Лекции по "Естествознанию"

1.  
   Изотермическое расширение:  В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.
2.  
   ^ Адиабатическое расширение : Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
3.  
   ^ Изотермическое сжатие : Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.

 
^ 4 Адиабатическое сжатие : Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя 
 
Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении. КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Максимальный КПД любой тепловой машины, будет меньше или равен КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. 
 
^ Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу. Принцип действия. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. 
 
Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины можно использовать практически любой вид топлива — от кизяка до урана. 
 
Значение. Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии.  
 
^ Широкое применение паровых машин в промышленности началось после изобретения в 1774 году Джеймсом Уаттом (1736 - 1819) паровой машины, в которой работа совершалась без использования атмосферного давления, что значительно сократило расход топлива. Примерно 86 % электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д. 
 
13. Физические эффекты (эффект эжекции, гироскопический эффект, центробежная сила, эффект Доплера, акустическая кавитация, диффузия, гидростатическое давление) в машиностроении.  
 
Эффект эжекции-1.процесс смешения двух каких-либо сред, в котором одна среда, находясь под давлением, оказывает воздействие на другую и увлекает ее в требуемом направлении . 2.искусственное восстановление напора воды в период половодья и длительных паводков для нормальной работы турбин Особенность физического процесса - смешение потоков происходит при больших скоростях эжектирующего (активного) потока. 
 
^ Применение эффекта. Повышение давления эжектируемого потока без непосредственной механической энергии применяется вструйных аппаратах, которые используются в различных отраслях техники: 

•  
  на электростанциях - в устройствах топливосжигания(газовые инжекционные горелки);
•  
  в системе питания паровых котлов (противокавитационныеводоструйные насосы);
•  
  для повышения давления из отборов турбин (пароструйные компрессоры);
•  
  для отсоса воздуха из конденсатора (пароструйные и водоструйные эжекторы);
•  
  в системах воздушного охлаждения генераторов;
•  
  в теплофикационных установках;
•  
  в качестве смесителей на отопительных водах;
•  
  в промышленной теплотехнике - в системах топливоподачи, горения и воздухоснабжения печей, стендовых установках для испытания двигателей;
•  
  в вентиляционных установках - для создания непрерывного потока воздуха через каналы и помещения;
•  
  в водопроводных установках - для подъема воды из глубоких скважин;
•  
  для транспортирования твердых сыпучих материалов и жидкостей.

 
Гироскопом (или волчком) называют массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии.  
Гироскопический эффект - сохранение, как правило, направленияоси вращения свободно и быстро вращающихся тел, сопровождаемое при определенных условиях, как прецессией(движением оси по круговой конической поверхности), так инутацией (колебательными движениями (дрожанием) оси вращения;  
 
^ Центробежная сила-та сила, которая при движении тела по кривой линии заставляет тело сойти с кривой и продолжать путь по касательной к ней. Центрб-ной силе противоположна центростремительная сила, заставляющая движущееся по кривой тело стремиться приблизиться к центру; от взаимодействия этих двух сил тело получает криволинейное движение. 
 
^ Эффект Доплера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. 
 
Применение: определение расстояния до объекта, скорости объекта, температуры объекта. 
 
^ Акустическая кавитация - возникает при прохождении звуковых волн высокой интенсивности и амплитуды звукового давления, превосходящей некоторую пороговую величину. Кавитационные пузырьки возникают во время полупериода разрежения на так называемых кавитационных зародышах, которыми чаще всего являются газовые включения, содержащиеся в жидкости и на колеблющейся поверхности акустического излучателя. 
Применение в целом является паразитным эффектом, который, к примеру, разрушает рабочие поверхности подводных ультразвуковых излучателей (сонаров и пр.). Однако в отдельных случаях он находит применение, например при ультразвуковой очистке. 
 
Диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся веществ вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах. 
 
Применение: в химической кинетике и технологии для регулирования химических реакций, в процессах испарения и конденсации, для склеивания веществ.  
 
^ Гидростатическое давление - давление в любой точке покоящейся жидкости. Равно сумме давления на свободной поверхности (атмосферного) и давления столба жидкости, расположенного выше рассматриваемой точки. Оно одинаково во всех направлениях (закон Паскаля). Обусловливает гидростатическую силу (силу плавучести, силу поддержания) судна. 
 
14. Эффект Доплера и его применение в технике и технологиях. 
 
Эффект Доплера - изменение воспринимаемой частоты колебания, обусловленное движением источника или приёмника волн. 
 
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается: 
 
^ Эффект с точки зрения спектра. 
 
Спектр-распределение излучения по длинам волн или частотам (ИК-длинноволновое-УФ-коротковолновое) 
 
Применение ЭД : определение расстояния до объекта, скорости объекта, температуры объекта 

•  
  доплеровский радар: Радар, который измеряет изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков)
•  
  Астрономия: По смещению линий спектра определяют лучевую скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел. По увеличению ширины линий спектра определяют температуру звёзд
•  
  Неинвазивное измерение скорости потока: Измеряют скорость потока жидкостей и газов. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях .
•  
  Автосигнализации: Для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля
•  
  Определение координат

 
 
15. Выделение информации на фоне  помех. Использование явления резонанса  для выделения полезного сигнала. Использование и применение явления  резонанса в технике и технологиях. 
 
Всякая информация должна быть выражена каким-нибудь физическим сигналом. Однако всякий полезный сигнал сопровождается другими сигналами, представляющими собой для полезного сигнала помеху. Поэтому возникает проблема выделения полезного сигнала на фоне помех. Примером является всярадиотехника, поскольку в эфире одновременно присутствует множество электромагнитных волн, но нужную информацию несет лишь одна из них, все остальные по отношению к ней являются помехами. 
 
Существует несколько способов выделения полезного сигнала на фоне помех. Одним из них является использование резонанса. 
 
Резонанс –явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.  Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней частоты с внутренней частотой колебательной системы. 
 
Явление резонанса характерно для так называемыхколебательных контуров, в которых энергия способна преобразовываться из одного вида в другой — из потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В электрических колебательных контурах энергия преобразуется из потенциальной энергии электростатического поля конденсатора в кинетическую энергию электрического тока в индуктивности. 
 
Колебательный контур состоит из последовательно включенных емкости С и индуктивности L, но кроме того в цепи всегда присутствует активное сопротивление R, поскольку индуктивность изготавливается в виде катушки провода, а провод всегда обладает активным сопротивлением. Резонансные цепи широко используются в радиотехнике для выделения из общего состава электромагнитных волн нужной частоты. 
 
16. Квантовые эффекты в микромире. Виды спектров. Спектральный анализ и его применение в технике и технологиях. 
 
Излучение и поглощение электромагнитных волн атомами вещества подчиняется квантовым законам. При этом излучение характеризуется определенным спектром - набором частот электромагнитных волн. Спектры испускания соответствуют квантовым переходам с верхних уровней энергии на нижние, спектры поглощения — с нижних на верхние. 
 
Оптические спектры — это спектры электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне шкалы электромагнитных волн. Оптические спектры разделяют на спектра испускания (излучения), спектры поглощения, рассеяния и отражения. 
 
Оптические спектры испускания получаются от источников света разложением их излучения по длинам волн спектральными приборами. Спектры поглощения, рассеяния и отражения обычно получают при прохождении света через вещество с последующим его разложением по длинам волн. Оптические спектры разделяют на линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий,полосатые, состоящие из отдельных полое, охватывающих каждая определенный интервал длин волн, и сплошные, охватывающие широкий диапазон длин волн. 
 
Частота излучения или поглощения определяется законами: 
 
hv=E1-E2где h = 6,625 • 1014 Джс — постоянная Планка; Е1 и E2 —энергии уровней, v— частота излучения (поглощения) электромагнитных колебаний. 
 
Энергия излучения сплошных спектров (энергия излучения в единице объема) определяется законом Планка: 
 
 где k = 1,38-10-23Дж-К-1 — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Спектральный анализ  — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. 
 
По спектральному анализу можно определить: 

•  
  Химический состав
•  
  Температуру
•  
  Наличие магнитного поля
•  
  Приближение/удаление поля
•  
  Вращение тела

 
 
17.Новые технологии передачи  и хранения информации. 
 
Голографическая память — это потенциально-возможная замена технологии повышенной емкости данных, сейчас наиболее используемой в магнитных и оптических носителях. В них данные записываются на один-два слоя при помощи отдельных питов. В голографической памяти, данные можно записывать по всему объему памяти при помощи различных углов наклона лазера. 
^ Нейронные сети – это одно из направлений исследований в области искусственного интеллекта, основанное на попытках воспроизвести нервную систему человека. А именно: способность нервной системы обучаться и исправлять ошибки, что должно позволить смоделировать, хотя и достаточно грубо, работу человеческого мозга (DVD, FMD ROM - накопители третьего тысячелетия, USB Flash Drive). 
 
18. Физические основы акустики. Эволюция средств звукозаписи и воспроизведения звука. 
 
Акустика — учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, слышимых человеческим ухом. Частоты таких колебаний находятся в пределах 16—20000 Гц. Физической основой передачи звука является распространение малых приращений давлений в среде. 
 
Звук играет важнейшую роль в жизни человека. Значительная деля информации выражается через звук, со звуком связана существенная сторона духовной жизни людей — музыка, вообще искусство, поэтому средства накопления и запоминания звуковой информации играют важную роль. 
 
Звукозапись — процесс записи звуковой информации с целью ее сохранения и последующего воспроизведения. Звукозапись основана на изменении физического состояния или формы различных участков носителя записи — магнитной ленты, граммофонной пластинки, кинопленки и пр. 
 
Ранее использовалась механическая запись звука, при которой резец или игла выдавливали или вырезали на поверхности движущегося носителя канавку, форма которой соответствовала форме записываемых звуковых колебаний. В процессе воспроизведения электропроигрывателем граммофонная игла, двигаясь по извилинам канавки, повторяла эти колебания и передавала их мембране или звукоснимателю, преобразовывавшего их в электрические колебания, которые затем усиливались и воспроизводились динамиком. 
 
Появившиеся позже магнитные способы записи основаны на перемагничивании участков магнитной ленты, что выполнялось специальными магнитными головками при пропускании в них звуковых колебаний с последующим затем изменением напряженности магнитного поля, запоминавшихся носителем — магнитной лентой. Повторное перемещение магнитной ленты около считывающей магнитной головки возбуждало в ней электрические колебания, которые усиливались и воспроизводились динамиком. 
 
В настоящее время все шире используются оптические способы записи и воспроизведения звуковой информации, основанные на записи звука с помощью лазерного луча, изменяющего рельеф звуковой дорожки, который затем считывается с помощью оптических систем. Этот способ отличается высокой плотностью информации, благодаря чему оказывается возможным в малом объеме записать весьма большой ее объем, высоким качеством записи и воспроизведения. Звукозапись широко используется в радиовещании, при воспроизведении всевозможных выступлений, концертов и т. п. 
 
Патефон -механическое устройство для проигрывания граммофонных пластинок, в качестве привода применялся пружинный двигатель, а звукоусиление производилось с помощью раструба, скрытого внутри корпуса.(переносной граммофон) Качество звука невысокое. 
 
Граммофон - прибор для записывания и воспроизведения звука с граммофонной пластинки. При вращении диска посредством пружинного механизма граммофонная игла движется по спирали диска и вызывает соответствующие колебания вибрирующей пластинки.  
 
ФОНОГРАФ -  один из первых приборов для механической записи звука и его воспроизведения. Носитель записи - цилиндрический валик, обернутый оловянной фольгой или бумажной лентой, покрытой слоем воска; записывающий (и воспроизводящий) элемент - игла, связанная с мембраной. Применялся до 30-х гг. 20 в. На основе фонографа были созданы граммофон и патефон. 
 
Компакт-диск - оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре, процесс записи и считывания информации которого осуществляется при помощи лазера. Дальнейшим развитием компакт-дисков стали DVD. 
 
19. Основные закономерности цепей постоянного тока. Закон Ома, 1-е и 2-е правила Кирхгофа. Применение постоянного тока в технике и технологиях. 
 
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических частиц в пространстве. 
 
Силой тока называется количество электричества, проходящее через поверхность за единицу времени: ^ I=dq/dt 
 
Плотностью тока называется величина тока, проходящего через единичную площадь: j=dI/dS 
 
Ток называется постоянным, если его сила и направление не меняются с течением времени. Для постоянного тока: ^ I=q/t 
 
Законы постоянного тока. 
 
Закон Ома: Напряжение на участке цепи равно произведению его сопротивления R [Ом] на силу тока I, [А]:U=RI,B. 
 
 
^ Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению: 
I = U / R; 
 
При последовательном соединении резисторов: 
 
R=R1+R2 при параллельном соединении: 
 
1/R=1/R1 + 1/R2 
 
Мощность, выделяемая в проводнике равна: 
 
Вт. P=I^2*R=U^2/R, Вт 
 
Энергия, выделяющаяся за время Т, равна: 
 
W=PT=I^2*RT=(U^2*T)/R, Дж 
 
Правило Кирхгофа первое. 
 
Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю: 
 
 
Правило Кирхгофа второе (правило контуров). 
 
В любом замкнутом контуре сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме приложенных в нем э.д.с. 
 
 
 
^ Применение постоянного тока в технике и технологиях:трамваи, электрички, электродвигатели, троллейбусы. Большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями. 
 
20. Основные закономерности цепей переменного тока. Закон Ома для цепей переменного тока. Последовательный и параллельный резонансы. Явление резонанса и его применение в технике и технологиях. 
 
^ Переменный ток — это ток, сила и направление которого изменяются во времени.(по закону sin и cos) 
 
Переменный ток получают, используя явление электромагнитной индукции, при котором в проводнике, пересекающем магнитное поле, возникает электродвижущая сила. 
 
Электродвижущая сила переменного тока определяется выражением: 
 
E=Emsin(t+),где Em, — максимальное или амплитудное значение э.д.с., = 2f— круговая частота, f == 1/T — частота изменения направления тока в секунду, Т — период колебания, — фаза относительно некоторого начального момента времени. 
 
Различают мгновенное и действующее значения напряжения и тока, имеющие соотношение: 
 
Еп=Еm/sqrt, Iп=Im/sqrt 
 
Мощность в цепи переменного тока равна, ((Em*Im)/2)*cos(фи) 
 
где Em, и 1m — амплитудные значения напряжения и тока в электрической цепи, — сдвиг фазы между ними. 
 
Любой проводник электрической цепи обладает тремя видами сопротивления: 

1.  
   Активным: R = U/I; (токи, напряжение совпадают по фазе)
2.  
   Индуктивным: ХL, =L; (ток отстает по фазе на 90о)
3.  
   Емкостным: Хс = 1/С.(опережает по фазе на 90о)

 
Поэтому общее сопротивление цепи, в которой имеются сопротивление (резистор), индуктивность и емкость, будет определяться выражением: 
 
 
 
При равенстве Д= 1/С в цепи наступает резонанс. 
 
В связи с удобством преобразования из высокого напряжения, необходимого для передачи электроэнергии на большие расстояния в низкое, необходимое для непосредственного использования в быту и в технике, переменный ток нашел широкое применение в промышленности и в быту. В промышленности переменный ток используется для питания электромоторов, в основном. асинхронного типа, в быту — для питания электронагревательных приборов, освещения, холодильников, бытовых электромоторов и т. п. 
 
^ Закон Ома для цепей переменного тока. 
 
Величина переменного тока будет тем больше, чем больше напряжение и чем меньше полное сопротивление: 
 
I = U / z. 
 
^ Последовательный и параллельный резонансы 
 
Резонанс - резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающего воздействия к некоторой фиксированной частоте (к резонансной частоте). 
 
^ Параллельный резонанс - резонанс в электрической цепи из катушки индуктивности и конденсатора, соединённых параллельно относительно источника переменного тока. При нём алгебраическая сумма реактивных проводимостей ветвей равна нулю и общий ток цепи совпадает по фазе с приложенным напряжением. 
 
Использование: для улучшения коэффициента мощности электрических установок, в радиоприёмных устройствах. 
 
^ Последовательный резонанс - резонанс в электрической цепи из соединённых последовательно катушки индуктивности и конденсатора. На резонансной частоте сопротивление такой цепи равно нулю, и ток в ней по фазе совпадает с приложенным напряжением. 
 
Использование: для повышения напряжения в импульсных цепях. 
 
^ Применение в технике и технологиях: 
 

•  
  Большинство музыкальных инструментов издают звуки определенных частот благодаря резонансу. А духовой инструмент - вообще резонанс столба воздуха.
•  
  Все механические и электромеханические часы используют принцип стабильности колебания маятников в условии резонанса (вынужденные колебания равны собственным)