Ракета/Тяга/Газ/Свободное Расширение Газа

Если кто-то когда-либо говорит, что «свободное расширение не работает», они имеют в виду только то, что оно не работает в вакууме , что довольно очевидно в ретроспективе. Это связано с тем, что экспериментаторам 19-го века и старшим школам 21-го века проще всего говорить о свойствах газа с точки зрения поршней, толкающих контейнеры с газом. Если поршень заменить ничем, то ясно, что никакой работы из системы извлекаться не будет.

Это не значит, что газ ничего не делает . Подумайте об этом так: во-первых, у вас есть закрытый контейнер, находящийся в вакууме и содержащий газ с некоторым ненулевым давлением.$P$внутри. Сила, действующая на стенки, одинакова во всех направлениях, независимо от формы сосуда, но для простоты вы можете представить его в виде куба с длиной стороны$s$. Каждая стена будет иметь силу$Ps^2$нажимая на это.

Теперь удалите одну стену. На нее уже не будет действовать никакая сила (ваш принцип «свободного расширения»), но до тех пор, пока газ не будет полностью удален, на противоположную стенку будет действовать сила. Таким образом, ваш контейнер имеет результирующую силу в направлении, противоположном выбросу газа, продолжающемуся в течение некоторого времени. Импульс сохраняется; ракеты работают.

С другой стороны, учащиеся, которые запоминают бесконтекстные фразы и ключевые слова («свободное расширение», «замедление времени», «энтропия всегда увеличивается» и т. д.), почти наверняка будут применять их неправильно. Всегда нужно понимать контекст: что еще не сделано? Чья точка зрения говорит, что время растягивается? Физика — это не магические комбинации слов, которые можно вызывать как заклинания.

Когда вы рассматриваете свойства газов, часто есть два взгляда на проблему. Первый заключается в использовании континуального приближения, ведущего к обычным законам, таким как закон Бойля, закон Шарля и т. д. Второй заключается в том, чтобы рассматривать газ как множество мельчайших частиц (т. е. атомов/молекул газа) и использовать ньютоновскую механику. В этом случае я думаю, что второй способ — это понять, что происходит.

Ракетный двигатель сжигает смесь топлива и кислорода для получения очень горячего газа. Под очень горячим мы подразумеваем, что молекулы газа имеют очень высокие случайные скорости:

Предполагается, что эта диаграмма показывает репрезентативную выборку атома/молекул в пламени. Все они движутся в случайных направлениях, поэтому общий импульс всех атомов будет близок к нулю. Это означает, что сжигание топлива не изменило его импульс - это может показаться забавным, но потерпите меня.

Если бы топливо горело в вакууме, случайные направления скоростей атомов означали бы, что шар атомов расширяется примерно по сферической форме, а общий импульс остается равным нулю. Но топливо не горит в вакууме, оно горит внутри камеры сгорания:

Причина, по которой это важно, заключается в том, что атомы не могут уйти вправо, вверх или вниз, потому что на пути им мешают стенки камеры сгорания. Таким образом, они будут подпрыгивать до тех пор, пока случайное столкновение (со стенками или другими атомами) не даст им скорость, указывающую влево:

Так что очень быстро все атомы в конце концов станут двигаться со скоростями примерно в одном направлении, потому что в этот момент они смогут вырваться из камеры сгорания и улететь в космос. Теперь давайте посчитаем импульс всех этих атомов. Если есть$N$атомов, а масса каждого атома$m$а их средняя скорость$v$тогда полный импульс теперь$Nmv$(скорость влево будем считать положительной). Импульс топлива перед горением был равен нулю, а после сгорания$Nmv$, поэтому импульс изменился на$Nmv$. Сохранение импульса означает, что ракета должна изменить свой импульс на$-Nmv$так что общее изменение импульса в сумме равно нулю.

Таким образом, сжигание топлива и предоставление ему возможности уйти влево означает, что ракета должна была разогнаться вправо. Другими словами, ракетный двигатель создал силу, действующую на ракету, и мы рассчитали ее, не задумываясь о давлениях или других макроскопических величинах. На самом деле мы можем быть более точными относительно силы. Если ракета производит$N_s$частиц выхлопных газов в секунду, то изменение импульса ракеты в секунду равно$-N_s mv$. Изменение импульса равно произведению силы на время, поэтому сила, действующая на ракету, просто равна:

Эта сила возникает просто потому, что атомы, движущиеся вправо, отскакивают от конца камеры сгорания и, следовательно, толкают ракету вправо, а атомы, движущиеся влево, этого не делают.

Сайт, на который вы ссылаетесь, тупой. В нем говорится: «Проблема с применением третьей степени Ньютона заключается в том, что ракетное топливо не создает силы в вакууме в соответствии с законами физики и химии. Газ. Если Сила Газа = 0, ракета не движется."

Это целиком и полностью неверно. Если газ ускоряется, это означает, что к газу действительно прикладывалась сила в соответствии с f = ma. Сила не равна 0, поэтому ракета движется. Почему? Из-за третьего закона Ньютона. На каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Простое доказательство этого — отжимания. Если вы когда-либо делали это, вы знаете, что когда вы отталкиваетесь от земли, вы поднимаетесь. В ракетном корабле выхлоп, выбрасываемый из двигательной установки, является землей. Ракета давит на «землю» (выхлопные газы), чтобы двигаться вверх.