если гдето убыло значит где то прибыло закон сохранения энергии
Закон сохранения. Ломоносову, Лавуазьё и Гофайзену
          «Все изменения, которые в натуре
          имеют место, такого суть свойства,
          что ежели в одном месте чего убудет,
          то в другом — присовокупится»
          Михайло Ломоносов
Виден «закон сохраненья» кругом,
и до сих пор поражаются люди:
если у них где-то в чём-то убудет —
присовокупится сразу в другом.
Это закон принимают везде —
от ирокезов и до эскимосов.
Автор его — Михаил Ломоносов
(ну, говорят, что — и Лавуазье).
Слышу во всём ломоносовский зов,
и вспоминается старая песня:
«Если к другому уходит невеста,
то неизвестно, кому повезло».
Я сообщу свой секрет для мужчин:
я. — не вполне. «сексуальный кидала».
В общем, невеста меня покидала
в силу известных интимных причин.
Болен и психологически пуст,
так я страдал — и конец мог плохим быть,
если б с «виагрой» и «супер-йохимбе»
не совершил я целительный курс.
Ждал результата — его получил,
и, отвечая моим ожиданьям,
вспыхнули в сердце такие желанья —
что и невесту свою отлучил.
Мол, не вписалась в мой новый стандарт,
стала она, ну, совсем недотрога.
Я бы хотел их всех сразу и много.
(Хочешь-то хочешь, но кто ж это даст?)
Знаю, теория тут непроста,
много загадок ещё в этом деле.
Так, изменились пропорции тела,
но не вообще, а в конкретных местах.
Да и побочный эффект был таков:
Что-то мешало мне ездить в трамвае.
Видимо, и на трамваи влияет
наш упомянутый выше закон.
3 главных закона Вселенной, которые работают
Зная их, вы будете получать, что хотите, и мечтать так, чтобы сбывалось
Все мы рождены в мире, который знаем лишь частично. На протяжении всей своей жизни мы знакомимся с ним, изучаем его законы и правила, передаем их следующему поколению. Одни знания сменяются другими, ученые разгадывают все новые загадки, но до конца постичь все тайны мироздания нам пока не дано. Однако существует ряд фундаментальных принципов, которые действуют с момента зарождения человечества. Эти неизменные законы и правила, которые нельзя пощупать материально или записать в конституцию, принято называть законами Вселенной. И они работают для всех и всегда, вне зависимости от того, верите вы в них или нет. Если понимать эти законы и применять их в своей жизни, то, как по взмаху волшебной палочки, мир вокруг меняется, становится более дружелюбным и изобильным.
Представьте, что вы не знаете правила дорожного движения и выезжаете на большое скоростное шоссе. Вы если в итоге и доедете куда-то, то путь покажется совсем враждебным и небезопасным. Зная правила движения, вы можете легко и спокойно достигнуть цели, простроив наиболее рациональный и быстрый маршрут. Так же и с законами Вселенной. Их надо знать, уважать и уметь применять ежедневно.
На самом деле законов достаточно много, но мы попросили эзотерика Роберта Оксузяна разобрать основополагающие.
Что излучаешь, то и получаешь! Вселенная – это зеркало
Все, что мы транслируем в мир, отражается нам обратно. Теория Ньютона устарела, и на ее место пришла доказанная теория квантовой физики, что атомы состоят на 99,9% из чистой энергии, то есть весь мир – это энергия. Исходя из этого, мы можем понять, что мы – это энергетические существа, излучающие те или иные вибрации.
Если вы излучаете страх, жизнь создает ситуации, чтобы вам было страшно, если вы врете, врут и вам, вы притягиваете к себе то, чего боитесь. Хотите, чтобы вас уважали? Уважайте других! Хотите, чтобы вас любили? Любите других!
Знаменитый закон бумеранга, который, пожалуй, ощущал на себе каждый, как раз следует из этого правила. Ваши мысли и ваше излучение в квантовом поле формируют вашу реальность.
Вывод до банальности простой, но очень действенный – работать со своим мышлением и поступать с окружающими и миром так, как вы хотите, чтобы поступали с вами.
Энергия никуда не исчезает! или Закон обмена энергии
По сути, этот закон очень тесно связан с предыдущим. Энергия никуда не исчезает, поэтому если где-то убыло, значит где-то и прибыло.
Так, если вы что-то отправили во вне, значит вам это вернется. Например, если вы частенько жалуетесь на жизнь, то негативные мысли вернутся в виде неприятных событий, которые будут подтверждать ваши слова, что у вас все плохо. Если же вы благодарите Вселенную даже за то, что имеете в данный момент, вы получаете еще больше.
Отсюда как раз следует знаменитая практика благодарности. Попробуйте в течение 21 дня каждое утро или вечер выписывать в тетрадь то, за что вы благодарны. Пусть это будут даже мелочи. Поверьте, вы увидите изменения и ощутите прилив энергии. Через какое-то время начнет меняться и пространство вокруг.
Из этого же закона следует известный принцип: чем больше вы отдаете, тем больше получаете. Однако здесь тоже нужно уметь соблюдать баланс. Отдавайте больше, только если вы сами не окажетесь в убытке. Не следует направлять на благотворительность или одалживать ваши последние деньги. Зато отлично сделать чуть больше обещанного, когда вы в ресурсе для этого.
Еще один важный принцип закона: если хотите достичь равновесия, научитесь отдавать и принимать в равной степени. И это не так просто. Кто-то не умеет принимать, а кто-то, наоборот, делиться. Тогда появляется дисбаланс и в жизни возникают ситуации, которые показывают, что не соблюдается это равновесие.
А еще ничего не берите и не давайте просто так. Старайтесь всегда отдавать деньгами, а не урвать бесплатно. Или искренне благодарите. Иначе в будущем может возникнуть ситуация, когда вы что-то потеряете или доход уменьшится. И также не стоит обесценивать свой труд и говорить «не за что», когда вас благодарят. Таким образом вы как бы сообщаете Вселенной, что ваш труд и время ничего не стоят. Внутри же ждете благодарности и ответной реакции, но воспитание или убеждения не позволяют принять компенсацию ваших энергетических и временных затрат. В итоге рождается дисбаланс.
«Помощь без просьбы» также влечет за собой подобный перекос. Вам кажется, что вы творите добро, но затраченная энергия возвращается к вам виде возмущения от того, что человек неблагодарный. А он мог быть не готов или вовсе не хотел помощи.
Законы сохранения. Энергия
Всем приветы! Продолжаем нашу рубрику «Просто о сложном». На очереди у нас законы сохранения.
Изначально я хотел сюда сразу все законы сохранения запихнуть, но текста очень много получается даже для одного, поэтому мне придется их разбить по подтемам.
И да: в этом посте будет много текста и наконец-то не будет ни единой формулы, так что гуманитарии велком:)
Чтобы описать что такое законы сохранения и зачем они нужны, рассмотрим задачку.
Представим, что у нас есть какой-то изолированный черный ящик и хочется узнать, что там могло бы происходить.
Примерно всегда в физике приходится иметь дело с такими черными ящиками, о которых мало что известно.
На самом деле такая формулировка некорректна: внутри черного ящика может находиться что угодно.
Тем не менее, сказать о процессах внутри этого ящика что-то всё-таки можно.
Для этого надо задать обратный вопрос: что ни при каких условиях не может произойти в изолированном черном ящике?
Этих запретов в физике оказывается довольно много.
Это запреты на нарушение около 27 законов сохранения, плюс принцип Паули, плюс еще всякие другие базовые принципы.
Некоторые из них доказаны строго математически, другие же всегда наблюдаются на эксперименте, но ещё ждут свой черед строгого доказательства.
Пока остановимся на первой группе строго доказанных законах сохранения. Их всего 7, и они следуют напрямую из свойств нашего пространства и времени.
Первой их доказала великая Эмми Нётер в 1918 году. После неё за законами сохранения начали искать какую-либо симметрию.
Самым важным из них является закон сохранения энергии (ЗСЭ). Он следует напрямую из однородности времени.
Например, если бросить из окна камень вертикально вниз, то он упадет за какое-то время.
И если через год его бросить, то он упадет за то же самое время.
За год, за век и за тысячелетие законы природы не поменяются, поэтому время однородно.
Следовательно, энергия в замкнутых системах должна сохраняться.
Окей, но физики бы не были физиками, если б не захотели нарушить и этот закон. Всё надо ставить под сомнение:)
А вот если к дереву добавить лампу, систему полива и контроля температуры, то дерево вместе с этими системами уже кажется изолированной системой.
Но все равно нет, так как сами эти системы тоже должны откуда-то питаться энергией. То есть туда еще надо добавить какой-то генератор.
Вот тогда система станет изолированной и тогда закон сохранения энергии будет применим.
Во-вторых, когда не выполнено условие однородности времени, то есть имеется ряд невоспроизводимых экспериментов.
Вообще говоря, это само по себе является абсурдом, так как если эксперимент невозможно повторить, то никакая теория, его описывающая, не может быть верной.
В самом деле, теория должна предсказывать поведение системы в ходе эксперимента. Если он не воспроизводится, то и предсказывать нечего.
Здесь особняком стоят теории о зарождении Вселенной. Очевидно, что этот эксперимент в целом не воспроизводим ни в каком моменте в будущем.
Соблюдается ли закон сохранения энергии в масштабах целой Вселенной?
Иными словами: энергия, которая была во Вселенной в момент Большого Взрыва равняется ли энергии Вселенной в настоящий момент времени?
Честно говоря, фиг его знает. Это открытый вопрос. Скорее всего не сохраняется именно из-за неоднородности времени на таких масштабах.
В любом случае, если вам в наших земных условиях кто-то будет заявлять, что сделал вечный двигатель, который дает энергию из ниоткуда,
а) либо этот человек вас дурачит, пытаясь как-то скрыть настоящий источник энергии, от которого работает его конструкция.
В этом случае он будет много махать руками и говорить, что современная физика не работает, что на самом деле есть много других неизмеримых сущностей.
И. что ему нужны деньги на построение этой махины.
б) либо у этого человека реальные беды с головой, так как ему придется заявить о неоднородности времени.
Простыми словами: этот человек будет вас убеждать, что может создавать целые Вселенные, из которых умеет доставать энергию.
В обоих случаях проще забить и не связываться. Ну или вызвать санитаров.
Если вы случайно нашли, каким образом еще можно энергию получать, то первым делом говорите людям, из чего вы ее получаете.
Тогда разговор как минимум состоится.
До этого момента мы рассматривали полностью изолированные системы без обмена энергией с окружающей средой.
К сожалению или к счастью, но такие системы в окружающем нас мире редки: многие вещи довольно непросто заключить в каком-то термосе, а иногда это и совсем ненужно.
Это означает, что одно из условий на сохранение энергии зачастую строго невыполнено.
Становится ли ЗСЭ от этого бесполезным? Нисколько.
Просто появится некоторая поправка к энергии.
1) Если она достаточно мала, то ее можно включить в погрешность.
2) Если она достаточно велика, то надо ЗСЭ несколько переформулировать.
Для этого накроем нашу систему большим колпаком как мы делали с деревом, и рассмотрим подсистемы.
Целиком всё, что находится под колпаком с окружающим миром не взаимодействует.
Тогда энергия внутри постоянна. Соответственно, если в какой-то подсистеме энергии стало больше, то в другой должно меньше.
То есть ЗСЭ в этом случае выглядит так: сколько энергии вышло из одной подсистемы, столько же должно прийти в другую подсистему, но возможно в иной форме.
Например, если чайник поставить на газ, то энергия от горения газа будет переходить к воде.
Следовательно, энергия реакции горения газа переходит в тепловую энергию воды.
ЗСЭ в этом смысле нужно рассматривать локально применительно к самому процессу нагревания.
В такой формулировке говорится, что всеми остальными потоками энергии в этой задаче мы пренебрегаем и оставляем только самый главный.
Ну и также говорится, что из ниоткуда энергия не берется, а преобразуется из химической в тепловую.
Теперь о том, как эти знания применять на практике.
1) Если вы хотите похудеть, то дефицит калорий и физическая активность являются чрезвычайно важными условиями.
Так как организм будет получать меньше энергии, чем ему необходимо, то ему придется тратить свою.
2) Предположим, что у вас есть солнечные батареи на доме и в один солнечный августовский день к вам приходит продажник и говорит:
— Давайте мы вам при помощи собирающего зеркала увеличим КПД ваших солнечных батарей!
И достает ручной макет, где собирающее сферическое зеркало фокусирует свет на батарее.
Может быть, вы даже сами решите померить КПД у этой штуки и он окажется в 3 раза выше, чем у обычной солнечной батареи.
Выглядит это весьма эффектно и вы решительно покупаете услуги по установке сего девайса на крышу дома в начале сентября.
Проходит примерно 9 месяцев использования, наступает лето.
В это время вы убеждали себя, что осенью стало больше дождей и меньше солнца, потому стало работать хуже, что настанет лето и всё будет здорово.
А летом вы замечаете, что лучше-то нифига не стало, а стало только хуже.
Вернемся к физике. Почему эта идея была обречена на провал?
Зато появились потери на отражение от зеркала (примерно 10%) и потери из-за неплотно заполненной крыши: между кругами остается пустое пространство (еще 10%).
Вот потому и стало хуже работать.
Единственные способы ту же площадь солнечных батарей заставить выдавать больше энергии:
а) это увеличить световой поток (направить их на солнце)
б) сменить материал, например, на арсенид галлия.
Я сюда хотел еще пару примеров вставить, но и так уже довольно длинно получилось.
Так что вам домашнее задание:
Напишите в комментариях ситуации, когда закон сохранения энергии может сразу показать, что устройство работать не будет или оно быстро сломается.
На этом пока всё. Учите физику, не попадайтесь на уловки мошенников. В следующем посте продолжу про закон сохранения импульса и момента импульса.
Легко написано. Спасибо.
Хех, пришел комментировать 😀
Иными словами: энергия, которая была во Вселенной в момент Большого Взрыва равняется ли энергии Вселенной в настоящий момент времени?
С энергетическим балансом там вообще не просто, особенно учитывая стадию инфляции где при экспоненциальном расширении оставалась постоянная плотность энергии.
По теме для меня слишком сумбурно 🙂 все таки если начинать с энергий, то надо начинать с механических систем, для них кстати закон сохранения механической энергии получается просто из 2-го закона Ньютона, если силу выразить как минус градиент некого скаляра характеризующего консервативное поле (ага потом его назовем потенциальной энергией). И тут сразу понятно почему выражение для кинетической энергии делится на 2.
А так разжевывать простым языком очень нудное дело, особенно когда уровень знаний неизвестен или очень слаб. Меня например всегда поражала как люди воспринимают гравитацию, многие удивляются например почему на черную дыру все просто не падает, а возникают всякие аккреционные диски, и им мало скажет что гравитация это консервативная сила, а для отъема энергии нужны силы диссипативные (по типу трения). Просто центробежную силу это вообще лютый треш, практически все уверены что она существует 😀
Строение Солнца. Конвективная зона
Пропустила понедельник. Исправляюсь. Сегодня размещу два поста.
Начиная от глубины примерно 200 тыс. км, или со слоя радиусом в 0,7 солнечных радиусов, под видимой поверхностью Солнца (фотосферой), находится конвективная зона, в которой вещество Солнца (плазма) «чувствует себя» довольно свободно и не может не двигаться. В этом слое температура вещества заметно понижается (до 1–2 млн К), поскольку энергия распределяется на всё больший объём плазмы. Механизм лучистого переноса в этом слое не может
справиться с доставкой наружу всей тепловой энергии, выделенной ядром, и на помощь ему приходит другой механизм переноса тепла — конвекция. И если «единицей переноса энергии»
до этого были фотоны, то теперь — гранулы и супергранулы.
Конвекция — перенос тепла вместе с разогретым веществом снизу вверх — самый эффективный способ переноса энергии В СРЕДЕ (то есть в вакууме конвекция не работает). Представьте себе кипящий суп: за счет конвекции вода (жидкая среда) эффективно передает тепло кусочкам овощей. Тепло со дна кастрюли, нагреваемого плитой, распределяется на всю жидкость и достигает её верхних слоев за счет конвекции. Суп кипит. примерно такую картину мы рисуем (еще не наблюдаем, но уже достаточно точно «прощупываем» и просчитываем) в конвективной зоне Солнца.
Как работает атомный энергоблок. Часть 2
В прошлый раз я говорил про то, откуда берётся тепловая энергия для генерации электричества. А как эта тепловая энергия преобразуется? Почему коэффициент полезного действия у атомной станции около 33%? Зачем вообще нужен конденсатор? Для ответов на эти вопросы мы должны переместиться в прошлое, и постепенно, слой за слоем, нарастить это знание.
Все слышали про первый закон термодинамики. По сути, он является конкретизацией закона сохранения энергии для тепловых двигателей. Этот закон гласит, что невозможно создание двигателя, который работал бы без получения энергии от внешнего источника. Также невозможно создание двигателя, который совершал бы больше работы, чем к нему подводилось бы энергии. Для нас это сейчас логично и понятно, и совершенно очевидно, что КПД не может превышать 100%.
В виде формулы это будет записано следующим образом:
Термический КПД для теплового цикла
Где Q1 это подведённая теплота, Q2 отведённая, соответственно Q1-Q2 это работа, которую совершило рабочее тело.
Но какой максимум мы можем выжать из тепла для совершения работы? Этим вопросом задался не кто иной как Сади Карно.
Какой сладкий пирожочек
Вопрос звучал примерно так: «А почему паровоз жрёт так много и производит так мало, может у нас плохой двигатель? Или конструкция не очень?». Резонно, и многие хотели бы иметь такую систему, которую можно греть, а всё затраченное тепло тратить на работу и ехать, рассекая пространство. КПД такого двигателя мог бы достигать 100%! Но, как оказалось, такое в природе невозможно.
Давайте задумаемся вот над чем. Представим, что у нас на столе стоит чашка горячего чая. Постепенно она остывает, и это происходит неизбежно. В чем причина? Дело в том, что тепло произвольно переходит только от более горячего тела к более холодному, и никак иначе. При отсутствии разницы температур тепло рабочего тела не может быть преобразовано в работу, отсутствует поток теплоты. Это было установлено эмпирически на основе опыта. Поскольку в реальной жизни недостижима температура равная абсолютному нулю, то и КПД теплового цикла не может составлять 100%.
Чтобы показать, как это выглядит в жизни, посмотрим на следующую иллюстрацию:
Тепловой двигатель и вечный двигатель второго рода
Вечный двигатель второго рода не нарушает первого закона термодинамики, энергия не берется из ниоткуда. Но такой двигатель невозможен, ведь нет стока для теплоты. Невозможность такого цикличного процесса объясняет требование наличия конденсатора в любой тепловой системе. Получается, что для работающего цикла нам нужны минимум 4 составляющие:
1) Источник теплоты
2) Сток, или холодильник
3) Устройство для совершения работы
4) Какой-либо возвратный механизм
С этим разобрались, а теперь давайте вернёмся к КПД. Какова максимальная эффективность цикла? И чем она обусловлена?
На оба этих вопроса и ответил Карно. Максимальная эффективность обусловлена только температурами горячего и холодного источников, не зависит от рабочего тела, не зависит от конструкции двигателя. В итоге, второй закон термодинамики приводит нас к следующему определению максимального КПД цикла (или КПД цикла Карно):
КПД цикла Карно. На этом простая математика, увы, заканчивается.
Где T1 – температура источника тепла, T2 – температура холодильника (стока).
Этот КПД является предельным для заданной разницы температур. То есть, можно увеличить его подняв температуру горячего источника, либо снизив температуру холодного. Естественно, что температура не может быть бесконечно большой или бесконечно маленькой. Так что в существующих реалиях мы вынуждены прибегать к температуре окружающей среды в качестве стока, и к допустимым температурам для оборудования в качестве источника. Для каждого циклического процесса наибольшая температура подбирается так, чтобы можно было выжать максимум из топлива, и при этом система справилась бы с отводом теплоты.
Закачиваем, нагреваем, в турбине работу совершаем, остужаем, и по-новой
Цикл Карно представляет из себя замкнутую систему из двух адиабатных (1-2, 3-4) и двух изотермических (2-3, 4-1) процессов.
Краткий экскурс в процессы происходящие с рабочим телом
1) Изотермический процесс – при подводе или отводе теплоты меняется давление и объем, причём произведение этих величин остаётся постоянным, температура остаётся неизменной.
2) Изобарный процесс – энергия расходуется на изменение температуры и объема, при этом отношение объёма к температуре остаётся постоянным, то есть оба параметра одновременно либо растут, либо уменьшаются.
3) Изохорный процесс – энергия расходуется на изменение давления и температуры при этом отношение давления к температуре остаётся постоянным, то есть оба параметра одновременно либо растут, либо уменьшаются.
4) Адиабатный процесс – газ совершает работу при изменении своей внутренней энергии, то есть тепло к рабочему телу не подводится и не отводится, изменяются все параметры в зависимости от показателя адиабаты.
Все процессы являются частными случаями политропного процесса. Я нашёл отличную табличку в интернете для пояснения (Физика в таблицах и формулах, Трофимова Т. И., 2002 г., стр. 94)
Первый закон термодинамики говорит о количественной составляющей теплового цикла. Второй говорит о качественной. А вот увидеть на диаграмме давления и объема потери в реальном цикле не так просто. Но этот вопрос решаем.
Внимание! Дальше частичка неизбежного матана!
Если мы проанализируем соотношение изменения теплоты при изотермическом расширении, рассмотрев цикл Карно как сумму бесконечно малых циклов, то получим новую величину, которая известна как термодинамическая энтропия.
Этот замкнутый интеграл ещё называют интегралом Клазиуса
Вот так можно очень просто аналитически записать Второй закон термодинамики.
Что это такое? Энтропия (S) — это мера беспорядочности движения частиц вещества. Иными словами, очень приближённо можно назвать энтропию мерой качества процессов. При подводе теплоты энтропия всегда растёт в равной или в большей степени, чем отношение подведённого тепла к температуре. Это означает, что часть тепла всегда рассеивается без совершения работы. Логично, что при идеальном адиабатном процессе энтропия не изменяется. Для цикла, как очевидно, изменение энтропии всегда нулевое, потому что рабочее тело каждый раз перед началом следующего цикла возвращается в исходное состояние, со своим исходным значением энтропии.
Каждому состоянию вещества (каждой точке на диаграммах) соответствуют определённые значения термодинамических параметров. По двум из них можно определить все остальные. Энтропия является как раз таким параметром, в дополнение к давлению, температуре и объему. Это то, что нам нужно! Вперёд, строить новые диаграммы!
Вот так будет теперь выглядеть цикл Карно на диаграмме T-S, то есть такой, где каждое состояние вещества можно наглядно показать с помощью значений температуры и энтропии:
Цикл Карно с учетом потерь и рассеяния тепла
Диаграмма состояний реального вещества для двух фаз
Внутренняя часть «купола», изображённого на картинке, это область фазового перехода между жидким и газообразным состоянием. Зелёная линия – это линия кипящей жидкости, фиолетовая – линия сухого насыщенного пара (в паре не остаётся влаги если эту линию переступить). Как можно заметить, при определённом давлении p3 вода не имеет фазового перехода, то есть нет стадии перехода жидкости в газ. При параметрах, превышающих критические давление и температуру, уже отсутствует понятие пара, это закритическая жидкость. Для воды критическое давление и температура это 22.064 МПа и 373.95 °C (в абсолютных единицах 647.1 Кельвин). При фазовом переходе из жидкости в газ температура не изменяется при подведении тепла. Это связано с тем, что энергия, передаваемая рабочему телу, расходуется не на повышение температуры, а на разрыв связей в жидкости.
А давайте теперь посмотрим, как будет выглядеть цикл Карно в случае двухфазной среды:
Цикл Карно для реального газа
Замечательно, но точка 3 находится в области влажного пара, а значит, чтобы перекачать весь этот объём на участке 3-4r нам потребуется большой мощный компрессор, потери в котором будут существенными. Для того, чтобы этого избежать, сконденсируем пар до состояния жидкой воды, то есть получим состояние вещества на зелёной линии. Тогда вместо компрессора мы сможем использовать относительно миниатюрный конденсатный насос.
Таким образом мы получили классический цикл Ренкина
Вот с этим уже можно работать, правда есть один существенный нюанс:точка 2r находится в области влажного пара, а это не очень хорошо для турбины. Дело в том, что скорость пара в турбине составляет несколько сотен метров в секунду. Во влажном паре содержатся капельки жидкости, которые на большой скорости повреждаютлопатки турбины. Такая турбина долго не проработает, поэтому нам нужно снизить влажность пара, чтобы он не разбомбил вращающиеся лопатки. Один из способов – это перегрев пара, и разделение турбины на часть с высоким давлением и часть с низким. Максимальное содержание влажной фазы обычно не превышает 15%.
Цикл Ренкина с перегревом после турбины на высоком давлении
Уже лучше. Таким образом мы и среднюю температуру подняли, что положительно скажется на КПД, и тепло лучше использовали. Но из этого цикла можно выжать ещё больше, если часть тепла возвращать в его более низкотемпературные части. Этот приём называется регенерацией теплоты. То есть, из тех участков, где мы уже выжали из рабочего тела максимум, мы можем частично возвращать тепло в цикл. Это позволит меньше греть воду в парогенераторе и повысить эффективность преобразования тепла в работу.
Помимо этого, между частями высокого и низкого давления можно использовать сепаратор, отделяющий влагу от влажного пара, а также сепарировать пар в ступенях турбины между лопатками. Всё это повышает эффективность работы паротурбинной установки, но эффективность ещё очень далека до КПД цикла Карно. Из-за естественных потерь в турбине и насосах КПД на атомных станциях редко превышает 34%.
На десерт. Тут внесены все упомянутые изменения. Сможете разобраться что к чему?
Внимательный читатель спросит,- А почему бы сразу не перегреть пар до входа в турбину? Дело в том, что на водо-водяных реакторах этот приём не будет эффективным. Нужно будет либо снизить давление на входе в турбину, либо ещё повысить параметры воды в первом контуре (исследования на эту тему ведутся, но по последним новостям зашли в тупик). Параметры на современных АЭС выбраны оптимальными с точки зрения безопасности, тепловой экономичности и конструкционных пределов. В реальности с перегретым паром работают только энергоблоки с жидкометаллическим теплоносителем, которые могут позволить себе перегрев пара до входа в турбину.
Зачем нужны эти ухищрения и высокая эффективность? Почему ради каких-то десятых долей процента создаются целые проектные институты и собираются огромные команды специалистов? Всё дело в том, что каждая малая доля прироста КПД – это прирост в выработке при тех же затратах тепла. Эти цифры кажутся ничтожными, поэтому давайте пересчитаем это в деньги.
Допустим, есть две реакторные установки, у одной КПД 33%, а у другой 33.1%. То есть имея 3200 МВт тепла первая установка даст 1056 МВт электрической мощности, а вторая 1059.2 МВт. Разница составляет 3.2 МВт. Сколько это в рублях?
Цена отпускаемого кВт-ч для АЭС примерно 2 рубля. Считаем сколько это принесёт станции за год. 3200*365*24*2= 56064000 р. То есть с выигрышем всего на 0.1% КПД вторая станция за год заработает больше на 56 миллионов при том же тепловыделении в реакторе!
Предыдущие посты по атомной тематике:
Поверхностное натяжение
Представьте себе молекулы жидкости. Они довольно плотно расположены друг к другу и немного притягиваются. Те молекулы, которые находятся в толще жидкости, притягиваются и вверх, и вниз, и в стороны, поэтому все силы, действующие на них, скомпенсированы, уравновешены, и эти молекулы чувствуют себя свободно, могут передвигаться куда хотят. Но молекулы на поверхности притягиваются только внутрь, для них силы притяжения не скомпенсированы, и чтобы их не затягивало внутрь, они становятся чуть ближе друг к другу, от этого силы притяжения между ними увеличиваются, и это компенсирует затягивающую внутрь силу, следовательно на поверхности возникает тонкая пленка, в которой молекулы сильнее притягиваются друг к другу.
Пример поверхностного натяжения
Метод размерностей. Часть первая
Как и обещал, мои дорогие подписчики, выкладываю первую часть цикла статей о простой непростой физике.
Изначально я хотел написать краткий цикл статей о физике без формул, но в этой первой теме без них совсем никак.
Я также решил разбить этот материал на 2 части, ибо много всего есть.
Поэтому, дорогие гуманитарии, заранее прошу прощения:)
Для понимания происходящего в 1 части надо знать, в чем измеряются физические величины, такие как сила(Н), масса(кг), скорость(м/с) и длина(м).
Периодически в физике встречаются задачи, природа которых совсем не ясна или очень сложна.
Иногда не удается написать даже точного уравнения, а иногда оно оказывается нерешаемым, как например уравнение Навье-Стокса.
Что физики делают в условиях полной неизвестности, когда все остальные методы проваливаются?
Правильно: используют не очень деликатные, но очень эффективные методы.
У физиков есть несколько «путеводных звезд», которые никогда не гаснут и всегда помогают проверить, не фигню ли сморозил.
Примечательно, что этот же метод применим во всех естественных науках: биологии, химии, иногда даже в экономике. Но не в математике.
Матфизику в рассмотрение не берем потому, что это как морская свинка: и к морю не имеет прямого отношения, и к свиньям.
Метод размерностей как раз является одной из таких путеводных звезд.
У него есть две трактовки: физическая и, как ни странно, математическая. Да, «всё смешалось в доме науки».
Так что же это за чудесный метод такой?
Для начала покажу физическую интерпретацию. Если кратко, то он заключается в присвоении величинам размерностей и проверке, что в левой и в правой частях приписанные размерности совпадают.
Кто из нас знаем аэродинамику? Дай бог, один читатель найдется. Сразу скажу, я ее не знаю, но могу показать, как легко и просто выводятся некоторые формулы при помощи метода размерностей.
Предположим, что брат спросил тебя, как ведет себя сила сопротивления воздуха по отношению к какому-то телу при разных скоростях.
2) мы знаем, что как-то должна участвовать скорость (v) тела относительно воздушного потока. Скорость измеряется в м/с.
3) мы знаем, что вся эта конструкция будет двигаться в воздухе, плотность (rho) которого измеряется в кг/м^3.
4) мы примерно имеем представление, что чем больше тело, тем больше будет оказываемая на него сила. Примерно поэтому супермен летает с кулаком впереди и ветром в лицо, а не гордо встречает грудью всё сопротивление воздуха. Это значит, что как-то будет влиять площадь поперечного сечения (S). А площадь измеряется в м^2.
Итак, что мы имеем? Что слева должна стоять сила и она измеряется в кг*м/с^2, а справа надо соорудить точно такую же размерность. Поехали!
1) килограммы есть только в плотности, значит, она будет в 1 степени. После деления размерностей из левой части на правую останется: кг*м/с^2 * м^3/кг = м^4/с^2
2) секунды есть только в скорости. Значит, что скорость должна быть в квадрате. Имеем: м^4/c^2 / (м/c)^2 = м^2
3) Ну а площадь поперечного сечения и есть м^2. Значит, сила сопротивления будет прямо пропорциональна площади.
Есть пара логичных правил для метода размерностей:
1) складывать можно только величины одной размерности. Например, м+кг или с+с^2 являются некорректными, а м/с+м/с является корректным выражением.
2а) исключением может быть только логарифм. Например, ln(E/E0)=ln(E)-ln(E0). В левой части безразмерная величина, а в правой разница логарифмов от размерных величин. В таких случаях проблем не возникает, если пользоваться всегда строго одной системой измерений (например, СИ).
При помощи этого метода очень легко проверять формулы на правильность, особенно если перед тобой формула длиной в один лист А4, и нет никакого желания лезть в выкладки. Можно просто проверить на каждом листе рандомно по одной формуле и с очень большой долей вероятности быть уверенным в правильном ответе, затратив очень мало времени.
Почему в математике с ним сложно? Вот есть, например, уравнение единичной окружности x^2+y^2=1. В правой части безразмерная величина, значит, и в левой величина безразмерная. Здесь размерности просто-напросто вводить некуда. С другой стороны, если уравнение окружности выглядит как x^2+y^2=R^2, то размерности появляются. И пусть они будут хоть метрами, хоть джоулями, но x, y и R должны иметь одну и ту же размерность. Вот так в математике почти со всеми уравнениями.
Теперь о приложениях в разных отраслях.
Если взять, например, экономику, то там иногда мелькают курсы валют типа USD/RUB.
И если вдруг внезапно где-то оказывается USD^2/RUB, то где-то раньше надо искать ошибку, или объяснять, откуда взялась такая размерность.
В биологии же можно придумать аналогичные размерности а’ля самец/самка, кг/человек, Рентген/кг, и т.д.
Химия близка к физике и ее освещать я не буду. Скажу только, что ко всем величинам добавляется моль, а правила останутся теми же.
Ответ на пост «Негэнтропия, наглядно»
Удивлен, что в комментариях никто не смог правдиво объяснить суть этого простого явления — гвозди (стержни) при продолжительном встряхивании укладываются ровными рядами.
Гвозди укладываются так, чтобы их потенциальная энергия была минимальна, т.е. чтобы все гвозди (их центр тяжести) были как можно ближе ко дну коробки. Для этого они должны быть расположены максимально плотно, а не навалены не пойми как. Для стержней максимально плотная упаковка — как раз получившимися ровными рядами, где каждый стержень лежит в углублении между двух других. Энтропия тут ни при чем — гвозди элементарно притягиваются Землей, никто же не удивляется, когда предмет падает (уменьшает потенциальную энергию) под действием силы тяжести, здесь то же самое.
Если бы гвозди могли перекатиться сами в это состояние, то они бы так и сделали, но им препятствует два фактора: во-первых, гвозди нужно сначала поднять, чтобы так ровно уложить, т.е. повысить временно их потенциальную энергию, а во-вторых, нужно еще и преодолеть силу трения гвоздей друг о друга. Встряхивание просто временно добавляет системе энергии и позволяет перейти из локального энергетического минимума в глобальный. Представьте шарик, застрявший на середине неровной горки — пока вы не потрясете горку, он не может достичь глобального минимума (низа горки), потому что находится в локальном (в нижней части лунки/неровности), так же и тут.
Процесс на гифке очень похож по своей сути, например, на отжиг металла или на горение газа у вас на плите: продукты горения, углекислый газ и вода, обладают меньшей энергией, чем природный газ и кислород (в процессе горения они и выделяют «лишнюю» энергию), но для того, чтобы провзаимодействовать, им нужно временно повысить свою энергию (грубо говоря, молекулам нужно быстро сталкиваться друг с другом), поэтому вам нужно сначала подвести энергию, например, в виде зажженной спички.
Энтропию трудно понять с общих позиций: при горении энтропия часто изменяется, и значительно, когда в ходе горения меняется число газообразных частиц, хотя на глаз это невозможно понять, а в примере на гифке энтропия изменяется пренебрежимо мало, хотя мы явно видим, что был бардак, а стал порядок. Просто не используйте этот термин для таких «бытовых» вещей, это только запутывает.
Что ли физику пойти преподавать
На уроке математики:
Альтернативный источник энергии
Что значит m в формуле E = mc^2
Атом водорода имеет меньшую массу, чем сумма масс отдельно взятых протона и электрона. Мы знаем это точно, иначе бы в нашей Вселенной не было бы звёзд, потому что именно благодаря этому «дефекту массы» и возможны ядерные и термоядерные реакции, однако, как может что-то иметь массу меньшую, чем сумма масс его составных частей?
Разумеется, из за этого:
Давайте посмотрим, что же на самом деле означает самое знаменитое уравнение в истории физики.
Это уравнение было опубликовано А. Эйнштейном 27 апреля 1905 года в работе под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», где заключается: « … если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c² ». Иными словами, в оригинале, уравнение имело вид:
(в оригинальной работе Эйнштейи использовал для энергии обозначение L)
Русский перевод здесь, всего 3 странички, можно осилить.
Эйнштейн использовал такую запись, потому что краеугольным камнем современной физики является понимание того, что такое масса.
Мы часто слышим утверждения вроде масса – одна из форм энергии, или масса – «замороженная» энергия, или (в наихудшем виде) масса может быть преобразована в энергию. На самом деле ни одно из данных утверждений не верно на 100%.
Чтобы понять, что же именно значит E = mc², давайте рассмотрим явления, которые не укладываются в наше повседневное и обыденное представление о массе.
Вот, к примеру, одно из них: если два объекта состоят из абсолютно идентичных составных частей, данные объекты не обладают идентичной массой.
Масса чего-либо созданного из более мелких составных частей не является суммой масс этих частей:
m1 ≠ ma + mb + mc
m2 ≠ ma + mb + mc
Общая масса составного объекта зависит во-первых, от того, как составные части расположены по отношению друг к другу, во-вторых – от того, как они двигаются внутри данного объекта.
Вот конкретный пример: представьте себе пару заводных механических часов, чьё строение идентично до атомной структуры. Единственная разница между ними – то, что пружина в одних часах взведена, и часы идут, а пружина вторых часов расслаблена, и часы стоят. Согласно Эйнштейну, масса тикающих часов больше, потому что шестерёнки и стрелки находятся в движении и их кинетическая энергия больше. Кроме того, пружина в этих часах заведена и имеет большую потенциальную энергию. Между движущимися деталями этих часов возникает трение, которое их слегка нагревает, и атомы, из которых состоят эти часы, двигаются более интенсивно. Тепловая энергия – это та же кинетическая энергия атомов, из которых состоят наши часы.
Так что же говорит нам уравнение E = mc²? То, что вся тепловая, кинетическая и потенциальная энергия часов добавляется к их массе. Мы просто складываем всю эту энергию, делим на скорость света в квадрате и получаем ту «лишнюю» массу, которая добавилась к идущим часам.
Так как величина скорости света в квадрате – астрономически огромное число, полученное нами значение даст прибавку порядка атто-грамм или 1×10⁻¹⁸ доли процента (0,000000000000000001%), однако эта разница в массах присутствует и может быть объективно-измерена в лабораториях.
Этот пример показывает нам, что масса – это не характеристика количества материи в объекте. В повседневной жизни мы просто не замечаем разницы.
Для того, чтобы среди физиков не возникало недопониманий, современная наука оперирует понятием «масса покоя» или «инвариантная масса», то есть – масса недвижимого объекта. Само слово «покоя» часто не произносят, но когда говорят о массе, всегда подразумевают «массу покоя», так как только о данной величине все независимые наблюдатели из любой системы отсчёта смогут договориться (по аналогии с тем, как пространственно-временные интервалы между событиями являются единственной объективной характеристикой, о которой могут договориться независимые наблюдатели).
Из классической ньютоновской механики мы знаем, что полная энергия движущегося объекта растёт, что выражается формулой кинетической энергии E = mv²/2, путём нехитрых преобразований мы можем получить понятие релятивистской массы – массы движущегося тела:
Таким образом, релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела:
Поскольку импульс тела так же вносит свой вклад в полную энергию (и релятивистскую массу), полная версия уравнения Эйнштейна выглядит следующим образом:
Определённая таким образом масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же в любой системе отсчёта. Если мы согласимся считать скорость в единицах скорости света, то данную формулу в специальной теории относительности можно упросить до:
Как видно из приведённых формул, релятивистская масса тела растёт с увеличением скорости. Как следствие — по мере приближения к скорости света потребуется всё большая и большая сила для дальнейшего увеличения скорости. Релятивистская масса стала бы бесконечно большой при достижении этого порога, что так же означает, что до придания телу такой скорости, потребуется бесконечно большое усилие.
В общей теории относительности всё ещё больше усложняется, но для нас сегодня m в формуле E = mc² означает массу покоя. Полную же массу можно считать индикатором того, насколько сложно будет придать объекту ускорение, либо какое гравитационное воздействие будет испытывать данный объект.
Вернёмся к примерам, вот ещё один: как только вы включите фонарь, его масса немедленно начнёт уменьшаться. Свет, который исходит от фонаря, уносит энергию, которая ранее была запасена электрохимическим образом в батарее и добавлялась к полной массе фонаря. Наше солнце – в принципе, тот же фонарь, только огромных размеров. Оно теряет около 4 миллионов тонн массы каждую секунду и только его огромные размеры спасают нас от гибели в холоде и тьме, потому что эта масса – лишь 1×10⁻²¹ доля полной массы Солнца (за почти десять миллиардов лет своего существования, Солнце истратило лишь 0,07% своей массы).
Так что же означают слова, что солнце преобразует массу в энергию? Речь не идёт ни о какой алхимии. Вся энергия солнечного света – результат преобразования иной формы энергии – кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит наше Солнце. Те 4 миллиона тонн, которые теряет наше Солнце – лишь результат уменьшения потениальной и кинетической энергии частиц, из которых оно состоит.
Всё, что мы взвешиваем на весах – лишь энергия частиц, мы просто никогда этого не замечали.
Ещё пример: представьте, что вы стоите с фонариком в руке внутри закрытого ящика с зеркальными стенками, который, в свою очередь, стоит на больших весах. Уменьшится ли показание весов, если включить фонарик? Ответ – нет, не уменьшится. Хотя масса фонаря и уменьшится, масса всего ящика останется неизменной, так как энергия фотонов, которые покинули фонарик, не покинет пределы ящика, и хотя у фотонов масса покоя отсутствует, их энергия включается в массу покоя ящика.
В каждом из рассмотренных примеров целый объект имел большую массу, чем масса его составных частей, но в начале этого поста было сказано, что масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона, из которых он состоит. Почему так?
Потому что потенциальная энергия может быть и отрицательной. Давайте обозначим потенциальную энергию протона и электрона, находящихся бесконечно далеко друг от друга за нулевую. В силу того, что они притягиваются друг к другу, чем меньше между ними расстояние, тем меньше будет их потенциальная энергия (точно так же, как потенциальная гравитационная энергия уменьшается по мере приближения к поверхности земли). Если они сблизятся до размеров атома водорода, их потенциальная энергия меньше нуля. Хотя электрон в атоме водорода и обладает ещё кинетической энергией, так как он движется вокруг протона, суммарная энергия системы протон-электрон всё равно будет отрицательной, а следовательно, согласно нашей формуле m = E/c² будет так же меньше нуля.
Именно поэтому масса атома водорода меньше, чем сумма масс его составных частей. На самом деле, масса любого атома в периодической таблице будет меньше, чем сумма масс протонов, нейтронов и электронов, из которых они состоят.
То же самое касается и молекул. Молекула кислорода O₂ весит меньше, чем два отдельных его атома, так как суммарная потенциальная и кинетическая энергия этих атомов становится меньше нуля, когда они образуют химическую связь друг с другом.
А что насчёт самих протонов? Они состоят из частиц, называемых кварки, и их суммарные массы примерно в 100 раз меньше массы протона. Так откуда же у протона масса? Она «добирается» из глюонов (или, если упрощённо – потенциальной энергии кварков).
Откуда же берётся масса элементарных частиц (электронов или кварков)? По крайней мере в стандартной модели физики частиц, у них нет составных частей (поэтому они и называются элементарными). С определёной точки зрения (и точки зрения до-Эйнштейновской физики), их массы элементарны, однако, и об их массе можно судить, как о некоей форме потенциальной энергии. Например, можно рассматривать их массу, как потенциальную энергию взаимодействия электронов и кварков с полем Хиггса, а так же с электрическими полями, которые они сами же и порождают, либо, в случае с кварками – потенциальная энергия взаимодейтсвия с их глюонными полями.
Даже классический пример так называемого «преобразования массы в энергию» – аннигиляцию материи и антиматерии концептуально сводится к тому же преобразованию одного вида энергии к другому, и вам не требуется алхимия по преобразованию массы в энергию для его объяснения.
Основная идея данного поста в том, что масса – понятие виртуальное. Это всего лишь свойство, свойство, которое проявляет энергия, поэтому некорректно думать, что масса может являться мерой количества материала в том или ином объекте, на самом деле, это характеристика количества энергии, которой данный объект обладает. Значение именно этой характеристики мы получаем, когда взвешиваем тот или иной объект.