2. Механокалорический эффект

Входы: разность давлений.

Выходы: температура.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.14. Принцип механокалорического эффекта

Сущность:

Механокалорический эффект - явление охлаждения сверхтекучего жидкого гелия при температуре T<T_λ , где T_λ  - температура фазового перехода, вытекающего из сосуда через узкий капилляр, под действием разности давлений, сопровождаемое разогревом гелия, остающегося в сосуде. Обратный процесс - термомеханический эффект (эффект фонтанирования) - появление в сверхтекучей жидкости разности давлений (градиента давлений), обусловленной разностью температур (градиентом температур).

Жидкий гелий (⁴Не) - бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при атмосферном давлении при температуре 4,44 К. Затвердевает жидкий гелий при давлении больше 25 атмосфер. При температуре T_λ=2.17K  и давлении насыщенных паров ⁴Не испытывает фазовый переход второго рода. Гелий при  T>T_λ  называется НеI, а при T<T_λ  называется НеII. При T_λ наблюдается аномалия теплоемкости. Теплопроводность НеII в миллионы раз превосходит теплопроводность НеI. Такое различие в величине теплопроводности приводит к резкому отличию в поведении НеI и НеII. НеI бурно кипит, а НеII представляет жидкость со спокойной поверхностью.

Математическое описание:

Условие обратимости и остановки процесса:

∆p = ρ S∆T, где

ρ – плотность гелия,

S - энтропия единицы массы гелия,

∆p - разность давлений,

∆T - разность температур.

Применение:

Физический эффект применяется в криогенной технике.

3. Магнуса эффект

Входы: скорость жидкости.

Выходы: сила.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.15. Схема эффекта Магнуса (1 – пограничный слой)

Рис. 2.16. Схема скатывающегося цилиндра

Сущность:

Возникновение подъемной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа.

Вращающийся твердый цилиндр образует в неограниченной массе вязкой жидкости или газа вихревое движение (рис. 2.15a) с интенсивностью J. Движущийся поступательно (не вращающийся) с относительной скоростью V₀ цилиндр обтекается ламинарным потоком, являющимся невихревым (рис. 2.15b). Если цилиндр вращается и одновременно движется поступательно, то два окружающих его потока наложатся друг на друга и создадут результирующий поток обтекания (рис. 2.15c).

При вращении цилиндра приходит в движение и жидкость. Движение в пограничном слое вихревое; оно слагается из потенциального движения, на которое накладывается вращение. Сверху цилиндра направление потока совпадает с направлением вращения цилиндра, а снизу - противоположно ему. Частицы в пограничном слое сверху цилиндра ускоряются потоком, что препятствует отрыву пограничного слоя. Снизу поток тормозит движение в пограничном слое, что способствует его отрыву. Отрывающиеся части пограничного слоя уносятся потоком в виде вихрей. Вследствие этого вокруг цилиндра возникает циркуляция скорости в том же направлении, в каком вращается цилиндр. Согласно закону Бернулли, давление жидкости на верхнюю часть цилиндра будет меньше, чем на нижнюю. Это приводит к возникновению вертикальной силы, называемой подъемной силой. При изменении направления вращения цилиндра на противоположное, подъемная сила также меняет направление на противоположное.

В эффекте Магнуса сила F_под перпендикулярна скорости потока V₀. Чтобы найти направление этой силы, нужно вектор относительной скорости  V₀ повернуть на 90° в сторону, противоположную вращению цилиндра.

Эффект Магнуса можно наблюдать на опыте со скатывающимся по наклонной плоскости легким цилиндром (рис. 2.16).

После скатывания по наклонной плоскости центр масс цилиндра движется не по параболе, как двигалась бы материальная точка, а по кривой, уходящей под наклонную плоскость.

Математическое описание:

Формула Жуковского-Кутта: 

F_R= JρV₀,

F_R- подъемная сила;

J - интенсивность движения вокруг цилиндра;

ρ - плотность жидкости;

V₀ - относительная скорость потока.

J=2Sω,  

S - площадь цилиндра;

ω - угловая скорость вращения цилиндра.

Применение:

Эффект Магнуса применяется в гидроаэромеханике, в технологических процессах разделения веществ на фракции и т.д. Эффект Магнуса используется для разделения неоднородных жидких сред на легкую и тяжелую фракции.