Методы преобразования энергии

Энергия - мера работы, произведенной технической или биомеханической системой.

Энергия - единая мера различных форм движения. Разгон тела массой m под действием силы F.

Общий принцип передачи энергии состоит в создания источника силы, действующей на объект и перемещающийся с переменной скоростью.

При остановке движущегося тела энергия передается препятствию.

где t - время падения скорости до нуля.

Целью преобразования энергии является удовлетворение человеческих потребностей.

Преобразование вида энергии: преобразование качества, преобразование вида движения, преобразование характера движения

Виды энергии:

• механическая энергия - энергия механического движения и взаимодействия через силу объектов (газы, жидкости, твердые тела)

• внутренняя

 кинетическая энергия хаотично движущихся частиц (тепловая) – (Т)

 потенциальная энергия взаимодействия частиц (механическая) – (М)

 энергия взаимодействия атомов в молекулах (химическая) – (Х)

 энергия электронных оболочек (электрическая) – (Э)

 внутриядерная энергия (Я)

 энергия электромагнитного излучения (ЭМ)

Кинетическая энергия - мера механического движения, измеряемое работой, которое может совершить тело до полной остановки.

Потенциальная энергия - зависит от расположения тел.

Источник сил является поле. Виды энергии отличаются объектом (носителем движения).

Энергия	Носитель
Механическая (М) Тепловая (Т) ЭМ Электрическая (Э) Химическая (Х) Ядерная (Я) или Атомная (А)	Вся масса тела Колеблющиеся частицы тела Фотоны, молекулы, атомы, поле частицы, кванты Заряды, поле созданное ими Молекулы, комбинации атомов Нуклоны, протоны, нейтроны и др.

Метод = способ + устройство

Способ - последовательность действий, приводящая к данной цели.

Устройство - конструкция материальных объектов, реализующих данный способ.

Алгоритм преобразования энергии

1. Накопление преобразуемой энергии.

2. Хранение преобразуемой энергии.

3. Передача к преобразователю.

4. Взаимодействие (передачу) энергии от первичного носителя к вторичному.

5. Хранение преобразованной энергии.

6. Использование.

Все этапы преобразования сопровождаются потерями энергии (утечки, ответвления), т.е. преобразование в третий вид энергии.

Потери не нарушают законов сохранения и превращения, а просто характеризуют любую систему как незамкнутую. В замкнутой системе полная энергия не изменяется, движение материи вечно, оно может переходить из одного состояния в другое. Мерой потерь является КПД.

Э1 Э2

Э`1 Э`2 Э`3 - потери Э=Э`1+Э`2… Э`3

=0.01-0.99

Не все прямые преобразования возможны технически, поэтому чаще всего используют каскадные преобразователи. Они используются более массово.

1 2

Э1 П1 Э2 П2 Э3

Мощность

Энергия характеризуется регулируемостью (дозированием) и мощностью потока энергии.

Мощность - скорость передачи энергии.

Механическая энергия.

1. Источники

2. Способы хранения и накопления.

3. Способы транспортировки.

4. Потери

Источники

1. Мускульная энергия - двухступенчатый преобразователь Х в Э, Э в М.

2. Тепловая машина. Сила в них возникает из-за разницы давлений с двух сторон подвижной стенки: поршня или лопатки турбины.

3. Электрические двигатели (ЭМ, пьезоэлектрические, емкостные)

4. Гидроэнергия

Солнце  вода  испарения  конденсация  стекание

Приливные станции - вод действием луны мировой океан меняет свою глубину в различных местах.

5. Энергия ветра

Способы хранения и накопления.

Вращающаяся масса m:

r m -для точки момент инерции

Fц

Для избежания разрушения оси в результате действия Fц накапливают ограниченную энергию. Пределом накопленной энергии является механическая прочность конструкции.

На маховик не действует такая сильнаяFц.

R

r

Кинетический накопитель энергии используют в системе гарантированного питания на ответственных объектах.

Задача рассчитать Pдв для раскрутки колеса при посадке ЛА.

Быстровращающийся маховик стремится сохранить положение оси вращения в пространстве. При попытке повернуть ось вращения возникает прецессия - возвращение оси на место. Используется в гироскопах. Гиродин - быстровращающаяся масса, используется как точка опоры при ориентации космического корабля. Для компенсации гироскопического момента как для сохранения инерции используется 2 маховика, вращающихся в разные стороны.

Здесь отсутствует гироскопический эффект.

Физической причиной ограниченной энергоемкости является прочность материала маховика.

Fпр m Fц

V углерод – наиболее прочный маховик.

Расчёт космических скоростей

Радиус земли r=6370км, масса земли

Первая космическая скорость , гдеr - радиус земли

Потенциальная энергия раздвигаемых масс,

Энергия деформируемых твердых тел, энергия сжатых газовых объемов.

n – кол-во витков

D – диаметр

Е – модуль упругости

d – диаметр проволоки

Передача механической энергии.

Линейные

тяги, рычаги тяга

трос

С преобразованием давления линейного во вращательное.

Шатун

Передача вращательной энергии: зубчатые колеса, фрикционная, ременная передачи.

Потери механической энергии-

Возникают при процессах хранения и передачи Э. Основной причиной является трение.

Fn

Fтр V

Fт

потери превращаются в тепловую энергию

Вподшипнике возникает трение.

Fтр.ск

Fтр.кач

Деформация поверхности вызывает

Fn R Fтр.кач

К- коэффициент, зависящий от поверхности качения[см].

	Материал	К[см]	Материал
0,95 0,35 0,02-0,08 0,003	Сталь - точило Шина - дорога Стальной подшипник Сустав	0,05 0,02 0,001	Сталь – рельс Шина – асфальт Шарикоподшипник

При создании кинетических накопителей энергии переходят на аэродинамические без опорные подшипники и электромагнитные подвески.

Силы трения при движении в газовой и жидкой среде.

Силы аэродинамического и гидродинамического трения.

S[] – мидель – площадь проекции движущегося тела на плоскость, перпендикулярную вектору скорости движения.

V Fторм

Fторм зависит от:  - плотность среды, - скорости движения.

Форма	Сw
Пластина Крыло Автомобиль	1,1 0,08-0,2 0,3-0,4

Мощность и энергия потока

l S

M V

*

справедливо для наблюдателя в *

- энергия, прошедшая за время t через S со скоростью V.

лопасти

Fвр F F0

Радиально-упорный подшипник

S P1 P2 Fопоры

V

То же самое в ветряках.

S Мощность q рассчитывается для площади, ометаемой лопастями турбины.

Кольцевой геликоид однолопостной винт Архимеда, геликоидная турбина со спиральнами полостями имеет =0,8;

Колебательное волновое движение

Колебательное движение - периодическая смена энергий: кинетическая- потенциальная- кинетическая.

Вывод формулы для частоты колебаний на основе закона сохранения энергии.

Волны – распространяются в веществе или в поле колебания какой-либо физической величины, характеризующей какое-либо состояние вещества. Для волн на поверхности жидкости – распространение геометрической неоднородности, для внутренней среды – волны давления и скорости.

Объемная плотность энергии

Распространение волн – вовлечение в колебательное движение все более удаленных областей от источника колебания. На это затрачивается энергия.

Интенсивность – количество, переносимое волной за 1 секунду сквозь единичную площадь поверхности, нормальную к распространению.

Для плоской волны

V- скорость распространения волны.

Тепловая энергия

Интенсивность хаотичных колебаний частиц характеризуется температурой.

1ккал T=1C 1л воды  15C

1 кал=4,18Дж

1 тонна условного топлива (1тут=1тугля=)

Основным источником является:

• солнечная энергия

• химическая энергия окисления (сжигание органического топлива)

• ядерная реакция

Взрыв – процесс быстрого выделения энергии.

Аккумулирование – нагрев путем контакта объема для хранения энергии с источником.

Теплоемкость –количество тепла, накопленного телом прямо пропорциональная массе

тепла и его Т.

Q=MCT

Материал	С, Дж/г*К
Парафин Железо Воздух	3 0,4 0,026

II закон термодинамики объясняет передачу тепла (энергии) от более нагретого к менее нагретому.

Всякая физическая система со свободным обменом энергии между элементами стремится к состоянию с более равномерным распределением энергии.

Применительно к температуре – стремится к уравновешиванию.

Система из частиц, обладающих энергией занимает более статистически вероятное состояние (реализованное большим числом способов) и находится в этом состоянии.

Энтропия – логарифм числа состояний.

Всякая система движется в сторону увеличения энтропии и находится в состоянии, способ реализации которого больше.

Кол-во молекул	Единицы энергии	Энтропия	Число способов
5 10 20	5 10 15	7,6 11,6 21,3	2000 108256 1852967520