Расширение газа

Этот процесс уже окружает нас каждый день. Это то, что вызывает дождь.

Когда у вас есть газ, закрытый в какой-то капсуле и вокруг него более низкое давление (и в идеале вакуум), когда вы выпускаете газ, он начнет быстро расширяться с потерей внутренней энергии, эффективно охлаждая газ и его окружение. Это не работает одинаково для каждого газа; например, Heи Hгазы имеют обратный эффект при комнатной температуре (однако они достигают охлаждения при гораздо более низких температурах).

В реальном мире это работает в облаках. Когда Земля производит и выпускает горячий воздух, он поднимается, потому что он легче холодного воздуха. Чем выше вы находитесь, тем меньше давление вокруг и поднимающийся газ расширяется, что охлаждает его. На высоте ~ 2 км он достигает температуры, необходимой для конденсации водяного газа в капли воды, эффективно создавая «облака», которые вы можете видеть. Когда он расширяется все выше и выше (его нужно подавать снизу, потому что более тяжелый и, следовательно, более холодный газ имеет тенденцию падать вниз в виде дождя), он, возможно, может образовывать даже грозовые облака ( кучево-дождевые ), которые действительно высоки. В верхней части он эффективно расширяется почти до вакуума, таким образом СИЛЬНО охлаждаясь. В этот момент может образоваться град, который представляет собой просто очень холодный дождь.

Бомба

Для бомбы с таким расширением не нужна ни реакция, ни воспламенение, ни какая-либо магия. Вам нужна только капсула, в которой будет храниться МНОГО газа, который можно выпустить. Выпустив газ, он будет быстро расширяться (таким образом создавая эффект «взрыва», волны давления и т. д.) и при этом охлаждаться. Если он высвобождается достаточно быстро, он потребляет свою внутреннюю энергию для расширения, тем самым охлаждая окружающие предметы.

Проблема создания такой бомбы заключается в том, что вам нужно начать с газа комнатной температуры и высокого давления, который трудно найти. Если вы сжимаете газ, он имеет тенденцию повышать свою температуру, поэтому вам нужно делать это поэтапно. Кроме того, капсула, которую вы используете, должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать такое давление. Это также может быть проблемой, поскольку в настоящее время бывшие в употреблении газовые баллоны не очень прочны и содержат слишком мало газа для целей вашей бомбы.

Это может быть немного разочаровывающим ответом, но это лучшее, что я могу сделать, придерживаясь реализма.

Для поглощения тепла

Одним из простых решений является использование устройства, которое вызывает быстрое испарение/сублимацию жидкости или твердого вещества. У нас уже есть нечто подобное — баллон с жидким азотом. Чтобы сделать устройство лучше, вы можете создать на нем давление, чтобы предотвратить неэффективное испарение и упростить хранение устройства. (чтобы ваш персонаж мог сказать что-то вроде «Эй, смотри, этот заброшенный веками арсенал, кажется, содержит несколько эндотермических бомб, мы можем использовать это, чтобы…»)

Для поглощения света

Озоновый слой поглощает ультрафиолетовый свет прямо сейчас — по крайней мере, на освещенной солнцем стороне этой планеты, надеюсь, — однако такие газы, как озон, зависят от частоты поглощения света, а это означает, что свет другого цвета/частоты не может быть поглощен один и тот же газ, поэтому для поглощения широкого спектра света необходима смесь многих газов (вы также должны знать о переизлучении, когда заряженный газ высвобождает эту энергию на более низкой частоте).
Это будет скучно, но если цель состоит в том, чтобы блокировать свет, а не удалять фотонную энергию, просто используйте дымовую шашку.

Для электричества

Я могу только представить, что это полезно, когда целью является какое-то оборудование, работающее на электричестве. Традиционные ЭМИ, вероятно, справятся с этой задачей, но если вы хотите физически уменьшить количество электричества, работающего в системе, попробуйте графитовую бомбу , которая вызовет короткое замыкание.

Немного физики/химии

Эндотермическая цепная реакция невозможна из-за этого уравнения:

ΔH — изменение энтальпии, в эндотермических реакциях положительное

T - температура, она будет уменьшаться в случае эндотермических реакций, всегда положительна, так как измеряется в кельвинах.

ΔS - изменение энтропии, охлаждение обычно означает, что это значение положительное, но может быть отрицательным в случае испарения.

Итак, как говорится, по мере того, как эндотермическая реакция продолжается, T будет уменьшаться, поэтому независимо от того, какова положительная/отрицательная величина вашего ΔS, реакция всегда будет становиться неспонтанной, потому что эффект ΔS уменьшается, а ΔH положителен. и постоянным, в результате чего ΔG становится положительным.

Удивительно (по крайней мере, поначалу для меня), что действительно существуют химические реакции, которые протекают достаточно быстро и являются сильно эндотермическими. Также не обязательно требуются экзотические химические вещества:

Классический пример — смешивание льда и соли для получения температуры ниже точки замерзания — как это делалось для приготовления мороженого до появления холодильников.
http://physicsbuzz.physicscentral.com/2014/06/the-science-of-ice-cream.html

Другой пример, который отлично работает, начиная с реагентов строго комнатной температуры, - это «мгновенные пакеты со льдом», используемые в первой помощи (отлично подходят для растяжений); см. https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_pack#Instant_ice_packs

Механизм того, что кажется нарушением первого закона термодинамики, заключается в том, что вовлекается второй закон через свободную энергию Гиббса: https://en.wikipedia.org/wiki/Gibbs_free_energy

Я не знаю ни одной такой реакции, которую можно было бы использовать в качестве оружия, кроме как против бедной золотой рыбки в миске :-(

Эндотермическая бомба будет поглотителем тепла. Проблема для точечного стока заключается в том, что вы можете достичь только ~0 градусов по Кельвину, что не так уж впечатляет по сравнению с экзотермической температурой не менее ~500 градусов по Кельвину. У точечного стока просто нет «подсоса», сравнимого с «расширением» от источника тепла. При этом не происходит «взрыва» от точечной мойки.

Таким образом, бомбе нужно будет распределить вещество в большом объеме. Один из механизмов может заключаться в том, что молекулы находятся под давлением, прежде чем они высвобождаются, и что под давлением молекулы не будут реагировать, но при освобождении газ распространяется, а затем вступает в реакцию. Для этого можно сделать своего рода аппроксимацию мощности, которую будет «сосать» раковина. И наоборот, вы могли бы затем попытаться найти реакцию, которая могла бы произвести требуемый эффект.

Во-первых, энергия для реакций высасывается непосредственно из цели. Это был бы не взрыв, а скорее газовая атака.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Следует отметить, что в отличие от экзотермического взрыва граница проталкивается сама по себе, в эндотермической границе граница будет «всасываться», как только начнется реакция. Таким образом, реакция должна быть медленнее. Эффективным механизмом могло бы быть расширение стабилизирующего давления после того, как раковина «высосала» энергию. В экзотермических условиях эффективным механизмом является расширение в начале, а затем небольшое всасывание для стабилизации давления. Экзотермические реакции просто лучше, потому что они могут расширяться и не имеют такого же термического предела, как эндотермические.

Нет ручной волны, но это невозможно с нашей современной технологией: преобразовать энергию в материю. Это потребует значительного количества энергии и будет поглощать тепло вокруг него. Чтобы получить 1 г вещества, нужно$8 \times 10^{14}$джоулей энергии, что довольно много. Если я правильно подсчитал, это снизит температуру 10 миллионов тонн на 190 градусов.

Эндотермическое взрывчатое вещество

Энтропийные взрывчатые вещества управляются энтропией, а не энтальпией.

Многие современные взрывчатые вещества на самом деле являются эндотермическими. Однако эффект совсем не похож на то, что вы ожидаете. Короче говоря, для того, чтобы реакция управлялась энтропией, в основном необходимо было бы произвести ОГРОМНОЕ количество газа за короткий промежуток времени.

Механический ударный эффект сделал бы его почти неотличимым от экзотермического взрывчатого вещества.

Дополнительную информацию можно найти на Chemistry SE https://chemistry.stackexchange.com/questions/41979/are-non-exothermic-explosions-possible .

Холодная бомба

Однако то, что вы описали, это не эндотермическая взрывчатка, а холодная бомба. Устройство, мгновенно удаляющее энтропию из окружающей среды.

Это нарушает второй закон термодинамики.

При рассмотрении бомбы и ее окружения как закрытой системы. Бомба способна снизить энтропию из закрытой системы. Это запрещено вторым законом.

Любое такое устройство должно обходить этот закон. Возможно, «вскрыв систему» ​​с помощью червоточины.

Не сработает.
Второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия возрастала, и подразумевает, что для уменьшения энтропии вы должны совершить работу, которая добавит в систему больше энергии, чем вы забрали.
Так, например, если у вас есть два объекта комнатной температуры, вам нужно совершить работу, т. е. передать энергию в систему, чтобы передать тепло от одного к другому. Это означает, что ваша бомба не может иметь комнатную температуру, так как для отвода Q джоулей тепла из комнаты вам нужно добавить W джоулей проделанной работы, поэтому общая энергия в системе теперь равна Q+W джоулей, и для любой комбинации Q и W полная энергия системы больше, чем только Q.
«Бомба» подразумевает химическую реакцию. Чтобы вызвать сильно эндотермическую реакцию, вы столкнетесь с той же проблемой, что и выше. Самое низкое энергетическое состояние, т. е. то, что остается после каждой возможной экзотермической реакции при наличии реагентов, является наиболее стабильным, подобно тому как тело у подножия утеса гравитационно более устойчиво, чем на вершине. Чтобы ваша химическая смесь превратилась в другую комбинацию, вам понадобится энергия, как описано выше. Это позволяет вам перейти к другой химической смеси, которая потенциально МОЖЕТ перейти в смесь с более низким энергетическим состоянием и БУДЕТ, если на пути нет энергетического барьера. Думайте об этом, как о стоянии на скале с высокой стеной между вами и краем. Чем выше стена, тем меньше риск упасть. С другой стороны, если вы'

С точки зрения термодинамики, вам нужна высокая начальная концентрация энергии, чтобы начать реакцию, после чего часть ее возвращается обратно. Теперь имейте в виду, что источником энергии будет воздух комнатной температуры. Как я указал в первом абзаце, около 200 слов назад, вы не можете получить много энергии из системы при той же температуре, не совершая работы, поэтому давайте предположим, что плавкий предохранитель запускает процесс, давая ему импульс по сравнению с утес.
Плавкий предохранитель переводит первые несколько молекул в более высокое энергетическое состояние, и они возвращают часть энергии, часть той, что была предоставлена, что может подтолкнуть часть числа молекул, которые первоначально прореагировали. Итак, допустим, 40% отреагировали во втором туре. В третьем отреагируют 40% участников второго раунда и так далее. Реакция не может поддерживать себя; требуется больше энергии.

В итоге, если смотреть сверху, единственная поглощаемая энергия — это энергия взрывателя. С другой стороны, часть энергии, выделяемой при скатывании продуктов по стене, теряется в окружающей среде. Чистый результат, получение энергии окружающей средой.
TL:DR, эндотермические бомбы не работают, если, конечно, вы не используете их для гашения безудержной экзотермической реакции.

Короткий ответ

Нет.

Длинный ответ

В вашем вопросе 2 части.

Часть бомбы . Я предполагаю, что это означает наличие самопроизвольной реакции с эпицентром и радиально распространяющегося взрыва .

Эндотермическая часть . Это означает, что по мере протекания реакции она охлаждает окружающую среду по мере прохождения.

Предположим, что существует такая реакция, которая была самопроизвольной (имела отрицательную энергию Гиббса) и эндотермической:

Это означало бы, что по мере протекания реакции реагенты и продукты будут расширяться (учитывая предположения, связанные со взрывом). Для эндотермической реакции$\Delta H$положительна (поскольку внутренняя энергия возрастает$U$увеличивается от поглощения тепла и объема,$V$, увеличивается для жидких компонентов реакции - от растекания за счет взрыва)

$T$уменьшается с течением времени. (так как это эндотермическая реакция)

$S$зависит от характера реакции. Для того, чтобы реакция была самопроизвольной в начале (наше предположение о начале реакции), по мере протекания реакции, если предположить, что механика реакции осталась прежней (неправда, позже объясню почему), это будет по-прежнему означает, что общая энергия Гиббса со временем будет стремиться к положительному значению.

Когда он достигает 0, он перестает быть спонтанным, и реакция перестает быть спонтанной. (он будет распространяться до тех пор, пока это кинетически допустимо, т.е. выполняются ограничения активации)

Почему я думаю$S$со временем уменьшится

Реакция распространяется радиально, поэтому сами компоненты реакции должны диффундировать радиально от эпицентра.

Если рассматривать больцмановскую (стохастическую, основанную на состояниях) энтропию как меру системы, то в системе взрыва внутренняя энергия компонентов жидкости только уменьшается. Это означает, что общий беспорядок системы уменьшается, тем самым уменьшая энтропию. Газообразные компоненты преобладают в измерении энтропии, следовательно, это означает, что существует$S$со временем будет уменьшаться.

Ответ, но не на ваш вопрос

Бросьте воздушный шар, наполненный жидким азотом, и он будет близок к тому, что вы себе представляете.

На самом деле это не «реакция», но будет иметь эффект эндотермической бомбы (шоковый взрыв будет из-за расширяющегося азота), и окружающая среда будет охлаждаться из-за того, что азот поглощает скрытую теплоту.

Как насчет гипотетической эндотермической самовоспроизводящейся нанотермической реакции?

Принцип самовоспроизводящейся нанотермической реакции заключается в том, что компоненты реакции производят сырье, необходимое для неограниченного продолжения реакции, из окружающей среды.

Поглощенная энергия обеспечила бы доступ к высокоэнергетическим квантовым состояниям, необходимым для преодоления энергетического барьера активации (этого гипотетического пути реакции), а испускаемые твердые продукты оставались бы при такой низкой температуре, что они переохлаждали бы свое окружение, проходя через него. .

Это просто пища для размышлений, но я думаю, но я не думаю, что условия реакции на Земле могут выдержать такую ​​реакцию.

Краткий ответ, не повторяющий то, что было сказано в других ответах, просто добавляющий концептуальное разъяснение:

Предполагая, что вы действительно можете вызвать большую эндотермическую реакцию (которая не будет «взрывом»), нужно понимать, что экзотермическая реакция на самом деле просто производит тепло. Да, свет является побочным продуктом — когда что-то нагревается, оно испускает ряд электромагнитных излучений, включая видимый свет, если он достаточно нагрет, — но, в конце концов, это всего лишь тепло. Химические вещества, реагирующие эндотермически, просто остывают и поэтому не могут напрямую «поглощать» свет, электричество или любую другую форму энергии. Конечным результатом большой эндотермической реакции является то, что близлежащая область становится холоднее, чем была раньше.

И все же, что может сделать быстрое охлаждение? Быстрое сжатие некоторых хрупких твердых тел приводит к их разрушению (попробуйте окунуть горячее стекло в ледяную воду). Незащищенные электронные системы будут накапливать иней из водяного пара в воздухе, что может привести к их короткому замыканию при оттаивании. Живые существа получают обморожение. В целом, эффект довольно мягкий, если температура не поддерживается, и использовать его в качестве оружия было бы сложно без инопланетных технологий или других манипуляций.

Если бы ваша «цивилизация» была в океане или другом водоеме, то есть несколько реакций, которые бы быстро вытягивали тепло из воды, хлорид аммония, например, при смешивании с водой снижает температуру воды вокруг себя. YouTube

Заключите хлорид аммония в «бомбу» и взорвите ее в воде.