Чем двигатель связан с физикой - Автомобильный журнал
Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем двигатель связан с физикой

Простая механика: как работают законы физики на деревянных моделях

Чтобы продемонстрировать пневмодвигатель, вовсе не обязательно искать баллоны со сжатым воздухом и собирать сложное устройство с металлическими поршнями и цилиндрами. Достаточно несколько деревянных кривошипов и шатунов, а также воздушного шарика. Получится деревянный пневмодвигатель, способный запустить обычный настольный вентилятор. «Хайтек» вместе с UGEARS изучил, как с помощью деревянных моделей и резинок можно изучать фундаментальные физические принципы и почему для этого не требуются научные лаборатории.

Читайте «Хайтек» в

Фундаментальные законы физики, известные еще со школьной программы, как правило, легко запоминаются. Но потребность в их демонстрации часто приводит в тупик человека, не имеющего инженерного образования. Это связано и с практическими пробелами среднего образования в России, и с недостатком ресурсов. Достаточно трудно вне стен школы или университета показать, как приводится в действие пневматический двигатель. Еще сложнее объяснить, как происходит движение трамвая или выстрел аркбаллисты.

Конечно, самому воспроизвести законы Ньютона требуется не каждый день: нужно объяснить их ребенку, хочется проверить свои знания в физике, «поиграть» во что-то осязаемое, а не цифровые модели, или вспомнить давно забытое со школьных времен. Лабораторных установок для этого не требуется. А можно и вовсе обойтись только моделями, состоящими из дерева и резинок. Такую возможность дают конструкторы UGEARS. Главное — соблюсти точность сборки, какими бы ни были базовыми законы физики, чтобы они работали, тоже нужны определенные условия. Рассказываем, какие естественнонаучные каноны можно проверить на деревянных моделях и что для этого нужно.

Моноколесо. Механическое равновесие

Моноколесо сегодня стало практически таким же популярным видом городского транспорта, как и гироскутер, электросамокат или велосипед. То, на чем гоняют любители скорости — электрический самобалансирующийся уницикл — лишь современная модификация моноцикла, который был широко распространен в конце XIX — начале ХХ века. Только тогда вместо электродвигателя использовали мускульную силу человека, как и в случае с велосипедом. А вот для равновесия вместо датчиков, гироскопов и акселерометров были необходимы исключительно таланты, сноровка и опыт.

В основе устройства моноцикла лежит принцип механического равновесия, которое важно поддерживать в процессе движения. Моноцикл способен сохранять вертикальное положение, пока колесо удерживается под центром масс (об этом говорит теория инвертированного маятника). А нужное положение, как уже говорилось, задается наездником. По сути, на моноцикле именно человек, подсознательно ощущая, куда заваливается его транспортное средство, компенсирует падение, перемещая колесо в ту точку под собой, где находится центр масс. Это важно сделать до тех пор, пока моноцикл не упадет.

Ускорение моноцикла определяет расстояние от центра тяжести до точки контакта, а скорость и направление вращения колеса — относительное положение пятна контакта, а вместе с ним и характер динамики ускорения. Поэтому, чтобы ускориться, наездник должен сместить центр тяжести вперед, а если замедлиться — назад. А чтобы начать движение, нужно фактически «упасть» — достаточно наклона тела, движения рук или бедер, чтобы придать моноциклу ускорение.

У UGEARS для демонстрации этих принципов механики есть самоходное моноколесо. Деревянная модель состоит из 300 деталей, а в движение ее приводит резиномотор, который благодаря балансировке (здесь таланты наездника не потребуются) позволяет колесу не падать. Когда энергия резиномотора кончается, закрепленные на колесе лапки убираются, и оно начинает вращаться как простое колесо и в итоге просто красиво переворачивается. Если лапки зафиксировать, то оно тоже продолжит движение, но уже как балансирующее колесо.

Хронометр. Маятник и принцип механических часов

Впервые человек стал измерять время с помощью механических часов в VIII веке в Китае, откуда технология жидкостного спускового механизма пришла сначала в арабский мир, а потом попала в несколько ином виде в Западную Европу. Там механические часы имели только часовую стрелку, а приводились в движение путем завода гиревого механизма. Часы стали центром жизни человека — их устанавливали на главных ратушных башнях городов, они отмечали не только полдень или полночь, но и церковные праздники.

Помимо привычного каждому циферблата, механические часы состоят из источника энергии (это может быть как гиря, так и пружина), спускового механизма, превращающего непрерывное вращение движение в колебательное или возвратно-поступательное, а также регулятор — им может быть маятник или баланс. Спусковой механизм и двигатель соединяет, как правило, система шестеренок.

Разумеется, механические часы не настолько точны, как их электронные или кварцевые «потомки». Погрешность может составлять от +40 до –20 секунд в сутки. А сегодня именно механические часы в основном используют для поддержания традиций.

В основе работы механических часов лежит система, именуемая физиками маятником. Это такая механическая система, которая совершает механические колебания, будучи в подвешенном состоянии в поле тяжести. В процессе колебания кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную (это энергия силы упругости и гравитации) и обратно. А силы трения постепенно превращают эту кинетическую энергию в тепловую, за счет чего амплитуда колебания постепенно снижается.

Проверить, как устроена такая механическая система, а также создать собственный хронометр, можно и из дерева. В качестве источника энергии такого устройства будет выступать опять же резиномотор, а для того, чтобы завести хронометр на определенное время (в данном случае таймер работает в интервале до 20 минут) , достаточно отвести стрелку циферблата на определенную величину. Конечно, для начала придется стать часовщиком и собрать открытый шестеренчатый механизм. В данном случае точность важна как никогда.

Трамвай. Вращающий момент, превращение потенциальной энергии натяжения в механическую работу

Почувствовать себя Федором Пироцким, изобретателем первого электрического трамвая в России, можно и с помощью модели. Но сначала лучше разобраться, как на самом деле приводится в движение трамвай. Предком электрического транспорта была простая конка, где вагон с пассажирами тащили по рельсам лошади. С наступлением электрической эпохи тягу осуществляют двигатели.

В современных трамваях чаще всего используют тяговые двигатели постоянного тока, так как именно такой ток потребляет система трамвая. Но электроника позволяет преобразовывать постоянный ток в переменный, а значит, двигатели переменного тока тоже можно использовать в оснащении трамваев. Тем более, в отличие от двигателей постоянного тока, у них нет быстро приходящего в негодность коллекторно-щеточного узла. Именно он постоянно нуждается в ремонте и техническом обслуживании.

Чтобы передать энергию от двигателя к оси колесной пары, вагоны оснащаются карданно-редукторной передачей, состоящей из механического редуктора и карданного вала соответственно.

Чтобы собрать собственный редуктор, потребуется не так много усилий, если расчеты сделаны уже за вас. В основе этого механизма лежит функция редукции — снижения усилия, необходимого для привода устройства, преобразующего передаваемую мощность в полезную работу. Самый простой способ такого преобразования — пара взаимно соединенных цилиндрических шестеренок разного диаметра: ведущей шестерней является та, что обладает меньшим размером.

В деревянной модели трамвайной линии электричество не нужно. Помимо того, что для соединения не требуется даже клей, а все материалы изготовлены из дерева, в качестве источника энергии используется все тот же резиномотор, который необходимо завести — по принципу натягивания пружины. Превращение энергии во вращательную так же, как и в настоящем трамвае, происходит за счет зубчатой передачи. Кроме того, трамвай может двигаться просто за счет разницы высот, тогда опять же происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую.

Пневматический двигатель. Превращение энергии сжатия в механическую работу

Пневмодвигатель придумали достаточно давно, практически исполнив давнюю мечту человечества: получать энергию из воздуха. Другое дело, что для начала этот воздух необходимо сжать, для чего, разумеется, тоже требуется существенная энергия. Конечно, использование пневмодвигателей и приводов сильно расширяет сферу использования различных устройств, когда необходима повышенная безопасность, а использование электричества или горючих веществ невозможно.

И применений у такого физического принципа может быть великое множество. Почти все из них победило электричество. Однако история помнит и пневмопочту, и даже пневматическую железную дорогу. В 1861 году в Петербурге был построен первый в истории локомотив с пневмоприводом. Его назвали в честь создателя — духодод Барановского.

Читать еще:  Что такое башмак в двигателе газели

Как ни странно, пневмодвигатель можно собрать и из дерева. Причем практически полный аналог настоящего, включая тахометр. Чтобы запустить в движение двигатель, конечно же, требуется воздух. Чтобы не отходить от парадигмы — только дерево и резина, создатели конструктора предлагают использовать обыкновенный воздушный шарик, который можно надуть и подсоединить к двигателю с помощью специальных насадок и раструба. При этом воздух будет приводить в движение поршни пневмоустройства и создавать кинетическую энергию.

Аркбаллиста. Превращение энергии натяжения в энергию полета

Метательные орудия использовались человеком достаточно давно — в Древнем мире и Средних веках. Однако и сегодня можно встретить подобное оружие, в частности в спорте, где используются луки и арбалеты. В основе работы таких орудий лежит превращение мышечных усилий человека в энергию полета. Чтобы сделать эту энергию выше, можно осуществить накопление потенциальной энергии с помощью упругих элементов или противовеса. В луке или арбалете это тетива.

Гипертрофированный вариант арбалета — аркбаллиста — использовался в качестве осадного орудия при взятии городов и крепостей. Лук, длина которого доходила до 3,5 м, крепился к массивному деревянному ложу на деревянной раме-лафете, расположенной на двух колесах большого диаметра. Натяжение тетивы осуществлял артиллерист с помощью укрепленного на раме ворота. Сегодня, конечно, подобные устройства встречаются только в компьютерных играх. Правда, основы артиллерии заложили именно тогда.

Классика военной машины в виде деревянной модели вряд ли сможет захватить настоящий замок, а вот поиграть в «аналоговую» компьютерную игру получится. Модель состоит из двух частей: блока стрельбы и основы с регулируемыми опорами, именно осуществляет стабилизацию конструкции во время стрельбы. А стреляет такая аркбаллиста деревянными болтами. При желании, конечно, можно запустить и чем-то другим. Важно помнить, как и любому артиллеристу, что для грамотного нанесения удара нужно правильно выставить угол по вертикали и горизонтали, а не просто приводить в действие спусковой механизм.

То, что деревянные игрушки устарели, можно легко опровергнуть, показав одну из таких моделей. А если еще рассказать про законы физики, которые приводят их в движение, вывести пару формул и нарисовать направление векторов сил, участвующих в создании разных типов энергий, то и само слово «конструктор» будет уже относиться не к моделям, а к их обладателям.

Если вы решили приобрести какой-то из конструкторов, пользуйтесь промокодом HIGHTECH, он дает скидку 20%. Сейчас в каталоге компании UGEARS 73 модели, в том числе реально запирающийся сейф, спорткар и байк, пистолет, шкатулка с секретом, большой локомотив с тендером.

Электрический двигатель
презентация к уроку по физике (8 класс) на тему

Презентация к уроку. Физика 8 класс. Раздел Электромагнитные явления

Скачать:

ВложениеРазмер
elektricheskiy_dvigatel_postoyannogo_toka.pptx177.65 КБ
Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Сила Ампера 1820г. опыт Ампера: одинаково направленные токи – притягиваются, а противоположно направленные – отталкиваются. Сила Ампера – это сила, действующая на проводник с током со стороны внешнего магнитного поля.

Направление силы Ампера Направление I , и связаны правилом левой руки: Вектор внешнего МП – входит в ладонь. Направление I в проводнике – 4 вместе сложенных пальца. Направление , действующей на проводник со стороны внешнего МП – большой отогнутый палец.

Прямой проводник во внешнем МП Прямой проводник, подвешенный на нитях, в зависимости от направления тока в нем, либо втягивается внутрь дугового магнита, либо выталкивается наружу. (проводник расположен перпендикулярно магнита)

Проводящая рамка во внешнем МП Рамка, по которой протекает электрический ток, развернется таким образом, чтобы ее МП совпадало с внешним МП.

Устройство электрического двигателя 1834 г. – Б.С. Якоби создал первый электродвигатель мощностью 15 Вт. 1. Индуктор – создает внешнее МП. 2. Якорь – вращается по действием силы Ампера. 3. Коллектор – обеспечивает непрерывное вращение рамки. 4. Щетки – создают скользящий контакт между электрической цепью и коллектором.

Принцип действия электрического двигателя Статор создает МП. Ток от источника через щетки и коллектор протекает через рамку. Ток в вертикальных частях рамки течет в противоположных направлениях, поэтому силы Ампера, действующие на вертикальные части рамки, направлены в противоположные стороны и поворачивают рамку на Из-за поворота части коллектора поменялись местами, поэтому направление тока в рамке поменялось на противоположное. За счет изменения направления тока в рамке достигается непрерывное вращение ротора. В электродвигателе электрическая энергия превращается в механическую энергию.

Электродвигатели выгоднее тепловых двигателей: КПД > 80% . Регулирование мощности двигателя в широком диапазоне. Не загрязняют окружающую среду. Компактные размеры.

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Поурочный план, ЛР, интерактивный рисунок устройство, работа электродвигателя.

Методическая разработка содержит : презентацию к уроку Лабораторная работа № 11 «Изучение электрического двигателя постоянного тока» и бланк выполнения и отчета лабораторной работы .

Методическая разработка может быть использования на уроках физики в СПО (10 класс) с базовым уровнем подготовки по физике.

Подробный план-конспект открытого урока физики по Шадрикову, проведенный в группе по профессии «Повар, кондитер».

В конспекте освещаются ряд научно-технических достижений и проблем связанных с развитием тепловых двигателей, в целях формирования у учащихся умения систематизировать знания, устанавливать связь науч.

Технологическая карта урока физики 8 класса на тему: «Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. Пути совершенствования тепловых двигателей. Холодильник&quot.

изучить действие силы магнитного поля на проводник с током; изменение направления этой силы ; устройство электрического двигателя.

Двигатель квантового сгорания

Как справиться с энтропией

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

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 = Q1Q2, 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 ηCarnot = (t1t2)/t1. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному ηCarnot.

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 = E1E2.

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 = E1E2.

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:

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

Урок физики «Мощность»

Разделы: Физика

  • Познакомиться с мощностью как новой физической величиной;
  • Развивать умения выводить формулы, пользуясь необходимыми знаниями прошлых уроков; развивать логическое мышление, умение анализировать, делать выводы;
  • Применять знания по физике в окружающем мире.

«И вечный бой! Покой нам только снится
Сквозь кровь и пыль…
Летит, летит степная кобылица
И мнет ковыль…
И нет конца! Мелькают вёрсты, кручи…
Останови! …Покоя нет! Степная кобылица несется вскачь!»

А.Блок «На поле Куликовом» (июнь 1908 г). ( Слайд 1).

Урок сегодня я хочу начать с вопросов к вам. (Слайд 2).

1. Как вы думаете, имеет ли какое-то отношение лошадь к физике?

2. С какой физической величиной связана лошадь?

Мощность – правильно, это и есть тема нашего урока. Запишем ее в тетрадь.

Действительно, мощность двигателей автомобилей, транспортных средств до сих пор измеряют в лошадиных силах. Сегодня на уроке мы с вами узнаем всё о мощности с точки зрения физики. Давайте подумаем вместе и определим, что мы должны знать о мощности, как о физической величине.

Существует план изучения физических величин: ( Слайд 3).

  1. Определение;
  2. Вектор или скаляр;
  3. Буквенное обозначение;
  4. Формула;
  5. Прибор для измерения;
  6. Единица величины.

Этот план и будут целью нашего урока.

Начнем с примера из жизни. Вам необходимо набрать бочку воды для полива растений. Вода находится в колодце. У вас есть выбор: набрать при помощи ведра или при помощи насоса. Напомню, что в обоих случаях механическая работа, совершенная при этом будет одинаковой. Конечно же, большинство из вас выберут, насос.

Вопрос: В чем разница при выполнении одной и той же работы?

Ответ: Насос выполнит эту работу быстрее, т.е. затратит меньшее время.

1) Физическая величина, характеризующая быстроту выполнения работы, называют мощностью. ( Слайд 4).

2) Скаляр, т.к. не имеет направления.

4)

5) [N] = [ 1 Дж/с] = [1Вт ]

Название этой единицы мощности дано в честь английского изобретателя паровой машины (1784г) Джеймса Уатта. ( Слайд 5).

6) 1 Вт = мощности, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж. ( Слайд 6).

Самолеты, автомобили, корабли и другие транспортные средства движутся часто с постоянной скоростью. Например, на трассах автомобиль достаточно долго может двигаться со скоростью 100 км/ч. ( Слайд 7).

Вопрос: от чего зависит скорость движения таких тел?

Оказывается, она напрямую зависит от мощности двигателя автомобиля.

Зная, формулу мощности мы выведем еще одну, но для этого давайте вспомним основную формулу для механической работы.

Учащийся выходит к доске для вывода формулы. ( Слайд 8).

Пусть сила совпадает по направлению со скоростью тела. Запишем формулу работы этой силы.

1.

2.При постоянной скорости движения , тело проходит путь определяемой формулой

Подставляем в исходную формулу мощности: , получаем — мощность.

У нас получилась еще одна формула для расчета мощности, которую мы будем использовать при решении задач.

Эта формула показывает ( Слайд 9), что при постоянной мощности двигателя, изменением скорости можно менять силу тяги автомобиля и наоборот, при изменении скорости автомобиля можно менять силу тяги двигателя.

Вопрос. Когда нужна большая сила тяги?

а)При подъеме в гору. Правильно, тогда водитель снижает скорость.

б) При вспашке земли тракторист движется с малой скоростью, чтобы была большая сила тяги. Для этого водитель, тракторист, машинист, токарь, фрезеровщик часто используют коробку передач, которая позволяет менять скорость. ( Слайд 10).

Мощность всегда указывают в паспорте технического устройства. И в современных технических паспортах автомобилей есть графа:

Мощность двигателя: кВт / л.с.

Следовательно, между этими единицами мощности существует связь.

Вопрос: А откуда взялась эта единица мощности? ( Слайд 11).

Дж. Уатту принадлежит идея измерять механическую мощность в «лошадиных силах». Предложенная им единица мощности была весьма популярна, но в 1948 г. Генеральной конференцией мер и весов была введена новая единица мощности в международной системе единиц – ватт. ( Слайд 12).

1 Вт = ,00013596 л.с.

Эта единица мощности была изъята из обращения с 1 января 1980 г.

Примеры мощностей современных автомобилей. ( Слайд 13,14).

Различные двигатели имеют разные мощности.

Учебник, страница 134, таблица 5. [1]

Вопрос: А какова мощность человека?

Текс учебника, § 54. Мощность человека при нормальных условиях работы в среднем составляет 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и большую.[1]

Вопрос: А чем «живые двигатели» отличаются от механических? ( Слайд 15).

Ответ: Тем, что «живые двигатели» могут изменять свою мощность в несколько раз.

Закрепление материала.

1.Расскажите все, что вы знаете о мощности. Ответ по плану изучения физической величины.

Дано:СИРешение:
m = 125кгN = A / t
h = 70 см0,7 мA = F s s = h
t = 0,3 сF = P = mg
N = mgh / t
N — ?N = 125 кг · 9,8 Н/ кг · 0,7 м / 0,3 с= 2858,3 Вт ≈ 2,9 кВт

Ответ : N ≈ 2,9 кВт.

Домашнее задание: ( Слайд 17).

  1. § 54.
  2. Записать формулы мощности в таблицу формул.
  3. Упр. 29 (2,5) – 1 уровень.
  4. Упр. 29 (1,3) – 2 уровень.
  5. Упр. 29 (1,4) – 3 уровень.
  6. Задание 18 – на дополнительную оценку ( на листочках).
  1. А.В. Перышкин «Учебник физики для 7 класса», Дрофа, Москва, 2006.
  2. А. Блок «На поле Куликовом».
  3. 1C: Школа Физика 7 класс
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector