Формулы 2 закона термодинамики

Физика в переводе с древне греческого — «природа». Физика — это область естествознания, наука, которая изучает наиболее фундаментальные закономерности, определяющие общую структуру и эволюцию материального мира. Являясь одним из трех китов, на которых зиждется современная система мироустройства, физика является наукой о природе в самом широком понимании этого слова! Кроме изучения материальных и энергетических параметров организации вселенной, она также ставит перед собой задачи пояснения и логического обоснования фундаментальных взаимодействий в природе, управляющих движением материи.

Подготовка к ЕГЭ по физике (единый государственный экзамен) — это процесс, к которому желательно подойти заранее и как можно серьезнее. Специально для этого на сайте добавлен раздел, посвященный единому государственному экзамену и внешнему тестированию по физике, с возможностью пройти тесты онлайн. Как говорит народная мудрость: «Вода камень точит», поэтому системные занятия, неоднократное пробное онлайн тестирование и решение предложенных заданий помогут Вам сдать ЕГЭ по физике легко и с высокими результатами!
Далее.

Это лекции по общей физике, которые читал выдающийся американский физик-теоретик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Они совсем не похожи ни на один известный курс. Лекции Фейнмана отличаются тем, что они обращены к слушателю, который уже многое знает и слышал. Поэтому в лекциях не тратится время на объяснение «ученым языком» того, что и так известно. Зато в них увлекательно рассказывается, как человек изучает окружающую его природу, о достигнутых сегодня границах в познании мира, о том, какие проблемы наука решает сегодня и будет решать завтра.
Отказ от привычной последовательности изложения — одна из отличительных особенностей фейнмановских лекций по физике.
Читать.

Виртуальные лабораторные работы по физике — это интересное учебное пособие для учащихся школы и для студентов начальных курсов вузов. В лабораторных занятиях приобретаются навыки экспериментальной работы, понимания приборов, самостоятельно делать выводы из полученных опытных данных и тем самым более глубоко и полно усваивать теоретический материал. Все работы выполнены с использованием технологии Flash. В данном разделе присутствуют как готовые так и «сырые» лабораторные работы по физике. Имеется возможность скачать исходники flash-файлов.
Далее.

Хотите знать физику как Эйнштейн?! Обратите внимание на страничку «физика в картинках». Это занимательно и познавательно. Это интересно и увлекательно. К тому же Вы научитесь подходить к сложным заданиям по физике неординарнее и креативнее. Быть может эти картинки осинят Вас и Вы совершите новое открытие в физике!? Дерзайте! В данном разделе собраны коллекции картинок по физике для учащихся среднеобразовательных школ.
Далее.

www.all-fizika.com

Физика занимает особое место среди всех естественных наук, поскольку она рассматривает наиболее фундаментальные и универсальные законы взаимодействия частиц и полей, которые составляют основу всех других явлений: биологических, геологических, химических и других. Законы физики обладают большой общностью и в некотором смысле являются окончательными: законы Ньютона, уравнения термодинамики, кинематические уравнения всегда останутся справедливыми в своей области.

Одно из самых важных мест в этой науке занимают фундаментальные физические законы: законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда.

Отношение перемещения $\Delta \overline$ к промежутку времени $\Delta t,$ за которое произошло это перемещение, называют средней скоростью ($\left\langle \overline\right\rangle $):

При равномерном прямолинейном движении $\left\langle \overline\right\rangle =\overline.$ Путь ($s$), пройденный телом при равномерном прямолинейном движении равен перемещению тела и может быть вычислен как:

При участии тела в нескольких движениях, его скорость равна векторной сумме скоростей каждого из его движений:

где $\Delta \overline$ — изменение вектора скорости за время $\Delta t$.

$<\overline>_0$ — радиус-вектор, определяющий положение тела в начальный момент времени;

При равноускоренном перемещении тела его путь можно найти как:

Основной закон классической динамики (второй закон Ньютона):

$\overline$ — равнодействующая всех сил, приложенных к телу.

Сила — мера взаимодействия тел. Приведем примеры формул, для нахождения некоторых видов сил:

  • Сила тяжести: $\overline=m\overline$, где $\overline$ — ускорение свободного падения тела.
  • Сила упругости: $\left|<\overline>_u\right|=k\Delta x$, где $k$ — коэффициент упругости; $\Delta x$ — удлинение. Закон Гука выполняется при небольших деформациях тела.
  • Сила Архимеда: $F_A=<\rho >_gVg$, где $<\rho >_g$ — плотность жидкости или газа, в которой находится тело или его часть; $V$ — объем тела погруженный в вещество.
  • Сила трения покоя: $F_
    =\mu N$, где $\mu $ — коэффициент трения покоя; $N$ — величина нормальной силы реакции опоры.
  • Гравитационная сила: $F_=\gamma \frac$, где $\gamma =6,67\cdot <10>^<-11>\frac<м^3><с^2кг>$- гравитационная постоянная; $r$ — расстояние между телами; $m_1,m_2$ -массы притягивающихся тел. Тела считают материальными точками или шарами с равномерным распределением массы.

где $S$ — величина площади, на которую оказывают силовое воздействие.

Давление столба жидкости или газа на дно и стенки сосуда можно найти как:

Если работу ($A$) выполняет постоянная сила, то ее можно вычислит с помощью выражения:

где $\alpha $ — угол между силой и вектором перемещения.

Мощность ($P$) равна работе выполняемой в единицу времени:

Кинетической энергией тела ($E_k$) называют величину, равную:

Потенциальной энергией называют энергию взаимодействия тел. Тело, поднятое на высоту $h$ от поверхности Земли, имеет потенциальную энергию равную:

Тело, подвергающееся упругой деформации, обладает потенциальной энергией равной:

В изолированной системе механическая энергия сохраняется:

Импульсом материальной очки называют величину, равную:

Если на систему тел не действуют внешние силы, то суммарный импульс тел данной системы не изменяется:

Количество тепла ($Q$), которое получает (или отдает ) тело при изменении температуры от $t_1$ до $t_2$ равно:

При плавлении тела ему необходимо подвести количество теплоты равное:

где $\lambda $\textit< - >удельная теплота плавления. Напомним, что плавление тела происходит при неизменной температуре, называемой температурой плавления. Процесс обратный плавлению называют кристаллизацией. Величина количества теплоты, которая выделяется при кристаллизации тела, находится по формуле (22), но тепло подводимое к системе считают положительным, а отводимое отрицательным.

При парообразовании (конденсации) система получает (отдает) тепло равное:

При сгорании топлива получаю количество тепла равное:

Неподвижные точечные заряды взаимодействуют между собой с силой:

где $q_1,q_2$ — величины точечных зарядов; $\varepsilon $ — диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды; $<\varepsilon >_0$ — электрическая постоянная.

На прямой проводник с электрическим током, помещенный в однородное магнитное поле действует сила Ампера ($<\overline>_$), равная:

где $I$ — сила тока в проводнике; $B$ — магнитная индукция поля; $l$ — длина проводника; $\alpha $ — угол между направлением вектора $\overline$ и направлением течения тока.

На электрический заряд, движущийся в магнитном поле действует сила Лоренца ($<\overline>_L$):

где $v$ — скорость движения частицы; $\alpha $ — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Магнитный поток ($Ф$) поля через контур площадью S находим как:

где $\alpha $ — угол между $\overline$ и нормалью к плоскости контура.

При последовательном соединении проводников мы имеем:

Основным законом для расчета цепей постоянного тока считают закон Ома. Для участка цепи без источника тока он записывается как:

где $I$ — сила тока; $U$ — напряжение на концах проводника с током; $R=\rho \frac$ — сопротивление проводника. $\rho $ — удельное сопротивление проводника; $l$ — длина проводника; $S$ — площадь поперечного сечения проводника.

Количество теплоты, выделяемое проводником, при прохождении по нему постоянного тока определяет закон Джоуля — Ленца:

где $n_<21>$ — относительный показатель преломления второй среды к первой; $\alpha $ — угол падения; $\gamma $ — угол преломления.

Задание. Получите уравнение движения тела брошенного под углом $\alpha $ к горизонту с начальной скоростью $v_0$ (рис.1).

Решение. Движение тела происходит в поле тяжести Земли. Силу сопротивления воздуха учитывать не будем. тело движется с постоянным ускорением, причем ускорение тела ($\overline$) равно ускорению свободного падения ($\overline$):

Перемещение ($r$) при равнопеременном движении запишем как

Векторное уравнение (1.3) в проекции на оси координат X и Y даст нам два скалярных уравнения:

Для получения уравнения траектории движения выразим время ($t$) из первого уравнения системы (1.4) полученный результат подставить во вторую формулу системы:

Из формулы (1.6) имеем, тело движется по параболе в плоскости, в которой лежат векторы $\overline$ и $<\overline>_0.$

Задание. Прямой проводник имеет длину $l$ и массу $m$. Он подвешен в магнитном поле на тонких невесомых нитях (рис.2). Когда по проводнику идет электрический ток силой $I,$ он отклоняется так, что его подвесы составляют угол $\alpha $ с вертикалью. Найдите модуль вектора магнитной индукции однородного поля в котором находится проводник?\textit<>

Применив правило левой руки, определим направление силы Ампера, укажем ее на рис.2. По второму закону Ньютона равнодействующая сила, приложенная к проводнику равна нулю (придя в состоянии равновесия проводник не движется), значит имеем:

где $m\overline$- сила тяжести; $\overline$- сила реакции опоры; $<\overline>_A-$ сила Ампера.

Из уравнений (2.2) и (2.3) следует, что сила ампера равна:

Приравняем правые части выражений (2.4) и (2.5), получим модуль магнитной индукции:

www.webmath.ru

В книге изложены все разделы школьной физики. Основное внимание уделяется вопросам, включённым в кодификатор Единого государственного экзамена по физике. Этой направленностью на подготовку к ЕГЭ книга отличается от традиционных учебников и пособий (состоящих, как правило, из нескольких томов и написанных задолго до «эпохи ЕГЭ»). Вместе с тем книга имеет и другую цель: помочь будущему студенту преодолеть разрыв между уровнями преподавания физики в школе и в вузе. С первых же страниц используется производная, которая служит естественным инструментом физики. Предварительно излагается необходимая математическая теория — на физическом уровне строгости и достаточно подробно (в частности, даётся представление о дифференцировании векторов, отсутствующее в школьных учебниках). Книга предназначена для старшеклассников, заинтересованных в глубоком изучении физики.

СОДЕРЖАНИЕ
Механика.
Производная.
Предел.
Мгновенная скорость.
Определение производной.
Табличные производные.
Правила дифференцирования.
Обозначения производной в физике.
Предел векторной величины.
Дифференцирование векторов.
Механическое движение.
Относительность движения.
Основная задача механики.
Материальная точка.
Траектория, путь, перемещение.
Скорость.
Ускорение.
Примеры вычисления скорости и ускорения.
Закон сложения скоростей.
Виды механического движения.
Равномерное прямолинейное движение.
Закон движения.
Интегрирование.
Равноускоренное движение.
Зависимость скорости от времени.
Закон движения.
Прямолинейное равноускоренное движение.
Свободное падение.
Горизонтальный бросок.
Бросок под углом к горизонту.
Равномерное движение по окружности.
Угловая скорость.
Закон движения.
Центростремительное ускорение.
Почему ускорение направлено к центру окружности?.
Путь при неравномерном движении.
Первый закон Ньютона.
Инерциальные системы отсчёта.
Принцип относительности.
Масса и плотность.
Второй и третий законы Ньютона.
Принцип суперпозиции.
Второй закон Ньютона.
Третий закон Ньютона.
Как найти закон движения?.
Сила упругости.
Деформация.
Закон Гука.
Модуль Юнга.
Сила тяготения.
Закон всемирного тяготения.
Сила тяжести.
Вес тела. Невесомость.
Искусственные спутники.
Сила трения.
Сухое трение.
Вязкое трение.
Статика твёрдого тела.
Момент силы.
Условия равновесия.
Статика жидкостей и газов.
Гидростатическое давление.
Закон Паскаля.
Гидравлический пресс.
Закон Архимеда.
Плавание тел.
Импульс.
Второй закон Ньютона в импульсной форме.
Пример вычисления силы.
Импульс системы тел.
Закон сохранения импульса.
Закон сохранения проекции импульса.
Энергия.
Работа.
Мощность.
Механическая энергия.
Кинетическая энергия.
Потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли.
Потенциальная энергия деформированной пружины.
Закон сохранения механической энергии.
Закон изменения механической энергии.
Простые механизмы.
Рычаг.
Неподвижный блок.
Подвижный блок.
Наклонная плоскость.
Золотое правило механики.
КПД механизма.
Механические колебания.
Гармонические колебания.
Уравнение гармонических колебаний.
Пружинный маятник.
Математический маятник.
Свободные и вынужденные колебания.
Механические волны.
Продольные и поперечные волны.
Звук.
Молекулярная физика и термодинамика.
Основные положения МКТ.
Атомы и молекулы.
Тепловое движение атомов и молекул.
Взаимодействие частиц вещества.
Газы, жидкости и твёрдые тела.
Газы.
Твёрдые тела.
Жидкости.
Основные формулы молекулярной физики.
Температура.
Термодинамическая система.
Тепловое равновесие.
Температурная шкала. Абсолютная температура.
Уравнение состояния идеального газа.
Средняя кинетическая энергия частиц газа.
Основное уравнение МКТ идеального газа.
Энергия частиц и температура газа.
Уравнение Менделеева-Клапейрона.
Изопроцессы.
Термодинамический процесс.
Изотермический процесс.
Графики изотермического процесса.
Изобарный процесс.
Графики изобарного процесса.
Изохорный процесс.
Графики изохорного процесса.
Насыщенный пар.
Испарение и конденсация.
Динамическое равновесие.
Свойства насыщенного пара.
Влажность воздуха.
Внутренняя энергия.
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа.
Функция состояния.
Изменение внутренней энергии: совершение работы.
Изменение внутренней энергии: теплопередача.
Теплопроводность.
Конвекция.
Тепловое излучение.
Количество теплоты.
Удельная теплоёмкость вещества.
Уравнение теплового баланса.
Фазовые переходы.
Плавление и кристаллизация.
График плавления.
Удельная теплота плавления.
График кристаллизации.
Парообразование и конденсация.
Кипение.
График кипения.
График конденсации.
Первый закон термодинамики.
Работа газа в изобарном процессе.
Работа газа в произвольном процессе.
Работа, совершаемая над газом.
Первый закон термодинамики.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.
Адиабатный процесс.
Тепловые машины.
Тепловые двигатели.
Холодильные машины.
Тепловая машина Карно.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
Второй закон термодинамики.
Необратимость процессов в природе.
Постулаты Клаузиуса и Кельвина.
Эквивалентность постулатов Клаузиуса и Кельвина.
Обратимые процессы.
Обратимость машины Карно.
Электродинамика.
Электрический заряд.
Два вида заряда.
Электризация тел.
Закон сохранения заряда.
Закон Кулона.
Принцип суперпозиции.
Закон Кулона в диэлектрике.
Напряжённость электрического поля.
Дальнодействие и близкодействие.
Электрическое поле.
Напряжённость поля точечного заряда.
Принцип суперпозиции электрических полей.
Поле равномерно заряженной плоскости.
Линии напряжённости электрического поля.
Потенциал электрического поля.
Консервативные силы.
Потенциальность электростатического поля.
Потенциальная энергия заряда в однородном поле.
Потенциальная энергия взаимодействия точечных зарядов.
Потенциал.
Разность потенциалов.
Принцип суперпозиции для потенциалов.
Однородное поле: связь напряжения и напряжённости.
Эквипотенциальные поверхности.
Проводники в электрическом поле.
Поле внутри проводника.
Заряд внутри проводника.
Поле вне проводника.
Потенциал проводника.
Напряжённость и потенциал поля проводящей сферы.
Диэлектрики в электрическом поле.
Диэлектрическая проницаемость.
Полярные диэлектрики.
Неполярные диэлектрики.
Конденсатор. Энергия электрического поля.
Ёмкость уединённого проводника.
Ёмкость плоского конденсатора.
Энергия заряженного конденсатора.
Энергия электрического поля.
Постоянный электрический ток.
Направление электрического тока.
Действие электрического тока.
Сила и плотность тока.
Скорость направленного движения зарядов.
Стационарное электрическое поле.
Закон Ома.
Закон Ома для участка цепи.
Электрическое сопротивление.
Удельное сопротивление.
Соединения проводников.
Резисторы и подводящие провода.
Последовательное соединение.
Параллельное соединение.
Смешанное соединение.
Работа и мощность тока.
Работа тока.
Мощность тока.
Закон Джоуля-Ленца.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи.
Сторонняя сила.
Закон Ома для полной цепи.
КПД электрической цепи.
Закон Ома для неоднородного участка.
Электрический ток в металлах.
Свободные электроны.
Опыт Рикке.
Опыт Стюарта-Толмена.
Зависимость сопротивления от температуры.
Электрический ток в электролитах.
Электролитическая диссоциация.
Ионная проводимость.
Электролиз.
Электрический ток в газах.
Свободные заряды в газе.
Несамостоятельный разряд.
Вольт-амперная характеристика газового разряда.
Самостоятельный разряд.
Полупроводники.
Ковалентная связь.
Кристаллическая структура кремния.
Собственная проводимость.
Примесная проводимость.
p–n-переход.
Магнитное поле. Линии.
Взаимодействие магнитов.
Линии магнитного поля.
Опыт Эрстеда.
Магнитное поле прямого провода с током.
Магнитное поле витка с током.
Магнитное поле катушки с током.
Гипотеза Ампера. Элементарные токи.
Магнитное поле. Силы.
Сила Лоренца.
Сила Ампера.
Рамка с током в магнитном поле.
Электромагнитная индукция.
Магнитный поток.
ЭДС индукции.
Закон электромагнитной индукции Фарадея.
Правило Ленца.
Взаимодействие магнита с контуром.
Закон Фарадея + Правило Ленца = Снятие модуля.
Вихревое электрическое поле.
ЭДС индукции в движущемся проводнике.
Самоиндукция.
Индуктивность.
Электромеханическая аналогия.
Энергия магнитного поля.
Электромагнитные колебания.
Колебательный контур.
Энергетические превращения в колебательном контуре.
Электромеханические аналогии.
Гармонический закон колебаний в контуре.
Вынужденные электромагнитные колебания.
Переменный ток. 1.
Условие квазистационарности.
Резистор в цепи переменного тока.
Конденсатор в цепи переменного тока.
Катушка в цепи переменного тока.
Переменный ток. 2.
Метод вспомогательного угла.
Колебательный контур с резистором.
Резонанс в колебательном контуре.
Мощность переменного тока.
Мощность тока через резистор.
Мощность тока через конденсатор.
Мощность тока через катушку.
Мощность тока на произвольном участке.
Электроэнергия.
Производство электроэнергии.
Передача электроэнергии.
Трансформатор.
Электромагнитное поле.
Гипотеза Максвелла.
Понятие электромагнитного поля.
Об уравнениях Максвелла.
Электромагнитные волны.
Открытый колебательный контур.
Свойства электромагнитных волн.
Плотность потока излучения.
Виды электромагнитных излучений.
Оптика.
Световые лучи.
Законы геометрической оптики.
Геометрическая тень.
Отражение света.
Закон отражения.
Плоское зеркало.
Преломление света.
Закон преломления (частный случай).
Обратимость световых лучей.
Закон преломления (общий случай).
Полное внутреннее отражение.
Линзы. Ход лучей.
Двояковыпуклая линза.
Двояковогнутая линза.
Виды собирающих и рассеивающих линз.
Тонкие линзы. Ход лучей.
Понятие тонкой линзы.
Оптический центр и фокальная плоскость.
Ход луча через оптический центр.
Ход лучей в собирающей линзе.
Ход лучей в рассеивающей линзе.
Тонкие линзы. Построение изображений.
Собирающая линза: действительное изображение точки.
Собирающая линза: действительное изображение предмета.
Собирающая линза: мнимое изображение точки.
Собирающая линза: мнимое изображение предмета.
Собирающая линза: предмет в фокальной плоскости.
Рассеивающая линза: мнимое изображение точки.
Рассеивающая линза: мнимое изображение предмета.
Глаз человека.
Строение глаза.
Аккомодация.
Угол зрения.
Расстояние наилучшего зрения.
Близорукость.
Дальнозоркость.
Оптические приборы.
Невооружённый глаз.
Лупа.
Микроскоп.
Труба Кеплера.
Труба Галилея.
Принцип Гюйгенса.
Волновые поверхности и лучи.
Сферическая волна.
Плоская волна.
Вторичные волны.
Вывод закона отражения.
Вывод закона преломления.
Интерференция волн.
Сложение колебаний.
Интенсивность волны.
Когерентные источники.
Условие максимума и минимума.
Интерференционная картина.
Схема Юнга.
Интерференция света.
Усреднение интенсивности.
Некогерентность независимых источников.
Зеркала Френеля.
Интерференция в тонких плёнках.
ольца Ньютона.
Просветление оптики.
Дифракция света.
Принцип Гюйгенса-Френеля.
Опыт Юнга.
Дифракционная решётка.
Дифракционная решётка как спектральный прибор.
Дисперсия света.
Опыт Ньютона.
Хроматическая аберрация.
Теория относительности.
Принцип относительности Галилея.
Наблюдатель на корабле.
Инвариантность законов механики.
Принципы СТО.
Гипотеза о мировом эфире.
Постулаты Эйнштейна.
Релятивистская кинематика.
Одновременность событий.
Относительность одновременности.
Относительность промежутков времени.
Относительность расстояний.
Преобразования Лоренца.
Релятивистский закон сложения скоростей.
Релятивистская динамика.
Релятивистская энергия.
Релятивистский импульс.
Связь энергии и импульса.
Релятивистское уравнение движения.
Квантовая физика.
Фотоэффект.
Опыты Столетова.
Зависимость фототока от напряжения.
Законы фотоэффекта.
Трудности классического объяснения фотоэффекта.
Гипотеза Планка о квантах.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Фотоны.
Энергия фотона.
Импульс фотона.
Давление света.
Двойственная природа света.
Корпускулярно-волновой дуализм.
Гипотеза де Бройля.
Дифракция электронов.
Соотношение неопределённостей.
Линейчатые спектры.
Спектр испускания.
Спектр поглощения.
Спектральный анализ.
Строение атома.
Модель Томсона.
Опыты Резерфорда.
Планетарная модель атома.
Атом Бора.
Постулаты Бора.
Атом водорода.
Достоинства и недостатки теории Бора.
Лазер.
Индуцированное излучение.
Инверсная населённость.
Трёхуровневая система рубина.
Устройство лазера.
Строение ядра.
Нуклонная модель ядра.
Изотопы.
Радиоактивность.
Виды радиоактивных излучений.
Радиоактивные превращения.
Закон радиоактивного распада.
Энергия связи ядра.
Ядерные силы.
Атомная единица массы.
Удельная энергия связи.
Насыщение ядерных сил.
Ядерные реакции.
Энергетический выход ядерной реакции.
Деление ядер.
Цепная ядерная реакция.
Термоядерная реакция.
Приложение. Векторы в физике.
Скалярные и векторные величины.
Сложение векторов.
Правило треугольника.
Правило параллелограмма.
Свойства сложения векторов.
Вычитание векторов.
Умножение скаляра на вектор.
Что такое умножение скаляра на вектор?
Свойства умножения скаляра на вектор.
Угол между векторами.
Что такое угол между векторами?
Угол между вектором и осью.
Проекция вектора на ось.
Что такое проекция вектора на ось?
Свойства проектирования вектора на ось.
Операция проектирования в физике.
Векторы и координаты на плоскости.
Разложение вектора по базису.
Нахождение модуля вектора по его проекциям.
Векторы и координаты в пространстве.
Разложение вектора по базису.
Нахождение модуля вектора по его проекциям.
Скалярное произведение векторов.
Что такое скалярное произведение?
Свойства скалярного произведения.
Скалярное произведение в физике.
Вычисление скалярного произведения в координатах.

О том, как читать книги в форматах pdf , djvu — см. раздел » Программы; архиваторы; форматы pdf, djvu и др. «

www.alleng.ru

В данной статье описано как изготовить теплогенератор собственными силами.

Подробно описан принцип действия статического теплогенератора, результаты его исследований.Даны рекомендации по его расчету и выбору комплектующих.

Как же быть, если не хватает средств на приобретение теплогенератора? Как его сделать самому? Я расскажу о собственном опыте в этом деле.

Идея сделать свой теплогенератор у нас появилась после знакомства с различными видами теплогенераторов. Их конструкции казались достаточно простыми, но не до конца продуманной.

Известны две конструкции таких устройств: роторная и статическая. В первом случае для создания кавитации, как можно догадаться из названия, служит ротор , во втором – основным элементом устройства является сопло . Чтобы сделать выбор в пользу одного из вариантов исполнения, сравним обе конструкции.

Что же из себя представляет роторный теплогенератор? По сути – это несколько измененный центробежный насос , То есть имеется корпус насоса (который в данном случае является статором ) с входным и выходным патрубками, и рабочей камерой, внутри которого находится ротор, выполняющий роль рабочего колеса. Главное отличие от обычного насоса заключается именно в роторе. Существует великое множество конструктивных исполнений роторов вихревых теплогенераторов, и все описывать мы конечно не будем. Самый простой из них представляет собой диск, на цилиндрической поверхности которого просверлено множество глухих отверстий определенной глубины и диаметра. Эти отверстия называют ячейками Григгса, по имени американского изобретателя, первыми испытавшего роторный теплогенератор такой конструкции. Количество и размеры этих ячеек определяется исходя из размеров диска ротора и частоты вращения электродвигателя, приводящего его во вращение. Статор (он же корпус теплогенератора), как правило, выполнен в виде полого цилиндра, т.е. труба, заглушенная с обеих сторон фланцами При этом зазор между внутренней стенкой статора и ротором весьма мал и составляет 1…1,5 мм.

В зазоре между ротором и статором и происходит нагрев воды. Этому способствует ее трение о поверхности статора и ротора, при быстром вращении последнего. Ну и конечно значительную роль в нагреве воды играют кавитационные процессы и завихрения воды в ячейках ротора. Скорость вращения ротора, как правило, составляет 3000 об/мин при его диаметре 300 мм. С уменьшением диаметра ротора необходимо увеличивать частоту вращения.

Не трудно догадаться, что при всей простоте такая конструкция требует довольно высокой точности изготовления. И очевидно, что потребуется балансировка ротора. К тому же приходится решать вопрос уплотнения вала ротора. Естественно уплотнительные элементы требуют регулярной замены.

Из выше сказанного следует, что ресурс подобных установок не так уж и велик. По мимо всего прочего, работа роторных теплогенераторов сопровождается повышенным шумом. Хотя они обладают большей на 20-30% производительностью в сравнении с теплогенераторами статического типа. Теплогенераторы роторного типа способны даже вырабатывать пар. Но является ли это преимуществом при непродолжительном сроке эксплуатации (в сравнении со статическими моделями)?

Второй тип теплогенератора называется статическим условно. Это обусловлено отсутствием вращающихся частей в конструкции кавитатора. Для создания кавитационных процессов применяются различные виды сопел. Наиболее часто используется так называемое сопло Лаваля

Чтобы возникла кавитация необходимо обеспечить большую скорость движения жидкости в кавитаторе. Для этого используется обычный центробежный насос. Насос нагнетает давление жидкости перед соплом, она устремляется в отверстие сопла, которое имеет значительно меньшее сечение, чем подводящий трубопровод, что и обеспечивает высокую скорость на выходе из сопла. За счет резкого расширения жидкости на выходе из сопла и возникает кавитация. Так же этому способствует трение жидкости о поверхность канала сопла и завихрения воды, возникающие при резком вырывании струи из сопла. То есть вода греется по тем же причинам, что и в роторном теплогенераторе, но с несколько меньшей эффективностью.

Конструкция статического теплогенератора не требует высокой точности изготовления деталей. Механическая обработка при изготовлении этих деталей сводится к минимуму в сравнении роторной конструкцией. Благодаря отсутствию вращающихся частей легко решается вопрос уплотнения сопрягаемых узлов и деталей. Балансировка также не нужна. Срок службы кавитатора значительно больше.(Гарантия на 5лет) Даже в случае выработки соплом своего ресурса изготовление и его замена потребует значительно меньшие материальные затраты (роторный теплогенератор в подобном случае придется по сути изготавливать заново).

Пожалуй, самым главным недостатком статического теплогенератора является стоимость насоса. Однако себестоимость изготовления теплогенератора данной конструкции практически не отличается от роторного варианта, а если вспомнить о ресурсе обеих установок, то этот недостаток превратится в преимущество, ведь в случае замены кавитатора насос менять не нужно.

Таким образом, мы остановим свой выбор на теплогенераторе статической конструкции, тем более что насос у нас уже имеется и тратить деньги на его покупку, не придется.

Начнем с выбора насоса для теплогенератора. Для этого определимся с его рабочими параметрами. Будет этот насос циркуляционным или повышающим давление, принципиального значения не имеет. На фото рисунка 6 применен циркуляционный насос с сухим ротором Grundfos. Значение имеют рабочее давление, производительность насоса, максимально допустимая температура перекачиваемой жидкости.

Не все насосы могут применяться для перекачивания жидкости высокой температуры. И, если не придать значение этому параметру при выборе насоса, то срок его эксплуатации окажется значительно меньше, заявленного производителем.

От величины напора развиваемого насосом будет зависеть эффективность работы теплогенератора. Т.е. чем больше напор, тем больше перепад давления обеспечивается соплом. Как следствие, тем эффективнее происходит нагрев прокачиваемой через кавитатор жидкости. Однако не стоит гнаться за максимальными цифрами в технических характеристиках насосов. Уже при давлении в трубопроводе перед соплом равном 4 атм будет заметен рост температуры воды, хотя и не такой быстрый, как при давлении 12 атм.

Производительность насоса (объем перекачиваемой им жидкости) на эффективность нагрева воды фактически не оказывает влияния. Это связано с тем, что для обеспечения перепада давления в сопле мы делаем его сечение значительно меньше условного прохода трубопровода контура и патрубков насоса. Расход перекачиваемой через кавитатор жидкости не будет превышать 3…5 м3/ч, т.к. все насосы наибольший напор могут обеспечить только при наименьшем расходе.

Мощность рабочего насоса теплогенератора будет определять коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую. Подробнее о коэффициенте преобразования энергии и его расчете ниже.

При выборе насоса для своего теплогенератора мы отталкивались от опыта работы с установками «Warmbotruff» (этот теплогенератор описан в статье об экодоме). Мы знали, что в установленном нами теплогенераторе был применен насос WILO IL 40/170-5,5/2 (см. рис. 6). Это циркуляционный насос с сухим ротором типа Inline, мощностью 5,5 кВт, максимальным рабочим давлением 16 атм, обеспечивающий максимальный напор 41 м (т.е. обеспечивает перепад давления 4 атм). Подобные насосы выпускают и другие производители. Например, фирмой Grundfos выпускается аналог такого насоса – это модель TP 40-470/2.

Рисунок 6 – Рабочий насос теплогенератора «Warmbotruff 5,5A»

И все же, сравнив рабочие характеристики этого насоса с другими моделями, выпускаемыми этим же производителем, мы остановили свой выбор на центробежном многоступенчатом насосе высокого давления MVI 1608-06/PN 16. Этот насос обеспечивает более чем в два раза больший напор, при той же мощности двигателя, хотя и стоит почти на 300€ дороже.

Сейчас имеется прекрасная возможность сэкономить, используя китайский аналог. Ведь китайские производители насосов постоянно повышают качество подделок всемирно известных брендов и расширяют ассортимент. Стоимость китайских «грундфосов» зачастую меньше в несколько раз, при этом качество далеко не всегда во столько же раз хуже, а порой мало чем уступает.

Будем считать, что с насосом мы определились. Переходим к следующему важному элементу теплогенератора – кавитатору.

Что же собой представляет кавитатор? Существует огромное количество конструкций статических кавитаторов (в этом вы можете убедиться с помощью интернета), но практически во всех случаях они выполнены в виде сопла. Как правило, за основу берется сопло Лаваля и модифицируется конструктором. Классическое сопло Лаваля показано на рис. 7.

Первое на что стоит обратить внимание – это сечение канала между диффузором и конфузором .

Не стоит слишком сильно заужать его сечение, стараясь обеспечить максимальный перепад давления. Конечно при выходе воды из отверстия малого сечения и попадании ее в камеру расширения, будет достигаться наибольшая степень разрежения, а, следовательно, и более активная кавитация. Т.е. вода за один проход через сопло будет нагреваться на большую температуру. Однако объем перекачиваемой через сопло воды будет слишком мал, и, смешиваясь с холодной водой, она будет передавать ей недостаточное количество теплоты. Таким образом, общий объем воды будет нагреваться медленно. Кроме того малое сечение канала будет способствовать завоздушиванию воды поступающей во входной патрубок рабочего насоса. Вследствие этого насос будет работать более шумно и возможно возникновение кавитации в самом насосе, а это уже нежелательные явления. Почему это происходит, станет понятно, когда мы будем рассматривать конструкцию гидродинамического контура теплогенератора.

Наилучшие показатели достигаются при диаметре отверстия канала 8-15 мм. К тому же эффективность нагрева будет зависеть еще и от конфигурации камеры расширения сопла. Таким образом, мы переходим ко второму важному моменту в конструировании сопла – камере расширения.

Какой же из профилей выбрать? Тем более что это далеко не все возможные варианты профилей сопла. Поэтому, чтобы определится с конструкцией сопла, мы решили прибегнуть к математическому моделированию течения в них жидкости. Я приведу некоторые результаты моделирования сопел изображенных на рис. 8.

Рисунок 9 – Изменение скорости потока движущейся через сопла жидкости.

Рисунок 10 – Изменение давления при движении жидкости через сопла.

Рисунок 11 – Распределение турбулентных потоков в соплах

На рисунках видно, что указанные конструкции сопел позволяют проводить кавитационный нагрев жидкостей, прокачиваемых, через них. На них видно, что при протекании жидкости образуются зоны высокого и низкого давления, которые и обуславливают образование каверн и последующего ее схлопывания.

Как видно из рисунка 8 профиль сопла может быть самым разным. Вариант а) – это по сути классический профиль сопла Лаваля. Используя такой профиль, вы можете варьировать угол раскрытия камеры расширения ?, тем самым меняя характеристики кавитатора. Обычно величина находится в пределах 12…30°. Как видно из эпюры скоростей рис. 9 такое сопло обеспечивает наибольшую скорость движения жидкости. Однако перепад давления сопло с таким профилем обеспечивает наименьший (см. рис. 10). Наибольшая турбулентность будет наблюдаться уже на выходе из сопла (см. рис.11).

Очевидно, что вариант б) будет более эффективно создавать разрежение при истечении жидкости из канала соединяющего камеру расширения с камерой сжатия (см. рис. 9). Скорость движения потока жидкости через данное сопло будет наименьшей, о чем свидетельствует эпюра скоростей изображенная на рис. 10. Турбулентность, возникающая вследствие прохождения жидкости через сопло второго варианта, на мой взгляд, наиболее оптимальная для нагрева воды. Возникновение вихря в потоке начинается уже на входе в промежуточный канал, а на выходе из сопла начинается вторая волна вихреобразования (см. рис.11). Однако в изготовлении такое сопло немного сложнее, т.к. придется вытачивать полусферу.

Сопло профиля в) – это упрощенный предыдущий вариант. Следовало ожидать, что два последних варианта будут обладать близкими характеристиками. Но эпюра изменения давления, изображенная на рис. 9 говорит о том, что перепад будет наибольшим из трех вариантов. Скорость движения потока жидкости будет выше, чем во втором варианте сопла и ниже, чем в первом (см. рис. 10). Турбулентность, возникающая при движении воды через это сопло, соизмерима со вторым вариантом, но образование вихря происходит по-иному (см. рис.11).

Я привел в качестве примера лишь наиболее простые в изготовлении профили сопел. Все три варианта можно использовать при конструировании теплогенератора и нельзя сказать, что какой-то из вариантов правильный, а другие нет. Вы можете сами поэкспериментировать с различными профилями сопел. Для этого необязательно сразу изготавливать их из металла и проводить реальный эксперимент. Это не всегда оправдано. Сначала можно провести анализ придуманного вами сопла в какой-либо из программ моделирующих движение жидкости. Для анализа изображенных выше сопел я использовал приложение COSMOSFloWorks. Упрощенная версия данного приложения входит в состав системы автоматизированного проектирования SolidWorks.

В эксперименте по созданию своей модели теплогенератора мы применили комбинацию из простых сопел (см. рис. 12).

Рисунок 12 – Фото сопла примененного нами в своих экспериментах.

Существуют на много более изощренные конструкторские решения, но я не вижу смысла приводить их все. Если вас действительно заинтересует эта тема, вы всегда сможете найти другие конструкции кавитаторов в интернете.

После того как мы определились с конструкцией сопла переходим к следующему этапу: изготовлению гидродинамического контура. Для этого предварительно следует набросать схему контура. Мы сделали это очень просто, нарисовав схему на полу мелом (см. рис. 13)

  1. Манометр на выходе из сопла(измеряет давление на выходе из сопла).
  2. Термометр(измеряет температуру на входе в систему).
  3. Кран для сброса воздуха(Удаляет воздушную пробку из системы).
  4. Выходной патрубок с краном.
  5. Гильза под термометр.
  6. Входной парубок с краном.
  7. Гильза под термометр на входе.
  8. Манометр на входе в сопло(измеряет давление на входе в систему).

Теперь я опишу устройство контура. Он представляет собой трубопровод, вход которого соединен с выходным патрубком насоса, а выход – с входным. В этот трубопровод вваривается сопло 9 , патрубки для подключения манометров 8 (до и после сопла), гильзы для установки термометр 7,5 (мы не стали вваривать резьбы под гильзы, а просто вварили их), штуцер под вентиль для сброса воздуха 3 (мы применили обыкновенный шаркран, сгоны под регулирующий вентиль и штуцера для подключения отопительного контура.

На нарисованной мною схеме вода движется против часовой стрелки. Подача воды в контур осуществляется через нижний патрубок (шаркран с красным маховиком и обратным клапаном), а выдача воды из него, соответственно через верхний (шаркран с красным маховиком). Регулирование перепада давления осуществляется вентилем, который находится между входным и выходным патрубками. На фото рис. 13 он только изображен на схеме и не лежит рядом со своим обозначением, т.к. мы его уже накрутили на сгоны, предварительно намотав уплотнение (см. рис. 14).

Рисунок 14 – Заготовки для сборки гидродинамического контура.

Для изготовления контура мы взяли трубу Ду 50, т.к. присоединительные патрубки насоса имеют такой же диаметр. При этом входной и выходной патрубок контура, к которым подключается отопительный контур, мы изготовили из трубы Ду 20. То что у нас получилось в итоге вы можете увидеть на рис. 15.

На фото показан насос с двигателем 1 кВт. Впоследствии, мы заменили его на насос мощностью 5,5 кВт, описанный выше.

Вид, конечно, получился не самый эстетичный, но мы и не ставили перед собой такую задачу. Возможно, кто-то из читателей спросит, зачем такие размеры контура, ведь можно сделать его меньше? Мы предполагаем за счет длины трубы перед соплом несколько разогнать воду. Если вы покопаетесь в интернете, то наверняка найдете изображения и схемы первых моделей теплогенераторов. Практически все они работали без сопел. Эффект нагрева жидкости достигался за счет ее разгона до довольно больших скоростей. Для этого применялись цилиндры небольшой высоты с тангенциальным входом и коаксиальным выходом.

Мы не стали для ускорения воды применять такой метод, а решили сделать свою конструкцию как можно более простой. Хотя у нас есть мысли о том, как ускорить жидкость при такой конструкции контура, но об этом позже.

На фото еще не вкручен манометр перед соплом и переходник с гильзой для термометра, который монтируется перед водомером(на тот момент он еще не был готов). Осталось установить недостающие элементы и приступать к следующему этапу.

О том, как подключать электродвигатель насоса и радиатор отопления, думаю, нет смысла рассказывать. Хотя к вопросу подключения электродвигателя мы подошли не совсем стандартно. Поскольку в домашних условиях обычно используется однофазная сеть, а промышленные насосы выпускаются с трехфазным двигателем, мы решили применить частотный преобразователь ,рассчитанный на однофазную сеть. Это позволило, к тому же, поднять скорость вращения насоса выше 3000 об./мин. и в дальнейшем найти резонансную частоту вращения насоса.

Для параметрирования преобразователя частоты нам потребуется ноутбук с COM портом для параметрирования и управления частотным преобразователем. Сам преобразователь устанавливается в шкафу управления, где предусмотрен обогрев в зимних условиях эксплуатации и вентиляция для летних условий эксплуатации. Для вентиляции шкафа мы воспользовались стандартным вентилятором, а для обогрева шкафа используется нагреватель, мощностью 20 Вт.

Частотный преобразователь позволяет регулировать частоту насоса в широких пределах как ниже основной, так и выше основной. Поднимать частоту двигателя можно не выше 150%.

В нашем случае можно поднимать скорость вращения двигателя до 4500 об/мин.

Можно кратковременно поднимать частоту и выше до 200%, но это ведет к механической перегрузке двигателя и повышает вероятность его выхода из строя. Кроме того, с помощью частотного преобразователя осуществляется защита двигателя от перегрузки и короткого замыкания. Также частотный преобразователь позволяет производить запуск двигателя с заданным временем разгона, что ограничивает ускорение лопастей насоса при запуске и ограничивает пусковые токи двигателя. Смонтирован частотный преобразователь в настенном шкафу (см. рис. 16).

Рисунок 16 – Шкаф управления Частотным преобразователем.

Все органы управления и элементы индикации выведены на лицевую панель шкафа управления. На лицевую панель (на прибор МТМ-РЭ-160) выведены параметры работы системы.

Прибор имеет возможность записи в течение суток показаний 6 различных каналов аналоговых сигналов. В данном случае, мы записываем показания температуры на входе системы, показания температуры на выходе системы и параметры давления на входе и выходе системы.

Задание на величину числа оборотов основного насоса ведется с помощью приборов МТМ-103 зеленая и желтые кнопки используются для запуска и остановки двигателей рабочего насоса теплогенератора и циркуляционного насоса. Циркуляционный насос мы планируем использовать для снижения потребления электроэнергии. Ведь, когда вода нагреется до установленной температуры, циркуляция все равно необходима.

Рисунок 17– Лицевая панель управления теплогенератором.

При использовании преобразователя частоты Micromaster 440 , для параметрирования преобразователя можно использовать специальную программу Starter , установив ее на ноутбук (см рис. 18).

Рисунок 18 – Ноутбук с установленной программой управления частотным преобразователем.

Вначале в программу заносятся исходные данные двигателя, написанные на шильдике( табличке с заводскими параметрами двигателя, прикрепленной к статору двигателя) К таким данным относятся

  • Номинальная Мощность Р кВт,
  • Номинальный ток I ном.,
  • Косинус,
  • Тип двигателя,
  • Номинальная частота вращения N ном.

После этого запускается автоопределение двигателя и частотный преобразователь сам определяет необходимые параметры двигателя. После этого насос готов к работе.

После того как установка подключена можно приступать к испытаниям. Запускаем электродвигатель насоса и, наблюдая показания манометров, устанавливаем необходимый перепад давления. Для этого в контуре предусмотрен вентиль, находящийся между входным и выходным патрубками. Поворачивая рукоятку вентиля, устанавливаем давление в трубопроводе после сопла в диапазоне 1,2…1,5 атм. В участке контура между входом сопла и выходом насоса оптимальным давлением будет диапазон 8…12 атм.

Насос смог нам обеспечить давление на входе в сопло 9,3 атм. Установив давление на выходе из сопла 1,2 атм, пустили воду по кругу (закрыли выходной вентиль) и засекли время. При движении воды по контуру мы зафиксировали рост температуры примерно 4°С в минуту. Таким образом через 10 минут мы уже нагрели воду с 21°С до 60°С. Объем контура с установленным насосом составил почти 15 л Потребляемую электроэнергию вычислили, измерив ток. Исходя из этих данных, мы можем вычислить коэффициент преобразования энергии.

  • С – удельная теплоемкость воды, 4200 Дж/(кг*К);
  • m – масса нагреваемой воды, кг;
  • Tн – температура воды начальная, 294° К;
  • Tк – температура воды конечная, 333° К;
  • Qн – показания электросчетчика начальные, 0 кВт*ч;
  • Qк – показания электросчетчика конечные, 0,5 кВт*ч.

Это значит, что потребляя 5 кВт*ч электроэнергии наш теплогенератор производит в 1,365 раз больше тепловой, а именно 6,825 кВт*ч. Таким образом мы можем смело утверждать о состоятельности данной идеи. В этой формуле не учитывается КПД двигателя, а значит, реальный коэффициент трансформации будет еще выше.

При расчете необходимой для обогрева нашего дома тепловой мощности исходим из общепринятой упрощенной формулы. Согласно этой формуле при стандартной высоте потолка (до 3 м), для нашего региона необходимо 1 кВт тепловой мощности на каждые 10 м2.Таким образом, для нашего дома площадью 10х10=100 м2 потребуется 10 кВт тепловой мощности. Т.е. одного теплогенератора мощностью 5,5 кВт для обогрева этого дома не хватает, но это только на первый взгляд. Если вы еще не забыли, то для обогрева помещения мы собираемся использовать систему «теплый пол», которая дает экономию до 30% затрачиваемой энергии. Из этого следует, что вырабатываемых теплогенератором 6,8 кВт тепловой энергии как раз должно хватить для обогрева дома. К тому же последующее подключение теплового насоса и гелиоколлектора позволит нам еще уменьшить затраты энергии.

В заключении хотелось бы предложить для обсуждения одну спорную идею.

Я уже упоминал о том, что в первых теплогенераторах вода разгонялась за счет придания ей вращательного движения в специальных цилиндрах. Вы знаете, что мы таким путем не пошли. И все же для повышения КПД необходимо чтобы вода помимо поступательного движения приобретала еще и вращательное движение. При этом скорость движения воды заметно возрастает. Подобный прием используют на соревнованиях по скоростному выпиванию бутылки пива. Перед тем, как ее выпить, пиво в бутылке хорошенько раскручивают. И жидкость выливается через узкое горлышко гораздо быстрее. И у нас появилась идея, как можно попробовать это сделать, практически не меняя уже существующую конструкцию гидродинамического контура.

Для придания воде вращательного движения будем использовать статор асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором воду, пропускаемую через статор необходимо предварительно омагнитить . Для этого можно использовать соленоид или постоянный кольцевой магнит . О том, что получилось из этой затеи, сообщу позже, потому что сейчас, к сожалению, нет возможности заниматься экспериментами.

У нас так же есть идеи, как усовершенствовать наше сопло, но об этом тоже после экспериментов и патентования в случае удачного их исхода.

www.builderclub.com