15: Енергія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20384

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Потрібна енергія, щоб запустити космічний корабель в космос. Якщо для нагрівання 0,25 г води на 1° C потрібно 1 одиниця енергії, то для виведення цього 0,25 г води на навколоземну орбіту потрібно більше 15 100 одиниць енергії. Найпотужніші двигуни, призначені для підйому ракет в космос, були частиною ракети «Сатурн V», яка була побудована Національним управлінням з аеронавтики та космосу (NASA). Ракета мала три ступені, причому перша ступінь мала можливість запуску близько 3,5 млн кг маси. Приблизно 2,3 мільйона кг було фактичним паливом для першого етапу; ракети в космосі мають неприємне завдання - брати з собою власні хімічні речовини, щоб забезпечити тягу.

Рис. 7.1.1: Saturn V SA-513 піднімається для підвищення орбітальної майстерні Skylab на навколоземну орбіту. Для запуску ракети в космос потрібно багато енергії. Ракета Saturn V використовувала п'ять найпотужніших двигунів, коли-небудь побудованих, щоб зробити свій початковий крок на орбіту. (Громадське надбання; NASA)

Наявність перевезення власного палива ставить велике масове навантаження на двигун в космосі. Ось чому NASA розробляє інші типи двигунів для мінімізації маси палива. Іонний підрулювач використовує атоми ксенону, які мали принаймні один електрон, видалений з їх атомів. Утворені іони можуть прискорюватися електричними полями, викликаючи тягу. Оскільки атоми ксенону дуже великі для атомів, ефективність тяги висока, навіть якщо фактична тяга низька. Через це іонні двигуни корисні тільки в космосі.

Рис. 7.1.2: Іонний підрулюючий пристрій. Іонні приводи мають низьку тягу, але високий ККД. Вони вже були використані в декількох космічних місіях, включаючи космічний корабель NASA *Deep Space 1* та японський зонд для відбору проб астероїдів *Hayabusa*. Джерело: Фото люб'язно надано НАСА, Commons.wikimedia.org/wiki/file:ion_engine_test_firing_-_gpn-2000-000482.jpg.

Енергія є дуже важливою величиною в науці і навколишньому світі. Хоча більша частина нашої енергії в кінцевому підсумку надходить від сонця, більша частина енергії, яку ми використовуємо щодня, корениться в хімічних реакціях. Бензин у вашому автомобілі, електроенергія у вашому домі, їжа у вашому раціоні - все це забезпечує речовини для хімічних реакцій для забезпечення енергією (бензин, їжа) або виробляються в результаті хімічних реакцій (електрику, близько 50% якої виробляється спалюванням вугілля). Як таке, цілком природно, що вивчення хімії передбачає енергетику.