Допустим, я хочу построить двигатель, который запускает коробку вертикально вверх. Предлагаю две такие конструкции двигателя:
Двигатель 1 (палец, пружина, коробка)
Шаг 1: Расположите несжатую пружину вертикально.
Шаг 2: Поместите коробку на пружину и пальцем сожмите пружину. Теперь коробка загружена.
Шаг 3: Уберите палец. Пружина расширяется/растягивается. Коробка запускается этим расширением на некоторую максимальную высоту.
Общая эффективность: Предполагая (почти) идеальную пружину, незначительное сопротивление воздуха и фрикционный нагрев, тогда палец выполнял работу W , почти вся из которой была преобразована в гравитационную потенциальную энергию U_g . Кажется довольно эффективным, поскольку почти вся работа, проделанная пальцем, была преобразована движком в U_g .
Двигатель 2 (баня с горячей водой, баня со льдом, пустая 2-литровая бутылка, коробка)
Шаг 1: Расположите пустую 2-литровую бутылку с крышкой горизонтально.
Шаг 2: Поместите коробку на бутылку и поместите систему в баню со льдом. Тепловая энергия перетекает из бутылки в ванну со льдом, и бутылка частично разрушается. Теперь коробка загружена.
Шаг 3: Достаньте бутылку из бани со льдом и поместите в баню с горячей водой. Тепловая энергия от горячей водяной бани поступает в бутылку, и бутылка быстро расширяется. Коробка запускается этим расширением на некоторую максимальную высоту.
Общий КПД: Предполагая пренебрежимо малое сопротивление воздуха, тогда бутылка совершала работу W над системой, не вся из которой была преобразована в гравитационную потенциальную энергию U_g , так как не вся тепловая энергия, добавленная к бутылке при нагревании, была преобразована в U_g . Это должно быть так, потому что воздух в бутылке имеет значительно более высокую температуру, когда ящик находится на максимальной высоте, чем когда он не находился ни в одной из ванн. Кажется менее эффективным в том смысле, что даже близко не вся проделанная работа была преобразована двигателем, чтобы делать то, что я хотел.
Очевидно, что движок 2 — нетрадиционный способ выполнить эту задачу, но он работает (у меня это получилось).
Два вопроса:
(1) Учитывая, что КПД двигателя 2 меньше, чем КПД двигателя 1 (теплового двигателя), почему мы в основном используем тепловые двигатели?
(2) Кроме того, что-то не так в моем анализе/шагах выше?
Почему мы в основном используем тепловые двигатели?
До изобретения двигателей вся работа человека выполнялась ручным трудом. Время, которое люди проводят с двигателями, меньше, чем мы тратим без них.
Мы используем их, чтобы уменьшить работу, выполняемую людьми. Да, двигатели менее эффективны, чем чисто механические, но вы также должны упомянуть скорость (об/мин) этих двигателей при работе.
Вы бы отправились в дальнее путешествие на велосипеде или хотели бы взять машину?
Автомобиль, так сказать, более экономичен для человека, чем велосипед. Так что вы должны спросить эффективность чего? Даже человеческое тело, как в случае 1, не на 100% эффективно (как упоминает Дэвид ниже, мы, люди, — крайне неэффективные машины) .
Таким образом, оба случая, о которых вы упомянули, являются крайне неэффективными методами.
И нет, с вашим анализом все в порядке.
Я не думаю, что с вашим анализом что-то не так. Тем не менее, я думаю, что ваша первоначальная предпосылка неверна. Когда вы говорите, что тепловые двигатели настолько неэффективны, я думаю, вы путаете эффективность двигателя с эффективностью термодинамического цикла, в котором работает двигатель. Эффективность этого цикла ограничена максимально возможной эффективностью цикла Карно.
Я согласен, что ваш двигатель 1 эффективен почти на 100 процентов (при отсутствии трения, сопротивления воздуха и идеальной пружины). Но я могу привести вам пример тепловой машины, которая также имеет почти 100-процентный КПД. Рассмотрим тепловую машину (поршень/цилиндр) цикла Карно. При обратимом изотермическом расширении тепловая машина превращает 100 % теплоты, переданной газу, в работу. Но для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, требуется изотермическое сжатие, отводящее тепло. В результате не все тепло, переданное системе, совершает работу, таким образом, цикл оказывается менее 100 % термически эффективным. Но система выполняет чистую работу.
В вашем примере с двигателем 1 коробка изначально не имеет кинетической энергии, а пружина имеет потенциальную энергию. При запуске коробка покидает пружину с некоторой начальной кинетической энергией, равной потере потенциальной энергии пружины. Ящик достигает некоторой максимальной высоты, так что его кинетическая энергия равна нулю, а его гравитационная потенциальная энергия равна его начальной кинетической энергии. Но для того, чтобы «завершить цикл» (вернуть коробку в исходное состояние сразу после запуска), коробка падает, отказываясь от всего своего выигрыша в потенциальной энергии, превращая ее в кинетическую непосредственно перед ударом о пружину. После сжатия пружины коробка не имеет кинетической энергии, а пружина имеет первоначальную потенциальную энергию. Система вернулась в исходное состояние. Однако чистая работа, выполненная за этот «цикл», равна нулю.
Надеюсь это поможет.
Это очень интересная мысль для размышления. Но я вижу недостаток в вашем анализе. От тепловых двигателей никуда не деться: все живое является тепловым двигателем.
Пружинная система приводится в действие человеком, который является очень неэффективной тепловой машиной, то есть частью вашего механического двигателя.
И, как сказал @Bod D, двигатели цикличны и должны перезагружаться, чтобы начать снова. Агентом, который сбрасывает пружинную машину, является человек. Пример тепловой машины может быть установлен без участия человека, только с источником тепла (я представляю что-то вроде лавовой лампы). Его можно было бы сделать более эффективным и действенным, чем ваш палец, питаемый едой. Это было бы более эффективно, потому что вы могли бы заниматься другими делами, пока это происходит, и делать гораздо больше параллельно.
Короче говоря, топливо дешевое, а мое время ценно. В том же духе вы можете исследовать, какие приложения подходят для цикла Стерлинга по сравнению с циклом Карно, или циклом Отто, или циклом Ренкина... или циклом Бенсона-Кальвина, чтобы выбраться из коробки созданных человеком циклов.
Мы используем тепловые двигатели, потому что они могут работать непрерывно по термодинамическому циклу (например, циклу Ренкина для типичных современных электростанций), при условии, что они имеют какой-либо источник тепла (например, сжигание, атомную энергию, солнечную энергию и т. д.).
Если мы непрерывно генерируем работу таким образом, мы можем сохранить ее (например, как электричество в сети) и затем использовать ее позже (например, чтобы загрузить коробку на пружину).
Основная проблема с вашим анализом и выводом в том, что никто не использует тепловые двигатели для выполнения задач типа запуска объекта (кроме двигателей внутреннего сгорания, где работы расширения газа более чем достаточно для перемещения объекта).
Мы используем тепловые двигатели, потому что в сочетании с термодинамическими циклами мы можем непрерывно генерировать и хранить энергию для последующего использования.
dmckee --- котенок экс-модератор