Халявная энергия: Атмосферное электричество = бесплатная (халявная) энергия | ALTER220 Портал про альтернативную энергию

Атмосферное электричество = бесплатная (халявная) энергия | ALTER220 Портал про альтернативную энергию

Привет всем любителям получать электричество бесплатно! Сегодня мы поговорим о видах свободной энергии. А именно о атмосферном электричестве и радиоволнах.

Атмосферное электричество уже давно делает ученых весьма беспокойными. Каждый хочет найти источник внутренней и свободной энергии. Сегодня мы собираемся показать, как собирать минимум несколько ватт энергии.

Я протянул провод и прикрепил его к этой мачте, чтобы использовать атмосферное электричество. Теперь мы собираемся сделать тест.

Позвольте мне подключить его к мобильному телефону. И он заряжается ))

Провод служит не только для использования атмосферного электричества, но он также подходит для длинных волн. Например, телебашни, мачты и так далее. Их длинный список.

Теперь я расскажу вам, что такое атмосферное электричество. Ученые вдохновленные идеей преобразования энергии Теслы (статической электрической энергии, атмосферы в непрерывный ток низкого напряжения)

Провели всеобъемлющее исследования Земли и верхних слоев атмосферы. И пришли к выводу, что есть разность потенциалов между атмосферой и поверхностью Земли. Около 300 000 вольт.

Поверхность Земли заряжена отрицательно, а ионосфера заряжена положительно. Напряжение в облаках
может быть до 120-150 вольт на квадратный метр в сухую погоду. Но напряжение снижается, когда мы достигаем Поверхности Земли.

Мы можем назвать это нашим конденсатором земли, который несет 300 киловольт. Как и любой конденсатор, он может иметь утечку.
Около 1 800 ампер. Эксперименты по обнаружению электрического заряда в воздухе проводились с 19-го
века. Экспериментальные баллоны с водородом были подняты до высоты 300 метров. Они получили некоторые
важные результаты. 1.8 ампер тока и 400 вольт.

Может быть, воздушные шары, которые были подняты, помогли получить такие результаты. Они были сделаны из алюминиевых листов.

Конверты этих шаров были сделаны из внутренних алюминиевых ребер, а его поверхность была покрыта
иглы металлические точки. Все контактные элементы были изготовлены из алюминия с препаратом радия в качестве ионизатора.

Конечно, наш подход о котором мы поговорим дальше намного проще, а высота намного ниже.
Мы решили использовать уникальную технологию )) и просто вбили обгоревший ранее при пожаре столб в цементную основу, а еще прикрепили все это к изолятору.

Ионизирующий слой меняется. Это зависит от времени года, времени дня и погоды. Его эффект также меняется.

Это вызывает напряжение которого вполне достаточно, чтобы что-нибудь запитать.

Мы вытащили провод и заземлили стальной стержень. Попробуем применить ток к нему.

Это действительно низкий ток. Этого вполне достаточно, но только для неоновых ламп накаливания.

Давайте попробуем применить его к обычной лампе, если близко посмотреть, вы можете видеть, что лампа светит, хоть и очень слабо, но светит.

В случае, если вы изолируете один патрон и подключите провод к другому патрону, он включается.

С помощью этого устройства (фото ниже) мы увеличили электрический ток в 1000 раз. Я изучал
много схем и наконец остановился на трансформаторе. Это обратный трансформатор. ТВС 110 ЛК и разрядник.

Когда он искрится, он превращает напряжение в короткие импульсы. В результате высокочастотный трансформатор понижает напряжение.

Я узнал это экспериментально. Он подает 4-5 вольт. Однако все это работает довольно плохо, потому что сама установка вызывает сбои. Тем не менее это работает.

Вам понравилась статья?

Напишите в комментариях о том, что вы хотели бы, чтобы мы сделали в наших следующих статьях.
Как сделать мощный генератор энергии ветра, как получить энергию от Солнца или как использовать Землю в
разность потенциалов?

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на канал и ставить «палец вверх«, если статья Вам понравилась!

С помощью графена создан генератор «бесконечной» энергии

Физики из Университета Арканзаса разработали схему на основе графена, которую условно можно считать «вечным двигателем» — генератором бесконечной и чистой энергии. В этом нет противоречия законам термодинамики. Энергию научились добывать из теплового движения атомов углерода.

Как выяснилось в ходе эксперимента, под действием никогда не прекращающегося хаотического теплового движения внутри графена одиночно закреплённая пластинка этого вещества толщиной в один атом углерода медленно колеблется и изгибается.

Фактически это вариант одной из версии микроэлектромеханических устройств (MEMS), которые промышленность научилась выпускать и, так или иначе, пристроила к делу, включая создание генераторов электричества из механических колебаний. Но никто ещё не рискнул создать генератор на основе улавливания колебаний теплового движения атомов, что считалось невозможным.

Чтобы колебания графена и полученный в результате этого переменный ток был преобразован в постоянный ток, физики из Арканзаса предложили схему с двумя диодами. Поставленный эксперимент доказал, что схема генерирует добавочную мощность на нагрузке. Как считают учёные, миллионы подобных схем на кристалле могут стать источником маломощного питания автономных систем, датчиков и другого.

«Мы перенаправили ток в цепи и превратили его во что-то полезное. Следующая цель команды — определить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Эта цель требует миниатюризации схемы и нанесения ее на кремниевую пластину или кристалл. Если бы миллионы этих крошечных схем могли быть построены на микросхеме размером 1 на 1 миллиметр, они могли бы служить заменой маломощной батареи», — сказал один из авторов исследования профессор физики Пол Тибадо (Paul Thibado).

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Вечный двигатель: возможно ли? Все попытки создать Perpetuum Mobile | Наука, Прошлое

Представьте, что ваш телефон никогда не разряжается, автомобилисты не знают слова «заправка», а искусственные органы работают дольше настоящих… Конечно, сегодня даже дети знают, что за все нужно платить, а в школе учат, что ничто не возникает из ничего. Но несколько сотен лет назад ученые утверждали, что пассажиры поездов непременно умрут от удушья в разреженном воздухе, а при виде автомобилей у коров случатся выкидыши.

Времена меняются. Что такое вечность? Время существования Вселенной? Энергии в ней хоть отбавляй. Неужели нельзя построить двигатель, использующий скрытые резервы мироздания, с гарантийным сроком «до следующего Большого взрыва?»

Недостижимая мечта любого инженера. Философский камень механики. Инструмент ловких мошенников и атрибут множества фантастических произведений. Знакомьтесь: вечный двигатель.

Игрушка «Пьющая птичка», наклоняющаяся к бокалу с водой. Действие основано на испарении жидкости в бокале и охлаждении головы птички. С высыханием бокала движение прекращается.

Вечное движение возможно. По крайней мере, оно не противоречит квантовой механике и первому закону Ньютона (материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного движения до тех пор, пока внешние воздействия не изменят этого состояния). Не так давно астрономы университета Миннесоты обнаружили в космосе «великое ничто» — пустое пространство протяженностью около миллиарда световых лет. Если представить себе, что в нем отсутствуют всякие взаимодействия, то камень, брошенный там, двигался бы с постоянной скоростью вплоть до смерти Вселенной. То есть фактически вечно.

Однако когда речь заходит о вечном двигателе, обычно имеется в виду система, вырабатывающая больше энергии, чем потребляющая (теряющая ее на трении, сопротивлении воздуха и т. п.), благодаря чему ее можно использовать для каких-либо бытовых нужд. До изобретения паровых или электрических приводов единственным универсальным и мобильным источником энергии были мускулы. Пружинные и маятниковые механизмы годились лишь для приложения малой силы в течении длительного времени (часы). Самыми мощными стационарными двигателями были водяные и ветряные мельницы.

Это сильно ограничивало механиков. Например, в средние века не составляло труда соорудить потолочный вентилятор или эскалатор, но кто бы смог безостановочно крутить их сутки напролет? Вполне логично, что люди мечтали о «халявном» источнике энергии. Их фантазия была ограничена технологиями того времени, поэтому по нынешним меркам вечные двигатели древности выглядели трогательно и примитивно.

Бхаскара II: ртуть в колесе.

Первый вечный двигатель был придуман почти 9 веков назад. Индийский математик и астроном Бхаскара II предложил крепить к колесу сосуды с ртутью, изогнутые таким образом, чтобы во время вращения она перетекала из одного конца емкости в другой. По его замыслу колесо крутилось бы постоянно. Вероятнее всего, для ученого это был лишь символ вечного круговорота бытия (сансары, «протекания»).

Бхаскара вряд ли считал свою философскую модель вечным двигателем, однако арабские и европейские исследователи отнеслись к этому вопросу абсолютно серьезно. Несбалансированное колесо стало классикой «вечного двигателестроения». В 13 веке французский архитектор Виллар де Оннекур воспользовался той же схемой, заменив ртуть молоточками. На практике такое колесо найдет точку равновесия и остановится, не сделав даже полного оборота.

Вечные двигатели да Винчи (кодекс Форстера II, стр.90-91) и их современные модели

Леонардо да Винчи заинтересовался идеей вечного двигателя, создал несколько чертежей… и объявил о том, что ни один такой аппарат работать не будет. Он критиковал все попытки изобретателей создать очередное «волшебное колесо», однако мысль о принципиальной невозможности вечного двигателя стала аксиомой лишь двести лет спустя — когда в 1775 году Парижская академия наук перестала принимать патентные заявки на подобные устройства.

О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях! Станьте лучше алхимиками!

Леонардо да Винчи

Вместе с тем Леонардо оставил чертежи водяной мельницы, вращаемой поднимаемой ею же водой, не снабдив их критическими комментариями. Считал ли он возможным вечный двигатель на воде — неизвестно.

Мельница Леонардо

Увлечение несбалансированными колесами уступило место моде на замкнутые схемы «устройство А вращает устройство Б, которое двигает устройство А». Философ, астролог и алхимик Марк Антоний Зимара (1460—1523), незнакомый с водяной мельницей да Винчи, описал ветряную мельницу, на которую дули огромные меха, приводимые в движение вращением этой самой ветряной мельницы.

Марк Зимара, как и Дон Кихот, сражался с ветряными мельницами.

В 1610 году нидерландский изобретатель Корнелиус Дреббел построил первые механические часы с автоподзаводом от перепадов атмосферного давления. Машина, представлявшая собой золотой глобус и показывавшая не только часы, но и даты с временами года, по меркам того времени казалась настоящим «вечным двигателем». За Дреббелом закрепилась слава мага и алхимика.

Трудно сказать, насколько качественно она была исполнена (к примеру, часы Atmos разрабатывались лучшими швейцарским инженерами в течение нескольких десятков лет). Но, учитывая, что Дреббел был невероятно талантлив (построил микроскоп с двумя линзами, подводную лодку для английского флота, изобрел инкубатор для цыплят с термостатом, автоматически регулирующим температуру, а также пытался создать воздушный кондиционер), разумно предположить, что его часы могли работать без поломок многие месяцы, если не годы.

Последний, самый яркий период классического вечного двигателестроения пришелся на середину 18 века, а именно — на жизнь Иоганна Эрнста Элиаса Бесслера (1680—1745), придумавшего себе псевдоним Orffyreus (криптограмма Bessler).

Это был очень странный человек — хвастливый, надоедливый, занудный, с дурным характером и замашками параноика. По дошедшим до нас свидетельствам, он работал часовщиком. В 1712 Бесслер заявил, что овладел секретом вечного движения. Вначале он попытался показать безостановочное колесо с небольшим грузом жителям маленького немецкого городка Гера, но провинциалов это зрелище не впечатлило.

Бесслер стал разъезжать по стране, публиковать научные трактаты и строить более крупные модели своего двигателя. По каким-то причинам он не хотел делать компактные модели, а конструировал деревянные колеса диаметром около 4 метров. Его кипучая деятельность привлекла интерес ученых. Демонстрационные образцы мега-колес тщательно исследовались, но никаких признаков шарлатанства не обнаружилось.

Колеса Бесслера, собранные им в замке Вайсенштайн.

Было решено провести полномасштабный эксперимент. 12 ноября 1717 года в присутствии представителей власти одно из вращающихся колес диаметром 3,5 метра было размещено в комнате замка Вайсенштайн, а все окна и двери наглухо заперты. Две недели спустя комнату открыли. Колесо все еще крутилось. Тогда помещение было запечатано вплоть до 4 января 1718 года. Год спустя люди вошли в комнату и увидели, что колесо продолжает вращаться с той же самой частотой.

Это было уже интересно. Лондонское королевское общество захотело купить изобретение. Бесслер с ходу запросил двадцать тысяч фунтов (гигантские по тем временам деньги). Колесо решили проверить еще раз, но Бесслер внезапно впал в ярость и разломал свое творение — якобы для того, чтобы другие ученые не смогли украсть его идеи.

Изобретатель продолжил путешествия по стране, демонстрируя различные модели колес: вращающиеся только в одну сторону и останавливаемые лишь с очень большим усилием, а также вращающиеся в любую сторону и останавливаемые без всякого труда. В 1727 году служанка Бесслера заявила, что его механизмы приводились в движение человеком из другой комнаты. Проверить эти показания так и не удалось, но репутация инженера была навсегда подорвана. Бесслер умер, свалившись с сооружаемой им ветряной мельницы. Он оставил после себя непонятные шифрованные заметки и вынудил потомков гадать — был ли он безумцем, эксцентричным гением или гениальным фокусником?

Жульнический «двигатель» Редхеффера (современная уменьшенная копия)

В 19 веке увлечение вечными двигателями несколько спало — наука шла вперед, поэтому такие устройства все чаще становились инструментом обмана. Так, американец Чарльз Редхеффер из Филадельфии за 1 доллар показывал всем желающим сложную маятниковую машину вечного движения — правда, через зарешеченное окно. Местные жители подкупили одного механика, чтобы тот сделал копию двигателя Редхеффера — но с потайной пружиной внутри.

Увидев клон своего детища в действии, Чарльз запаниковал и бежал в Нью-Йорк, где его разоблачил знаменитый изобретатель Роберт Фултон. Последний заметил, что машина работает прерывисто и нашел ременной привод, ведущий от нее в соседнюю комнату с человеком, крутящим рычаг.

Машина Кили. Ему предлагали сотрудничать с Эдисоном или Тесла, но Кили, естественно, отказывался.

Еще один американец — Джон Кили (1827—1898) — заявил, что энергию можно извлекать из эфира за счет вибраций камертона. Его обвиняли в мошенничестве и даже в колдовстве, но ловкач умудрился 27 лет дурачить инвесторов, выманивая у них деньги на построение промышленного образца двигателя. Лишь после того, как Кили угодил под трамвай, выяснилось, что его макеты работали на сжатом воздухе. Мошенник нарушил много законов — но только не термодинамики.

На протяжении 19 и 20 веков подобные аппараты продолжали кормить своих «изобретателей» и работников желтой прессы — с той лишь разницей, что термины «космические флюиды» и «всепроникающий эфир» сменились на «холодный термояд» или «альтернативная физика». Иногда это заканчивалось не просто плохо, а очень плохо — например, в 1966 году американский венгр Джозеф Папп (самообъявленный создатель реактивной субмарины) испытал двигатель, работавший на смеси инертных газов. Взрыв унес жизнь одного человека и покалечил двоих.

Изобретение Морея. Он, как и Тесла, якобы смог получить энергию из ничего.

Но далеко не все такие случаи имели криминальный характер. Вполне серьезный ученый Томас Генри Морей (1892—1974) неоднократно демонстрировал всем желающим работу прибора, собиравшего «лучистую энергию из вакуума» и преобразовывавшего ее в электричество.

Машина работала несколько дней подряд. Эксперты изучали ее вдоль и поперек, но никто не мог найти источника энергии. Промышленники захотели купить ее, Морей отказался, и единственный рабочий экземпляр был уничтожен. Позднее ученый жаловался, что в него несколько раз стреляли, его семье угрожали, а лаборатории периодически громились. Секрет устройства, собиравшего космическую энергию (в чем бы он ни заключался), изобретатель унес с собой в могилу.

Изобретатель Джозеф Ньюман охотно продает свои машины. Они работают на батарейках и выдают больше электричества, чем получают. Замкнуть цикл (чтобы избавиться от необходимости в батареях) изобретатель почему-то не хочет.

Грань между гениальностью и помешательством провести очень сложно. Другой физик — болгарин Стефан Маринов заявил, что посетил коммуну христианской секты «Метернита» (Линден, Швейцария), члены которой получили «вдохновение свыше» и построили генератор бесконечной электрической энергии под названием «Тестатика». Он работает уже много лет, перекрывая энергетические потребности всей общины. Вскоре после этого откровения Маринов спрыгнул с лестницы в библиотеке университета Граца.

Любители теорий заговора часто вспоминают о Стэнли Мейере, попавшем под суд за попытки продать двигатель, работавший на воде. Если верить махинатору, слабые электрические импульсы особой частоты разлагают воду на водород и кислород, которые потом используются вместо паров бензина, а мощности автомобильного генератора достаточно для продолжения разложения воды. Сколотив на этой афере кое-какое состояние, Стэнли внезапно умер в ресторане в 1998 году. «Знающие люди» не сомневаются, что его отравили нефтяные магнаты и правительственные агенты.

А в 2006 году ирландская компания Steorn объявила о создании принципиально нового двигателя «бесплатной энергии» Orbo, главным элементом которого стали обычные магниты. Один из первых экземпляров пообещали установить на водяном насосе в некоей кенийской деревне. Демонстрация Orbo перед комиссией ученых, намеченная на июль 2007 года, не состоялась «по техническим причинам». Позже компания всё же пыталась выпустить своё чудо-творение на рынок, представляла его на суд учёных (которые объявили, что оно не работает) и закрылась в 2016 году. Многие считают, что эпопея с «вечным двигателем» была просто маркетинговым ходом.

EmDrive — ещё один пример «невозможного» двигателя, с медным резонатором в виде усечённого конуса и магнетроном. В большинстве исследований не удалось обнаружить заявленного эффекта

Подозрительные типы

Физики делят вечные двигатели на два типа.

Любая машина, получившая энергию, производит эквивалентную ей работу и (или) тепло. Если работы или тепла больше, чем энергии, мы имеем дело с вечным двигателем первого типа — самым популярным среди изобретателей. Представим, что какой-то мрачный гений поставил несбалансированное колесо на чудо-подшипник. Достаточно один раз толкнуть его — и оно должно крутиться, ускоряясь до тех пор, пока не разлетится на части. Это называется «нарушением закона сохранения энергии».

Двигатель второго типа полностью преобразует окружающее тепло в работу, игнорируя второе начало термодинамики. Сегодня высказываются предположения о том, что создание некоего подобия такого устройства все же возможно, если речь идет о преобразовании не просто тепла, а темной энергии или темной материи, из которой создана наибольшая часть нашей Вселенной.

Вечные двигатели в фантастике можно тоже поделить на четыре категории.

«Водопад» Эшера (1961). Вода вращает колесо, поднимается наверх и снова участвует в работе.

Самый простой вид вечного двигателя основан на неких магических эффектах. К примеру, в романах Уэллса упоминается чудо-материал «кейворит» с сильными антигравитационными свойствами. Если изготовить колесо, половина которого сделана из кейворита, оно будет крутиться с постоянным ускорением. В мирах фэнтези вечный двигатель не востребован, ведь вместо конструирования громоздкого механизма всегда можно сотворить перманентное заклинание (уборка помещения в диснеевском «Ученике волшебника», либо горшочек, варящий бесконечное количество каши в сказке Андерсена).

Вечный двигатель второго вида — «невозможный механизм» — действует с заведомым нарушением законов природы и имеет чисто умозрительный характер. Хорошим примером такой парадоксальной конструкции служит водяная мельница нидерландского художника Мориса Эшера (1898—1972).

К третьему — «субъективному» виду вечного двигателя относится агрегат, работающий так долго, что для практического опровержения его «вечности» не хватит даже нескольких человеческих жизней. Источником энергии здесь обычно служат какие-либо «вечные» природные явления.

«Атмос». Заплатите свыше тысячи долларов и сэкономьте на батарейках.

Этот вид возможен не только в фантастике. Например, часы «Атмос» швейцарской фирмы Jaeger-LeCoultre работают от суточных колебаний температуры воздуха. Они заполнены этилхлоридом, который расширяется при нагреве и заводит пружину. Для минимизации трения крутильный маятник совершает лишь 1 оборот в минуту (в 150 раз медленнее, чем у обычных часов). Перепада в 1 градус достаточно, чтобы часы шли два дня. Теоретически, эти часы могут пережить не одного владельца. Но на практике гарантийный срок обслуживания разных моделей «Атмоса» составляет 20—30 лет.

Ещё один  вид устройств, которые можно принять за вечный двигатель, — преднамеренно усложненные механизмы длительного действия, выполняющие какую-либо примитивную задачу. Обывателю трудно понять цель и принципы их работы.

Столкнувшись с таким «вечным двигателем», можно на 99% быть уверенным, что его «изобретатель» — жулик. Чрезмерные усложнения конструкции нужны лишь для того, чтобы запутать наблюдателя и скрыть реальный источник движения (обычно — мощная пружина, спрятанная в пустотелой оси какой-либо шестеренки).

Бесконечное движение шарика по желобу «вибрационного механизма». «Изобретение» художника Рейдара Финсруда можно увидеть в его галерее в Осло.

Это интересно

Часы Артура Беверли.

В университете Отаго (г. Данидин, Новая Зеландия) находятся механические часы, построенные Артуром Беверли в 1864 году. Они заводятся от перепадов атмосферного давления и суточных температур. Часы работают уже 143 года. Этот эксперимент считается самым длительным в мире, однако термин «субъективный вечный двигатель» здесь неприменим. Их останавливали несколько раз для чистки, устранения поломок, а также в тех редчайших случаях, когда среднесуточная температура и давление были стабильны. Самыми старыми в мире работающими часами считаются куранты собора в Солсбери (Великобритания), установленные примерно в 1386 году.

Айзек Азимов не одобрял идею получения энергии из ничего. Он считал, что человечество будет развиваться, «сжигая» звезды. Вечно это длиться не может, однако писатель вышел из положения с присущей ему элегантностью: в рассказе «Последний вопрос» два пьяных техника задали суперкомпьютеру вопрос о том, как можно обратить энтропию вспять и продлить жизнь Вселенной (получив, таким образом, бесконечную энергию). Суперкомпьютер думал триллионы лет, постоянно эволюционируя, а в конце света, после тепловой смерти Вселенной, нашел ответ и сказал: «Да будет свет». Это можно понять следующим образом: энергия вечна, только вечно использовать ее нельзя. Рано или поздно все придется начинать с начала.

Существуют игры, позволяющие почувствовать себя сумасшедшим ученым, — например, The Incredible Machine (TIM) или Armadillo Run. Последняя якобы более реалистична, однако и в том, и в другом случае программы просчитывают физику таким образом, что умелый игрок может сконструировать вечный двигатель.

TIM и Armadillo Run.

* * *

Ничто не вечно, даже двигатели. Благородные безумцы древнего мира проектировали устройства, принципов действия которых они не понимали, и убеждали себя в том, что их машины будут работать вечно. Им на смену пришли ловкачи, проявлявшие чудеса изобретательности лишь в области сокрытия реальных источников энергии их двигателей. Сегодняшние непризнанные гении стремятся быть «ближе к народу», предлагая самый ходовой ресурс — бесконечное количество электроэнергии. А пока они доводят свои генераторы до ума, вы можете за несколько долларов купить на их сайте видеоролик, показывающий тестовую модель в работе. Раньше это было дешевле — посмотреть на колесо, крутящееся в амбаре, стоило лишь пару медных монет.

Наибольшая часть искренних попыток изобрести вечный двигатель приходится на людей без особых познаний в физике, но обладающих «золотыми руками» и страдающих от «творческого зуда». Интересно, что около трети из них — пенсионеры. В подавляющем большинстве случаев их проекты основаны на идеях вековой давности, причем авторы не ограничиваются одним «изобретением». Озарение приходит к ним чуть ли не каждый день, поэтому революционные чертежи поступают в патентное бюро не единицами, а килограммами.

В каком-то смысле вечный двигатель действительно существует — в виде его вечных поисков. Он работает по замкнутому циклу: то, на чем обожглись средневековые естествоиспытатели, сегодня вновь красуется на испытательных стендах. Но, может быть, это и к лучшему, ведь однажды именно так был придуман паровой насос, а Архимед перед тем, как крикнуть «Эврика!», собирался всего лишь помыться.

Воинственный мирный атом

Всё, что происходит в Забайкалье и городе Чита

25 лет назад, в апреле, на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария, последствия которой сказались на живой природе и людях не только в Советском Союзе, но и во многих странах мира. 11 марта 2011 года – новая произошедшая после землетрясения авария на японской АЭС «Фукусима». Наверное, пора задуматься – а так ли уже необходима человечеству энергия мирного атома? О перспективах развития атомной электроэнергетики специально для «Чита.Ру» рассказал известный российский эколог и общественный деятель Алексей Яблоков.

Алексей Владимирович Яблоков, профессор, доктор биологических наук, член-корреспондент Российской академии наук, почётный иностранный член Американской академии искусств и наук, заместитель председателя Комитета Верховного Совета СССР в 1989—1991 годах, советник по экологии и здравоохранению Президента России в 1991—1993 годах, председатель Правительственной комиссии по сбросу радиоактивных отходов в моря в 1992—1993 годах, организатор и председатель Межведомственной комиссии по экологической безопасности Совета безопасности РФ 1993—1996 годах, член Европейской комиссии по радиационному риску с 2002 года, заместитель председателя Научного совета РАН по проблемам экологии и чрезвычайным ситуациям с 2000 года, основатель и президент Центра экологической политики России в 1993—2005 годах, руководитель Программы по ядерной и радиационной безопасности Международного Социально-Экологического Союза с 1997 года, автор монографий, сводок и учебных пособий по популяционной и эволюционной биологии, экологии, проблемам ядерной и радиационной безопасности, лауреат международной премии «За безъядерное будущее».

— Как вы оцениваете степень серьёзности нынешней аварии на японской АЭС «Фукусима» среди всех аварий, произошедших на АЭС на сегодняшний день? Какова вообще мировая статистика подобных инцидентов?

— Пока «Фукусима» стоит на втором месте после Чернобыля. Хотя по масштабам поражения людей из-за плотности населения Японии вполне может оказаться на первом. Сравнимые по масштабам катастрофы произошли на АЭС «Виндскейл» (Windscale) в Англии (1957 год), Ленинградской АЭС в СССР (1975 год), АЭС «Три Майл Айленд» (Three Mile Island) в США (1979 год) и Чернобыльской АЭС в СССР (1986 год).

— Многие современные атомщики утверждают, что их отрасль является самым экономически выгодным способом производства электроэнергии? Так ли это?

— Нет, это не так. Только что международным экологическим объединением BELONNA опубликован большой обзор экономики АЭС, подтверждающий, что везде – во всех странах – атомная отрасль является дотационной, то есть поддерживается государством.

— Как вы считаете, смогут ли аварии, подобные Чернобылю и Фукусиме, убедить правительства государств полностью отказаться от развития атомной электроэнергетики?

— Нет, не могут, поскольку атомная энергетика слишком тесно связана с атомным оружием.

— Как вы оцениваете современные тенденции развития атомной отрасли на планете? Она развивается, стоит на месте или наблюдается некоторый спад?

— Атомщики говорят об «атомном ренессансе», имея в виду начало строительства и проектирования около двух сотен новых атомных блоков в различных странах мира. На самом деле, к тому времени, как эти блоки будут построены, если будут, – придётся выводить из эксплуатации многие постаревшие. Атомщики всё время продлевают срок службы уже отработавших АЭС, но это не может длиться долго – начнутся каскады аварий.

— Скажите, пожалуйста, несколько слов о солнечной и ветровой электроэнергетике? Насколько перспективны и безопасны эти новые отрасли по сравнению с «мирным» атомом?

— Солнечная и ветровая отрасли совместно способны обеспечить около 30-40 процентов всей необходимой человечеству в ближайшие 30 лет электроэнергии. Огромными перспективами практически в любом месте Земли обладает геотермальная низкотемпературная энергетика.

В ближайшие годы должна быть усовершенствована угольная энергетика, которая пока является очень «грязной», но при вложении средств должна стать «чистой».

— Ещё в школе, как только мы приступили к изучению темы радиоактивности, первым огромным удивлением для меня стали сроки периодов распада и полураспада радиоактивных изотопов при их потенциальной опасности для существования всего живого. Есть ли данные о зависимости роста объёмов отработанного ядерного топлива (ОЯТ) от срока службы реактора (или АЭС)? Смогут ли потомки правильно распорядиться полученным в наследство ОЯТ?

— О таких данных я ничего не знаю, наверное, какая-то связь существует, ведь реактор и другие части АЭС охрупчиваются от длительного нейтронного облучения. Вообще, на эти вопросы смогут ответить только сами потомки, которым мы оставляем горы ОЯТ и других высокоактивных отходов.

— Каковы вообще перспективы решения проблемы безопасного захоронения атомных отходов?

— Пока решение проблемы безопасного хранения РАО-ОЯТ на полный срок их опасности (то есть многие тысячи лет) не найдено. Имеется лишь промежуточный вариант – это организация временных хранилищ под землёй, рассчитанных на сотню-другую лет.

— В качестве одной из возможных причин государственной поддержки атомной отрасли в мире вы называете связь мирного и военного атома? Существуют ли свидетельства существования подобных тенденций в России? Ведь баланс ядерных боеголовок в мире закреплён соответствующими международными правовыми актами?

Свидетельств тому – море! Смотрите мою работу о связи мирного и военного атома на сайте «Белонны».

— Алексей Владимирович, скажите, пожалуйста, несколько слов о вашем прогнозе развития чрезвычайной ситуации на аварийной АЭС «Фукусима»? Не может ли произойти такое же замалчивание сведений и занижение возможных последствий аварии, как это было в случае с Чернобылем?

— Замалчивание уже происходит. А перспективы плохие. Даже если больше не будет новых радиоактивных выбросов, произошедшие утечки уже дали достаточно радионуклидов для развития новых десятков тысяч раковых заболеваний и сотен тысяч других заболеваний. Но поскольку ещё не вечер, и через три недели ветер повернётся в сторону Азии, могут быть и более неприятные последствия облучения плотно населённых территорий в других странах мира.

— В заключение выскажите, пожалуйста, свои пожелания забайкальским читателям? Что может сделать каждый из нас, чтобы случаи, подобные Чернобылю и Фукусиме, никогда больше не повторились?

— К сожалению, сделать так, чтобы подобные аварии не повторились, в современном мире нельзя. Только массовое, более массовое, чем в сегодняшнем мире, общественное движение заставит политиков отказаться от развития АЭС. Скорее всего, это будет сделано в демократических странах. А для этого необходимо будет пересмотреть систему мирового порядка – превратить МАГАТЭ из органа, поддерживающего атомную энергетику, в орган, только контролирующий нераспространение… Но, в принципе, это возможно.

Андрей Фарионов08:56, 24 марта 2011

Где взять энергию в игре Клондайк

Ресурс

+ 5 энергии = 1

+ 25 энергии = 4

+ 100 энергии = 15

+ 500 энергии = 65

Энергия позволяет выполнять тяжелую работу на станции основным персонажем. Она нужна для: посева семян растений, вырубки деревьев и кустов, раскола камней, выкорчевывания травы, а так же для создания некоторых материалов, например, — Дров в Амбаре. Где взять энергию:

• Купить за Изумруды
• Получить за прохождение некоторых заданий
• Получить за новый уровень в игре
• 1 единица Энергии восстанавливается каждые 3 минуты
• Копая под некоторыми постройками и декорациями
• Выпадает с некоторых сокровищ экспедиций

Максимальный уровень восполняемой Энергии достигается на 78 уровне:

Уровень — 44 Энергии

Энергия участвует в создании:

Дрова

Черничный пирог

Пирог

Энергию можно получить, выгружая сокровища с экспедиций:

Связка хвороста

Большая связка хворост

Маленькая порция руды

Средняя порция руды

Большая порция руды

Маленький кусок угля

Средний кусок угля

Большой кусок угля

Выпадает, если разобрать Золотую пальму:

Золотая пальма

Выпадает из золотых статуй:

Золотая статуя яблони

Энергию можно выиграть в рулетке:

Золотой год

Санрайз

Небольшая часть того, под чем копается Энергия:

Палатка

Лесопилка

Каменоломня

Амбар

Мост на Юг

Цветущая бочка

Цветущий бочонок

Синий почт. ящик

Столб

Оранжевый почт. ящик

Пожарный гидрант

Телефонная будка

Телега с цветами

Указатель

Тачанка с цветами

Забор

Белая ограда

Тропинка из досок

Энергия является мерой способности физической системы совершать работу и характеризует собой энергетические запасы некого тела или материальной точки. Имеется несколько видов энергии, которые по-своему трактуются разными научными дисциплинами. Механика разделяет энергию на потенциальную или, в более общем понятии, энергию взаимодействия и кинетическую энергию (энергия движения). Сумму этих двух видов энергии называют полной энергией. Все в мире состоит из энергии. Энергия – это некая живая сила, благодаря которой способен совершать различные умственные и физические действия человек. Условно можно выделить две формы энергии человека: свободную и физиологическую. Физиологическая энергия образовывается в результате усвоения пищи. Свободная энергия человека – это энергия Космоса, проходящая сквозь тело. Объединяясь, оба эти виды энергии создают энергетическую оболочку. С качеством и количеством энергии тесно связаны настроение, здоровье и жизненный тонус каждого из нас. Пополнить запасы энергии и помочь ее равномерному распределению помогает гимнастика. Она гармонизирует состояние организма и улучшает производительность многих его функций. Намереваясь что-нибудь сделать, представляйте, что космическая энергия проходит по вашему телу в тех местах, где оно будет задействовано и у вас обязательно получится задуманное.

Можно ли получить электрический ток бесплатно

Поиски новых источников энергии постоянно ведутся в современной науке. Статическое электричество, присутствующее в воздухе, могло бы стать одним из них. В настоящее время это стало реальностью.

Известны два способа: ветряные генераторы и атмосферные поля. Не менее интересна энергия Земли. Добытое из нее «вечное» электричество помогло бы экономить обычную электроэнергию, стоимость которой увеличивается. Иногда необходимо получение даже мизерных его количеств.

Добыча из воздуха

Атмосферное электричество вполне может быть использовано. Многих привлекает возможность поставить себе на службу природную стихию во время грозы.

В атмосфере также присутствуют волны от поля планеты. Оказывается, электричество можно добыть из воздуха своими силами, не применяя сверхсложные устройства.

Некоторые способы следующие:

• грозовые батареи используют свойство электрического потенциала накапливаться;
• ветрогенератор преобразовывает в электричество силу ветра, работая долгое время;
• ионизатор (люстра Чижевского) — популярный бытовой прибор;
• генератор TPU (тороидального) электричества Стивена Марка;
• генератор Капанадзе — бестопливный энергетический источник.

Рассмотрим подробно некоторые из устройств.

Ветрогенераторы

Популярный и всеобще известный источник энергии, получаемой с помощью ветра — ветрогенератор. Подобные устройства давно применяются во многих странах.

Установка в единственном числе ограниченно обеспечивает нужды электропитания. Поэтому приходится добавлять генераторы, если нужно обеспечить энергией крупное предприятие. В Европе существуют целые поля с ветряными установками, абсолютно не наносящими вреда природе.

[advice]Стоит отметить: недостатком может считаться невозможность рассчитать заранее величины напряжения и тока. Следовательно, нельзя сказать, сколько накопится электричества, так как действие ветра не всегда предсказуемо.[/advice]

Грозовые батареи

Устройство, накапливающее потенциал с использованием атмосферных разрядов, называется грозовой батареей.

Схема прибора включает лишь антенну из металла и заземление, не имея сложных преобразовывающих и накапливающих компонентов.

Между частями прибора появляется потенциал, который затем накапливается. Воздействие природной стихии не подлежит точному предварительному расчету и данная величина также непредсказуема.

[warning]Важно знать: это свойство довольно опасно при реализации схемы своими руками, так как создавшийся контур притягивает молнии с напряжением до 2000 Вольт.[/warning]

Тороидальный генератор С. Марка

Устройство, изобретенное С. Марком, способно вырабатывать электричество через некоторое время после его включения.

Генератор TPU (тороидальный) может питать бытовые приборы.

Конструкция состоит из трех катушек: внутренней, внешней и управляющей. Он действует из-за появляющихся резонансных частот и магнитного вихря, способствующих образованию тока. Правильно составив схему, подобный прибор можно сделать самому.

Генератор Капанадзе

Изобретатель Капанадзе (Грузия) воспроизвел генератор свободной энергии, в основе разработки которого лежал загадочный трансформатор Н. Тесла, дающий гораздо большую выходную мощность, чем в токе контура.

Генератор Капанадзе — бестопливное устройство, являющееся примером новых технологий.

Запуск осуществляется от аккумулятора, но дальнейшая работа продолжается автономно. В корпусе осуществляется концентрация энергии, добываемая из пространства, динамики эфира. Технология запатентована и не разглашается. Это практически новая теория электричества и распространения волн, когда энергия передается от одной частицы среды к другой.

Добыча из Земли

Невзирая на то, что запас энергии Земли очень большой, добыть ее весьма трудно. Нереально это сделать своими руками, если речь идет о достаточном количестве для промышленных целей.

Но электричество из планеты, ее магнитного поля возможно получить собственными силами в небольших порциях, достаточных для зажигания фонарика на светодиодах, неполной зарядки телефона. Можно надеяться, что возможность взять эти небольшие порции не нанесет вреда земному шару.

Гальванический способ (с двумя стержнями)

Известен способ получения электричества, основанный на взаимодействии двух стержней в растворе соли (гальваника).

Между стержнями из разных металлов в электролите появляется разность потенциалов.

Такие же детали (из алюминия и меди) можно погрузить в землю на 0,5 метров, полив пространство между ними раствором соли (электролитом). Это способ получения некоторого количество бесплатного электричества.

От заземления

Другой способ позволяет собрать электроэнергию от заземления при использовании ее различными потребителями.

Например, в частном доме электроснабжение оснащено заземляющим контуром, на который при включенной нагрузке стекает какая-то часть электричества. Конкретно, переменный ток идет по проводам: «фаза» и «ноль», второй из которых заземляется и чаще всего не опасен. А удар током можно получить из фазового провода.

[advice]Примите во внимание: не стоит пробовать получить электроэнергию подобным способом в домашних условиях при недостатке знаний. Если перепутать «фазовый» провод заземления с «нулевым», с которого можно получить данную энергию, токовый удар придется по всему зданию.[/advice]

Количество электричества, взятое из нулевого провода, гораздо меньше чем от солнечной батареи. (От редакции: экспериментировать с данным методом чрезвычайно опасно и категорически не рекомендуется).

Другие способы

Халявное электричество требуется и на садовом участке, в связи с чем один из умельцев утверждает: его добыча возможна, если применить наполовину мистические способы. А именно: даром его могут дать самодельные пирамиды.

Начитавшись о необычных свойствах этих конструкций, он соорудил пирамиду 3 на 3 метра и начал делать реальные испытания. То есть — пробовать доказать: невозможно получить энергию из «ничего», ограниченного пространства либо из космоса.

Возможно с юмором, но, по словам частного дачника, смонтированный из алюминиевой фольги и гелевого аккумулятора (накопителя энергии) генератор питал светильники на участке. Одним словом, из пирамиды потекла дармовая (вернее — дешевая) электрическая энергия, ток.

Далее дачник уверяет, что строительством подобных конструкций из дерева или других изоляционных материалов заинтересовалась вся деревня. Якобы, есть реальная возможность взять энергию из пирамиды на халяву.

Однако, ведутся серьезные научные изыскания в области получения малого электричества из продуктов жизнедеятельности растений, переходящих в землю.

Такие источники, дающие вечное электричество, то есть — работающие с восполнением энергии, используют в системах контроля за влажность. Судя по тому, что эксперименты проводятся на горшечных растениях, подобные приборы можно делать и испытывать самостоятельно.

Из глубин Земли успешно идет добыча тепла станциями геотермальной энергии в Калифорнии, Исландии. Недра, вулканы используются для выработки сотен МВт электроэнергии также, как это делается посредством солнца и ветра.

На практике своими руками жители районов с вулканической деятельностью могут самостоятельно сделать, например, геотермальный насос для отопления. А тепло известными способами можно превратить в электричество.

Множество ученых и изобретателей ищут путь к энергетической независимости, будь то свет, тепло, атмосферные явления или холодный фотосинтез. При повышающихся ценах на электроэнергию это вполне уместно. Некоторые способы давно стали реальностью и помогают получать энергию даже в значительных масштабах.

Изобретатели и ученые разрабатывают проекты на основе токов в земной мантии, потока частиц в виде солнечного ветра. Считается, что планета представляет собой большой сферический конденсатор. Но до сих пор не удалось выяснить, как восполняется его заряд.

Во всяком случае, человек не имеет права значительно вмешиваться в природу, пытаясь разрядить этот запас энергии, не изучив процесс досконально с учетом последствий.

Смотрите видео, в котором пользователь разъясняет, как без особых затрат сделать ветрогенератор и получить желаемое бесплатное электричество:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Ученые впервые смогли телепортировать энергию Солнца

Группа исследователей придумала новый способ, при помощи которого можно брать прямую энергию Солнца и телепортировать ее на Земле. Благодаря новым концепциям туннелирования люди могут получить доступ к революционной технологии производства энергии.

Ученые смогли совершенно новым способом превратить избыточное инфракрасное излучение и отработанное тепло в электричество. Соответствующие данные были опубликованы в научном журнале Materials Today Energy. Идея заключается в том, чтобы с помощью квантового туннелирования, а также при помощи специально разработанной антенны, обнаруживающей инфракрасное излучение в виде электромагнитных волн, превращать квадриллионные сигналы в прямой заряд. Как сообщает Gamebomb.ru, ученные из Саудовской Аравии рассказали, что солнечная энергия, которая попадает на нашу планету, в большом количестве впитывается океанами, а также атмосферой. Это приводит к постоянной утечке инфракрасного излучения. Именно поэтому, чтобы использовать его, исследователям пришлось прибегнуть к квантовому туннелированию.

В квантовой физике очень хорошо известно такое явление, благодаря которому частицы могут проходить через барьеры, не имея при этом достаточной энергии. Таким образом, это сможет помочь в построении антенн наноразмеров. Благодаря тому, что электроны, перемещаясь через небольшой барьер и через туннельное устройство, которое выглядит как металл-изолятор-металл (МИМ), будут превращать инфракрасные волны в ток по пути. Ученым для этого удалось создать наноантенну, поместив тонкий изоляционный слой между двумя металлическими рукоятками из золота и титана, что, в свою очередь, помогло генерировать интенсивные электрические поля для работы туннеля.

По информации Gamebomb.ru, исследователи объясняют, что все это поможет им сделать революционный сдвиг в производстве энергии. Также они отмечают, что в отличии от солнечных электростанций, такие энергосборщики могут работать круглосуточно, независимо от погоды.

Бесплатная энергия | термодинамика | Britannica

Свободная энергия , в термодинамике, энергоподобное свойство или функция состояния системы в термодинамическом равновесии. Свободная энергия имеет размеры энергии, и ее ценность определяется состоянием системы, а не ее историей. Бесплатная энергия используется для определения того, как меняются системы и сколько работы они могут произвести. Она выражается в двух формах: свободная энергия Гельмгольца F , иногда называемая работой выхода, и свободная энергия Гиббса G .Если U — внутренняя энергия системы, P V — произведение давление-объем и T S — произведение температура-энтропия ( T — температура выше абсолютного нуля), тогда F = U — T S и G = U + P V — T S . Последнее уравнение также можно записать в виде G = H — T S , где H = U + P V — энтальпия.Свободная энергия — это обширное свойство, а это означает, что ее величина зависит от количества вещества в данном термодинамическом состоянии.

Изменения свободной энергии, Δ F или Δ G , полезны для определения направления спонтанного изменения и оценки максимальной работы, которая может быть получена от термодинамических процессов, включающих химические или другие типы реакций. В обратимом процессе максимальная полезная работа, которую можно получить от системы при постоянной температуре и постоянном объеме, равна (отрицательному) изменению свободной энергии Гельмгольца, −Δ F = −Δ U + T Δ S , а максимальная полезная работа при постоянной температуре и постоянном давлении (кроме работы, выполняемой против атмосферы) равна (отрицательному) изменению свободной энергии Гиббса, −Δ G = −Δ H + T Δ S .В каждом случае энтропийный член T Δ S представляет тепло, поглощаемое системой из теплового резервуара при температуре T в условиях, когда система выполняет максимальную работу. За счет сохранения энергии общая проделанная работа также включает уменьшение внутренней энергии U или энтальпии H , в зависимости от обстоятельств. Например, энергия для максимальной электрической работы, выполняемой аккумулятором при разряде, происходит как за счет уменьшения его внутренней энергии из-за химических реакций, так и за счет тепла T Δ S , которое он поглощает, чтобы поддерживать постоянную температуру. , что является идеальным максимальным поглощением тепла.Для любой реальной батареи выполненная электрическая работа будет меньше максимальной, а поглощенное тепло будет соответственно меньше, чем T Δ S .

По изменениям свободной энергии можно судить о том, могут ли изменения состояния происходить спонтанно. При постоянных температуре и объеме преобразование будет происходить самопроизвольно, медленно или быстро, если свободная энергия Гельмгольца в конечном состоянии меньше, чем в исходном состоянии, то есть если разница Δ F между конечным состоянием и исходным состоянием. начальное состояние отрицательное.При постоянных температуре и давлении трансформация состояния будет происходить спонтанно, если изменение свободной энергии Гиббса, Δ G , будет отрицательным.

Фазовые переходы являются поучительными примерами, например, когда лед тает с образованием воды при 0,01 ° C ( T = 273,16 K), когда твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Тогда Δ H = 79,71 калорий на грамм — это скрытая теплота плавления, и по определению Δ S = ^{Δ H} / _T = 0.292 калории на грамм ∙ К изменение энтропии. Отсюда сразу следует, что Δ G = Δ H — T Δ S равно нулю, что указывает на то, что две фазы находятся в равновесии и что из фазового перехода нельзя извлечь полезную работу (кроме работы против атмосфере из-за изменений давления и объема). Кроме того, Δ G отрицательно для T > 273,16 K, указывая, что направление самопроизвольного изменения — от льда к воде, а Δ G положительно для T <273.16 К, где протекает обратная реакция замораживания.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Free Energy — обзор

6.2.1 Зарождение зародышей и рост кристаллов

Осаждение твердой фазы состоит из двух отдельных стадий: зародышеобразование, первая, и рост кристаллов, впоследствии. Зарождение называется гомогенным, если зародыши образуются в объеме раствора, тогда как оно называется гетерогенным, если они образуются на твердой поверхности.Для описания процесса поучительно рассмотреть изменение свободной энергии преципитации Δ G _n как функцию радиуса гипотетического монокристалла (рис. 6.3).

Рисунок 6.3. Принципиальная диаграмма зависимости свободной энергии осаждения Δ G _n от радиуса r гипотетического монокристалла. Отметим, что Δ G _n увеличивается до максимума во время зародышеобразования и затем уменьшается во время роста кристалла.Также показано влияние степени перенасыщения Ω.

Перепечатано из Stumm and Morgan (1996), изменено, авторское право (1996), с разрешения Wiley.

Свободная энергия осадков зависит от баланса двух слагаемых:

(i)

Межфазная свободная энергия, которая представляет собой энергию, связанную с образованием границы раздела между растущим кристаллом и водным раствором, или, другими словами, работу, необходимую для создания этой поверхности; этот член положительный и зависит от квадрата радиуса сферического кристалла.

(ii)

Объемная свободная энергия, которая отрицательна и зависит от куба радиуса сферического кристалла; кроме того, это функция степени перенасыщения Ω (определение Ω см. в разделе 6.4).

Во время зародышеобразования (т.е. во время образования так называемого кристаллического зародыша ) межфазная свободная энергия больше, чем объемный член, и, следовательно, система испытывает чистое увеличение свободной энергии. Это увеличение происходит до максимума, соответствующего балансу между межфазным и объемным членами.Растущая твердая фаза в этот момент называется критическим зародышем .

Дальнейшее увеличение размера критического зародыша сопровождается чистым уменьшением свободной энергии, и процесс становится спонтанным при Δ G _n <0. Эта стадия известна как рост кристалла и рост твердая фаза называется кристаллом. Конечно, перенос вещества из водного раствора в кристалл продолжается до достижения насыщения (равновесия).

Увеличение Ω приводит как к уменьшению размера критического зародыша, так и к уменьшению максимума кривой Δ G _n –радиус (рис. 6.3). Поскольку во время нуклеации скорость является экспоненциальной функцией свободной энергии процесса, нуклеация протекает быстро при высоких значениях Ω и наоборот.

В рассматриваемой системе зарождение и рост кристаллов конкурируют за растворенный материал. При высоких значениях Ω зародышеобразование может происходить настолько быстро, что большая часть растворенного материала используется для образования критических зародышей, тогда как для роста кристаллов доступно мало.В этом случае образуется очень мелкозернистый осадок. Напротив, при низких значениях Ω зародышеобразование может происходить настолько медленно, что большая часть растворенного материала расходуется на рост кристаллов с участием небольшого числа критических зародышей. Если это так, получается более крупнозернистый минерал.

В целом рост кристаллов включает несколько механизмов, и его скорость ограничивается самым медленным. В частности, скорость роста кристаллов может регулироваться либо

(i)

перенос частиц растворенного вещества из объема водного раствора к поверхности кристалла, и в этом случае он называется с контролируемым переносом или

(ii)

одним из многочисленные реакции, протекающие на поверхности растущего кристалла, и если это так, то это называется управляемой поверхностной реакцией или

(iii)

посредством комбинации этих двух различных механизмов.

Изменение концентрации соответствующих растворенных веществ, движущихся от поверхности кристаллов к объемному водному раствору, различается в зависимости от механизма, контролирующего рост кристаллов, как схематично показано на рис. 6.4.

Рисунок 6.4. Графики (а) и (б) схематически показывают изменение концентрации соответствующего растворенного вещества как функцию расстояния от поверхности кристалла для (а) растворения и осаждения, контролируемого переносом, и (б) процессов, контролируемых поверхностными реакциями.Графики (c) и (d) представляют изменение концентрации как функцию времени в типичном серийном эксперименте для (a) растворения с контролируемым переносом и (b) растворением с контролируемой поверхностной реакцией.

Перепечатано из Stumm and Morgan (1996), изменено, авторское право (1996), с разрешения Wiley.

При контролируемом переносом росте кристаллов (рис. 6.4a) добавление частиц растворенного вещества к твердой поверхности (т.е. протекающая поверхностная реакция) происходит настолько быстро, что перенос растворенного вещества в водной фазе не успевает за ним.Следовательно, концентрация растворенного вещества в водном растворе у твердой поверхности резко снижается и приближается к значению насыщения (равновесию). Транспорт растворенного вещества в водном растворе происходит либо посредством адвекции, что является самым быстрым способом, либо путем диффузии, что является самым медленным путем. Рост кристаллов, контролируемый транспортом, зависит от гидродинамических условий, и его ускоряет перемешивание.

При росте кристаллов, контролируемых поверхностными реакциями (рис. 6.4b), добавление частиц растворенного вещества к твердой поверхности происходит настолько медленно, что процессы переноса, даже диффузия, могут поставлять новые частицы растворенного вещества вблизи растущей поверхности кристалла.В этом случае наблюдается небольшое изменение концентрации растворенного вещества между водным слоем, близким к твердой поверхности, и объемным раствором, и рост кристаллов практически не зависит от гидродинамических условий.

Возможны промежуточные ситуации в зависимости от относительной скорости добавления растворенного вещества к поверхности кристалла и переноса растворенного вещества в водной фазе. Оба механизма регулируют скорость роста кристаллов.

Чтобы определить механизм, контролирующий скорость роста кристаллов, экспериментально определенные скорости сравниваются с рассчитанными для самого медленного типа водного транспорта, т.е.е. молекулярная (ионная) диффузия. Измеренные скорости выше, чем скорости, контролируемые диффузией, очевидно, объясняются адвективным переносом, тогда как более медленные измеренные скорости предполагают, что рост кристаллов регулируется реакциями, происходящими на твердой поверхности.

Следуя Нильсену (1964), скорость с контролируемой диффузией вычисляется с помощью следующего уравнения:

(6-51) drcdt = v⋅Ds⋅ (CB − Cs) rc

, где r _c — средний радиус кристаллов; ν молярный объем выпадающего вещества; D _S коэффициент диффузии растворенных частиц в водном растворе; C _B и C _S — концентрации растворенного вещества в основном водном растворе и вблизи поверхности кристалла, соответственно; и т раз.Предполагая, что C _B является постоянным, интегрирование уравнения (6-51) дает

(6-52) rc = [rc, r = 02 + 2⋅v⋅Ds⋅ (CB − CS) ⋅t] 1/2

где r _{c, t = 0} — средний радиус кристаллов в момент «ноль», то есть в начале роста кристалла, то есть в конце стадии зародышеобразования. уравнения (6-51) и (6-52) применимы к равноразмерным кристаллам правильной формы (например, сферы, кубы и т. д.), разделенным как минимум пятью диаметрами.

В качестве альтернативы, рост кристаллов проводится экспериментально при различных температурах, и устанавливается температурная зависимость скорости для определения механизма управления (см. Раздел 6.1.3). Кроме того, зависимость от гидродинамических условий предполагает управление транспортом и наоборот, как уже упоминалось.

Что такое свободные энергии — Химия LibreTexts

Свободная энергия — это сложная функция, которая уравновешивает влияние энергии и энтропии. Чтобы сначала дать определение «свободной» энергии, мы рассмотрим основы этого термина, какие определения несут его и какие конкретные определения мы, как химики, выберем для ссылки:

1. Ископаемые виды топлива, глобальное потепление и обычные споры в популярной науке заставили людей кричать о стремлении к чистой и возобновляемой «бесплатной» энергии (без сомнения, имея в виду долгосрочные денежные затраты).Самое доблестное дело; абсолютно не обращайте на это внимания. Забудьте, что вы даже читали это определение. Мы даже снова начнем с 1.!
2. Если система изотермическая и замкнутая с постоянным давлением, она описывается энергией Гиббса, известной также под множеством прозвищ, таких как «свободная энергия», «свободная энергия Гиббса», «функция Гиббса» и «свободная энтальпия». «. Поскольку этот модуль находится в разделе «Энергия Гиббса», мы сосредоточимся на этой энергии; кратко будет упомянуто о Гельмгольце.
3. Если система изотермическая и замкнутая с постоянным объемом, она описывается энергией Гельмгольца, известной также под ненужным количеством псевдонимов, таких как «функция Гельмгольца», «работа выхода», «свободная энергия Гельмгольца» и наш любимый , «свободная энергия».Об этом будет упомянуто попутно.
4. Наличие двух энергий, называемых «свободной энергией», похоже на наличие двух братьев по имени Джек. Точнее, они будут братьями-близнецами ; Энергии Гиббса и Гельмгольца описывают ситуации с уравнениями, которые легко спутать друг с другом. Неудивительно, что ИЮПАК (Международный союз чистой и прикладной химии) официально называет их энергией Гиббса и энергии Гельмгольца соответственно. Это не должно быть сюрпризом, потому что именно так они изначально были названы! Просто имейте в виду, что в некоторых устаревших или простых текстах все еще могут использоваться упомянутые выше псевдонимы (под видом, скажем, названия модуля).

Энергия Гиббса

Энергия Гиббса названа в честь Джозайи Уильяма Гиббса, американского физика конца 19, ^-го, -го века, который значительно продвинул термодинамику; его работа теперь служит основой для этой области науки. Можно сказать, что эта энергия является наибольшим объемом работы (кроме работы по расширению), которую система может совершить со своим окружением, когда она работает при постоянном давлении и температуре.

Во-первых, моделирование энергии Гиббса с помощью уравнения:

\ [G = U + PV — TS \]

Где:

Конечно, мы знаем, что \ (U + PV \) также можно определить как:

\ [U + PV = H \]

Где:

Это приводит нас к форме того, как энергия Гиббса связана с энтальпией:

\ [G = H — TS \]

Все члены в правой части этого уравнения являются функциями состояния, поэтому G также является функцией состояния.Изменение G просто:

\ [\ Delta {G} = \ Delta {H} — T \ Delta {S} \]

Как было получено это уравнение

Мы начнем с уравнения для полного изменения энтропии Вселенной. Наша цель — придать ему практическую форму, как пещерный человек, превращающий громоздкую каменную глыбу в полезный ручной инструмент!

\ [\ Delta {S_ {Universe}} = \ Delta {S_ {system}} + \ Delta {S_ {environment}} \]

Уравнение с переменными такого масштаба сложно работать.Мы хотим избавиться от неопределенности и переписать более конкретное уравнение. Мы рассмотрим случай, когда температура и давление постоянны. Начнем:

1. \ (\ Delta {S_ {окружение}} \) можно переписать как \ (\ dfrac {\ Delta {H}} {T} \).

Тепло q _p , которым система воздействует на окружающую среду, является отрицательным из \ [(Delta {H} \) для системы. Поскольку \ (- q_p = — \ Delta {H} _ {sys} \), изменение энтропии окружающей среды будет \ (\ Delta {S} _ {environment} = \ Delta {H_ {sys }} / T \).

2. Уравнение принимает вид \ [\ Delta {S_ {univ}} = \ Delta {S_ {sys}} + (- \ Delta {H_ {surr}} / T) \]

Простая замена.

3. Уравнение принимает вид \ [T \ Delta {S_ {univ}} = \ Delta {H_ {surr}} — T \ Delta {S_ {sys}} \]

Умножить обе стороны на T.

4. Обладая могущественными способностями того, кто открывает материал, получает возможность назвать его, мы установили \ [- T \ Delta {S_ {univ}} \] равным огромному \ [\ Delta {G} \] для всемогущего Гиббса.Наконец, мы получаем уравнение \ [\ Delta {G} = \ Delta {H} — T \ Delta {S} \].

Рассуждения, лежащие в основе уравнения

Вкратце, позвольте сказать, что название «свободная энергия», кроме того, что его путают с другим точно названным видом энергии, также является в некоторой степени неправильным. Многочисленные значения слова «бесплатно» могут создать впечатление, что энергия может передаваться бесплатно; Фактически, слово «бесплатно» использовалось для обозначения стоимости, которую система могла бесплатно оплачивать в форме преобразования энергии в работу.\ (\ Delta {G} \) полезен, потому что он может сказать нам, как система, когда нам предоставляется только информация о ней, будет действовать.

\ [\ Delta {G} <0 \]

указывает, что произойдет спонтанное изменение * .

\ [\ Delta {G}> 0 \]

указывает на отсутствие спонтанности.

\ [\ Delta {G} = 0 \]

указывает на то, что система находится в равновесии.

Энергия Гиббса достигает минимального значения при достижении равновесия. Здесь он представлен в виде графика, где x представляет собой степень того, как далеко произошла реакция.Минимум функции должен быть гладким, поскольку \ (G \) должна быть дифференцируемой (ее первая производная должна существовать в минимуме).

Было кратко упомянуто, что \ [\ Delta {G} \] — это энергия, доступная для преобразования в работу. Определение очевидно из уравнения.

Посмотрите на \ [\ Delta {G} = \ Delta {H} — T \ Delta {S} \]. Напомним, что \ (\ Delta {H} \) — это полная энергия, которая может быть превращена в тепло. \ [T \ Delta {S} \] — это энергия, недоступная для преобразования в работу. Путем переупорядочения уравнения энергии Гиббса:

\ [\ Delta {H} = \ Delta {G} — T \ Delta {S} \]

Словами:

энергия, доступная для превращения в тепло = \ [\ Delta {G} \] — энергия, которая не может выполнять работу.Это позволяет нам увидеть, что \ (\ Delta {G} \) ДОЛЖЕН быть свободным источником энергии для выполнения работы.

Почему постоянные температура и давление? Так уж получилось, что эти факторы регулярно возникают в лаборатории, что делает это уравнение практичным в использовании, а также полезным для химиков. Пример энергии Гиббса в реальном мире — окисление глюкозы; \ [\ Delta {G} \] в данном случае равна 2870 кДж, или 686 калорий. Для живых клеток это первичная энергетическая реакция.

Свободная энергия Гельмгольца

Свободная энергия Гельмгольца рассматривается как термодинамический потенциал, который вычисляет «полезную» работу, извлекаемую из замкнутой термодинамической системы при постоянной температуре и объеме.Для такой системы отрицательная величина разницы в энергии Гельмгольца равна максимальному количеству работы, извлекаемой из термодинамического процесса, в котором и температура, и объем поддерживаются постоянными. В этих условиях он минимизируется и поддерживается постоянным при равновесии. Свободная энергия Гельмгольца была первоначально разработана Германом фон Гельмоцем и обычно обозначается буквой A или буквой F . В физике буква F в основном используется для обозначения энергии Гельмгольца, которую часто называют функцией Гельмгольца или простым термином «свободная энергия».«

Введенный немецким физиком Германом Гельмгольцем в 1882 году, свободная энергия Гельмгольца — это термодинамический потенциал, обнаруживаемый в системе постоянных частиц с постоянной температурой и постоянным объемом, определяемый формулой:

\ [ΔA = ΔE — TΔS \]

• A = свободная энергия Гельмгольца в джоулях
• E = энергия системы в джоулях
• T = Абсолютная температура в градусах Эльвина
• S = энтропия в Джоулях / Кельвинах

Вкратце, свободная энергия Гельмгольца также является мерой способности изотермино-изохорной замкнутой системы выполнять работу.Если какое-либо внешнее поле отсутствует, формула свободной энергии Гельмгольца принимает вид:

\ [ΔA = ΔU –TΔS \]

• A = свободная энергия Гельмгольца в джоулях
• U = внутренняя энергия в джоулях
• T = Абсолютная температура в Кельвинах
• S = энтропия в Джоулях / Кельвинах

Можно сказать, что внутренняя энергия (U) — это количество энергии, необходимое для создания системы при несуществующих изменениях температуры (T) или объема (V). Однако, если система создается в среде с температурой T, то некоторая часть энергии может быть захвачена за счет самопроизвольной передачи тепла между окружающей средой и системой.Величина этой спонтанной передачи энергии равна TΔS, где S — конечная энтропия системы. В этом случае вам не нужно вкладывать столько энергии. Обратите внимание, что если более неупорядоченный, что приводит к более высокой энтропии, создается конечное состояние, в котором требуется меньше работы для создания системы. Свободная энергия Гельмгольца становится мерой суммы энергии, которую вы должны вложить для создания системы, если принять во внимание спонтанный перенос энергии системы из окружающей среды.

Свободная энергия Гельмгольца обычно используется в физике и обозначается буквой F , в то время как химия использует G , свободную энергию Гиббса.

Связь энергии Гельмгольца с энергией Гиббса

Энергия Гельмгольца определяется уравнением:

\ [A = U — TS \]

Это сравнимо с энергией Гиббса в этом смысле:

\ [G = A + PV \]

Энергия Гельмгольца используется, когда постоянное давление невозможно.

Наряду с внутренней энергией и энтальпией, энергия Гельмгольца и энергия Гиббса составляют группу квадратов, называемую термодинамическими потенциалами ; эти потенциалы полезны для описания различных термодинамических явлений.

TS представляет энергию из окружающей среды, а PV представляет работу по расширению. При необходимости воспользуйтесь приведенными выше ссылками, чтобы освежить в памяти информацию об энтальпии и внутренней энергии.

Список литературы

1. Петруччи и др. Общая химия: принципы и современные приложения; Девятое издание. Пирсон / Прентис Холл; Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси 07.
2. Мортимер, Роберт Г. Физическая химия; Третье издание. Elsevier Inc .; 2008.

Авторы и авторство

Принцип свободной энергии: единая теория мозга?

1

Хуанг, Г.Это единая теория мозга? New Scientist 2658 , 30–33 (2008).

Google Scholar

2

Фристон К., Килнер Дж. И Харрисон Л. Принцип свободной энергии для мозга. J. Physiol. Париж 100 , 70–87 (2006). Обзор принципа свободной энергии, который описывает его мотивацию и связь с генеративными моделями и прогнозирующим кодированием. В этой статье основное внимание уделяется восприятию и задействованной нейробиологической инфраструктуре.

PubMed Google Scholar

3

Эшби, У. Р. Принципы самоорганизующейся динамической системы. J. Gen. Psychol. 37 , 125–128 (1947).

CAS PubMed Google Scholar

4

Николис Г. и Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах (Wiley, New York, 1977).

Google Scholar

5

Хакен, Х. Синергетика: Введение. Неравновесный фазовый переход и самоорганизация в физике, химии и биологии 3-е изд. (Спрингер, Нью-Йорк, 1983).

Google Scholar

6

Кауфман С. Истоки порядка: самоорганизация и отбор в эволюции (Oxford Univ. Press, Oxford, 1993).

Google Scholar

7

Бернар, К. Лекции о явлениях, общих для животных и растений (Томас, Спрингфилд, 1974).

Google Scholar

8

Applebaum, D. Вероятность и информация: комплексный подход (Cambridge Univ. Press, Кембридж, Великобритания, 2008).

Google Scholar

9

Эванс, Д. Дж. Теорема о неравновесной свободной энергии для детерминированных систем. Мол.Физика 101 , 15551–11554 (2003).

Google Scholar

10

Крауэл Х. и Фландоли Ф. Аттракторы для случайных динамических систем. Probab. Теория Relat. Поля 100 , 365–393 (1994).

Google Scholar

11

Фейнман Р. П. Статистическая механика: набор лекций (Бенджамин, Рединг, Массачусетс, 1972).

Google Scholar

12

Хинтон, Г. Э. и фон Крамп, Д. Сохранение простоты нейронных сетей за счет минимизации длины описания весов. Proc. 6-й Анну. ACM Conf. Теория вычислительного обучения 5–13 (1993).

13

MacKay. Алгоритм минимизации свободной энергии для декодирования и криптоанализа. Электрон. Lett. 31 , 445–447 (1995).

Google Scholar

14

Нил Р.М. и Хинтон, Г. Э. в книге Обучение в графических моделях (изд. Джордан, М. И.) 355–368 (Kluwer Academic, Dordrecht, 1998).

Google Scholar

15

Итти, Л. и Балди, П. Байесовское удивление привлекает человеческое внимание. Vision Res. 49 , 1295–1306 (2009).

PubMed Google Scholar

16

Friston, K., Daunizeau, J. & Kiebel, S.Активный вывод или обучение с подкреплением? PLoS ONE 4 , e6421 (2009 г.).

PubMed PubMed Central Google Scholar

17

Knill, D. C. & Pouget, A. Байесовский мозг: роль неопределенности в нейронном кодировании и вычислениях. Trends Neurosci. 27 , 712–719 (2004). Хороший обзор байесовских теорий восприятия и сенсомоторного контроля. Основное внимание уделяется байесовской оптимальности в мозгу и неявной природе нейрональных репрезентаций.

CAS PubMed Google Scholar

18

фон Гельмгольц, Х. в Трактат по физиологической оптике Vol. III 3-е изд (Восс, Гамбург, 1909).

Google Scholar

19

Маккей Д. М. в Исследования автоматов (ред. Шеннон, К. Э. и Маккарти, Дж.) 235–251 (Princeton Univ. Press, Princeton, 1956).

Google Scholar

20

Neisser, U. Когнитивная психология (Appleton-Century-Crofts, Нью-Йорк, 1967).

Google Scholar

21

Грегори Р. Л. Перцептивные иллюзии и модели мозга. Proc. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 171 , 179–196 (1968).

Google Scholar

22

Грегори Р. Л. Восприятие как гипотезы. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 290 , 181–197 (1980).

CAS PubMed Google Scholar

23

Баллард, Д. Х., Хинтон, Г. Э. и Сейновски, Т. Дж. Параллельные визуальные вычисления. Nature 306 , 21–26 (1983).

CAS PubMed Google Scholar

24

Кавато М., Хаякава Х. и Инуи Т. Модель прямой-обратной оптики взаимных связей между визуальными областями. Сеть: вычисления в нейронных системах 4 , 415–422 (1993).

Google Scholar

25

Даян П., Хинтон Г. Э. и Нил Р. М. Машина Гельмгольца. Neural Comput. 7 , 889–904 (1995). Эта статья представляет центральную роль генеративных моделей и вариационных подходов к иерархическому обучению с самоконтролем и связывает это с функцией восходящих и нисходящих путей корковой обработки.

CAS PubMed Google Scholar

26

Ли Т.С. и Мамфорд, Д. Иерархический байесовский вывод в зрительной коре. J. Opt. Soc. Являюсь. Опт. Image Sci. Vis. 20 , 1434–1448 (2003).

PubMed Google Scholar

27

Керстен, Д., Мамассиан, П. и Юилль, А. Восприятие объекта как байесовский вывод. Annu. Rev. Psychol. 55 , 271–304 (2004).

PubMed Google Scholar

28

Фристон, К.J. Теория корковых ответов. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 360 , 815–836 (2005).

PubMed PubMed Central Google Scholar

29

Бил М. Дж. Вариационные алгоритмы для приближенного байесовского вывода . Диссертация, Университетский колледж Лондона (2003 г.).

Google Scholar

30

Эфрон, Б. и Моррис, К.Правило оценки Штейна и его конкуренты — эмпирический байесовский подход. J. Am. Статистика. Доц. 68 , 117–130 (1973).

Google Scholar

31

Касс, Р. Э. и Стеффи, Д. Приближенный байесовский вывод в условно независимых иерархических моделях (параметрические эмпирические байесовские модели). J. Am. Стат. Доц. 407 , 717–726 (1989).

Google Scholar

32

Зеки, С.& Шипп, С. Функциональная логика корковых связей. Nature 335 , 311–317 (1988). Описывает функциональную архитектуру корковых иерархий с акцентом на паттерны анатомических связей в зрительной коре. Он подчеркивает роль функциональной сегрегации и интеграции (то есть передачи сообщений между корковыми областями).

CAS PubMed Google Scholar

33

Феллеман, Д.Дж. И Ван Эссен, Д. С. Распределенная иерархическая обработка в коре головного мозга приматов. Cereb. Cortex 1 , 1–47 (1991).

CAS PubMed Google Scholar

34

Месулам, М. М. От ощущения к познанию. Мозг 121 , 1013–1052 (1998).

PubMed Google Scholar

35

Сэнгер, Т. Оценка плотности вероятности для интерпретации нейронных популяционных кодов. J. Neurophysiol. 76 , 2790–2793 (1996).

CAS PubMed Google Scholar

36

Земель Р., Даян П. и Пуже А. Вероятностная интерпретация кода населения. Neural Comput. 10 , 403–430 (1998).

CAS PubMed Google Scholar

37

Паулин М.Г. Эволюция мозжечка как нейронной машины для оценки байесовского состояния. J. Neural Eng. 2 , S219 – S234 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

38

Ма, У. Дж., Бек, Дж. М., Латам, П. Э. и Пуже, А. Байесовский вывод с вероятностными кодами населения. Nature Neurosci. 9 , 1432–1438 (2006).

CAS PubMed Google Scholar

39

Фристон, К., Мэттаут, Дж., Трухильо-Баррето, Н., Эшбернер, Дж. И Пенни, В. Вариационная свободная энергия и приближение Лапласа. Neuroimage 34 , 220–234 (2007).

PubMed Google Scholar

40

Рао Р. П. и Баллард Д. Х. Предиктивное кодирование в зрительной коре: функциональная интерпретация некоторых внеклассических эффектов рецептивного поля. Nature Neurosci. 2 , 79–87 (1998). Применяет прогнозирующее кодирование к кортикальной обработке, чтобы обеспечить убедительный учет внеклассических рецептивных полей в зрительной системе.Он подчеркивает важность нисходящих проекций в предоставлении прогнозов путем моделирования перцепционных выводов.

Google Scholar

41

Мамфорд Д. О вычислительной архитектуре неокортекса. II. Роль кортико-корковых петель. Biol. Киберн. 66 , 241–251 (1992).

CAS PubMed Google Scholar

42

Фристон, К.Иерархические модели в мозгу. PLoS Comput. Биол. 4 , e1000211 (2008).

PubMed PubMed Central Google Scholar

43

Мюррей, С.О., Керстен, Д., Олсхаузен, Б.А., Шратер, П. и Вудс, Д.Л. Восприятие формы снижает активность первичной зрительной коры головного мозга человека. Proc. Natl Acad. Sci. США 99 , 15164–15169 (2002).

CAS PubMed Google Scholar

44

Гарридо, М.И., Килнер, Дж. М., Кибель, С. Дж. И Фристон, К. Дж. Динамическое причинно-следственное моделирование реакции на отклонения частоты. J. Neurophysiol. 101 , 2620–2631 (2009).

PubMed PubMed Central Google Scholar

45

Sherman, S.M. & Guillery, R.W. О действиях, которые одна нервная клетка может оказывать на другую: различение «драйверов» от «модуляторов». Proc. Natl Acad. Sci. США 95 , 7121–7126 (1998).

CAS PubMed Google Scholar

46

Angelucci, A. & Bressloff, P. C. Вклад прямых, боковых и обратных связей в классический центр рецептивного поля и внеклассическое окружение рецептивного поля нейронов V1 приматов. Прог. Brain Res. 154 , 93–120 (2006).

PubMed Google Scholar

47

Гроссберг, С.К единой теории неокортекса: ламинарные корковые цепи для зрения и познания. Прог. Brain Res. 165 , 79–104 (2007).

PubMed Google Scholar

48

Гроссберг, С. и Версаче, М. Спайки, синхронность и внимательное обучение с помощью ламинарных таламокортикальных цепей. Brain Res. 1218 , 278–312 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

49

Барлоу, Х.in Сенсорная коммуникация (изд. Розенблит, W.) 217–234 (MIT Press, Кембридж, Массачусетс, 1961).

Google Scholar

50

Линскер Р. Перцепционная нейронная организация: некоторые подходы, основанные на сетевых моделях и теории информации. Annu. Rev. Neurosci. 13 , 257–281 (1990).

CAS PubMed Google Scholar

51

Оя, Э.Нейронные сети, главные компоненты и подпространства. Внутр. J. Neural Syst. 1 , 61–68 (1989).

Google Scholar

52

Белл, А. Дж. И Сейновски, Т. Дж. Подход максимизации информации к слепому разделению и слепой развертке. Neural Comput. 7 , 1129–1159 (1995).

CAS PubMed Google Scholar

53

Атик, Дж.J. & Redlich, A. N. Что сетчатка знает о естественных сценах? Neural Comput. 4 , 196–210 (1992).

Google Scholar

54

Optican, L. & Richmond, B.J. Временное кодирование двумерных паттернов отдельными единицами в нижней коре головного мозга приматов. III Теоретический анализ информации. J. Neurophysiol. 57 , 132–146 (1987).

PubMed Google Scholar

55

Ольсхаузен, Б.А. и Филд, Д. Дж. Появление свойств рецептивного поля простых клеток путем изучения разреженного кода для естественных изображений. Nature 381 , 607–609 (1996).

CAS PubMed Google Scholar

56

Симончелли, Э. П. и Ольсхаузен, Б. А. Статистика естественных изображений и нейронное представление. Annu. Rev. Neurosci. 24 , 1193–1216 (2001). Хороший обзор теории информации в обработке изображений.Он охватывает статистику естественных сцен и эмпирические тесты гипотезы эффективного кодирования в отдельных нейронах и популяциях нейронов.

CAS PubMed Google Scholar

57

Фристон, К. Дж. Лабильный мозг. III. Переходные и пространственно-временные рецептивные поля. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 355 , 253–265 (2000).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

58

Bialek, W., Неменман И. и Тишби Н. Предсказуемость, сложность и обучение. Neural Comput. 13 , 2409–2463 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

59

Левен, Г. Д., Биалек, В. и де Руйтер ван Стивенинк, Р. Р. Нейронное кодирование натуралистических стимулов движения. Сеть 12 , 317–329 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

60

Лафлин, С.Б. Эффективность и сложность нейронного кодирования. Найдено Novartis. Symp. 239 , 177–187 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

61

Типпинг, М. Э. Редкое байесовское обучение и машина векторов релевантности. J. Машинное обучение. Res. 1 , 211–244 (2001).

Google Scholar

62

Паус, Т., Кешаван, М. и Гедд, Дж.N. Почему многие психические расстройства возникают в подростковом возрасте? Nature Rev. Neurosci. 9 , 947–957 (2008).

CAS Google Scholar

63

Gilestro, G. F., Tononi, G. & Cirelli, C. Широко распространенные изменения синаптических маркеров в зависимости от сна и бодрствования у Drosophila . Наука 324 , 109–112 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

64

Roweis, S.& Ghahramani, Z. Объединительный обзор линейных гауссовских моделей. Neural Comput. 11 , 305–345 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

65

Хебб Д. О. Организация поведения (Уайли, Нью-Йорк, 1949).

Google Scholar

66

Паульсен, О. и Сейновски, Т. Дж. Естественные закономерности активности и долговременная синаптическая пластичность. Curr. Opin. Neurobiol. 10 , 172–179 (2000).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

67

фон дер Мальсбург, К. Теория корреляции функций мозга . Внутренний отчет 81–82, Отдел нейробиологии, Институт биофизической химии Макса Планка (1981).

Google Scholar

68

Сингер, У. и Грей, К.М. Интеграция визуальных признаков и гипотеза временной корреляции. Annu. Rev. Neurosci. 18 , 555–586 (1995).

CAS PubMed Google Scholar

69

Биненсток, Э. Л., Купер, Л. Н. и Манро, П. В. Теория развития селективности нейронов: специфичность ориентации и бинокулярное взаимодействие в зрительной коре головного мозга. J. Neurosci. 2 , 32–48 (1982).

CAS PubMed Google Scholar

70

Abraham, W.С. и Беар, М. Ф. Метапластичность: пластичность синаптической пластичности. Trends Neurosci. 19 , 126–130 (1996).

CAS PubMed Google Scholar

71

Парети Г. и Де Пальма А. Колебл ли мозг? Спор о нейронной синхронизации. Neurol. Sci. 25 , 41–47 (2004).

CAS PubMed Google Scholar

72

Leutgeb, S., Leutgeb, J. K., Moser, M. B. & Moser, E. I. Поместите ячейки, пространственные карты и код популяции для памяти. Curr. Opin. Neurobiol. 15 , 738–746 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

73

Дуршевиц, Д. и Симанс, Дж. К. За пределами бистабильности: биофизика и временная динамика рабочей памяти. Neuroscience 139 , 119–133 (2006).

CAS PubMed Google Scholar

74

Анищенко, А.И Тревес, А. Аутоассоциативное извлечение памяти и спонтанные всплески активности в небольших сетях нейронов, объединяющих и запускающих. J. Physiol. Париж 100 , 225–236 (2006).

PubMed Google Scholar

75

Эбботт, Л. Ф., Варела, Дж. А., Сен, К. и Нельсон, С. Б. Синаптическая депрессия и контроль кортикального усиления. Наука 275 , 220–224 (1997).

CAS PubMed Google Scholar

76

Ю, А.Дж. И Даян, П. Неуверенность, нейромодуляция и внимание. Нейрон 46 , 681–692 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

77

Дойя, К. Металлообразование и нейромодуляция. Neural Netw. 15 , 495–506 (2002).

PubMed Google Scholar

78

Чавла Д., Люмер Э. Д. и Фристон К. Дж. Взаимосвязь между синхронизацией между популяциями нейронов и их средними уровнями активности. Neural Comput. 11 , 1389–1411 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

79

Фрис, П., Вомельсдорф, Т., Остенвельд, Р. и Дезимон, Р. Влияние визуальной стимуляции и избирательного визуального внимания на ритмическую нейронную синхронизацию в области макака V4. J. Neurosci. 28 , 4823–4835 (2008).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

80

Womelsdorf, T.И Фрис, П. Нейрональная когерентность во время избирательной обработки внимания и сенсомоторной интеграции. J. Physiol. Париж 100 , 182–193 (2006).

PubMed Google Scholar

81

Desimone, R. Нейронные механизмы зрительной памяти и их роль во внимании. Proc. Natl Acad. Sci. США 93 , 13494–13499 (1996). Хороший обзор мнемонических эффектов (таких как подавление повторения) на нейронные реакции и того, как они влияют на конкурентные взаимодействия между представлениями стимулов в коре головного мозга.Это дает хорошее представление о механизмах внимания в зрительной системе, которое обосновано эмпирически.

CAS PubMed Google Scholar

82

Трейсман, А. Привязка признаков, внимание и восприятие объекта. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 353 , 1295–1306 (1998).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

83

Маунселл, Дж.Х. и Треуэ, С. Основанное на особенностях внимание в зрительной коре. Trends Neurosci. 29 , 317–322 (2006).

CAS PubMed Google Scholar

84

Спратлинг, М. В. Предиктивное кодирование как модель предвзятого соревнования в визуальном внимании. Vision Res. 48 , 1391–1408 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

85

Рейнольдс, Дж.Х. и Хигер Д. Дж. Модель нормализации внимания. Нейрон 61 , 168–185 (2009).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

86

Шредер, К. Э., Мехта, А. Д. и Фокс, Дж. Дж. Детерминанты и механизмы модуляции внимания нейронной обработки. Перед. Biosci. 6 , D672 – D684 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

87

Хираяма, Дж., Йошимото, Дж. И Исии, С. Обучение байесовскому представлению в коре, регулируемое ацетилхолином. Neural Netw. 17 , 1391–1400 (2004).

PubMed Google Scholar

88

Эдельман, Г. М. Нейронный дарвинизм: отбор и реентерабельная передача сигналов в высших функциях мозга. Нейрон 10 , 115–125 (1993).

CAS PubMed Google Scholar

89

Кноблох, Ф.Альтруизм и гипотеза мета-отбора в эволюции человека. J. Am. Акад. Психоанал. 29 , 339–354 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

90

Фристон, К. Дж., Тонони, Г., Рик, Г. Н. Младший, Спорнс, О. и Эдельман, Г. М. Ценностно-зависимый отбор в мозге: моделирование в синтетической нейронной модели. Neuroscience 59 , 229–243 (1994).

CAS PubMed Google Scholar

91

Саттон, Р.С. и Барто, А. Г. К современной теории адаптивных сетей: ожидание и прогнозирование. Psychol. Ред. 88 , 135–170 (1981).

CAS PubMed Google Scholar

92

Монтегю, П. Р., Даян, П., Персон, К. и Сейновски, Т. Дж. Пчелиные корма в неопределенной среде с использованием прогнозирующего обучения Хебба. Nature 377 , 725–728 (1995). Вычислительная обработка поведения, сочетающая идеи теории оптимального управления и динамического программирования с нейробиологией вознаграждения.Это стало первым примером обучения ценностям в мозгу.

CAS PubMed Google Scholar

93

Шульц, В. Предиктивный сигнал вознаграждения дофаминовых нейронов. J. Neurophysiol. 80 , 1-27 (1998).

CAS PubMed Google Scholar

94

Доу, Н. Д. и Дойя, К. Вычислительная нейробиология обучения и вознаграждения. Curr. Opin. Neurobiol. 16 , 199–204 (2006).

CAS PubMed Google Scholar

95

Редгрейв П. и Герни К. Сигнал дофамина с короткой задержкой: роль в открытии новых действий? Nature Rev. Neurosci. 7 , 967–975 (2006).

CAS Google Scholar

96

Берридж, К. С. Дебаты о роли дофамина в вознаграждении: аргументы в пользу значимости стимулов. Психофармакология (Berl.) 191 , 391–431 (2007).

CAS Google Scholar

97

Селла, Г. и Хирш, А. Э. Применение статистической физики в эволюционной биологии. Proc. Natl Acad. Sci. США 102 , 9541–9546 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

98

Рескорла Р. А. и Вагнер А.R. in Classical Conditioning II: Current Research and Theory (eds Black, A. H. & Prokasy, W. F.) 64–99 (Appleton Century Crofts, New York, 1972).

Google Scholar

99

Беллман Р. К теории динамического программирования. Proc. Natl Acad. Sci. США 38 , 716–719 (1952).

CAS PubMed Google Scholar

100

Уоткинс, К.Дж. К. Х. и Даян П. Q-обучение. Мах. Учить. 8 , 279–292 (1992).

Google Scholar

101

Тодоров Э. в Достижения в системах обработки нейронной информации (ред. Шолкопф Б., Платт Дж. И Хофманн Т.) 19 , 1369–1376 (MIT Press, 2006).

Google Scholar

102

Камерер, К. Ф. Поведенческие исследования стратегического мышления в играх. Trends Cogn. Sci. 7 , 225–231 (2003).

PubMed Google Scholar

103

Смит, Дж. М. и Прайс, Г. Р. Логика конфликта животных. Nature 246 , 15–18 (1973).

Google Scholar

104

Нэш Дж. Точки равновесия в играх с участием n человек. Proc. Natl Acad. Sci. США 36 , 48–49 (1950).

CAS Google Scholar

105

Wolpert, D. M. & Miall, R.C. Перспективные модели физиологического моторного контроля. Neural Netw. 9 , 1265–1279 (1996).

Google Scholar

106

Тодоров, Э. и Джордан, М. И. Максимизация плавности на заданном пути точно предсказывает профили скорости сложных движений рук. Дж.Neurophysiol. 80 , 696–714 (1998).

CAS PubMed Google Scholar

107

Tseng, Y. W., Diedrichsen, J., Krakauer, J. W., Shadmehr, R. & Bastian, A.J. Ошибки сенсорного предсказания управляют зависимой от мозжечка адаптацией достижения. J. Neurophysiol. 98 , 54–62 (2007).

PubMed Google Scholar

108

Бэйс, П.М. и Вольперт, Д. М. Вычислительные принципы сенсомоторного управления, которые минимизируют неопределенность и изменчивость. J. Physiol. 578 , 387–396 (2007). Хороший обзор вычислительных принципов управления двигателем. Его основное внимание уделяется представлению неопределенности и оптимальной оценке при извлечении сенсорной информации, необходимой для двигательного планирования.

CAS PubMed Google Scholar

109

Шадмер Р.И Кракауэр, Дж. У. Вычислительная нейроанатомия для моторного контроля. Exp. Brain Res. 185 , 359–381 (2008).

PubMed PubMed Central Google Scholar

110

Verschure, P. F., Voegtlin, T. и Douglas, R. J. Синергия между восприятием и поведением мобильных роботов, опосредованная окружающей средой. Nature 425 , 620–624 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

111

Коэн, Дж.Д., МакКлюр, С. М. и Ю, А. Дж. Остаться или уйти? Как человеческий мозг находит компромисс между эксплуатацией и исследованием. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 362 , 933–942 (2007).

PubMed PubMed Central Google Scholar

112

Исии, С., Йошида, В. и Йошимото, Дж. Управление мета-параметром эксплуатации-разведки в обучении с подкреплением. Neural Netw. 15 , 665–687 (2002).

PubMed Google Scholar

113

Usher, M., Cohen, J. D., Servan-Schreiber, D., Rajkowski, J. & Aston-Jones, G. Роль голубого пятна в регуляции когнитивных функций. Наука 283 , 549–554 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

114

Войт, К.А., Кауфман, С.И Ван, З. Г. Рациональный эволюционный дизайн: теория эволюции белка in vitro . Adv. Protein Chem. 55 , 79–160 (2000).

CAS PubMed Google Scholar

115

Фримен, У. Дж. Характеристика переходов состояний в пространственно распределенных, хаотических, нелинейных, динамических системах в коре головного мозга. Integr. Physiol. Behav. Sci. 29 , 294–306 (1994).

CAS PubMed Google Scholar

116

Цуда, И. К интерпретации динамической нейронной активности в терминах хаотических динамических систем. Behav. Brain Sci. 24 , 793–810 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

117

Йирса, В. К., Фридрих, Р., Хакен, Х. и Келсо, Дж. А. Теоретическая модель фазовых переходов в человеческом мозге. Biol. Киберн. 71 , 27–35 (1994). В этой статье разрабатывается теоретическая модель (основанная на синергетике и теории нелинейных осцилляторов), которая воспроизводит наблюдаемую динамику и предлагает формулировку биофизической связи между системами мозга.

CAS PubMed Google Scholar

118

Брейкспир, М. и Стэм, К. Дж. Динамика нейронной системы с многомасштабной архитектурой. Philos.Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 360 , 1051–1074 (2005).

PubMed PubMed Central Google Scholar

119

Бресслер, С. Л. & Тонноли, Э. Принципы работы нейрокогнитивных сетей. Внутр. J. Psychophysiol. 60 , 139–148 (2006).

PubMed Google Scholar

120

Вернер Г. Динамика мозга на разных уровнях организации. J. Physiol. Париж 101 , 273–279 (2007).

PubMed Google Scholar

121

Паскуале В., Массобрио П., Болонья Л. Л., Чиаппалоне М. и Мартиноя С. Самоорганизация и нейронные лавины в сетях диссоциированных корковых нейронов. Неврология 153 , 1354–1369 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

122

Китцбихлер, М.Г., Смит, М. Л., Кристенсен, С. Р., Буллмор, Э. Критичность широкополосной связи для синхронизации сети человеческого мозга. PLoS Comput. Биол. 5 , e1000314 (2009).

PubMed PubMed Central Google Scholar

123

Рабинович М., Хуэрта Р. и Лоран Г. Переходная динамика для нейронной обработки. Наука 321 48–50 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

124

Tschacher, W.& Hake, H. Интенциональность в неравновесных системах? Функциональные аспекты формирования самоорганизованного паттерна. New Ideas Psychol. 25 , 1–15 (2007).

Google Scholar

125

Матурана, Х. Р. и Варела, Ф. De máquinas y seres vivos (Редакционное Universitaria, Сантьяго, 1972). Английский перевод доступен в Maturana, H. R. & Varela, F. в Autopoiesis and Cognition (Reidel, Dordrecht, 1980).

Google Scholar

126

Фиорилло, К. Д., Тоблер, П. Н. и Шульц, В. Дискретное кодирование вероятности и неопределенности вознаграждения с помощью дофаминовых нейронов. Наука 299 , 1898–1902 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

127

Нив, Ю., Дафф, М. О. и Дайан, П. Допамин, неопределенность и обучение TD. Behav. Brain Funct. 1 , 6 (2005).

PubMed PubMed Central Google Scholar

128

Флетчер П. и Фрит К. Д. Воспринимать значит верить: байесовский подход к объяснению положительных симптомов шизофрении. Nature Rev. Neurosci. 10 , 48–58 (2009).

CAS Google Scholar

129

Филлипс, У. А. и Сильверстайн, С.М. Конвергенция биологической и психологической точек зрения на когнитивную координацию при шизофрении. Behav. Brain Sci. 26 , 65–82 (2003).

PubMed Google Scholar

130

Фристон, К. и Кибель, С. Корковые контуры для перцептивного вывода. Neural Netw. 22 , 1093–1104 (2009).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Определение свободной энергии в науке

Фраза «свободная энергия» имеет несколько определений в науке:

Термодинамическая свободная энергия

В физике и физической химии свободная энергия относится к количеству внутренней энергии термодинамической системы, которая доступна для выполнения работы.Существуют разные формы термодинамической свободной энергии:

Свободная энергия Гиббса — это энергия, которая может быть преобразована в работу в системе, находящейся при постоянной температуре и давлении.

Уравнение для свободной энергии Гиббса:

G = H — TS

где G — свободная энергия Гиббса, H — энтальпия, T — температура, S — энтропия.

Свободная энергия Гельмгольца — это энергия, которая может быть преобразована в работу при постоянной температуре и объеме.

Уравнение для свободной энергии Гельмгольца:

А = U — TS

где A — свободная энергия Гельмгольца, U — внутренняя энергия системы, T — абсолютная температура (Кельвин) и S — энтропия системы.

Свободная энергия Ландау описывает энергию открытой системы, в которой частицы и энергия могут обмениваться с окружающей средой.

Уравнение для свободной энергии Ландау:

Ω = A — μN = U — TS — μN

где N — количество частиц, а μ — химический потенциал.

Вариационная свободная энергия

В теории информации вариационная свободная энергия — это конструкция, используемая в вариационных байесовских методах. Такие методы используются для аппроксимации трудноразрешимых интегралов в статистике и машинном обучении.

Другие определения

В науке об окружающей среде и экономике фраза «бесплатная энергия» иногда используется для обозначения возобновляемых ресурсов или любой энергии, не требующей денежной оплаты.

Свободная энергия может также относиться к энергии, которая приводит в действие гипотетический вечный двигатель.Такое устройство нарушает законы термодинамики, поэтому это определение в настоящее время относится скорее к псевдонауке, чем к точной науке.

Источники

• Байерлейн, Ральф. Теплофизика . Cambridge University Press, 2003, Кембридж, Великобритания
• Mendoza, E .; Clapeyron, E .; Карно, Р., ред. Размышления о движущей силе огня — и другие статьи о втором законе термодинамики . Dover Publications, 1988, Mineola, N.Ю.
• Стоунер, Клинтон. «Исследования природы свободной энергии и энтропии применительно к биохимической термодинамике». Энтропия , т. 2, вып. 3, сентябрь 2000 г., стр. 106–141., DOI: 10.3390 / e2030106.

Гиббс Свободная энергия

Свободная энергия Гиббса

---

Движущие силы и свободная энергия Гиббса

Некоторые реакции являются спонтанными, потому что энергия в виде тепла ( H <0).Другие являются спонтанными, потому что приводят к увеличению беспорядок в системе ( S > 0). Вычисления H и S можно использовать для исследования движущей силы, стоящей за конкретной реакцией.

Что происходит, когда одна из потенциальных движущих сил химического реакция благоприятная, а другая нет? Мы можем ответить на этот вопрос, определив новый величина, известная как свободная энергия Гиббса ( G ) системы, которая отражает баланс между этими силами.

Свободная энергия Гиббса системы в любой момент времени определяется как энтальпия системы минус произведение температуры на энтропию система.

G = H — TS

Свободная энергия Гиббса системы является функцией состояния, поскольку определены в терминах термодинамических свойств, которые являются функциями состояния. Изменение в Следовательно, свободная энергия Гиббса системы, возникающая во время реакции, равна изменение энтальпии системы за вычетом изменения произведения температуры раз больше энтропии системы.

G = H — ( TS )

Если реакция протекает при постоянной температуре, это уравнение может быть написано следующим образом.

G = H — TS

Изменение свободной энергии системы, происходящее во время реакции можно измерить при любых условиях. Если данные собираются в в стандартных условиях, результатом является свободная энергия реакции в стандартном состоянии ( G ^или ).

G ^или = H ^o — TS ^o

Красота уравнения, определяющего свободную энергию системы, заключается в том, что способность определять относительную важность терминов энтальпии и энтропии как движущих сил силы, стоящие за той или иной реакцией. Изменение свободной энергии системы, которая происходит во время реакции, измеряет баланс между двумя движущими силами, которые определить, является ли реакция спонтанной.Как мы видели, энтальпия и энтропия термины имеют разные обозначения.

Благоприятный		Неблагоприятные
H o <0		H o > 0
S o > 0		S или <0

Таким образом, член энтропии вычитается из члена энтальпии, когда вычисление G ^o для реакции.

Из-за способа определения свободной энергии системы значение G ^o отрицательно. для любой реакции, для которой H ^o отрицательно, а S ^o положительно. G ^o поэтому отрицательный для любого реакция, которой благоприятствуют как энтальпия, так и энтропия. Таким образом, мы можем сделать вывод что любая реакция, для которой G ^o является отрицательной, должна быть благоприятной или спонтанной.

Благоприятные или спонтанные реакции :

G или <0

И наоборот, G ^o положительно для любой реакции, для которой H ^o положительно и S ^или отрицательный. Следовательно, любая реакция, для которой G ^o является положительной, является неблагоприятной.

Неблагоприятные или несамопроизвольные реакции :

G или > 0

Реакции классифицируются как экзотермические ( H <0) или эндотермические ( H > 0) на в зависимости от того, излучают они или поглощают тепло.Реакции также можно отнести к экзергоническим ( G <0) или эндергонический ( G > 0) на основание того, уменьшается или увеличивается свободная энергия системы во время реакции.

Когда реакция поддерживается как энтальпией ( H, , ^o <0), так и энтропия ( S ^o > 0), нет необходимости вычислять значение G ^o , чтобы решить, должна ли реакция продолжить.То же самое можно сказать и о реакциях, не одобряемых ни одним из энтальпия ( H ^o > 0) ни энтропии ( S ^o <0). Расчеты свободной энергии становятся важными для реакций, одобренных только одним из эти факторы.

---

Влияние температуры на свободную энергию Реакция

Остаток между взносами члены энтальпии и энтропии к свободной энергии реакции зависят от температуры при которая запускает реакцию.

Уравнение, используемое для определения свободной энергии, предполагает, что член энтропии станет более важным при повышении температуры.

G ^или = H ^o — TS ^o

Поскольку энтропийный член неблагоприятен, реакция должен стать менее благоприятным при повышении температуры.

---

Стандартные свободные энергии реакции

G ^или для реакции можно рассчитать из табличных данных о свободной энергии в стандартном состоянии. С нет абсолютного нуля на шкале свободной энергии, самый простой способ свести такие данные в таблицу в единицах свободных энергий формации в стандартном состоянии , G _f ^o . Как и следовало ожидать, свободная энергия образования вещества в стандартном состоянии равна разница между свободной энергией вещества и свободными энергиями его элементов в их термодинамически наиболее стабильных состояниях при 1 атм, все измерения проводились при нормативно-государственные условия.

---

Интерпретация стандартной свободной энергии Данные реакции

Теперь мы готовы задать очевидный вопрос: что говорит нам значение G ^o насчет следующей реакции?

N 2 ( г ) + 3 H 2 ( г ) 2 NH 3 ( г )

G или = -32.96 кДж

По определению, значение G ^o для реакции измеряет разницу между свободные энергии реагентов и продуктов , когда все компоненты реакции в штатных условиях .

G ^или поэтому описывает эту реакцию только тогда, когда все три компонента присутствуют при 1 атм. давление.

Знак из G ^o говорит нам, в каком направлении должна сместиться реакция. приходят в равновесие. Тот факт, что G ^o отрицателен для этой реакции при 25 ^o C, означает, что система в условиях нормального состояния при этой температуре должна была бы перейти в справа, превращая некоторые реагенты в продукты, прежде чем они смогут достичь равновесия. Величина звездной величины от G ^o для реакции говорит нам, насколько далеко стандартное состояние от равновесие.Чем больше значение G ^o , тем дальше должна идти реакция, чтобы получить от условий стандартного состояния к равновесию.

Предположим, например, что мы начинаем со следующей реакции при стандартные условия, как показано на рисунке ниже.

N ₂ ( г ) + 3 H ₂ ( г ) 2 NH ₃ ( г )

Значение G в этот момент времени будет равно стандартной свободной энергии для этой реакции G ^o .

Когда Q p = 1:

G = G или

По мере того, как реакция постепенно смещается вправо, преобразование N ₂ и H ₂ в NH ₃ , значение G для реакции уменьшится.Если бы мы могли найти каким-то образом обуздать тенденцию этой реакции прийти к равновесию, мы могли бы получить реакция на работу. Поэтому свободная энергия реакции в любой момент времени называется быть мерой энергии, доступной для выполнения работы.

---

Связь между свободной энергией и Константы равновесия

Когда реакция выходит из стандартного состояния из-за изменения соотношения концентрации продуктов по отношению к реагентам, мы должны описать систему в термины нестандартных свободных энергий реакции.Разница между G ^o и G для реакции составляет важный. Существует только одно значение G ^o для реакции при данной температуре, но есть — бесконечное количество возможных значений G .

На рисунке ниже показана взаимосвязь между G для следующих реакции и логарифм по основанию e коэффициента реакции реакция между N ₂ и H ₂ с образованием NH ₃ .

N ₂ ( г ) + 3 H ₂ ( г ) 2 NH ₃ ( г )

Данные в левой части этого рисунка соответствуют относительно небольшим значениям. из Q _p . Поэтому они описывают системы, в которых гораздо больше реагент, чем продукт. Знак G для этих систем отрицательный, а величина G большая. Система поэтому относительно далеки от равновесия, и реакция должна сместиться вправо, чтобы достичь равновесия.

Данные в правой части рисунка описывают системы, в которых больше продукта, чем реагента. Знак G теперь положительный, а величина G умеренно большая. В знак G говорит нам что реакция должна сместиться влево, чтобы достичь равновесия. Величина G говорит нам, что мы не Чтобы достичь равновесия, нужно зайти так далеко.

Точки, в которых прямая линия на приведенном выше рисунке пересекает особенно важны горизонтальная и вертикальная оси этой диаграммы.Прямая линия пересекает вертикальную ось, когда коэффициент реакции системы равен 1. Это Таким образом, точка описывает условия стандартного состояния, и значение G в этой точке равно к стандартной свободной энергии реакции, G ^o .

Когда Q p = 1 :

G = G или

Точка, в которой прямая линия пересекает горизонтальную ось, описывает система, для которой G равно нулю.Поскольку за реакцией не стоит движущая сила, система должна быть в равновесии.

Когда Q p = K p :

G = 0

Связь между свободной энергией реакции в любой момент времени ( G ) и свободная энергия реакции в стандартном состоянии ( G ^o ) описывается следующим уравнением.

G = G ^или + RT ln Q

В этом уравнении R — постоянная идеального газа в единицах Дж / моль-К, T — температура в кельвинах, ln представляет собой логарифм по основанию e и Q коэффициент реакции в данный момент времени.

Как мы видели, движущая сила химической реакции равна нулю ( G = 0), когда реакция находится в состоянии равновесия ( Q = K ).

0 = G ^или + RT ln K

Таким образом, мы можем решить это уравнение для связи между G ^o и K .

G ^или = — RT ln K

Это уравнение позволяет вычислить константу равновесия для любого реакция от стандартной свободной энергии реакции, или наоборот.

Ключ к пониманию взаимосвязи между G ^o и K признает, что величина G ^o говорит нам, насколько далеко стандартное состояние от равновесие.Чем меньше значение G ^o , тем ближе стандартное состояние к равновесию. Чем больше значение G ^o , тем дальше должна идти реакция, чтобы достичь равновесия. Связь между G ^o и константой равновесия химической реакции имеет вид проиллюстрировано данными в таблице ниже.

Значения G ^o и K для общих реакций при 25 ^o C

Константа равновесия реакции может быть выражена двумя способами: K _c и K _p .Мы можем записать выражения констант равновесия через парциальные давления реагентов и продуктов или их концентрации в единиц молей на литр.

Для газофазных реакций константа равновесия получено из G ^o основано на парциальных давлениях газов ( K _p ). Для реакций в решения, константа равновесия, полученная в результате расчета, основана на концентрации ( K _c ).

---

Температурная зависимость равновесия Константы

Константы равновесия не являются строго постоянными, поскольку они изменяются с изменением температура. Теперь мы готовы понять, почему.

Свободная энергия реакции в стандартном состоянии является мерой того, насколько далеко стандартное состояние происходит от равновесия.

G ^или = — RT ln K

Но величина G ^o зависит от температуры реакции.

G ^или = H ^o — TS ^o

В результате константа равновесия должна зависеть от температуры Реакция.

Хорошим примером этого явления является реакция, в которой NO ₂ димеризуется с образованием N ₂ O ₄ .

2 НО ₂ ( г ) N ₂ O ₄ ( г )

Этой реакции способствует энтальпия, потому что она образует новую связь, которая делает систему более стабильной.Энтропия не способствует реакции, потому что она приводит к уменьшение неупорядоченности системы.

NO ₂ — коричневый газ, а N ₂ O ₄ — бесцветный. Таким образом, мы можем отслеживать степень, в которой NO ₂ димеризуется с образованием N ₂ O ₄ исследуя интенсивность коричневого цвета в запаянной трубке с этим газом. Что должно происходит равновесие между NO ₂ и N ₂ O ₄ как температура понижена?

Для аргументации предположим, что существенных изменений нет. либо H ^o или S ^o по мере охлаждения системы.Вклад в свободную энергию реакции от член энтальпии поэтому постоянен, но вклад энтропийного члена становится меньше при понижении температуры.

G ^или = H ^o — TS ^o

По мере того, как трубка охлаждается, и энтропийный член становится менее важным, чистый эффект — сдвиг равновесия вправо. На рисунке ниже показано, что происходит с интенсивностью коричневого цвета, когда запаянная трубка, содержащая NO ₂ газ погружен в жидкий азот.Резко снижается количество NO ₂ в трубе по мере ее охлаждения до -196 ^o С.

---

Взаимосвязь между свободной энергией и клеткой Потенциалы

Значение G для реакции в любой момент времени говорит нам о двух вещах. Знак G говорит нам, в чем направление реакции должно измениться, чтобы достичь равновесия. Величина G говорит нам, как далеко реакция идет из равновесия в этот момент.

Потенциал электрохимической ячейки — это мера того, насколько далеко окислительно-восстановительная реакция идет от равновесия. Уравнение Нернста описывает взаимосвязь между потенциалом ячейки в любой момент времени и ячейкой в ​​стандартном состоянии потенциал.

Перепишем это уравнение следующим образом.

nFE = nFE ^o — RT ln Q

Теперь мы можем сравнить его с уравнением, используемым для описания взаимосвязи между свободной энергией реакции в любой момент времени и стандартным состоянием свободного энергия реакции.

G = G ^или + RT ln Q

Эти уравнения подобны, потому что уравнение Нернста является частным случаем более общего отношения свободной энергии. Мы можем преобразовать одно из этих уравнений в другой, воспользовавшись следующими соотношениями между свободной энергией реакция и потенциал ячейки реакции, когда она работает как электрохимическая ячейка.

G = — nFE

Гиббса свободной энергии | Безграничная химия

Стандартные изменения свободной энергии

Стандартная свободная энергия Гиббса рассчитывается с использованием свободной энергии образования каждого компонента реакции при стандартном давлении.

Цели обучения

Рассчитайте изменение стандартной свободной энергии для конкретной реакции.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Стандартная свободная энергия вещества представляет собой изменение свободной энергии, связанное с образованием вещества из элементов в их наиболее стабильных формах, существующих в стандартных условиях.
• Объедините стандартную энтальпию образования и стандартную энтропию вещества, чтобы получить стандартную свободную энергию образования.\ circ (\ text {reactants}) [/ latex] может использоваться для определения стандартного изменения свободной энергии реакции.

Ключевые термины

• энтальпия : В термодинамике, мера теплосодержания химической или физической системы.
• энтропия : термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы.
• свободная энергия образования : изменение свободной энергии, которое сопровождает образование 1 моля вещества в его стандартном состоянии из составляющих его элементов в их стандартных состояниях.

Обзор стандартных состояний

Концепция стандартных состояний особенно важна в случае свободной энергии, поэтому уделите время ее обзору. Для большинства практических целей приемлемы следующие определения стандартных состояний:

• Газы: парциальное давление 1 атмосфера.
• Чистые жидкости: жидкость под общим давлением 1 атм.
• Растворенные вещества: эффективная концентрация 1 моль.
• Твердые вещества: чистое твердое вещество под давлением 1 атм.

Отметим также, что на самом деле нет «стандартной температуры», но поскольку в большинстве термодинамических таблиц указаны значения для 298,15 K (25 ° C), эта температура обычно подразумевается. Эти же определения применимы к стандартным энтальпиям и внутренней энергии. Не путайте эти стандартные термодинамические состояния со «стандартной температурой и давлением» (STP), широко применяемой в расчетах газового закона.

Расчет свободной энергии Гиббса

Чтобы использовать энергии Гиббса для предсказания химических изменений, необходимо знать свободные энергии отдельных компонентов реакции.\ circ [/ latex]

Напомним, что символ ° относится к стандартному состоянию вещества, измеренному в условиях давления 1 атм или эффективной концентрации 1 моль и температуры 298K. Другой фактор, который следует иметь в виду, это то, что значения энтальпии обычно даются в [latex] \ frac {\ text {kJ}} {\ text {мол}} [/ latex], а значения энтропии даются в [latex] \ frac { \ text {J}} {\ text {K} \ times \ text {мол}} [/ латекс]. Энергетические единицы должны быть одинаковыми, чтобы правильно решить уравнение.\ circ (\ text {реагенты}) [/ latex]

Как и в случае стандартной теплоты образования, стандартная свободная энергия вещества представляет собой изменение свободной энергии, связанное с образованием вещества из элементов в их наиболее стабильных формах, поскольку они существуют при стандартных условиях давления 1 атм и 298К. Стандартные свободные энергии Гиббса образования обычно находятся непосредственно из таблиц. Как только значения для всех реагентов и продуктов известны, можно найти стандартное изменение свободной энергии Гиббса для реакции.\ circ (\ text {rxn}) = -257,2 \ \ text {кДж} [/ латекс]

Изменения свободной энергии в химических реакциях

ΔG определяет направление и степень химического изменения.

Цели обучения

Вспомните возможные изменения свободной энергии для химических реакций.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Если свободная энергия реагентов больше, чем у продуктов, энтропия мира будет увеличиваться, когда реакция происходит, как написано, и поэтому реакция будет иметь тенденцию происходить спонтанно.
• Если свободная энергия продуктов превышает свободную энергию реагентов, то реакция не состоится.
• Важным следствием одностороннего нисходящего пути свободной энергии является то, что как только она достигает минимально возможного значения, чистое изменение прекращается.
• При спонтанном изменении энергия Гиббса всегда уменьшается и никогда не увеличивается.

Ключевые термины

• спонтанное изменение : Спонтанный процесс — это эволюция системы во времени, в которой она высвобождает свободную энергию (обычно в виде тепла) и переходит в более низкое, более термодинамически стабильное энергетическое состояние.

Направление и масштабы химических изменений

ΔG определяет направление и степень химического изменения. Помните, что ΔG имеет значение только для изменений, при которых температура и давление остаются постоянными. Это условия, при которых большинство реакций проводится в лаборатории. Система обычно открыта для атмосферы (постоянное давление), и процесс начинается и заканчивается при комнатной температуре (после того, как все тепло, которое было добавлено или высвободилось в результате реакции, рассеивается.)

Важность функции Гиббса трудно переоценить: она определяет, возможно ли данное химическое изменение термодинамически. Таким образом, если свободная энергия реагентов больше, чем у продуктов, энтропия мира будет увеличиваться, и реакция протекает самопроизвольно. И наоборот, если свободная энергия продуктов превышает свободную энергию реагентов, реакция не состоится.

При спонтанном изменении энергия Гиббса всегда уменьшается и никогда не увеличивается.Это, конечно, отражает тот факт, что энтропия мира ведет себя прямо противоположным образом (из-за отрицательного знака в члене TΔS). Вот пример:

[латекс] {\ text {H}} _ {2} \ text {O} (\ text {liquid}) \ rightarrow {\ text {H}} _ {2} \ text {O} (\ text {ice }) [/ latex]

Вода при температуре ниже нуля градусов Цельсия испытывает снижение своей энтропии, но тепло, выделяемое в окружающую среду, более чем компенсирует это, поэтому энтропия мира увеличивается, свободная энергия H ₂ O уменьшается, и процесс происходит самопроизвольно. .

Важным следствием одностороннего нисходящего пути свободной энергии является то, что как только она достигает минимально возможного значения, чистое изменение прекращается. Это, конечно, представляет собой состояние химического равновесия. Эти отношения резюмируются следующим образом:

• [латекс] \ Delta \ text {G} <0 [/ latex]: реакция будет происходить спонтанно справа.
• [latex] \ Delta \ text {G}> 0 [/ latex]: реакция будет происходить спонтанно слева.
• [латекс] \ Delta \ text {G} = 0 [/ latex]: реакция находится в равновесии и не будет идти ни в одном направлении.

Условия самопроизвольного изменения

Напомним условие самопроизвольного изменения:

ΔG = ΔH — TΔS <0

, где ΔG = изменение свободной энергии Гиббса, ΔH = изменение энтальпии, T = абсолютная температура и ΔS = изменение энтропии

Очевидно, что температурная зависимость ΔG почти полностью зависит от изменения энтропии, связанного с процессом. (уместно сказать «почти», потому что значения ΔH и ΔS сами по себе немного зависят от температуры; оба постепенно увеличиваются с температурой).В частности, обратите внимание, что в приведенном выше уравнении знак изменения энтропии определяет, станет ли реакция более или менее спонтанной при повышении температуры.

Для любой данной реакции знак ΔH также может быть положительным или отрицательным. Это означает, что существует четыре возможности влияния температуры на спонтанность процесса:

Случай 1: ΔH

<0 и ΔS> 0

В этих условиях оба члена ΔH и TΔS будут отрицательными, поэтому ΔG будет отрицательным независимо от температуры.Экзотермическая реакция, энтропия которой возрастает, будет спонтанной при всех температурах.

Случай 2: ΔH

<0 и ΔS <0

Если реакция достаточно экзотермична, она может привести к отрицательному значению ΔG только при температурах, ниже которых | TΔS | <| ΔH |. Это означает, что существует температура, определяемая [латексом] \ text {T} = \ frac {\ Delta \ text {H}} {\ Delta \ text {S}} [/ latex], при которой реакция находится в равновесии; реакция будет происходить самопроизвольно только ниже этой температуры. Замерзание жидкости или конденсация газа - наиболее распространенные примеры этого состояния.

Случай 3: ΔH> 0 и ΔS> 0

Это обратное предыдущему случаю; увеличение энтропии должно преодолеть недостаток эндотермического процесса, так что TΔS> ΔH. Поскольку влияние температуры должно «усилить» влияние положительного ΔS, процесс будет самопроизвольным при температурах выше [латекса] \ text {T} = \ frac {\ Delta \ text {H}} {\ Delta \ текст {S}} [/ latex]. (Подумайте о плавлении и кипении.)

Случай 4: ΔH> 0 и ΔS

<0

Поскольку оба ΔH и ΔS работают против этого, этот вид процесса не будет происходить самопроизвольно при любой температуре.Вещество А всегда имеет большее количество доступных энергетических состояний и поэтому всегда является предпочтительной формой.

Изменения свободной энергии для нестандартных состояний

Одиночная реакция может иметь бесконечное количество значений ΔG, отражающих бесконечное количество возможных составов между реагентами и продуктами.

Цели обучения

Различия между бесплатными изменениями для стандартных и нестандартных состояний.

Основные выводы

Ключевые моменты

• ΔG ° и ΔG _f ° относятся к единичным специфическим химическим изменениям, при которых все компоненты (реагенты и продукты) находятся в своих стандартных состояниях.
• Физический смысл ΔG заключается в том, что он говорит нам, насколько изменилась свободная энергия системы от G ° чистых реагентов.
• Когда ΔG достигает своего минимального значения, состав системы находится на своем равновесном значении.

Ключевые термины

• свободная энергия : разница между внутренней энергией системы и произведением ее энтропии и абсолютной температуры.
• равновесие : Состояние реакции, в котором скорости прямой и обратной реакций одинаковы.{\ circ} [/ латекс]. На горизонтальной оси схематично показаны относительные концентрации реагентов и продуктов в любой точке процесса. Обратите внимание, что происхождение соответствует составу, при котором половина реагентов была преобразована в продукты.

  ΔG по сравнению с G ° : ΔG отложено по вертикальной оси для двух гипотетических реакций, имеющих противоположные знаки ΔG °.

  Обратите внимание на следующее:

  • Красная линия слева отображает значения [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] для реакции [latex] \ Delta \ text {G} ^ {\ circ} [/ latex]> 0. .{\ circ} [/ latex], соответствующий составу, при котором [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] = 0 (точка 1).
  • На данный момент некоторые продукты образовались, но в составе все еще преобладают реагенты.
  • Если реакция начинается в композиции слева от точки 1 на диаграмме, [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] будет отрицательным, и композиция переместится вправо. Точно так же, если реакция начинается с композиции справа от точки 1 на диаграмме, [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] будет положительным, и композиция переместится влево.{\ circ} [/ latex] не означает, что никакие продукты не образуются вообще.

    Возможные значения

    Напротив, состав химической реакционной системы постоянно изменяется, пока не будет достигнуто состояние равновесия. Следовательно, одна реакция может иметь бесконечное количество значений [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex], отражающих бесконечное количество возможных составов между крайними значениями чистых реагентов и чистых продуктов.

    В примере реакции [латекс] \ text {A} \ rightarrow \ text {B} [/ latex], изображенной на следующей диаграмме, стандартная свободная энергия продуктов (точка 2) меньше, чем у реагенты (точка 1), поэтому реакция будет происходить самопроизвольно.Это не означает, что каждый моль чистого A превратится в один моль чистого B.

    Изменение свободной энергии нестандартного состояния : График [латекса] \ text {G} (\ text {T}, \ text {p}) = \ text {f} (\ xi) [/ latex]. Одна реакция может иметь бесконечное количество значений [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex].

    Физический смысл [латекса] \ Delta \ text {G} [/ latex] заключается в том, что он сообщает нам, насколько сильно изменилась свободная энергия системы от G ° чистых реагентов (точка 1). По мере того, как реакция идет вправо, состав меняется, и [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] начинает падать.Когда композиция достигает точки 3, [латекс] \ Delta \ text {G} [/ latex] достигает минимального значения, и дальнейшая реакция может вызвать его подъем. Но поскольку свободная энергия может только уменьшаться, но никогда не увеличиваться, этого не происходит. Состав системы постоянно остается на своем равновесном значении.

    Давление и свободная энергия

    Свободная энергия Гиббса зависит от давления.

    Цели обучения

    Обсудите взаимосвязь между свободной энергией и давлением.

    Основные выводы

    Ключевые моменты

    • Энергия Гиббса (также называемая ∆G) — это также химический потенциал, который сводится к минимуму, когда система достигает равновесия при постоянном давлении и температуре.
    • Уравнение свободной энергии Гиббса зависит от давления.
    • Это удобный критерий спонтанности для процессов с постоянным давлением и температурой.

    Ключевые термины

    • химический потенциал : В термодинамике химический потенциал, также известный как частичная молярная свободная энергия, представляет собой форму потенциальной энергии, которая может поглощаться или выделяться во время химической реакции.

    Свободная энергия Гиббса измеряет полезную работу, получаемую от термодинамической системы при постоянных температуре и давлении. Как и в механике, где потенциальная энергия определяется как способность совершать работу, так и разные потенциалы имеют разное значение. Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы.

    Уравнение свободной энергии Гиббса : Уравнение свободной энергии Гиббса зависит от давления.

    Когда система переходит из начального состояния в конечное, свободная энергия Гиббса (ΔG) равна работе, которой система обменивается с окружающей средой, за вычетом работы силы давления. Энергия Гиббса (также называемая ∆G) — это также химический потенциал, который сводится к минимуму, когда система достигает равновесия при постоянном давлении и температуре. По сути, это удобный критерий спонтанности для процессов с постоянным давлением и температурой. Следовательно, свободная энергия Гиббса наиболее полезна для термохимических процессов при постоянной температуре и давлении.

    Свободная энергия и работа

    Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы.

    Цели обучения

    Определите взаимосвязь между свободной энергией Гиббса и работой.

    Основные выводы

    Ключевые моменты

    • Когда система переходит из четко определенного начального состояния в четко определенное конечное состояние, свободная энергия Гиббса, ΔG, равна работе, совершаемой / обмениваемой системой с ее окружением, за вычетом работы сил давления.
    • «Полезная» работа — это чаще всего электромонтажные работы (перемещение электрического заряда через разность потенциалов).

    Ключевые термины

    • работа : В термодинамике работа, выполняемая замкнутой системой, — это энергия, передаваемая другой системе, которая измеряется внешними обобщенными механическими ограничениями системы.

    Свободная энергия Гибба и «полезная» работа

    Энергия Гиббса — это максимальная полезная работа, которую система может выполнять со своим окружением, когда процесс, происходящий внутри системы, обратим при постоянной температуре и давлении.Как и в механике, где потенциальная энергия определяется как способность выполнять работу, разные потенциалы имеют разное значение. Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы. Работа выполняется за счет внутренней энергии системы. Энергия, которая не извлекается в процессе работы, обменивается с окружающей средой в виде тепла.

    Схема работы : Обратимое условие подразумевает wmax и qmin. Невозможность извлечения всей внутренней энергии в качестве работы, по сути, является утверждением Второго Закона.

    Название «свободная энергия» для G привело к такой путанице, что многие ученые теперь называют его просто «энергией Гиббса».

    No related posts.