Первый закон термодинамики и некоторые простые процессы

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите процессы простой тепловой машины.
• Объясните различия между простыми термодинамическими процессами — изобарными, изохорными, изотермическими и адиабатическими.
• Рассчитать общую работу, выполненную в циклическом термодинамическом процессе.

Рис. 1. Начиная с промышленной революции, люди обуздали власть, используя первый закон термодинамики, еще до того, как мы полностью его поняли. Эта фотография паровой машины на заводе Турбиния датируется 1911 годом, всего через 61 год после первого явного утверждения первого закона термодинамики Рудольфом Клаузиусом.(кредит: общественное достояние; автор неизвестен)

Рис. 2. Схематическое изображение тепловой машины, управляемой, конечно, первым законом термодинамики.

Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать с теплопередачей, — это использовать ее для работы за нас. Такое устройство называется тепловой машиной . Автомобильные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электричество, являются примерами тепловых двигателей. На рисунке 2 схематично показано, как первый закон термодинамики применяется к типичному тепловому двигателю.

Невозможно разработать систему, в которой Q _out = 0, то есть в которой не происходит передачи тепла в окружающую среду.

Рис. 3. (a) Передача тепла газу в баллоне увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. (b) Сила, действующая на подвижный цилиндр, действительно работает, когда газ расширяется. Давление и температура газа снижаются, когда он расширяется, указывая на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась в результате выполнения работы.(c) Передача тепла в окружающую среду дополнительно снижает давление в газе, так что поршень может быть более легко возвращен в исходное положение.

На иллюстрациях выше показан один из способов работы теплопередачи. При сгорании топлива происходит передача тепла газу в цилиндре, что увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действительно воздействует на внешний мир, поскольку эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Передача тепла в баллон с газом приводит к тому, что работа выполняется.Чтобы повторить этот процесс, поршень необходимо вернуть в исходную точку. Теперь происходит передача тепла от газа к окружающей среде, так что его давление уменьшается, и окружающая среда оказывает силу, толкающую поршень назад на некоторое расстояние. Варианты этого процесса ежедневно используются в сотнях миллионов тепловых машин. Мы подробно рассмотрим тепловые двигатели в следующем разделе. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из более простых процессов, лежащих в основе тепловых двигателей.

Процесс, при котором газ воздействует на поршень при постоянном давлении, называется изобарическим процессом . Поскольку давление постоянно, прилагаемая сила постоянна, а выполненная работа определяется как P Δ V .

Рис. 4. Изобарическое расширение газа требует теплопередачи для поддержания постоянного давления. Поскольку давление постоянно, проделанная работа составит P Δ V .

Вт = Fd . См. Символы, показанные на рисунке 4. Теперь F = PA , и поэтому W = PAd.

Поскольку объем цилиндра равен его площади поперечного сечения A, умноженной на его длины d , мы видим, что Ad = Δ V , изменение объема; таким образом, W = P Δ V (изобарический процесс).

Обратите внимание, что если Δ В положительно, то Вт положительно, что означает, что работа выполняется с помощью газа во внешнем мире.

(Обратите внимание, что давление, задействованное в этой работе, которую мы назвали P , это давление газа внутри резервуара. Если мы назовем давление вне резервуара P _ext , расширяющийся газ будет работая против внешнего давления; поэтому выполненная работа будет равна Вт = — P _ext Δ V (изобарный процесс). Во многих текстах используется это определение работы, а не определение, основанное на внутреннем давлении , как основу Первого закона термодинамики.Это определение меняет правила знаков для работы и приводит к формулировке первого закона, который принимает вид Δ U = Q + W .)

Неудивительно, что Вт = P Δ V , поскольку мы уже отметили при рассмотрении жидкостей, что давление — это тип потенциальной энергии на единицу объема и что давление фактически имеет единицы энергии, деленные на объем. Мы также отметили в нашем обсуждении закона идеального газа, что PV имеет единицы энергии.В этом случае часть энергии, связанной с давлением, становится работой.

На рисунке 5 показан график зависимости давления от объема (то есть диаграмма PV для изобарического процесса. На рисунке видно, что проделанная работа находится в области под графиком. Это свойство диаграмм PV очень полезно и широко применимо: работа, проделанная системой или системой при переходе из одного состояния в другое, равна площади под кривой на диаграмме PV .

Рисунок 5.График зависимости давления от объема для процесса постоянного давления или изобарического процесса, такого как тот, который показан на рисунке 4. Площадь под кривой равна работе, выполняемой газом, поскольку Вт = P Δ V .

Рис. 6. (a) Диаграмма PV , на которой давление изменяется так же, как и объем. Работа, проделанная для каждого интервала, — это среднее давление, умноженное на изменение объема, или площадь под кривой за этот интервал. Таким образом, общая площадь под кривой равна общей проделанной работе.(b) Работа должна быть проделана в системе, чтобы следовать обратному пути. Это интерпретируется как отрицательная область под кривой.

Мы можем увидеть, к чему это ведет, рассмотрев рисунок 6a, который показывает более общий процесс, в котором изменяются и давление, и объем. Площадь под кривой точно аппроксимируется путем разделения ее на полосы, каждая из которых имеет среднее постоянное давление P _{i (средн. )} . Выполненная работа составляет Вт _i = P _{i (средн.)} Δ V _i для каждой полосы, а общая проделанная работа равна сумме Вт _и .Таким образом, общая проделанная работа — это общая площадь под кривой. Если путь перевернут, как показано на рисунке 6b, значит работа в системе выполняется. Площадь под кривой в этом случае отрицательная, потому что Δ V отрицательно.

PV ясно показывают, что выполненная работа зависит от пройденного пути, а не только от конечных точек . Эта зависимость от пути видна на рисунке 7a, где при переходе от A к C по пути через точку B выполняется больше работы, чем по пути через точку D.Вертикальные траектории, где объем постоянен, называются изохорическими процессами. Поскольку объем постоянный, Δ V = 0, и в изохорическом процессе работа не выполняется. Теперь, если система следует циклическому пути ABCDA, как показано на рисунке 7b, то общая проделанная работа — это область внутри цикла. Отрицательная область ниже пути CD вычитается, оставляя только область внутри прямоугольника. Фактически, работа, выполняемая в любом циклическом процессе (тот, который возвращается к своей начальной точке), представляет собой область внутри цикла, который он формирует на диаграмме PV , как показано на рисунке 7c для общего циклического процесса.Обратите внимание, что цикл должен быть пройден по часовой стрелке, чтобы работа была положительной, то есть, чтобы был чистый выход работы.

Рис. 7. (a) Работа, выполняемая при переходе от A к C, зависит от пути. Работа больше для пути ABC, чем для пути ADC, потому что первый находится под более высоким давлением. В обоих случаях проделанная работа — это область под дорожкой. Эта область больше для пути ABC. (b) Общая работа, проделанная в циклическом процессе ABCDA, является областью внутри цикла, поскольку отрицательная область ниже CD вычитается, оставляя только область внутри прямоугольника.(Значения, указанные для давления и изменения объема, предназначены для использования в приведенном ниже примере. ) (C) Площадь внутри любого замкнутого контура — это работа, выполняемая в циклическом процессе. Если петля проходит по часовой стрелке, W положительно — это работа, выполняемая во внешней среде. Если петля перемещается против часовой стрелки, W отрицательно — это работа, выполняемая системой.

Пример 1. Общая работа, выполненная в циклическом процессе, равна площади внутри замкнутого контура на диаграмме

Рассчитайте общую работу, выполненную в циклическом процессе ABCDA, показанном на рисунке 7b, с помощью следующих двух методов, чтобы убедиться, что работа равна площади внутри замкнутого контура на диаграмме PV .(Возьмите данные на рисунке, чтобы быть точными до трех значащих цифр.)

1. Рассчитайте работу, проделанную на каждом участке пути, и сложите эти значения, чтобы получить общую работу.
2. Вычислить площадь внутри прямоугольника ABCDA.

Стратегия

Чтобы найти работу по любому пути на диаграмме PV , вы используете тот факт, что работа — это давление, умноженное на изменение объема, или Вт = P Δ V . Итак, в части 1 это значение вычисляется для каждого отрезка пути вокруг замкнутого контура.3 \ right) = — 100 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Опять же, поскольку путь DA изохорный, Δ V _DA = 0, и поэтому W _DA = 0. Сейчас всего работ

[латекс] \ begin {array} {lll} W & = & W _ {\ text {AB}} + W _ {\ text {BC}} + W _ {\ text {CD}} + W _ {\ text {DA}} \ \\ text {} & = & 750 \ text {J} +0+ \ left (-100 \ text {J} \ right) + 0 = 650 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Решение для Части 2

Площадь внутри прямоугольника равна его высоте, умноженной на ширину, или

[латекс] \ begin {array} {lll} \ text {area} & = & \ left (P _ {\ text {AB}} — P _ {\ text {CD}} \ right) \ Delta {V} \\ \ text {} & = & \ left [\ left (1.3 \ right) \\\ text {} & = & 650 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Таким образом, площадь = 650 Дж = Вт .

Обсуждение

В результате, как и ожидалось, площадь внутри замкнутого контура равна проделанной работе. Площадь часто легче вычислить, чем работу, проделанную на каждом пути. Также удобно визуализировать области внутри различных кривых на диаграммах PV , чтобы увидеть, какие процессы могут произвести больше всего работы. Напомним, что работа может производиться системой или системой, в зависимости от знака W .Положительный результат Вт — это работа, выполняемая системой во внешней среде; отрицательное значение Вт представляет работу, выполненную окружающей средой в системе.

На рисунке 8a показаны два других важных процесса на диаграмме PV . Для сравнения оба показаны, начиная с одной и той же точки A. Верхняя кривая, заканчивающаяся в точке B, соответствует изотермическому процессу , то есть процессу, в котором температура поддерживается постоянной. Если газ ведет себя как идеальный газ, как это часто бывает, и если фазового перехода не происходит, то PV = nRT .Поскольку T является постоянной величиной, PV является постоянной величиной для изотермического процесса. 2 = \ frac {3} {2} kT \\ [/ latex].2 = \ frac {3} {2} NkT \\ [/ latex], (одноатомный идеальный газ), где N — количество атомов в газе. Это соотношение означает, что внутренняя энергия идеального одноатомного газа постоянна во время изотермического процесса, то есть Δ U = 0. Если внутренняя энергия не изменяется, то чистая передача тепла газу должна равняться чистой работе, совершаемой газом. То есть, поскольку Δ U = Q — W = 0 здесь, Q = W . У нас должно быть достаточно теплообмена, чтобы заменить проделанную работу.Изотермический процесс по своей природе медленный, потому что теплопередача происходит непрерывно, чтобы постоянно поддерживать температуру газа постоянной, и ему необходимо дать возможность распространяться по газу, чтобы не было горячих или холодных областей.

Также на рисунке 8a показана кривая AC для адиабатического процесса , определяемого как процесс, в котором отсутствует теплопередача, то есть Q = 0. Процессы, которые почти адиабатичны, могут быть достигнуты либо с помощью очень эффективная изоляция или выполнение процесса настолько быстро, что остается мало времени для передачи тепла.Температура должна снижаться во время адиабатического процесса, поскольку работа выполняется за счет внутренней энергии: [латекс] U = \ frac {3} {2} NkT \\ [/ latex].

(Вы могли заметить, что газ, выпущенный до атмосферного давления из баллона под давлением, значительно холоднее, чем газ в баллоне.) Фактически, поскольку Q = 0, Δ U = — Вт для адиабатического процесс. Более низкая температура приводит к более низкому давлению по пути, так что кривая AC ниже кривой AB, и выполняется меньше работы.Если бы по пути ABCA можно было бы пройти через охлаждение газа от B до C при постоянном объеме (изохорически), рис. 8b, то получился бы чистый выход работы.

Рис. 8. (a) Верхняя кривая — изотермический процесс (Δ T = 0), тогда как нижняя кривая — адиабатический процесс ( Q = 0). Оба начинаются из одной и той же точки A, но изотермический процесс выполняет больше работы, чем адиабатический, потому что происходит передача тепла в газ, чтобы поддерживать его температуру постоянной. Это поддерживает давление на изотермическом пути выше, чем на адиабатическом, что приводит к увеличению объема работы.Таким образом, адиабатический путь заканчивается более низкими давлением и температурой в точке C, даже если конечный объем такой же, как и для изотермического процесса. (b) Цикл ABCA производит чистый выход работы.

Обратимые процессы

И изотермические, и адиабатические процессы, такие как показанные на рисунке 8, в принципе обратимы. Обратимый процесс — это процесс, в котором и система, и ее среда могут вернуться в то состояние, в котором они находились, следуя обратному пути.Обратный изотермический и адиабатический пути — BA и CA соответственно. Реальные макроскопические процессы никогда не могут быть полностью обратимы. В предыдущих примерах наша система представляет собой газ (как на рисунке 4), а ее окружение — поршень, цилиндр и остальная часть Вселенной. Если есть какие-либо механизмы рассеивания энергии, такие как трение или турбулентность, то передача тепла в окружающую среду происходит в любом направлении поршня. Так, например, если следовать по пути BA и есть трение, то газ вернется в исходное состояние, а окружающая среда — нет — он будет нагрет в обоих направлениях.Обратимость требует, чтобы направление теплопередачи было обратным для обратного пути. Поскольку полностью устранить диссипативные механизмы невозможно, реальные процессы не могут быть обратимыми.

Должны быть причины, по которым реальные макроскопические процессы не могут быть обратимы. Мы можем представить, как они движутся в обратном направлении. Например, передача тепла происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не наоборот. Тем не менее, это не нарушило бы первый закон термодинамики. Фактически, все спонтанные процессы, такие как лопание пузырей, никогда не идут вспять.Есть второй термодинамический закон, запрещающий им двигаться в обратном направлении. Изучая этот закон, мы узнаем кое-что о природе, а также обнаружим, что такой закон ограничивает эффективность тепловых двигателей. Мы обнаружим, что тепловые двигатели с максимально возможной теоретической эффективностью должны использовать обратимые процессы, и даже они не могут преобразовать всю теплопередачу в выполнение работы. В таблице 1 приведены более простые термодинамические процессы и их определения.

Исследования PhET: состояния вещества

Наблюдайте, как различные типы молекул образуют твердое тело, жидкость или газ. Добавьте или уберите огонь и наблюдайте за изменением фазы. Измените температуру или объем контейнера и посмотрите график зависимости давления от температуры в реальном времени. Свяжите потенциал взаимодействия с силами между молекулами.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Одно из важных следствий первого закона термодинамики состоит в том, что машины можно использовать для выполнения работы, которую раньше люди выполняли вручную или с помощью внешних источников энергии, таких как проточная вода или тепло Солнца.Машина, которая использует теплопередачу для работы, известна как тепловой двигатель.
• Тепловые двигатели используют несколько простых процессов, вытекающих из первого закона термодинамики. Среди них изобарический, изохорный, изотермический и адиабатический процессы.
• Эти процессы отличаются друг от друга в зависимости от того, как они влияют на давление, объем, температуру и теплопередачу.
• Если работа выполняется во внешней среде, работа ( W ) будет иметь положительное значение. Если проделанная работа выполняется с системой теплового двигателя, работа ( Вт, ) будет отрицательной величиной.
• Некоторые термодинамические процессы, включая изотермические и адиабатические процессы, теоретически обратимы; то есть и термодинамическая система, и окружающая среда могут быть возвращены в исходное состояние. Однако из-за потери энергии из-за второго закона термодинамики полная обратимость на практике не работает.

Концептуальные вопросы

1. Много сил, времени и денег было потрачено на поиски так называемого вечного двигателя, который определяется как гипотетическая машина, которая работает или производит полезную работу неограниченное время, и / или гипотетическая машина, которая производит больше работы или энергии, чем потребляет.Объясните в терминах тепловых двигателей и первого закона термодинамики, почему или почему не может быть построена такая машина.
2. Один из методов преобразования теплопередачи в выполнение работы заключается в передаче тепла в газ, который расширяется, выполняя работу с поршнем, как показано на рисунке ниже. (а) Преобразуется ли теплопередача непосредственно в изобарический процесс или сначала происходит другая форма? Поясните свой ответ. б) А как насчет изотермического процесса? (c) Как насчет адиабатического процесса (когда теплопередача произошла до адиабатического процесса)?
   
3. Имеет ли смысл предыдущий вопрос для изохорного процесса? Поясните свой ответ.
4. Обычно мы говорим, что Δ U = 0 для изотермического процесса. Предполагает ли это, что фазового перехода не происходит? Поясните свой ответ.
5. Температура быстро расширяющегося газа понижается. Объясните почему с точки зрения первого закона термодинамики. (Подсказка: подумайте, работает ли газ и происходит ли быстрая теплопередача в газ за счет теплопроводности.)
6. Какой циклический процесс, представленный двумя замкнутыми контурами, ABCFA и ABDEA, на диаграмме PV на рисунке ниже, дает наибольшую чистую работу? Этот процесс также требует наименьших затрат труда, чтобы вернуть его в точку А? Объясните свои ответы.

   Рис. 11. Два циклических процесса, показанные на диаграмме PV , начинаются и возвращают систему к условиям в точке A, но они идут разными путями и производят разный объем работы.

7. Реальный процесс может быть почти адиабатическим, если он происходит за очень короткое время. Как короткий промежуток времени помогает процессу быть адиабатическим?
8. Маловероятно, что процесс может быть изотермическим, если это не очень медленный процесс. Объяснить, почему. Верно ли то же самое для изобарных и изохорных процессов? Поясните свой ответ.

Задачи и упражнения

1. Автомобильная шина содержит 0,0380 м ³ воздуха при давлении 2,20 × 10 ⁵ Н / м ² (около 32 фунтов на квадратный дюйм). Насколько больше внутренней энергии у этого газа, чем у того же объема при нулевом манометрическом давлении (что эквивалентно нормальному атмосферному давлению)?
2. Игрушечный воздушный шар, наполненный гелием, имеет манометрическое давление 0,200 атм и объем 10,0 л. Насколько больше внутренняя энергия гелия в воздушном шаре, чем она была бы при нулевом манометрическом давлении?
3. Пар для привода старомодного паровоза подается при постоянном избыточном давлении, равном 1.75 × 10 ⁶ Н / м ² (около 250 фунтов на кв. Дюйм) на поршень с радиусом 0,200 м. (a) Вычислив P Δ V , найдите работу, совершаемую паром, когда поршень перемещается на 0,800 м. Обратите внимание, что это чистый выход работы, поскольку используется манометрическое давление. (b) Теперь найдите объем работы, вычислив прилагаемую силу, умноженную на пройденное расстояние. Ответ такой же, как в части (а)?
4. Шинный насос с ручным приводом имеет поршень диаметром 2,50 см и максимальным ходом 30.0 см. (a) Сколько работы вы делаете за один ход, если среднее манометрическое давление составляет 2,40 × 10 ⁵ Н / м ² (около 35 фунтов на кв. дюйм)? б) Какую среднюю силу вы прикладываете к поршню, пренебрегая трением и силой тяжести?
5. Рассчитайте полезную мощность теплового двигателя по пути ABCDA на рисунке ниже.
   
6. Какова чистая мощность тепловой машины, которая следует по пути ABDA на рисунке выше с прямой линией от B до D? Почему результат работы меньше, чем для пути ABCDA? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
7. Необоснованные результаты. Что не так с утверждением, что циклический тепловой двигатель выполняет 4,00 кДж работы при вложении 24,0 кДж теплопередачи, в то время как 16,0 кДж теплопередачи в окружающую среду?
8. (a) Циклический тепловой двигатель, работающий в диапазоне температур от 450ºC до 150ºC, производит 4,00 МДж работы при передаче тепла в двигатель 5,00 МДж. Сколько тепла передается в окружающую среду? б) Что неразумного в двигателе? (c) Какая посылка необоснованна?
9. Постройте свою проблему. Рассмотрим бензиновый двигатель автомобиля. Постройте задачу, в которой вы вычисляете максимальную эффективность, которую может иметь этот двигатель. Среди факторов, которые следует учитывать, — эффективные горячие и холодные пластовые температуры. Сравните рассчитанный КПД с фактическим КПД автомобильных двигателей.
10. Постройте свою проблему. Представьте себе поездку в горы на машине. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете общую эффективность автомобиля для поездки как отношение полученной кинетической и потенциальной энергии к потребляемому топливу.Сравните этот КПД с термодинамическим КПД, указанным для бензиновых двигателей, и обсудите, почему термодинамический КПД намного выше. Среди факторов, которые следует учитывать, — увеличение высоты и скорости, масса автомобиля, пройденное расстояние и типичная экономия топлива.

Глоссарий

тепловой двигатель: машина, которая использует теплопередачу для работы

изобарный процесс: процесс постоянного давления, в котором газ действительно работает

изохорный процесс: процесс постоянного объема

изотермический процесс: процесс с постоянной температурой

адиабатический процесс: процесс, в котором не происходит теплопередача

обратимый процесс: процесс, в котором как тепловая машина, так и внешняя среда теоретически могут быть возвращены в исходное состояние

Избранные решения проблем и упражнения

1. 6,77 × 10 ³ Дж

3. (а) Вт = P Δ В = 1,76 × 10 ⁵ Дж; (b) W = Fd = 1,76 × 10 ⁵ J. Да, ответ тот же.

5. Вт = 4,5 × 10 ³ Дж

7. Вт не равно разнице между подводимой и тепловой мощностью.

Изотермические батарейные калориметры | Исследования транспорта и мобильности

, являются единственными калориметрами в мире, способными обеспечения точных тепловых измерений, необходимых для более безопасного, долговечного и более экономичные аккумуляторные батареи для электромобилей (EDV).Для гибридов EDV (HEV), подключаемые гибриды (PHEV) и полностью электрические транспортные средства (EV) для реализации максимального проникновения на рынок, их батареи должны работать с максимальной эффективностью, работая при оптимальных температурах в широком диапазоне условий движения и климата, а также многочисленные циклы зарядки.

NREL позволяют точно измерять тепло, выделяемое электроприводом. автомобильные аккумуляторы, анализировать влияние температуры на аккумуляторные системы и точно определять способы управления температурой для максимальной производительности и максимального срока службы.Три модели, IBC 284, модуль IBC и большой контейнер IBC позволяют оценивать энергетические устройства во всем диапазоне масштабов.

Самые точные калориметры батарей в мире

Разработка точно откалиброванных аккумуляторных систем основывается на точных измерениях тепла, выделяемого аккумуляторными модулями во время полного диапазона циклов заряда / разряда, а также определение того, было ли тепло генерировано электрохимически или резистивно.Контроллеры IBC могут определять уровни тепла и энергоэффективность батареи с точностью 98%. и обеспечивают точные измерения за счет полной теплоизоляции. Эти первые калориметры, предназначенные для анализа тепловых нагрузок, создаваемых комплексными аккумуляторными системами.

Текстовая версия

Технические характеристики	IBC 284 (Ячейка)	Модуль IBC	Большой контейнер IBC (упаковка)
Максимальное напряжение (вольт)	50	500	600
Максимальный постоянный ток (А)	250	250	450
Экскурсионные токи (А)	300	300	1 000
Объем (литры)	9. 4	14,7	96
Максимальные размеры (см)	20,3 х 20,3 х 15,2	35 х 21 х 20	60 х 40 х 40
Рабочая температура (C)	-30 до 60	-30 до 60	от -40 до 100
Максимальное постоянное тепловыделение (Вт)	50	150	4 000

Работа с отраслью для точной настройки конструкции накопителей энергии

Возможности IBC позволяют разработчикам аккумуляторов прогнозировать тепловые перед установкой аккумуляторов в автомобили. Производители используют эти показатели для сравнения производительности батареи со средними отраслевыми показателями, устранения проблем с температурой, и доработать дизайн.

NREL в партнерстве с NETSCH Instrument North America и при поддержке Министерство энергетики США использует IBC, чтобы помочь отрасли улучшить управление температурным режимом системы для аккумуляторных элементов EDV, модулей и блоков. U.S. Консорциум Advanced Battery Consortium (USABC) и его партнеры полагаются на NREL для точного измерения устройств хранения энергии » выработка тепла и эффективность при различных состояниях заряда, профилях мощности и температуры.

Для получения более подробной информации о IBC см. Информационный бюллетень.

Контакт

Для получения дополнительной информации о деятельности NREL по управлению температурным режимом аккумуляторов, обращайтесь Мэтью Кейзер, 303-275-3876.

5.2.2.4 Горячая штамповка и изотермическая штамповка

Передача тепла от заготовки к поверхностям штампа вызывает температурные градиенты в заготовке. Более холодные области на поверхностях фильеры подвергаются меньшему пластическому течению, чем в более горячих областях сердцевины, так что пластический поток не является однородным. Это называется «переохлаждением». В традиционной практике ковки штампы для стальных поковок обычно нагревают до максимального диапазона температур от 400 до 500 ° F (от 205 до 260 ° C), в зависимости от оборудования, чтобы уменьшить охлаждение.Эффекты охлаждения также можно уменьшить, используя быстродействующие ковочные машины, такие как молотки, винтовые прессы и механические прессы, чтобы сократить время контакта. Использование смазок для стекла способствует образованию теплового барьера между поверхностью заготовки и матрицы и снижает эффект охлаждения матрицы.

Охлаждение штампа можно уменьшить, нагревая штамп ближе к фактической температуре штамповки. Охлаждение штампа можно полностью исключить, нагревая штамп практически до той же температуры, что и заготовка.Первая называется горячей штамповкой; последняя изотермическая ковка.

Алюминиевые сплавы обычно выковываются на гидравлическом прессе в изотермических или почти изотермических условиях при температуре около 800 ° F (425 ° C). В этом диапазоне обычные материалы для штампов не претерпевают значительной потери прочности или твердости.

Однако стали и сплавы титана и никеля кованы при температуре от 1700 до 2300 ° F (от 925 до 1260 ° C). Для изотермической ковки этих сплавов требуются специальные инструментальные материалы, такие как суперсплавы на основе никеля и молибденовые сплавы для штампов, а также смазочные материалы, которые могут адекватно работать при этих температурах.Особое внимание к окружающей атмосфере также важно, например, использование инертного газа или вакуума для защиты как штампов, так и заготовки от окисления.

Горячая штамповка и изотермическая ковка имеют преимущества и недостатки. Основными преимуществами являются более близкие допуски на ковку, что приводит к снижению затрат на обработку и материалы, сокращение количества операций предварительной формовки и блокировки, что приводит к снижению затрат на обработку и инструмент, а также использование малых скоростей ползуна, что приводит к более низкому давлению ковки и использованию меньшего машины.

Основными недостатками являются требования к более дорогим материалам штампа, равномерным и управляемым системам нагрева штампа, а также инертной атмосфере или вакууму вокруг штампа и заготовки, чтобы избежать окисления штампов. Типичная производительность очень низкая, чтобы обеспечить надлежащее заполнение штампа при низких давлениях ковки.

Вернуться к содержанию

Передача тепла от заготовки к поверхностям матрицы вызывает температурные градиенты в заготовке.Более холодные области на поверхностях фильеры подвергаются меньшему пластическому течению, чем в более горячих областях сердцевины, так что пластический поток не является однородным. Это называется «переохлаждением». В традиционной практике ковки штампы для стальных поковок обычно нагревают до максимального диапазона температур от 400 до 500 ° F (от 205 до 260 ° C), в зависимости от оборудования, чтобы уменьшить охлаждение. Эффекты охлаждения также можно уменьшить, используя быстродействующие ковочные машины, такие как молотки, винтовые прессы и механические прессы, чтобы сократить время контакта.Использование смазок для стекла способствует образованию теплового барьера между поверхностью заготовки и матрицы и снижает эффект охлаждения матрицы.

Охлаждение штампа можно уменьшить, нагревая штамп ближе к фактической температуре штамповки. Охлаждение штампа можно полностью исключить, нагревая штамп практически до той же температуры, что и заготовка. Первая называется горячей штамповкой; последняя изотермическая ковка.

Алюминиевые сплавы обычно выковываются на гидравлическом прессе в изотермических или почти изотермических условиях при температуре около 800 ° F (425 ° C). В этом диапазоне обычные материалы для штампов не претерпевают значительной потери прочности или твердости.

Однако стали и сплавы титана и никеля кованы при температуре от 1700 до 2300 ° F (от 925 до 1260 ° C). Для изотермической ковки этих сплавов требуются специальные инструментальные материалы, такие как суперсплавы на основе никеля и молибденовые сплавы для штампов, а также смазочные материалы, которые могут адекватно работать при этих температурах. Особое внимание к окружающей атмосфере также важно, например, использование инертного газа или вакуума для защиты как штампов, так и заготовки от окисления.

Горячая штамповка и изотермическая ковка имеют преимущества и недостатки. Основными преимуществами являются более близкие допуски на ковку, что приводит к снижению затрат на обработку и материалы, сокращение количества операций предварительной формовки и блокировки, что приводит к снижению затрат на обработку и инструмент, а также использование малых скоростей ползуна, что приводит к более низкому давлению ковки и использованию меньшего машины.

Основными недостатками являются требования к более дорогим материалам штампа, равномерным и управляемым системам нагрева штампа, а также инертной атмосфере или вакууму вокруг штампа и заготовки, чтобы избежать окисления штампов.Типичная производительность очень низкая, чтобы обеспечить надлежащее заполнение штампа при низких давлениях ковки.

Вернуться к содержанию

Передача тепла от заготовки к поверхностям матрицы вызывает температурные градиенты в заготовке. Более холодные области на поверхностях фильеры подвергаются меньшему пластическому течению, чем в более горячих областях сердцевины, так что пластический поток не является однородным.Это называется «переохлаждением». В традиционной практике ковки штампы для стальных поковок обычно нагревают до максимального диапазона температур от 400 до 500 ° F (от 205 до 260 ° C), в зависимости от оборудования, чтобы уменьшить охлаждение. Эффекты охлаждения также можно уменьшить, используя быстродействующие ковочные машины, такие как молотки, винтовые прессы и механические прессы, чтобы сократить время контакта. Использование смазок для стекла способствует образованию теплового барьера между поверхностью заготовки и матрицы и снижает эффект охлаждения матрицы.

Охлаждение штампа можно уменьшить, нагревая штамп ближе к фактической температуре штамповки. Охлаждение штампа можно полностью исключить, нагревая штамп практически до той же температуры, что и заготовка. Первая называется горячей штамповкой; последняя изотермическая ковка.

Алюминиевые сплавы обычно выковываются на гидравлическом прессе в изотермических или почти изотермических условиях при температуре около 800 ° F (425 ° C). В этом диапазоне обычные материалы для штампов не претерпевают значительной потери прочности или твердости.

Однако стали и сплавы титана и никеля кованы при температуре от 1700 до 2300 ° F (от 925 до 1260 ° C). Для изотермической ковки этих сплавов требуются специальные инструментальные материалы, такие как суперсплавы на основе никеля и молибденовые сплавы для штампов, а также смазочные материалы, которые могут адекватно работать при этих температурах. Особое внимание к окружающей атмосфере также важно, например, использование инертного газа или вакуума для защиты как штампов, так и заготовки от окисления.

Горячая штамповка и изотермическая ковка имеют преимущества и недостатки.Основными преимуществами являются более близкие допуски на ковку, что приводит к снижению затрат на обработку и материалы, сокращение количества операций предварительной формовки и блокировки, что приводит к снижению затрат на обработку и инструмент, а также использование малых скоростей ползуна, что приводит к более низкому давлению ковки и использованию меньшего машины.

Основными недостатками являются требования к более дорогим материалам штампа, равномерным и управляемым системам нагрева штампа, а также инертной атмосфере или вакууму вокруг штампа и заготовки, чтобы избежать окисления штампов.Типичная производительность очень низкая, чтобы обеспечить надлежащее заполнение штампа при низких давлениях ковки.

Вернуться к содержанию

Длинная и короткая изотермического усиления | Thermo Fisher Scientific

Узнайте о преимуществах LAMP и WGA

Хотя ПЦР (полимеразная цепная реакция) долгое время была звездой молекулярной биологии, появилась многообещающая новинка — изотермическая амплификация (см. Сводку методов в Таблице 1 ).Этот надежный метод может экспоненциально амплифицировать нуклеиновые кислоты при постоянной температуре, устраняя необходимость в оборудовании для термоциклеров. Изотермическая амплификация — идеальный метод для мониторинга патогенов и для амплификации ограниченных количеств ДНК, когда требуется чувствительность аналита выше или выше, чем у эталонных методов на основе ПЦР [1].

Таблица 1. Краткое изложение методов изотермического усиления.

Вместо того, чтобы расплавлять цепи ДНК друг от друга при высоких температурах, изотермическая амплификация использует преимущества ДНК-полимераз с высокой активностью замещения цепей, таких как ДНК-полимеразы Bst или Phi29. По сути, такие ферменты могут проникать внутрь и напрямую распаковывать ДНК, синтезируя комплементарные цепи.Эти полимеразы могут усилить цель менее чем за час, а в некоторых случаях всего за 10 минут. В системах изотермической амплификации могут использоваться праймеры, специфичные для последовательности, для обнаружения генов-мишеней или случайные праймеры для амплификации всего генома.

Петлевая изотермическая амплификация (LAMP)

Петлевая изотермическая амплификация (LAMP) — это надежный и недорогой метод специфического обнаружения ДНК с визуальным считыванием. LAMP особенно полезен в полевых условиях для быстрой диагностики патогенов растений или возбудителей инфекционных заболеваний, таких как малярия, вирус Зика или туберкулез. Таблица 2 суммирует различия между LAMP и ПЦР.

Таблица 2. Сравнение ПЦР и LAMP.

LAMP основан на использовании шести праймеров (а не двух для ПЦР), что позволяет включать несколько участков последовательности генома в качестве мишеней специфичности.Увеличенное количество отправных точек для синтеза ДНК обеспечивает улучшенную специфичность и чувствительность по сравнению с большинством методов обнаружения на основе ПЦР. В начале синтеза пары праймеров образуют петли для облегчения каждого раунда амплификации.

Фермент, часто используемый для LAMP, представляет собой ДНК-полимеразу Bsm, часть ДНК-полимеразы Bacillus smithii и эквивалент большого фрагмента ДНК-полимеразы Bst. Bsm обладает сильной активностью смещения прядей и оптимальной температурой 60 ° C.Амплификация очень эффективна: ДНК копируется в миллиард раз всего за 15 минут. Фермент обладает высокой устойчивостью к ингибиторам в сложных образцах, поэтому растительные ткани, кровь, моча или слюна могут быть проанализированы с минимальной обработкой.

В результате реакции LAMP в качестве побочного продукта образуется пирофосфат магния, который осаждается из раствора и делает его мутным. Вы можете измерить мутность или использовать краситель для наблюдения за реакцией. Гидроксинафтоловый синий (KNB) изменит цвет с фиолетового на синий.Кальцеин, закаленный марганцем, превращается из оранжевого в желто-зеленый, когда присутствует магний и который он предпочитает. SYBR Green, EvaGreen® (Biotium) и берберин представляют собой интеркалирующие красители, специфичные для нуклеиновых кислот, которые излучают флуоресцентный сигнал в УФ-свете. Это колориметрическое считывание чрезвычайно просто и быстро, но не обеспечивает точной количественной оценки целевого объекта. Вы можете выбрать оптимальный метод обнаружения в зависимости от приложений скрининга. [2]

Полногеномная амплификация (WGA)

Большинство клеток содержат только одну или несколько копий своего генома, составляющих пикограммы ДНК, чего недостаточно для прямого анализа с использованием современных технологий секвенирования.Анализ ДНК одной клетки для диагностики, который может потребовать нескольких экспериментов с ограниченным образцом, также требует быстрой беспристрастной амплификации ДНК. Исследование древней ДНК, которая часто бывает фрагментированной, представляет собой еще одну проблему. Это области, где используется технология изотермической амплификации для увеличения количества материала ДНК, необходимого для последующего анализа.

Для увеличения количества ограниченных ДНК-мишеней наиболее эффективным методом является изотермическая полногеномная амплификация (WGA).[3] Это особенно полезно при исследовании генетических заболеваний, когда требуется много повторений. ДНК, амплифицированная с помощью WGA, используется для последующего секвенирования следующего поколения, секвенирования по Сэнгеру, генотипирования с помощью микрочипов и генотипирования с однонуклеотидным полиморфизмом (SNP) [4]. Были разработаны различные методы WGA, которые различаются как протоколами, так и простотой использования.

ДНК-полимераза Phi29 является основным предпочтительным ферментом для WGA. Thermo Scientific также предлагает улучшенную ДНК-полимеразу EquiPhi29, которая является патентованным мутантом ДНК-полимеразы Phi29, полученным путем эволюции белка in vitro и .[5] Этот фермент значительно превосходит Phi29 по термостабильности белка, скорости реакции, выходу продукта и смещению амплификации. Более того, он сохраняет все преимущества фермента дикого типа, включая высокую процессивность (до 70 т.п.н.), сильную активность замещения цепи и активность 3′-5′-экзонуклеазы (корректирующая). По этой причине рекомендуется использовать случайные праймеры, устойчивые к внешним воздействиям. Таблица 3 сравнивает классические ДНК-полимеразы Phi29 и EquiPhi29.

Таблица 3. Сравнение ДНК-полимераз Phi29 и EquiPhi29 с подтверждающими данными.

Данные, подтверждающие улучшенные характеристики ДНК-полимеразы EquiPhi29

В исследованиях, сравнивающих другие коммерчески доступные версии ДНК-полимераз Phi29, ДНК-полимераза EquiPhi29 продемонстрировала наименьшее смещение при амплификации мишеней с GC-богатым содержанием (, рис. Рисунок 2 ) или цельной геномной ДНК ( Рисунок 3 ) в течение 2 часов.

Рис. 1. ДНК-полимераза EquiPhi29 продемонстрировала низкую систематическую ошибку GC при амплификации 3 бактериальных геномов. Смесь бактериальных геномов с низким GC ( S. aureus , 33% GC), умеренным GC ( E. coli , 51% GC) и высоким GC ( P. aeruginosa , 68% GC) амплифицировали с использованием ДНК-полимераз EquiPhi29 и Phi29, а также ДНК-полимеразы от другого поставщика. Для каждого генома содержание GC эталонного генома в окнах размером 100 п.н., обозначенных серым цветом, наносили на график в зависимости от покрытия, нормализованного для смеси неамплифицированных геномов, обозначенного зеленым.При отсутствии систематической ошибки все окна должны быть равномерно распределены близко к нормализованному охвату 1, обозначенному голубым цветом. Показано нормализованное покрытие, полученное после амплификации с использованием различных полимераз. ДНК-полимераза EquiPhi29 амплифицирует ДНК с наименьшим смещением GC по всему содержанию GC по сравнению с другими ДНК-полимеразами (ДНК-полимераза EquiPhi29 обозначена желтым цветом).

Рис. 2. ДНК-полимераза EquiPhi29 доставляла высокие выходы плазмидной ДНК с более быстрым временем реакции, чем продукты других поставщиков. Амплификацию 0,5 нг плазмидной ДНК pUC19 проводили с использованием ДНК-полимеразы EquiPhi29, ДНК-полимеразы Phi29 и ДНК-полимераз других поставщиков. Продукты ДНК очищали с использованием магнитных шариков и количественно определяли с использованием набора Qubit dsDNA BR Assay Kit. Рекомендуемая температура реакции для ДНК-полимеразы EquiPhi29 составляет 42 ° C, обеспечивая максимальный выход после 2 часов инкубации.

Рис. 3. ДНК-полимераза EquiPhi29 обеспечивала высокие выходы геномной ДНК с более быстрым временем реакции, чем продукты других поставщиков. Амплификацию 0,5 нг геномной ДНК человека проводили с использованием ДНК-полимераз EquiPhi29 и Phi29, а также ДНК-полимераз других поставщиков. Продукты ДНК очищали с использованием магнитных шариков и количественно определяли с использованием набора Qubit dsDNA BR Assay Kit. Рекомендуемая температура реакции для ДНК-полимеразы EquiPhi29 составляет 42 ° C; однако более высокие выходы могут быть получены после 4-часовой инкубации при 30 ° C.

Полимеразы типа Phi29 образуют лучшую матрицу для последующих анализов из длинных интактных участков ДНК.Поэтому важно тщательно, но полностью денатурировать ДНК. Два наиболее распространенных метода включают тепловую денатурацию при 95 ° C и щелочную денатурацию ДНК. Тепловая денатурация несет в себе риск разрыва ДНК, тогда как щелочная денатурация может быть неполной и неудобной. Неповрежденные, но хорошо разделенные участки исходной ДНК обеспечивают меньшую систематическую ошибку и более высокие выходы. Чем больше в образце двухцепочечной ДНК, тем ниже эффективность реакции WGA.

Используя полимеразы типа Phi29, геном амплифицируется во время реакции множественной амплификации замещения (MDA), которая начинается со связывания случайных праймеров с множественными участками денатурированной ДНК.Амплификация полимеразы включает смещение цепи, поэтому на каждой смещенной цепи происходят дополнительные события прайминга, в результате чего получается разветвленный продукт ДНК размером до 70 т.п.н. Реакция протекает при постоянной температуре.

Полимеразы типа Phi29 способны реплицировать ДНК из мельчайших исходных количеств без диссоциации от матрицы геномной ДНК (средняя длина продукта превышает 10 т.п.н.). Эта особенность делает его отличным кандидатом для амплификации всего генома из отдельных клеток.Чем больше количество ДНК и, следовательно, количество копий генома, тем более вероятно, что конкретный локус будет обнаружен после амплификации всего генома.