книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Термоэлемент Зеебека обладает свойством обратимости. Если через него пропускать электрический ток от внешнего источника, то один спай будет охлаждаться, а другой нагреваться, то есть с по- мощью электрической энергии будет формироваться поток тепловой энергии от холодного спая к горячему (эффект Ж. Пельтье).

Теплопередающим (передаточным) устройством является тепло- вая труба, представляющая собой герметичную трубу определённой длины, частично заполненную жидким теплоносителем, содержащая на противоположных концах нагреватель и охладитель. На одном конце трубы имеется зона нагрева (нагреватель), где жидкий тепло- носительиспаряется,поглощаятеплоту,надругом —зона охлаждения (охладитель), где пар теплоносителя конденсируется, выделяя тепло- ту. Теплота передаётся от нагревателя к охладителю на расстояние до места её потребления. Движение пара теплоносителя осуществля- ется за счёт разности давлений насыщенного пара, получаемой по- средством разности температур в зонах нагрева и охлаждения.

Наиболее распространена конструкция тепловой трубы с капил- лярной структурой, используемой для возвращения жидкого тепло- носителя в зону нагрева.

Возврат жидкого теплоносителя осуществляется под действием разности капиллярных давлений, имеющейся в капиллярной струк- туре, размещённой на стенках трубы. Движение тепловой энергии замещается обратным «бесплатным» движением теплоносителя, чем сохраняется баланс обоих движений и замыкается круг непрерывного движения теплоты и жидкого теплоносителя.

Наряду с прямым круговым процессом превращениятеплоты в ра- боту существует и обратный круговой процесс, когда работа затрачи- вается на перенос теплоты от менее нагретых тел к более нагретым телам, на переход к более низкому температурному диапазону физи- ческих явлений (к холоду).Тела сдефицитомтеплотытеряютеё остат- ки, переходя в иное агрегатное состояние: пар в жидкость, жидкость в твёрдое тело. Точки (фазовых) переходов имеют значение критиче- ских точек температуры и давления, где наблюдаемо исчезновение

70

границ и различий физических свойств между жидкостью и паром, равенство плотностей насыщенного пара и жидкости и переход в од- нофазовое состояние.

В холодильных установках для получения холода реализован об- ратный (противоположный) круговой цикл переносатеплоты.Напри- мер, в сжижении газов.

Схема машины для получения жид-

кого воздуха содержит: 1 — компрес- сор,2—теплообменник,3—детандер (расширитель), 4 — сосуд (Дьюара).

Сжатие газа до критического давления в компрессоре и изо- барное охлаждение до опреде- лённой первоначальной тем-

пературы в теплообменнике, затем адиабатическое расширение (без подвода внешней тепловой энергии) в детандере и охлаждение газа ниже критической температуры за счёт совершения им работы.

Поршневой детандер (рисунок ниже) — машина объёмного перио- дического действия, в которой потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных пор- ций газа, перемещающих поршень.

Торможение в поршневом детандере осуществляется электрогене- ратором и реже компрессором.

Схема поршневого детандера содержит: 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — впускной клапан; 4 — выпускной клапан; 5 — кривошипно-шатунный механизм.

Жидкий воздух в открытом сосуде Дьюара испаряется настолько медленно, что его можно сохранять два,три дня и больше.

Теплота и холод это разные полюса состояния тел, характеризую- щегося избытком и недостатком теплоты, это противоположные, одного рода, качественные состояния тел, создающие тепловую раз- ностьпотенциалов.Самопроизвольноедвижениетеплоты отгорячего к холодному телу (стремление к тепловому равновесию) это удобный, бесплатный и надёжный способ передачи тепловой энергии.

71

Внешняя и внутренняя энергия

Запас работы, которую может совершить тело, изменяя своё со- стояние, называют энергией. Любое тело обладает энергией, так как энергия связана с его массой известной формулой E = m С 2, поэто- му недостаток энергии человечеству не грозит, вокруг неисчерпае- мый её источник (вопрос лишь в том, как её извлечь).

Энергия разделяется на внешнюю и внутреннюю энергии, хотя в чистом виде они не существуют. Реально тела обладают суммой внешней и внутренней энергий: в общую сумму энергий тел наряду

свнешней энергией входятвсе виды внутренней энергии или опреде- лённая их часть (световая, энергия электромагнитных волн, химиче- ская и т. п.), которыми допустимо в ряде случаев пренебречь или вы- делить, например,тепловую.

Формами энергии условно считают механическую (внешнюю), внутреннюю,электромагнитную,химическую,ядерную,при этомтри последние формы относят к видам внутренней энергии.

Кинетическая энергиядвижения всей физической системы частиц, как целого тела, и её потенциальная энергия (энергия положения) во внешних силовых полях суммарно составляют внешнюю энергию движения системы (её механическую энергию).

Внутренняя энергия это сумма кинетической энергии хаотичного (теплового) движения молекул относительно центра масс тел и их по- тенциальной энергии, а так же энергии взаимодействия молекул друг

сдругом.

Внутренняя энергия включает энергию хаотичного (теплового) движения всех микрочастиц системы (доменов, молекул, атомов, ио- нов и т. д.) и энергию взаимодействия этих частиц. В неё не входит внешняя энергия.

Внутренняя энергия физической системы зависит исключительно и однозначно от параметров её внутреннего состояния.

Теплота или холод это внутренние состояния тел, или полярные уровни неупорядоченного (теплового) движения частиц образующих тела, между которыми существует градиент теплоты, определяемый величиной запасённой энергии — способностью совершить полезную работу. Отсюда, работоспособность в Термодинамике это максимум работы, которую в состоянии совершить физическая система при переходе из данного неравновесного состояния в равновесное с окру- жающей средой состояние.

Химическая энергия складывается из кинетической энергии дви- жения электронов и энергии электрического взаимодействия элек- тронов друг с другом и атомными ядрами вещества. Например, хи- мическая энергия взрывчатого вещества, которая при взрыве заряда

72

превращается в тепловую энергию (или во внутреннюю энергию) и энергию ударной волны (что то же во внешнюю энергию).

Энергия движения микрочастиц в ограниченных объёмах (в ато- мах) имеет дискретную (квантовую) природу,то есть характеризуется испусканием порций (квантов) электромагнитной энергии.

Если внешняя энергия создаётся внешними действующими сила- ми,товнутренняяэнергия —силамисопротивления.Внешняяэнергия всегда нацелена на переход (превращение) во внутреннюю энергию окружающих тел, при этом для создания внешней энергии действу- ющие силы извлекаются из запаса внутренней энергии физической системы. Насколько уменьшается внешняя энергия движущего тела, настолько возрастаетего внутренняя энергия,за счётпотерь внешней энергии на преодоление сил сопротивления.

Работа термодинамической системы над внешними телами за- ключается в изменении состояния этих тел и определяется количе- ством энергии, передаваемой системой внешним телам при измене- нии внешних параметров системы (объёма,напряжённости внешнего магнитного поля или электрического поля и т. п.).

В Термодинамике изменение внутренней энергии рассматривает- ся только при изменении состояния системы, следовательно, учиты- ваются те составляющие внутренней энергии, которые изменяются в процессах изменения состояния её вещества.

Фактически, ΔU = U2 – U1, где U1 и U2 начальное и конечное состоя- ния системы.

Изменение внутренней энергии (ΔU) физической системы равно алгебраической сумме количеств теплоты Q,которыми система обме- нивается в ходе процесса изменения с окружающей средой, и работы A, совершённой системой или произведённой над ней: ΔU = Q + A, где A —положительна,если работа производиться над внешнимителами; Q — положительна, если теплота передаётся системе.

Наглядным примером такого изменения внутренней энергии фи- зической системы (например, водяного пара) является паровой дви- гатель: теплота, получаемая от сгорания угля, передаётся водяному пару,внутренняя энергия которого изменяется и растёт,затем пар со- вершает полезную работу,двигая поршень в цилиндре.

Внутренняяэнергияявляетсяоднозначнойфункциейнезависимых параметров: температуры T и объёма V (или давления P), поэтому её называют тепловой энергией. Для замкнутого кругового процесса со- стояние U2 равно состоянию U1,и,следовательно,изменение внутрен- ней энергии ΔU равно нулю, при котором A = Q.

Изменение внутренней энергии системы в адиабатическом про- цессе (то есть, при Q = 0) равно работе, производимой системой или над системой: ΔU = A.

73

Для идеального газа ΔU определяетсятолько изменениемтемпера- туры T (закон Джоуля).

В физических системах, где частицы взаимодействуют между со- бой (реальные газы, жидкости, твёрдые тела), внутренняя энергия включает ещё энергию межмолекулярного и внутримолекулярно- го взаимодействия. В таких системах внутренняя энергия зависит от температуры T и давления P (объёма V). Экспериментально, может быть измерено только изменение внутренней энергии с точностью до постоянного слагаемого.

В изобретении по а. с. 412397 преобразование тепловой (внутрен- ней) энергии в механическую (внешнюю) энергию может осущест- вляться в тепловом двигателе с помощью твёрдого упруго деформи- рованного рабочего тела из монокристалла сплавов Cu — Al — Ni или Cu — Al — Mn. В диапазоне температур (от –1960 C до +2000 C) указан- ные сплавы переходят из одного (пластичного) фазового состояния

вдругое (упругое) фазовое состояние, преобразуя тепловую энергию

вмеханическую энергию. Изменение тепловой энергии (ΔU) в узком температурноминтервале± 10 0 Cдляконкретнойтемпературыизука- занногодиапазонафазовыхпревращенийрабочеготелаобеспечивает выработку механической энергии. Конкретная температура фазового превращения определяется соответствующим соотношением компо- нентов состава рабочего тела и его термообработкой.

Считается, что без постоянного внешнего воздействия добиться колебательного резонанса невозможно,например,чтобы раскачивать качели, их нужно постоянно подталкивать. Научная группа Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики Санкт — Петербургского Политехнического Университета обнаружила новое физическое явление в поведении нано-систем при начальном периодическом распределении температуры в кристал- лическом материале (моделью такого кристаллического материала является цепочка частиц, соединенных пружинками) — это т. н. бал- листический резонанс, при котором механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет внутренних (тепловых) ресурсов системы. Процесс выравнивания температуры приводит к возникно- вению механических колебаний с возрастающей со временем ампли- тудой. Амплитуда механических колебаний, вызванная баллистиче- ским резонансом, не возрастает бесконечно, а достигает максимума, после чего начинает постепенно уменьшаться до нуля. Со временем механические колебания затухают полностью, и температура вырав- нивается вдоль всего кристалла (процесс называется термализацией). Обнаруженное явление можетдать исключительное техническое пре- имущество нано-электронным устройствам при эксплуатации, в ко- торых будет использоваться перспективный материал графен, при

74

условии, если баллистический резонанс будет учитываться и исполь- зоваться при их разработке.

Для всех видов энергии общее количество внешней и внутренней энергий остаётся строго постоянной (всеобщность закона сохранения энергии). Количество полезной для нас энергии в условиях перехода энергии в другие формы, что то же, в бесполезные для нас формы, уменьшается.Это влечётза собойтраты на предотвращениетаких пе- реходов энергии (смазка,изоляция,исключение контакта и т. п.).Наи- болееощутимойинеизбежнойпотерейполезнойнамэнергииявляет- ся нагреваниетел,возникающее при преодолении сил сопротивления (трения), где они являются причиной ограничивающей технические возможности объекта техники. Между тем, для полезной нам тепло- вой энергии силы трения или сопротивления часто являются функ- ционально необходимыми (например, значительное электрическое сопротивление используется в нагревательном элементе). Наиболее удобной, универсальной и полезной для нас энергией является элек- тричество,электрическая энергия,на выработку которой направлены огромные производственные мощности электроэнергетики.

Переход внешней энергии во внутреннюю энергию осуществля- ется во многих устройствах техники, в частности, он применяется в устройствах вихревых труб.

Вихревой эффект (эффект Ранка — Хилша) — это эффект разделе- ния рабочего тела с высоким давлением (внутренней энергией) и вы- сокой скоростью движения (внешней энергией) на две фракции при закручивании его в специальной цилиндрической или конической камере (улитке).

На выходе из неё в трубе на периферии образуется закрученный поток с большой температурой (с большой внутренней энергией), а в центре — охлаждённый поток (с низкой внутренней энергией), за- крученный в противоположную сторону.

Полезными видами энергии является как нагретый, так и охлаж- дённый потоки рабочего тела, используемые соответственно для на- грева и охлаждения технологических объектов.

Технические возможности некоторых установок сконструирован- ных на эффекте Ранка могут достигать на одной ступени рекордного охлаждения — более 2000 С.

75

Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса. Энергия для функционирования та- кого насоса берётся от нагнетателя, создающего высокоэнергетиче- ский поток рабочего тела на входе в вихревую трубу.

Вихревую трубу для охлаждения холодильника и подогрева нагре- вателяпредложеноиспользоватьвдвигателеСтирлинга(заявканапо- лезную модель № 2012106977, публикация 126372 Бюллетень № 9).

Некто Коганицкий Г. А. предложил турбореактивные авиационные двигателидля малыхлетательных аппаратов выполнятьконструктив- но по образу и подобию принципиальной схемы устройства вихревой трубы.Втаком двигателе камера сгорания представляетсобой улитку, изкоторойцентральныйохлаждённыйи закрученныйпотокрабочего тела поступает на приведение турбины компрессора в движение, бла- годаря чему её лопатки перестают нуждаться в охлаждении от пере- грева, а периферийный, дополнительно нагретый и закрученный по- ток, направляется в сопло на формирование более мощной тяги.

Давление и вакуум

Давление столба атмосферного воздуха на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли на уровне моря равно примерно 0,97967×10+5 Па (1 кГ/см 2), которое мы не ощущаем. Сказывается ра- венстводавленийснаружииизнутринас,благодарячемуунаснепро- исходят деформации стенок тканей, сосудов и органов в полостях на- шего тела. Наличие атмосферного давления, подтверждённое рядом опытов, например, с «магдебургскими полушариями, и затем изме- ренное Е. Торичелли, стало рубежом для разделения давлений сред на избыточное (превышающее атмосферное) и разрежение (менее атмосферного, с более полным удалением воздуха) до космического вакуума. За «нормальное» значение атмосферного давления принято 760 мм рт. ст., равное 1,013×10+5 Па (1,033 кГ/см 2). Это значение дав- ления называют «физической атмосферой». Значение 1 кГ/см 2 назы- вают «технической атмосферой», что соответствует 735 мм рт. ст. или

0,97967×10+5 Па.

Разрежение, технически достигаемое в вакуумных приборах 1×10–9 мм рт. ст. (1,3×10–7 Па), по плотности остаточного газа в мил- лиарды раз менее плотности атмосферного воздуха и может состав- лять до несколько сотен миллионов молекул газа в 1 см 3. В космосе, в межзвёздном пространстве,плотность вещества значительно менее сотни молекул на 1 см 3,что говорит о глубочайшем природном вакуу- ме. Сильно разряжённый газ называют «техническим вакуумом».

Максимальное давление, достигаемое с помощью алмазных нако- вален, свыше 20 ГПа и это не предел.

76

Кислород,сжатыйвстальномбаллонедо150атмосфер,имеетплот- ность близкой к плотности пробки.

Противоположности, избыточное давление (сжатие) и разряжение (вакуумирование), сосуществуют в объектах техники и используются по отдельности. Обработка металлов давлением и плавка металлов

ввакуумеявляютсятехнологияминаприменениедавленияивакуума. Избыточное давление получают за счёт разрежения (внешней среды), разрежение — за счёт избыточного давления (во внешней среде), ис- пользуется также равенство давлений (среды и внутреннего объёма).

Впароатмосферном двигателе Ньюкомена (рассмотрен выше)

вцилиндре под поршнем с помощью конденсации водяного пара соз- дают разрежение, что позволяет внешнему атмосферному давлению привести в движение поршень и совершить работу.

Находясь в средах сформированных гравитацией Земли, давле- ние, передаваемое во все точки одинаково, представляет опасность для многих объектов техники, причём не само по себе, а как резуль- тат образования разности давлений снаружи и внутри поражаемого элемента. Например, в устройстве сепаратора капельной влаги при- меняемого в системах кондиционирования воздуха на летательных аппаратах (заявка на изобретение 5008778/26 075077 от 05.11.1991 г.). Положительное решение патентной экспертизы поф.10 ИЗ —91 от25. 11. 1992 г.

Схема сепаратора капельной влаги содержит:

1, 8 — входной и выходной патрубки; 2 — корпус; 3 — щель(эжекции);4 —камера; 5 — трубопровод; 6 — винт; 7 — коагулятор.

В сепараторе капельной влаги коагулятор (устройство, укрупняю- щее капли влаги) выполнен из нержавеющего стального сеточного материала. При низкой температуре осушаемого воздуха коагулятор можетобмерзать итерять проницательность.Давление перед ним ра- стёт,а за ним уменьшается,что приводитк смятию и его разрушению. Для предотвращения его разрушения входной патрубок 1 установлен относительно корпуса 2 с зазором и образование кольцевой щели 3 наклоненной в полость входного патрубка 1 по направлению хода потока влажного воздуха. Кольцевая щель 3 заключена в кольцевую

77

камеру 4 соединенную посредством обходного трубопровода 5 (бай- паса) с полостью «Б» расположенной между винтом 6 и коагулятором 7 открытой выходному патрубку 8. При поступлении в полость вход- ного патрубка воздуха с отрицательной температурой и обмерзании смоченного влагой коагулятора 7 гидравлическое сопротивление воз- душному потоку возрастает, и скорость потока уменьшается. Эффект эжекции у кольцевой щели 3 исчезает и избыточная часть воздушно- го потока через кольцевую щель 3, камеру 4 и обходной трубопровод 5 направляется в полость «Б» и далее поступает в полость выходного патрубка 8. Тем самым уравниваются давления по обеим сторонам коагулятора 7, что предотвращает его смятие. При поступлении воз- духа с положительной температурой коагулятор 7 оттаивает и его ги- дравлическое сопротивление воздушному потоку возвращается к ис- ходному значению. Проход воздуха через коагулятор 7 по мере его оттаивания восстанавливается, восстанавливается и эффект эжекции у кольцевой щели 3.Защита коагулятора от смятия и разрушения осу- ществляется плавно, без резких колебаний воздушного потока, как это имело место при использовании перепускных клапанов, которые также подвержены обмерзанию.Опасная разностьдавлений по обеим сторонам коагулятора заменена безопасным равенством давлений, исключающего образование разрушающего давления.

Визобретении а. с. 308172 на «Способ изготовления из бетонной смесиармированныхизделий,элементов,деталейвскользящейопа- лубке» устранялась причина значительного трения при движении опалубки по бетону. Вблизи поверхности опалубки образовывался вакуум, что приводило к присасыванию скользящей опалубки к бе- тону «раннего возраста» (коллоидно-пористомутелу бетона) и порче изделия. Для снижения трения между поверхностями твердеющего бетонного изделия и скользящей опалубки при движении послед- ней, предложено пропускать постоянный электрический ток напря- жением 1 ÷ 2 в. на каждый сантиметр толщины слоя бетонной смеси.

Врезультате электроосмотического переноса жидкой фазы на по- верхность опалубки, электрофореза (перенос коллоидных частиц

кизделию) и гидролиза жидкой фазы с выделением на поверхности опалубки водорода вакуум вблизи поверхности опалубки не образо- вывался. Вакуум или недостаток подвижных частиц веществ бетона восполнен их избытком, что снизило трение и исключило приса- сывание опалубки к изделию, что дало техническое преимущество предложенному способу.

Визобретении «Индикатор давления» (а. с. 547665, рисунок на стр. 79) прозрачная крышка 2 снабжена отверстиями для сообще- ния полости корпуса 1 за шариком с атмосферой, при этом герме- тичность устройства и контролируемой магистрали обеспечивается

78

установкой прозрачной эластичной мембраны 3 между прозрачной крышкой 2 и полостью корпуса 1 (выполнен в виде части тороида).

При подаче давления в корпус 1 цветной шар 4 под действием раз- ности давлений перемещается в сторону прозрачной мембраны 3, прогибает её и через прозрачное стекло крышки 2 наблюдается цвет шара. При снятии давления шар под действием мембраны 3 и соб- ственного веса скатывается вниз и через прозрачные крышку и мем- брану наблюдается цвет внутренней полости корпуса 1 отличный от цвета шара.

Индикатор давления содержит: 1 — корпус (в виде части тороида); 2 — прозрачную крышку (с отверстиями); 3 — прозрачную гибкую (растяжимую) мембрану; 4 — шар (яркого цвета); 5 — внутреннюю полость корпуса; 6 — вход подачи давления.

Наличие отверстий в прозрачной крыш- ке 2 необходимо для обеспечения рабо- тоспособности индикатора. Сообщение полости под прозрачной крышкой 2 с ат- мосферой обеспечивает фиксацию инди-

катором избыточного давления: превышение давления в магистрали над атмосфернымдавлением.Разностьдавленийдвижетшар 4 к мем- бране 3,прогибаетеё и прижимаетк прозрачной крышке,перекрывая отверстия.

Газ и жидкость, жидкость и твёрдое тело

Газ, жидкость,твёрдое тело это агрегатные состояния вещества. Линияагрегатно —структурныхсостоянийвеществапредставляет-

ся следующим образом: хаос движущихся заряженных частиц (плаз- ма) ——> хаос движущихся нейтральных частиц (теплота, внутреннее трение) ——> множество парных слабо взаимодействующих матери- альных частиц (жидкое, газообразное тело) ——> связанное множе- ствопарныхсильновзаимодействующихматериальныхчастиц(остов тел из ионов и электронов,твёрдое, плотное, гибкое, упругое тело).

Газижидкость,как,например,воздухивода,существенноразлича- ются по своим свойствам.Эти среды противоположныдругдругу,хотя основой сходства является их подвижность. Газы и жидкости не обла- дают упругостью по отношению к изменению формы. Если газы при изменении объёма упруги и противодействуют сжимающим силам, то жидкости ничтожно сжимаемы или практически несжимаемы. Газ

79