Почему водород лучше гелия в качестве перемасса?

Я только что посмотрел очень хорошее видео на YouTube о том, почему ядерные двигатели могут быть полезны, а также о том, почему двигатели на эффекте Холла очень хорошо вытесняют непристойных интернет-провайдеров.

Во время видео, однако, автор говорит об использовании водорода в качестве перемасса (точнее о том, что хранить водород — головная боль в заднице), потому что он дает лучший ISP, чем, скажем, гелий.

Есть попытка объяснения (здесь:

):

  1. ISP (расход газа в космосе) максимизируется за счет оптимизации скорости выхлопа вашего перемасса.
  2. Поскольку водород имеет меньшую атомную массу, определенное количество энергии, вложенное в него, приводит к тому, что он движется быстрее, чем, скажем, гелий. (Для обсуждаемой конструкции тепловой ядерной ракеты водород давал ISP ~ 880 с, а гелий - ~ 650 с.)

Я могу понять, почему данный удар заставляет более тяжелый объект двигаться медленнее, это буквально то, как работают сила и масса.

Чего я не понимаю, так это почему это приводит к меньшей силе на ракете? Если я вливаю мегаватт энергии в топливо, чтобы выбросить его обратно, независимо от того, как быстро я в конечном итоге ускорю его, у меня должна быть такая же равная, противоположная реакция на меня, не так ли?

РЕДАКТИРОВАТЬ ДЛЯ ЯСНОСТИ:

Рассмотрим два транспортных средства, A и B, которые имеют идентичные двигательные системы мощностью 1 МВт, но используют разную перемассу, A имеет водород, B имеет гелий.

Каждый расходует топлива на 1 атом гелия (одинаковая масса).

А воздействует мощностью 1 МВт на четыре атома водорода.

B производит мощность 1 МВт на один атом гелия.

Та же сила была приложена к той же массе, но якобы А получает от горения на 25% больше скорости? Почему водород имеет более высокую скорость истечения, когда ему приходится делить силу, которую транспортное средство оказывает на него, между вчетверо большим количеством частиц?

Я ожидаю, что данный кг топлива будет иметь одинаковую «толчок» при одинаковых схемах движения.

Я уверен, что физика здесь имеет смысл, но я явно упускаю что-то происходящее, так почему меня волнует, как быстро движется мой пропеллент относительно меня? Если я толкну два атома водорода с силой 1 МН, а мой приятель рядом со мной толкнет атом гелия с силой 1 МН, почему мы в конечном итоге не будем двигаться с одинаковой скоростью?

Сильно связанный space.stackexchange.com/q/48971/6944
@OrganicMarble Ответы там либо повторяют объяснение, данное в видео, либо (на мой взгляд, имеющий докторскую степень в области политических наук) в конечном итоге становятся круглыми. Я проверил это в первую очередь.
Я полагаю, что OP ссылается на это видео на Youtube от Real Engineering: youtu.be/MMLgJlJX0Rk
Будет ли справедливо сказать, что ваш вопрос действительно касается тяги, а не Isp? Основываясь на этой части вашего вопроса: «Я не понимаю, почему это приводит к меньшей силе ракеты?» (выделено мной)
@OrganicMarble Я ожидаю, что речь пойдет о том, как взаимодействуют интернет-провайдер и тяга. Влияние математики ISP заключается в том, что данная сила, приложенная к данной массе, не приводит к равному dV. Это противоречит всему, что я понимаю о сохранении энергии. Я признаю, что только едва прохожу термо (я политик, а не инженер), но я не понимаю, почему M V =/= M V
Тяга - это массовый расход x скорость выхлопа. Если вы отбрасываете ту же массу медленнее, вы получаете меньшую тягу.
@OrganicMarble Это то, что говорят формулы, да. Но если общая энергия, действующая на равную массу (1 атом He против 2 атомов H), одинакова, почему конечный продукт не одинаков? Каковы потери энергии при скорости 1 кДж, приложенной к атому гелия, по сравнению со скоростью 1 кДж, приложенной к двум атомам водорода?
Хорошо, похоже, вам нужен вывод уравнения тяги. Я могу работать с этим. Благодарю за разъяснение.
Рад уточнить в оригинальной копии вопроса тоже. Я говорю: «Я знаю достаточно, чтобы запутаться, но недостаточно, чтобы знать, о чем спрашивать». ;)
Изменил вопрос после того, как обсуждение с @OrganicMarble помогло мне лучше понять, что меня на самом деле смущает.
просто к вашему сведению, ошибка в ваших фактах: два атома водорода, один атом гелия. не одинаковые массы.. вы говорите, что 2 = 4
Я подозреваю, что ответ был связан с поведением нагретого газа внутри двигателя и сопла.
@PcMan ПОКА! Это не избавит меня от замешательства, но я исправлю копию. Спасибо за улов!
Чего я не понимаю, так это почему это приводит к меньшей силе на ракете? Если я вливаю мегаватт энергии в топливо, чтобы выбросить его обратно, независимо от того, как быстро я в конечном итоге ускорю его, у меня должна быть такая же равная, противоположная реакция на меня, не так ли? Равно и противоположно чему? Третий закон Ньютона касается сил ; из него следует сохранение импульса . Но мощность - это скорость, с которой вы наливаете энергию . Энергия и импульс, а также мощность и сила — разные вещи.
Если я толкну два атома водорода с силой 1 МН, а мой приятель рядом со мной толкнет атом гелия с силой 1 МН, почему мы в конечном итоге не будем двигаться с одинаковой скоростью? Ты прав. Я отредактировал свой ответ, чтобы конкретно обратиться к tgis

Ответы (5)

Почему более легкие атомы лучше подходят в качестве топлива для ракет:

Простое объяснение, с концепцией только без цифр.

Ракета берет некоторое количество энергии, вкладывает эту энергию в материю, и это заставляет материю выталкиваться из задней части ракеты, создавая тягу.

(Энергия обычно возникает в результате химических реакций, то есть тепла. Но она также может быть чисто тепловой, электростатической или какой-либо еще... Это не имеет значения для данного обсуждения.)

Итак, у вас есть количество энергии
, которое вкладывается в массу материи, ускоряя эту массу до скорости.

Если вам удастся втиснуть такое же количество энергии в меньшую массу, эта масса будет двигаться быстрее. Это обеспечивает большую тягу при той же массе , что повышает эффективность использования топлива.
Более высокая скорость выхлопа = более высокий ISP = больше тяги при том же топливе. (но требуется гораздо больше энергии)

Почему более легкий атом летит быстрее? Будь то от теплового тепла, или приложенного электрического поля, или чего-то еще... Ваш двигатель прикладывает определенную силу к топливу.
Прикладываемая сила зависит от двигателя.
Приложение той же силы к тяжелому предмету сообщает этому предмету медленную скорость.
Применение той же силы к легкому объекту сообщает ему большую скорость.
Нет атома легче одноатомного атома водорода!

Простое объяснение, с несколькими цифрами. (Но никаких причудливых единиц, констант и т.д.)

Следует помнить одну вещь:
ракетному двигателю нужна Энергия, чтобы разогнать его топливо.
Но ракету движет не энергия, а Импульс.

Давайте дадим вашему ракетному двигателю энергию 100 штук в секунду.

Если эта ракета ускоряет 1 водород (масса 1), она разгоняет его до скорости sqrt (100/1) = 10.
Это придает ракете импульс Скорость * Масса = 10 * 1 = 10.

Если эта ракета ускоряет 1 гелий (масса 4), она разгоняет его до скорости sqrt (100/4) = 5.
Это придает ракете импульс Скорость * Масса = 5 * 4 = 20.

ЗАМЕТЬТЕ, что, используя тот же расход энергии, вы получаете вдвое большую скорость, чем водород, за единицу.
Но водород весит только 1/4 массы, поэтому при той же МАССЕ ТОПЛИВА вы получаете вдвое большую общую тягу. (При сжигании в 4 раза больше энергии.)

Водород дает 2 * ISP гелия.

Обратите внимание: вы можете реалистично играть с подобными заменами только тогда, когда топливо является только топливом, а не источником энергии. Для химических двигателей топливо является как источником энергии, так и топливом, и изменение состава топлива изменяет энергию от его сжигания и т. д.
Но в примере, который рассматривал OP, источник энергии отделен от топлива, и таким образом, допускается некоторая свобода действий при выборе топлива.

«Если вы [прикладываете] такое же количество энергии к меньшей массе… это создает большую тягу при той же массе». Это та часть, за которую я зацепился, как это не нарушает закон сохранения энергии? Если у меня есть 1 кг атомов водорода и 1 кг атомов гелия, я могу толкнуть оба килограмма с силой 1 МН, и оба должны удалиться от меня со скоростью 1 Мм/с, сообщив мне одинаковую часть этого общего системного ускорения. Единственный способ, которым я могу увидеть, что ваше объяснение работает, - это если я применяю одну и ту же силу к равному количеству атомов, и в этом случае я получаю 4-кратный удар от той же массы, H против He, а не 25%?
@WilliamWalkerIII Хорошо, добавляю часть 2: несколько цифр.
Если вернуться к слову политиканов: по какой-то причине, да, энергия применяется на основе атома, а не на основе массы. Я до сих пор не понимаю, почему водород волшебным образом позволяет вам применить всю мощность вашего двигателя только к одному атому водорода вместо того, чтобы помещать ту же массу в камеру сгорания, но предполагая, что у вас есть способность высвобождать счетное количество атомов. и разгонять их до произвольных скоростей, то это абсолютно имеет смысл. Итак, теперь я, по крайней мере, понимаю, о чем говорит математика. Я просто в замешательстве, как это может произойти. Прогресс для меня!
Кроме того, я предполагаю, что должен быть верхний предел силы, которую вы можете приложить к атому водорода (например, 40 пиковаттов?), поскольку, если вы ударите по нему сильнее, он превысит скорость света? Или это своего рода математическое царство, где есть драконы?
@WilliamWalkerIII Процессы как в тепловых (таких как химические и ядерные тепловые), так и в электрических двигателях передают в среднем равную энергию всем атомам или молекулам в посылке (для газов это статистический процесс — см. Распределения Максвелла-Больцмана). В тепловом случае более легкая молекула будет иметь более высокую скорость, чем более тяжелая, а сопло Лаваля преобразует хаотически ориентированные начальные скорости в коллимированный поток с остаточными хаотически ориентированными компонентами; чем выше начальные случайные скорости (таким образом, чем легче молекулы), тем быстрее коллимированный поток.
@WilliamWalkerIII На ваш вопрос о релятивистской реакционной массе - мы еще не приблизились к этому. У нас есть проблемы с превышением 5000 с с самыми слабыми двигателями с наименьшей тягой, а ядерная силовая установка будет работать в районе 800-2000 с. При этом максимально возможный (по законам физики) удельный импульс порядка 30млн.сек. Когда выхлоп приближается к скорости света, вы начинаете преобразовывать энергию в массу - удельный импульс больше не набирается, только увеличивается тяга, а с помощью внешнего источника энергии вы можете выманить дополнительную «свободную» реактивную массу из энергии.
@William Это может помочь. В образце газа при определенной температуре молекулы газа имеют спектр кинетических энергий . Температура газа прямо пропорциональна средней ( поступательной) кинетической энергии молекул. Итак, если у вас есть несколько атомов гелия и несколько атомов водорода при одной и той же температуре, атомы водорода будут иметь удвоенную среднюю скорость атомов гелия.

Для интуитивного понимания ответа полезно помнить несколько моментов:

Импульс - это не кинетическая энергия. Импульс сохраняется, а кинетическая энергия - нет (она преобразуется в другие формы энергии). Два сталкивающихся куска глины сохранят импульс, но не кинетическую энергию. При столкновении двух бильярдных шаров сохраняется импульс и кинетическая энергия.

Импульс пропорционален скорости; кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости.

Ракета работает, выбрасывая импульс, а не энергию, через выхлопную трубу. Вот почему в ракетном уравнении есть «v», а не «v 2 ».

Температура – ​​это, по определению, средняя кинетическая энергия молекул газа. Два газа с разной молекулярной массой (такие как Н 2 и Не) при одинаковой температуре будут иметь разные молекулярные скорости, обратно пропорциональные квадратным корням их молекулярных масс. Он медленнее, чем H 2 .

Газ не может расширяться быстрее, чем средняя скорость его молекул. При той же температуре Н 2 расширяется в вакуум со скоростью, в 20,5 раза превышающей скорость Не. Таким образом, для данной массы Н 2 и Не при одной и той же температуре Н 2 в идеале будет обеспечивать примерно на 40% большую дельту v, чем Не.

Кроме того, удельная теплоемкость He на 20% выше, чем у H 2 , поэтому для нагрева заданной массы He до определенной температуры потребуется больше энергии, чем для той же массы H 2 . Он снова проигрывает.

«Кроме того, у него удельная теплоемкость на 20% выше, чем у H2». Согласно Википедии , теплоемкость водорода составляет 14,304 Дж/(г·К), а теплоемкость гелия — 5,193. И это логично: во-первых, грамм водорода содержит больше молекул для обеспечения энергией, чем грамм гелия; во-вторых, молекулы водорода имеют не только поступательные степени свободы, но и вращательные, в отличие от молекул гелия.

Итак, мой предыдущий подход не сработал. Так что давайте попробуем другой.

У водорода не должно быть больше ISP, чем у железобетона. В самом деле, между ними мало различий, если вы просто выбрасываете баллоны с водородом из сопла, чтобы получить тягу. То есть, если вы ускоряете реакционную массу, которая является неподвижной макроскопически и микроскопически , прямо в обратном направлении.

Но это не так. Ваша реакционная масса уже движется в микроскопическом масштабе. Вы просто преобразуете это случайное движение в направленное макроскопическое движение. Это когда низкая молекулярная масса помогает

«тепловая энергия в данной массе газа при данной температуре пропорциональна количеству молекул газа, независимо от молекулярной массы; E = PV = NKT». Это, безусловно, имело бы смысл. Не могли бы вы рассказать об этой пуле с точки зрения физики? Почему это так? Мне кажется, что большая масса означает, что вы можете иметь больше общей тепловой энергии (конечно, верно для твердых и жидких тел)? Что заставляет газы игнорировать массу в пользу количества частиц?
@WilliamWalkerIII а, ну вот. Не стесняйтесь спрашивать, если вы все еще не понимаете.
Это относится только к тепловым ракетам, включая ядерные тепловые, химические и термоядерные ракеты, но не к большинству плазменных двигателей.
@ikrase да. в таких случаях у водорода и бананов будет один и тот же интернет-провайдер. Так что тут это не особо актуально
@WilliamWalkerIII «Почему это так? Мне кажется, что большая масса означает, что вы можете иметь больше общей тепловой энергии (конечно, верно для твердых и жидких тел)? Что заставляет газы игнорировать массу в пользу количества частиц?» Это более или менее одинаково для твердых и жидких тел. Чтобы нагреть 1 кг лития на 1 кельвин, нужно примерно в 8 раз больше энергии, чем нагреть 1 кг железа на 1 кельвин, потому что в 1 кг лития примерно в 8 раз больше атомов, чем в 1 кг железа.
«Значение здесь заключается в том, что именно столкновение одного атома водорода со слишком большой энергией с одним атомом двигателя вызывает отрыв атома двигателя; АКА плавление. […] Следовательно, температура зависит только от кинетической энергии частицы. Нигде здесь даже не упоминается атомная масса — потому что это не имеет значения». Это не так просто. Сколько энергии атом топлива может передать атому двигателя при столкновении, определяется не только тем, сколько энергии он имеет, но и отношением их масс. Если движущийся поезд натыкается на пылинку, он не может передать ей всю свою КЭ, а лишь крошечную часть.
Атомы двигателя местами колеблются, поэтому, когда атомы топлива ударяются о них, иногда энергия передается от топлива к двигателю, иногда наоборот. Важно не то, сколько энергии может быть передано при одном столкновении, а то, переходит ли в среднем за множество столкновений энергия от топлива к двигателю или наоборот. И получается, что топливо будет передавать энергию двигателю до тех пор, пока средняя энергия колебаний атомов двигателя не станет равной средней КЭ атомов топлива, независимо от отношения их масс. Но доказать это непросто.
@Litho, ты поднимаешь очень серьезный вопрос. Спасибо.
@WillianWalkerIII объяснить, почему энергия не зависит от массы, оказалось сложнее, чем я ожидал. Вы можете попробовать спросить на Physics SE

Если водород и гелий используются в качестве реакционной массы, они будут молекулярными, а не атомарными, при неионизирующих температурах выхлопных газов. Атомная масса водорода равна 1, а молекулярная масса H 2 равна 2. Атомная и молекулярная массы He одинаковы = 4. При той же температуре H 2 будет иметь скорость, в 1,4 раза превышающую скорость He. ISP будет на 40% выше для H 2 при той же массе реакционного топлива и той же температуре выхлопных газов.

Потому что это дешевле..... Жидкий водород можно производить из природного газа или воды. жидкий водород стоит около 9-15 долларов за килограмм Жидкий гелий стоит 40 долларов за килограмм.

Почему водород лучше гелия в качестве перемасса?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v