Преобразование происходит в рабочих телах, которые поглощают энергию одного вида и отдают наружу - другого вида. Еще Сади Карно указывал, что для преобразования теплоты в механическое движение необходимо использовать тела, которые могут преодолевать сопротивление, изменяя объем при изменении температуры. Он также отмечал, что с этой целью можно использовать твердые тела, жидкости, но наиболее целесообразным является применение газов, которые при нагревании расширяются в наибольшей степени. В преобразователях тепловой энергии в механическую - тепловых двигателях как рабочие тела применялись и применяются газы и пары, которые при нагревании поглощают тепловую энергию, а при расширении осуществляют механическую работу.
Таким образом, во всех тепловых машинах происходит преобразование кинетической энергии хаотического теплового движения молекул газа в направленное движение поршня или потока газа. Еще двадцать лет назад любой энергетик или механик мог, как говорят, подписаться под словами Сади Карно, что газы будто созданы для применения в тепловых двигателях. Как еще можно изменять объем тел при изменении температуры, как не из-за теплового расширения или изменение объема при фазовых переходах?
В начале 80-х гг. прошлого века В.А.Ерошенко предложил новый принцип изменения объема при изменении температуры и, соответственно, принципиально новое рабочее тело для преобразователей тепловой энергии в механическую - тепловых двигателей. Суть идеи В.А.Ерошенка заключается в том, что в гетерогенной термодинамической системе вида "жидкость - капиллярно-пористое тело, что не смачивается этой жидкостью", суммарный объем системы зависит от степени заполнения пор жидкостью, соответственно от давления, а также и от температуры, поскольку степень заполнения пор при данном давлении зависит от поверхностного натяжения жидкости, а последнее зависит от температуры. Таким образом, в таких преобразователях энергии "работают" не силы, обусловленные хаотичным движением молекул газа, а силы межмолекулярного взаимодействия. Поскольку последние зависят от температуры, научное направление, которое исследует использование сил поверхностного натяжения для выполнения механической работы, названо "термомолекулярной энергетикой".
Гетерогенное рабочее тело вида "жидкость - капиллярно-пористое тело, что не смачивается этой жидкостью" имеет много необычных свойств.
В отличие от традиционных тел, состояние нового рабочего тела описывается двумя уравнениями, при этом давление и объем выступают уже как взаимно независимые параметры системы, что открывает перспективы создания энергоустройств, которые не имеют аналога в традиционной технической термодинамике.
К необычным физическим и термодинамическим свойствам нового рабочего тела принадлежат следующие: адиабатическая несжимаемость в равновесном процессе; коэффициент изотермического сжатия и коэффициент изобарического расширения могут быть неограниченно большими (до бесконечности) возможно осуществление изобарно-изотермических процессов сжатия (расширения) без фазового перехода в системе; изотермические процессы сжатия и расширения могут протекать с гистерезисом по координате «давление»; термический коэффициент упругости нового рабочего тела отрицательный, то есть легче сжать систему при повышенной температуре, чем при низкой; новое рабочее тело самовольно расширяется не при нагревании, а при охлаждении, имеет эффект памяти формы при термомеханическом воздействии на него, причем, эффект увеличения его объема в 10 раз превышает показатели нитинола и других сплавов с эффектом памяти формы; процессы сжатия и расширения нового рабочего тела протекает бесшумно; время сжатия (расширения) системы может достигать значений 0,001 с.
Разработан новый термодинамический цикл с использованием указанного рабочего тела, в котором процесс преобразования тепловой энергии в механическую характеризуется степенью карнотизации 0,6-0,8. Доказана возможность реализации обратного термодинамического цикла и создание безфреоновых холодильников. На базе новых рабочих тел созданы компактные аккумуляторы механической и тепловой энергии, амортизаторы и демпферы с большим коэффициентом диссипации энергии, автономные (от традиционных источников энергии и каналов связи) исполнительные механизмы с широким диапазоном перемещений и усилий что развиваются и создан термомолекулярный привод с разорванным во времени термодинамическим циклом.
На основе термомолекулярных эффектов можно создавать тепловые двигатели, безфреоновые холодильники, высокоэффективные амортизаторы и прочее. В них можно применять воду и водные растворы, жидкие низкотемпературные эвтектики. Как капиллярно-пористые матрицы применяются тефлоновые пористые пленки, силикагели, алюмосиликаты, пористые стекла, окись алюминия, цеолиты и другие.
В гетерогенных системах работу выполняет межфазная поверхность. Поскольку удельная поверхность высокодисперсных веществ может достигать несколько тысяч квадратных метров на 1 грамм, энергия, накапливаемая гетерогенным рабочим телом, может быть на 2-3 порядка выше, чем у газа и пара, а значит, рабочие камеры-преобразователи могут быть существенно компактнее.
Сегодня механизмы и устройства, конструкции которых базируются на принципе открытия, используются в космической и авиационной технике, на атомных электрических станциях и на других объектах. Поскольку и новое рабочее тело, и устройства на его основе созданы недавно, возможности для разработки и применения устройств, в которых оно используется, без преувеличения можно назвать неограниченными.
Общенаучное значение базовых концепций термомолекулярной энергетики и их применимость для корректного анализа с единых позиций многих явлений и закономерностей в живой и неживой природе, а также для обоснованного прогноза развития термомеханических систем, следует из установленного научного факта: мерность пространства может выступать как термодинамический потенциал системы. Это означает, что наряду с привычной для технической термодинамики работой сжатия (расширения) с обязательным изменением объема системы существует работа формообразования, когда соответствующие процессы в термодинамической системе могут осуществляться при постоянном объеме компонентов системы.
Более подробно с новым направлением техники можно ознакомиться в статье: Ерошенка В.А. Термомолекулярная энергетика / Промышленная теплотехника. - 1992. - т.14. - №1-3. - С.24-25
В.А.Ерошенко, д.т.н., профессор, В.М.Игнатович, к.т.н.