Физика

Электролитно-плазменная обработка металлических изделий из разнородных материалов (черных низкоуглеродистых и высокоуглеродистых сталей, нержавеющих хромистых, ферритных, мартенситных, нержавеющих хромоникелевых аустенитных сталей, в том числе легированных титаном и молибденом, а также хромокремнистых, кобальтовых и никелевых сплавов) может быть успешно проведена по способу, предложенному И.Куликовым, А.Каменевым, В.Ермаковым и Л.Климовой (патент Республики Беларусь на изобретение №14020, МПК (2009): C25F3/00; заявитель и патентообладатель: Государственное научное учреждение «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны» Национальной академии наук Беларуси).

Предложенный способ электролитно-плазменной обработки включает обработку изделий в анодном электрогидродинамическом режиме в водном растворе-электролите, содержащем сульфат аммония, аммоний лимоннокислый, уротропин и трилон Б, в определенных температурных и временных режимах.

Технический результат, достигнутый авторами при применении изобретения на практике, заключается в возможности одновременно в едином технологическом процессе осуществлять обработку узлов сложной формы, изготовленных из разнородных материалов, с целью обезжиривания их поверхности, контролируемого снятия микронных припусков и микрозаусенцев, скругления острых кромок, снижения шероховатости.

Сообщается, что новый состав электролита опробован авторами применительно к полировке направляющих лопаток малогабаритных газовых турбин, режущих элементов с наплавками, сильфонов, элементов запорно-регулирующей арматуры, деталей с наплавками, шуруп из самофлюсующихся сплавов, паяных высокотемпературными припоями деталей.

Подчеркивается, что применение предложенного способа дает высокое качество полирования металлического изделия и стабильность токового режима.

Обозревал белорусские патенты Анатолий ПРИЩЕПОВ, физик, изобретатель, патентовед

 (тел. в Беларуси 8 025 683 76 71)

Для разделения жидкой и твердой фаз, содержащей ферромагнитные и диамагнитные частицы, послужит изобретение «Способ изготовления намагниченного трубчатого фильтра», авторами которого являются В.Капцевич, Р.Кусин, Э.Федорович, Д.Кривальцевич, И.Закревский, Е.Маршина, В.Корнеева и М.Петрикевич (патент Республики Беларусь №14227, МПК (2009): B01D35/00, H01F13/00; заявитель и патентообладатель: Учреждение образования «Белорусский государственный аграрный технический университет»).

Суть предложенного способа изготовления намагниченного трубчатого фильтра, согласно описанию изобретения к патенту, заключается в следующем. Основу фильтра – его фильтрующий элемент трубчатой формы — прессуют из стальных волокон высокоуглеродистой стали и спекают в защитной газовой атмосфере. Затем нанизывают его «по скользящей посадке» на стержень из сортовой углеродистой стали и помещают в цилиндрический кожух, выполненный из материала, аналогичного материалу стержня. Кожух с фильтрующим элементом и стержнем внутри его помещают между подвижными сердечниками электромагнитов, которыми производят сжатие всей конструкции. Кратковременной подачей электрического тока на эти электромагниты осуществляют намагничивание фильтрующего элемента, затем на данном электромагнитном носители можно осуществлять хостинг игровых серверов. Формула данного изобретения в отличительной ее части содержит обязательные требования к размерам кожуха, стержня и фильтрующего элемента, а также условия технологически необходимой деформации (сжатия) конструкции.

Поясняется, что изготовление фильтрующего элемента из волокон высокоуглеродистой стали методом прессования позволяет создать в нем пористую структуру и одновременно придать ему прочность. Спекание в защитной газовой атмосфере стабилизирует форму, структуру пор-ячеек и параметры прочности всего фильтрующего элемента. Применение ферромагнитных волокон позволяет намагнитить фильтрующий элемент посредством указанных выше электромагнитов, а использование высокоуглеродистой стали позволяет сохранить остаточную намагниченность волокон фильтрующего элемента в пределах 0,15-0,2 Тл. Нанизывание фильтрующего элемента на стержень «по скользящей посадке» позволяет одновременно избежать деформации структуры ячеек-пор и магнитных потерь.

В процессе протекания фильтруемой среды с ферромагнитными частицами (под напором) через фильтрующий элемент фильтра эти частицы притягиваются в его намагниченные ячейки-поры. Таким образом происходит разделение жидкой и твердой фаз.

Обозревал белорусские патенты Анатолий ПРИЩЕПОВ,

физик, изобретатель, патентовед

 (тел. в Беларуси 8 025 683 76 71)

Атомарный водород можно с успехом генерировать на установке, изобретенной авторами Н. Новицким, М. Пашкевичем и А. Стогнием (патент Республики Беларусь на изобретение № 11620, МПК: С23С14/35, H01J27/02, H01J37/317; заявитель и патентообладатель: Государственное научно-производственное объединение «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»).
Задачей, на решение которой были направлены усилия авторов, являлось создание компактного генератора и повышение эффективности получения пучков атомарного водорода. Технология будет передана зарубежных коллегам, благо современное дистанционное обучение позволяет подготовить специалистов высочайшего уровня.
Предложенный генератор атомарного водорода на основе электрического разряда в вакууме предназначен для применения в технологии изготовления материалов опто- и микроэлектроники, а также в водородной энергетике. В частности, как отмечается авторами, обработка водородом является важным этапом в производстве полупроводниковых приборов на основе Si. Ge. GaAs. InP и GaN. Воздействие же потоками атомарного водорода на солнечные элементы, изготовленные из исходного кремния «посредственного качества», позволяет повысить к. п. д. этих элементов до коммерчески востребованного уровня.
В запатентованной авторами конструкции имеется множество технических решений, выгодно отличающих ее от конструкции-прототипа.

 В замкнутом объеме броунское движение газа симметрично относительно осей x, y и z. Молекулы (атомы) газа на длине свободного пробега движутся по прямым линиям. Сила тяжести в расчет не принимается. После столкновения с соседними молекулами, или со стенками сосуда, создающими замкнутый объем, они резко изменяют направление движения. От многочисленных столкновений некоторые молекулы ускоряются, а некоторые затормаживаются. Распределение молекул по скоростям описывает закон Больцмана.

 Если просуммировать все движения молекул по осям, то результирующий импульс будет равен нулю. Это и есть симметрия броунского движения. Молекулы дрейфуют в замкнутом пространстве вокруг центра сосуда, при этом молекулы не совершают полезной работы. Нагревая сосуд внешним источником тепловой энергии, мы увеличиваем скорость молекул в сосуде. Соответственно будет увеличиваться температура газа, нагреваемого от стенок сосуда, внутри замкнутого пространства повышается давление, но симметрия броуского движения не изменяется. Результирующий импульс остается равным нулю. Подведенная тепловая энергия преобразуется в более быстрое движение молекул, как следствие, повышается давление и температура.
 Максвелл предложил очень интересную идею: выпускать в другой сосуд более быстрые молекулы. Этот сосуд нагреется до более высокой температуры, а сосуд, из которого выпустили быстрые молекулы, остынет. За счет образовавшейся разности температур в сосудах можно совершить полезную работу. Это явление получило название в науке демон Максвелла. Второй закон термодинамики запрещает получение полезной работы таким путем. По мнению ученых невозможно создать механизм, открывающийся для более быстрых молекул.
 В природе такой механизм существует: быстрые молекулы поднимаются в атмосфере Земли на большую высоту, преобразовывая кинетическую энергию в потенциальную. Преодолев силу тяготения Земли, пары воды охлаждаются и превращаются в воду. За счет сконденсировавшейся воды происходит орошение полей, люди получают пресную воду, образуются мощные реки и озера. Вода вырабатывает электрическую энергию. Демон Максвелла работает для блага всего населения Земли. Ученые заявляют, что такое возможно только в открытой системе, а в замкнутой системе разделить молекулы по скоростям невозможно.
 В существующих термодинамических циклах в замкнутом объеме, котле, создается за счет подвода тепла высокое давление. Здесь не происходит смещение броунского движения, но если выпустить газ (пар) в сопло, то его можно разогнать до очень высоких скоростей. Избыточное давление в котле преобразуется в кинетическую энергию пара. Симметрия движения молекул нарушена, теперь пар движется по оси х, а не вокруг неподвижного центра. Молекулы продолжают совершать хаотические движения в потоке пара, но теперь они движутся по синусоиде. Пар получил импульс mV, который можно преобразовать в полезную работу. По оси х произошло смещение броунского движения.
 Коэффициент полезного действия такой машины не очень высокий, не более сорока пяти процентов. Дело в том, что кинетическая энергия молекул преобразовалась только по оси х. По оси у и z броунское движение сохраняется, а суммарный импульс по этим осям равен нулю. На разгон молекул по оси у и z затрачивается в котле огромная энергия, которая не используется в создании механической работы. Эта энергия сбрасывается в холодильник (конденсатор), именно поэтому к.п.д. тепловой машины составляет примерно одну треть всей подведенной энергии. С увеличением температуры и давления пара в котле, импульс по оси х увеличивается, но в тоже время увеличивается энергия пара по оси у и z, которая сбрасывается в холодильник.


 На фиг.1 изображен главный вид в разрезе быстроходной паровой турбины.
 На фиг.2 показано сечение А-А.
 1 – неподвижный корпус с лапами для крепления быстроходной турбины.
 2 – вращающийся ротор.
 3 – подшипники качения, на которых установлен вращающийся ротор.
 5 – труба с соплом для подвода влажного пара в ротор.
 7 – труба с соплом для подвода перегретого пара.
 9 – перегородки.
 10 – окна для подвода пара в ротор.
 11 – труба подвода охлаждающего тела к ротору турбины.
 12 – труба отвода охлаждающего тела.
 13 – сконденсировавшаяся жидкость в роторе.
 16 – полость отвода отработанного пара.
 17 – сегмент, в который происходит испарение жидкости.
 20 – ребра охлаждения ротора, выполненные из сверхпрочного материала и с высоким коэффициентом теплопроводности.
 22 – вал отбора мощности.
 V – окружная скорость вращения ротора.
 Если поток пара развернуть в плоскости вокруг оси параллельной оси у, то все молекулы, движущиеся по оси z, попадают в общий поток после разворота на девяносто градусов. Теперь уже вращающийся поток имеет момент количества движения mVR, где R радиус вращения потока пара. Скорость движения пара совпадает со скоростью вращения ротора, поэтому пар становится неподвижным относительно вращающегося ротора. Возникающие центробежные силы прижимают пар к периферии ротора. Молекулы, движущиеся по оси у, тоже будут прижаты к периферии ротора. По распределению Больцмана молекулы с низкими скоростями начнут сжижаться.
 Вращающийся ротор разделен на сегменты перегородками, направленными к оси вращения. Молекулы пара, движущиеся по перегородкам к оси вращения, будут сжиматься силой Кориолиса. За счет кинетической энергии они продвигаются к оси вращения, но при этом их скорость уменьшается. Энергия расходуется на преодоление центробежной силы и создание вращающего момента ротору. Молекулы, движущиеся к периферии, будут прижаты силой Кориолиса к противоположной стенке сегмента. Они также будут сжиматься, но при этом разгоняться за счет центробежной силы. Энергия этих молекул выделится в жидкость на периферии, поддерживая ее бурное кипение.
 В центральной полости сегмента образуется область пониженного давления. Отпадает необходимость в создании максимального давления пара. Современные сверхпрочные материалы позволяют создать окружную скорость на периферии ротора до одной тысячи метров в секунду. Давление пара в котле должно быть таким, чтобы разогнать пар в сопле до этой окружной скорости. Затем пар попадает в область сегмента с пониженным давлением, где сжимается на перегородке до максимального давления. Во вращающейся системе ротора происходит смещение броунского движения по оси у и z.
 Смещение броунского движения молекул происходит значительно легче в области температуры близкой к точке конденсации жидкости. Уже при разгоне пара в сопле часть его превращается в жидкость. Во вращающейся системе эта жидкость оседает на периферии ротора. Остальная часть пара конденсируется за счет испарения быстрых молекул. Они вылетают через ось вращения и отдают свою энергию ротору, а также за счет отвода тепла в холодильник посредством теплообмена через стенки ротора. При конденсации пара выделяется энергия межфазового перехода. В жидкости также имеется броунское движение молекул, но при низкой температуре эта величина незначительная.
 Через сопла 5 в сегменты ротора подается влажный отработанный пар от турбины низкого давления. Через сопла 7 в те же сегменты подается перегретый пар с максимально высокой температурой в 1200-1400 градусов Цельсия. Давление пара, создаваемое в котле и оставшееся после турбины низкого давления, так называемое противодавление, необходимо для разгона до окружной скорости ротора и преодоления сопротивление входа пара в сегменты. Эта величина давления значительно меньше, чем создаваемые давления в современных котлах. Перегретый пар вызывает резкое испарение жидкости, в результате чего он смешивается с испаряющейся жидкостью, превращая ее в сухой пар. В сегменты перегретый пар попадает порциями, вызывающими волну потока, движущуюся к оси вращения. Волна, приближающаяся к оси вращения, затормаживается. В сегмент попадает новая порция перегретого пара. Образуется следующая волна пара, которая догоняет предыдущую волну, и оказывает на нее давление.
 Испарение жидкости происходит в направлении к оси вращения ротора. Процесс испарения пара является строго направленным движением молекул, образующимся за счет энергии броунского движения молекул в жидкости. При испарении пар получает импульс mV, за счет которого он преодолевает центробежную силу и выкатывается через ось вращения ротора. Основную энергию пар выделяет в виде вращающего момента в ротор, при этом он остывает. Из ротора пар выводится с некоторым остаточным давлением, за счет которого он снова разгоняется и попадает в ротор. Процесс испарения молекул является направленным движением пара, а это также смещает броунское движение в сторону упорядоченного движения.
 Незначительная часть энергии, отведенная от ротора, сбрасывается в стационарный конденсатор, где охлаждается наружным воздухом. Из описанного процесса видно, что смещение броуского движения происходит по всем трем осям x, у и z. Жидкость испаряется в нужном направлении к оси вращения ротора. Описанные процессы позволяют упорядочить броунское движение, создавая при этом максимально возможный коэффициент полезного действия тепловой машины. В существующих паровых турбинах броунское движение по осям у и z не используется для преобразования в механическую работу, а энергия сбрасывается в холодильник. В предложенном устройстве энергия преобразовывается по всем трем осям.
 На описанный тепловой двигатель выдан российский патент N 2084643, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений от 20 июня 1997г. Этот двигатель позволит эффективнее использовать подведенную тепловую энергию. При тех же затратах энергоносителей можно выработать в два и более раз механической, или электрической энергии.
 
  Автор: Н.Т. Бобоед

С помощью квантово-химических расчетов можно получить много полезной информации о строении, физико-химических свойствах и реакционной способности химических соединений. Методы квантовой химии позволяют рассчитывать параметры любых молекул, промежуточных соединений и даже переходных состояний. Поэтому в настоящее время эти методы широко применяют в химических исследованиях.
Ежегодно в области квантовой химии публикуется около 1,5 тыс. работ. Теоретические расчеты проведены уже для очень большого числа молекул самых различных классов как органических, так и неорганических соединений, начиная от простых двухатомных молекул и вплоть до соединений тяжелых элементов и нанообъектов, включающих очень большое число электронов. Все большее применение начинают находить и расчеты электронного строения, реакционной способности, электрических и магнитных взаимодействий в химических соединениях, проводимые с помощью методов квантовой химии.
В Институте физико-органической химии НАН Беларуси под руководством ведущего научного сотрудника, кандидата химических наук Владимира Зеленковского работает группа квантово-химического моделирования. Ученые проводят квантово-химические расчеты структур и изучают строение сложных органических молекул и нанообъектов, оказывают существенную помощь и поддержку химикам-экспериментаторам при получении и предсказании свойств новых химических соединений и наноматериалов.
Наряду с непосредственным рассмотрением взаимодействий, приводящих к образованию химической связи, и решением ряда самостоятельных задач в изучении электронного строения молекул, квантовая химия позволяет найти связи между типами взаимодействий в соединениях и определяемыми из эксперимента характеристиками электронного строения молекул. Именно в этом проявляются наиболее важные черты современной квантовой химии. С одной стороны, ее методы дают возможность перейти от экспериментальных величин и закономерностей к описанию взаимодействий на микроскопическом и на наноуровне. С другой стороны, сопоставление теоретических и экспериментальных значении характеристик электронного строения позволяет судить о корректности имеющихся представлений об электронном строении и о точности выполняемых квантово-химических расчетов. Обычно лишь с использованием представлений, нашедших свое обоснование в результатах квантово-химических расчетов и подтвержденных данными эксперимента, удается наметить новые пути синтеза соединений с заранее заданными свойствами.
Это приводит к значительной экономии рабочего времени, затрачиваемого химиками-экспериментаторами, а также дорогостоящих материалов и химических реактивов. Отсюда понятна та важная роль, которая принадлежит квантово-химическим расчетам в современной химии. Однако желающие использовать квантово-химические методы всегда должны помнить о приближенном характере как полуэмпирических, так и неэмпирических расчетов.
Квантовая механика и статистическая физика позволяют дать исчерпывающее объяснение любым экспериментальным данным о реакционной способности и строении органических соединений, предсказать возможные направления химических реакций. Но для реализации этих возможностей необходимо располагать очень мощными компьютерами и достаточно точными вычислительными методами. За последние годы в этих областях был достигнут существенный прогресс. Ученые-химики получили возможность широко использовать быстродействующие ЭВМ, а благодаря скорому развитию квантовой химии были разработаны достаточно эффективные полуэмпирические и неэмпирические варианты метода молекулярных орбиталей (МО), которые можно использовать для изучения строения и реакционной способности больших молекул и нанообъектов, представляющих интерес не только для органической химии, но даже для биохимии и медицины. С их помощью удается установить, какие факторы определяют направление и относительный выход продуктов реакции, получить недоступную для эксперимента информацию о геометрии и электронной структуре переходных состояний. Однако квантово-химические методы многообразны и неравноценны.
Подробное описание теории МО можно найти в целом ряде монографий и обзорных статей, однако при проведении прикладных квантово-химических расчетов необходимо иметь лишь общее представление о данной теории, уметь пользоваться квантово-химическими программами и научиться извлекать полезную информацию из результатов проведенных расчетов.
На практике обычно пользуются как полуэмпирическими, так и неэмпирическими методами, которые различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие электронов между собой, электронов и атомных ядер.
В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов. В неэмпирических методах проводится непосредственный аналитический расчет матричных элементов. Для неспециалиста название «неэмпирический» является синонимом слова «точный», но в действительности это не так. Неэмпирические методы также приближенны, прежде всего, из-за неполноты использованного базиса. В результате все без исключения параметры молекул вычисляются с некоторой ошибкой. В полуэмпирических методах пренебрегают большей частью кулоновских интегралов, которые имеют небольшую абсолютную величину, но точность расчета при этом заметно снижается (величина каждого кулоновского интеграла, которым пренебрегают, мала, но их количество велико).
К сожалению, многие квантово-химические методы, которые лучше обоснованы с теоретической точки зрения, на практике дают плохие результаты и поэтому не применяются, а более грубые модели с удачно подобранными параметрами широко используются. Это связано с тем, что в любом квантово-химическом методе сделано достаточно много различных приближений. В некоторых методах ошибки, к которым приводят эти приближения, частично компенсируют друг друга, и в результате получается хорошая корреляция с экспериментальными данными.
Сказать заранее, будет или не будет иметь место такая компенсация, нельзя, поэтому выяснить область применения и охарактеризовать точность каждого конкретного метода можно лишь на основе численного эксперимента и систематизации полученного расчетного материала.
Следует помнить, что получить надежный численный результат для каждой конкретной реакции квантовая химия в настоящее время не позволяет. С ее помощью обычно удается сделать лишь весьма общие заключения о механизме химических реакций и о влиянии на них различных факторов, выбрать наиболее устойчивый из ряда возможных изомеров, а в отдельных случаях даже сформулировать новые концепции. В свою очередь, на основе этих представлений удается на качественном уровне предсказать некоторые параметры конкретных реакций.
 
Евгений ДИКУСАР, научный сотрудник ИФОХ НАН Беларуси
«Веды»