Двигатель против закона физики: Нарушающий законы физики двигатель проверят в Германии

Вечный двигатель второго рода

ПОЛНОЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОАНИЕ ВОЗМОЖНО ЛИШЬ
В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ВТОРОГО РОДА !
Вечных двигателей не бывает, это моё твёрдое убеждение. Но не существует и запрета на преобразование энергии с кпд близким к 100%, по крайней мере, на современном уровне, этого ещё, ни кто не доказал. В пользу сказанного, говорят практически достигнутые результаты по преобразованиям механической энергии в механическую же энергию, или же электромеханические преобразования. Достигнутые, в них, на сегодня кпд порядка 97-98% , давно должны были насторожить современных учёных и заставить их усомниться в, декларируемой Карно, ущербности термодинамических преобразований. Жалкая попытка научного обоснования получающегося низкого кпд , так называемых тепловых двигателей, теплородиста Карно, антинаучна в своих основах. Более того, в описании своего знаменитого цикла, Карно допускает, несколько, противоречащих самому себе выводов и противоречащих здравому смыслу умозаключений. Может быть причина низкого кпд, при термодинамических преобразованиях энергии, заключается в несовершенстве выбранного способа? Был ведь период времени, к примеру, когда лампы накаливания считались пределом совершенства, теперь же , когда мы чуточку разобрались в физике преобразования химической, электрической, электромагнитной энергии в эл.магнитное излучение видимого(и не только) спектра, появились лазеры, светодиоды, а эл.лампы накаливания уже сами стали полным отстоем в своей области. Может быть нам хотя бы усомниться во всемогуществе термодинамики? Ведь, до настоящего времени, человечество применяло, практически, лишь один единственный способ, способ перепада давлений. Он использован во всех двигателях от паровозного до ракетного, в доказательство сказанного могу предложить, сомневающимся, обеспечить подачу в рабочие камеры всех, известных двигателей, обыкновенного сжатого воздуха, с параметрами давлений рабочего тела и они будут работать. Но не будем забегать вперёд, рассмотрим всё по порядку. На сегодня мы имеем три основных интерпретации второго начала термодинамики:
1.Не возможен процесс, при котором теплота, переходила бы самопроизвольно, от тел более холодных к телам более нагретым. Р. Клаузиус(1850)
2.Невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара. У.Томпсон (Кельвин)(1851).
3.Энтропия как функция беспорядка, в замкнутых системах может только возрастать.

1.Рассмотрим первую формулировку. Начнем с понятия ‘теплота’, как видим оно применено как имя существительное, с явно сопутствующими вещественными свойствами, всё как понимал и завещал Карно. С таким наследием мы переходим в третье тысячелетие???
Общепризнано атомно-молекулярное строение материи. Разработана и почитаема молекулярно-кинетическая теория. МКТ объясняет тепловые явления как проявление кинетической энергии хаотического движения молекул. НЕТ теплорода, тепла, теплоты. Нет и тепловой энергии вне молекул. Есть кинетическая энергия молекул как мера движения молекул. Материальны сами молекулы и их движение. Именно вещественность тепла, теплоты, провозглашенная Карно, требует определения направления ее перемещения. В МКТ превалирующая энергия молекул с высокотемпературных участков распространяется на низкотемпературные участки пространства. Теплообмена не существует, как и тепла. Не ясна цель моих высказываний? Воздух из поврежденной автомобильной камеры самопроизвольно распространится в окружающее пространство, но автомобильная камера не может самопроизвольно накачаться воздухом окружающей среды. И ни какого ‘пневмообмена’. Это неоспоримо, это ‘ежу понятно’. Заметьте, безо всякого ‘второго начала пневматики’, а всё потому, что нам не затуманили голову ‘вещественным пневмородом’, а дали физику возникновения давления газа без идеалистического искажения.
Превалирующая энергия молекул области пространства распространяется, рассеивается, в области ее относительного недостатка. НЕ теплообмен, ни в коем случае! Областям с недостатком отдавать нечего, они принимают избыток энергии молекул распространяющийся из областей с превалирующей энергией. Когда мы уясним, что нет теплоты, нет и теплообмена, станет явной никчемность этой формулировки второго начала. Но самое главное, мы только с этого момента освободимся от теплородного наследия термодинамики, вещественности теплоты.
Для этого не нужны знания ‘высоких материй’, нужно лишь последовательно во всём разобраться, сопоставлением всех аргументов, раз и навсегда и никогда не возвращаясь к ранее отвергнутому. Как, например, поступили с геоцентрической моделью вселенной. У нас же получилось примерно так: ‘земля на трёх китах это глупость:.это вселенная, с её галактиками, она точно на трёх китах’.
Резюме этому рассуждению: указанная формулировка второго начала, дана теплородистами для выхода из тупиковой ситуации, куда их завела вещественность тепла и теплоты. Для МКТ это ‘пятое колесо’ и нужно не более чем выше описанный закон пневматики.

2. Вторую формулировку считают аналогом первой. Позвольте не согласиться. То, что нарушение ‘постулированного направления движения теплоты’, позволило бы создать в.д. второго рода это логично. Но на каком основании мы утверждаем, что если не нарушить этого постулата то в.д. второго рода не создать, лично для меня огромная загадка. Предположим, что невозможность полного преобразования мы найдём в постулатах и цикле Карно. Пробежимся указочкой по строкам описания цикла Карно. Небольшое авторское пояснение, несмотря на то, что я в принципе не приемлю теплородистких, тепло вещественных позиций, а именно из них сложено всё описание, я тем не менее беру без каких либо изменений первоисточное изложение.
‘Карно цикл, обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту).’
Теплота не вещественна, поэтому я бы предложил говорить о следующем. Термодинамическое преобразование энергии это процесс превращения кинетической энергии молекул рабочего тела(р. т.), в кинетическую энергию движущихся частей машины или наоборот.
‘Р.т. последовательно находится в тепловом контакте с двумя тепловыми резервуарами(имеющими постоянные темп-ры) — нагревателем(с темп-рой Т1) и холодильником (с темп-рой Т 2 < T1). Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом определённого кол-ва теплоты от нагревателя к холодильнику.’
Ничего ни куда не переносится, не обязательны ни тепловые контакты, ни разность температур. Для совершения термодинамического преобразования сразу обозначим, первого рода, т.е. единственного его вида применённого во всех известных ныне, так называемых, тепловых двигателях, необходимым условием является наличие разности давлений р.т. между рабочей зоной и зоной сброса р.т. Достаточными условиями является: а) перепад давления должен соответствовать возникающей результирующей, величина которой должна быть больше или равна величины противодействующих сил сопротивления, в числе которых — снимаемое усилие; б) принимающее энергию тело (поршень, ротор турбины или масса самой ракеты) должно находиться в движении. Это всё!
Вы возразите, как же? Двигатель то, тепловой. Во-первых, из выше сказанного следует, что он в первую очередь пневматический. Нагрев р.т. используется лишь для создания превалирующего давления р.т. и является, наиболее эффективным методом его создания. Подайте вместо р.т. сжатый воздух и любой известный ‘тепловой двигатель’ будет работать. Декомпрессия остановит любой ‘тепловой двигатель’. Кто-либо пытался проанализировать этот факт? Если в цилиндре с поршнем, р.т. будет иметь давление 1атм, то поршень не шелохнется в среде выброса с давлением 1атм, даже если температура р.т. внутри него будет больше15000. И наоборот, если температура в цилиндре будет равна температуре атмосферы, но давление р.т. будет удовлетворять сформулированному необходимому и достаточным условиям, то поршень будет выдвигаться и процесс т.д. преобразования происходить. Этот вывод вообще следует из элементарной формулы действующих на поршень сил, со стороны р.т. и со стороны атмосферы: F = Fр.т.- Fатм. = Pр. т.*Sпоршня — Pатм.*S поршня = Sпоршня ( Pр.т. -Pатм.).
Где вы видите прямую зависимость сил от температуры?
Перейдём к просмотру самого цикла:
‘Р.т. (например пар в цилиндре под поршнем) при температуре Т1 приводится в соприкосновение с нагревателем и изотермически получает от него кол-во теплоты &#948;Q1 (при этом пар расширяется и совершает работу) , этому соответствует отрезок изотермы АВ.’
Вы не забыли температуру этого нагревателя? Вернитесь наверх — Т1, так и есть. И как Вы собрались передавать теплоту от нагревателя с температурой Т1 рабочему телу с Т1? Не могу не сделать ‘лирического отступления’, ибо меня часто упрекают в непочтительном отношении к Карно, поэтому хочу внести ясность в этом вопросе. Это предложение человека с планеты ‘Ниберу’? Землянам, допускающим такой процесс, я предлагаю, с чайником воды, имеющим температуру 1000С, войти в сауну с температурой 1000С. Как закипит, звоните, я прилечу с 1*106баксов, для торжественного вручения Вам. Я бы хотел посмотреть, вживую, на землянина обогревающего свое жилище с Т=200, радиаторами с Т=200, звоните, доставьте удовольствие. Кстати, не забывайте, процесс этого квазистатического изотермического преобразования применён светилами науки в двигателях! Не забыли сколько оборотов совершают двигатели в секунду? Я напоминаю для укрепления вашей уверенности в выборе квазистатических процессов для описания их работы. Но это не всё, это всего лишь здравый смысл. На самом деле всё ещё хуже, Карно…

ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИКА, ЭНЕРГЕТИКА И ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

ВВЕДЕНИЕ.

ФИЗИКА, ЭНЕРГЕТИКА И ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Всякое ложное искусство, всякое суемудрие длится лишь положенное ему время, так как в конце концов оно разрушает само себя и высшая точка его развития есть вместе с тем начало его крушения.

И. Кант

Приступая к разбору истории вечного двигателя, нужно, по-видимому, начать с того, откуда взялось это понятие и что, собственно, оно означает.

Идея об устройстве, которое могло бы приводить в движение машины, не используя ни мускульную силу людей и животных, ни силу ветра и падающей воды, возникла впервые, насколько известно, в Индии в XII в. Однако практический интерес к ней проявился в средневековых городах Европы в XIII в. Это не было случайностью: универсальный двигатель, способный работать в любом месте, был бы очень полезен средневековому ремесленнику. Он мог бы приводить в движение кузнечные меха, подававшие воздух в горны и печи, водяные насосы, крутить мельницы, поднимать грузы на стройках. Говоря современным языком, создание такого двигателя позволило бы сделать существенный шаг и в энергетике, и в развитии производительных сил в целом. Средневековая наука не была готова к тому, чтобы хоть как-то помочь этим поискам. Привычных нам представлений, связанных с энергией и законами ее превращений, в то время еще не было. Естественно поэтому, что люди, мечтавшие создать универсальный двигатель, опирались прежде всего на то вечное движение, которое они видели в окружающей природе: движение солнца, луны и планет, морские приливы и отливы, течение рек. Такое вечное движение называлось «perpetuum mobile naturae» — естественное, природное вечное движение. Существование такого природного вечного движения со средневековой точки зрения неопровержимо свидетельствовало о возможности создания и искусственного вечного движения — «perpetuum mobile artificae». Надо было только найти способ перенести существующие в природе явления на искусственно созданные машины.

В результате такого переноса слово «perpetuum» («вечный») приобрело в этом термине несколько иной смысл. Применительно к технике оно уже означало не «бесконечный», а скорее «непрерывный», «постоянно действующий». Было очевидно, что любая искусственная машина, созданная человеком, не вечна, она в конце концов неизбежно износится. Но пока двигатель существует — он постоянно должен действовать.

В этом смысле — как обозначение постоянно, самого по себе действующего двигателя — сочетание «perpetuum mobile ariificae» дожило и до наших дней. Слово «artificae» постепенно исчезло, так как ясно было, что термин относится к искусственному устройству. Для краткости «perpetuum mobile» часто пишут сокращенно — ppm.

Таким образом, русский термин «вечный двигатель» не совсем точно отражает понятие ppm. Однако, поскольку он вошел во всеобщий обиход, мы будем им пользоваться наряду с сокращенным обозначением ppm. Кроме того, мы по возможности постараемся избегать частого упоминания перед словами «вечный двигатель» прилагательных типа «воображаемый», «нереализуемый», «неосуществимый» и т.д., так как это подразумевается с самого начала. По этой же причине словосочетание «вечный двигатель» везде, начиная с заголовка, пишется без кавычек. Ведь упоминают же в литературе без кавычек чертей, ведьм и всякую прочую нечистую силу, хотя прекрасно известно, что в настоящем виде они не существуют, как и вечный двигатель.

Представление о вечном двигателе со временем существенно менялось в соответствии с развитием науки, в частности физики, и задачами, которые возникали перед энергетикой.

В первый период развития ppm (XIII-XVIII вв.) его изобретатели не понимали принципиальной разницы между вечным движением небесных тел и связанных с ним явлений (например, морских приливов) и тем движением, посредством которого они хотели производить работу в двигателях. Как это ни покажется странным теперь, вопрос о том, откуда должна была взяться эта работа, тогда вообще не возникал. Только примерно с XVI в., когда постепенно начала формироваться мысль о некой «силе» как источнике движения и о том, что эта сила не может ни возникнуть из ничего, ни исчезнуть бесследно, появились сомнения в возможности, а затем и убеждение в невозможности создания ppm. Однако, как мы увидим далее, этого мнения придерживался очень небольшой круг наиболее квалифицированных ученых-физиков и механиков. Общим достоянием такое понимание не стало. Все же официальным решением Парижской академии наук в 1775 г. было прекращено рассмотрение любых проектов perpetuum mobile. На этом закончился первый период истории ppm.

Второй период продолжался примерно до последней четверти XIX в. За это время было определено понятие энергии, и закон ее сохранения получил окончательное научное оформление. Были заложены основы термодинамики — науки об энергии и ее превращениях. Однако усилия изобретателей, работающих над созданием различных вариантов ppm, нисколько не ослабели.

Создалась интересная ситуация — сосуществование (правда, совсем не мирное) науки и антинаучной изобретательской деятельности. Этот парадокс объяснялся, с одной стороны, возросшими требованиями к энергетике, потреблявшей много топлива, и с другой — тем, что первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) не был еще достаточно хорошо известен широкому кругу людей, занимавшихся техникой.

На этом, по существу, заканчивается история так называемого вечного двигателя первого рода — ppm-1, изобретатели которого пытались нарушить первый закон термодинамики. Напомним, что он требует, чтобы общее количество энергии, поступающей в двигатель, было в точности равно общему количеству выходящей из него; энергия не может исчезать или возникать из ничего. А ppm-1 производил бы работу, вообще не получая энергии извне!

Третий период развития ppm продолжается и теперь. Этот период характерен тем, что современные изобретатели ppm в отличие от своих коллег, работавших в предыдущие времена, знают о существовании научных законов, исключающих возможность его создания. Поэтому они пытаются создать ppm совсем другого рода. Такой вечный двигатель не должен нарушать закон сохранения энергии — первый закон термодинамики. Здесь все в порядке. Но он должен действовать вопреки второму закону термодинамики. Этот закон определенным образом ограничивает превращаемость одних форм энергии в другие. Такой двигатель был назван вечным двигателем второго рода — ppm-2.

Простейшим ppm-2 был бы такой, который, получая тепло от окружающей среды (например, от воды или атмосферного воздуха), полностью или частично превращал бы его в работу. Он позволил бы обойтись не только без затраты органического или ядерного топлива, но и без загрязнения окружающей среды. Есть за что бороться! Но второй закон термодинамики это превращение запрещает, а поскольку этот закон известен и существует, изобретателям ppm-2 не остается ничего другого, как бороться именно с ним. Нападки на второй закон ведутся ими с самых разных сторон — физической, философской и даже политической. Эта борьба вокруг второго закона термодинамики составляет, по существу, основное содержание третьего периода истории ppm.

На начальном этапе истории ppm дискуссии вокруг него способствовали в определенной степени прогрессу физики, а на последующих этапах — и развитию термодинамики, и прогрессу энергетики. Более того, оба закона термодинамики родились из положения о невозможности осуществления вечного двигателя. В целом эти этапы истории ppm можно характеризовать как движение от утопии к науке. В конечном счете сам вечный двигатель породил, если так можно выразиться, те фундаментальные научные положения, которые вырвали из-под него почву и обусловили конец его многовековой истории.

К сожалению, современные попытки возродить ppm на новой основе уже ничего науке не дают и дать не могут.

Напротив, они только вносят путаницу и отвлекают людей от настоящего дела. Теперешний этап истории вечного двигателя характеризуется попытками продвинуться в обратном направлении — от науки к утопии.

Чтобы разобраться во всех этапах истории ppm и двинуться дальше, надо обязательно сформулировать определение того, о чем пойдет речь. Итак, вечный двигатель — это воображаемое устройство, способное производить работу в нарушение первого (ppm-1) или второго (ppm-2) законов термодинамики.

Займемся подробнее как этими двигателями, так и соответствующими законами — сначала первым, а затем и вторым.

ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЯ — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД — ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — ХОЛОДНАЯ УГОЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЯ — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД — ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — ХОЛОДНАЯ УГОЛЬНАЯ БАТАРЕЯ
Я помню, что одно время считал производство электричества за счет сжигания угля в батарее величайшим достижением на пользу развития цивилизации, и я был

ЭНЕРГИЯ ИЗ СРЕДЫ — ВЕТРЯК И СОЛНЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — ДВИЖУЩАЯ ЭНЕРГИЯ ИЗ ЗЕМНОГО ТЕПЛА — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭНЕРГИЯ ИЗ СРЕДЫ — ВЕТРЯК И СОЛНЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — ДВИЖУЩАЯ ЭНЕРГИЯ ИЗ ЗЕМНОГО ТЕПЛА — ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Есть множество веществ помимо топлива, которые возможно смогли бы давать энергию. Огромное количество энергии заключено, например, в

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ САМО-ДЕИСТВУЮЩИИ ДВИГАТЕЛЬ — МЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР — РАБОТА ДЮАРА И ЛИНДЕ — ЖИДКИЙ ВОЗДУХ

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ САМО-ДЕИСТВУЮЩИИ ДВИГАТЕЛЬ — МЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР — РАБОТА ДЮАРА И ЛИНДЕ — ЖИДКИЙ ВОЗДУХ
Осознав эту истину, я начал изыскивать пути выполнения моей идеи, и после длительных размышлений, я наконец придумал аппарат, который смог бы получать

Экран тяготения и вечный двигатель

Экран тяготения и вечный двигатель
Мы подходим к самому убийственному доводу против проекта английского романиста, к первородному греху его основной идеи. В уме читателя, вероятно, уже мелькнула тень сомнения, когда романист говорил нам о возможности поднять тяжелый

I. Можно ли построить вечный двигатель?

I. Можно ли построить вечный двигатель?
Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно[77].Лучшие из них делают следующий шаг и

Глава первая. ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА: ОТ РАННИХ ПОПЫТОК ДО «ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ» 

Глава первая.
ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА: ОТ РАННИХ ПОПЫТОК ДО «ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ» 
Мартын:
Что такое perpetuum mobile?
Бертольд:
Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому… видишь ли, добрый мой Мартын: делать

2.4. Вечный двигатель в художественной литературе

2.4. Вечный двигатель в художественной литературе
Истории взлетов и падений Бесслера-Орфиреуса, Д. Кили и их продолжателей наглядно показывают, какой интересный материал для искусства, в частности для художественной литературы, представляют как люди, изобретающие ppm,

Физика современная и физика фундаментальная

Физика современная и физика фундаментальная
Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл «божественнейшим». В чем Галилей вышел

6.5. Ядерная энергетика

6.5. Ядерная энергетика
Наиболее нелепой легендой о теории относительности является легенда о том, что секретами ядерной энергии человечество не овладело бы без теории относительности.Чтобы найти здесь истину, напомним основные вехи на пути к цели.1896 год — открытие

Энергетика и политика

Энергетика и политика
Другой составляющей атомного проекта в СССР было создание атомных реакторов. Лаборатория №3, куда я поступил на работу, была организована в декабре 1945 года. Лаборатория №3 подчинялась Первому Главному Управлению (ПГУ) Совета Министров СССР,

I. Можно ли построить вечный двигатель?

I.  Можно ли построить вечный двигатель?
Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно[78]. Лучшие из них делают следующий шаг и

Физические основы механики

Г. Галилей (1564–1642) справедливо считается основателем физики как науки. Ему мы обязаны развитием современного метода исследований, кратко выражающегося в цепочке: эксперимент => модель (выделение в явлении главных особенностей, то есть применение абстракции) => математическое описание => следствия модели => новый эксперимент для их проверки.

Среди прочих научных достижений, в механике им были введены два основополагающих принципа: принцип инерции и принцип относительности. Принцип инерции Галилея был повторен И. Ньютоном (1643–1727) в качестве первого закона механики.

Первый закон Ньютона гласит:

Существуют такие системы отсчета, в которых всякая материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока это состояние не будет изменено воздействием со стороны других тел. Такие системы отсчета принято называть инерциальными.

Ответ на вопрос: «Существуют ли инерциальные системы отсчета или нет?», как всегда, дает эксперимент. По результатам современных измерений гелиоцентрическая система отсчета, в которой неподвижен центр Солнца, и оси которой направлены на неподвижные звезды, является инерциальной. Это означает следующую простую вещь: существующие акселерометры (измерители ускорения) не обнаруживают отклонений от первого закона Ньютона в гелиоцентрической системе отсчета. Покой или равномерное прямолинейное движение — это состояние с равным нулю ускорением, следовательно, если тело, не подверженное воздействиям извне, приобретает ускорение, то это означает, что движение этого тела рассматривается в неинерциальной системе отсчета. Солнечная система совершает финитное движение в пределах нашей галактики (Млечный путь), любое финитное движение есть движение с ускорением, но солнечная система далека от центра галактики — мы периферийные жители — кривизна её траектории ничтожна, наши приборы не обнаруживают ускорений и мы утверждаем, что гелиоцентрическая система отсчета инерциальна. Инерциальная система отсчета — ещё одна идеализация: в точном смысле инерциальных систем отсчета не существует. Естественно предположить, что это обстоятельство было в ряду тех, что подвигли Эйнштейна на создание общей теории относительности, в которой утверждается физическое равноправие всех вообще, а не только инерциальных, систем отсчета, а поля сил инерции эквивалентны гравитационным полям (так называемый «принцип эквивалентности» подробнее речь об этом пойдет позже).

В дальнейшем будет видно, что любая система отсчета, движущаяся поступательно с постоянной по величине и направлению скоростью относительно некоторой инерциальной системы отсчета, также инерциальна. Другими словами, существование одной инерциальной системы отсчета означает существование бесконечно большого числа таких систем.

Свойство тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения называется инерцией. Сам этот принцип — принцип инерции Галилея (или первый закон Ньютона) — далеко не столь очевиден.

До Галилея думали, что для движения нужна какая-то причина, движущая сила. Даже великий Леонардо да Винчи писал: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или же каждое движущееся тело движется постоянно, пока в нем сохраняется действие его двигателя». Удивительно, но туповатый полковник фон Циллергут из книги Я. Гашека «Похождения бравого солдата Швейка», мыслил похоже: нет бензина, не работает двигатель, автомобиль останавливается. После Галилея стала возможной чеканная латинская формулировка Р. Декарта (1596–1650): «Quod in vacuo movetur, semper moveri» (что движется в пустоте, будет двигаться всегда).

Дело в том, что в природе действительно никогда не наблюдаются тела, вечно сохраняющие состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Нужно было проявить ту самую способность строить модели, отбрасывать несущественное, абстрагироваться, чтобы открыть принцип инерции. Изучая основные законы механики, мы идеализируем систему: пренебрегаем силами трения, считаем, что поблизости нет других тел и т. д. И тогда принцип инерции проявляет себя во всей своей красе и силе:

Для равномерного прямолинейного движения не нужно двигателя, движущая сила нужна для изменения такого вида движения тела.

Видео 3.1. Стальной шарик в поле магнита. Эксперимент, показывающий, что для искривления траектории необходима соответствующая внешняя сила.

Дополнительная информация

http://www.plib.ru/library/book/14978.html – Д.В. Сивухин Общий курс физики, том 1, Механика Изд. Наука 1979 г. – стр. 91–97 (§16): обсуждается принцип относительности Галилея, приводится дословное рассуждение самого Галилея!

http://www.gaudeamus.omskcity.com/PDF_library_natural-science_2.html – Киттель Ч., Наит У., Рудерман М. Курс общей физики. Том 1. Механика. Изд. Наука, 1975 г. – стр. 79–88 – описание ультрацентрифуги и оценка ускорений реальных систем отсчета, применяемых в механике.

Российские физики создают «локальный» вечный двигатель второго рода // Смотрим

• Профиль

Квантовая физика, квантовые вычисления, память и кубиты

25 мая 2017, 17:31

• Фото Евгения Пелевина, пресс-служба МФТИ.

• Иллюстрация МФТИ.

• Фото Евгения Пелевина, пресс-служба МФТИ.

• Иллюстрация МФТИ.

Физики из МФТИ выяснили, как создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%. Впрочем, в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми.

Специалисты из Московского физико-технического института (МФТИ) выяснили, как создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%. Однако второе начало в нём нарушается только локально, в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review A.

Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, или, в иной формулировке — величина энтропии (степени неупорядоченности) в замкнутой системе либо растёт, либо остаётся постоянной. Согласно ещё одной формулировке закона, КПД тепловой машины никогда не может достигать 100%, иными словами, невозможен вечный двигатель второго рода.

«Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, который собственно и является источником энергии, и холодильника, задача которого состоит в охлаждении рабочего тела двигателя. Холодильник понижает энтропию двигателя и при этом неизбежно тратит впустую часть тепловой энергии, полученной от нагревателя. Именно поэтому КПД теплового двигателя никогда не достигает 100%», — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник Технического университета Цюриха и МФТИ.

Ранее группа под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика, пытаясь доказать справедливость второго закона термодинамики для квантовых систем, обнаружила, что в квантовом мире он может при определённых условиях нарушаться.

Оказалось, что в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры (в линейном измерении) — энтропия может снижаться, но этот процесс происходит без передачи тепловой энергии за счёт явления квантовой запутанности.

В новой статье Лебедев, Лесовик и их коллеги из Цюриха описали квантовую тепловую машину, КПД которой может достигать 100%. Она состоит из нескольких квантовых элементов — кубитов, которые могут находиться в состоянии квантовой запутанности друг с другом. Один из кубитов поглощает тепло, но в силу его квантовой природы эту энергию можно использовать только с вероятностью 50%. Чтобы извлекать энергию с вероятностью 100%, нужно снизить его энтропию, сделать это состояние «чистым» (в терминологии квантовой механики). Эту задачу решает вспомогательный чистый кубит, который обменивается своим квантовым состоянием с термализованным «грязным» состоянием рабочего кубита. Важно, что при этом передачи энергии между двумя кубитами не происходит.

«Можно сказать, что избыточная энтропия телепортируется из системы наружу во вспомогательный кубит, который играет роль квантового «демона Максвелла»», — рассказывает Лесовик.

После «вычищения» рабочего кубита оказалось, что собрать энергию с вероятностью 100% в одном кубите — это всё ещё непростая задача. Чтобы её решить, пришлось вдвое увеличить число рабочих элементов — кубитов.

«Финальная часть цикла — «демонские» (их, кстати, по смыслу можно назвать скорее «ангельскими» — за их очистительно-информационную деятельность) кубиты нужно почистить обычным образом, с затратой энергии, но это происходит вдали от системы. Важно подчеркнуть, что на этой стадии в объёме, заключающем в себе и систему, и «демона/ангела», справедливость второго закона восстанавливается», — говорит Гордей Лесовик.

Сейчас группа занимается детальной разработкой установки для экспериментальной проверки своей теории на базе сверхпроводящих кубитов — трансмонов.

Кстати, ранее российские физики научились разводить котов Шрёдингера. 

 

• новости

Весь эфир

Двигатель квантового сгорания

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Классические тепловые двигатели

В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.

Схема работы теплового двигателя

Поделиться

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q₁ подводится из нагревателя с температурой t₁ к рабочему телу, часть тепла Q₂ отводится к холодильнику с температурой t₂, t₁ > t₂.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q₁ − Q₂, а КПД η будет равен η = A/Q₁.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника η_Carnot = (t₁ − t₂)/t₁. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному η_Carnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.

«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Квантовая термодинамика

Зарождение квантовой термодинамики

В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.

Парадокс касался второго закона термодинамики — правила, согласно которому энтропия всегда возрастает. Как позже заметил сэр Артур Эддингтон, это правило «занимает главенствующее положение среди законов природы».

Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.

А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.

Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.

Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.

Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.

Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.

Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?

Связь термодинамики с информацией

Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.

В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10^-21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.

Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.

Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.

В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.

Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.

Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом. Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.

Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.

Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.

15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.

Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.

На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.

Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E₁, а возбужденного E₂. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

          I. Расстояние между уровнями E₁ и E₂ увеличивается и становится Δ₁ = E₁ − E₂.

          II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ₁.

          III. Происходит сжатие между уровнями E₁ и E₂, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ₂ = E₁ − E₂.

          IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ₂, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

dW = (p₀(τ₁) − p₁(τ₂))(Δ₁ − Δ₂),                       (1)

где p₀₍₁₎ — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ₁/Δ₂.

Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе

Поделиться

Например, возможно построить квантовый двигатель, в котором роль рабочего тела играет сверхпроводящий кубит, а в качестве нагревателя и холодильника используются два нормальных резистора с разным сопротивлением.

Эти резисторы генерируют шум, обладающий характерной температурой: большой шум — нагреватель, маленький — холодильник.

Корректная работа такого двигателя была показана в работе ученых из университета Аалто в Финляндии.

В реализации цикла Отто разность между уровнями энергии можно модулировать постоянным магнитным потоком, то есть «сжимать» или «расширять» уровни, а включать взаимодействие с резервуарами отлично получалось короткими микроволновыми сигналами.

В 2015 году ученые из Еврейского университета Иерусалима подсчитали, что такие квантовые двигатели могут превзойти классические аналоги.

Эти вероятностные двигатели все еще следуют формуле эффективности Карно в терминах того, сколько работы они могут извлечь из энергии, проходящей между горячими и холодными телами. Но они способны извлекать работу гораздо быстрее.

Двигатель, сделанный из одного иона, был экспериментально продемонстрирован и представлен в 2016 году, хотя он не использовал квантовые эффекты для усиления мощности.

Недавно мы писали о том, что был построен квантовый тепловой двигатель на основе ядерного магнитного резонанса, чей КПД был очень близок к идеальному η_Carnot.

Квантовые тепловые машины можно использовать также для того, чтоб охлаждать как большие, так и микроскопически системы, такие как кубиты в квантовом компьютере.

Охладить микросистему значит уменьшить заселенности на возбужденных уровнях, уменьшить энтропию. Это можно сделать через те же термодинамические циклы, включающие в себя нагреватель и холодильник, но запущенные в обратном направлении.

В марте 2017 года была опубликована статья, в которой с помощью квантовой теории информации выводился третий закон термодинамики — утверждение о невозможности достижения абсолютной нулевой температуры.

Авторы статьи показали, что ограничение скорости охлаждения, препятствующее достижению абсолютного нуля, возникает из ограничения на то, как быстро информация может быть выкачана из частиц в объекте конечного размера.

Ограничение на скорость имеет прямое отношение к охлаждающим способностям квантовых холодильников.

Будущее квантовых двигателей

Скоро нас ждет расцвет квантовых технологий, и тогда квантовые тепловые машины могут сильно помочь.

Использовать кухонный холодильник для охлаждения микросистем не получится из-за его беспорядочной работы — в среднем температура в нем низкая, но локально она может достигать недопустимых значений.

Из-за тесной связи квантовой термодинамики с информацией мы в силах использовать наши знания (информацию) для совершения локальной работы — например, реализовать квантового демона Максвелла, используя многоуровневые системы, для охлаждения (очищения состояния) кубитов в квантовом компьютере.

Что касается квантовых двигателей большего масштаба, то утверждать, что такой двигатель придет на смену двигателю внутреннего сгорания, еще рано. Пока двигатели, состоящие из одного атома, имеют слишком низкую эффективность.

Однако интуитивно понятно, что при использовании макроскопической системы с множеством степеней свободы, мы сумеем извлечь лишь малую часть полезной работы, ведь такой системой можно управлять только в среднем. В концепции квантовых двигателей появляется возможность управлять системами более эффективно.

На данный момент в науке о наноразмерных тепловых машинах есть множество как теоретических, так и инженерных вопросов. Например, большой проблемой являются квантовые флуктуации, способные создавать «квантовое трение», привнося лишнюю энтропию и уменьшая эффективность двигателя.

Сейчас физики и инженеры активно работают над оптимальным контролем квантового рабочего тела и созданием нанонагревателя и нанохолодильника. Рано или поздно квантовая физика поможет нам создать новый класс полезных устройств.

Михаил Перельштейн

Второй закон термодинамики и двигатели познания

Первый закон термодинамики, более известный как закон сохранения энергии, утверждает, что нельзя создать энергию из ничего. Первый закон запрещает вечный двигатель первого рода — устройство, способное работать бесконечно долго без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно современной физике, энергия сохраняется при абсолютно каждом взаимодействии частиц. Применяя математическую индукцию, мы получаем, что, каким бы большим ни было множество частиц, оно не сможет произвести энергию из ничего — во всяком случае, без нарушения известных нам законов физики.

Именно поэтому, если вы попробуете запатентовать гениальное изобретение, состоящее из колёс и шестерёнок, в которой одна пружина разжимается, а другая сжимается и так далее, и которая, по вашим расчётам будет работать вечно, Патентное ведомство США без раздумий отклонит вашу заявку. Полностью доказано, что для работы такой машины хотя бы одна её деталь должна нарушать законы физики (в стандартной модели). Поэтому, если вы не можете объяснить, как одна деталь нарушает законы физики, вы не сможете объяснить, как их нарушает вся машина.

Подобный довод применим и к инерциоиду — двигательной установке, нарушающей закон сохранения импульса. В стандартной модели импульс сохраняется для всех частиц и их взаимодействий. По математической индукции, импульс будет сохраняться для систем любого размера. Если вы можете представить две сталкивающиеся частицы, которые разлетаются с таким же суммарным импульсом, то вы поймёте, что увеличение системы до огромной машины из кучи шестерёнок ничего не изменит. Даже если составить систему из триллионов квадриллионов атомов, 0 + 0 + … + 0 = 0.

Но закон сохранения энергии сам по себе не может запретить преобразовывать тепло в работу. Вы можете сделать закрытую коробку, которая превращает кубики льда и запасённое электричество в тёплую воду. Это даже совсем не сложно. Нельзя создать или уничтожить энергию: изменение количества энергии при трансформации кубиков льда и электричества в тёплую воду должно равняться нулю. Поэтому, если бы вы провели обратную трансформацию, закон сохранения энергии тоже бы не нарушился.

Вечные двигатели второго рода, превращающие тёплую воду в электрический ток и кубики льда, запрещены вторым законом термодинамики.

Понять второй закон немного труднее, поскольку по своей природе он байесовский.

Я не шучу.

Второй закон термодинамики вытекает из теоремы, которую можно доказать в стандартной физической модели: при изменении любой замкнутой системы во времени объём её фазового пространства сохраняется.

Допустим, вы держите мяч высоко над землёй. Это состояние можно описать как точку в многомерном пространстве, в котором по крайней мере одно из измерений — высота мяча над землёй. Затем, когда вы отпускаете мяч, он начинает двигаться. Одновременно начинает двигаться и безразмерная точка в фазовом пространстве, которая описывает всю систему, состоящую из вас и мяча. Термин «фазовое пространство» в физике обозначает, что в нём есть измерения не только для координат частиц, но ещё и для импульсов. Например, система из двух частиц будет иметь 12 измерений: 3 измерения на координату частицы, и 3 измерения на импульс.

Если у вас есть многомерное пространство, в котором каждое измерение описывает положение соответствующей шестерёнки в огромном механизме, то, когда вы будете поворачивать шестерёнки, в многомерном фазовом пространстве будет метаться туда-сюда единственная точка. И раз мы можем представить большой сложный механизм в виде одной точки в многомерном пространстве, то законы физики, описывающие поведение механизма с течением времени, мы можем представить, как описывающие траекторию этой точки в фазовом пространстве.

Второй закон термодинамики — следствие теоремы, доказываемой в стандартной модели физики: если рассмотреть некоторый объём фазового пространства, который преобразуется во времени в стандартной модели, то его суммарный объём сохраняется.

Например:

Возьмём две системы, $X$ и $Y$, где $X$ имеет 8 возможных состояний, $Y$ — 4 возможных состояния, а объединённая система $(X,Y)$ — 32 состояния.

Преобразование объединённой системы с течением времени можно описать правилом, которое отображает начальные точки в будущие точки. Например, система может начать в состоянии $X_7Y_2$, и за минуту перейти (под действием каких-то законов физики) в состояние $X_3Y_3$. То есть, если $X$ находится в состоянии 7, Y — в состоянии 2, и мы проследим за ними одну минуту, то мы увидим переход $X$ в состояние 3 и $Y$ в состояние 3. Таковы законы физики.

Далее, давайте выделим в объединённой системе подпространство $S$. Пусть в $S$ $Х$ всегда находится в состоянии 1, а $Y$ — в состояниях 1-4 . Таким образом, общий объём $S$ будет равен 4 состояниям.

И давайте допустим, что состояния, изначально входящие в $S$, под действиями управляющих системой $(X,Y)$ законов физики, ведут себя следующим образом:

$$X_1Y_1 \rightarrow X_2Y_1$$
$$X_1Y_2 \rightarrow X_4Y_1$$
$$X_1Y_3 \rightarrow X_6Y_1$$
$$X_1Y_4 \rightarrow X_8Y_1$$

Это, в двух словах, описание работы холодильника.

Подсистема $X$ стартовала из узкой области пространства состояний (единственного состояния 1), а $Y$ — из более широкой области, состояний 1-4. После взаимодействия систем друг с другом, система $Y$ оказалась в узкой области, а $X$ — в широкой, но общий фазовый объём не изменился. 4 начальных состояния перешли в 4 конечных.

Очевидно, что пока физика не позволяет фазовому объёму изменяться с течением времени, невозможно сжать $Y$ сильнее, чем расширить $X$, и наоборот. Для каждой подсистемы, сжимаемой в пространстве состояний, какая-то другая подсистема должна расширяться в пространстве состояний.

Теперь допустим, что мы не уверены насчёт состояния системы $(X,Y)$, и наша неопределённость описывается равновероятным распределением по $S$. То есть, мы уверены, что $X$ находится в состоянии 1, но $Y$ может находиться в любом из состояний 1-4. Через минуту мы ожидаем увидеть $Y$ в состоянии 1, а $X$ — в любом из состояний 2-8. Фактически, $X$ может быть только в одном из состояний среди 2-8, но узнать конкретное состояние было бы слишком затратно, так что мы просто будем говорить 2-8.

Если рассмотреть энтропию Шэннона от нашей неуверенности о состояниях $X$ и $Y$, как о независимых системах, то $X$ начнёт с 0 бит энтропии, потому что имеет только одно определённое состояние, $Y$ начнёт с 2 бит, потому что она с равной вероятностью может оказаться в любом из четырёх состояний. (Между $X$ и $Y$ нет общей информации). Немного физики, и вот, энтропия $Y$ стала 0, но энтропия $X$ стала равна $log_2 7 = 2,8 бит$. Таким образом, энтропия перешла из одной системы в другую и уменьшилась в подсистеме $Y$. Однако из-за каких-то сложностей мы не потрудились отследить часть информации, и, следовательно (с нашей точки зрения), общая энтропия увеличилась.

Предположим, существовал бы физический процесс, который преобразовывал бы прошлые состояния в будущие состояния следующим образом:

$$X_2Y_1 \rightarrow X_2Y_1$$
$$X_2Y_2 \rightarrow X_2Y_1$$
$$X_2Y_3 \rightarrow X_2Y_1$$
$$X_2Y_4 \rightarrow X_2Y_1$$

Такой физический процесс на самом деле уменьшал бы энтропию, потому что независимо от того, где бы вы начинали, вы оказывались бы в одном и том же месте. Законы физики с течением времени могли бы сжать фазовое пространство.

Однако существует теорема — она называется теоремой Лиувилля и её можно доказать для наших законов физики, — которая утверждает, что такого не может быть: фазовый объём сохраняется.

Второй закон термодинамики — это следствие теоремы Лиувилля. Не важно, насколько хитроумна ваша машина из колёс и шестерёнок. Всё равно вы никогда не сможете уменьшить энтропию в одной подсистеме, не увеличивая её где-то в другом месте. Когда фазовое пространство одной подсистемы сужается, фазовое пространство другой подсистемы должно расширяться, и совместное пространство будет иметь тот же объем.

Однако, изначально компактное фазовое пространство может со временем расползтись и рассредоточиться. Поэтому для того, чтобы нарисовать простую границу вокруг этого беспорядка, придётся описать гораздо большую область, чем в начале. Именно это создаёт впечатление, что энтропия увеличивается. (А в квантовых системах, где развитие разных вселенных идёт разными путями, энтропия действительно возрастает в любой локальной вселенной. Но пока что пропустим это усложнение.)

Второй закон термодинамики вероятностный по своей природе — если вы спросите насчёт вероятности того, что горячая вода спонтанно перейдёт в состояние «холодная вода и электричество», то ответ — такая вероятность действительно существует, просто она очень мала. Это не означает, что теорема Лиувилля с малой вероятностью нарушается, теорема — это теорема, в конце концов. Это означает, что если вы вначале находитесь в большом фазовом пространстве, но не знаете, где именно, вы можете оценить небольшую вероятность оказаться в каком-то конкретном объёме фазового пространства. Поэтому, с бесконечно малой вероятностью этот конкретный стакан горячей воды может быть таким, который самопроизвольно превратится в электрический ток и кубики льда. (Пренебрегая, как обычно, квантовыми эффектами).

Таким образом, второй закон термодинамики по своей природе действительно является байесовским. Когда мы рассуждаем о реальной термодинамической системе, второй закон термодинамики — абсолютно строгое утверждение о ваших убеждениях, касающихся этой системы, но вероятностное утверждение о самой системе.

«Постойте, — говорите вы. — На уроках физики меня учили по-другому. На лекциях нам рассказывали, что термодинамика — это вроде как о температурах. Неопределённость — это субъективное ощущение! Температура воды в стакане — объективное свойство воды! Какое отношение имеет тепло к вероятности?»

О, у вас маловато доверия.

С одной стороны, связь между теплотой и вероятностью относительно проста: если вы не знаете про стакан воды ничего, кроме его температуры, то у вас гораздо больше неопределённости насчёт стакана горячей воды, чем насчёт стакана холодной.

Тепло — хаотичное движение множества молекул, и чем горячее, тем быстрее движутся молекулы. Не все молекулы в горячей воде движутся с одинаковой скоростью: «температура» — это не равномерная скорость всех молекул, а средняя скорость, которая, в свою очередь, соответствует прогнозируемому статистическому распределению скоростей. Дело в том, что чем горячее вода, тем быстрее могут быть молекулы воды, и, следовательно, у вас больше неопределённости о скорости любой отдельной молекулы (и не забудьте о том, что скорость — это вектор) . Когда вы умножите свои неопределённости относительно всех отдельных молекул, вы получите экспоненциально большую неопределённость относительно всего стакана воды.

Теперь возьмём логарифм этого экспоненциального объёма неопределённости и назовём его энтропией. Как вы видите, всё сходится.

Если посмотреть с другой стороны, связь менее очевидна. Предположим, что о некотором стакане воды вы изначально знали только то, что его температура составляла 72 градуса. Затем, внезапно, Святой Лаплас раскрывает вам точные координаты и скорости всех атомов в воде. Теперь вы прекрасно знаете состояние воды, поэтому, по определению информационной энтропии, её энтропия равна нулю. Делает ли это его термодинамическую энтропию нулевой? Будет ли вода холоднее из-за нашего знания?

Игнорируя квантовые эффекты, ответ: да! Вода будет холоднее!

Максвелл однажды спросил: «Почему мы не можем взять сосуд с равномерно распределённым горячим газом, разделить его перегородкой на две части — A и B, и сделать так, чтобы из В в А переходили только быстрые молекулы, а из А в В — только медленные? Если построить такой разделитель, то на стороне А мы получим горячий газ, а на стороне В — холодный. Мы тогда смогли бы дёшево охлаждать продукты, верно?»

Агент, который проверяет каждую молекулу газа и решает, пропускать ли её, известен под именем «демон Максвелла». И причина, по которой вы не можете построить эффективный холодильник таким образом, заключается в том, что демон Максвелла генерирует энтропию, когда проверяет скорости молекул газа и решает, пропускать молекулу или нет.

Но предположим, что вы уже знаете, где находятся все молекулы газа.

Тогда вы действительно можете запустить демона Максвелла и извлечь из этого полезную работу.

Поэтому (опять же игнорируя квантовые эффекты на данный момент), если вы знаете состояния всех молекул в стакане горячей воды, в истинно термодинамическом смысле он холодный: вы можете забрать электричество из воды и оставить кубик льда.

Это не нарушает теорему Лиувилля, потому что если $Y$ — это вода, и вы — демон Максвелла (обозначим как $M$), физический процесс ведёт себя так:

$$M_1Y_1 \rightarrow M_1Y_1$$
$$M_2Y_2 \rightarrow M_2Y_1$$
$$M_3Y_3 \rightarrow M_3Y_1$$
$$M_4Y_4 \rightarrow M_4Y_1$$

Поскольку демон Максвелла знает точное состояние $Y$, это общая информация между $M$ и $Y$. Общая информация уменьшает энтропию связанной системы $(M,Y)$: $H(M,Y) = H(M) + H(Y) — I(M;Y)$. $M$ имеет 2 бита энтропии, $Y$ тоже имеет 2 бита энтропии, и общая информация — 2 бита, поэтому $(M,Y)$ имеет в сумме 2 + 2 — 2 = 2 бита энтропии. Физический процесс просто преобразует «холодность» (негэнтропию) общей информации, чтобы сделать холодной настоящую воду. После этого $M$ имеет 2 бита энтропии, $Y$ имеет 0 бит энтропии, а общая информация равна 0. Как видите, всё в порядке!

И не говорите мне, что знание «субъективно». Знание представлено в мозге, и это делает его таким же физическим, как и всё остальное. Для того чтобы $M$ физически представлял точную картину состояния $Y$, физическое состояние $M$ должно коррелировать с состоянием $Y$. Вы можете воспользоваться этим термодинамическим преимуществом — оно называется двигателем Сцилларда.

Или как заметил Эдвин Томпсон Джейнс: «Старая поговорка „Знание — сила“ очень правдива, причём как в человеческих отношениях, так и в термодинамике».

И наоборот, одна подсистема не может увеличить общую информацию с другой подсистемой, без 1) взаимодействия с ней и без 2) выполнения термодинамической работы.

В противном случае, вы могли бы создать демона Максвелла и нарушить второй закон термодинамики, что, в свою очередь, нарушило бы теорему Лиувилля, а это невозможно в стандартной модели физики.

Таким образом, чтобы сформировать точные убеждения о чём-то, вам совершенно необходимо за этим наблюдать. Это очень физический, очень реальный процесс: любой рациональный разум «работает» в термодинамическом смысле, а не только в смысле умственных усилий.

(Иногда говорят, что термодинамическая работа требуется для стирания битов при подготовке к новому наблюдению, но это различие — всего лишь вопрос терминов, математика процесса однозначна.)

(Здесь я пока не буду рассматривать вопрос открытия логических «истин» — в некоторой степени потому, что я пока размышляю, как это точно формализовать. В термодинамике знание логических истин не считается негэнтропией, как можно было бы ожидать, поскольку компьютер, способный выполнять обратимые вычисления, смог бы вычислять логические истины с любыми произвольно низкими затратами. Вышенаписанное относится к разуму, который знает о логике всё. Любой более простой ум обязательно будет менее эффективным.)

«Для формирования точных убеждений требуется соответствующее количество доказательств» — это очень убедительная истина как в человеческих отношениях, так и в термодинамике. Если бы слепая вера действительно работала как метод исследования, вы могли бы превратить тёплую воду в электричество и кубики льда. Просто создайте Демона Максвелла, который слепо верит в точные значения скоростей молекул.

Двигатели познания не так сильно отличаются от тепловых двигателей, хоть они и манипулируют энтропией более тонким образом, чем сжигание бензина. Например, они схожи тем, что двигатели познания не являются абсолютно эффективными, они должны излучать лишнее тепло, как его излучает двигатель автомобиля или холодильник.

Фраза «холодная рациональность» правдива в таком смысле, о котором голливудские сценаристы даже не могли и подумать (и неверна в том смысле, который они имели ввиду).

Поэтому, если вы не можете сказать мне, какой именно шаг в вашем рассуждении нарушает законы физики, давая вам истинное знание незримого, то не ожидайте, что я поверю в то, что всё сложное умное рассуждение способно их нарушить.

Перевод: 

Geimverusagan, Alaric

Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 1

См. также: Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 2 лаборатории». [1] В отличие от биологов, мы собираем наши трупы вместе, потому что мы препарируем моторы газонокосилок (рис. 1)! Этот опыт неизменно доставлял массу удовольствия. В дополнение к новым открытиям в физике, большинство студентов сообщают, что, выйдя из нее, они стали больше ценить свои автомобили и глубоко восхищаться проницательными умами, которые предвидели, как все эти системы, сделанные из неодушевленной материи, могут быть организованы, чтобы дать машине жизнь. своего собственного.

За редкими исключениями, большинство учащихся приступают к этому упражнению, не имея ни малейшего представления о том, что происходит внутри автомобильного двигателя. (Те, у кого есть опыт работы с механикой, получают роли помощников преподавателя.) Большинство взаимодействий учащихся с автомобилем состоит в том, чтобы заправить бак бензином и направить машину на дорогу. Эта небрежность предполагает, что в нашем обществе мы воспринимаем наши машины как должное, довольствуясь тем, что не понимаем, как они работают, даже несмотря на то, что мы все больше зависим от них. Я уверен, что такое отсутствие любопытства совершенно чуждо студентам-физикам.

В этой статье мы исследуем внутреннюю работу бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие большинство автомобилей, легких грузовиков, мотоциклов, легких самолетов и газонокосилок. Базовый дизайн датируется примерно 1890 годом; его долговечность указывает на его надежность. С тех пор четырехтактные бензиновые двигатели стали намного более эффективными и мощными, становясь все более сложными по мере того, как мы предъявляем к ним все более высокие, часто противоречивые требования. Но основная конструкция двигателя Ferrari V12 имеет много общего с двухцилиндровым двигателем 189.9 Фиат. Основные идеи, лежащие в основе двигателя, можно понять, изучив простейший из двигателей, одноцилиндровый двигатель газонокосилки с воздушным охлаждением и клапанами в блоке, который оснащен зажиганием от магнето, ручным пуском и смазкой разбрызгиванием. Вариации этого двигателя десятилетиями производились такими марками, как Briggs & Stratton, Jacobsen и Tecumseh. В силу своей простоты эти машины без излишеств предлагают всем двигателям уровень понимания, аналогичный по глубине тому, который предлагает атом водорода для всех атомов.[2]

На примере мотора косилки в этой первой части серии, состоящей из двух частей, мы описываем базовую структуру четырехтактного бензинового двигателя, а также его смазку и охлаждение. Мы также определяем термодинамический верхний предел эффективности четырехтактного бензинового двигателя. Попутно отмечаем отличия одноцилиндрового двигателя косилки от более сложных четырехтактных двигателей.

Часть 2, которая будет опубликована в следующем номере журнала, посвящена воздушной и топливной системам двигателя, а также системе зажигания с ее магнето, цепью RLC и свечей зажигания. За этими техническими примечаниями последуют наблюдения о наших отношениях с нашими автомобилями. Они включают в себя признание и уважение к этим чудесным машинам и одновременное осознание высокой цены, которую платит общество и окружающая среда, чтобы поддерживать их огромное количество. Мы закончим кратким обзором отношений между известными физиками и их моторизованными товарищами.

Устройство двигателя и четырехтактный цикл

Двигатель получает энергию путем теплопередачи от источника при одной или нескольких высоких температурах, преобразует часть подводимого тепла в работу и отдает оставшуюся энергию в виде тепла в окружающую среду при низких температура.[3] В бензиновом двигателе подвод тепла происходит за счет периодического взрывного горения порции испарившегося бензина. Энергия каждого взрыва толкает поршень в цилиндр (названия деталей и процессов при первом упоминании выделены курсивом). Вместо того, чтобы вылететь из цилиндра через гараж, линейное движение поршня преобразуется в угловой момент коленчатым валом. Чтобы увидеть коленчатый вал в действии, представьте, что вы едете на велосипеде; линейное движение ваших коленей вверх-вниз преобразуется во вращение педалями, которые смещены относительно оси вращения звездочки.

Основной корпус двигателя представляет собой экзоскелет, называемый блоком, удивительно сложное литье, которое поддерживает вращающиеся или скользящие детали на критических поверхностях, обработанных с точностью до тысячной доли дюйма (рис. 2). Доминантой в блоке являются одно или несколько крупных отверстий, упомянутых выше цилиндров. Мотор косилки, который мы здесь разбираем, имеет один цилиндр. Поршень соединен с коленчатым валом шатуном (рис. 3; в аналогии с велосипедом шатуном служит голень). Верхний конец штока крепится внутри поршня поршневым штифтом, от которого шток качается туда-сюда, как маятник. Нижний конец шатуна имеет съемный колпачок, который плотно прилегает к шатунной шейке, смещенной части коленчатого вала. Поскольку массы поршня, шатуна и шатунной шейки лежат вне оси вращения коленчатого вала, в коленчатый вал врезаны противовесы, чтобы сбалансировать весь узел относительно этой оси. Коленчатый вал удерживается на месте коренными подшипниками в блоке под цилиндром.

В последующем обсуждении мы представляем себе цилиндр, ориентированный вертикально, и коленчатый вал, расположенный под цилиндром горизонтально. На многих косилках двигатель устанавливается с горизонтальным цилиндром и вертикальным коленчатым валом, чтобы лезвие вращалось горизонтально. Большинство автомобилей имеют четыре или более цилиндров с коленчатым валом, расположенным горизонтально. Цилиндры могут располагаться вертикально по прямой линии (например, Pontiac «прямой-8» 1954 года выпуска), они могут быть наклонены в два ряда, образуя букву V (например, Corvette «V8»), или они могут располагаться горизонтально или « плоский», чтобы понизить центр тяжести (например, Porsche 911 «Квартира-6»).

Движение поршня от его нижней точки в цилиндре (нижней мертвой точки, или НМТ) до его высшей точки (верхней мертвой точки, или ВМТ) или в обратном направлении от ВМТ к НМТ, составляет один такт работы двигателя . Во время каждого такта коленчатый вал поворачивается на пол-оборота. Термин «ход» также относится к расстоянию между ВМТ и НМТ. Диаметр цилиндра называется отверстием. Объем, определяемый ходом и диаметром цилиндра, объем, вытесняемый верхней поверхностью поршня за один ход, является рабочим объемом этого цилиндра. Рабочий объем всех цилиндров двигателя является одним из показателей его производительности. Если у вас «Корвет 427», рабочий объем его восьми цилиндров равен 427 кубическим дюймам. Разработчики двигателей, использующие метрические единицы измерения, описывают рабочий объем в литрах или кубических сантиметрах.

Энергетическая плотность бензина составляет около 45 мегаджоулей на килограмм.[4] Чем больше бензина поступает в двигатель за цикл его работы, тем большую мощность он может выдать. Среди двигателей одинаковой конструкции выходная мощность зависит от рабочего объема. Автомобили с бензиновым двигателем первого поколения, построенные в 1890-х годах, производили примерно столько же энергии, сколько двигатель нашей косилки, а машины, на которых они работали, работали примерно так же, как одна из сегодняшних небольших газонокосилок. Участники первой в мире автогонки 189 г.5, из Парижа в Бордо и обратно, включал 15 автомобилей с бензиновым двигателем (специализированных гоночных автомобилей еще не существовало), один электромобиль и шесть пароходов. Гонку выиграл Эмиль Левассор на своем Panhard-Levassor с двигателем Daimler объемом 1200 куб. См (73 куб. Дюйма) мощностью 3,5 лошадиных силы (1 л.с. = 745,7 Вт). Левассор проехал 723 мили практически без остановок со средней скоростью 14,9 миль в час. Мотор газонокосилки, предназначенный для мотокос, выдает около 3,75 л.с. при рабочем объеме около 12 куб. дюйм[6] Его столетняя конструкция все еще производится сегодня, потому что для его предполагаемого использования доминирующим достоинством является простота.

Для увеличения мощности объем двигателя первого поколения был быстро увеличен. Первый Гран-при для специализированных гоночных автомобилей состоялся в Ле-Мане, Франция, в 1906 году. Двигатель победившего Renault имел рабочий объем 12,8 л (781 куб. Дюйм), развивал 105 л.с. и разгонял автомобиль до средней скорости 62,88. миль в час, что означает, что он ехал около 100 миль в час на прямых. Но революция в эффективности была не за горами, когда мощность на рабочий объем стала бы столь же важной, как и сам рабочий объем. Peugeot, выигравший 1912 Гран-при Франции с двигателем всего 7,6 литра, конкурируя с огромными 14-литровыми Fiat и 15-литровыми Lorraine-Dietrichs. Некоторые из конструктивных изменений, которые привели к более высокому соотношению мощности к рабочему объему, будут описаны ниже, поскольку мы исследуем простую конструкцию двигателя косилки, которая перекликается с автомобильными двигателями первого поколения.

В верхней части цилиндра находится головка (рис. 4), с прокладкой головки, расположенной между блоком и головкой для обеспечения герметичности при затягивании болтов головки (примерно до 12 футо-фунтов). Пространство между поршнем в ВМТ и выемкой головки над цилиндром образует камеру сгорания. Подача искры на летучую смесь бензина и воздуха в камере сгорания толкает поршень вниз по цилиндру, чтобы раскрутить коленчатый вал благодаря шатуну. Как топливно-воздушная смесь попадает в цилиндр, как из него удаляются продукты сгорания и как подается искра в ответственный момент?

Двигатель нашей косилки имеет два клапана, обеспечивающих проход в цилиндр, впускной клапан и выпускной клапан. Рассмотрим двигатель, работающий на скорости (частота вращения двигателя измеряется в об/мин, угловая скорость коленчатого вала — в оборотах в минуту). Начнем с момента, когда оба клапана закрыты и поршень мгновенно находится в ВМТ. Это состояние знаменует собой начало четырехтактного цикла работы двигателя: такты впуска, сжатия, рабочего хода и такта выпуска.

(1) Такт впуска: при вращении коленчатого вала поршень движется вниз и открывается впускной клапан. Разница давлений внутри цилиндра и наружного воздуха выталкивает воздушно-топливную смесь в цилиндр, когда поршень опускается. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается.

(2) Такт сжатия: поршень движется обратно вверх при закрытых обоих клапанах, сжимая топливно-воздушную смесь. Пусть V2 — объем газа внутри цилиндра, когда поршень находится в НМТ, а V1 — объем, при котором поршень находится в ВМТ. Степень сжатия V2/V1 предлагает еще один показатель производительности двигателя. Двигатели, предназначенные для работы в течение длительного времени, такие как двигатели косилок, должны работать с низкой нагрузкой и обычно иметь степень сжатия около 4 или 5; двигатели для соревнований могут иметь степень сжатия 10 или выше. Так как такт сжатия происходит быстро, во время такта во внешний мир отводится незначительное количество тепла («адиабатический» процесс), а температура топливовоздушной смеси повышается.

(3) Рабочий такт: когда поршень достигает ВМТ в конце такта сжатия, зажигается свеча зажигания, воспламеняющая топливовоздушную смесь. Пламя стремительно проносится через камеру сгорания, повышая температуру и совершая работу, толкая поршень вниз в рабочем такте. Хотя воспламенение топлива высвобождает огромную внутреннюю энергию в цилиндр, незначительная энергия уходит в виде теплопроводности во время быстрого рабочего такта, поэтому этот такт также является адиабатическим.

(4) Такт выпуска: когда поршень движется вверх от НМТ, открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает выхлопные газы из цилиндра. Они вытекают через глушитель (с перегородками для гашения шума) в атмосферу. Двигатель обменивается теплом с окружающей средой во время тактов выпуска и впуска, выбрасывая горячие выхлопные газы и втягивая относительно холодные впускные газы. В конце такта выпуска поршень возвращается в ВМТ, оба клапана закрыты, и цилиндр готов к повторению четырехтактного цикла.

Что открывает и закрывает клапаны и обеспечивает искру в нужный момент? Параллельно коленчатому валу движется распределительный вал, который имеет выступы или кулачки (рис. 5). Через пару зацепленных зубчатых колес, по одному на конце каждого вала, вращающийся коленчатый вал вращает распределительный вал. В нашем двигателе косилки шестерня коленчатого вала имеет 20 зубьев, а шестерня распределительного вала имеет 40 зубьев, вращая распределительный вал со скоростью, равной половине угловой скорости коленчатого вала. Перпендикулярно распределительному валу и на кулачках расположены толкатели клапанов, а сами клапаны стоят над толкателями. Когда распределительный вал вращается, кулачок поднимает толкатель и клапан, открывая проход в камеру сгорания. Когда кулачок выкатывается из-под толкателя, пружины клапана снова закрывают клапан (рис. 6). На распредвале нашего одноцилиндрового мотора с двумя клапанами кулачки ориентированы 90 градусов друг от друга, потому что впускной и выпускной клапаны открываются на соседних ходах. Один ход равен половине оборота коленчатого вала и, следовательно, четверти оборота распределительного вала. На обеих зубчатых шестернях есть метки, которые необходимо совместить, чтобы клапаны открывались в нужное время в течение цикла (рис. 7).

В четырехтактном цикле одноцилиндровый двигатель обеспечивает один рабочий такт на каждые два оборота коленчатого вала.[8] С двумя цилиндрами рабочий ход происходит каждый оборот. Четыре цилиндра производят рабочий ход каждые пол-оборота. Восемь цилиндров обеспечивают один рабочий такт за четверть оборота и так далее. Увеличение числа цилиндров делает машину более сложной, но выигрыш в том, что мощность прикладывается более равномерно. Большинство автомобилей имеют четыре, шесть или восемь цилиндров; у некоторых их 10 (например, Dodge Viper), у некоторых 12 (например, у большинства Ferrari и Lamborghini, а также у Lincoln и Auburns 19-го поколения).30), а у некоторых 16 (например, Cadillac 1932 года, Marmon 1933 года и современный Bugatti Veyron).

Прикрепленный к внешнему концу коленчатого вала на конце, противоположном зубчатому колесу, находим маховик (рис. 8). Наиболее важной задачей маховика в любом двигателе является создание большого момента инерции для максимально плавного вращения коленчатого вала с его шатунно-поршневым узлом между рабочими тактами. В двигателях косилок маховик также играет роль в системах охлаждения и зажигания, как будет описано ниже.

Объемный КПД, отношение объема паров воздуха и топлива, поступающих в двигатель во время такта впуска, к рабочему объему цилиндра, предлагает еще один дескриптор характеристик двигателя. Говоря простым языком, это показатель того, насколько хорошо двигатель «дышит». Движущийся воздух обладает инерцией, и при турбулентности сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости воздуха. Размер и расположение клапанов, а также гладкость внутренних поверхностей, через которые проходят газы, существенно влияют на работу двигателя. Двигатель нашего газонокосилки представляет собой конструкцию с «плоской» или «г-образной» головкой, названную так потому, что клапаны проходят через блок параллельно цилиндру, и, таким образом, камера сгорания должна располагаться не только над поршнем, но и над областью в головке к одной стороне цилиндра, где выскакивают клапаны (рис. 8). Через 19В 40-х годах большинство автомобильных двигателей имели конструкцию с плоской головкой. Примерно в 1950 году производители начали производить конструкции с верхним расположением клапанов (OHV). Перемещение клапанов над поршнем увеличивает эффективность потока и объемную эффективность, поскольку топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания непосредственно над поршнем, а не сбоку. Теперь, когда клапаны нужно нажимать сверху вниз, а коленчатый вал и распределительные шестерни все еще соединены своими распределительными шестернями, длинные толкатели размещаются над толкателями клапанов и коромыслами, которые качаются вперед и назад на горизонтальном валу, как качели. , теперь сядьте на макушку. Кулачок поднимает толкатель, который поднимает одну сторону коромысла, а другая сторона коромысла давит на клапан, открывая его. Пружины под коромыслами закрывают клапан, когда кулачок выходит из-под толкателя и толкателя.

Если бы толкатели и коромысла можно было убрать, а распределительный вал расположить на верхней стороне головки, механическая энергия, потребляемая двигателем, перемещающим его внутренние части, была бы значительно снижена. Это достигается в двигателях с верхним распределительным валом (OHC). (Логотип «DOHC», который можно увидеть на значках некоторых автомобилей, обозначает двойные верхние кулачки, один для группы впускных клапанов, а другой для выпускных клапанов.) Когда коленчатый вал и распределительный вал находятся слишком далеко друг от друга, чтобы быть соединенными синхронизирующими шестернями, коленчатый вал вращает распределительного вала ремнем ГРМ или цепью ГРМ. Ремни ГРМ изготовлены из синтетического каучука, армированного проволокой, и их необходимо менять через регулярные промежутки времени, обычно около 9 часов.0000 миль. При обрыве ремня ГРМ открытие клапанов больше не будет зависеть от положения поршня. Столкновение клапана с поршнем приводит к дорогому шуму!

Для дальнейшего увеличения объемного КПД некоторые двигатели имеют четыре клапана на цилиндр, два впускных и два выпускных клапана. Добавление нагнетателя (или «нагнетателя») значительно увеличивает объемную эффективность. Нагнетатель представляет собой компрессор, приводимый в действие ремнем от шкива коленчатого вала, который нагнетает в двигатель за цикл больше воздуха, чем это было бы возможно только за счет атмосферного всасывания. Нагнетатели использовались на гоночных автомобилях Гран-при к началу 19 века.20 с. Турбокомпрессор использует поток выхлопных газов для привода небольшого компрессора с той же целью.

Смазка и охлаждение

Внутри нашего скромного двигателя косилки, работающего со скромными 800 об/мин, царит оживленная атмосфера. Поршень перемещается между ВМТ и НМТ 1600 раз в минуту; коленчатый и распределительный валы вращаются в своих подшипниках со скоростью 800 и 400 об / мин соответственно, вступая в зацепление друг с другом через жужжащие зацепленные шестерни; кулачки кулачка открывают клапаны, которые захлопываются пружинами; а пары бензина взрываются 200 раз в минуту. Некоторые спортивные мотоциклы разгоняются до 14 000 об/мин и более! Чтобы выдержать более нескольких секунд, это шоу должно иметь достаточную смазку, которая не дает металлическим поверхностям сплавляться вместе, когда они вращаются или скользят друг относительно друга. Избыточное тепло необходимо отводить для поддержания постоянной температуры.

В двигателе нашей косилки масло (1 литр 30 Вт) разбрызгивается на движущиеся части внутри картера с помощью маслоотражателя (рис. 7), шестерни, находящейся в зацеплении с шестерней распределительного вала и оснащенной небольшими лопастными колесами по периметру. Несмотря на то, что она примитивна, она обеспечивает достаточную смазку даже в гонках на картах, в которых двигатели испытывают гораздо большую нагрузку, чем при скашивании газонов. В более крупных двигателях масляный насос, приводимый в действие распределительным валом, подает масло непосредственно к подшипникам через каналы в блоке и головке. Масло не только обеспечивает смазку, предотвращающую слипание движущихся частей металла, но и помогает отводить тепло. Масло блокируется от протекания мимо поршня в камеру сгорания (где оно может засорить свечу и образовать сизый дым), а воздушно-топливная смесь не может продавливаться мимо поршня, чтобы разбавить масло в картере с помощью набора поршней. кольца, круги из пружинистого сплава (с небольшим зазором для установки и теплового расширения), которые ездят в канавках у верха поршня (рис. 2).

Двигатель газонокосилки имеет воздушное охлаждение (рис. 2, 4). Головка и блок, выполненные из алюминия, эффективно проводящего тепло, имеют залитые ребра охлаждения, которые обеспечивают большую площадь поверхности для теплообмена с окружающим воздухом. Маховик на двигателе косилки выполняет функцию охлаждающего вентилятора. Окруженный кожухом из листового металла (рис. 1) с проволочной сеткой, позволяющей втягивать воздух внутрь, маховик имеет залитые в него лопасти, которые при вращении обеспечивают циркуляцию воздуха над ребрами охлаждения на блоке (рис. 9).). Пластмассовая лопасть, называемая регулятором (рис. 9), соединенная пружиной с дроссельной заслонкой, находится между периметром маховика и кожухом, где она поворачивается в ответ на изменения давления воздуха, возникающие при изменении частоты вращения двигателя из-за переменной нагрузки на двигатель. Простой регулятор помогает поддерживать постоянную скорость двигателя при заданной настройке дроссельной заслонки и предотвращает случайное увеличение оборотов двигателя оператором.

Большинство автомобильных двигателей имеют водяное охлаждение; в блоке и головке залиты каналы, называемые водяными рубашками, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. От двигателя охлаждающая жидкость поступает в радиатор, где проходит по длинным трубкам, окруженным охлаждающими ребрами, прежде чем вернуться в двигатель. В дополнение к движению автомобиля вперед, вентилятор, приводимый в действие либо ремнем вентилятора, либо поликлиновым ремнем, либо электродвигателем, помогает проталкивать воздух через радиатор. Охлаждающая жидкость проходит между двигателем и радиатором через верхний и нижний шланги радиатора и проталкивается водяным насосом, который обычно приводится в действие ремнем вентилятора или зубчатым ремнем. Охлаждающая жидкость обычно состоит на 50 % из дистиллированной воды и на 50 % из этиленгликоля; более низкая температура замерзания этой смеси по сравнению с чистой водой предотвращает растрескивание блоков в холодную погоду (поскольку вода при замерзании расширяется), а также смесь обеспечивает коррозионную стойкость.

Термодинамика Эффективность

В контексте двигателей «эффективность» означает отношение выполненной работы (что вы хотите) к подводимой тепловой энергии (сколько это стоит). Второй закон термодинамики говорит, что эффективность никогда не может достичь единицы, что ставит вопрос о том, насколько большой она может быть, ограничиваясь только вторым законом. Паровые двигатели получают свою энергию от перегретого пара, впрыскиваемого при температуре TH в цилиндр. Они совершают работу и выбрасывают отработавший пар в окружающий воздух при температуре ТС. Цикл Карно был изобретен Сади Карно (179 г.6-1832) в 1824 году для создания идеализированной версии паровой машины. При этом достигается максимальная эффективность, в принципе достижимая двухтемпературным двигателем. В каждом цикле двигатель Карно изотермически получает энергию в виде тепла от горячего резервуара при абсолютной температуре TH, совершает работу и изотермически отдает тепло в холодный резервуар при температуре TC. Два изотермических теплообмена связаны адиабатическими процессами. Обычное упражнение по общей физике требует показать, что эффективность двигателя Карно равна 1 – TC/TH.

Концептуальный цикл, называемый циклом Отто (ок. 1880 г.), выполняет те же теоретические функции для четырехтактного бензинового двигателя. Этот идеализированный цикл назван в честь Николауса Отто (1832-1891), который построил первые коммерчески успешные четырехтактные двигатели. Как и цикл Карно, цикл Отто термодинамически обратим (т. е. отклонения от равновесия пренебрежимо малы), а рабочим телом служит идеальный газ. Но шаги в цикле отличаются от шагов Карно. Давайте продумаем их и отобразим изменения их состояния на диаграмме давление-объем (рис. 10), начиная с рабочего хода, который мы разобьем на две части. Начнем с события, срабатывания свечи зажигания в точке а на PV-диаграмме, которое происходит при объеме V1 с поршнем в ВМТ. Это событие повышает температуру и давление с точки а до точки b на PV-диаграмме, в то время как объем остается равным V1. Остальная часть рабочего хода моделируется адиабатическим давлением поршня вниз до НМТ (от b до c) по мере увеличения объема газов от V1 до V2. Затем такт выпуска выбрасывает горячие выхлопные газы, когда поршень движется от НМТ к ВМТ, а такт впуска вводит более холодную топливно-воздушную смесь, когда поршень возвращается в НМТ. В пространстве PV чистый эффект тактов выпуска и впуска заключается в падении температуры и давления при постоянном объеме V2, переходя от цикла с к d. Такт сжатия адиабатически уменьшает объем от V2 до V1, повышая температуру и давление и возвращая представление цикла на диаграмме PV из d обратно в точку a.

Эффективность этого цикла, как вы могли показать на вводном курсе термодинамики, равна 1 – (V2/V1)1−γ. V2/V1 — степень сжатия, а γ — отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. Для воздуха γ ≈ 1,4. Двигатели косилок имеют степень сжатия около 5, что соответствует теоретическому верхнему пределу эффективности 0,47. Напротив, двигатель для соревнований со степенью сжатия 15 имеет верхний предел эффективности 0,66. Реальный двигатель менее эффективен, чем его идеальный верхний предел, поскольку в нем присутствуют не только диссипативные воздействия, такие как трение, но и теплообмены, выходящие за рамки требований второго закона, потери работы при перемещении его внутренних масс и т. д., не говоря уже о качении. и сопротивление воздуха, работающее против движения машины. Как правило, автомобиль работает хорошо, если четверть выходной мощности, измеренной на маховике, преобразуется в кинетическую энергию всего центра масс автомобиля.[9]]

Теперь, когда мы вступаем в сезон кошения, проявите уважение к двигателю газонокосилки, побаловав его заменой масла и промытым или новым воздушным фильтром, очистив охлаждающие ребра от грязи и взаимодействуя с вашей машиной с увлечением!

Во второй части мы обсудим, как топливо смешивается с воздухом перед сгоранием и как в эту смесь подается искра в решающий момент между тактом сжатия и рабочим тактом. Эта статья также будет включать несколько заметок об обслуживании, и мы увидим некоторых известных исторических физиков, взаимодействующих со своими автомобилями и мотоциклами. //

Благодарность

Большое спасибо Девину Пауэллу за внимательное редактирование этой статьи.

Ссылки и примечания

[1] Лаборатория трупов двигателей с фотографиями студентов, работающих над двигателями, описана в «Техническое обслуживание мотоциклов и оценка физики», Radiations (осень 2007 г.), стр. 5-11. Веб-сайт с интерактивным моделированием всех видов двигателей можно найти по адресу http://www.animatedengines.com/index.html.
[2] Тот факт, что мы вообще можем понять атомы благодаря существованию простейшего из них, водорода, элегантно изложен Джоном Ригденом в книге «Водород, основной элемент» (издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 2002).
[3] Выработка работы, обязательно меньшая подводимой теплоты, является утверждением второго закона термодинамики. См. «Второй закон термодинамики и несохранение энтропии», Информационный бюллетень SPS (июнь 1998 г.), стр. 9–13.
[4] Гленн Элерт, изд., Справочник по физике, http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml.
[5] Брэд Кинг, All Color Book of Racing Cars (Crescent Books, New York, NY, 1972), стр. 5-7.
[6] Объем одноцилиндровых двигателей Brigg & Stratton варьируется от 5 до 32 кубических дюймов; эта и другие спецификации двигателя косилки из книги Пола Демпси, «Как отремонтировать двигатели Briggs & Stratton» (Tab Books, Blue Summit, PA, 19).78), с. 9.
[7] Чтобы двигаться быстрее, рабочий объем ранних гоночных автомобилей становился все больше. Fiat S79 1910 года имел, возможно, самый большой 4-цилиндровый двигатель из когда-либо существовавших: 28,3 литра от дирижабля и развил скорость 132,37 миль в час в 1913 году. Кинг, исх. 5, стр. 5-7, 22.
[8] В двухтактных двигателях поршень используется в качестве клапана с отверстиями или портами, выточенными в боковых сторонах цилиндра, впуск и выпуск на противоположных сторонах. Для смазки поршня-клапана масло необходимо предварительно смешать с бензином. Эти двигатели дымные и шумные, но развивают большую мощность для своего размера, с одним рабочим тактом на оборот. Дизельные двигатели работают в четырехтактном режиме без свечи зажигания. Степень сжатия достаточно высока, чтобы температура достигала температуры вспышки менее летучего дизельного топлива в конце такта сжатия.
[9] Колин Кэмпбелл, Двигатель спортивного автомобиля: его настройка и модификация (Robert Bentley Inc., Кембридж, Массачусетс, 1965, старенький, но хороший, наполненный прикладной физикой и написанный с юмором), стр. 4-7.

15.4 Идеальная тепловая машина Карно: второй закон термодинамики в новой редакции — College Physics 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите цикл Карно.
• Рассчитайте максимальный теоретический КПД ядерного реактора.
• Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальную машину Карно.

Рисунок
15.20

Эта новая игрушка, известная как пьющая птица, является примером двигателя Карно. Он содержит хлористый метилен (смешанный с красителем) в брюшной полости, который кипит при очень низкой температуре — около 100ºF100ºF. Для работы нужно намочить голову птицы. Когда вода испаряется, жидкость поднимается в голову, заставляя птицу утяжеляться и нырять вперед обратно в воду. Это охлаждает хлористый метилен в голове, и он перемещается обратно в брюшную полость, в результате чего низ птицы становится тяжелым, и она опрокидывается вверх. Если не считать очень небольшого вклада энергии — первоначального смачивания головы — птица становится своего рода вечным двигателем. (кредит: Arabesk.nl, Викисклад)

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть КПД на 100%, так как всегда должна быть некоторая теплопередача QcQc в окружающую среду, которую часто называют отработанным теплом. Насколько эффективной может быть тепловая машина? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) в 1824 г. , изучая появлявшуюся тогда технологию теплового двигателя, решающую для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, теперь называемый циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно.

Важнейшее значение цикла Карно — и, по сути, его определение — заключается в том, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает теплоотдачу QcQc в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

Двигатель Карно

Сформулированный в терминах обратимых процессов, второй закон термодинамики имеет третью форму:

Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, использующие только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе в пределах одних и тех же заданных температур.

На рис. 15.21 показана диаграмма PVPV для цикла Карно. Цикл включает два изотермических и два адиабатических процесса. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Карно также определил КПД совершенной тепловой машины, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что КПД циклической тепловой машины определяется выражением:

Eff=Qh−QcQh=1−QcQh.Eff=Qh−QcQh=1−QcQh.

15,33

Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение Qc/QhQc/Qh равно отношению абсолютных температур резервуаров тепла. То есть Qc/Qh=Tc/ThQc/Qh=Tc/Th для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно EffCEffC определяется как

EffC=1−TcTh,EffC=1−TcTh,

15,34

, где ThTh и TcTc выражены в градусах Кельвина (или любой другой шкале абсолютной температуры). Ни одна настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, чего можно достичь. Но идеальный двигатель Карно, как и пьющая птица выше, хотя и является увлекательной новинкой, но имеет нулевую мощность. Это делает его нереальным для любых приложений.

Интересный результат Карно подразумевает, что 100% эффективность возможна только в том случае, если Tc=0 KTc=0 K, то есть только если холодный резервуар находится при абсолютном нуле, что практически и теоретически невозможно. Но физический смысл таков: единственный способ заставить всю теплопередачу совершать работу — убрать все тепловой энергии, а для этого нужен холодный резервуар при абсолютном нуле.

Также очевидно, что наибольшая эффективность достигается, когда отношение Tc/ThTc/Th минимально возможно. Как обсуждалось для цикла Отто в предыдущем разделе, это означает, что эффективность максимальна при максимально возможной температуре горячего резервуара и минимально возможной температуре холодного резервуара. (Эта установка увеличивает площадь внутри замкнутого контура на диаграмме PVPV; кроме того, кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче направить теплопередачу на работу.) Фактические температуры резервуара тепловой машины обычно зависит от типа источника тепла и температуры окружающей среды, в которую происходит передача тепла. Рассмотрим следующий пример.

Рисунок
15.21

Диаграмма PVPV для цикла Карно, в котором используются только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача QhQh в рабочее тело происходит по изотермическому пути АВ, который протекает при постоянной температуре ThTh. Теплопередача QcQc происходит вне рабочего тела по изотермическому пути CD, который протекает при постоянной температуре TcTc. Чистый выход WW равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах ThTh и TcTc. Любая тепловая машина, использующая обратимые процессы и работающая между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, как и машина Карно.

Пример
15,4

Максимальная теоретическая эффективность ядерного реактора

В ядерном энергетическом реакторе вода под давлением находится при температуре 300ºC300ºC. (Более высокие температуры теоретически возможны, но практически невозможны из-за ограничений, связанных с материалами, используемыми в реакторе.) Теплопередача этой воды — сложный процесс (см. рис. 15.22). Пар, вырабатываемый в парогенераторе, используется для привода турбогенераторов. В конце концов пар конденсируется в воду при температуре 27ºC27ºC, а затем снова нагревается, чтобы начать цикл заново. Рассчитайте максимальный теоретический КПД тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.

Рисунок
15.22

Принципиальная схема ядерного реактора с водой под давлением и паровых турбин, преобразующих работу в электрическую энергию. Теплообмен используется для производства пара, отчасти для того, чтобы избежать загрязнения генераторов радиоактивностью. Две турбины используются, потому что это дешевле, чем работа одного генератора, который производит такое же количество электроэнергии. Пар конденсируется в жидкость перед возвратом в теплообменник, чтобы поддерживать низкое давление пара на выходе и способствовать прохождению пара через турбины (эквивалентно использованию холодного резервуара с более низкой температурой). Значительная энергия, связанная с конденсацией, должна рассеиваться в окружающей среде; в этом примере используется градирня, поэтому прямая передача тепла в водную среду отсутствует. (Обратите внимание, что вода, поступающая в градирню, не контактирует с паром, проходящим через турбины.)

Стратегия

Так как температуры даны для горячего и холодного резервуаров этой тепловой машины, EffC=1−TcThEffC=1−TcTh можно использовать для расчета эффективности Карно (максимальной теоретической). Эти температуры должны быть сначала преобразованы в кельвины.

Решение

Температуры горячего и холодного пласта даны как 300ºC300ºC и 27,0ºC27,0ºC соответственно. Таким образом, в кельвинах Th=573 KTh=573 K и
Tc=300 KTc=300 K, так что максимальный КПД равен

EffC=1−TcTh.EffC=1−TcTh.

15,35

Таким образом,

EffC=1−300 K573 K=0,476 или 47,6%. EffC=1−300 K573 K=0,476 или 47,6%.

15,36

Обсуждение

Фактический КПД типичной атомной электростанции составляет около 35%, что немногим лучше, чем в 0,7 раза от максимально возможного значения, что является данью превосходной инженерной мысли. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют больший фактический КПД (около 42%), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями. На рис. 15.23 показаны (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. У обоих есть градирни, в которые вода из конденсатора поступает в градирню в верхней части и распыляется вниз, охлаждаясь за счет испарения.

Рисунок
15.23

(а) Атомная электростанция (фото: BlatantWorld.com) и (б) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, представляя QcQc. Ядерный реактор, который снабжает QhQh, размещен внутри куполообразной защитной оболочки. (кредит: Роберт и Михаэла Викол, publicphoto.org)

Поскольку все реальные процессы необратимы, реальный КПД тепловой машины никогда не может быть таким же большим, как у двигателя Карно, как показано на рис. 15.24(а). Даже при наличии наилучшей тепловой машины в периферийном оборудовании, таком как электрические трансформаторы или автомобильные трансмиссии, всегда присутствуют диссипативные процессы. Это еще больше снижает общую эффективность за счет преобразования части выходной мощности двигателя обратно в теплопередачу, как показано на рис. 15.24(b).

Рисунок
15.24

Настоящие тепловые двигатели менее эффективны, чем двигатели Карно. (а) В реальных двигателях используются необратимые процессы, уменьшающие передачу тепла на работу. Сплошные линии представляют реальный процесс; пунктирные линии — это то, что двигатель Карно сделал бы между теми же двумя резервуарами. б) Трение и другие диссипативные процессы в выходных механизмах тепловой машины преобразуют часть ее работы в теплопередачу окружающей среде.

Основы автомобиля — Законы движения сэра Исаака Ньютона

ОБНОВЛЕНО: 1 октября 2020 г.

Раскрытие информации для рекламодателей

Это все о вас. Мы хотим помочь вам сделать правильный выбор покрытия.

Информация для рекламодателей. Мы стремимся помочь вам принимать уверенные решения по страхованию автомобиля. Сравнение покупок должно быть легким. Мы не связаны ни с одной компанией по страхованию автомобилей и не можем гарантировать котировки какой-либо одной компании.

Наши партнерские отношения не влияют на наш контент. Наши мнения являются нашими собственными. Чтобы сравнить предложения ведущих автомобильных компаний, введите свой почтовый индекс выше, чтобы использовать бесплатный инструмент для расчета котировок. Чем больше предложений вы сравните, тем больше шансов сэкономить.

Автор: Джеффри Джонсон Рецензент: Сара Рутье ОБНОВЛЕНО: 1 октября 2020 г. Факт проверен

Сэр Исаак Ньютон был английским ученым, жившим в 17 и 18 веках и добившимся больших успехов в области математики и физики. В 1687 году он опубликовал серию из трех книг

, известных под общим названием Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , где он объяснил то, что он назвал тремя законами движения. Первый закон движения относился к инерции, второй закон движения объяснял принципы ускорения, а третий закон движения утверждал, что каждой силе сопутствует равная и противоположная сила. Он черпал вдохновение у многих ученых, которые были до него, в первую очередь у Галилео Галилея и Рене Декарта. Теории Исаака Ньютона о движении, а также о гравитации широко рассматриваются научным сообществом как наиболее важные вклады одного человека в историю науки.

Первый закон движения

Первый закон движения Ньютона, который также называют законом инерции, гласит, что объект не изменит свою скорость или направление, если на него не воздействует внешняя сила. Это означает, что объект, который не движется, не будет двигаться, если его что-то не толкнет, а объекту, который движется, потребуется какая-то внешняя сила, чтобы изменить его направление или замедлить его. Закон инерции Ньютона противоречил многим существующим теориям того времени, не последней из которых была вера в то, что движущемуся объекту нужна какая-то сила, чтобы удерживать его в движении. Этот закон движения означает, например, что, если автомобиль приведен в движение, он будет продолжать двигаться, пока на него не действует другая сила. Тот факт, что автомобиль в конце концов останавливается, объясняется не отсутствием силы, а наличием противодействующей силы, которая чаще всего называется силой трения.

• Кабинет физики: первый закон Ньютона
• Университет штата Джорджия: Факультет физики и астрономии – Первый закон Ньютона
• Связь физики со спортом: первый закон Ньютона
• Общественный колледж округа Балтимор: Лекция 1 – Первый закон движения Ньютона

Второй закон движения

Второй закон движения Ньютона широко известен как закон ускорения. В нем говорится, что когда движущийся объект сталкивается с какой-либо силой, его направление и скорость, также известные как его импульс, будут изменяться в направлении, с которого действует сила. Кроме того, изменение количества движения обратно пропорционально массе объекта. Это означает, что при данной силе, чем меньше масса объекта, тем больше изменение импульса, и чем больше его масса, тем меньше изменится его импульс. Например, баскетбольный мяч или автомобиль, катящийся вниз по склону, будут ускоряться из-за внешней силы, называемой гравитацией. Когда любой объект сталкивается с ветром слева, второй закон движения Ньютона диктует, что ветер с большей вероятностью вызовет видимое изменение скорости и направления баскетбольного мяча, чем автомобиль, из-за разницы в массе между двумя объектами. . Более того, поскольку ветер слева дует направо, изменение импульса баскетбольного мяча заставит его изогнуться вправо. Изменение импульса автомобиля будет настолько незначительным, что наблюдатель этого не заметит.

• Wisc-Online: Второй закон движения Ньютона
• Корпорация общественных школ Бейтсвилля: второй закон Ньютона
• Общественные школы Восточного Бьюкенена: законы движения Ньютона
• Чартерная государственная школа Codman Academy: физика вождения
• Zona Land Education: Второй закон движения Исаака Ньютона

Третий закон движения

Третий закон движения Ньютона, закон действия и противодействия, гласит, что когда сила действует на объект, одновременно действует равная и противоположно направленная сила. Проще говоря, когда что-то толкает объект, объект отталкивается с равной силой. Вот почему, когда два фигуриста толкают друг друга, они оба будут отдаляться друг от друга, причем более тяжелый человек будет двигаться меньше, чем более легкий. Когда двигатель автомобиля запускается и заставляет его колеса вращаться, его колеса прижимаются к дороге, а дорога прикладывает противодействующую силу, которая позволяет автомобилю двигаться вперед.

• Университет Теннесси, Ноксвилл: три закона движения Ньютона
• Поп-физика: третий закон Ньютона
• Государственные школы Мэнсфилда: третий закон движения Ньютона
• Университет штата Калифорния в Сономе: Третий закон Ньютона
• BBC: Третий закон Ньютона

Тесты

• Тест по трем законам движения
• Интерактивные законы движения Ньютона – викторина
• Проверьте себя – Законы движения Ньютона
• Законы движения Ньютона Викторина
• Физические науки: движение, силы и энергия, книга M — онлайн-викторина

Планы уроков

• Название плана урока: Законы движения Ньютона (PDF)
• План урока по физике: силы – законы движения
• Математический центр: Первый закон движения Ньютона (PDF)
• Ньютон и Просвещение
• Ньютон и его законы – 9–12 классы
• План урока «Ревущие ракеты» (PDF)

Игры

• Парк развлечений Физика
• Игры-викторины: Викторина по законам движения
• Галилео роняет мяч
• Игра «Американские горки: миллионер»
• Закон всемирного тяготения Онлайн-игра

Квинтен Кенрик

• получить автострахование онлайн ~ как сэкономить деньги на автостраховании ~ список бесплатных финансовых калькуляторов ~ новые тарифы автострахования ~ получить расценки на автострахование ~ сравнение котировок автострахования онлайн

Редакционные правила. Мы являемся бесплатным онлайн-ресурсом для всех, кто хочет узнать больше об автостраховании. Наша цель — быть объективным сторонним ресурсом по всем вопросам, связанным с автострахованием. Мы регулярно обновляем наш сайт, и весь контент проверяется экспертами по автострахованию.

Стандарты эффективности использования топлива и законы физики

В 1986 году Институт конкурентоспособного предпринимательства (CEI) вступил в дебаты по поводу стандарта корпоративной средней экономии топлива (CAFE), который был установлен в ответ на энергетический кризис в 1970-е годы. В ответ на ограниченные в то время мировые поставки нефти Конгресс принял Закон об энергетической политике и энергосбережении от 1975, целью которого было побудить производителей автомобилей улучшить топливную экономичность своих автомобилей. Он установил стандарт CAFE для легковых автомобилей, который увеличился в несколько раз, а затем выровнялся на уровне 27,5 миль на галлон для моделей 1985 года и позже.

CEI увидела в стандарте CAFE возможность доказать, что правительственные постановления имеют непреднамеренные вредные последствия, и намеревалась показать, что стандарты эффективности использования топлива на самом деле убивают людей. В 1986 году CEI подала первый из серии исков против Национальной администрации безопасности дорожного движения (NHTSA), направленных на отмену стандартов CAFE. Это также убедило экономиста Роберта У. Крэндалла провести исследование под названием 9 в соавторстве с Джоном Д. Грэмом.0375 The Effect of Fuel Economy Standards on Automobile Safet y, которая была опубликована в 1989 году. [1] В исследовании Крэндалла-Грэма утверждалось, что «КАФЕ вызывает от 2000 до 4000 смертей пассажиров автомобиля каждый год», потому что ограничивает производство более крупных, более ударопрочные автомобили. «Мы нашли убедительные доказательства того, что вес автомобиля и безопасность взаимосвязаны», — сказал Крэндалл. «Мы обнаружили, что в 1989 модельном году CAFE уменьшила вес автомобилей на 14%, но это привело к увеличению числа смертельных случаев на 14–20% в автомобилях этого модельного года».

CEI опирается на то, что она называет «основной физикой», чтобы подтвердить свое заявление о том, что более тяжелые автомобили безопаснее, чем более легкие. «Нет никаких сомнений в том, что если автопроизводители будут вынуждены строить автомобили меньшего размера, чтобы соответствовать новым, чрезвычайно строгим топливным стандартам, в результате погибнет больше людей», — заявила политический аналитик CEI Джули ДеФалько в выпуске новостей в декабре 1995 года. «С физикой не поспоришь — чем больше машина, тем она безопаснее», — заявила представитель института Эмили МакГи совместно с 1999 выпуск исследования CEI под названием «Смертельные последствия стандартов экономии топлива».

Заявление CEI основано на законах движения Ньютона, согласно которым при столкновении твердых объектов разного веса изменение скорости более легкого объекта всегда будет превышать скорость более тяжелого объекта пропорционально их относительному весу. Если одна машина в два раза тяжелее другой и они столкнутся на скорости сближения 60 миль в час, более тяжелая машина испытает изменение скорости на 20 миль в час, а более легкая машина испытает изменение скорости на 40 миль в час. Более того, исследования показали, что риск гибели при столкновении возрастает полиномиально в зависимости от изменения скорости, взятого в четвертой степени. Двукратное увеличение скорости, другими словами, умножает риск смерти на 2 в 4-й степени, а это означает, что пассажиры более легкого автомобиля в 16 раз чаще умирают, чем пассажиры более тяжелого автомобиля.

Однако на самом деле это означает, что, хотя более тяжелые транспортные средства безопаснее для их пассажиров , они на самом деле опаснее для всех остальных — включая не только пассажиров других автомобилей, но и пешеходов, велосипедистов и во что еще они могут врезаться при столкновении одного автомобиля. Вместо того, чтобы говорить нам, что более тяжелые автомобили безопаснее, законы движения Ньютона предполагают, что оптимальная безопасность была бы достигнута, если бы все автомобили имели примерно одинаковую массу. это относительного веса транспортных средств, а не их абсолютного веса, что теоретически приводит к неблагоприятным последствиям риска для пассажиров более легкого транспортного средства. Это означает, что если небольшие автомобили имеют более низкий вес и размеры, чем легкие грузовики, увеличение разницы в весе приведет к увеличению числа смертельных случаев. И наоборот, если грузовые автомобили будут уменьшены в размерах и весе в большей степени, чем легковые автомобили, большая однородность на 90 375 сократит количество смертельных случаев на 90 376. Есть даже некоторые доказательства, хотя и противоречивые, что пропорциональное уменьшение массы всех транспортных средств окажет благотворное влияние на безопасность при столкновениях транспортных средств.

«Нет фундаментальной научной причины, по которой уменьшение массы всех транспортных средств должно привести к большему количеству травм и смертельных случаев», — отметили Дэвид Л. Грин и Марианн Келлер, которые в июле входили в состав группы NRC, изучавшей влияние стандартов CAFE. 2001. «В дебатах о CAFE и безопасности часто утверждалось, что «законы физики» диктуют, что меньшие и более легкие транспортные средства должны быть менее безопасными. Это утверждение совершенно верно с точки зрения отдельного частного лица, считающего себя лучшим. интересы и игнорирование интересов других, но это ложно с общественной точки зрения».[2]

Когда Национальное управление дорожного движения и безопасности (NHTSA) проанализировало исследование Крэндалла и Грэма, оно согласилось, «что при прочих равных условиях большая машина безопаснее, чем маленькая». Реальность, однако, такова, что «все остальные вещи» равны 90 375, а не 90 376. В реальном мире оценка влияния веса на безопасность автомобиля несколько сложнее, чем можно предположить из теоретического анализа, основанного на ньютоновской физике. Во-первых, тот же физический закон, который затрудняет изменение скорости более тяжелых автомобилей, также затрудняет их торможение и маневрирование. Дополнительный вес добавляет и другие факторы риска. Помните фиаско Ford/Firestone, связанное с разрывом шин, что привело к авариям со смертельным исходом? Эти аварии не произошли бы, если бы те же шины использовались на небольших и легких транспортных средствах. Фактически, самые тяжелые легковые автомобили на рынке — внедорожники, пикапы и фургоны — имеют заметно более высокую скорость опрокидывания, чем легковые автомобили, потому что их центр тяжести находится выше, что делает их менее устойчивыми.

«Некоторые утверждают, что значительное увеличение экономии топлива потребует уменьшения массы автомобиля, что, в свою очередь, приведет к увеличению травматизма и смертности. Другие утверждают, что этого воздействия можно избежать», — сообщил Национальный исследовательский совет (самый престижный научный консультативный орган в Соединенные Штаты) в исследовании 1992 года под названием Экономия автомобильного топлива: как далеко мы должны зайти? «Тот факт, что обе стороны могут привести заслуживающие доверия аргументы, свидетельствует о неоднозначности имеющихся доказательств и сложностях в попытках прогнозировать последствия будущих изменений характеристик транспортных средств», — заключил NRC. «Нет окончательных ответов на вопрос о том, может ли и в какой степени безопасность быть скомпрометирована улучшением экономии топлива». [3]

Есть также веская причина подвергнуть сомнению основополагающее утверждение CEI о том, что стандарты эффективности использования топлива вынуждают автопроизводителей уменьшать вес своих автомобилей. Многие факторы, повышающие эффективность использования топлива, не зависят от веса, а некоторые факторы эффективности также несут пользу в плане безопасности. Например, автомобили с коротким временем разгона имеют высокий уровень смертности пассажиров, а меры по экономии топлива, снижающие доступность этих автомобилей, вероятно, спасут жизни. «В то время как снижение веса автомобиля при прочих равных условиях явно является одним из средств повышения экономии топлива, то же самое можно сказать и о снижении мощности двигателя при прочих равных условиях», — отметили Грин и Келлер. Фактически, они заявили: «Более важные технологические средства улучшения экономии топлива кажутся нейтральными или полезными для безопасности». Снижение ограничения скорости на национальных автомагистралях также повысит эффективность использования топлива и в то же время спасет жизни. Национальное ограничение скорости 55 миль в час действует до 19По оценкам, 87 позволил сократить расход топлива на 1–2 процента, одновременно предотвращая от 2000 до 4000 смертей в автокатастрофах ежегодно.

В феврале 1995 года федеральный судья вынес решение против попытки CEI отменить правительственный стандарт CAFE 1990 года. «Суть позиции CEI интуитивно привлекательна», — заявил он в своем постановлении. «Однако здесь мы должны иметь дело не с нашей интуицией и не с абстрактной позицией заявителей, а с конкретными отчетами, стоящими перед нами. … Этот отчет адекватно подтверждает вывод НАБДД о том, что сохранение стандарта CAFE на 27,5 миль на галлон для МОЕГО 1990 не окажет существенного влияния на безопасность автомобилистов. … НАБДД попросило производителей автомобилей указать, какие конкретные действия они предпримут в отношении любого модельного года … если агентство понизит стандарт 1990 года. … Неопровержимым фактом является то, что ни один производитель автомобилей не заявлял, что он увеличил бы вес своих автомобилей (или предпринял бы какие-либо другие действия) в любом модельном году, если бы NHTSA ослабило стандарт CAFE 1990 года ».

На самом деле, некоторые правительственные постановления имеют добавил к весу автомобиля . «С 1975 года было введено много новых правил безопасности для легковых автомобилей и легких грузовиков», — отметил NRC в своем отчете за июль 2001 года. «Подсчитано, что эти правила добавили к среднему транспортному средству несколько сотен фунтов (например, подушки безопасности, улучшенная защита от ударов) … Правила CAFE не препятствовали выполнению правил безопасности, а правила безопасности не мешали производителям достигать своих целей. Требования КАФЕ».

В октябре 1999 года NHTSA подсчитало, что одни только подушки безопасности спасли 4758 жизней с момента их появления, при этом погибло всего 146 человек, что в сумме спасло 4612 жизней. Со стороны CEI кажется довольно лицемерным выступать против стандартов CAFE по соображениям безопасности, одновременно выступая против подушек безопасности, но на самом деле CEI зашла так далеко, что предположила, что Ральфу Нейдеру место в тюрьме за их поддержку. В какой-то момент политический аналитик CEI Джули ДеФалько даже предложила опубликовать инструкции по демонтажу подушек безопасности на веб-сайте CEI.

И если CEI действительно заботится о спасении жизней, как мы можем объяснить ее резкую защиту табачной промышленности, в которой один комментатор CEI зашел так далеко, что предположил, что курение является гражданским долгом?

Связанные ресурсы

• Институт конкурентоспособного предпринимательства, «Человеческие затраты на регулирование: переосмысление дискуссии об управлении рисками. Предложение Института конкурентоспособного предпринимательства», 1994.
• Эффективность и влияние стандартов корпоративной средней экономии топлива (CAFE), Комитет по эффективности и влиянию стандартов корпоративной средней экономии топлива (CAFE), Совет по энергетическим и экологическим системам, Совет по исследованиям в области транспорта, Национальный исследовательский совет (Вашингтон, округ Колумбия: Национальный Академия Пресс, 2001).
• Национальный исследовательский совет, Экономия автомобильного топлива: как далеко мы должны зайти? (Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press, 1992),

.

• Сэм Казман, редактор, CEI’s CAFE Litigation, 29 января 2002 г.

Информационный механизм работает почти с идеальной эффективностью
Лиза Зига, Phys.org

Художественная иллюстрация эксперимента. Авторы и права: Бурдетт Чой, Институт фундаментальных наук.

Физики экспериментально продемонстрировали информационный двигатель — устройство, преобразующее информацию в работу — с эффективностью, превышающей обычный второй закон термодинамики. Вместо этого эффективность двигателя ограничена недавно предложенным обобщенным вторым законом термодинамики, и это первый информационный двигатель, приблизившийся к этому новому ограничению.

Результаты демонстрируют как осуществимость реализации информационного механизма «без потерь» — так называемого, потому что практически никакая доступная информация не теряется, а вместо этого почти полностью преобразуется в работу, — а также экспериментально подтверждают точность границы, установленной обобщенный второй закон.

Физики Говинд Панеру, Донг Юн Ли, Цви Тласти и Хюк Кю Пак из Института фундаментальных наук в Ульсане, Южная Корея (Тласти и Пак также работают в Ульсанском национальном институте науки и технологий), опубликовали статья о двигателе информации без потерь в недавнем выпуске Письма о физическом обзоре .

«Размышления о двигателях стимулировали прогресс термодинамики и статистической механики с тех пор, как Карно установил предел эффективности тепловых двигателей в 1824 году», — сказал Пак Phys.org . «Добавление обработки информации в виде «демонов» установило новые ограничения, и было важно проверить новые ограничения в эксперименте».

Традиционно максимальная эффективность, с которой двигатель может преобразовывать энергию в работу, ограничивается вторым законом термодинамики. Однако в последнее десятилетие эксперименты показали, что эффективность двигателя может превзойти второй закон, если двигатель может получать информацию из своего окружения, поскольку затем он может преобразовать эту информацию в работу. Эти информационные двигатели (или «демоны Максвелла», названные в честь первой концепции такого устройства) стали возможными благодаря фундаментальной связи между информацией и термодинамикой, которую ученые все еще пытаются полностью понять.

Естественно, недавние экспериментальные демонстрации информационных машин подняли вопрос о том, существует ли верхняя граница эффективности, с которой информационная машина может преобразовывать информацию в работу. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи недавно вывели обобщенный второй закон термодинамики, который объясняет, как энергия и информация преобразуются в работу. Однако до сих пор ни один экспериментальный информационный движок не приблизился к предсказанным границам.

Обобщенный второй закон термодинамики гласит, что работа, извлекаемая из информационной машины, ограничена суммой двух составляющих: первая — это разность свободной энергии между конечным и начальным состояниями (это единственное ограничение, накладываемое на обычные двигатели обычный второй закон), а другой — количество доступной информации (эта часть устанавливает верхнюю границу дополнительной работы, которую можно извлечь из информации).

Чтобы достичь максимальной эффективности, установленной обобщенным вторым законом, исследователи в новом исследовании разработали и внедрили информационный двигатель, состоящий из частицы, захваченной светом при комнатной температуре. Случайные тепловые флуктуации заставляют крошечную частицу слегка двигаться из-за броуновского движения, а фотодиод отслеживает изменение положения частицы с пространственной точностью в 1 нанометр. Если частица удаляется более чем на определенное расстояние от своей начальной точки в определенном направлении, световая ловушка быстро смещается в направлении частицы. Этот процесс повторяется, так что с течением времени двигатель перемещает частицу в нужном направлении, просто извлекая работу из информации, которую он получает от случайных тепловых флуктуаций системы (компонент свободной энергии здесь равен нулю, поэтому он не вносит вклад в извлекаемую работу). ).

Одной из важнейших особенностей этой системы является почти мгновенная реакция обратной связи: ловушка смещается всего за долю миллисекунды, не давая частице времени двигаться дальше и рассеивать энергию. В результате почти никакая энергия, полученная в результате сдвига, не теряется в виде тепла, а почти вся энергия превращается в работу. Избегая практически любой потери информации, преобразование информации в энергию в этом процессе достигает примерно 98,5% границы, установленной обобщенным вторым законом. Результаты подтверждают эту оценку и иллюстрируют возможность извлечения максимального объема работы из информации.

Помимо их фундаментальных последствий, результаты могут также привести к практическим применениям, которые исследователи планируют исследовать в будущем.

«И нанотехнологии, и живые системы работают в масштабах, где взаимодействие между тепловым шумом и обработкой информации является значительным», — сказал Пак. «Можно подумать о инженерных системах, в которых информация используется для управления молекулярными процессами и направления их в правильном направлении. Одна из возможностей заключается в создании гибридов биологических и инженерных систем даже в живой клетке».

Узнайте больше

Возможности квантовой манипуляции для квантовой обработки информации получают ускорение

Дополнительная информация:
Говинд Панеру, Донг Юн Ли, Цви Тласти и Хюк Кю Пак. «Броуновская информационная машина без потерь». Письма о физическом обзоре . DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.020601

Информация журнала:
Письма о физическом обзоре

© 2018 Phys.org

Цитата :
Информационный двигатель работает практически с идеальной эффективностью (2018, 19 января)
получено 30 сентября 2022 г.
с https://phys.org/news/2018-01-efficiency.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Второй закон термодинамики и развитие паровых двигателей

Роберт М. Хейзен, доктор философии, Университет Джорджа Мейсона

Второй закон термодинамики невероятно распространен; оно применимо ко множеству физических ситуаций. Существует несколько различных способов выражения фундаментального принципа этого закона, например, поток тепла от горячего к холодному, но другое, более тонкое утверждение второго закона состоит в том, что паровые машины не могут быть сконструированы так, чтобы на 100 % преобразовывать тепло в работу. .

Согласно второму закону термодинамики тепловая энергия перетекает от горячего резервуара к более холодному. (Изображение: Alan Tunnicliffe/Shutterstock)

Николя Карно и разработка паровых двигателей

Термодинамика имеет огромное значение при проектировании паровых двигателей, поскольку они сосредоточены на передаче тепла и использовании энергии различными способами. Следовательно, при проектировании паровых двигателей главное внимание уделяется эффективной передаче энергии. Поэтому неудивительно, что некоторые из этих открытий пришли к нам из изучения конструкции и разработки паровых двигателей.

Николя Леонар Сади Карно ближе всего подошел к выводу второго закона термодинамики на основе изучения работы и теплоты и природы паровых двигателей. Сади Карно родился в Париже в 1796 году. Он был сыном Лазара Карно, известного военного тактика, одного из великих полководцев Наполеона и военного министра при Наполеоне.

Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.

Забытая книга Николя Карно

Наиболее важные открытия Николя Карно были обобщены в книге под названием Размышления о движущей силе огня . (Изображение: DKN0049/Shutterstock)

Младший Карно получил образование военного инженера по стопам своего отца, и он посвятил большую часть своих усилий изучению работы паровых двигателей в военных целях. Его наиболее важные открытия были обобщены в небольшой книге под названием « Размышления о движущей силе огня».0156 .

Появился в 1824 году, но в свое время полностью игнорировался. Его игнорировали почти 20 лет, спустя много времени после его смерти. Карно умер в 1832 году. Великим даром Карно была способность видеть обобщения в очень конкретных ситуациях. Например, работая с механикой паровой машины, он мог видеть общие принципы. Он рассматривал паровые двигатели как частный случай гораздо более общей проблемы термодинамики.

Узнайте больше о небулярной гипотезе.

Связь между работой и теплотой

Карно рассматривал две разные стороны этой связи между работой и теплотой. С одной стороны, он признал, что работа может быть преобразована в тепло со 100-процентной эффективностью. Например, у падающего мяча есть гравитационная потенциальная энергия, он приземляется на землю, и работа полностью преобразуется в тепловую энергию на полу.

Представьте себе такую ​​же ситуацию с астероидом, прилетающим из космоса и врезающимся в поверхность Земли. Этот астероид в основном распадается/уничтожается, и выделяется огромное количество тепла. Вся энергия, представленная в этой системе, может быть преобразована в тепло. То же самое явление и с куском угля. Когда он горит, его энергия эффективно преобразуется в тепло.

Узнайте больше об Эдвине Хаббле и открытии галактик.

Преобразование тепла в работу

Преобразование тепла в работу сложнее. И это верно как минимум по трем причинам. Во-первых, и самое простое, часть тепла, поступающего в двигатель, должна нагревать сам двигатель или улетучиваться в окружающую среду, поэтому часть тепла теряется. Например, часть энергии пищи, которую люди едят, в конечном итоге просто излучается, потому что они излучают 100 ватт, как лампочка.

Каждый объект во Вселенной содержит большое количество потенциальной энергии и тепла. (Изображение: OSweetNature/Shutterstock)

Вторая причина того, что часть энергии всегда тратится впустую, заключается в том, что двигатель работает в своего рода цикле. Например, поршень давит на шток, чтобы привести машину в движение, а затем поршень должен быть отведен назад, чтобы снова привести ее в действие.

Итак, это непрерывная работа, и часть энергии уходит на выполнение работы, но затем часть энергии должна быть использована для возврата поршня в исходное положение, чтобы двигатель продолжал работать.

Следовательно, любой двигатель, работающий в цикле, имеет такую ​​проблему. Даже у бьющегося сердца возникают те же проблемы, потому что оно должно перезапуститься, прежде чем снова сможет качать кровь.

Но есть и третья причина, более тонкая, и именно ее Карно действительно уловил. Тепловая энергия течет по системе от горячего резервуара, горящего топлива, к холодному резервуару, окружающей среде.

Часть энергии тратится впустую, потому что часть энергии, с которой двигатель запустился, все еще остается в низкотемпературном резервуаре, из которого уходит тепло. Все, даже ледяная вода, все еще содержит много тепловой энергии. С какой бы энергией ни начинался любой объект, она должна течь за пределы своей системы.

Общие вопросы о втором законе термодинамики и развитии паровых двигателей

В: Какова связь между работой и теплом?

Николя Карно, внесший вклад в развитие паровых машин, рассматривал две разные стороны связи между работой и теплотой. С одной стороны, он понял, что работа может быть преобразована в теплоту со 100-процентной эффективностью, тогда как преобразовать теплоту в работу труднее.

В: Почему теплоту трудно преобразовать в работу?

Работая над созданием паровых двигателей, Карно показал, что существует по крайней мере три причины трудности преобразования теплоты в работу со 100-процентным КПД.