Техника - молодёжи 1962-07, страница 10
предела не существует для машин без кпд. Ведь нет никакой гарантии в том, что завтра не откроют новое явление, которое позволит затрачивать на изготовление ткани, книги, металла в сто или в тысячу раз меньше энергии, чем тратится сегодня. Поэтому разработка новых, более совершенных установок для изготовления материалов, тканей, книг — словом, машин, потребляющих энергию, быть может, сулит больше выгод, чем совершенствование двигателей. Разделительные установки —■ это простейшие машины без кпд. Поэтому именно они были -первыми подвергнуты строгому математическому исследованию в то время, как станки, выпускающие книги, ткани и т. д., до сих пор не поддаются такому изучению. Каких же результатов достигли ученые, занимающиеся разделительными установками? РОДСТВЕННИКИ СОРТИРОВОЧНОЙ МАШИНЫ Иногда улыбнется старателю счастье, и под киркой или на песчаном дне ручья блеснет тусклый золотой самородок. Правда, это случается редко. Гораздо чаще золотые крупинки скупо рассеяны в мелком песке. Может, в нем и много золота, зато песка еще больше. Вот и приходится старателю неделями промывать золотоносный песок, выделять из него драгоценные крупинки. Впрочем, золото еще не самый сложный случай, оно механически перемешано с песком, и старатель занимается хоть и трудоемкой, но сравнительно несложной по своему существу работой — разделением механической смеси. Химики и металлурги занимаются более сложной задачей — разделением химических смесей. Инженер, выбирающий из сотен возможных конструктивных решений одно — наилучшее для данных условий, тоже занят решением своеобразной задачи на разделение. Живой организм вынужден выделять из окружающей среды нужные ему вещества, то есть тоже имеет дело с разделением. Но какими бы сложными ни казались ■эти вопросы, в основе разделения лежат довольно простые и наглядные закономерности. Приемные комиссии учебных заведений, например, имеют дело с самой своеобразной «смесью» — потоком людей, поступающих учиться. Чтобы разделить эту «смесь» на принятых и отвергнутых, проводятся приемные экзамены. Один вопрос за другим задают экзаменаторы поступающим. Человек, ответивший правильно на все или большинство заданных вопросов, не попадет в число отвергнутых. Интересно, что этот простой принцип, который образно можно назвать «принципом приемных испытаний», лежит в основе всех без исключения методов разделения. Сущность его состоит в том, что на смесь оказывают какое-либо воздействие, а компоненты смеси, реагируя на него неодинаково, разделяются. Из этого простого принципа вытекает несколько важных следствий. Пусть надо разделить смесь стеклянных и железных шариков. При изучении свойств этой смеси прежде всего получение 6 ЭНЕРГИИ - ПСИ СМЕШЕНИИ На атом графике показано, сколько энергии надо затратить на разделение смеси данного состава при требуемой чистоте полученных продуктов и сколько анергии можно по лучить при смешении чистых продуктов. обнаруживается, что диаметр железных шариков меньше диаметра стеклянных. Если пропускать такую смесь сквозь отверстия, через которые свободно проходят железные, но задерживаются стеклянные шарики, можно легко ее разделить. А если диаметры стеклянных и железных шариков равны, неужели разделить такую смесь нельзя? Конечно, можно. Дальнейшее изучение показывает, что у железа и стекла разный удельный вес. Поэтому железные шарики быстрее тонут в воде, чем стеклянные, и если высыпать смесь в водяной поток, легкие стеклянные шарики вода будет сносить сильнее. Именно так и промывают золотоносный песок. Но и это еще не все. Железо и стекло обладают различной упругостью. Если шарики бросать на плиту, они будут подскакивать на разную высоту. Вот еще одна схема разделения, которую, кстати, применяют для сортировки стальных шариков. А разве нельзя использовать разницу в магнитных свойствах железа и стекла? Поместите над смесью сильный электромагнит, и все железные шарики «прилипнут» к нему, а стеклянные нет. Интересно, что в зтих случаях на разделение одной и той же смеси нужно затрачивать разное количество энергии. Причем сегодня нет никаких гарантий, что завтра наука не обнаружит новых свойств, разделение по которым окажется в несколько раз более эффективным, чем сейчас. Но по какому бы свойству ни производилось разделение, затраты энергии зависят еще от состава исходной смеси и чистоты разделенных продуктов. Ясно, что чем меньше примесей, «загрязняющих» выходящие из установки разделенные вещества, тем труднее их удалить. В смеси, поступающей в сортировочную машину, среди миллиона крупных картофелин может быть всего одна мелкая, и тем не менее, чтобы увеличить «чистоту» получаемого продукта, приходится перебирать на машине или вручную целый миллион клубней, затрачивая на это почти столько же времени и энергии, сколько на разделение самой «грязной» смеси. Неудивительно, что вещества высокой чистоты необычайно дороги. И всюду, где только можно, стараются обходиться без них. Количество энергии, требующейся для разделения, зависит не только от чистоты выходных продуктов, но и от состава смеси, подлежащей разделению. Математически эта проблема была изучена Коэном и Капланом в США, Дираком и Юри в Англии. Они установили, что чем больше разница концентраций веществ в смеси, тем меньше энергии нужно затратить на ее разделение. Этот вывод самым очевидным образом противоречит практике, ибо в таком случае бедные смеси разделять выгоднее, чем богатые! Другими словами, чем меньше золота в золотоносном песке, тем легче произвести разделение! Действительно, разделить тонну смеси, которая состоит из 500 кг золота и 500 кг песка, гораздо труднее, чем тонну смеси, содержащей 500 г золота и 999,5 кг песка. Но ведь никого не интересует, сколько тонн золотоносного песка переработано установкой. Важно другое — сколько золота она намыла. При переработке богатой смеси, чтобы получить 500 кг золота, нужно промыть всего одну тонну золотоносного песка. Зато во втором случае для получения того же количества золота придется пропустить через установку тысячу тонн смеси, и тут уж расход энергии во много раз перекроет затраты на промывку одной тонны богатой смеси. Поэтому никакого противоречия между теорией и практикой нет: перерабатывать богатые смеси гораздо выгоднее, чем бедные. Основной принцип разделения, разделение по различным свойствам, труд-' ность разделения в зависимости от требуемой чистоты выходных продуктов и от состава исходной смеси — таковы основные результаты, полученные учеными, исследовавшими разделительные установки. РАЗДЕЛЯЙ И ВЛАСТВУЙ Разделение стало первоочередной, важнейшей проблемой современной техники сравнительно недавно, каких- 5АТГАТА энергии НА PAUtAtHKt ЧИСТОТА РАЗДЕЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ 6 |
