Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: внутренняя энергия, теплопередача, виды теплопередачи.

Частицы любого тела — атомы или молекулы — совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т.е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела — это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом.

Внутренняя энергия термодинамической системы — это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему.

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества — идеального газа — для внутренней энергии можно получить явную формулу.

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии). Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного (у многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул) движения его атомов. Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа на среднюю кинетическую энергию одного атома:

или

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма — ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.

Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.

Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:

• совершение механической работы;
• теплопередача.

Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь 🙂 Рассмотрим эти способы подробнее.

Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.

Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура — это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.

Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.

Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы — работу совершили молоток и сила трения о доску.

Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.

Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным. Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики). В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться — его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.

Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.

Теплопередача — это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы. Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Сейчас мы рассмотрим их более подробно.

Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.

Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню — от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 1)(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).

Рис. 1. Теплопроводность

Теплопроводность — это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела.

Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).

Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела — такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.

Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната?

Происходит это вследствие другого вида теплопередачи — конвекции.

Конвекция — это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества.

Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.

В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции — распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.

Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).

Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).

Рис. 2. Конвекция

В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.

Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать. Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет — тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.

Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.

Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.

Здесь работает третий вид теплопередачи — тепловое излучение. Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?

Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию). В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле. ..

В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна —«зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой — в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет — частный случай электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.

Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет — это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше — частоты ультрафиолетового излучения.

Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называются тепловым излучением — в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.

Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.

При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна — довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока , что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.

Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 3)(изображения с сайта beodom.com).

Рис. 3. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Внутренняя энергия» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.

Публикация обновлена:
08.05.2023

Оценка изменений потока энергии, характеризующих рост распространенности ожирения

Многоцентровое исследование

. 2009 июнь; 89 (6): 1723-8.

doi: 10. 3945/ajcn.2008.27061.

Epub 2009, 15 апреля.

Бойд Суинберн
¹
, Гэри Сакс, Синг Кай Ло, Клаас Р. Вестертерп, Элейн С. Раш, Майкл Розенбаум, Эми Люк, Дейл А. Шоллер, Джеймс П. Делани, Нэнси Ф. Бьют, Эрик Равуссин

Принадлежности

принадлежность

• ¹ Сотрудничающий центр ВОЗ по профилактике ожирения, факультет здравоохранения, медицины, сестринского дела и поведенческих наук, Университет Дикина, Мельбурн, Виктория, Австралия. [email protected]

• PMID:

  19369382

• PMCID:

  PMC3738432

• DOI:

  10. 3945/ajcn.2008.27061

Бесплатная статья ЧВК

Многоцентровое исследование

Boyd A Swinburn et al.

Am J Clin Nutr.

2009 июнь

Бесплатная статья ЧВК

. 2009 июнь; 89 (6): 1723-8.

дои: 10.3945/ajcn.2008.27061.

Epub 2009, 15 апреля.

Авторы

Бойд Суинберн
¹
, Гэри Сакс, Синг Кай Ло, Клаас Р. Вестертерп, Элейн С. Раш, Майкл Розенбаум, Эми Люк, Дейл А. Шоллер, Джеймс П. Делани, Нэнси Ф. Бьют, Эрик Равуссин

принадлежность

• ¹ Сотрудничающий центр ВОЗ по профилактике ожирения, факультет здравоохранения, медицины, сестринского дела и поведенческих наук, Университет Дикина, Мельбурн, Виктория, Австралия. [email protected]

• PMID:

  19369382

• PMCID:

  PMC3738432

• DOI:

  10.3945/ajcn.2008.27061

Абстрактный

Фон:

Разрыв суточного энергетического дисбаланса, связанный с текущим увеличением веса населения в условиях эпидемии ожирения, относительно невелик. Однако значительно более высокая масса тела популяций, накопленная за несколько лет, связана со значительно более высокими общими затратами энергии (TEE) и общим потреблением энергии (TEI) или потоком энергии (EnFlux = TEE = TEI).

Цель:

Цель состояла в том, чтобы разработать уравнение, связывающее EnFlux с массой тела у взрослых, для оценки роста EnFlux, связанного с эпидемией ожирения.

Дизайн:

Многоцентровые, поперечные данные для TEE из исследований воды с двойной маркировкой у 1399 взрослых в возрасте 5,9 +/- 18,8 лет (среднее +/- SD) были проанализированы в моделях линейной регрессии с натуральным логарифмическим (ln) весом в качестве зависимой переменной и ln EnFlux. как независимая переменная с поправкой на рост, возраст и пол. Эти уравнения сравнивали с уравнениями для детей и применяли к популяционным тенденциям увеличения веса.

Полученные результаты:

In EnFlux был положительно связан с ln весом (бета = 0,71; 95% ДИ: 0,66, 0,76; R2 = 0,52) с поправкой на рост, возраст и пол. Этот наклон был значительно круче, чем ранее описанный для детей (бета = 0,45; 95% ДИ: 0,38, 0,51).

Выводы:

Это соотношение предполагает, что значительное увеличение TEI привело к увеличению массы тела за последние 3 десятилетия. Взрослые имеют более высокий пропорциональный прирост веса, чем дети, при таком же пропорциональном увеличении потребления энергии, в основном из-за более высокого содержания жира в прибавляемом весе. Эпидемию ожирения нельзя остановить без значительного сокращения потребления энергии, повышения физической активности или того и другого.

Цифры

РИСУНОК 1

Схема, показывающая энергетический баланс…

РИСУНОК 1

Схема, показывающая характеристики энергетического баланса населения, страдающего увеличением веса в течение…

РИСУНОК 1

Схема, показывающая характеристики энергетического баланса населения, страдающего увеличением веса в течение ряда лет. Разрыв энергетического дисбаланса определяется как небольшой среднесуточный дисбаланс между общим потреблением энергии (TEI) и общим расходом энергии (TEE), тогда как разрыв потока энергии, который представляет собой более высокий TEI и TEE (поток энергии), связанный с более высоким весом, относительно велик.

РИСУНОК 2

Соотношение между массой тела…

РИСУНОК 2

Связь между массой тела и потоком энергии у взрослых [поток энергии =…

ФИГУРА 2

Взаимосвязь между массой тела и потоком энергии у взрослых [поток энергии = общий расход энергии (TEE), измеренный методом воды с двойной меткой], представленная в виде необработанных данных с массой тела в качестве независимой переменной (корреляция Пирсона r = 0,65, P < 0,0001; n = 1399).

РИСУНОК 3

Соотношение между массой тела…

РИСУНОК 3

Связь между массой тела и потоком энергии (EnFlux) у взрослых (EnFlux =…

РИСУНОК 3

Зависимость между массой тела и потоком энергии (EnFlux) у взрослых (EnFlux = общий расход энергии, измеренный с помощью метода дважды меченой воды), показанная в виде натуральных логарифмически преобразованных данных с потоком энергии в качестве независимой переменной (корреляция Пирсона r = 0,65, P < 0,0001; n = 1399). Ln, натуральный лог.

РИСУНОК 4

Связь между потоками энергии…

РИСУНОК 4

Отношение между потоком энергии и массой тела (получено из уравнения 4 )…

РИСУНОК 4

Отношение между потоком энергии и массой тела (выведенное из уравнения 4 ) показано пунктирной линией с наклоном 0,71. По сравнению с популяцией в точке А показаны расчетные точки для других подобных популяций с более высоким или более низким потреблением энергии (В и С соответственно) и более низким или более высоким уровнем физической активности (D и Е соответственно). Население с сочетанием более высокого потребления энергии и более низкой физической активности попадет в верхнюю правую заштрихованную область, тогда как население с более низким потреблением энергии и более высокой физической активностью попадет в нижнюю левую заштрихованную область. TEE, общий расход энергии; TEI, общее потребление энергии.

РИСУНОК 5

Связь между потоками энергии…

РИСУНОК 5

Связь между потоком энергии (EnFlux) и массой тела у взрослых ( n…

РИСУНОК 5

Связь между потоком энергии (EnFlux) и массой тела у взрослых ( n = 1399) и детей ( n = 963) с обеими переменными, выраженными в виде натуральных логарифмов (Ln) с удалением влияния роста, возраста и пола. Линии представляют собой линии регрессии (полученные из моделей линейной регрессии) для каждой группы с полосами предсказания 95% (содержащими 95% каждой популяции).

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Оценка влияния энергетического дисбаланса на изменение массы тела у детей.

  Суинберн Б.А., Джолли Д., Кремер П.Дж., Сальбе А.Д., Равуссин Э.

  Суинберн Б.А. и соавт.
  Am J Clin Nutr. 2006 г., апрель; 83 (4): 859–63. doi: 10.1093/ajcn/83.4.859.
  Am J Clin Nutr. 2006.

  PMID: 16600939

• Необъяснимое нарушение регуляции веса тела: диагностический результат, оцененный с помощью анализа воды с двойной меткой и состава тела у пациентов с ожирением, сообщающих о низком потреблении энергии.

  Буль К.М., Галлахер Д., Хой К., Мэтьюз Д.Э., Хеймсфилд С.Б.

  Буль К.М. и др.
  J Am Diet Assoc. 1995 г., декабрь 95(12):1393-400; викторина 1401-2. doi: 10.1016/S0002-8223(95)00367-3.
  J Am Diet Assoc. 1995.

  PMID: 7594141

• Расход энергии не предсказывает изменение веса ни у нигерийских, ни у афроамериканских женщин.

  Люк А., Дугас Л.Р., Эберсоле К., Дуразо-Арвизу Р.А., Цао Г., Шоллер Д.А., Адейемо А., Бригер В.Р., Купер Р.С.

  Люк А и др.
  Am J Clin Nutr. 2009 г.Янв; 89 (1): 169-76. doi: 10.3945/ajcn.2008.26630. Epub 2008 3 декабря.
  Am J Clin Nutr. 2009.

  PMID: 19056567
  Бесплатная статья ЧВК.

• Энергетический разрыв в этиологии увеличения массы тела и ожирения: сложная концепция со сложной оценкой и подводными камнями.

  Schutz Y, Byrne NM, Dulloo A, Hills AP.

  Шютц Ю. и соавт.
  Обес Факты. 2014;7(1):15-25. дои: 10.1159/000357846. Epub 2014 22 января.
  Обес Факты. 2014.

  PMID: 24457473
  Бесплатная статья ЧВК.

  Обзор.

• Потребление жиров с пищей и регулирование энергетического баланса: последствия для ожирения.

  Хилл Дж.О., Мелансон Э.Л., Вятт Х.Т.

  Хилл Дж.О. и др.
  Дж Нутр. 2000 г., февраль; 130 (дополнение 2S): 284S-288S.
  Дж Нутр. 2000.

  PMID: 10721889

  Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Оценка воздействия налога на подслащенные напитки на здоровье для информирования политических решений о бремени ожирения во Вьетнаме.

  Нгуен Д.Т., Хоанг М.В., Дао С., До П.Х., Нгуен К.Д., Джуэлл Дж., Эмис-Кулл Б., Мутху М., Хоанг Л.Н., Ле Т.Т., Нгуен А.Т., Тран Б.К., О’Нил С.

  Нгуен Д.Т. и соавт.
  ПЛОС Один. 4 апреля 2023 г .; 18 (4): e0274928. doi: 10.1371/journal.pone.0274928. Электронная коллекция 2023.
  ПЛОС Один. 2023.

  PMID: 37014838
  Бесплатная статья ЧВК.

• Переедание, переедание и пищевая зависимость: подходы к изучению чрезмерного потребления пищи у лабораторных грызунов.

  Браун Р.М., Джеймс М.Х.

  Браун Р.М. и соавт.
  Прог Нейропсихофармакол Биол Психиатрия. 2023 20 апр; 123:110717. doi: 10.1016/j.pnpbp.2023.110717. Epub 2023 6 января.
  Прог Нейропсихофармакол Биол Психиатрия. 2023.

  PMID: 36623582

  Обзор.

• Оценка жировой болезни печени, связанной с метаболической дисфункцией, с использованием FibroScan, диеты и микробиоты: большое перекрестное исследование.

  Татеда Т., Иино К., Сасада Т., Сато С., Игараси Г., Кавагути С., Миками К., Эндо Т., Савада К., Миками Т., Фукуда С., Накадзи С., Сакураба Х.

  Татеда Т. и др.
  ПЛОС Один. 2022 23 ноября; 17 (11): e0277930. doi: 10.1371/journal.pone.0277930. Электронная коллекция 2022.
  ПЛОС Один. 2022.

  PMID: 36417462
  Бесплатная статья ЧВК.

• Разработка и валидация шкалы чувствительности к пищевым сигналам.

  Кан Сим Д.Э., Эйхен Д.М., Стронг Д.Р., Манзано М.А., Бутель К.Н.

  Кан Сим DE и др.
  Физиол Поведение. 2023 1 января; 258:114028. doi: 10.1016/j.physbeh.2022.114028. Epub 2022 9 ноября.
  Физиол Поведение. 2023.

  PMID: 36368562

• Моделирование воздействия налога на сладкие подслащенные напитки на здоровье и экономику в Канаде.

  Лю С., Войгелерс П.Дж., Максимова К., Охинмаа А.

  Лю С. и др.
  ПЛОС Один. 2022 10 ноября; 17 (11): e0277306. doi: 10.1371/journal.pone.0277306. Электронная коллекция 2022.
  ПЛОС Один. 2022.

  PMID: 36355842
  Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

Грантовая поддержка

• R01 DK064773/DK/NIDDK NIH HHS/США

Технологии распределенных встроенных преобразователей энергии | Water Research

NREL занимается исследованием и разработкой малоизученной технологической области морской возобновляемой энергии
: распределенных встроенных преобразователей энергии (DEEC-Tec).

DEEC-Tec — это новый тип морских энергетических технологий, который отличается использованием множества небольших DEEC, собранных
для формирования метаматериалов DEEC-Tec. Эти метаматериалы, в свою очередь, используются для создания
более крупные конструкции для сбора и преобразования морской энергии, например, разработанные NREL (сейчас запатентованы).

Таким образом, домен DEEC-Tec можно рассматривать на трех технологических уровнях:

Пример отдельного DEEC

Уровень технологии 1 : Отдельный DEEC представляет собой относительно небольшой преобразователь энергии (часто менее нескольких
сантиметров), который преобразует одну или несколько форм энергии в другую и служит
структурный механизм, обеспечивающий один или несколько способов соединения или соединения с
другие DEEC для формирования метаматериала DEEC-Tec.

• Индивидуальные малые DEEC

Метаматериалы

• DEEC-Tec — по сути,
  псевдоматериальные каркасы, созданные из взаимосвязи / комбинации многих DEEC.
• Более крупные комплексные морские конструкции для сбора и преобразования возобновляемой энергии, изготовленные из метаматериалов
  DEEC-Tec.

Ознакомьтесь с обзором принципов работы DEEC-Tecs.

Технологический уровень 1 : Отдельный DEEC часто имеет длину не более нескольких сантиметров и действует как
преобразователь энергии и структурный механизм. В качестве преобразователя энергии DEEC использует
хотя бы одно физическое явление для преобразования внешних источников энергии в электричество.
В качестве конструктивного механизма отдельный ДЭЭП содержит или является частью преобразователя энергии.
а также обеспечивает взаимосвязь с другими DEEC.

Уровень технологии 2 : Метаматериалы DEEC-Tec представляют собой совокупность и интеграцию многих DEEC. DEEC-Tec
метаматериалы — это общие строительные блоки для структуры, которая может использовать и
преобразовывать морскую возобновляемую энергию. Метаматериалы DEEC-Tec могут включать комбинации
типов ДЭЭК, объединенных различными способами (такими как слои, латексы или встроенные в
субстраты).

Пример метаматериала DEEC-Tec

Технологический уровень 2:  Этот пример иллюстрирует базовое использование отдельных DEEC для создания DEEC-Tec.
метаматериал. Вырезы обнажают составные компоненты универсального автомобиля DEEC-Tec.
метаматериал. Слева присутствуют все составляющие компоненты. В середине,
поддерживающий совместимый материальный каркас удаляется. Справа обе опорные
совместимая структура, и отдельные DEEC удаляются. Это показывает, как DEEC объединяются
создать структурный каркас метаматериала DEEC-Tec и придать ему свои особенности
свойства и характеристики.

Примеры деформации метаматериала DEEC-Tec

Уровень технологии 2: Образцы метаматериала DEEC-Tec динамически деформируются — путем растяжения, скручивания и
растяжение или сжатие — каким-либо внешним источником энергии для создания других форм
энергии, включая электричество.

Технологический уровень 3 : Преобразователь энергии океанских волн на базе DEEC-Tec является примером использования/преобразования энергии
конструкция из метаматериалов DEEC-Tec. Преобразователи волновой энергии на базе DEEC-Tec имеют
две определяющие характеристики:

• Топология, описывающая ее форму и вид
• Морфология, описывающая его жесткость, гистерезис, пластичность и другие дети.
  деформации.

Преобразователи энергии океанских волн на основе DEEC-Tec Примеры

На этих иллюстрациях показано, как преобразователи энергии океанских волн на основе DEEC-Tec
слева, поскольку желтые фигуры, пришвартованные черными линиями к морскому дну), могут деформироваться (справа)
использовать и преобразовывать энергию. Поглотитель выпуклой линии (вверху) выпячивается и сжимается.
когда гребни и впадины океанских волн проходят мимо. Нижний фиксированный помпаж flexWEC (средний)
изгибается и изгибается с движением последовательных вздымающихся океанских волн. искривление
точечный поглотитель (внизу) расширяется и искривляется, когда вокруг него движутся волны. Обратите внимание, что эти примеры
не представляют все возможные формы преобразования энергии океанских волн с помощью DEEC-Tec и
применение технологии для морской энергетики.

Деятельность

NREL активно исследует несколько видов морских энергетических конструкций на базе DEEC-Tec.

Шестиугольные распределенные встроенные преобразователи энергии

NREL разрабатывает собственный распределенный встроенный преобразователь энергии: шестиугольный
Распределенные встроенные преобразователи энергии
, также известные как HexDEEC. Ознакомьтесь с обзором HexDEEC.

Структурированные инновации

NREL разрабатывает и поддерживает структурированные процессы для инновационных разработок на базе DEEC-Tec.
и направлен на то, чтобы представить концепции рассады более широкому сообществу морских возобновляемых источников энергии. См. WaveSPARC.

Разработка материалов

NREL имеет большой опыт в разработке материалов как для конструкций FMDEC, так и для
встроенные распределенные преобразователи энергии. Этот опыт, среди прочего,
методы, начиная от повторного использования использованных полимеров и заканчивая разработкой новых
Эластомерные электроды.

Совместная разработка преобразователей распределенной технологии встроенных преобразователей энергии

NREL знакома и имеет опыт, необходимый для совместной разработки преобразователей на основе
преобразователи энергии океанских волн. Преобразователи на базе DEEC-Tec заложены по своей природе.
требуют совместной разработки и параллельного проектирования, как минимум:

1. Формы соответствующих структур
2. Их встроенные распределенные преобразователи энергии (индивидуальные преобразователи энергии)
3. Их системы и стратегии активного управления силовой электроникой.

Оценка и прототипирование распределенных встроенных преобразователей энергии

NREL разрабатывает инструменты оценки (например, оценку уровня производительности технологии
и инструменты численного моделирования), необходимые для характеристики и оценки концепций DEEC-Tec,
стремясь к лучшему пониманию и оценке оптимальных и
реалистичные возможности.

Иллюстрации трех возможных концептуальных архетипов flexWEC — преобразование конструкций DEEC-Tec
энергию океанских волн, например, в электричество. Слева: инерционная точка гибкого корпуса
поглотитель. В центре: амортизатор гибкой линии. Справа: изгиб фиксированной на дне энергии океана.
преобразователь. Иллюстрации Бесики Казаишвили, NREL

Характеристики технологии

NREL разрабатывает инструменты оценки (например, оценки уровня эффективности технологии
и инструменты численного моделирования), необходимые для характеристики и оценки концепций DEEC-Tec,
стремясь к большему пониманию и оценке возможностей технологии:

• Широкополосное поглощение энергии океанских волн: Многие режимы движения вызывают это поглощение
  возможный.
• Системы преобразователей энергии со встроенным резервированием: многочисленные чередующиеся небольшие преобразователи
  (распределенные встроенные преобразователи энергии) обеспечивают механическую избыточность и надежность
  (т. е. отказ некоторых преобразователей не обязательно означает отказ всего flexWEC).
• Относительно низкие затраты на закупку материалов и сборку: преобладающие материалы
  полимеры, которые являются обычными и могут быть изготовлены с помощью хорошо зарекомендовавших себя рулонных
  практика сборки, например.
• Простые механизмы развертывания и выживания: большинство архетипов можно легко свернуть,
  упакованы и уложены, когда это необходимо, для развертывания и предотвращения океанских штормов.
• Сокращенные графики технического обслуживания: Распределенные встроенные преобразователи энергии в
  Структура DEEC-Tec также может действовать как датчики по всей конструкции. Необходимость
  для технического обслуживания, таким образом, может обрабатываться в режиме реального времени на основе информации
  эти преобразователи посылают на мониторы.
• Почти непрерывный структурный контроль и адаптация: Активное вовлечение почти всех
  распределенный встроенный преобразователь энергии через силовые электронные системы управления, позволяющий
  Таким образом, они действуют либо как генератор (демпфирующий структурную деформацию), либо как
  исполнительный механизм (возбуждающий структурную деформацию), тем самым позволяя изменять
  форму конструкции DEEC-Tec в режиме реального времени.
• Уникальные и эффективные возможности для совместной разработки: например, концептуализация
  форма и гибкие характеристики конструкции DEEC-Tec могут встречаться непосредственно рядом с
  разработка систем активного управления структурой и требования к изготовлению.

Проблемы

Проблемы, связанные с доменом DEEC-Tec, включают надлежащую конструкцию материалов для
минимизация усталости, оптимальная геометрическая композиция и эффективность преобразования мощности
а также индивидуальный дизайн блока преобразователя и конфигурации заделки.