном объёме рабочего тела. Этот принцип выходит за рамки теории Карно и исключает потери, связанные с термическим КПД. Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, исключает компенсацию за преобразование тепла в работу, связанную с расширением атмосферы. 

Главным конструктивным элементом сильфонно – поршневого двигателя является сильфонная гармошка (сократительная цепочка), преобразующая потенциальную энергию объёмного сжатия в механическую работу.
Для уяснения принципа работы сильфонно – поршневого двигателя рассмотрим работу сократительного элемента, изображённого на Рис.1. Сократительный элемент состоит из собственно сократительного элемента – 1, помещённого в сосуд 2. Сократительный элемент – 1 представляет собой призму с ромбическим основанием A-D-E-F и четырёх боковых граней (две из них на рисунке заштрихованы). Боковые грани изготовлены из жёстких пластин, способных воспринимать давление. Четыре боковые грани соединены между собой посредством осей (A-B, D-C и т.д.) и могут свободно вращаться по осям друг относительно друга. Два ромбических основания сократительной призмы напротив выполнены из гибкого материала (как, например полиэтилен), не препятствующего вращению боковых граней по осям, но способного выдерживать требуемое давление. Вся конструкция сократительной призмы выполнена герметичной. Внутренняя же полость сократительной призмы соединена с помощью гибкой трубки – 3 с атмосферой. Сократительная призма помещена в герметический сосуд, имеющий отверстие – 4. Сократительный элемент работает следующим образом. Рассмотрим Рис.1 слева. Здесь сократительная призма изображена во взведённом состоянии. Давление в полости сократительной призмы – 1 и в полости сосуда – 2 равно атмосферному - . Подаём в сосуд – 2 через отверстие – 4 газ или жидкость под давлением . Под воздействием объёмного сжатия сократительная призма начинает схлопываться и примет положение, изображённое на Рис.1 справа. Вот этот элементарный акт сокращения и лежит в основе работы сильфонно – поршневого двигателя. При сокращении элемента совершается работа:  (1) где:  - разность между давлением, подаваемым в сосуд и атмосферным давлением; - суммарная площадь четырёх боковых граней сократительного элемента; - расстояние между точками F и D на которое схлопывается сократительный элемент; -острый угол ромбического основания сократительного элемента. По причинам, которые выяснятся ниже, принимаем этот угол по возможности минимальным. В (1) учтено, что при схлопывании сократительного элемента противоположные боковые грани движутся в направлении друг друга и проходят расстояние , сила направленная по движению равна . Уже из процесса схлопывания сократительного элемента виден принципиально иной способ производства работы из энергии объёмного сжатия, который не сопровождается процессом расширения рабочего тела. Здесь и давление  внутри сосуда содержащего сократительную призму и давление внутри сократительной призмы остаются постоянными при совершении работы. Изменяется только форма сократительной призмы.

Рис.1

Чтобы более наглядно представить процесс преобразования потенциальной энергии объёмного сжатия в механическую работу рассмотрим сократительную цепочку, изображённую на Рис.2. Сократительная цепочка (поршень) представляет собой много последовательно соединённых сократительных элементов, помещённых в общий сосуд (цилиндр). Один конец цепочки (на Рис.2 левый) свободен, другой (правый) прикреплён к стенке сосуда с помощью крепежа -2. Если подать в сосуд (цилиндр) через отверстие газ или жидкость под давлением , то каждый из сократительных элементов поршня начнёт схлопываться. По причине того, что цепочка правым концом жёстко закреплена к стенке сосуда, левый конец цепочки при её сокращении начнёт двигаться в правую сторону. При этом в процессе сокращения цепочки (поршня) будет совершаться работа, будет идти процесс преобразования потенциальной энергии давления в механическую энергию. Работа сократительной цепочки равна сумме работ всех последовательно соединённых сократительных элементов.  (2) где: - количество последовательно соединённых сократительных элементов сократительной цепочки; - из (1), работа одного сократительного элемента. Так как при постоянных размерах сосуда (цилиндра), вмещающего сократительную цепочку, мы будем стремиться к максимальному увеличению количества сократительных элементов цепочки, то угол  будет стремиться к нулю и для простоты косинус в формуле (1) заменим на единицу. С учётом этого имеем:

; (3)  - объём сосуда, освободившийся при сокращении сократительной цепочки. Таким образом, при воздействии на сократительную цепочку внешнего давления производится работа (3). Чтобы на основе сократительной цепочки получить длительно работающий двигатель необходимо добиться цикличности действия сократительного эффекта цепочки. 

Для обеспечения цикличности работы двигателя согласуем работу двух сократительных цепочек таким образом, чтобы сокращение одной цепочки сопровождалось бы растяжением другой. Принципиальная конструктивная схема двигателя изображена на Рис.3. Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 – рабочие цилиндры (сосуды). Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник). Левый и правый цилиндры, расположенные на одной оси, разделены перегородкой – 10, к которой с помощью крепежей – 2 (Рис.2) присоединяются поршни (сократительные цепочки) – 3 и 4. Для согласованной работы сократительных цепочек разных цилиндров они соединены с помощью штоков – 5. Длины штоков таковы, что когда одна сократительная цепочка (поршень), скажем левая, максимально растянута, то другая полностью сжата. Как на Рис. 3. Штоки проходят через разделительную перегородку – 10 цилиндров через сальниковые уплотнения – 9. На подвижных концах рабочих поршней – 3 и 4 расположены компрессионные поршни – 6, с расчётными отверстиями – 12. Компрессионные поршни обеспечивают компрессию цилиндров в области сократительной цепочки. Об особенностях компрессии сильфонно-поршневого двигателя остановимся ниже. Левая сократительная цепочка с помощью ползуна – 13, соединена с кривошипно-шатунным механизмом – 8. Ползун проходит через стенку левого цилиндра в сальниковом уплотнении – 7. Внутри элементов сократительных цепочек находится воздух. Пространство сократительных элементов соединено с атмосферой как на Рис.1. Пространство внутри цилиндров – 1 и 2 за пределами сократительных цепочек заполнено какой-либо жидкостью, например водой. Пространства внутри цилиндров, заполненные жидкостью, объединены с помощью коллектора – 11 воедино. На коллекторе -11 имеются два охлаждающих устройства – 14. Коллектор -11 с помощью запорных устройств – 15 и 16 соединён с цилиндрами таким образом, что рабочее тело (жидкость) поступает в область сильфонной гармошки со стороны её неподвижного конца. Цилиндры – 1 и 2 на большей своей части постоянно тепло изолированы. Для этого они защищены теплоизоляционными покрытиями – 18. Меньшая часть цилиндров, примыкающая к неподвижной стороне сократительных цепочек, имеет съёмные теплоизоляционные пластины – 17. Область цилиндра, покрываемая съёмными теплоизоляционными пластинами не должны превышать область, занимаемую сократительной цепочкой в состоянии полного сжатия (как на Рис.3, справа, позиция – 4). В процессе работы двигателя теплоизоляционные пластины имеют возможность отодвигаться от стенок цилиндра и обеспечивать поток тепла  (Рис.3) к рабочему телу цилиндра (жидкости) в зоне сократительной цепочки, у её неподвижного конца.
На рис.4 изображён один из вариантов сильфонно-поршневого двигателя ранее уже описанного в литературе. [4,5,7,8]. Здесь в качестве поршня используется не сократительная цепочка, а сильфонная гармошка – 3, 4 (Рис.4). Принцип работы в этом варианте тот же, но имеются конструктивные преимущества. Внутреннее пространство сильфонных гармошек общее, что облегчает его соединение с атмосферой. Для штока – 5 не требуется сальника. В данной статье мною принята конструкция с сократительной цепочкой для более наглядного представления принципа работы. У некоторых авторов возникает сомнение в возможности сокращения сильфонной гармошки под воздействием внешнего давления. Ещё одной отличительной особенностью нового варианта является конструкция тепловой изоляции цилиндров. Ранее изоляция цилиндра вся была съёмной и состояла из набора скорлуп. Скорлупы прижимались к цилиндру по мере сокращения сильфонной гармошки. Скорлупы предполагается прижимать даже с некоторым опережением сжатия сильфонной гармошки. Причина такого действия будет описана ниже. И в конструкции сократительной цепочки, и в конструкции сильфонной гармошки 

Рис.4 Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 – рабочие цилиндры. Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник); 3 и 4 – сильфонные поршни; 11 – коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров; 10 – запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров; 6 – сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку цилиндра ползуна – 9, передающего тяговое усилие от сильфонного поршня на шатун кривошипно – шатунного механизма; 7 – сочленение между ползуном и шатуном; 8 – кривошипно шатунный механизм; 12 – съёмные теплоизоляционные кожуха рабочих цилиндров; 5 – шток, обеспечивающий взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4. 

необходимо предусмотреть механическое устройство, не позволяющее отдельным сократительным элементам растягиваться на величину большую допустимой (допустимо установленной конструктором). Если общее растяжение лимитируется штоком -5, то предельный угол  должен лимитироваться упомянутым механическим устройством.
Теперь опишем принцип работы двигателя на основе сократительной цепочки. Работа двигателя на основе сильфонной гармошки описана в [4,5,7,8] и мало чем отличается от того, что будет описано здесь. 

Рис.5

Обратимся к рисунку -3. Описание рабочего цикла теплового двигателя начнём с положения изображённого на рисунке, когда сократительная цепочка левого цилиндра (на Рис.3 позиция 3) полностью растянута, а сократительная цепочка правого цилиндра (на Рис.3 позиция 4) полностью сжата. Съёмные теплоизоляционные пластины – 17 прижаты к поверхности цилиндров (как на правом цилиндре). Подвод тепла от внешнего источника к рабочему телу (жидкости) цилиндров в этом случае исключается. Отметим принципиально важный момент. Объём рабочего тела (жидкости) двигателя в обоих цилиндрах суммарно всегда постоянен. Он равен внутреннему объёму двух цилиндров за вычетов объёмов двух сократительных цепочек – левой, полностью растянутой, и правой, полностью сжатой (как на Рис.3). Запорные устройства – 15 и 16 закрыты. Давление и температура рабочего тела в цилиндрах равны параметрам внешней среды. Давление внутри полостей элементов сократительных цепочек всегда равно атмосферному, так как они соединены с атмосферой. Состояние рабочего тела в данный момент характеризуется на T-S диаграмме точкой – 1 (Рис.5). На Рис.5 изображён термодинамический цикл сильфонно-поршневого двигателя. В этот момент теплоизоляционные пластины – 17 на первом (левом) цилиндре открываются. Теплоизоляционные пластины отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра -1. (см. Рис.3). В этом состоянии обеспечена теплопередача от внешнего источника тепла к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционные пластины на втором цилиндре, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Тем самым передача тепла от внешнего источника тепла к рабочему телу цилиндра – 2 не возможна. Подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела (жидкости), находящегося при постоянном объёме в области сократительной цепочки до точки 2 (Рис.5). Подвод тепла к постоянному объёму несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так нагрев воды при постоянном объёме на 1˚С приводит к увеличению давления на 5-ть атмосфер. [3]. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сократительной цепочки и совершения работы. При этом давление внутри сократительных элементов поршня – 3 первого цилиндра не изменяется, так как их внутренние полости соединены с атмосферой. В результате создаётся перепад давлений по сторонам сократительных элементов поршня первого цилиндра. Этот перепад давлений между точками 2 и 1 (Рис.5) определяется внешней нагрузкой на валу машины. Как только давление в точке 2 (Рис.5) достигнет величины достаточной для преодоления внешней нагрузки, то сократительная цепочка первого цилиндра начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун – 13 передаётся на кривошипно – шатунный механизм. Происходит преобразование энергии теплового потока подводимого к рабочему телу первого цилиндра в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сократительной цепочки (поршня) состояние рабочего тела в первом цилиндре не меняется и определяется точкой 2 на Рис.5. Сжатие сократительной цепочки – 3 приводит к тому, что через воздействие штоков – 5, растягивается правая сократительная цепочка – 4. При этом компресионный поршень – 6 правого цилиндра выталкивает рабочее тело из полости второго рабочего цилиндра через трубопровод – 11 в полость первого рабочего цилиндра, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня – 3 и через открывшуюся арматуру – 16 в полость сократительной цепочки – 4 правого цилиндра. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах, перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме. В момент полного сжатия сократительной цепочки – 3 левого цилиндра – 3, закрывается (прижимается к цилиндру) теплоизоляционная пластина -17 цилиндра – 1, при полном растяжении на данный момент сократительной цепочки – 4 правого цилиндра – 2. Открывается теплоизоляционная пластина на цилиндре – 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра – 2, происходит сжатие сократительной цепочки – 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от цилиндра – 2 к цилиндру – 1. Цикл замкнулся.
Попеременное прижимание теплоизолирующих пластин -17 к поверхности рабочего цилиндра в процессе циклической работы двигателя можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединённой с коленчатым валом.
Теперь об особенностях компрессии в сильфонно-поршневом двигателе. С одной стороны задача компрессии сильфонно-поршневого двигателя та же, что и у двигателя внутреннего сгорания. Исключить утечку рабочего тела через зазоры и тем самым исключить не производительные потери потенциальной энергии давления. Причём для двигателей внутреннего сгорания, чем плотнее компрессия, тем лучше. У сильфонно-поршневого двигателя компрессия не может быть абсолютной. При сокращении сильфонной гармошки (сократительной цепочки) рабочее тело (жидкость) должно выдавливаться за компрессионный поршень. В противном случае жидкость не даст возможности сокращаться сильфонному поршню (сократительной цепочке). Выдавливание жидкости из рабочей зоны сократительной цепочки происходит через отверстия -12 в компрессионном поршне. Причём размер отверстий -12 подбирается таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить в рабочей зоне рабочее давление (соответствующее точке 2 (Рис.5)), с другой обеспечить выход жидкости их зоны сокращения сократительной цепочки. Если размеры отверстий будут больше необходимого, то давление распространится на весь объём рабочего тела в обоих цилиндрах, и сократительные цепочки обоих цилиндров будут сокращаться одновременно, уравновешивая друг друга. Результирующего сокращения не будет. Если отверстия будут по размерам меньше допустимого, то потенциальная энергия давления рабочей зоны будет в значительной мере расходоваться на дросселирование рабочего тела при вытеснении его в не рабочую зону.
Мощность рассматриваемого двигателя определяется мощностью теплового потока , подводимого к рабочей зоне сократительной цепочки. Величина теплового потока  определяется в соответствии с основной формулой теплопередачи:  (4); где:  – тепло, переданное к первому цилиндру за период сжатия его сократительной цепочки; k – коэффициент теплопередачи; F – теплопередающая поверхность рабочего цилиндра, равная площади теплоизолирующих пластин – 17 рабочего цилиндра; - теплоперепад между внешним источником тепла и рабочим телом первого цилиндра, имеющим температуру  в точке 2 (Рис. 5). Для заданных термодинамических и конструктивных условий величина теплового потока постоянна. .
При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент. Происходит передача тепла из рабочей зоны цилиндра (область занятая сократительной цепочкой), где происходит преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это не допустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на не работающий сильфон (элементы не работающей сократительной цепочки). Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы. С целью исключения данного вредного эффекта, рабочее тело, перед поступлением в рабочую зону цилиндра через запорные устройства – 15 или 16, охлаждается в охладителях -14 до температуры точки – 1 (Рис.5). Это снижает КПД двигателя. 
Покажем, что доля тепловой энергии отведенной в охладителях – 14 из цикла для поддержания постоянной температуры рабочего тела в точке 1 (Рис. 5), может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией подведенной в цикл и превращённой в механическую энергию на коленчатом валу. Составим уравнение теплового баланса для теплового потока  подводимого к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня (сократительной цепочки). 
 (5); где: - работа, механическая энергия, полученная на коленчатом валу при сжатии сократительной цепочки (сильфонного поршня) – 3; - тепло, отведенное из цикла при охлаждении выдавливаемого из цилиндра рабочего тела в охладителе – 14, для поддержания постоянства температуры в точке цикла -1 (Рис. 5).
Отводимое в охладителе – 14 тепло, согласно (5) снижает полезную работу. Поэтому встаёт задача снижения . Для этого увеличиваем число сократительных элементов сократительной цепочки до возможно большего количества на единицу длины цилиндров. Это позволит добиться того, что рабочее тело, выдавливаемое из рабочей зоны цилиндра (зоны занимаемой сократительной цепочкой) через отверстия – 12, будет не сразу попадать в нерабочую зону цилиндров, а предварительно протекает через область сократительной цепочки ещё не попавшей в зону подвода тепла. Тепло этого выдавливаемого потока будет повышать давление в ещё не обогреваемых сократительных элементах, вызывая их частичное сокращение и, следовательно, часть тепла, вытесняемого рабочего тела будет превращаться в работу. Так как вытесняемое рабочее тело, как и всё рабочее тело двигателя, находится при постоянном объёме, то частичный отвод тепла приводит к снижению температуры вытесняемого рабочего тела до точки 3 (Рис.5). Охлаждаемое тепло, отводимое в охладителях, снижается до площадки a-1-3-b. (Рис.5). Если бы вся сократительная цепочка изначально подогревалась полностью, а не в окне съёмной изоляционной пластины, то  равнялось бы площадке a-1-2-c. В нашем же случае тепло b-3-2-c превратилось в полезную работу. Чем больше сократительных элементов сократительной цепочки будет находиться вне зоны подвода тепла от внешнего источника, тем сильнее будет охлаждаться рабочее тело, вытесняемое из области сократительной цепочки. Тока 3 будет стремиться к точке 1, а площадка a-1-3-b к нулю.
Запишем количество тепла, передаваемого из рабочей зоны цилиндра в нерабочую зону при сжатии сильфонного поршня и которое необходимо отводить из цикла для поддержания постоянства температуры в точке 1. ; (6). В (6) - масса рабочего тела, вытесненная из рабочей зоны в нерабочую при сжатии сильфонного поршня (сократительной цепочки). Эта величина для конкретной конструкции постоянна; - массовая теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме; - перепад температур между точками 2 и 1, между температурой рабочего тела в рабочей зоне сильфона и температурой рабочего тела вне рабочей зоны после охлаждения в трубопроводе – 11 (Рис. 3). Эта величина при увеличении числа гармошек сильфона, как показано выше, уменьшается и в пределе стремится к нулю. А это означает согласно (6), что при стремлении к нулю перепада температур в охладителе стремится к нулю и , тепло, отводимое из цикла. С учётом сказанного термический КПД сильфонно- поршневого двигателя в этих условиях возрастает, стремясь к 1 при стремлении  к нулю.  при ;
Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе  (6) не носят столь принципиально неизбежного характера как потери тепла  в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе как показано выше могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идёт о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями остаётся на уровне сегодняшних двигателей.
Становится понятной необходимость механического устройства, не допускающего растяжение сократительных элементов больше допустимого. Без такого устройства сократительная цепочка, находясь под внешней нагрузкой, в зоне разогрева рабочего тела будет сокращаться, а остальная часть цепочки будет растягиваться. Общего перемещения, воздействующего на ползун, не будет. Да и растянутые сократительные элементы, попавшие в зону подвода тепла, уже не смогут сокращаться. 
В схемах, предложенных ранее [4,5,7,8], для уменьшения  предусматривалась схема опережающего прижатия теплоизоляционных скорлуп – 12 (Рис.4), в процессе сокращения сильфонного поршня. Предложенная в данной статье схема (Рис.3) представляется более эффективной. 

Представим некоторые обоснования работоспособности предлагаемого двигателя. Так как двигатель использует совершенно новый термодинамический принцип преобразования тепла в работу и на данный момент нет действующих моделей, то это вызывает естественное сомнение в его работоспособности.
а). Совокупность сил и их результирующая.
На боковые поверхности каждого сократительного элемента сократительной цепочки действуют силы, приводящие к схлопыванию сократительного элемента и при этом производящие полезную работу. Силы направлены навстречу друг другу, но они в процессе схлопывания сократительного элемента не уравновешены. Равновесие наступает только в момент полного сокращения. Причём все эти силы с точки зрения производства работы направлены по направлению движения и поэтому складываются. И только сила давления, действующая на компрессионный поршень -6, направлена против перемещения и должна вычитаться из совокупности сил, действующих на сократительные элементы. Причём чем больше сократительных элементов в сократительной цепочке, тем незначительнее влияние силы противодействия на компрессионный поршень и тем значительнее результирующая сила, воздействующая через ползун -13 на коленчатый вал. Мы не учитывали силы трения всегда направленные против движения. Но они незначительны в сравнении с силами давления. Мы видим, что с точки зрения совокупности сил, возникающих при работе сильфонно-поршневого двигателя, двигатель работоспособен.
б). Баланс энергии.
Есть и энергетические соображения, которые могут вызывать сомнения в работоспособности предлагаемого двигателя. В (3) записана работа производимая сократительной цепочкой в процессе её сокращения. Но если мы запишем работу производимую силами действующими на компрессионный поршень -6 в процессе сокращения сократительной цепочки, то получим ту же величину:
; где: - площадь компрессионного поршня, на который действует перепад давлений . Эта площадь равна половине площади боковой поверхности сократительного элемента;  - расстояние, которое проходит компрессионный поршень при сокращении сократительной цепочки.
На первый взгляд получается, что вся полезная работа, полученная в процессе сокращения сократительной цепочки, полностью расходуется на работу перемещения компрессионного поршня против сил. А с учётом затрат работы против сил трения общий энергетический эффект выглядит даже отрицательным. Обратим внимание на такой момент. Работа, совершаемая компрессионным поршнем, производится против действующих на него сил. Из этого следует, что совершаемая компрессионным поршнем работа должна идти на повышение потенциальной энергии. Но в процессе сокращения сократительной цепочки параметры рабочего тела остаются неизменными, соответствующими точке -2 на T-S диаграмме (Рис.5). Следовательно, потенциальная энергия, получаемая в процессе перемещения компрессионного поршня, не накапливается в рабочем теле в области сократительной цепочки, а тут же преобразуется в сократительной цепочке в работу на коленчатом валу. А с учётом превосходящего значения сил сокращения цепочки в сравнении с силами противодействия на компрессионный поршень, происходит процесс преобразования энергии подводимого извне теплового потока в механическую энергию на коленчатом валу. Таким образом, анализ сил и энергетических потоков двигателя говорит в пользу его работоспособности.
в). Ещё одним убедительным доказательством работоспособности сильфонно-поршневого двигателя является жизнедеятельность клеточной органеллы митохондрии и сократительная активность саркомера мышечной клетки. [5,9]. Эти биологические структуры используют тот же термодинамический принцип преобразования тепла в работу, что и сильфонно-поршневой двигатель. 

Отличительной особенностью новой технологии является возможность работы на малых перепадах температур с высоким КПД. В традиционных циклах, использующих при преобразовании тепла в работу процессы расширения рабочего тела, КПД в преобладающей степени зависит от перепада температур. Но дальнейший рост перепада температур достиг своего потолка и ограничен прочностными свойствами сталей.
Для проверки работоспособности сильфонно-поршневого двигателя необходимо проведения комплекса опытно-конструкторских работ. При этом затраты на проведение этих работ незначительны сами по себе. Однако в случае успеха открываются возможности для общедоступного и неограниченного производства энергии от возобновляемых источников. [5, 8]. В случае успеха снимаются и многие экологические проблемы энергетики.

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.
2. Базаров И.П. Термодинамика. – М.: “Высшая школа”, 1991г., 376с.
3. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: “Машиностроение”, 1967г., 160с.
4 Косарев А.В. Патент на полезную модель RU №68067 Тепловой двигатель (варианты). Бюл. №31 от 10.11.2007г.
5 Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
6. Косарев А.В. Условие применения цикла Карно в качестве мерила эффективности преобразования тепла в работу. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8074.html
7. Косарев А.В. Сильфонно поршневой двигатель – двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. Коллективная монография “Передовые решения в науке и практике: научные гипотезы, новизна и апробация результатов исследований”. / АНО содействия развитию современной отечественной науки Издательский дом “Научное обозрение”. – М.: Планета, 2013г.-168с.
8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии. 
http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/140121164236.doc
9. Косарев А.В. Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001d/2327-ksr.pdf
10. Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985г., 432с.
11. Путилов К.А. Термодинамика. – М.: “Наука”, 1971г., 377с.
12. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград, “Химия”, 1978г., 392с.