УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТЕПЛОТЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ Российский патент 1994 года по МПК G09B23/18 

Учебный прибор для демонстрации превращения теплоты в работу предназначен как для ознакомления с указанным процессом, так и для его изучения. Изменяя рабочие жидкости, буферные газы, полупроницаемые перегородки, высоту прибора, поверхность испарения, величину притока тепла, можно получать данные для проектирования, например полупромышленной установки.

Прибор может применяться в школьных и институтских лабораториях, а также на заводах, выпускающих учебные пособия. В целях исследования прибор может быть выполнен с быстросменными узлами для замены жидкостей, буферных газов и полупроницаемых перегородок, также может быть предусмотрена регулировка притока тепла.

Уже известен прибор (прототип) для демонстрации превращения тепла в работу (авт.св. N 104711, кл. 42р, 11/50, 1956), автор М.Н.Лисенков.

Этот прибор действует путем перемещения парами нагреваемой жидкости столба жидкости в сообщающемся сосуде (Уатт изобрел паровую машину после того, как понял, почему на кипящем чайнике подпрыгивает крышка).

В качестве аналога выбираем прибор для демонстрации конвекции воды (авт.св. N 21536, кл. 42п, 11, 1929).

Этот прибор действует на основе конвективного движения воды при ее нагреве. Плотность нагретой воды меньше чем плотность холодной воды. Холодные слои воды вытесняют тепловые слои вверх в гравитационном поле, этот поток приводит во вращательное движение турбину.

Недостатком известных приборов является то, что на них нельзя продемонстрировать и изучить процессы молекулярной диффузии паров жидкости сквозь полупроницаемую перегородку и буферный газ, неконденсирующийся инертный газ, заполняющий нижнюю камеру прибора.

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа и аналога и разработка прибора, позволяющего наблюдать циркуляционное движение жидкости по счетчику расхода, происходящее в результате диффузии пара жидкости сквозь полупроницаемую перегородку и буферный газ, и вытеснение жидкости буферным газом.

Поставленная цель достигается путем подвода верхней жидкости к капиллярно-пористому телу, удерживающему в смоченном состоянии давление газа, причем капиллярно-пористое тело помещено в герметический сосуд, заполненный газом, а дно сосуда соединено с верхним сосудом обводной трубкой с врезанным в нее счетчиком расхода. Для интенсификации процесса, чтобы действие прибора можно было продемонстрировать учащимся за один академический час, прибор снабжен нагревателем, например эл. спиралью с отражателем (холодильником служит атмосфера, в которой производится эксперимент).

На чертеже дана принципиальная схема прибора, условно показана одна пористая трубка, в приборе их может быть несколько. Вспомогательные трубки и краны для заполнения прибора рабочей жидкостью и газом на схеме условно не показаны.

Пористая керамическая трубка 1, выполненная, например, из корунда, закреплена в нижней стенке 2 сосуда 3. Нужно отметить, что и другие материалы, например стеклянные фильтры, окись циркония и просто абразивный брусок общего назначения, могут выполнять роль капиллярно-пористого тела, позволяющего произвести исследования. Эта схема открывает простор для исследовательской работы, если, конечно, найдется для нее лаборатория. До сих пор, к сожалению, наука придерживалась дефектной методологии, заимствованной из Средневековья, запрещающей анализ. Циркуляция наводит мысль о возможности вечного двигателя второго рода и ученые вместо анализа, вместо проверки заявляют, что Клаузиус запретил вечные двигатели второго рода и анализ таких предложений также запрещен, и поэтому наука рассматривать их не будет. Устройство установлено в гравитационном поле. Сосуд 3 с рабочей жидкостью 4 (например, четыреххлористый углерод CCl₄) скреплен с нижним сосудом 5, на дне которого также помещена рабочая жидкость 6. Дно сосуда 5 при помощи обводной трубки 7 соединено с верхним сосудом 3. По ходу трубки в нее врезан счетчик расхода 8. Нагреватель 9, действующий, например, при помощи инфракрасного излучения, может включаться для подогрева трубки 1 для интенсификации процесса испарения рабочей жидкости с целью демонстрации работы устройства или исследования процесса. В зоне действия излучателя стенка сосуда 5 выполняется из материала, пропускающего инфракрасное излучение (на чертеже участок отдельно не показан). Сосуд 5 заполняется инертным газом, например воздухом.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость 4 опускается в трубке 1, проходит по капиллярам в стенке трубки 1 и контактирует с газом в сосуде 5. Она стремится прийти в динамическое равновесие с паром в полости сосуда 5. Равновесная концентрация молекул пара в сосуде 5, если изолировать трубку 1, будет зависеть от температуры воздуха, окружающего прибор, и от высоты точки определения от зеркала жидкости 6 на дне сосуда 5. Концентрация молекул пара жидкости над менисками в трубке 1, если изолировать остальную часть прибора, зависит от размер пор и свойств жидкости (смачиваемость стенок капилляра). Допустим, что в приборе установилось равновесие и испарения с трубки не происходит, тогда нужно разобрать прибор и удлинить камеру 5, чтобы зеркало жидкости 6 ушло вниз, соответственно понизится равновесная концентрация молекул пара в столбе газа (при изолированной трубке 1), а концентрация над менисками останется без изменения. Снимем изоляцию (разумеется мысленную) с трубки 1 и процесс пойдет. Количество жидкости в сосуде 5 будет увеличиваться, газ не может пройти сквозь смоченную поверхность, газ сопротивляется сжатию, давление его растет и вытесняет жидкость по обводной трубе снова в верхний сосуд 3, т.е. устанавливается циркуляция жидкости по контуру, что и требовалось пояснить. Остальное не требует специального описания - обычная техника.

Изобретение позволяет экспериментально развивать и углублять учение о теплоте. Прибор демонстрирует преобразование диффузионного концентрационного и гравитационного процесса в давление буферного газа, вытесняющего рабочую жидкость со дна сосуда по обводной трубе через счетчик расхода и связанный с ним другой сосуд. Далее рабочая жидкость, опускаясь в этом сосуде, приходит в контакт с полупроницаемой поверхностью, проходит сквозь поры благодаря смечиваемости и капиллярному давлению, испаряется с наружной поверхности под действием осмоса и, например, лучистого тепла, гравитационной диффузией переносится на дно первого сосуда, замыкая цикл и увеличивая давление буферного газа, заполняющего первый сосуд. 1 ил.

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТЕПЛОТЫ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ, содержащий сосуд с жидкостью и трубкой, установленный в гравитационном поле, отличающийся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей путем изучения преобразования в работу диффузионных процессов, сосуд выполнен в виде двух камер, частично заполненных рабочей жидкостью, разделенных полупроницаемой перегородкой, причем на дно нижней камеры помещена рабочая жидкость в качестве гидравлического затвора, сама камера заполнена буферным инертным газом, не конденсирующимся в условиях опыта, дно нижней камеры и верхняя камера соединены обводной трубкой со счетчиком расхода жидкости.