Суть термической теории: Термическая теория - Справочник химика 21 - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Термическая теория – Справочник химика 21

Термическая теория, согласно которой антипирены отводят тепло, поступающее от источника огня, с такой же скоростью, с какой тепло поступает к целлюлозному материалу. [c.357]

К основным технологическим операциям изготовления аппарату ры относятся формоизменяющие, сварочные и термической обрабо гки Специфичными являются операции первичной обработки заготовок и сборка свариваемых элементов. Аппаратостроение имеет самостоятельную теорию взаимозаменяемости. [c.3]

Но мне как геологу трудно принять один аспект термической теории , а именно роль высоких температур. Фокс подчеркивает, что такие температуры создавались во время извержения вулканов и в кратере, и на поверхности потоков горячей лавы. Как же тогда совместить идею о появлении малых молекул в первичном бульоне с дальнейшим развитием жизни в вулканах и около них при извержениях Далее мы увидим (особенно в гл.

XVI), что преджизнь и ранняя жизнь должны были очень долго сосуществовать, и мне кажется, что такие редкие и случайные события, как извержения вулканов, не могли способствовать появлению жизни из органических соединений. [c.116]

Теория жидкостной пленки Нуссельта предполагает что слой конденсата является таким тонким, что температура в указанном слое меняется по линейному закону. Кроме того, предполагается, что перенос тепла к поверхности конденсации осуществляется лишь путем теплопроводности, вследствие того, что движение жидкостной пленки является ламинарным. Таким образом, общее термическое сопротивление теплопереходу определяется толщиной пленки конденсата. Физические свойства конденсата в данном случае определяются для средней температуры пленки. Предполагается, что поверхность конденсации является относительно гладкой и чистой, а температура ее постоянной.

[c.83]

Рассматривая исходный пункт термической теории происхождения жизни, предложенной Фоксом, Кальвин [3] отметил, что такая же дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные органические молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой чаще всего от одного блока отщепляется атом водорода, а от другого — гидроксильная группа (фиг. 35).

[c.116]

Теоре тические основы и технология термических процессов 65 [c.65]

Термическое разложение углеводородов является предметом многолетнего изучения. За это время были предложены различные механизмы реакции. К наиболее ранним относится механизм Бертло [3]. Согласно его представлениям обязательным промежуточным продуктом разложения является ацетилен, который, полимеризуясь, образует сложные углеводороды, способные, в свою очередь, к разложению. Однако в результате болое точных последующих исследований было установлено, что ацетилен является лишь побочным продуктом реакции, и теория Бертло вскоре была оставлена.

[c.7]

К сожалению, теория в настоящее время не может ответить на вопрос, будет ли реально протекать данная молекулярная реакция. Расчет может дать низкое значение энергии активации, в то время как реакция не проходит. Например, для реакции дегидрирования парафинов расчет дает = 43 ккал/моль (180 кДж/моль), между тем дегидрирование этана проходит по цепному механизму (см. ниже) с гораздо более высокой энергией активации (около 70 ккал/моль, т. е. 294 кДж/моль), а термическое дегидрирование парафинов С4 и выше не протекает вообще.

[c.32]

Цель данной главы заключается в том, чтобы показать, что практически все реакции алифатических и алициклических углеводородов лучше всего могут быть объяснены либо механизмом с участием иона карбония, либо обычным ценным свободнорадикальным механизмом. Глава но содержит детального обсуждения массы фактов, подтверждающих действие этих механизмов, и различных альтернативных схем. Вместо этого дается единая общая основа для объяснения каталитических и термических реакций углеводородов путем установления некоторых наиболее общепризнанных принципов поведения ионов карбония и свободных радикалов.

Ниже будет показано, что разнообразные внешне не связанные между собой реакции (в том числе и побочные реакции) углеводородов могут быть объяснены на основе правдоподобной, упрощенной (но не слишком) теории. От подробного разбора мелких деталей теории и некоторых, на первый взгляд противоречивых, наблюдений в такой краткой по необходимости главе пришлось отказаться. Особое внимание будет обращено” на реакции, идущие с образованием или разрывом углерод-углеродных связей, в то же время механизмы реакции гидрогенизации, окисления, галоидирования и нитрования совсем не будут рассматриваться. [c.213]

Существенным недостатком теории А()рениуса является и то, что оиа не указывает причин, вызываощих ионизацию электролитов в растворах. Расчеты энергии кристаллической решетки АС,,, разрушение которой должно предшествовать появлению свободных ионов, присутствующих в растворе, показывают, что количество термической энергии ири обычных температурах слишком мало по сравнению с тем, которое надо затратит1з на раз[)ушение решетки.

Одним из первых и в то >ке время одним из наиболее точных уравнений для подсчета энергии решетки считается уравнение Борна (1918) [c.44]

Явления, которыми сопровождается термическое разложение углеводородов, стали известны задолго до того, как был достаточно изучен вопрос о структуре и химии углеводородов и сформулирована современная теория термического разложения.

[c.295]

Н. И. Кобозев, С. С. Васильев и Е. И. Еремин (в теории энергетического катализа, 1937 г.) высказали предположение, что для реакций в разрядах нет необходимости искать какие-то особые химически активные частицы, отличные от активных частиц, участвующих в обычных термических реакциях, т. е. активные частицы в разряде могут быть теми же, что и при обычных реакциях (свободные атомы, свободные радикалы и колебательно возбужденные молекулы). Однако пути возникновения этих частиц в разряде, а следовательно, и концентрации их, могут быть совсем иными, чем при обычных условиях.

[c.253]

Вопросы термической устойчивости ДЖР изучены сравнительно мало. Анализ термической устойчивости ДЖР может быть проведен на базе квазигомогенной теории [31—33]. Положительной чертой использования квазигомогенной модели является то, что она позволила получить критерии оценки [33] верхнего предела параметрической чувствительности процесса, что во многих случаях гарантирует его термическую устойчивость. [c.173]

Проведенное рассмотрение показывает, что, несмотря на отклонения от схемы Линдемана — Хиншельвуда, закономерности термической цис-гранс-изомеризации можно объяснить на основе теорий мономолекулярных реакций, предполагающей активирование за счет соударений двух молекул.

[c.55]

Применение принципа стационарности позволяет получать полезную информацию об исследуемом процессе, об отличии его от аналогичных уже изученных процессов. С этой целью рассмотрим процесс пиролиза этана. В соответствии с теорией термического распада углеводородов [50, 51] этот процесс описывают на основе реакций образования радикалов [c. 178]

Разработку новых печных комплексов и реконструкцию существующих следует проводить в соответствии с системной теорией печей, которая все протекающие в них процессы рассматривает во взаимодействии и взаимозависимости как единую химико-термическую печную систему материал—среда—футеровка .

[c.3]

Предмет системной теории печей — это научные знания о закономерностях и механизме совместного протекания в реальных условиях взаимосвязанных и взаимозависимых термотехнологических, теплотехнических и механических процессов между элементами единой химико-термической печной системы материал—среда— [c.5]

Научным обоснованием разработанной классификации печей является системная теория печей, которая рассматривает функционирующую печь как единую химико-термическую печную систему материал—среда—футеровка .

[c.13]

Физический смысл / 2 очевиден это термическое сопротивление твердой стенки. Оно пропорционально толщине стенки бът и обратно пропорционально ее теплопроводности кст- Величины и / з — термические сопротивления, которые имеют место на границах контакта обоих теплоносителей со стенкой. По теории пограничного слоя передача тепла от жидкости или газа к твердой стенке или наоборот происходит в тонком пристенном слое только путем теплопроводности. В результате термическое сопротивление границы раздела представляет собой термическое сопротивление

[c.8]

Результаты современных экспериментальных исследований показывают, что акт катодного распыления весьма близко напоминает акт термического испарения. Термическая теория является наиболее естественной и одной нз самых старых теорий. Н. Д. Моргулис [20], подробно рассматривая катодное распыление быстрыми и медленными ионами, говорит об отсутствии оснований даже в настоящее время для того, чтобы считать основные предпосылки термической теории катодного распыления неправильиыми. Однако, на основании современных экспериментов, старая термическая трактовка явлецня катодного распыления должна быть заменена более обиг.ей статистической, представляющей собой своеобразный синтез старой термической и импульсной теорий, охватывающий весь диапазон энергии ионов — от очень -больших до весьма малых.

[c.72]

По термической теории Кнут-Винтерфельда решающую роль играет повышение температуры внутри анолитного слоя. Эта теория едва ли применима к глянцеванию или полированию при комнатной те.мпературе в хорошо проводящем растворе и при пользовании промышленными ваннами, на которых работают при 70 или 90°С. В противоположность этому известно, что в электролитах с плохой электропроводностью (например, уксуснокислый, [c.248]

Приводим основные стадии их синтеза, согласно термической теории происхождения жизни по Фоксу [9]. Первым шагом было образование при очень высоких температурах аминокислот. Такой синтез вполне возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов (Миллер), ультрафиолетового излучения (Поннамперума) и высокой температуры (Оро). Возможность такого термического синтеза экспериментально доказана Харадой и Фоксом [21]. [c.115]

Первая экспериментальная модель возникновения функциональных протомембран была представлена в термической теории [16, 67]. Так называемые протеиноиды со значительным содержанием гидрофобных макромолекулярных компонентов, синтезированные путем нагревания некоторых смесей аминокислот в безводных условиях, самоорганизуются в однородные по размеру микросферы со стенками, подобными мембранам. Процесс относительно прост и происходит быстро полученные соединения сложны, как в отношении структуры, так и по химическому составу. Самосборка в микросферы доказывает, что определенный качественный скачок произошел непосредственно [c.23]

Отсутствуют доказательства того, что давление, существующее в нефтепроизводящих свитах, оказывает влияние на образование нефти. В старой теории происхождения нефти, основанной иа представлении о термическом разложении растительных и животных жиров, а также жирных кислот, первоначально предложенной Уорреном и Сторером [59] и позднее поддержанной Энглером [21], предполагалось, что образующиеся олефины полимеризуются под действием высокого давления. Однако давление выше 15 ООО ат не вызывает полимеризации даже таких реакционно-способных диеиов, как бутадиен и изопрен [15], несмотря на легкое предварительное окисление кислородом воздуха с образованием перекисей, являющихся весьма эффективными катализаторами. Как будет указано в дальнейшем, полимеризация является одной из хорошо известных реакци , вызываемых кислыми силикатали . [c.85]

Следующими были теории, предполагающие образование в качестве промежуточных продуктов свободных радикалов. Так, Бон и Кауорд [6] предположили образование радикалов —СНз, = СН2 и =СН ири термическом разложении этана. Эти радикалы, по мнению авторов, могли гидрироваться в метан, разлагаться до углерода или снова рекомбинироваться. Хэг и Уилер [16] утвер/кдали, что метан расщепляется при термическом разлон снии на метилен и молекулу водорода. Теория свободных радикалов нррюбрела особое значение в работах Райса [35], который рассматривал метил, этил, пропил и аналогичные высшие радикалы как единственные промежуточные продукты реакции он разработал детально этот механизм с учетом наден ных данных по энергиям активации указанных реакций. Райс подтвердил свою теорию экспериментальными кинетическими данными. [c.7]

Как было указано выше, для образования ионов карбония требуется либо отщепление атома водорода посредством разрыва углерод-водородной связи, либо присоединение атома водорода с образованием новой углерод-водородной связи. В связи с этим для теории таких механизмов приобретают большое значение накопленные экспериментальные данные, показывающие большую реакционную способность третичных углерод-водородных связей сравнительно со вторичными связями С —Н и последних сравнительно с первичными при диссоциациях ионного типа (крекинге) и реакциях присоединения. Относительная реакционная способность третичных, вторичных и первичных углерод-водородных связей в термических реакциях через свободные радикалы соответственно меньше. Далее будет показано, что в силу вышесказанного третичные и вторичные структуры играют доминирующую роль в механизме ионных реакций. Приведенное отношение между реакционными способностями связей С —Н основано на данных, полученных нри масс-снектрометрическом измерении потенциалов образования различных алкил-ионов. Потенциалы образования алкил-ионов вместе с соответствующими термодинамическими данными и данными по энергиям диссоциации связи для углеводородов дают величину энергии, необходимую для получения алкил-ионов из родственных им углеводородов эта величина энергии может быть качественно коррелирована с относительной реакционной способностью первичных, вторичных и третичных углеводородных структур как в случае низкотемпературных реакций присоединения, так и при высокотемпературной диссоциации (ионных процессах). Аналогично определяемая энергия сво-бодноради1 альной диссоциации связи С — Н [37, 39] отражает гораздо меньшее различие в реакционной способности разных типов С — Н связей в случае термических свободиораднкальных реакций таким образом, существует явный нараллелизм между экспериментальными данными каталитического и термического крекинга и энергетикой предложенных механизмов. [c.115]

Теория термического крекинга с участием свободных радикалов быда выдвинута Райсом и сотрудниками [26, 31, 32, 33]. Ее применимость к высшим парафинам была подтверждена Воджем и Гудом [40], а распространение ее на другие классы углеводородов обсуждалось Гринсфельдером, Воджем и Гудом [19]. Литература но этому вопросу в настоящее время содержит очевидные доказательства свободнорадикального механизма для многих органических реакций. По-видимому, теория Райса-Косякова хотя и требует некоторого улучшения в деталях, является все же наиболее удовлетворительным объяснением термического крекинга углеводородов. [c.117]

В настояш,ее время кислотный характер алюмосиликатных катализаторов крекинга не вызывает сомнения. Например, такие катализаторы можно титровать едким калием или такими органическими основаниями, как хинолин. Кислотные свойства катализаторов обусловлены, вероятно, присутствием протонов на их поверхности, активной частью которой может быть либо кислота трша (НА13104)ж [62], либо атомы алюминия с дефицитом электронов [37, 61]. Обсуждение теорий, предложенных для объяснения кислотности алюмосиликатных катализаторов не является целью, настоящей главы. Для данного изложения необходимо только указать, что ион карбония Д” “, инициирующий ценную реакцию, может образоваться либо [1] в результате реакции кислотного катализатора с олефином, который образуется при начальном термическом крекинге, либо путем дегидрирования парафинового углеводорода,. либо в результате отщепления гидридного иона от молекулы парафинового углеводорода атомом алюминия с дефицитом электронов [2]. [c.236]

Оба эти механизма описываются одинаковым кинетическим уравнением только до тех пор, пока диссоциация Ij находится в состоянии термического равновесия и число имеющихся в наличии атомов иода определяется термической константой равновесия согласно уравнению (22-23). При более высоких температурах диссоциация усиливается, и это дает такой же результат, как и повыщение константы скорости бимолекулярной реакции. Дж. Салливэн рещил проверить обе теории, изменяя концентрацию атомов иода по сравнению с нормальной, соответствующей термической диссоциации Ij. Он осуществил это при помощи ртутной лампы, пары которой излучают свет с длиной волны 578 нм, вызывающий диссоциацию Ij. Этот свет не должен оказывать на реакцию заметного влияния, если она протекает по бимолекулярному механизму, лишь несколько понижая концентрацию Ij. Но если реакция действительно вклкэчает стадию тримолекулярных столкновений с атомами иода, скорость реакции должна возрастать с интенсивностью облучающего света, поскольку при этом образуется больше атомов иода. [c.381]

В основе теории термической устойчивости реактора лежат идеи теплового взрыва, которые были высказаны еще Вант-Гоффом и разработаны Семеновым [18, 19], Франк-Каменецким [20], Зельдовичем [21, 22] и Тодесом [23, 24]. Идеи теплового взрыва и общие законы теплопередачи были использованы для анализа устойчивости реакторных устройств на базе теории устойчивости, разработанной А. М. Ляпуновым [25]. При этом для анализа устойчивости используется как первый [26], так и второй метод Ляпунова [27]. [c.172]

В работе [28] показано, что рассмотрение радикального неценного механизма крекинга приводит к простым кинетическим, уравнениям, позволяюпщм описать термический крекинг газой-левых фракций. Рассмотрим в качестве иллюстрации использование радикальных представлений для получения математического описания пиролиза этана. В соответствии с теорией термического распада углеводородов можно предположить для этого процесса следующие реакции зарождения радикалов [c. 249]

Нафтены нефти термически более стабильны, чем ациклические углеводороды. С точки зрения теории напряжения наиболее стойкими являются циклопентан и циклогексан. При температурах от 574 до670°С циклопентан распадается на пропилеи и этилен [c.418]

Гипотеза о пр6ме1куточном образовании карбониевых ионов плодотворно примененная для объяснения механизма многих реакций в органическойк химии успешно использована и для объяснения механизма ионных реакций, протекающих в процессах переработки нефти. Основные обобщения сделаны применительно к каталитическому крекингу но могут быть, с определенной ревизией, использованы и для процессов гидрогенизации. Эти обобщения, получившие название карбониево-ионной теории, в первую очередь должны были объяснить различия протекания каталитического и термического крекинга. [c.119]

Здесь нас будут интересовать лишь такие газы, термическое равновесие которых целиком определяется распределением энергии между различными степенями свободы неизменных по своему составу молекул. Так как опыт и теория показывают, что обмен энергии поступательного движения между молекулами происходит в результате немногих газокинетических соударений, а превращение враш.ательной энергии в поступательную (и обратно) за немногими исключениями (например, Hj) также осуществляется в результате сравнительно небольшого числа столкновений, то длительно сохраняющиеся неравновесные состояния рассматриваемых газов могут быть связаны лишь с задержками в оомопе колебательной энергии молекул, т. е. с затрудненностью превращопия колебательной энергии в поступательную и вращатель-и5 ю (и обратно). [c.77]

Для термических равновесных бимолекулярр1Ых 1)сакций А – – В = С -Ь + D теория столкновений приводит к следующему выражению константы скорости к (Т) через сечение реакции (см. 8) [c.144]

Ф р о с т А. В., Теория термических реакций при крекинге, Труды сессии АН СССР, секция Орг. хим., Академиздат, 1939, стр. 99. [c.260]

В отличие от рассмотренных колонн Беннер с сотр. [69] предложил другое конструктивное решение. Он поместил вращающийся металлический конденсатор в колонну с обогреваемыми стенками. Эффект разделения в этой колонне возникает как за счет противоточного взаимодействия фаз в поле центробежных сил, так и за счет ряда последовательно протекающих и взаимосвязанных процессов парциальной конденсации и испарения. Байрон с сотр. [70] описал колонну аналогичной конструкции, он разработал лежащую в основе этого принципа разделения теорию термической ректификации (см. рис. 283 и разд. 5.4.3). [c.365]

Широкое распространение получила так называемая фосфид-ная теория [15, с. 133]. Бик при изучении влияния тритолилфос-фита на процесс граничного трения пришел к выводу, что под действием высоких контактных температур трения на металлических поверхностях образуется легкоплавкая эвтектическая х месь фосфидов металлов, которая способствует процессу химической полировки поверхности. Этот вывод подтвержден при изучении термического разложения- триалкилфосфитов при 250—260°С. Сначала триалкилфосфиты адсорбируются на поверхности трения, но при больших нагрузках и высокой контактной температуре разлагаются на более простые соединения — фосфорную кислоту, фосфин и непредельные углеводороды, причем фосфин затем взаимодействует с металлической поверхностью, образуя на ней пленку фосфидов металлов. [c.134]

Мы изложили теорию превращения в пластическое состояние с образованием метапласта, который вызывает определенный вид сольволиза больших конденсированных молекул. Так как этот метапласт постепенно превращается в процессе термической деструкции в полукокс и газообразные продукты, то естественно, что пластическое состояние прекращается. [c.111]

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Считается, что первые люди жили в Африке. На это указывают найденные окаменелости и результаты генетических исследований. Однако ученые из Китая придерживаются другой точки зрения. Они пересмотрели теорию эволюции, создав свою версию. «Лента.ру» разбирается, заслуживает ли их исследование серьезного внимания или это очередной пример маргинальной науки.

Существуют две основные гипотезы происхождения современного человека. Первая — мультирегиональная — была предложена в 1984 году. По ней непосредственный предок человека — архантроп, или Homo erectus, — пришел из Африки и расселился по всей Евразии во времена раннего и среднего плейстоцена. Отдельные его популяции дали начало всем современным расам сапиенсов: европеоидам, негроидам, монголоидам и австралоидам. Кроме того, сторонники мультирегиональной гипотезы считают, что неандертальцы, эректусы, денисовцы относятся к одному виду — люди (Homo) — и представляют собой просто его отдельные формы. А сам общий предок людей жил примерно 2,3-2,8 миллиона лет назад.

Материалы по теме

00:01 — 17 июля 2016

Главный аргумент в пользу этой гипотезы — окаменелости сапиенсов, архантропов (тех же эректусов) и других древних людей. Найденные по всей Евразии останки, по мнению сторонников этой теории, свидетельствуют о региональной преемственности определенных человеческих черт. Иными словами, современный человек возникал несколько раз.

Но имеется существенная проблема — мультирегионализм противоречит научным представлениям об эволюции. Да, в эволюционной теории есть понятие параллелизма, когда у разных видов животных независимо друг от друга возникают общие черты. Например, обтекаемая форма тела и плавники у акул и дельфинов. Это делает животных похожими, но никак не близкими родственниками. Или глаза: у кальмаров, млекопитающих и насекомых они настолько анатомически разные, что нельзя даже предполагать существование какого-то общего «предкового» органа. Однако с людьми все иначе.

Череп эректуса

Мультирегиональную гипотезу безжалостно опровергают генетические данные. Еще в 1987 году анализ митохондриальной ДНК (она наследуется только от матерей) человека показал, что мы все — потомки одной женщины, жившей около 200 тысяч лет назад, так называемой Митохондриальной Евы (не имеет ничего общего со своей тезкой из Библии). Естественно, она жила среди других людей, но только ее митохондриальная ДНК была унаследована всеми живущими сейчас Homo sapiens, в том числе азиатами, австралийцами и африканцами.

Это открытие несовместимо с мультирегионализмом. У людей был один предок, а не несколько, разбросанных по планете. Да и 200 тысяч лет — гораздо меньше, чем два миллиона лет. Это, конечно, не дает ответа на вопрос, когда возникли сапиенсы: Митохондриальная Ева сама была сапиенсом, как и ее родители. Однако новые сведения говорят в пользу второй основной гипотезы происхождения человека — африканской.

Эта гипотеза предполагает, что первые люди анатомически современного типа появились в Африке. Отсюда пошли разные ветви сапиенсов, в том числе пигмеи и бушмены. По мнению Александра Козинцева, научного сотрудника Музея антропологии и этнографии РАН, именно на этом континенте могла реализоваться своеобразная мини-версия мультирегионализма. По-видимому, тут образовалось множество различных африканских групп, и некоторых из них дали начало сапиенсам. Причем представители разных ветвей контактировали, что привело в конечном итоге к формированию современного человека как единого вида.

Мультирегионализм в своей более глобальной версии не способен обеспечить генетическое единство всех Homo sapiens. Иначе сторонникам этой архаичной гипотезы пришлось бы предположить, что популяции древних людей на различных континентах как-то взаимодействовали между собой. Но свидетельств таких межконтинентальных контактов в плейстоцене нет.

Кость денисовского человека

Сапиенсы вышли из Африки примерно 70-50 тысяч лет назад. Расселяясь по Евразии, они вытесняли неандертальцев и денисовских людей, изредка скрещиваясь с ними. Если бы современный человек произошел от неандертальцев, как предполагают мультирегионалисты, то их митохондриальная ДНК мало отличалась от нашей. Однако, как показала расшифровка генома Homo neanderthalensis, между нами и ними глубокая генетическая пропасть.

Тем не менее попытки реабилитировать эту гипотезу продолжаются. Так, генетик Ши Хуан (Shi Huang) из Центрального южного университета в Китае и ярый противник дарвинизма решил нанести удар по генетическим доказательствам. Препринт статьи он опубликовал в репозитории bioRxiv.

Китайский ученый подверг критике метод молекулярных часов, применяемый для оценки генетического расстояния между различными видами. Суть в следующем. Со сменой поколений в ДНК у определенного вида с постоянной скоростью накапливаются нейтральные мутации, которые никак не влияют на его выживаемость (это имеет значение, поскольку вредные мутации отбраковываются, а полезные происходят достаточно редко). У родственных видов также накапливаются мутации с той же самой скоростью. Поэтому виды одного рода более менее одинаково отличаются друг от друга, а у видов различных родов отличий больше.

Материалы по теме

00:03 — 9 июня 2016

Таким образом, молекулярные часы — не только инструмент выявления родственных связей между видами. По ним можно примерно определить, когда один вид отделился от другого. «Примерно» — ключевое слово.

Дело в том, что при всей своей полезности молекулярные часы имеют ряд недостатков. Главный из них — темпы мутаций не всегда постоянны. На это влияют определенные факторы, способные замедлять или ускорять мутации. Например, могут возникать новые повторные последовательности ДНК, представляющие собой «горячие точки» случайных изменений. В результате виды, близкие в эволюционном плане, по молекулярным часам оказываются более далекими, чем виды не столь родственные. Так, мультирегионалисты любят указывать на то, что между мтДНК различных шимпанзе больше отличий, чем между мтДНК людей и неандертальцев. То есть генетическая пропасть, разделяющая нас и H.neanderthalensis, якобы перестает что-то значить.

Ши Хуан идет дальше и пытается доказать, что не работает общепринятый механизм эволюции. Чтобы объяснить, почему отказывают молекулярные часы, он предлагает спорную и чисто умозрительную теорию, названную им гипотезой максимального генетического разнообразия. По Ши Хуану мутации в генах выступают движущей силой лишь микроэволюции, то есть возникновения небольших изменений на внутривидовом уровне. При макроэволюции, когда образуются новые группы организмов, усложняются эпигенетические программы. Чем они сложнее, тем больше мутаций могут их нарушить, поэтому генетическое разнообразие должно снижаться. В итоге в сложных организмах якобы есть ограничение на количество нейтральных мутаций. Это, по мнению Хуана, позволяет объяснить, почему сапиенсы и неандертальцы отличаются в меньшей степени, чем разновидности шимпанзе.

Хуан применил свою сомнительную теорию для пересмотра эволюции человека. Так, африканцы оказались ближе друг к другу, чем к остальным группам человеческого населения. Этот вывод противоречит африканской гипотезе, ведь если люди изначально жили в Африке, то их отдельным линиям ничто не мешало накопить большое количество мутаций. Кроме того, китайский ученый установил примерное время разделения основных евразийских человеческих популяций — около двух миллионов лет назад. Очень нескромная дата по сравнению с возрастом Митохондриальной Евы, но вполне вписывающаяся в мультирегионализм.

Хуан также предположил, что были две миграции из Африки: эректуса с предком неандертальцев и денисовских людей. И пришел к выводу, что современные африканцы ближе к последним, чем неафриканцы. Митохондриальную Еву он переместил из Африки в Восточную Азию.

Реконструкция неандертальцев

Интересно, что эти выводы основаны на исключении из генетического анализа нейтральных мутаций, которые якобы из-за эпигенетических программ искажают истинную картину. Хуан создал новую версию молекулярных часов — «медленную», в которой учитываются изменения только в консервативных и с трудом меняющихся последовательностях ДНК. Неоправданно выбросив целый кусок данных, он буквально перевернул все с ног на голову.

Вот только китайский исследователь не учел другие возможные объяснения замедления молекулярных часов. Так, эволюционисты ссылаются на эффект времени генерации. Человек живет дольше обезьян, поэтому мутации в людях накапливаются медленнее.

Нельзя сравнивать темп мутаций у людей и у шимпанзе. Молекулярные часы следует применять на локальном уровне, то есть для оценки времени возникновения близкородственных видов. В рамках эволюции людей разница между неандертальцами и сапиенсами имеет значение. В более широких масштабах возможны грубые ошибки. Это лишний раз напоминает о том, как важно знать границы применимости научных инструментов.

Что касается Ши Хуана, то его статьи, в том числе та, где он впервые предлагает свою гипотезу, не прошли рецензирование экспертов. Хотя сторонники мультирегионализма поддерживают его, китайскому генетику приходится ограничиваться репозиториями препринтов, где он может беспрепятственно выкладывать свои черновики, не опасаясь серьезной критики со стороны экспертов в области антропогенеза.

Некоторые западные ученые полагают, что в китайских исследованиях происхождения человека замешана политика. Китайцы стремятся доказать всему миру, что люди возникли на территории их страны. Хотя китайские антропологи отвергают подобные обвинения, они буквально вцепились в гипотезу азиатского происхождения сапиенсов, считая, что в ее пользу есть веские доказательства.

Некоторое противостояние (намеренное или нет) с западной наукой прослеживается и в других областях. Можно хотя бы вспомнить то, что в Китае доля исследований, подтверждающих пользу китайской медицины, больше, чем во всем остальном мире (эти клинические результаты критикуются сторонниками доказательной медицины). Что касается гипотез антропогенеза, то, возможно, тут сыграла роль и некоторая обида за ситуацию с Пекинским человеком. Этот родственник питекантропов когда-то считался предком монголоидной расы. Но теперь пальма первенства перешла в Африку.

Происхождение нефти, ее состав и основные свойства

Нефтяные месторождения — уникальное хранилище энергии, образованной и накопленной на протяжении миллионов лет в недрах нашей планеты. В этом материале — о том, какой путь проделала нефть, прежде чем там оказаться, из чего она состоит и какими свойствами обладает

Две гипотезы

У ученых до сих пор нет единого мнения о том, как образовалась нефть. Существуют две принципиально разные теории происхождения нефти. Согласно первой — органической, или биогенной, — из останков древних организмов и растений, которые на протяжении миллионов лет осаждались на дне морей или захоронялись в континентальных условиях. Затем перерабатывались сообществами микроорганизмов и преобразовывались под действием температуры и давлений в результате тектонического опускания вглубь недр, формируя богатые органическим веществом нефтематеринские породы.

Необходимые условия для превращения органики в нефть возникают на глубине 1,5–6 км в так называемом нефтяном окне — при температуре от 70 до 190°C. В верхней его части температура недостаточно высока — и нефть получается «тяжелой»: вязкой, густой, с высоким содержанием смол и асфальтенов. Внизу же температура пластов поднимается настолько, что молекулы органического вещества дробятся на самые простые углеводороды — образуется природный газ. Затем под воздействием различных сил, в том числе градиента характеризует степень изменения давления в пространстве, в данном случае — в зависимости от глубины пласта давления, углеводороды мигрируют из нефтематеринского пласта в выше- или нижележащие породы.

60 млн лет может занимать природный процесс образования нефти из органических останков

Природный процесс образования нефти из органических останков занимает в среднем от 10 до 60 млн лет, но если для органического вещества искусственно создать соответствующий температурный режим, то на его переход в растворимое состояние с образованием всех основных классов углеводородов достаточно часа. Подобные опыты сторонники органической гипотезы толкуют в свою пользу: преобразование органики в нефть налицо. В пользу биогенного происхождения нефти есть и другие аргументы. Так, большинство промышленных скоплений нефти связано с осадочными породами. Мало того — живая материя и нефть сходны по элементному и изотопному составу. В частности, в большинстве нефтяных месторождений обнаруживаются биомаркеры, такие как порфирины — пигменты хлорофилла, широко распространенные в живой природе. Еще более убедительным можно считать совпадение изотопного состава углерода биомаркеров и других углеводородов нефти.

Состав и свойства нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ МОГУТ ЗНАЧИТЕЛЬНО РАЗЛИЧАТЬСЯ ДЛЯ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основные химические элементы, из которых состоит нефть: углерод — 83–87%, водород — 12–14% и сера — до 7%. Последняя обычно присутствует в виде сероводорода или меркаптанов, которые могут вызывать коррозию оборудования. Также в нефтях присутствует до 1,7% азота и до 3,5% кислорода в виде разнообразных соединений. В очень небольших количествах в нефтях содержатся редкие металлы (например, V, Ni и др.).

От месторождения к месторождению характеристики и состав нефти могут различаться очень значительно. Ее плотность колеблется от 0,77 до 1,1 г/см³. Чаще всего встречаются нефти с плотностью 0,82–0,92 г/см³.Температура кипения варьирует от 30 до 600°C в зависимости от химического состава. На этом свойстве основана разгонка нефтей на фракции. Вязкость сильно меняется в зависимости от температуры. Поверхностное натяжение может быть различным, но всегда меньше, чем у воды: это свойство используется для вытеснения нефти водой из пор пород-коллекторов.

Большинство ученых сегодня объясняют происхождение нефти биогенной теорией. Однако и неорганики приводят ряд аргументов в пользу своей точки зрения. Есть различные версии возможного неорганического происхождения нефти в недрах земли и других космических тел, но все они опираются на одни и те же факты. Во-первых, многие, хотя и не все месторождения связаны с зонами разломов. Через эти разломы, по мнению сторонников неорганической концепции, нефть и поднимается с больших глубин ближе к поверхности Земли. Во-вторых, месторождения бывают не только в осадочных, но также в магматических и метаморфических горных породах (впрочем, они могли оказаться там и в результате миграции). Кроме того, углеводороды встречаются в веществе, извергающемся из вулканов. Наконец, третий, наиболее весомый аргумент в пользу неорганической теории состоит в том, что углеводороды есть не только на Земле, но и в метеоритах, хвостах комет, в атмосфере других планет и в рассеянном космическом веществе. Так, присутствие метана отмечено на Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. На Титане, спутнике Сатурна, обнаружены реки и озера, состоящие из смеси метана, этана, пропана, этилена и ацетилена. Если на других планетах Солнечной системы эти вещества могут образовываться без участия биологических объектов, почему это невозможно на Земле?

С точки зрения современных сторонников неорганической, или минеральной, гипотезы, углеводороды образуются из содержащихся в мантии Земли воды и углекислого газа в присутствии закисных соединений металлов на глубинах 100–200 км. Высокое давление в недрах земли препятствует термической деструкции сложных молекул углеводородов. В свою очередь сторонники органики не отрицают, что простые углеводороды, например метан, могут иметь и неорганическое происхождение. Опыты, направленные на подтверждение абиогенной теории, показали, что получаемые углеводороды могут содержать не более пяти атомов углерода, а нефть представляет собой смесь более тяжелых соединений. Этому противоречию объяснений пока нет.

Этапы образования нефти

СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕФТИ

осадконакопление (седиментогенез) — в процессе накопления осадка остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов или захороняются в континентальной обстановке;
биохимическая (диагенез) — происходит уплотнение, обезвоживание осадка и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;
протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5–2 км при медленном подъеме температуры и давления;
мезокатагенез, или главная фаза нефтеобразования (ГФ Н), — опускание пласта органических остатков на глубину до 3–4 км при подъеме температуры до 150°C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит «отжим» нефти за счет перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в пласты-коллекторы, а по ним — в ловушки;
апокатагенез керогена, или главная фаза газообразования (ГФГ ), — опускание пласта органических остатков на глубину (как правило, более 4,5 км) при подъеме температуры до 180—250°C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и генерирует газ.

В ловушке

Помимо чисто научного интереса гипотезы, объясняющие происхождение нефти и газа, имеют еще и политическое звучание. Действительно, раз уж нефть может получаться из неорганических веществ и темпы ее образования не десятки миллионов лет, как предполагает биогенная концепция, а во много тысяч раз выше, значит, проблема скорого исчерпания запасов становится как минимум не столь однозначной. Однако для нефтяников вопрос о том, откуда берется нефть, принципиален скорее с той точки зрения, может ли теория предсказать, где именно нужно искать месторождения. С этой задачей органики справляются лучше.

В сугубо прагматическом отношении для добычи важно знать даже не то, где нефть зародилась, а где она находится сейчас и откуда ее можно извлечь. Дело в том, что в земной коре большая часть нефти не остается в материнской породе, а перемещается и скапливается в особых геологических объектах, называемых ловушками. Даже если предположить, что нефть имеет неорганическое происхождение, ловушки для нее все равно за редким исключением находятся в осадочных бассейнах.

Под действием различных факторов углеводороды отжимаются из нефтематеринских пород в породы-коллекторы, способные вмещать флюиды (нефть, природный газ, воду). Таким образом, нефтяное месторождение — вовсе не подземное «озеро», заполненное жидкостью, а достаточно плотная структура. Коллекторы характеризуются пористостью (долей содержащихся в них пустот) и проницаемостью (способностью пропускать через себя флюид). Для эффективного извлечения нефти из коллектора важно благоприятное сочетание обоих этих параметров.

Типы коллекторов

БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ ЗАПАСОВ НЕФТИ СОДЕРЖИТСЯ В ДВУХ ТИПАХ КОЛЛЕКТОРОВ

Терригенные (пески, песчаники, алевролиты, некоторые глинистые породы и др.) состоят из обломков горных пород и минералов. Этот тип коллекторов наиболее распространен: на них приходится 58% мировых запасов нефти и 77% газа. В качестве пустотного пространства, в котором накапливается нефть, в основном выступают поры — свободное пространство между зернами, из которых состоит коллектор.

Карбонатные (в основном известняки и доломиты) занимают второе место по распространенности (42% запасов нефти и 23% газа). Имеют сложную трещиноватую структуру. Нефть обычно содержится в кавернах, появившихся в результате выветривания и вымывания твердой породы, а также в трещинах. Наличие трещин влияет и на фильтрационные свойства коллектора, обеспечивая проводимость жидкости.

Вулканогенные и вулканогенно-осадочные (кислые эффузивы и интрузивы, пемзы, туфы, туфопесчаники и др.) коллекторы отличаются характером пустотного пространства — в основном это трещины, — резкой изменчивостью свойств в пределах месторождений.

Глинисто-кремнисто-битуминозные отличаются значительной изменчивостью состава, неодинаковой обогащенностью органическим веществом. Промышленная нефтеносность глинисто-кремнисто-битуминозных пород установлена в баженовской (Западная Сибирь) и пиленгской (Сахалин) свитах.

Двигаясь по коллектору, флюид в какой-то момент может упереться в непроницаемый для него экран — флюидоупор. Слои такой породы называют покрышками, а вместе с коллектором они формируют ловушки, удерживающие нефть и газ в месторождении. В классическом варианте в верхней части ловушки может присутствовать газ (он легче). Снизу залежь подстилается более плотной, чем нефть, водой.

Классификации ловушек чрезвычайно разнообразны (часть из них см. на рис.). Наиболее простая и с точки зрения геологоразведки, и для дальнейшей добычи — антиклинальная ловушка (сводовое поднятие), перекрытая сверху пластом флюидоупора. Такие ловушки образуются в результате изгибов пластов осадочного чехла. Однако помимо изгибов внутренние пласты претерпевают и множество других деформаций. В результате тектонических движений, например, пластколлектор может деформироваться и потерять свою однородность. В этом случае процессы геологоразведки и добычи оказываются намного сложнее. Еще одна неприятность, которая поджидает нефтяников со стороны ловушек, — замещение проницаемых пород, обладающих хорошими коллекторскими свойствами, например песчаников, непроницаемыми. Такие ловушки называются литологическими.

Антиклиналь

Тектоническая экранированная ловушка

Соляной купол

Стратиграфическая ловушка

Ровесница динозавров

Когда же образовались те структуры, в которых сегодня находят нефть? Основные ее ресурсы сосредоточены в относительно молодых мезозойских и кайнозойских отложениях, сформировавшихся от нескольких десятков млн до 250 млн лет назад. Однако добыча нефти ведется и из палеозойских отложений (до 500 млн лет назад), а в Восточной Сибири — даже из отложений верхнего протерозоя, которым более полумиллиарда лет.

Многочисленные нефтяные месторождения встречаются в отложениях девона (420–360 млн лет назад). В этот период на Земле появились насекомые и земноводные, в морях большого разнообразия достигли рыбы и кораллы. Во время пермского периода (300–250 млн лет назад) климат стал более засушливым, в результате чего высыхали моря и образовывались мощные соляные толщи, ставшие впоследствии идеальными флюидоупорами.

Эпоха господства динозавров — юрский (200–145 млн лет назад) и меловой (145–66 млн лет назад) периоды мезозоя — характеризуется максимальным расцветом жизни и связана с высоким осадконакоплением. Некоторые гигантские и крупные месторождения (Иран, Ирак) нефти находят в отложениях палеогена(66—23 млн лет назад). Известны месторождения нефти в четвертичных породах возрастом менее 2 млн лет (Азербайджан).

Впрочем, связь между возрастом пород-коллекторов и временем образования нефти не прямолинейна. Этот процесс может быть последовательным: в юрском или меловом периоде органический осадок начал опускаться вниз и преобразовываться в нефть, которая по прошествии нескольких десятков миллионов лет мигрировала в коллекторы, принадлежащие к более молодым комплексам пород. С другой стороны, древние нефтематеринские породы, образованные в палеозое, могли опуститься на достаточную для созревания нефти глубину намного позднее. Таким образом, в одних и тех же коллекторах можно найти и более молодую, и древнюю нефть, значительно различающиеся по своим свойствам.

Смешанные свойства

Между тем моментом, когда на дно морского бассейна опускается отмерший планктон, и тем, когда накопившийся слой органики, погрузившись на несколько километров вниз, отдает нефть, миллионы лет и целый ряд химических и физических преобразований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что состав нефти крайне разнообразен и неоднороден. Именно поэтому сами нефтяники привыкли употреблять это слово во множественном числе — говоря о разведке или добыче нефтей и подразумевая, что каждый раз извлекаемая жидкость будет уникальной, отличающейся от всего, что было добыто ранее.

В своей основе нефть — сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы. Преобладают в ней алканы, нафтены и арены. Наиболее простые из них — алканы (парафиновые углеводороды), у которых к атомам углерода присоединено максимальное количество атомов водорода. К алканам относятся метан, этан, пропан, бутан, пентан и т. д. Они могут быть представлены газами, жидкостями и твердыми кристаллическими веществами. Количество алканов в нефти колеблется от четверти до семидесяти процентов объема. При большом проценте алканов нефть считается парафинистой. С точки зрения добычи такое свойство считается проблемным — при подъеме нефти из скважины и соответственном уменьшении температуры парафины могут кристаллизоваться и выпадать на стенки скважин.

Нафтены — соединения, в которых атомы углерода соединяются в циклическое кольцо (циклопропан, циклобутан, циклопентан и др.). Все связи углерода и водорода здесь насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладают устойчивыми свойствами. Нафтены могут иметь от 2 до 5 циклов в молекуле, по их составу химики пытаются определять зрелость и другие свойства нефти.

В составе аренов, или ароматических углеводородов, также есть циклические структуры — бензольные ядра. Для них характерны большая растворяемость, более высокая плотность и температура кипения. Обычно нефть содержит 10–20% аренов, а в ароматических нефтях их содержание доходит до 35%. Наиболее богаты аренами молодые нефти. Арены — ценное сырье при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов.

Нефть любят называть черным золотом, однако чистые углеводороды бесцветны. Цвет нефтям придают разнообразные примеси, в основном смолы. Асфальтосмолистая часть нефтей — вещество темного цвета. Входящие в ее состав асфальтены растворяются в бензине.

Нефтяные смолы, напротив, не растворяются. Они представляют собой вязкую или твердую, но легкоплавкую массу. Наибольшее количество смол отмечается в тяжелых темных нефтях, богатых ароматическими углеводородами. Такие нефти обладают повышенной вязкостью, что затрудняет их извлечение из пласта.

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ / Все номера

Стр. 64

Влияние вспышки на Солнце на АЧХ поля атмосфериков (экспериментальные данные)

Алексей Галахов

В данной статье приводятся экспериментальные данные характеристик поля атмосфериков, зарегистрированных на авроральной обсерватории ПГИ Ловозеро (Мурманская обл.) во время солнечной вспышки по X-Ray Flux данным спутника GOES. Приведены амплитудно-временны′е вариации спектральных составляющих электромагнитного поля атмосфериков при вспышке на Солнце мощности класса В, С (20.11.2020 г.). В качестве приёмно-регистрирующей аппаратуры на обсерватории использовался приёмник ОНЧ-диапазона (400…7500 Гц) с рамочной антенной на входе и последовательный анализатор спектра поля атмосфериков в качестве регистратора принятых сигналов.

Стр. 46

Элементный анализ планарных наноструктур на базе рентгеновской эмиссии, индуцированной высокоэнергетическим возбуждением

Евгений Егоров, Владимир Егоров, Алексей Галицын

В работе дана краткая сравнительная характеристика высокоэнергетических методов возбуждения характеристической рентгеновской эмиссии, основанных на применении пучков жёсткого рентгеновского излучения, потоков ионов высоких энергий и электронного микрозондирования материалов, ориентированная на элементный анализ планарных наноструктур. Описаны возможности такого анализа поверхности материалов. В частности, описан метод рентгено-флюоресцетного анализа, выполняемый в условиях полного внешнего отражения потока жёсткого рентгеновского излучения от изучаемой поверхности (РФА ПВО), недеструктивный диагностический метод, не требующий для своего применения вакуумирования, позволяющий эффективно определять усреднённый состав поверхностного слоя материала толщиной 8-10 нм. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие эффективность представленных методов для элементной диагностики планарных наноструктур.

Стр. 56

Результаты измерений диэлектрических свойств нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок в СВЧ-диапазоне

Андрей Фирсенков, Игорь Мироненко, Аркадий Иванов

В статье рассматриваются методы измерения в СВЧ-диапазоне свойств многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок на основе твёрдых растворов бария-стронция (BSTO).

Стр. 52

О некоторых особенностях формирования межчастотного корреляционного признака

Владимир Бартенев

Рассматривается задача классификации объектов в РЛС по их продольному размеру на основе межчастотного корреляционного признака. Оптимальный для этой задачи классификатор строится на основе оценки максимального правдоподобия модуля межчастотного коэффициента корреляции, сравниваемого с порогом. Однако есть два способа формирования этой оценки: с использованием независимых выборок наблюдений от обзора к обзору и коррелированных выборок от импульса к импульсу в одном обзоре. Об особенностях такого формирования межчастотного корреляционного признака и пойдёт речь в этой статье.

Стр. 54

Современный подход к измерению импульсных радиопомех с использованием амплитудно-вероятностного распределения

Дмитрий Богаченков, Николай Лемешко

В статье рассматривается современный подход к определению характеристик импульсных радиопомех с использованием амплитудно-вероятностного распределения. Рассмотрены источники помех с нестационарными спектрально-энергетическими характеристиками, проанализированы требования стандартов к средствам измерений, имеющим функцию построения амплитудно-вероятностного распределения. Рассмотрены схемы установок для измерений амплитудно-вероятностного распределения. В качестве примера рассмотрены новые возможности измерительных приёмников Rohde&Schwarz ESW, позволяющих значительно ускорить испытания на эмиссию излучаемых радиопомех для оборудования некоторых типов.

Стр. 62

Способ адаптивного корреляционного обнаружения

Владимир Бартенев

Рассматривается задача корреляционного обнаружения флюктуирующих коррелированных сигналов на фоне некоррелированного шума. Один способ корреляционного обнаружения реализуется с помощью умножения и когерентного накопления сигналов с фиксированным порогом. В другом предложенном способе после умножения и когерентного накопления используется адаптивный порог. Расчёт порогов для вероятностей ложных тревог на выходе этих корреляционных обнаружителей для малых выборок наблюдения произведён аналитически, а вероятности правильного обнаружения рассчитаны моделированием в системе MATLAB. Данные результаты в радиолокационной практике получены впервые. На способ адаптивного корреляционного обнаружения получен патент.

Стр. 60

Расчёт величин MTBF для гибридных интегральных схем с использованием редакций военного справочника MIL-HDBK-217F, Notice 1 и 2

Ричард Миллер, перевод: Жданкин Виктор

Стр. 64

Экспериментальная оценка магнитных характеристик низкочастотных магнитопроводов

Николай Лемешко, Михаил Горелкин, Павел Струнин

В статье рассмотрена номенклатура параметров магнитопроводов, представляющих интерес в контексте их использования в составе обмоточных изделий. Выполнен анализ способов построения семейства петель гистерезиса для оценки магнитных свойств магнитопроводов. Показано, что наиболее применимым для этой цели в условиях радиолаборатории является способ трансформатора, при котором петли гистерезиса отображаются на экране осциллографа в XY-режиме. Выполнен анализ составляющих погрешности построения петель гистерезиса при использовании метода трансформатора. С применением осциллографа серии R&S RTO в качестве примера выполнены измерения магнитных характеристик для магнитопровода, предназначенного для использования в трансформаторах и индуктивностях.

Стр. 54

Обратный ток в синхронных выпрямителях

Виктор Жданкин

Для обеспечения приемлемых энергетических характеристик в современных модулях питания с низкими выходными напряжениями и большими токами нагрузки применяется синхронное выпрямление. Замена диода Шоттки на MOSFET повышает эффективность, так как прямое падение напряжения на MOSFET более низкое благодаря его меньшему сопротивлению в открытом состоянии (и, следовательно, ниже потери) по сравнению с диодом. Работа двух MOSFET в данной схеме должна быть синхронизирована таким образом, чтобы они открывались и закрывались попеременно. Разработчики должны знать о некоторых проблемах, возникающих при проектировании синхронных выпрямителей. Об одной из этих проблем – токе через внутренний диод MOSFET во время необходимых задержек на переключение транзистора – рассказано в данной статье, которая является авторским переводом работы [1].

Стр. 58

Ослабление потоков электронов радиационных поясов земли защитными экранами на основе композита W-Cu

А.С. Якушевич, Ю.В. Богатырев, С.С. Грабчиков, С.Б. Ластовский, Н.А. Василенков, А.Е. Козюков, Г.А. Протопопов

Для снижения дозовых нагрузок на электронную компонентную базу космических аппаратов от потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли применяются экраны локальной радиационной защиты. Такие экраны изготавливают на основе материалов с большим атомным номером и высокой плотностью (вольфрама, тантала, композита W-Cu и др.), а затем интегрируют в металлокерамические корпуса электронных компонентов с недостаточным уровнем радиационной стойкости. Методом Монте-Карло рассмотрены способы снижения уровня поглощённой кристаллами активных элементов дозы с помощью экранов радиационной защиты на основе композита W-Cu в гибридных металлических корпусах при воздействии электронов круговой орбиты с углом наклонения 30° и высотой 8000 км.

Стр. 68

Ватты и вольт-амперы – извечная путаница

Нил Расмуссен, APC by Schneider Electric

В настоящей статье разъясняются отличия между ваттами и вольт-амперами, а также приводятся примеры правильного и неправильного использования терминов в отношении оборудования резервного электропитания.

Стр. 72

Ресурсные испытания мощных GaN-транзисторов на подложке SiC (при высокой температуре и большой мощности СВЧ)

Брайан Барр, Дэн Буркхард, M/A-COM Technology Solutions RF Power Products Group

Поскольку технология мощных GaN-приборов развивается и получает признание на мировом рынке, поставщики изделий просто обязаны подтвердить её надёжность. Эта статья посвящена подходам к испытаниям, используемым для установления частоты отказов в условиях высоких температур (HTOL) на постоянном токе (DC HTOL) и в режиме усиления СВЧ-сигнала (RF HTOL). Основное внимание уделено методу испытаний RF HTOL, который использует компания M/A-COM Technology Solutions для аттестации своей новой линейки MAGX дискретных мощных GaN-транзисторов на карбиде кремния. Обсуждаются результаты сравнения надёжности GaN и кремниевых полупроводниковых технологий.

Стр. 62

Резервы классических аппроксимаций цифровых БИХ-фильтров

Александр Мингазин

Статья посвящена проблеме выбора исходных параметров АЧХ классических цифровых БИХфильтров Баттерворта, Чебышева (I и II) и Золотарёва-Кауэра с целью получения минимальной неравномерности ХГВЗ и/или минимальной нелинейности ФЧХ в полосе пропускания. Рассмотрен ряд вопросов, а именно: как найти оптимальные параметры, какая аппроксимация является наилучшей, насколько хороши решения с квантованными коэффициентами, можно ли улучшить результаты, найденные ранее оригинальными методами аппроксимации, и как сильно влияет выбор исходных параметров на выравнивание ХГВЗ с помощью фазовых корректоров.

Стр. 68

Приложение принципов адаптивного моделирования к задачам управления динамическими объектами типа «чёрный ящик»

Наталья Гудкова

В статье рассматривается способ управления динамическими объектами с неизвестными математическими моделями, основанный на принципах прямого и обратного адаптивного моделирования объекта. При этом адаптивные модели в системе управления реализуются в виде трансверсальных фильтров с весовыми коэффициентами, перестраиваемыми по алгоритму наименьших квадратов в режиме реального времени. Результаты имитационного моделирования системы свидетельствуют об эффективности использования предложенных алгоритмов для адаптивного управления объектами с параметрической и структурной неопределённостью.

Стр. 74

Алгоритмы адаптивной линеаризации характеристик датчиков в АСУ ТП

Наталья Гудкова

Рассматривается метод цифровой линеаризации датчиков, основанный на адаптивном обратном моделировании неопределённых динамических объектов. Модель датчика представляет собой весовой коэффициент, перестраиваемый по методу наименьших квадратов в режиме реального времени. Показано, что предлагаемая адаптивная структура проста в реализации и обеспечивает высокую точность линеаризации. Приведены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие эффективность предложенных алгоритмов.

Стр. 66

Фактическая максимальная амплитуда предельных циклов в цифровом фильтре второго порядка при нулевом входе

Александр Мингазин

В статье рассматривается цифровой БИХ-фильтр второго порядка прямой формы, работающий с фиксированной точкой и единственным округлением после суммирования. Сравниваются существующие верхние границы амплитуды предельных циклов при нулевом входе фильтра и их фактическая максимальная амплитуда, найденная прямым моделированием с помощью алгоритма исчерпывающего поиска. Иллюстрируются зависимости максимальной амплитуды от значений коэффициентов фильтра. На основе анализа зависимостей установлены области коэффициентов, где фактическая максимальная амплитуда предельных циклов определяется аналитически. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании более сложных структур фильтров, состоящих из звеньев не выше второго порядка, например, каскадных или параллельных.

Стр. 74

Повышение качества электропитания в условиях воздействия внешних факторов, импульсных помех и перенапряжений

Александр Гончаров, Владимир Савенков

Статья посвящена практическим вопросам создания помехоустойчивых систем электропитания. Рассматриваются способы повышения качества электрического питания в распределённых системах на основе модульных унифицированных преобразователей.

Стр. 62

Испытания электротехнических и электронных изделий

Дмитрий Гаманюк

Автор предлагает способ определения объёма выборки изделий в рамках периодических испытаний для оценки их качества и надёжности на основе теории вероятностей и теоремы Байеса.

Стр. 72

Синтез упругомассовых cистем управления по желаемой переходной характеристике

Наталья Гудкова, Владимир Чуйков

Рассматривается метод синтеза упругомассовой системы управления по желаемой переходной характеристике. Показано, что параметры регулятора определяются из соотношений, полученных путём минимизации отклонения переходного процесса в синтезируемой системе от желаемого. Описана методика синтеза, выполнено компьютерное моделирование системы и представлены его результаты.

Стр. 70

Квазиоптимальные адаптивные алгоритмы обнаружения сигналов

Владимир Бартенев

В статье рассмотрены квазиоптимальные адаптивные алгоритмы обнаружения сигналов в условиях априорной помеховой неопределённости, основанные на Марковской и авторегрессионной моделях коррелированных помех. Оба подхода позволяют приблизиться к оптимальной обработке, не прибегая к обращению оцениваемой ковариационной матрицы помехи. Несомненным преимуществом обладает авторегрессионный подход, обеспечивающий обнаружение сигналов на фоне многокомпонентных коррелированных помех.

Стр. 68

Многодатчиковые мостовые измерительные схемы

Георгий Волович

В статье рассмотрены многодатчиковые измерительные схемы, приведены основные соотношения, устанавливающие связь между входными и выходными сигналами, представлена схема на ОУ, устраняющая взаимное влияние датчиков.

Стр. 70

Длина слова переменных в каскадных БИХ-фильтрах

Александр Мингазин

В статье рассматриваются каскадные цифровые БИХ-фильтры на базе звеньев 2-го порядка прямой формы, оперирующие с фиксированной точкой. Округление в фильтрах выполняется как внутри звеньев, так и между ними, что даёт возможность выбрать неидентичными длины слов переменных в цепях прямой и обратной связи. Представлены варианты определения длины слова, основанные на вероятностной, детерминированной и фактической оценке ошибки, обусловленной округлениями. Для этих вариантов на конкретных примерах показано, как сильно отличаются длины слов в цепях прямой и обратной связи, какое упрощение даёт введение округления между звеньями и на сколько необходимо увеличить длину слова в цепях обратной связи, если требуется устранить предельные циклы на выходе фильтра при нулевом входе.

Стр. 66

Синхронизация псевдослучайных последовательностей на практике: задача распознавания

Мария Беляева

Необходимость в распознавании синхронизации псевдослучайных последовательностей возникает, если входящая последовательность содержит ошибки. Предлагается способ решения этой задачи. Исследуются условия его применимости, приводятся результаты моделирования.

Стр. 72

Эффективное использование умножителей при реализации цифровых фильтров-дециматоров

Михаил Григорян

В статье рассмотрена проблема гибкого и эффективного использования умножителей при организации прореживания высокоскоростного цифрового потока в цифровых фильтрах-дециматорах. Описаны способы, позволяющие организовать параллельные вычисления на скоростях, превышающих скорость следования отсчётов.

Стр. 76

Цифровой прецизионный узкополосный фильтр

Наталья Гудкова

В статье рассматривается задача цифровой узкополосной фильтрации, базирующейся на принципах адаптивного подавления помех. Выполнен анализ схемы одночастотного адаптивного фильтра. Получены дискретные передаточные функции и соответствующие им алгоритмы функционирования узкополосных фильтров с заданной частотой настройки. Разработана простая методика синтеза, обеспечивающая требуемые значения добротности и быстродействия фильтров. Показано, что динамические характеристики предлагаемых алгоритмов полностью соответствуют динамическим характеристикам алгоритмов адаптивного фильтра второго порядка с перестраиваемыми весовыми коэффициентами. Приведены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие эффективность предложенных решений.

Стр. 74

Новый способ помехоустойчивого кодирования

Сергей Гончаров, Анатолий Силаев, Геннадий Шишкин

В статье представлен способ помехоустойчивого кодирования с формированием состояний контрольных разрядов путём попарного сложения по модулю 2 состояний всех информационных разрядов.

Стр. 54

Увеличение радиационной стойкости аналого-цифровых компонентов микроэлектронных систем

Олег Дворников, Виталий Гришков, Ольга Громыко

В статье проанализировано влияние проникающей радиации на параметры основных интегральных элементов. Рассмотрены конструктивнотехнологические особенности транзисторов, предназначенных для реализации аналого-цифровых компонентов радиационно-стойких микроэлектронных устройств типа «система в корпусе».

Стр. 72

Новый способ оценки доплеровской разности фазы

Владимир Бартенев

В статье описан новый способ формирования оценки доплеровской разности фазы коррелированной помехи, который представляет собой попытку улучшения геометрического способа без существенных аппаратурных затрат. Представлены результаты расчёта нескольких способов формирования оценки, выполненные в программе MATLAB.

Стр. 74

Модификация алгоритма синтеза цифровых фильтров на основе фазовых цепей с конечной длиной слова коэффициентов

Александр Мингазин

В статье рассматривается задача синтеза цифровых фильтров на основе параллельного соединения двух фазовых цепей с конечной длиной слова коэффициентов. Для её решения предлагается использовать модифицированный алгоритм вариации исходных параметров, который может значительно улучшить результаты синтеза. Суть модификации – использование ещё одного варьируемого параметра, а именно порядка фильтра, который изменяется в алгоритме непрерывно, принимая нецелочисленные значения в соотношениях для расчёта коэффициентов. При этом собственно порядок фильтра остаётся неизменным и равным целому числу. Эффективность алгоритма подтверждена примерами синтеза.

Стр. 72

Адаптивное цифровое устройство компенсации нелинейности амплитудной характеристики усилителя мощности

Наталия Гудкова

В статье рассматривается задача линеаризации амплитудной характеристики усилителя мощности (УМ ) на основе адаптивного обратного моделирования объектов типа «чёрный ящик». Выполнен анализ цифрового метода предыскажения сигналов в тракте усиления, основанного на табличном представлении алгоритмической модели УМ. Предложен алгоритм цифровой адаптивной линеаризации коэффициента передачи усилителя, который не требует предварительного составления таблиц. Приведены результаты компьютерного моделирования системы, подтверждающие эффективность предложенных решений.

Стр. 72

Низкочастотное проявление поверхностного эффекта в звуковых кабелях

Александр Майстренко

О скинэффекте и методах борьбы с ним знает каждый специалист, работающий с относительно высокочастотными приложениями. Принято считать, что он проявляется на частотах, начинающихся с сотен килогерц, а в звуковом диапазоне им можно пренебречь. Но оказывается, поверхностный эффект создаёт проблемы в межблочных и акустических кабелях именно на низких частотах!

Стр. 70

Адаптивные фильтры и их приложения в радиотехнике и связи (часть 3)

Виктор Джиган

Настоящая статья является введением в теорию и практику адаптивной фильтрации. В ней рассмотрены основные понятия и термины, используемые в адаптивной обработке сигналов, структуры адаптивных фильтров, целевые функции, лежащие в основе функционирования адаптивных фильтров, а также ряд наиболее известных приложений адаптивных фильтров, таких как подавление эхо-сигналов, выравнивание электрических характеристик каналов связи, адаптивные антенные решётки, шумоочистка и линейное предсказание.

Стр. 78

Эффективность алгоритмов объединения квадратурных каналов

Владимир Бартенев

Рассмотрены несколько алгоритмов построения обнаружителя сигналов с квадратурной обработкой, включая упрощённые, когда на порог подаётся квадрат огибающей, или сумма модулей сигналов квадратурных каналов, или максимальное значение модуля одной из квадратур. Данные алгоритмы распространены на многоканальное построение обнаружителей сигналов. Сопоставление алгоритмов по характеристикам обнаружения показало, что более простые в реализации алгоритмы по эффективности незначительно уступают оптимальному.

Стр. 72

Адаптивные фильтры и их приложения в радиотехнике и связи

Виктор Джиган

Стр. 56

Адаптивные фильтры и их приложения в радиотехнике и связи

Виктор Джиган

Стр. 64

Характеристики время-частотных измерений

Сергей Зайцев

В статье приведён краткий обзор основных параметров, используемых при различных методах измерения интервалов времени и частоты сигналов.

Стр. 66

СВЧ-камеры проходного типа и их применение в установках электромагнитной обработки материалов

Натан Фельдман

Рассмотрены волноводные СВЧ-камеры, реализующие различные процессы обработки материалов в СВЧ-электромагнитном поле, когда материал проходит через серию камер непрерывным потоком, пересекая каждую из них в плоскости, параллельной узкой стенке волновода. Определено взаимное расположение проходных щелей в волноводе, их длина, ширина, а также методы защиты входа и выхода камеры от паразитных электромагнитных излучений. Проанализированы методы измерения текущих диэлектрических характеристик материала.

Стр. 70

Электромагнитные процессы и сравнительный анализ автономных одноключевых параллельных инверторов напряжения с закрытым входом (продолжение)

Евгений Силкин

Схемы автономных одноключевых параллельных инверторов напряжения являются перспективными для применения в устройствах силовой электроники больших мощностей и частот.

Стр. 70

Электромагнитные процессы и сравнительный анализ автономных одноключевых параллельных инверторов напряжения с закрытым входом

Евгений Силкин

Стр. 64

Особенности проведения термических процессов в СВЧ-электромагнитном поле

Натан Фельдман

На примере волноводной СВЧ-камеры рассматриваются особенности прохождения термических процессов в СВЧ-электромагнитном поле. Показано, что основными преимуществами сушки в СВЧ-электромагнитном поле являются увеличение КПД и управляемости процессом за счёт измерения меняющихся диэлектрических характеристик материала. Предложена методика, позволяющая определить целесообразность проведения термической обработки материала в СВЧ-электромагнитном поле и оптимизировать параметры этого процесса.

Стр. 70

Применение эргодической гипотезы для измерения параметров и обработки результатов измерений в инфракрасной (ИК) области спектра

Григорий Зеленов

В статье показано, что для обработки сигналов с матриц, а также измерения их параметров можно использовать эргодическую гипотезу. Описывается проект экспериментальной установки для измерения параметров матриц в ИК-диапазоне.

Технология и теория термической обработки. Виды ТО. Отжиг. |

Принцип термической обработки заключается в нагревании материала до высоких температур с дальнейшим охлаждением. Обработка изменяет структуру металла, его физические, химические свойства. Термической обработке подлежат детали для дальнейшей обработки (заготовки, поковки, штамповки). Термообработка улучшает структуру, уменьшает твердость, что позволяет легче обрабатывать полуфабрикаты.
Температурная обработка значительно изменяет свойства металлов. К примеру: сталь с исходным значением твердости 150 – 250 НВ, после закалки достигает 600 – 650 НВ. Воздействие температуры на структуру детали увеличивает ее допускаемое напряжение, уменьшает габариты и массу.
Теорию термической обработки основал русский ученый Д.К.Чернов в XIX веке. Наблюдая за цветом накаленного металла, ученый записывал приблизительную температуру и определил критические точки.
В зависимости от вида и технологии, термическая обработка делится на: отжиг, нормализацию, отпуск, закалку.
Процесс отжига происходит как нагрев металла, выдержка его в определенной температуре и охлаждение. В свою очередь академик А.А. Бочвар разделил понятие отжиг на 2 рода – первого и второго. При отжиге первого рода, структура вещества трансформируется из неравновесного в более равновесное состояние (возврат, отдых, рекристаллизация, снятие напряжения внутри решетки, гомогенизация, диффузный отжиг). Второй род предполагает полную перекристаллизацию для достижения равновесного состояния (полный, неполный и изотермический).
Виды отжига стали
Возврат происходит при температуре от 200 до 400 градусов Цельсия, проводится для снятия или уменьшения наклепа. Кристаллическая решетка стали при возврате уменьшает свое искажение, частично восстанавливаются физико-химические параметры.
Рекристаллизация происходит при повышении температуры до 500 – 550 градусов Цельсия, снятие напряжения – 600 – 700 градусов. Такой отжиг подходит для заготовок, предварительно обработанных давлением (волочение, ковка, прокатка, штамповка). В ходе проведения рекристаллизованного отжига растянутые зерна возвращаются в равновесное состояние, твердость вещества снижается, а показатели пластичности и ударной вязкости повышаются. Если нужно полностью снять напряжение внутри металла температура накала должна быть не менее 600 градусов Цельсия, а охлаждение медленным, что бы предотвратить повторное возникновение внутреннего напряжения.
Когда внутри кристаллической решетки присутствует ликвация проводится диффузный отжиг или гомогенизация. Суть процесса заключается в воздействии на состав зерна аустенита диффузией углерода, самодиффузией железа и прочих компонентов, которые выравнивают их. После подобного отжига сталь возвращает свою однородную (гомогенную) структуру.
Температура при гомогенизации стали должна составлять строго не ниже 1100 но и не выше 1200 градусов Цельсия. Если превысить максимальный температурный показатель происходит пережег, при котором кислород окисляет железо и проникает в толщу вещества. Такое воздействие вызывает образование кристаллитов разъединенных оксидными оболочками. Пережженный материал теряет свои качества и считается неисправным браком.
Полный отжиг происходит при температуре в точках Ас1 и Ac3, которые способствуют перекристаллизации структуры. В результате отжига, структура стали становится более равновесной, но менее прочной и твердой, что делает ее удобной для обработки штамповкой и резанием. Полный отжиг применяют для окончания термической обработки заготовок. Процесс происходит при температуре на 30 – 50 градусов выше линии GSK с последующим медленным охлаждением в печи. Скорость охлаждения должна быть в ограниченных пределах (10-100 градусов Цельсия в час для легированной и 150 – 200 градусов для углеродистой стали).
Процесс отжига меняет размеры зерен, при перегреве они крупного размера – видманштетовая структура, как показано на рис.1.

Отличается такое вещество своеобразным расположением пластин феррита и перлита под разным углом круг к другу. Видманштетовая структура в заэвтектоидной стали отличается избытком цементита.
Неполный отжиг характерен фазовой перекристаллизацией в точке Ас1. Отжиг проводят после предварительной горячей обработки давлением мелкозернистой структуры. Доэвтектоидную сталь подвергают неполному отжигу для обработки резанием.
Зернистый перлит отжигают для снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости. Перлит получают после нагрева свыше точки Ас1 и определенной выдержки для не полного растворения цементита в аустените. По окончанию металл охлаждают, несколько ниже точки Аr1, и оставляют в этой температуре на несколько часов.
Изотермический отжиг – заготовки нагревают и выдерживают с последующим охлаждением несколько ниже точки Аr1 на время полного распада аустенита в перлите. Дальше охлаждение проходит на воздухе. Изотермический отжиг выгоден для повышения производительности труда, так как проходит за 4 – 7 часов для легированной стали, при обычном отжиге – 13 – 15 часов.

5 основных методов и описание процессов

Некоторые сравнительно простые методы обработки металла люди применяли еще в древности. Именно металл и всё новые методы его обработки стали залогом технического прогресса. Сейчас нам известно столь много различных методов, что в них очень легко запутаться. Давайте попробуем кратко и понятно разложить всё по полочкам.

К основным методам металлообработки можно отнести:

Литье;
Термическая обработка;
Обработка давлением;
Сварка;
Электрическая обработка.

Процесс металлообработки для каждого метода уникален. Более того, каждый метод имеет свои вариации.

Описание методов обработки металла

Литье

Этот процесс обработки металла известен человечеству уже много веков. Его суть заключается в нагреве металла до жидкого состояния с последующим разливом в заданные литейные формы. Затем металл остывает и твердеет. Получается так называемая отливка, которая точно повторяет очертания заливочной формы.
С развитием металлургии процесс литья постоянно совершенствовался. Теперь различают несколько видов литья, в том числе и литье с дополнительным применением давления. Новейшие методы литья позволяют получать отливки очень маленьких размеров с небывалой точностью размеров.

Термическая обработка

Этот метод направлен на изменение внутренней структуры металла, что достигается путем нагрева металла с последующим выдерживанием и охлаждением. Для придания металлу нужных свойств параметры термической обработки могут быть различные. Температура нагрева, выдержка металла в нагретом состоянии и скорость охлаждения – все эти параметры влияют на конечные свойства металла.

Различают 3 вида термической обработки:

Термообработка – бывает трех основных видов: отжиг, закалка и отпуск;
Химико-термическая обработка металла – применяется для насыщения поверхности металла другими элементами (например, углеродом). При этом методе наблюдаются самые высокие температуры нагрева металлов и значительные периоды выдержки для придания сплаву однородности;
Термомеханическая обработка – этот метод позволяет добиться лучших механических свойств металла, чем классическая термообработка.

Обработка давлением

Один из видов обработки металла давлением (ковка) получил широкое применение еще несколько тысячелетий назад. С тех пор технология совершила несколько серьезных скачков вперед, и теперь на производстве применяются и другие технологичные методы обработки металла давлением.

Суть этого метода проста – придать заготовке необходимую форму и размер под действием физической силы (давления). Для достижения этих целей применяют различные станки для обработки металла, каждый из которых соответствует конкретному методу.

Всего различают 7 методов:

Ковка – участки заготовки нагреваются и подвергаются механической деформации;
Штамповка – форма и размер заготовки изменяются под давлением специального штампа;
Листовая штамповка – обработка листового металла;
Прокатка;
Волочение;
Прессование;
Комбинации первых 6-ти.

Сварка

Существует несколько методов сварки, но всех их можно условно разделить на 2 большие группы:
Сварка при помощи плавления металла – в месте сваривания соединяемые детали нагреваются до температуры плавления металлов. Жидкие фазы металлов перемешиваются, образуя сварной шов. Такое соединение после остывания имеет высокую прочность;
Сварка пластическим деформированием – при этом методе детали сдавливаются, образуя сварной шов. Иногда детали предварительно местно нагревают.
В качестве источника нагрева применяют газ, электрический ток и другие источники.

Электрическая обработка

Электрическая обработка металла осуществляется при помощи электрического тока. Два наиболее распространенных метода – это:

Электроискровая обработка – создается искусственный разряд, который воздействует на металл. В результате это воздействия происходит местное повышение температуры металла до 8-10 тыс. градусов по Цельсию;

Электрохимическая обработка – этот способ позволяет придать поверхности металла блестящую форму.

Данные методы подходят для обработки самых твердых сплавов.

Помимо этих основных методов обработки металла часто применяют также резание металлов и ультразвуковую обработку. Выбор конкретного метода зависит от свойств, которые необходимо придать металлу, размеров заготовки или конечного изделия, а также многих других факторов.

Страница не найдена

Лазерные технологии – совокупность способов обработки, изменения состояния, свойств и формы материала и полуфабриката, осуществляемых посредством лазерного излучения. В большинстве процессов лазерных технологий используется термическое действие лазерного луча, вызываемое поглощением энергии светового потока в обрабатываемом материале. Эффективность лазерных технологий обусловлена высокой плотностью потока энергии лазерного излучения в зоне обработки, возможностью фокусировки излучения с помощью оптических систем в световой пучок (луч) диаметром в сотые доли микрон, возможностью ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (в вакууме, газе, жидкости, твёрдом теле), малой зоной прогрева, обеспечиваемой кратковременным воздействием излучения, а также возможностью бесконтактной подачи энергии к зоне обработки в замкнутом объёме через прозрачные стенки или специальные окна в непрозрачной оболочке. Благодаря этим особенностям лазерное излучение широко используется в технологии машинного производства, при изготовлении электронных приборов и приборов точной механики, в медицинской практике и научных исследованиях.

Посредством лазерного излучения осуществляют сварку, резку, сверление отверстий, термическую обработку и многие другие технологические операции. Лазерной сваркой, напр., соединяют металлы и сплавы с сильно отличающимися свойствами (нержавеющая сталь, никель, молибден, ковар и др.), материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро, алюминий и их сплавы), материалы, плохо поддающиеся сварке другими способами (вольфрам, ниобий). Лазерным лучом можно сверлить отверстия в любом материале. Наиболее эффективно применение лазера для сверления труднообрабатываемых материалов (алмаз, рубин, керамика и др.), для получения отверстий диаметром меньше 100 мкм в металлах, сверления под углом к поверхности. С помощью лазера можно также резать практически любые материалы. При резании в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате слияния следующих друг за другом отверстий. При резании в непрерывном режиме в рабочую зону обычно подаётся струя воздуха или иного газа для охлаждения краёв разрезаемого материала (дерева, бумаги и т. п.), либо для эффективного удаления (выдувания) расплавленного материала из реза (в металле, стекле, керамике), либо для ускорения процесса за счёт дополнительного тепла, выделяющегося при экзотермическом окислении разрезаемых металлов (железо, малоуглеродистые стали, титан). Лазерное излучение благодаря особенностям его термического воздействия на биоткани широко используется при хирургических операциях и терапевтическом лечении. Лазеры применяют также в диагностике и дефектоскопии, в звуко – и видеозаписи, в дальнометрии, светотехнике и т. д.

Тепловые явления – обзор

§64. Природа необратимости

Все тепловые явления в конечном итоге сводятся к механическому движению атомов и молекул в теле. Поэтому необратимость тепловых процессов, на первый взгляд, противоречит обратимости всех механических движений. На самом деле это противоречие только кажущееся.

Предположим, что одно тело скользит по другому телу. Из-за трения это движение будет постепенно замедляться, и система наконец достигнет состояния теплового равновесия; тогда движение прекратится.В этом процессе кинетическая энергия движущегося тела преобразуется в тепло, то есть кинетическую энергию беспорядочного движения молекул в обоих телах. Это преобразование энергии в тепло, очевидно, может быть осуществлено бесконечным числом способов: кинетическая энергия движения тела в целом может быть распределена между огромным числом молекул огромным числом способов. Другими словами, состояние равновесия, в котором нет макроскопического движения, может возникать гораздо большим числом способов, чем состояние, в котором значительное количество энергии сосредоточено в форме кинетической энергии упорядоченного движения тела как целое.

Таким образом, переход из состояния неравновесия в состояние равновесия – это переход от состояния, которое может происходить небольшим числом способов, к состоянию, которое может происходить гораздо большим числом способов. Ясно, что наиболее вероятным состоянием тела (или системы тел) является то, которое может произойти самым большим числом способов, и это будет состояние теплового равновесия. Таким образом, если предоставленная самой себе система (то есть замкнутая система) не находится в состоянии равновесия, то ее последующее поведение почти наверняка будет заключаться в переходе в состояние, которое может произойти очень большим количеством способов, т.е.е. приблизиться к равновесию.

С другой стороны, когда закрытая система достигла состояния равновесия, маловероятно, что она выйдет из этого состояния спонтанно.

Таким образом, необратимость тепловых процессов равна вероятностной . Самопроизвольный переход тела из состояния равновесия в состояние неравновесия, строго говоря, не невозможен, но только гораздо менее вероятен, чем переход тела из неравновесного состояния в состояние равновесия. Необратимость тепловых процессов в конечном итоге обусловлена очень большим количеством молекул, из которых состоят тела.

О маловероятности самопроизвольного выхода тела из состояния равновесия можно судить, рассматривая расширение газа в вакуум. Пусть изначально газ находится в одной половине сосуда, разделенной перегородкой на две равные части. Когда в перегородке делается отверстие, газ равномерно распространяется по обеим частям емкости. Противоположный перенос газа в одну половину сосуда никогда не произойдет без внешнего вмешательства. Причину этого легко увидеть, выполнив несложный расчет.Каждая молекула газа в своем движении в среднем проводит одинаковое время в каждой части сосуда; мы можем сказать, что вероятность найти его в любой половине сосуда равна 12. Если газ можно считать идеальным, его молекулы движутся независимо. Вероятность нахождения двух данных молекул в одной половине сосуда одновременно составляет 12ċ12 = 14; вероятность нахождения всех N молекул газа в одной половине сосуда составляет 2 ^{– N}. Например, при относительно небольшом количестве газа, содержащем, скажем, 10 ²⁰ молекул, эта вероятность определяется фантастически малым числом 2 ⁻¹⁰²⁰ ≈ 10 ^{−3 × 1019}.Другими словами, это явление можно было бы наблюдать примерно один раз за раз, представленное числом 10 ^{3 × 1019} – независимо от того, не имеют значения секунды или годы, поскольку секунда, год и время существования Земли равны. мала по сравнению с этим огромным промежутком времени.

Аналогично небольшое число (10 ^{−3 × 1010}) может быть показано для представления вероятности того, что один эрг тепла перейдет от тела при 0 ° C к другому телу при 1 ° C.

Из этих примеров ясно, что возможность любого заметного самопроизвольного обращения теплового процесса является, по сути, чистой абстракцией: ее вероятность настолько мала, что на практике необратимость тепловых процессов может считаться абсолютно верной.

Вероятностный характер необратимости проявляется, однако, в том факте, что в Природе все же есть спонтанные отклонения от равновесия, хотя они очень малы и кратковременны; они называются колебаниями . Например, из-за флуктуаций плотность и температура в различных небольших областях тела в состоянии равновесия не совсем постоянны, но претерпевают некоторые очень незначительные изменения. Например, температура 1 миллиграмма воды в равновесии при комнатной температуре будет изменяться на величину порядка 10 ^-8 градусов.Есть также явления, в которых колебания играют важную роль.

Влияние геометрии контейнера и теплопроводности на испарение воды при низких давлениях

Аамир, М., Цян, Л., Сюнь, З., Хонг, В. и Зубайр, М. Сверхбыстрое охлаждение распылением и оценка критического диаметра капель по скорости охлаждения. J. Power Energy Eng. 02 , 259–270 (2014).

Артикул Google Scholar

Park, J. & Moon, J. Контроль структуры отложений коллоидных частиц внутри пиколитровых капель, выбрасываемых струйной печатью. Langmuir 22 , 3506–3513 (2006).

CAS Статья Google Scholar

Сефиан К. О формировании регулярных узоров из высыхающих капель и их возможном использовании в биомедицинских целях. J. Bionic Eng. 7 , S82 – S93 (2010).

Артикул Google Scholar

Dugas, V., Broutin, J. & Souteyrand, E. Исследование испарения капель при производстве ДНК-чипов. Langmuir 21 , 9130–9136 (2005).

CAS Статья Google Scholar

Брутин Д. и Старов В. Последние достижения в области смачивания и испарения капель. Химия . Соц . Ред. . https://doi.org/10.1039/C6CS00902F (2018).

CAS Статья Google Scholar

Сюэ, Г. и др. . Электричество, вызванное испарением воды, с наноструктурированными углеродными материалами. Nat. Nanotechnol. 12 , 317–321 (2017).

ADS CAS Статья Google Scholar

Ян, П. и др. . Одновременное производство пара и электроэнергии за счет солености на солнечных батареях. Energy Environ. Sci. 10 , 1923–1927 (2017).

CAS Статья Google Scholar

Чавушоглу, А.-Х., Чен, X., Джентин, П., Сахин, О. Потенциал естественного испарения как надежного возобновляемого источника энергии. Nat. Commun. 8 , 617 (2017).

ADS Статья Google Scholar

Chen, X. et al. . Масштабирование наноразмерного преобразования энергии с использованием воды в двигатели и генераторы, приводимые в действие испарением. Nat. Commun. 6 , 7346 (2015).

CAS Статья Google Scholar

10.

Казабат, А.-М. & Гена, Г. Испарение макроскопических сидячих капель. Мягкое вещество 6 , 2591 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

11.

Диган Р. Д. и др. . Капиллярный кровоток как причина кольцевых пятен от засохших капель жидкости. Nature 389 , 827–829 (1997).

ADS CAS Статья Google Scholar

12.

Диган, Р. Д. и др. . Контактная линия откладывается в испаряющейся капле. Phys. Ред. E 62 , 756–765 (2000).

ADS CAS Статья Google Scholar

13.

Ху, Х. и Ларсон, Р. Г. Испарение неподвижной капли на подложке. J. Phys. Chem. B 106 , 1334–1344 (2002).

CAS Статья Google Scholar

14.

Дэвид С., Сефиан К. и Тадрист Л. Экспериментальное исследование влияния тепловых свойств подложки на смачивание и испарение лежащих капель. Коллоидные поверхности A Physicochem. Англ. Asp. 298 , 108–114 (2007).

CAS Статья Google Scholar

15.

Собак Б. и Брутин Д. Тепловое воздействие субстрата на испарение капель воды. Phys. Ред. E 86 , 021602 (2012).

ADS CAS Статья Google Scholar

16.

Данн, Г. Дж., Уилсон, С. К., Даффи, Б. Р., Дэвид, С. и Сефиан, К. Сильное влияние проводимости подложки на испарение капель. J. Fluid Mech. 623 , 329–351 (2009).

ADS CAS Статья Google Scholar

17.

Базарган В. и Штобер Б. Влияние проводимости подложки на испарение небольших сидячих капель. Phys. Ред. E 94 , 033103 (2016).

ADS Статья Google Scholar

18.

Бородулин В., Летушко В., Низовцев М., Стерлягов А. Экспериментальное исследование испарения воды сидячими каплями на твердой подложке с различной теплопроводностью. Веб-конференция MATEC. 115 , 08005 (2017).

Артикул Google Scholar

19.

Сефиан К. и Беннасер Р. Выражение для испарения капель, включающее тепловые эффекты. J. Fluid Mech. 667 , 260–271 (2011).

ADS Статья Google Scholar

20.

Xu, X. & Ma, L. Анализ влияния испарительного охлаждения на испарение жидких капель с использованием подхода комбинированного поля. Sci. Отчетность 5 , 8614 (2015).

ADS CAS Статья Google Scholar

21.

Dehaeck, S., Rednikov, A. & Colinet, P. Интерферометрическое измерение на основе паров локальной скорости испарения и межфазной температуры испаряющихся капель. Ленгмюр 30 , 2002–2008 (2014).

CAS Статья Google Scholar

22.

Шахидзаде-Бонн, Н., Рафаи, С., Азуни, А. и Бонн, Д. Испаряющиеся капли. J. Fluid Mech. 549 , 307 (2006).

ADS CAS Статья Google Scholar

23.

Эрбиль, Х. Ю. Испарение чистой жидкости сидячих и сферических подвешенных капель: обзор. Adv. Коллоидный интерфейс Sci. 170 , 67–86 (2012).

CAS Статья Google Scholar

24.

Фагри А. Обзор и достижения в области науки и технологий тепловых труб. Дж. Теплопередача 134 , 123001 (2012).

Артикул Google Scholar

25.

Fang, G. & Ward, C.A. Температура, измеренная вблизи границы раздела испаряющейся жидкости. Phys. Ред. E 59 , 417–428 (1999).

ADS CAS Статья Google Scholar

26.

Bond, M. & Struchtrup, H. Средние коэффициенты испарения и конденсации, основанные на зависящей от энергии вероятности конденсации. Phys. Ред. E 70 , 061605 (2004).

ADS Статья Google Scholar

27.

Бадам В. К., Кумар В., Дерст Ф. и Данов К. Экспериментальные и теоретические исследования скачков межфазной температуры при испарении. Exp. Therm. Fluid Sci. 32 , 276–292 (2007).

CAS Статья Google Scholar

28.

Каземи М. А., Нобс Д. С. и Эллиотт Дж. А. У. Влияние термопары на измерение скачка температуры на границе раздела жидкость-пар. Langmuir 33 , 7169–7180 (2017).

CAS Статья Google Scholar

29.

Фанг, Г. и Уорд, К. А. Исследование выражения статистической теории скорости для скорости испарения жидкости. Phys. Ред. E 59 , 441–453 (1999).

ADS CAS Статья Google Scholar

30.

Уорд, К. А. и Фанг, Г. Выражение для прогнозирования потока испарения жидкости: подход статистической теории скорости. Phys. Ред. E 59 , 429–440 (1999).

ADS CAS Статья Google Scholar

31.

Дуан Ф. и Уорд К. А. Избыточные свойства поверхности на основе измерений переноса энергии во время испарения воды. Phys. Ред. E 72 , 056302 (2005).

ADS Статья Google Scholar

32.

Duan, F. & Ward, C.A. Поверхностная теплоемкость D ₂ O по измерениям, проведенным во время стационарного испарения. Phys. Ред. E 72 , 056304 (2005).

ADS Статья Google Scholar

33.

Уорд К. А. и Дуан Ф. Турбулентный переход термокапиллярного потока, вызванный испарением воды. Phys. Ред. E 69 , 056308 (2004).

ADS CAS Статья Google Scholar

34.

Дуан Ф., Бадам В. К., Дерст Ф. и Уорд К. А. Термокапиллярный перенос энергии при испарении воды. Phys. Ред. E 72 , 056303 (2005).

ADS Статья Google Scholar

35.

Рахими П. и Уорд К. А. Влияние давления на скорость испарения из капилляров: подход теории статистической скорости. Внутр. J. Heat Mass Transf. 47 , 877–886 (2004).

CAS Статья Google Scholar

36.

Томпсон, И., Дуан, Ф. и Уорд, К. А. Отсутствие конвекции Марангони при числах Марангони выше 27 000 во время испарения воды. Phys. Ред. E 80 , 056308 (2009).

ADS Статья Google Scholar

37.

Дуан, Ф., Томпсон, И. и Уорд, К. А. Статистическая теория скорости определения свойств воды ниже тройной точки. J. Phys. Chem. B 112 , 8605–8613 (2008).

CAS Статья Google Scholar

38.

Дуан Ф., Уорд К. А., Бадам В. К. и Дерст Ф. Роль молекулярных фононов и неоднородностей межфазной температуры в испарении воды. Phys. Ред. E 78 , 041130 (2008).

ADS Статья Google Scholar

39.

Персад, А. Х. и Уорд, К. А. Статистическая теория скорости испарения этанола. J. Phys. Chem. B 114 , 6107–6116 (2010).

CAS Статья Google Scholar

40.

Гасеми, Х. и Уорд, К. А. Перенос энергии за счет термокапиллярной конвекции во время испарения неподвижных капель воды. Phys. Rev. Lett. 105 , 136102 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

41.

Сефиан, К.И Уорд К. А. Последние достижения в области термокапиллярных потоков и межфазных условий во время испарения жидкостей. Adv. Коллоидный интерфейс Sci. 134–135 , 201–223 (2007).

Артикул Google Scholar

42.

Сонг, X. и Нобс, Д. С. Экспериментальное исследование конвекции, вызванной испарением в воде, с использованием лазерных методов измерения. Exp. Therm. Fluid Sci. 35 , 910–919 (2011).

CAS Статья Google Scholar

43.

Каземи М. А., Нобс Д. С. и Эллиотт Дж. А. У. Экспериментальное и численное исследование испарения воды при низких давлениях. Ленгмюр 33 , 4578–4591 (2017).

CAS Статья Google Scholar

44.

Каземи, М. А., Эллиотт, Дж. А. У. и Нобс, Д. С. Исследование явлений, происходящих вблизи границы раздела жидкость-пар во время испарения воды при низких давлениях, Представлено.

45.

Каземи М. А. Экспериментальное и численное исследование испарения воды при низких давлениях. Кандидатская диссертация, Университет Альберты (2017).

46.

Каземи, М. А., Эллиотт, Дж. А. У. и Нобс, Д. С. Трехмерная визуализация потока при испарении воды из мениска при низких давлениях. в 10-м Тихоокеанском симпозиуме . Поток Vis . Обработка изображения . Неаполь , Италия , 15–18 июня (2015).

47.

Каземи, М.А., Эллиотт, Дж. А. В. и Нобс, Д. С. Определение трех составляющих скорости в испаряющейся жидкости при сканировании PIV. в 18-й Int . Symp . Заявление . Laser Imaging Tech . для жидкости Mech . Порт Лиссабона . 4–7 июля (2016).

48.

Ристенпарт, В. Д., Ким, П. Г., Домингес, К., Ван, Дж. И Стоун, Х. А. Влияние проводимости субстрата на реверсирование циркуляции в испаряющихся каплях. Phys. Rev. Lett. 99 , 234502 (2007).

ADS CAS Статья Google Scholar

49.

Марек Р. и Штрауб Дж. Анализ коэффициента испарения и коэффициента конденсации воды. Внутр. J. Heat Mass Transf. 44 , 39–53 (2001).

CAS Статья Google Scholar

Скрытая сила, усложняющая жизнь

Энтропия, мера беспорядка, объясняет, почему жизнь с течением времени становится все более, а не менее сложной.

***

Все склонны к беспорядку. В частности, второй закон термодинамики гласит, что «по мере продвижения вперед во времени чистая энтропия (степень беспорядка) любой изолированной или закрытой системы всегда будет увеличиваться (или, по крайней мере, оставаться неизменной)». ^[1]

Энтропия – это просто мера беспорядка, которая влияет на все аспекты нашей повседневной жизни. Фактически, вы можете думать об этом как о природном налоге. ^[2]

Оставленное без внимания расстройство со временем нарастает.Энергия рассеивается, и системы растворяются в хаосе. Чем более неупорядоченно что-то, тем более энтропийным мы считаем. Короче говоря, , мы можем определить энтропию как меру беспорядка Вселенной как на макро, так и на микроскопическом уровне. Греческий корень этого слова переводится как «поворот к трансформации», при этом трансформация является хаосом.

«Ни общественное, ни частное пламя не смеет сиять;

Не осталось ни человеческой искры, ни проблеска божественного!
Ло! твоя ужасная империя, Хаос! восстанавливается;
Свет умирает раньше твоего несотворяющего слова:
Твоя рука, великий Анарх! позволяет занавеске упасть;
И вселенская тьма все хоронит.»

– Александр Поуп, Дунциада

Когда вы читаете эту статью, энтропия окружает вас повсюду. Клетки в вашем теле умирают и деградируют, сотрудник или коллега совершают ошибку, пол пылится, а тепло от вашего кофе распространяется. Немного уменьшите масштаб, и бизнес терпит неудачу, происходят преступления и революции, а отношения прекращаются. Еще больше уменьшите масштаб, и мы увидим, как вся Вселенная движется к коллапсу.

Давайте посмотрим, что такое энтропия, почему она возникает и можем ли мы предотвратить это.

Открытие энтропии

Определение энтропии приписывается Рудольфу Клаузиусу (1822–1888), немецкому математику и физику. Я говорю, что приписал , потому что это был молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832), который первым придумал идею термодинамической эффективности; однако эта идея была настолько чуждой людям в то время, что не оказала большого влияния. Клаузиус не обращал внимания на работы Карно, но приходил к тем же идеям.

Клаузиус изучал превращение тепла в работу.Он понял, что тепло от тела с высокой температурой переходит к телу с более низкой температурой. Вот так ваш кофе остывает, чем дольше его не выставляют – тепло от кофе проникает в комнату. Это происходит естественно. Но если вы хотите нагреть холодную воду для приготовления кофе, вам нужно поработать – вам понадобится источник энергии, чтобы нагреть воду.

Из этой идеи следует утверждение Клаузиуса о втором законе термодинамики: «тепло не переходит от тела при низкой температуре к телу при высокой температуре без сопутствующих изменений в другом месте.”

Клаузиус также заметил, что устройства, работающие на тепле, работают неожиданным образом: только часть энергии была преобразована в фактическую работу. Природа взимала налог. Озадаченные, ученые спросили, , куда делась остальная часть тепла и почему?

Клаузиус решил загадку, наблюдая за паровой машиной и вычислив, что энергия распространяется и покидает систему. В The Mechanical Theory of Heat, Клаузиус объясняет свои открытия:

… количество тепла, которое должно быть передано или отведено изменчивому телу, не такое же, когда эти изменения происходят необратимым образом, как когда те же самые изменения происходят обратимо.Во-вторых, с каждым необратимым изменением связано некомпенсированное преобразование…
… Я предлагаю называть величину S энтропией тела… Я намеренно сформировал слово энтропия так, чтобы оно было как можно более похожим на слово энергия….
Вторая фундаментальная теорема [второй закон термодинамики] в той форме, которую я ей дал, утверждает, что все преобразования, происходящие в природе, могут происходить в определенном направлении, которое я сам по себе принял как положительный, т. Е. , без компенсации … [T] он все состояние Вселенной должно всегда продолжать изменяться в этом первом направлении, и Вселенная, следовательно, должна постоянно приближаться к ограничивающему условию.
… Таким образом, для каждого тела представились две величины – величина преобразования его теплового содержания [количество вложенной энергии, которая превращается в «работу»], и его дезагрегация [разделение или дезинтеграция]; сумма которых составляет его энтропию.

Клаузиус резюмировал понятие энтропии простыми словами: «Энергия Вселенной постоянна. Энтропия Вселенной стремится к максимуму ».

«Увеличение беспорядка или энтропии – вот что отличает прошлое от будущего, давая направление времени.”

– Стивен Хокинг, Краткая история времени

Энтропия и время

Энтропия – одна из немногих концепций, свидетельствующих о существовании времени. «Стрела времени» – это название, данное идее о том, что время асимметрично и течет только в одном направлении: вперед. Это необратимый процесс, в котором энтропия увеличивается.

Астроном Артур Эддингтон первым изобрел концепцию Стрелы Времени в 1927 году, написав:

Нарисуем стрелку произвольно.Если, следуя стрелке [,], мы обнаруживаем все больше и больше случайных элементов в состоянии мира, то стрелка указывает в будущее; если случайный элемент уменьшается [,] стрелка указывает в прошлое. Это единственное различие, известное физике.

В сегменте чудес Вселенной , созданном для BBC Two, физик Брайан Кокс объясняет:

Стрела времени диктует, что с каждым моментом все меняется, и, как только эти изменения произошли, они никогда не отменяются.Постоянные изменения – фундаментальная часть того, что значит быть человеком. Все мы стареем с годами – люди рождаются, живут и умирают. Я полагаю, что это часть радости и трагедии нашей жизни, но там, во Вселенной, эти грандиозные и эпические циклы кажутся вечными и неизменными. Но это иллюзия. Видите ли, в жизни Вселенной, как и в нашей, все необратимо меняется.

В своей пьесе « Аркадия » Том Стоппард использует новую метафору необратимой природы энтропии:

Когда вы перемешиваете рисовый пудинг, Септимус, ложка варенья растекается, образуя красные следы, как изображение метеора в моем астрономическом атласе.Но если помешать в обратном направлении, варенье больше не сойдется. Действительно, пудинг этого не замечает и продолжает розоветь, как и раньше. Вы думаете, что это странно?

(Если вы хотите вовремя копнуть глубже, я рекомендую отличную книгу Джона Гриббина, The Time Illusion .)

«Как студент, изучающий бизнес-администрирование, я знаю, что существует закон эволюции для организаций, столь же строгий и неизбежный, как и все в жизни. Чем дольше он существует, тем больше он устраняет ограничения, замедляющие его собственные функции.Он достигает энтропии в состоянии полного нарциссизма. Только люди, находящиеся достаточно далеко в поле, что-либо делают, и каждый раз, когда они это делают, они в процессе нарушают полдюжины правил ».

– Роджер Желязны, Дверные проемы в песке

Энтропия в бизнесе и экономике

Большинство предприятий терпят крах – до 80% только за первые 18 месяцев. Один из способов понять это – провести аналогию с энтропией.

Энтропия – это, по сути, вероятностная идея: для каждого возможного «полезно упорядоченного» состояния молекул существует еще много, намного больше возможных «неупорядоченных» состояний.Так же, как энергия имеет тенденцию к менее полезному, более неупорядоченному состоянию, так же и компании и организации в целом. Перестановка молекул – или бизнес-систем и людей – в «упорядоченное» состояние требует вливания внешней энергии.

Давайте представим, что мы начинаем компанию с 20 человек в офисе с плохо определенной, но амбициозной целью и без дальнейшего лидерства. Мы говорим им, что будем платить им, пока они будут там работать. Мы возвращаемся через два месяца и обнаруживаем, что пятеро из них бросили курить, пятеро спят друг с другом, а остальные десять понятия не имеют, как решить множество возникших проблем.Сотрудники, конечно, не намного ближе к поставленной перед ними цели. Все предприятие просто разваливается.

Он отчетливо напоминает энтропию: для каждого полезного устройства дел, направленного на достижение общей бизнес-цели, есть на много порядков больше договоренностей, которые ни к чему не приведут. Чтобы добиться прогресса, все должно быть организовано и управляться определенным образом; нам нужно затратить много энергии, чтобы все было в упорядоченном состоянии.

Конечно, это не идеальная аналогия: мы должны рассмотреть феномен самоорганизации, который происходит во многих системах, вплоть до человеческих организаций.При наличии достаточно сильной цели, достаточно хорошей команды и правильных стимулов, возможно, этой группе не потребуется много «внешних заказов» – они будут управлять собой.

«… Конечная цель жизни, разума и человеческих устремлений: использовать энергию и информацию для борьбы с потоком энтропии и создания убежищ для благотворного порядка».

– Стивен Пинкер

На практике обе модели кажутся полезными в разное время. Любой стартап-предприниматель, который проработал достаточно долго, чтобы увидеть, как компания неожиданно процветает, знает это.Количество необходимого прилежного управления будет разным. В физике энтропия – это закон; в социальных системах это обычная тенденция, правда, сильная.

Энтропия присутствует во всех аспектах бизнеса. Сотрудники могут забыть про обучение, потерять энтузиазм, срезать углы и игнорировать правила. Оборудование может выйти из строя, стать неэффективным или использоваться не по назначению. Продукция может устареть или пользоваться меньшим спросом. Даже самые лучшие намерения не могут предотвратить сползание энтропии к хаосу.

Успешные предприятия вкладывают время и деньги в минимизацию энтропии.Например, они обеспечивают регулярное обучение персонала, хорошую отчетность о любых проблемах, проверки, подробные файлы и отчеты об успехах и неудачах. Меньшее будет означать почти неизбежные проблемы и потерю потенциальной прибыли. Без необходимых усилий бизнес достигнет точки максимальной энтропии: банкротства.

К счастью, в отличие от термодинамических систем, бизнес может обратить влияние энтропии. Однако необходимо найти баланс между творчеством и контролем.Слишком низкая автономия для сотрудников приводит к отсутствию интереса, а слишком большая – к неверным решениям.

Энтропия в социологии

Без постоянной поддержки со стороны отдельных лиц и доминирующих институтов общества склонны к хаосу. Дивергентное поведение усиливается – концепция, известная как теория «разбитых окон».

Социолог Кеннет Бейли пишет:

Когда я начал изучать понятие энтропии, мне стало ясно, что термодинамическая энтропия – всего лишь один из примеров концепции с гораздо более широкими приложениями… Я пришел к убеждению, что энтропия применима и к социальным явлениям.

Один из примеров того, что происходит, когда энтропия бесконтрольно увеличивается, произошел в городе Коулун, обнесенном стеной. В течение значительного периода времени Коулун был оставлен правительством после того, как британцы взяли под свой контроль Гонконг. В какой-то момент около 33000 жителей были втиснуты в 300 зданий площадью 6,4 акра, что сделало Коулун самым густонаселенным местом на земле. Поскольку места для нового строительства не было, к существующим зданиям были добавлены этажи. Из-за ограниченного водоснабжения и отсутствия вентиляции (ни солнечный свет, ни свежий воздух не достигали более низкого уровня), здоровье жителей пострадало.Наряду с публичными домами и игорными заведениями процветало сообщество нелицензированных медицинских работников.

Когда никто не контролировал город, взяли верх организованные преступные группировки. Он стал пристанищем беззакония. Хотя полиция была слишком напугана, чтобы предпринимать какие-либо попытки навести порядок, жители действительно предпринимали отчаянные попытки уменьшить энтропию самостоятельно. Группы, созданные для улучшения качества жизни, создания благотворительных организаций, мест для религиозных обрядов, детских садов и предприятий для получения дохода.

В 1987 году правительство Гонконга признало штат Коулун.Правительство разрушило и восстановило город, выселив жителей и разрушив все, кроме пары исторических зданий. Хотя бывшим жильцам была предоставлена разумная компенсация, многие были недовольны проектом восстановления.

Глядя на фотографии и слушая истории из Коулуна, мы должны задаться вопросом, будут ли все города такими же без постоянного контроля. Был ли Коулун единичным случаем нескольких плохих яблок, дающих этому мирному месту ужасную репутацию? Или хаос – наше естественное состояние?

Излишне говорить, что Коулун не был единичным инцидентом.Мы видели хаос и жестокость, развязанные во время войны во Вьетнаме, когда многие молодые люди, имея слишком много боеприпасов и слишком мало приказов, начали убивать и пытать каждое живое существо, с которым они сталкивались. Мы видим это по всему миру прямо сейчас, где места, где нет правоохранительных органов (включая Сомали и Западную Сахару), сталкиваются с непрекращающимися гражданскими войнами, голодом и высоким уровнем преступности.

Социологи используют интуитивный термин для этого явления: социальная энтропия. Общества должны прилагать постоянные усилия, чтобы остановить неизбежное движение к опасному хаосу.Снижение социальной энтропии, как правило, требует стабильного правительства, активных правоохранительных органов, организованной экономики, значимой занятости для большого процента людей, инфраструктуры и образования.

Однако грань между контролем энтропии и подавлением свободы людей тонкая. Чрезмерный контроль может привести к ситуации, похожей на паноптикум Фуко, когда люди находятся под постоянным наблюдением, лишены свободы слова и передвижения, лишены других прав и подвергаются чрезмерному усмотрению со стороны правоохранительных органов.Такой подход контрпродуктивен и в конечном итоге приводит к восстанию, когда образуется критическая масса несогласных.

«Все, что соединяется, разваливается. Все. Стул, на котором я сижу. Он был построен, и поэтому он развалится. Я развалится, наверное, перед этим стулом. И вы развалитесь. Клетки, органы и системы, которые составляют вас, – они собрались вместе, выросли вместе и поэтому должны распасться. Будда знал одну вещь, которую наука не доказывала на протяжении тысячелетий после его смерти: энтропия увеличивается.Все рушится.”

– Джон Грин, ищет Аляску

Энтропия в нашей повседневной жизни

Все мы наблюдали энтропию в повседневной жизни. Все склонно к беспорядку. Кажется, что жизнь всегда усложняется. Когда-то опрятные комнаты становятся загроможденными и пыльными. Крепкие отношения ломаются и заканчиваются. Раньше молодые лица морщатся, а волосы седеют. Забываются сложные навыки. Здания разрушаются из-за трещин в кирпичной кладке, сколов краски и плитки.

Энтропия – важная ментальная модель, потому что она применима ко всем сферам нашей жизни.Это неизбежно, и даже если мы попытаемся проигнорировать это, результатом будет своего рода коллапс. Истинное понимание энтропии приводит к радикальному изменению нашего взгляда на мир. Незнание этого является причиной многих наших самых больших ошибок и неудач. Мы не можем ожидать, что что-то останется таким, каким мы его оставим. Чтобы поддерживать наше здоровье, отношения, карьеру, навыки, знания, общество и имущество, требуются нескончаемые усилия и бдительность. Беспорядок – это не ошибка; это наш вариант по умолчанию. Порядок всегда искусственный и временный.

Это кажется печальным или бессмысленным? Это не. Представьте себе мир без энтропии – все остается таким, каким мы его покинули, никто не стареет и не болеет, ничего не ломается и не выходит из строя, все остается в первозданном виде. Возможно, это был бы также мир без инноваций или творчества, мир без срочности или потребности в прогрессе.

Многие люди считают своей целью улучшение мира для будущих поколений. Они проводят акции протеста, принимают новые законы, создают новые формы технологий, работают над сокращением бедности и преследуют другие благородные цели.Каждый из нас прилагает собственные усилия, чтобы уменьшить беспорядок. Существование энтропии – вот что держит нас в напряжении.

Ментальные модели сильны, потому что они позволяют нам разобраться в беспорядке, который нас окружает. Они предоставляют нам кратчайший путь к пониманию хаотического мира и некоторому контролю над ним.

В Информация: история, теория, потоп , пишет Джеймс Глейк,

Организмы организуются. … Мы сортируем почту, строим замки из песка, решаем головоломки, отделяем пшеницу от плевел, переставляем шахматные фигуры, собираем марки, составляем книги в алфавитном порядке, создаем симметрию, составляем сонеты и сонаты и приводим наши комнаты в порядок… Мы распространяем структуру (не только мы люди, но мы живые).Мы нарушаем стремление к равновесию. Было бы абсурдно пытаться термодинамически объяснить такие процессы, но не абсурдно сказать, что мы постепенно уменьшаем энтропию. Постепенно … Не только живые существа уменьшают беспорядок в своей среде; они сами по себе, их скелеты и их плоть, пузырьки и оболочки, раковины и панцири, листья и цветы, системы кровообращения и метаболические пути – чудеса узора и структуры. Иногда кажется, что обуздание энтропии – наша донкихотская цель во Вселенной.

Вопрос не в том, можем ли мы предотвратить энтропию (мы не можем), а в том, как мы можем обуздать, контролировать, работать и понимать ее. Как мы видели в начале этого поста, энтропия окружает нас повсюду. Теперь, вероятно, пора исправить любую ошибку, которую только что допустил сотрудник или коллега, убрать грязь на столе и разогреть холодный кофе.

Как я могу использовать энтропию в своих интересах?

Вот где начинается самое интересное.

Независимо от того, начинаете ли вы бизнес или пытаетесь внести изменения в свою организацию, понимание абстракции энтропии как ментальной модели поможет вам более эффективно достичь своих целей.

Поскольку со временем все естественным образом превращается в беспорядок, мы можем позиционировать себя так, чтобы обеспечить стабильность. Есть два типа устойчивости: активная и пассивная. Рассмотрим корабль, который, если он хорошо спроектирован, сможет пройти через шторм без вмешательства. Это пассивная стабильность. Реактивный истребитель, напротив, требует активной устойчивости. Самолет не может лететь дольше нескольких секунд без корректировки крыльев. Эта настройка происходит так быстро, что управляется программным обеспечением.Здесь нет присущей стабильности: если вы отключите электричество, самолет рухнет. ^[3]

Люди попадают в беду, когда путают два типа устойчивости. Отношения, например, требуют внимания и заботы. Если вы предполагаете, что ваши отношения пассивно стабильны, однажды вы проснетесь и получите документы о разводе. Ваш дом также не является пассивно устойчивым. Если не чистить регулярно, он будет становиться все более грязным и беспорядочным.

Организациям также нужна стабильность.Если вы компания, которая полагается на долги, вы не пассивно стабильны, а активно стабильны. С учетом запаса прочности это означает, что люди, дающие вам кредит, должны быть пассивно стабильными. Если вы оба активно стабильны, то при отключении электроэнергии вы, скорее всего, окажетесь в положении слабости, а не силы.

При активной стабильности вы прикладываете энергию к системе, чтобы получить какое-то преимущество (предохранение самолета от крушения, ваших отношений, чистоты дома и т. Д.), Если мы продвинемся немного дальше по кроличьей норе, мы увидим, как применение того же количества энергии может дать совершенно разные результаты.

Давайте воспользуемся аналогией с кашлем. ^[4] Кашель – это передача энергии в виде тепла. Если вы кашляете в тихой кофейне, которую можно представить как систему с низкой энтропией, вы вызываете большие изменения. Ваш кашель беспокоит. С другой стороны, если вы кашляете в Таймс-сквер, системе с большой энтропией, тот же кашель не повлияет.Хотя вы изменяете энтропию в обоих случаях, воздействие, которое вы оказываете при одном и том же кашле, пропорционально существующей энтропии.

Теперь подумайте об этом примере применительно к вашей организации. Вы прикладываете энергию, чтобы что-то сделать. Чем выше энтропия в системе, тем менее эффективной будет энергия, которую вы применяете. Тот же человек, который применяет 20 единиц энергии в большом бюрократическом аппарате, получит меньший эффект, чем тот, кто применяет те же 20 единиц энергии в небольшом стартапе.

Вы можете думать об этой идее и с точки зрения конкуренции.Если вы начинаете бизнес и соревнуетесь с очень эффективными и действенными людьми, вам будет затрачено много усилий. Это будет не очень эффективно. Если, с другой стороны, вы соревнуетесь с менее эффективными и эффективными людьми, то же количество энергии будет более эффективно для ее преобразования.

По сути, для того, чтобы изменение произошло, вы должны приложить к системе больше энергии, чем извлекает система.

Если вы еще не являетесь участником Farnam Street, посмотрите, что вам не хватает.

Ресурсов:

[1] http://www.exactlywhatistime.com/physics-of-time/the-arrow-of-time/

^[2] Питер Аткинс

^[3] На основе работы Тома Томбрелло

^[4] На основе работы Питера Аткинса в книге «Законы термодинамики: очень краткое введение»

Вибрирующая сущность Вселенной | News Article

Сера Кремонини считает, что секреты некоторых из самых больших загадок Вселенной могут заключаться в поведении ее мельчайших составляющих.

Рассмотрим начало Вселенной. Через долю секунды после Большого взрыва 14 миллиардов лет назад огромное количество плотно ограниченного вещества взорвалось, превратившись в сверхгорячее море субатомных частиц.

И рассмотрим черные дыры, которые образуются при коллапсе массивных звезд. Они сжимают материю так плотно, что ничто, попадающее в их владения, никогда не ускользает, даже свет.

Как взаимодействовали первые частицы Вселенной? Как они образовали кварки и как они объединились, чтобы сформировать первые протоны и нейтроны? И какие законы управляют «гравитационной сингулярностью» черной дыры, разрывом в ткани пространства-времени, где плотность и гравитация становятся бесконечными?

Кремонини, доцент физики, исследует эти вопросы через призму теории струн, которая предполагает, что каждая частица во Вселенной состоит из крошечных вибрирующих струн энергии.Длина струны составляет всего 10-34 метра, и размер струны можно сравнить с кварком, как атом по размеру с Землей.

Строки – это одномерные объекты, имеющие длину, но не ширину. Они могут быть открытыми, образовывать замкнутую петлю или прикрепляться к мембранам или бранам, которые могут быть крошечными или заполнить всю вселенную. Подобно гитарным струнам, настроенным на воспроизведение различных частот, колебания струн могут быть связаны с различными частицами, с которыми мы знакомы. Один из них соответствует гравитону, частице, которая, как считается, несет гравитационную силу.То, как струны и мембраны располагаются и взаимодействуют друг с другом, определяет свойства наблюдаемых нами субатомных частиц.

«Идея теории струн проста, – говорит Кремонини. «Загляните глубоко внутрь любой частицы, и вы увидите эту крошечную вибрирующую струну. Это фундаментальная единица, которую мы искали, фундаментальная единица, из которой все состоит “.

Теория струн, говорит Кремонини, – лучшая основа, созданная для преодоления двух несовместимых теорий, описывающих, как устроена Вселенная.Общая теория относительности Альберта Эйнштейна учит, что гравитация – это искривление пространства и времени; он детерминирован и описывает крупномасштабные явления. Квантовая механика вероятностна; он управляет поведением атомных и субатомных частиц.

«Общая теория относительности Эйнштейна – прекрасная, хорошо проверенная теория, которая показывает нам, как массивные объекты деформируют ткань пространства-времени», – говорит Кремонини. «Благодаря этому у нас есть системы GPS, и мы понимаем орбиты планет и отклонение света вокруг галактик.И только в прошлом году эксперимент LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] впервые обнаружил гравитационные волны, которые Эйнштейн предсказал за 100 лет до этого. Это рябь в самом пространстве-времени, вызванная столкновением двух черных дыр, яркое подтверждение общей теории относительности.

«Но общая теория относительности хорошо работает только на больших расстояниях или больших масштабах – с планетой, яблоком или самолетом. Теория не может описать гравитацию повсюду во Вселенной.Он выходит из строя, когда вы идете на очень и очень короткие расстояния, где нельзя игнорировать эффекты квантовой механики.

«Общая теория относительности и квантовая механика хорошо объясняют соответствующие режимы, но нам нужна теория, теория квантовой гравитации, которая объединяет их обе, чтобы описать ситуации, в которых гравитационные и квантовые эффекты одинаково важны. Теория струн на данный момент является наиболее многообещающей и последовательной концепцией, которую мы должны пролить на квантовую природу гравитации.Это набор инструментов, которые мы можем использовать, чтобы ответить на вопросы о зарождении Вселенной, поведении и свойствах черных дыр и структуре пространства-времени. Все эти идеи идут рука об руку ».

Кремонини недавно получил трехлетний грант от Национального научного фонда на изучение микроструктуры пространства-времени, четырехмерного континуума, в который три физических измерения вплетены со временем. Используя метод, называемый голографией, она надеется пролить свет на явления, начиная от непосредственных последствий Большого взрыва до структуры и свойств черных дыр и заканчивая поведением нетрадиционных материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники.

Сферическая корова

Кремонини начинает большую часть своих исследований с карандаша и листа бумаги, записывая дифференциальные уравнения, не намного более сложные, чем те, которые студенты учатся решать с помощью математического анализа в колледже. Это уравнения общей теории относительности с квантовой теорией поля и теорией струн.

«Многие из этих вычислений требуют физической интуиции», – говорит она. «Некоторые из них можно сделать своими руками. Как только я правильно определил проблему, я использую компьютер для помощи.

Как и большинство физиков, Кремонини делает много приближений и предположений о реальном мире. Это особенно важно для теории струн, поскольку ученые еще не разработали инструменты, которые могут создавать или наблюдать струны.

«В физике есть шутка про сферическую корову», – говорит она. «Большинство задач, над которыми работают физики, требуют от нас приближения к реальному миру, например, взять корову и сделать ее сферической, потому что сферу намного легче смоделировать, чем настоящую корову.

«У нас нет математических инструментов для решения определенных задач, поэтому мы вынуждены делать упрощения и приближения, которые сводят их к чему-то, с чем мы можем справиться. Мы должны соотнести проблему, которую мы не знаем, как решить, с чем-то, что, как мы знаем, разрешимо, не теряя своих основных физических свойств ».

Словарь квантовой гравитации

Двойственность в теории струн, говорит Кремонини, дает представление о том, как гравитация связана с миром квантовой механики.По ее словам, некоторые аспекты гравитационного пространства-времени имеют альтернативные описания в квантовом мире.

«В теории струн мы узнаем, что определенные теории гравитации, живущие в определенном количестве измерений, имеют соответствующие и полностью эквивалентные описания в квантовых теориях, живущих в одном измерении меньше. Из-за этой разницы в количестве измерений мы называем это голографией, поскольку она напоминает голограмму, которая представляет собой проекцию трехмерного объекта на два измерения.

Как французско-немецкий или японско-английский словарь, – говорит Кремонини, – теория гравитации и соответствующая ей квантовая теория содержат одинаковое количество информации, но написаны с использованием разных слов и соглашений. Голография предлагает «богатую паутину» связей, говорит Кремонини, которые позволяют переходить между гравитацией и квантовым миром и совершенно по-новому осмыслить некоторые из их самых сложных аспектов. Оказывается, проблема, которую трудно решить в одной области, может быть переведена в другую – обычно в область гравитации, – где ее легче решить.

Оценка асимметрии реальности

Целью текущего исследования Кремонини является расширение круга проблем, к которым могут быть эффективно применены голографические методы.

«Голографические методы изначально были разработаны для простых систем, которые хорошо себя ведут, обладают большой симметрией и не слишком реалистичны», – говорит она. «Мы обнаружили, что эти методы намного шире и весьма эффективны. Я спрашиваю, насколько мы можем расширить и обобщить эти идеи на более сложные системы с меньшей симметрией, которые ближе к нашей Вселенной и, следовательно, более реалистичны.

«Физики любят думать о вещах в терминах симметрии. Большая часть нашего прогресса, особенно в физике элементарных частиц, основана на понимании высокосимметричных систем; их просто легче понять. Но в реальной жизни у природы есть много механизмов, нарушающих симметрию, а процессы динамичны и намного сложнее ».

Проблемы, которые представляют собой наибольшую проблему для физиков, говорит Кремонини, обычно связаны с системами, составные части которых – например, электроны – сильно взаимодействуют друг с другом.В этих случаях, как известно, сложно моделировать поведение систем при разных температурах или их фазовые переходы из одного состояния в другое.

Один из фазовых переходов, изученных Кремонини, происходит в квантовой системе, называемой кварк-глюонной плазмой. Согласно теории квантовой хромодинамики (КХД) протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, сами состоят из трех маленьких кварков, которые прочно связаны друг с другом частицами, называемыми глюонами.При достаточно высоких энергиях в явлении, отражающем состояние ранней Вселенной, кварки и глюоны физически разделяются и свободно плавают в горячем супе или плазме. Фазовый переход, который развязывает кварки, известен как деконфайнмент КХД и является предметом экспериментов на коллайдере релятивистских тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории и на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, Европейской организации ядерных исследований в Швейцарии.

«Из-за сильного взаимодействия между кварками и глюонами, – говорит Кремонини, – эту систему очень трудно изучать.Но его можно сопоставить с соответствующей гравитационной системой, где некоторые из ее свойств гораздо легче исследовать ».

Когда энергия управляет поведением

В своем проекте NSF Кремонини пытается использовать голографические методы для изучения квантовых фаз материи, поведение которых плохо изучено именно из-за таких сильных взаимодействий. Примером могут служить высокотемпературные сверхпроводники, которые достигают сверхпроводимости при температурах до -70 градусов Цельсия по сравнению с пороговым значением -240 градусов для обычных металлических сверхпроводящих материалов.

Поскольку высокотемпературные сверхпроводники имеют сильно взаимодействующие компоненты, говорит Цемонини, моделировать их гораздо сложнее, чем обычные сверхпроводники.

«Высокотемпературные сверхпроводники – очень интересные материалы, но нет глубокого понимания того, почему они сверхпроводники», – говорит она. «Поведение компонентов этих материалов очень странное. Их электроны настолько запутаны и настолько сильно взаимодействуют, что мы не можем понять их поведение, используя методы, которые мы обычно используем для обычных сверхпроводников или обычных металлов.Голографические методы дают нам возможность писать удобные вычисления, которые позволяют моделировать эти системы и их необычные свойства ».

Поведение многих систем можно сравнить с поведением детей, испытывающих повышенный уровень сахара. Когда энергия удаляется из системы, говорит Кремонини, система расслабляется до нулевого или основного состояния. Когда добавляется энергия, часто с применением тепла, система возбуждается и демонстрирует богатое поведение.

«В физике важно понимать, как ведут себя системы, когда вы истощаете их энергию, и до какого состояния они расслабляются.Поведение – это функция энергии.

«Подумайте, что происходит, когда вода закипает. Образуется пузырь – нестабильность в системе – и он начинает расти. Затем образуются новые пузырьки, которые превращаются в дымящуюся массу. Вот как мы думаем о фазовых переходах; они там, потому что нестабильность формируется, а затем нарастает. В своей работе я исследую различные квантовые фазы и типы нестабильности, которые могут возникнуть ».

В своем проекте NSF Кремонини также изучает, как гравитация возникает из микроскопических, квантово-механических составляющих.Она надеется, что ее ответы прольют свет на структуру пространства-времени, начало и раннюю эволюцию Вселенной, а также физику черных дыр.

«Теория струн дала нам глубокое понимание взаимосвязи между общей теорией относительности и квантовой механикой, особенно за последние 20 лет. Это помогло нам узнать о фундаментальной структуре черных дыр. Мы знаем, что у черных дыр есть температура, а это означает, что с ними связана энтропия. Но энтропия – это не только мера беспорядка.Это также говорит нам о том, что черная дыра должна состоять из множества микроскопических частиц. Один из величайших успехов теории струн состоит в том, что она дала нам возможность вычислять микроскопические частицы, из которых состоят определенные черные дыры, и очень точно воспроизвела их энтропию. Это замечательно, и это необходимо для любой теории квантовой гравитации.

«Может быть, есть другая теория, которая может описать все эти явления. Это возможно, но пока что теория струн – лучшая из имеющихся у нас основ.”

Рассказ Курта Пфитцера

Геотермальная энергия

1. Что Геотермальная энергия?

Геотермальная энергия поступает из тепло в земле. Слово «геотермальный» приходит от греческих слов geo, что означает земля, и therme, означает «тепло». Люди во всем мире используют геотермальную энергию энергия для производства электроэнергии, отопления зданий и теплиц, и для других целей.

ядро Земли лежит почти 4000 миль под поверхностью земли.Двухслойный сердечник состоит из очень горячего расплавленного железа , окружающего твердый железный центр. Оценки температуры ядра колеблются от От 5000 до 11000 градусов по Фаренгейту (F). Тепло вырабатывается непрерывно внутри Земли из-за медленного распада радиоактивных частиц, которые естественно во всех породах.

Вокруг земного ядра это мантия , предположительно – это частично горная порода, а частично магма. Толщина мантии составляет около 1800 миль. Самый внешний слой Земля, изолирующая корка, – это не один сплошной лист камень, похожий на скорлупу яйца, но разбитый на части, называемые тарелок. Эти плиты континентов и дно океана дрейфуют в стороны и прижимайтесь друг к другу со скоростью примерно один дюйм в год в процессе, называемом дрейфом континентов на единиц.

Магма (расплавленная порода) может подходить довольно близко к поверхности где кора была истончена, повреждена или разорвана пластиной тектоника. Когда это приповерхностное тепло передается воде, создается пригодная для использования форма геотермальной энергии.

Геотермальная энергия называется возобновляемый источник энергии, потому что вода пополняется ливень, а тепло постоянно вырабатывается землей.

2. История геотермальной энергетики

Многие древние народы, в том числе римляне, китайцы и коренные американцы использовали горячие минеральные источники для купания, приготовления пищи и обогрева. Вода из горячих источников сейчас используется во всем мире на курортах, для обогрева зданий и в сельском хозяйстве. и промышленное использование. Многие считают, что горячие минеральные источники природные целебные силы.

Использование геотермальной энергии для производство электроэнергии – относительно новая отрасль.Было инициировано группой итальянцев, построивших электрогенератор в Лардарелло. в 1904 году. Их генератор был приведен в действие естественным извергающимся паром. с земли.

Первая попытка развития геотермальная энергия в Соединенных Штатах появилась в 1922 году в Гейзерах. паровое поле в северной Калифорнии. Проект провалился, потому что трубы и турбины того дня не выдерживали истирания и коррозия частиц и примесей, которые были в пар. Позже открылась небольшая, но успешная гидротермальная установка. у Гейзеров в 1960 году.Сегодня там работают 28 заводов.

Электроэнергия вырабатывается от геотермальной энергии в 21 стране, включая США.

3. Где можно найти геотермальную энергию?

Что означает геотермальная энергия выглядит как? Некоторые видимые черты геотермальной энергии – вулканы, горячие источники, гейзеры и фумаролы. Но вы не можете увидеть самые геотермальные энергия. Обычно геотермальная энергия находится глубоко под землей. Может не быть подсказками над землей к тому, что существует под землей.

Геологи используют множество методов найти геотермальные ресурсы. Они могут изучать аэрофотоснимки и геологические карты. Они могут анализировать химический состав местной воды. источники и концентрация металлов в почве. Они могут измерять вариации гравитационного и магнитного полей. Все же единственный они могут быть уверены в наличии геотермальных ресурсов путем бурения колодцы для измерения подземных температур.

Земля – рассадник геотермальных энергия. Наиболее активные геотермальные ресурсы обычно находятся вдоль основных границ плит, где происходят землетрясения и вулканы. концентрированный.Большая часть геотермальной активности в мире происходит в районе, известном как «Огненное кольцо». Кольцо Огонь омывает Тихий океан и граничит с Японией, Филиппинами, Алеутские острова, Северная Америка, Центральная Америка и Южная Америка.

4. Геотермальная энергия сегодня

Есть четыре основных вида геотермальные ресурсы: гидротермальные, геонапорные, горячая сухая порода, и магма. Сегодня гидротермальные ресурсы – единственный вид в широком использовать. Остальные три ресурса все еще находятся на начальной стадии. развития.

Гидротермальные ресурсы имеют общие ингредиенты воды (гидро) и тепло (тепловое). Эти геотермальные резервуары пара или горячей воды возникают естественным образом там, где магма приближается достаточно на поверхности, чтобы нагреть грунтовые воды, застрявшие в трещинах или пористые породы, или где вода циркулирует на большой глубине вдоль неисправности. Гидротермальные ресурсы используются для различных энергетических целей. в зависимости от их температуры и глубины.

Низкая температура: “Прямой” Использование »или Отопление

Когда температура гидротермального ресурс составляет около 50F и выше, его можно использовать непосредственно в спа или для обогрева зданий, выращивания сельскохозяйственных культур, для обогрева рыбных прудов или для других использует.Гидротермальные ресурсы, пригодные для обогрева, встречаются повсюду. США и почти во всех странах мира. Наиболее жителей Исландии и более 500 000 человек во Франции используют геотермальное тепло для общественных зданий, школ и домов. В США геотермальные тепловые насосы используются в 45 штатах. для обогрева и охлаждения домов и строений. Айдахо, Орегон, Невада и в некоторых других штатах геотермальная энергия используется для обогрева целых районов.

Тепло от геотермальных ресурсов также используется для сушки керамики, пиломатериалов, овощей и других продуктов.

Высокая температура: Производство Электричество

Когда температура гидротермального Ресурс составляет около 220F и выше, его можно использовать для выработки электроэнергии. Большинство геотермальных ресурсов, производящих электроэнергию, имеют температуру от 300 до 700F, но геотермальные резервуары могут достигать почти 1000F.

Два основных типа гидротермальных ресурсы используются для выработки электроэнергии:

сухой пар (с преобладанием пара) водохранилища и
горячая вода (с преобладанием жидкости) водохранилища.

Сухой пар Резервуары редки, но очень эффективны при производстве электроэнергии. Гейзеры в Калифорнии – самые большие и самый известный резервуар для сухого пара. Здесь пар получают бурение скважин глубиной от 7000 до 10000 футов. В сухом паре резервуар, природный пар подается непосредственно из геотермального резервуара. хорошо для питания турбогенератора. Отработанный пар (конденсированный вода) может использоваться в системе охлаждения завода и закачиваться обратно в резервуар для поддержания уровня воды и давления.

Горячая вода геотермальные резервуары самые обычный тип. В резервуаре с преобладанием жидкости горячая вода не испаряется в пар, потому что резервуар насыщен вода и находится под давлением. Для выработки электричества горячая вода подается из геотермальных скважин в один или несколько сепараторов где давление понижается и вода мигает в пар. Затем пар приводит в движение турбогенератор для производства электроэнергии. Пар охлаждается и конденсируется и используется в системы охлаждения или закачивают обратно в геотермальный резервуар.

A двоичный цикл мощность растение используется, когда вода в резервуаре с горячей водой не горячая достаточно, чтобы испариться. Вместо этого более низкотемпературный горячий вода используется для нагрева жидкости, которая расширяется при нагревании. Турбина приводится в действие расширенной жидкостью под давлением. Впоследствии жидкость охлаждается и используется повторно, чтобы нагреваться снова и снова.

5. Производство и экономика геотермальной энергии

Геотермальная энергия поставлена на работают во многих местах по всему миру.Самая известная геотермальная источники энергии в США расположены в западных штатах и Гавайи. Также существуют умеренно горячие геотермальные ресурсы. в Дакоте, вдоль Атлантического побережья, в Арканзасе и Техас. Когда-нибудь мы сможем использовать и этот ресурс.

Большая часть геотермальной энергии производится в четырех штатах – Калифорнии, Неваде, Юте и Гавайях. Сегодня общая установленная мощность геотермальных электростанций в США Штат – 3200 мегаватт (МВт) .Это энергетический эквивалент три атомные электростанции.Ассортимент американских геотермальных электростанций размером от нескольких сотен киловатт до более 130 мегаватт.

В 1994 году геотермальная энергия произведено 18 миллиардов киловатт-часов (кВтч) электроэнергии, или 0,3 процентов электроэнергии, используемой в этой стране. Тем не менее, это было достаточно, чтобы удовлетворить потребности в электроэнергии более трех миллионов домохозяйства. Калифорния получает шесть процентов электроэнергии от геотермальной энергии больше, чем в любом другом штате.

Сторонники геотермальной энергии говорят, что геотермальная энергия производство энергии будет расти в 1990-е годы, несмотря на то, что Производство геотермальной энергии достигло пика в 1987 году и с тех пор сокращается.Сторонники геотермальной энергии говорят, что планируется увеличить мощность как минимум на 400 МВт на следующие пять лет и оценим, что геотермальная энергия может обеспечивают 10 процентов электрической мощности западных штатов США. Штаты на рубеже веков.

Экономика геотермальной энергии Энергетика

Геотермальные электростанции могут производить электроэнергию так же дешево, как некоторые обычные электростанции. Производство электроэнергии из гидротермальные системы.Для сравнения: новые угольные электростанции производят электричество по цене около четырех центов за кВтч.

Первоначальные затраты на строительство для геотермальных электростанций высокие, потому что геотермальные скважины и электростанции должны строиться одновременно.

Но стоимость производства электроэнергии со временем ниже, потому что цена и доступность топлива стабильно и предсказуемо. Топливо не обязательно привозить. или перевезли на электростанцию. Силовая установка буквально сидит поверх источника топлива.

Геотермальные электростанции также отличные источники baseload power. Мощность базовой нагрузки это энергия, которую электроэнергетические компании должны поставлять в течение всего дня долго. Геотермальные станции базовой нагрузки постоянно продают электроэнергию, не только в периоды пиковой нагрузки, когда потребность в электроэнергии в приоритете.

До недавнего времени требуется покупать электроэнергию с наименьшими затратами, независимо от воздействие на окружающую среду. Федеральная и государственная энергетическая и экологическая агентства изучают способы отдать предпочтение экологически чистым источники энергии, такие как геотермальная энергия.

6. Геотермальная энергия и окружающая среда

Геотермальная энергия – возобновляемая источник энергии, наносящий небольшой вред окружающей среде.

Геотермальный пар и горячая вода действительно содержат естественные следы сероводорода (газ пахнет тухлыми яйцами) и другие газы и химические вещества, которые может быть вредным в высоких концентрациях. Геотермальные электростанции использовать «скрубберные» системы для очистки воздуха от водорода. сульфид и другие газы. Иногда газы превращаются в товарные продукты, такие как жидкие удобрения.Новые геотермальные источники электростанции могут даже закачивать эти газы обратно в геотермальную колодцы.

Геотермальные электростанции не сжигать топливо для выработки электроэнергии, как это делают электростанции, работающие на ископаемом топливе. Геотермальные электростанции выбрасывают менее одного-четырех процентов количества углекислого газа (СО2), выбрасываемого угольными электростанциями.

Выбросы соединений серы от автомобилей и предприятий, работающих на ископаемом топливе, также являются основными источниками до кислотного дождя. С другой стороны, геотермальные электростанции выбрасывают только от одного до трех процентов соединений серы, содержащихся в угле. и масляные электростанции.Хорошо продуманная мощность в двоичном цикле у растений вообще нет выбросов.

Геотермальные электростанции совместим со многими средами. Они построены в пустынях, посреди посевов и в горных лесах.

Разработка геотермальных разрешено на федеральных землях, поскольку не наносит существенного вреда окружение. Однако до того, как будет получено разрешение, необходимо изучить необходимо сделать, чтобы определить, какое влияние растение может иметь на окружающая обстановка. Геотермальные особенности в национальных парках, таких как гейзеры и фумаролы в национальных парках Йеллоустон и Лассен, защищены законом, поэтому геотермальная энергия не используется в этих области.

Кинетическая молекулярная теория вещества

Кинетическая молекулярная теория материи объясняет, как материя может меняться между фазами твердого тела, жидкости и газа.

Цели обучения

Опишите кинетическую молекулярную теорию вещества.

Ключевые выводы

Ключевые моменты

Все частицы обладают энергией, и энергия изменяется в зависимости от температуры, в которой находится образец вещества, которая определяет, является ли вещество твердым, жидким или газообразным.Твердые частицы имеют наименьшее количество энергии, а частицы газа – наибольшее количество энергии.
Температура вещества – это мера средней кинетической энергии частиц. Изменение фазы может происходить при изменении энергии частиц.
Между частицами материи есть промежутки. Среднее количество пустого пространства между молекулами становится все больше по мере того, как образец вещества перемещается из твердой в жидкую и газовую фазы.

Ключевые термины

кинетическая молекулярная теория : Теория рассмотрения образцов вещества как большого количества мелких частиц (атомов или молекул), все из которых находятся в постоянном, случайном движении
кинетический : движение или относящееся к движению.
решетка : регулярное расположение атомов / молекул внутри кристалла.
фаза : Компонент в системе материалов, который отличается химическим составом и / или физическим состоянием. Материя может существовать в твердой, жидкой и газообразной фазах.

Кинетическая теория: микроскопическое описание материи

Кинетическая молекулярная теория материи предлагает описание микроскопических свойств атомов (или молекул) и их взаимодействий, ведущих к наблюдаемым макроскопическим свойствам (таким как давление, объем, температура).Применение теории состоит в том, что она помогает объяснить, почему материя существует в разных фазах (твердой, жидкой и газовой) и как материя может переходить из одной фазы в другую.

Три фазы материи : Обратите внимание, что расстояние между атомами или молекулами увеличивается по мере того, как мы переходим от описания твердой фазы к газовой.

Кинетическая молекулярная теория вещества утверждает, что:

Материя состоит из постоянно движущихся частиц.
Все частицы обладают энергией, но энергия меняется в зависимости от температуры, в которой находится образец вещества. Это, в свою очередь, определяет, существует ли вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии. Молекулы в твердой фазе обладают наименьшим количеством энергии, а частицы газа – наибольшим количеством энергии.
Температура вещества – это мера средней кинетической энергии частиц.
Изменение фазы может происходить при изменении энергии частиц.
Между частицами материи есть промежутки. Среднее количество пустого пространства между молекулами становится все больше по мере того, как образец вещества перемещается из твердой в жидкую и газовую фазы.
Между атомами / молекулами существуют силы притяжения, которые становятся сильнее по мере приближения частиц друг к другу. Эти силы притяжения называются межмолекулярными силами.

Интерактивное: межмолекулярные притяжения и состояния вещества : исследуйте, как состояния вещества связаны с силой межмолекулярного притяжения.

Пример: вода

Возьмем, к примеру, воду. Мы обнаружили, что в твердой фазе (лед) молекулы воды имеют очень мало энергии и не могут удаляться друг от друга. Молекулы тесно связаны друг с другом в виде регулярной структуры, называемой решеткой. Если лед нагревается, энергия молекул увеличивается. Это означает, что некоторые молекулы воды способны преодолевать межмолекулярные силы, удерживающие их вместе, и молекулы расходятся дальше друг от друга, образуя жидкую воду.Вот почему жидкая вода может течь: молекулы имеют большую свободу передвижения, чем в твердой решетке. Если молекулы нагреться дальше, жидкая вода превратится в водяной пар, который является газом. Частицы газа обладают большей энергией и в среднем находятся на расстоянии друг от друга, которое намного превышает размер самих атомов / молекул. Силы притяжения между частицами очень слабы, учитывая большие расстояния между ними.

Изменения фазы : Изменение фазы может происходить при изменении энергии частиц.

Распространение

Кинетическая теория материи также иллюстрируется процессом диффузии. Диффузия – это движение частиц от высокой концентрации к низкой. Это можно рассматривать как распространение частиц, приводящее к их равномерному распределению. Размещение капли пищевого красителя в воде дает наглядное представление об этом процессе – цвет медленно распространяется по воде. Если бы материя не состояла из частиц, мы бы просто увидели сгусток цвета, поскольку не было бы более мелких единиц, которые могли бы перемещаться и смешиваться с водой.

Интерактивное: Распространение капли : Щелкните модель, чтобы добавить каплю красителя. Наблюдайте, как молекулы движутся в воде. Проследите отдельную молекулу, чтобы увидеть, как она движется через жидкость.

Теплопроводность и закон Видемана-Франца

Теплопередача за счет теплопроводности включает передачу энергии внутри материала без какого-либо движения материала в целом. Скорость теплопередачи зависит от температурного градиента и теплопроводности материала.Теплопроводность – это довольно простая концепция, когда вы обсуждаете потери тепла через стены вашего дома, и вы можете найти таблицы, которые характеризуют строительные материалы и позволяют делать разумные расчеты.

Более фундаментальные вопросы возникают, когда вы исследуете причины значительных колебаний теплопроводности. Газы передают тепло путем прямых столкновений между молекулами, и, как и следовало ожидать, их теплопроводность низкая по сравнению с большинством твердых тел, поскольку они являются разбавленными средами.Неметаллические твердые тела передают тепло посредством колебаний решетки, так что нет чистого движения среды при прохождении энергии. Такой перенос тепла часто описывают в терминах «фононов», квантов колебаний решетки. Металлы являются гораздо лучшими проводниками тепла, чем неметаллы, потому что те же самые подвижные электроны, которые участвуют в электропроводности, также участвуют в передаче тепла.

Концептуально теплопроводность можно рассматривать как контейнер для зависящих от среды свойств, которые связывают скорость потери тепла на единицу площади со скоростью изменения температуры.

Для идеального газа скорость теплопередачи пропорциональна средней молекулярной скорости, длине свободного пробега и молярной теплоемкости газа.

Для неметаллических твердых тел теплопередача рассматривается как передача посредством колебаний решетки, поскольку атомы, колеблющиеся более энергично в одной части твердого тела, передают эту энергию менее энергичным соседним атомам. Это может быть усилено совместным движением в форме распространяющихся решеточных волн, которые в квантовом пределе квантуются как фононы.На практике неметаллические твердые тела настолько изменчивы, что мы обычно просто характеризуем вещество с помощью измеренной теплопроводности при выполнении обычных расчетов.

У металлов достаточно высокая теплопроводность, и те металлы, которые являются лучшими электрическими проводниками, также являются лучшими проводниками тепла. При заданной температуре теплопроводность и электрическая проводимость металлов пропорциональны, но повышение температуры увеличивает теплопроводность при одновременном уменьшении электропроводности.Это поведение количественно выражено в законе Видемана-Франца:

, где коэффициент пропорциональности L называется числом Лоренца.