Что такое гибридизация в ноутбуке
На прошлой неделе произошло знаменательное событие в автомобильном мире — самым продаваемым автомобилем на одном из крупнейших автомобильных рынков мира стал гибрид. В Японии подвели итоги продаж за 2009 год и выяснили, что самым продаваемым новым автомобилем в стране стала Toyota Prius. За год эту модель с гибридной силовой установкой приобрели сразу 208876 японцев. Эта новость подтверждает тот факт, что электричество наступает на «пятки» традиционным видам топлива, занимая все более устойчивые позиции.
Конечно, не стоит отбрасывать то, что гибрид, стал самым продаваемым автомобилем в такой высокоразвитой и высокотехнологичной стране как Япония, но преимущества гибридных технологий понимают не только японцы. Ведь гибридные технологии разрабатывают и успешно внедряют не только в стране восходящего солнца. Гибрид является компромиссом между автомобилем с традиционным двигателем внутреннего сгорания и электромобилем. Человечеству эволюционный путь как-то поближе революционного будет, поэтому переход от бензина (или дизеля) к электричеству происходит через гибриды. И если электромобиль все же пока является чем-то из разряда научной фантастики для большинства автолюбителей, гибридные автомобили выпускаются серийно с 1997 года (именно тогда и вышла «в серию» Toyota Prius).
Популярность гибридов в России в целом и в Красноярске в частности не сравнится с японской статистикой. В том числе и потому что мы мало знаем о том, как устроены эти автомобили, и что вообще такое «гибрид». Постараемся заполнить пробелы в гибридной эрудиции.
ДВС и электротяга
Гибридный привод — это симбиоз традиционного ДВС и электромотора. У каждого из его составляющих есть свои преимущества и недостатки. Обычный автомобиль может проехать на одном баке 400-500 км, при этом он выбрасывает в атмосферу определенный объем вредных веществ. Заправку сейчас можно найти даже в заповедных зонах российской тайги, ну или в конце концов можно всегда кинуть в багажник канистру с дополнительным топливом. Электромобиль на одном заряде батарей может проехать примерно 80-150 км, при этом не выбросив в атмосферу вообще ничего. Но что делать, если вы исчерпали ресурс батарей, а розетки поблизости нет? Паниковать или проклинать «батарейку на колесах». Если же вы нашли розетку, то процесс зарядки батарей займет не один час, что, конечно, играет не в пользу электромотора. Зато у электродвигателя есть свои неоспоримые преимущества перед ДВС. Например, электромотор не нужно заводить и «раскручивать», не надо глушить, он не потребляет энергии, пока вы стоите, и не работает на холостых оборотах. Нажали на педаль акселератора — получили мгновенную максимальную тягу на колесах. Электродвигатель эффективней ДВС в режиме частых стартов и торможений, а ДВС наиболее эффективен на постоянных, оптимальных для двигателя оборотах.
Гибридные автомобили используют все преимущества ДВС и электромотора, а недостатков их не имеют, т.к. они перекрываются достоинствами «конкурирующей» силовой установки. Гибрид — это симбиоз ДВС и электромотора. ДВС крутит генератор и питает энергией электромотор, а тот позволяет ДВС работать без резких разгонных нагрузок.
Но недостатки у гибридов, конечно, имеются. Более сложная схема силовой установки не может не отражаться на цене таких автомобилей. Аккумуляторные батареи чувствительны к морозам, подвержены саморазряду и имеют ограниченный срок службы. А основное преимущество гибрида — экономичность — зависит, в первую очередь, от состояния аккумуляторной батареи. Т.к. гибриды не так распространены, то на них сложней найти запчасти, да и за ремонт сложного агрегата возьмется не каждый сервис.
Гибридная классификация
По роли, которую играет в силовой установке электромотор, все гибриды можно разделить на умеренные (mild hybrids) и полные (full hybrids). У первых электромотор служит лишь помощником двигателю внутреннего сгорания. Вторые способны проехать некоторое расстояние на одной электротяге.
Существует также три основных схемы устройства гибридных установок.
Последовательная схема
Эту схему придумал еще в 1899 году Фердинанд Порше. ДВС в ней используется только для привода генератора, а вырабатываемая последним электроэнергия заряжает аккумуляторную батарею и питает электродвигатель, который и вращает ведущие колеса. При такой схеме в автомобиле отсутствует коробка передач и сцепление, т.к. электродвигателю они не нужны. Зато такому электромотору необходимы аккумуляторные батареи большой емкости.
Наиболее эффективна последовательная схема при движении в режиме частых остановок, торможений и ускорений, движении на низкой скорости, т.е. в городе. Поэтому ее используют в городском транспорте, а также в больших карьерных самосвалах, где необходимо передать большой крутящий момент на колеса, и не требуются высокие скорости движения.
Параллельная схема
Эта схема была запатентована в 1905 году немцем Генри Пипером. Эта схема сейчас самая распространенная. При ней ведущие колеса приводятся в движение как ДВС, так и электродвигателем, который также работает и в качестве генератора. Для их согласованной параллельной работы используется компьютерное управление. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии (как правило, используется вариатор или планетарная передача). Крутящий момент, поступающий от двух источников, распределяется в зависимости от условий движения: в переходных режимах (старт, ускорение) в помощь ДВС подключается электродвигатель, а в устоявшихся режимах и при торможении он работает как генератор, заряжая аккумулятор (рекуперативное торможение). Таким образом, в параллельных гибридах большую часть времени работает ДВС, а электродвигатель используется для помощи ему.
Параллельную схему использует компания Honda, которая выпустила свой первый серийный гибрид Insight на рынок в 1999 году. Позже в продаже появился гибридный Civic. А недавно к ним добавилась новая модель CR-Z, которая появится в продаже этим летом и помимо всего прочего уникальная тем, что будет доступна, в том числе, с шестиступенчатой «механикой». Жаль, что ни один хондовский гибрид не продается на территории России.
Последовательно-параллельная схема
По этой схеме работает Toyota. Разработанная этой компанией система Hybrid Synergy Drive (HSD) объединяет в себе особенности двух предыдущих типов. В схему параллельного гибрида добавляется отдельный генератор и делитель мощности (планетарный механизм). В результате гибрид приобретает черты последовательного гибрида: автомобиль трогается и движется на малых скоростях только на электротяге. На высоких скоростях и при движении с постоянной скоростью подключается ДВС. При высоких нагрузках (ускорение, движение в гору и т.п.) электродвигатель дополнительно подпитывается от аккумулятора — т.е. гибрид работает как параллельный. Благодаря наличию отдельного генератора, заряжающего батарею, электродвигатель используется только для привода колес и при рекуперативном торможении. Планетарный механизм передает часть мощности ДВС на колеса, а остальную часть на генератор, который либо питает электродвигатель, либо заряжает батарею. Компьютерная система постоянно регулирует подачу мощности от обоих источников энергии для оптимальной эксплуатации при любых условиях движения. В этом типе гибрида большую часть времени работает электродвигатель, а ДВС используется только в наиболее эффективных режимах. Поэтому его мощность может быть ниже, чем в параллельном гибриде.
Большинство ДВС, установленных на гибридах — бензиновые. Многие из них работают по циклу Аткинсона, а не по циклу Отто, как обычные двигатели. Цикл Аткинсона характерен более коротким тактом сжатия и более эффективным рабочим процессом. Это обеспечивает лучшие экологические и экономические показатели, но меньшую по сравнению с циклом Отто мощность. Но ДВС в гибриде как раз функционирует в малонагруженных режимах, когда этот недостаток не так существенен.
Ввиду того, что последовательно-параллельный гибрид нуждается в отдельном генераторе, большем блоке батарей, и более производительной и сложной компьютерной системе управления, его стоимость выше, чем при последовательной или параллельной схеме.
Последовательно-параллельная схема, разработанная «Тойотой» используется ими в таких гибридах как Toyota Prius, Toyota Camry, Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Toyota Harrier Hybrid, Lexus GS 450h и Lexus LS 600h. К тому же ноу-хау компании Тойота куплено компаниями Ford и Nissan и использовано при создании Ford Escape Hybrid и Nissan Altima Hybrid.
Гибридизация
Как мы уже отмечали, гибрид — это своего рода компромисс между обычным автомобилем и электромобилем. И считать гибрид транспортным средством будущего было бы неправильным. Скорее это промежуточный этап на пути к автомобилю с электрической силовой установкой. От чего ушли, к тому и возвращаемся. Мало кто знает, что электричество в качестве источника энергии для автомобиля начали использовать раньше, чем бензин. Но история сложилась так, что сейчас автомобильное электричество — это пока будущее, к которому мы идем. Гибридизация же помогает сделать этот переход более мягким и заодно развить новые технологии, которые помогут сделать электромобиль оптимальной и более выгодной альтернативой обычному автомобилю.
Гибриды разрабатывают и выпускают сейчас практически все мировые производители, но коснется ли гибридизация в ближайшее время России, неизвестно. Сейчас официально свои гибриды у нас продает Toyota (модель Prius) и Lexus (гибридные версии моделей GS, LS, RX). Популярностью они не пользуются. Думается, ввиду своей немалой стоимости. С «Лексусом» и так все ясно, а новый Prius у дилера можно купить за 1 млн 177 тысяч рублей – гибридные технологии стоят немалых денег. Подержанные «Приусы», привезенные из Японии в Красноярске есть, но тоже в очень малом количестве. Если учесть, что срок жизни аккумуляторной батареи в японских условиях составляет примерно 7 лет, то большого смысла приобретать старый Prius за его «гибридные выгоды» (расход — 4 литра бензина на 100 км) нет, т.к. в скором времени они сойдут на нет. Но все же хочется верить, что гибридизация приживется и на русской земле.
В Японии компания Sharp презентовала робота с функцией смартфона (или наоборот) – РоБоФон. Гаджет разработал автор знаменитого Kirobo Томотака Такахаси, Sharp снабдили робота процессором Qualcomm Snapdragon 400 MSM 8926, Wi-Fi и LTE-модулями и сенсорным дисплеем на спинке. Он ходит, отображает проекции, разговаривает и воспринимает голосовые команды владельца. Такахаси на презентации заявил, что гибридизация с робототехникой – единственная стезя развития не только голосового управления, но и всего зашедшего в тупик мобильного рынка.
По мнению японского инженера, технология голосовых команд смартфону столкнулась с непреодолимым психологическим барьером: разговаривать в людном месте с мобильным гаджетом глупо, но беседа с очеловеченным телефоном, маленьким роботом с имитацией внимания – другое дело. К сожалению, роскошь такой беседы смогут позволить себе лишь состоятельные фанаты хай-тека, коих, впрочем, в Стране восходящего солнца немало. Мировые разработчики частенько предлагают потребителю совмещение технологий и гибриды различных функций гаджетов, выполняющих схожие функции. Мы подобрали некоторые, самые заметные из них, в нашем традиционном обзоре.
НОУТБУК И ПЛАНШЕТ
Самый известный и самый полезный из гибридов. Корпорация ASUS когда-то взорвала рынок выпуском недорогого ноутбука со съемной клавиатурой и полным функционалом планшетного компьютера с его приложениями для сенсорного экрана. Идея была хороша и для бизнеса, и просто для продвинутых пользователей, поэтому сегодня почти у всех крупных производителей в линейках компьютерной техники есть подобные устройства. И они востребованы.
ПЛАНШЕТ И СМАРТФОН
И в этом сегменте тоже преуспел ASUS. Их опытный образец Padfone – стыкующиеся друг к другу планшет и смартфон – выглядит стильно и удобно. Гаджеты работают как отдельно, так и в состыкованном состоянии, причем во втором случае планшет получает дополнительный ресурс мощности, памяти и даже заряда батареи. Правда, стоит такой девайс как два самостоятельных гаджета, и по ресурсам принципиальной победы не приносит.
МЫШЬ И ТЕЛЕФОН
Продолжит тему компьютеров идея еще одних крупных японских игроков – Sony – мышь VAIO VN-CX1A, в развернутом виде превращающаяся в трубку для IP-телефона или гарнитуру для разговора по Skype. Наверное, удобно для работы в офисе, но в домашних условиях сомнительно, да еще за запрошенные 2000 рублей.
НАВИГАТОР И ВИДЕОРЕГИСТРАТОР
Устройство весьма удобное, учитывая, что автомобилисты обычно устанавливают два эти гаджета примерно в одном и том же месте. Совмещение функций навигатора и видеорегистратора экономит место на приборной панели (или лобовом стекле, к которому девайсы крепятся на присоски), устройство занимает всего один разъем зарядного устройства и ощутимо дешевле стоит. Существуют подобные гибриды, имеющие в своем арсенале радар-детекторы, подающие звуковое оповещение в зоне действия устройств фиксации скоростного режима. Они несколько массивнее, зато их функционал даже при желании сложно заменить обычным смартфоном.
ГИБРИДНЫЙ БРАСЛЕТ ОТ LG
ПЛАНШЕТ И ЭЛЕКТРОННАЯ КНИГА
Корпорация Amazon уже несколько лет разрабатывает планшет 2 в 1, имеющий два дисплея – стандартный LCD и E-Ink в качестве электронной книги. Дело в том, что как бы совершенен ни был современный Ultra HD-дисплей планшета, ничего лучше для многочасового чтения текста, чем электронные чернила, еще не придумали. Поэтому в Amazon и решили совместить две технологии отображения – точнее, поместить на задней крышке планшета экран E-Ink. Перспективная идея, по всей видимости, уперлась в тупик высокой стоимости концепта и узости сегмента.
РОБОТ И ЧЕЛОВЕК
Конечно, при слове киборг любой современный человек сразу вспоминает Терминатора (в образе бывшего губернатора Калифорнии), однако создание робота под живыми тканям не столь фантастично, как можно представить. Недавние исследования двух хирургов из Калифорнийского университета в Дэвисе показали, что полимерная ткань (а вовсе не металл) под воздействием электрических импульсов вполне способна управляемо сокращаться. Это означает, что вшитый в живую ткань экзоскелет, используя импульсы живого мозга, способен двигать конечностями из полимерных тканей. Разработки, конечно, еще далеки от высоких результатов, но принципиальная возможность такого механизма доказана, а значит, время покажет. Технологии гибридизации робота и человека позволят вернуть моторику парализованным вследствие инсультов, различных синдромов вроде болезни Мёбиуса, а также потерявшим конечности людям. И это, возможно, будет самый важный технологический гибрид.
Большинство органических соединений имеют молекулярное строение. Атомы в веществах с молекулярным типом строения всегда образуют только ковалентные связи друг с другом, что наблюдается и в случае органических соединений. Напомним, что ковалентным называется такой вид связи между атомами, который реализуется за счет того, что атомы обобществляют часть своих внешних электронов с целью приобретения электронной конфигурации благородного газа.
По количеству обобществлённых электронных пар ковалентные связи в органических веществах можно разделить на одинарные, двойные и тройные. Обозначаются данные типы связей в графической формуле соответственно одной, двумя или тремя чертами:
Кратность связи приводит к уменьшении ее длины, так одинарная С-С связь имеет длину 0,154 нм, двойная С=С связь – 0,134 нм, тройная С≡С связь – 0,120 нм.
Типы связей по способу перекрывания орбиталей
Как известно, орбитали могут иметь различную форму, так, например, s-орбитали имеют сферическую, а p-гантелеобразную форму. По этой причине связи также могут отличаться по способу перекрывания электронных орбиталей:
• ϭ-связи – образуются при перекрывании орбиталей таким образом, что область их перекрывания пересекается линией, соединяющей ядра. Примеры ϭ-связей:
• π-связи – образуются при перекрывании орбиталей, в двух областях – над и под линией соединяющей ядра атомов. Примеры π-связей:
Как узнать, когда в молекуле есть π- и ϭ-связи?
При ковалентном типе связи ϭ-связь между любыми двумя атомами есть всегда, а π-связь имеет только в случае кратных (двойных, тройных) связей. При этом:
- Одинарная связь – всегда является ϭ-связью
- Двойная связь всегда состоит из одной ϭ- и одной π-связи
- Тройная связь всегда образована одной ϭ- и двумя π-связями.
Укажем данные типы связей в молекуле бутин-3-овой кислоты:
Гибридизация орбиталей атома углерода
Гибридизацией орбиталей называют процесс, при котором орбитали, изначально имеющие разные формы и энергии смешиваются, образуя взамен такое же количество гибридных орбиталей, равных по форме и энергии.
Так, например, при смешении одной s- и трех p-орбиталей образуются четыре sp 3 -гибридных орбитали:
В случае атомов углерода в гибридизации всегда принимает участие s-орбиталь, а количество p-орбиталей, которые могут принимать участие в гибридизации варьируется от одной до трех p-орбиталей.
Как определить тип гибридизации атома углерода в органической молекуле?
В зависимости от того, со скольким числом других атомов связан какой-либо атом углерода, он находится либо в состоянии sp 3 , либо в состоянии sp 2 , либо в состоянии sp-гибридизации:
Потренируемся определять тип гибридизации атомов углерода на примере следующей органической молекулы:
- Первый атом углерода связан с двумя другими атомами (1H и 1C), значит он находится в состоянии sp-гибридизации.
- Второй атом углерода связан с двумя атомами – sp-гибридизация
- Третий атом углерода связан с четырьмя другими атомами (два С и два Н) – sp 3 -гибридизация
- Четвертый атом углерода связан с тремя другими атомами (2О и 1С) – sp 2 -гибридизация.
Радикал. Функциональная группа
Под термином радикал, чаще всего подразумевают углеводородный радикал, являющийся остатком молекулы какого-либо углеводорода без одного атома водорода.
Название углеводородного радикала формируется, исходя из названия соответствующего ему углеводорода заменой суффикса –ан на суффикс –ил.
Функциональная группа — структурный фрагмент органической молекулы (некоторая группа атомов), который отвечает за её конкретные химические свойства.
В зависимости того, какая из функциональных групп в молекуле вещества является старшей, соединение относят к тому или иному классу.
R – обозначение углеводородного заместителя (радикала).
Радикалы могут содержать кратные связи, которые тоже можно рассматривать как функциональные группы, поскольку кратные связи вносят вклад в химические свойства вещества.
Если в молекуле органического вещества содержится две или более функциональных группы, такие соединения называют полифункциональными.
Типы связей в молекулах органических веществ. Гибридизация атомных орбиталей углерода. Радикал. Функциональная группа.
| σ-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит вдоль оси, соединяющей ядра атомов. |
σ-Связь может быть образована любыми типами орбиталей (s, p, d, гибридизованными).
σ-Связь — это основная связь в молекуле, которая преимущественно образуется между атомами.
Между двумя атомами возможна только одна σ-связь.
 |  |
 |  |
 |  |
| π-Связь — это связь, в которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной оси, соединяющей ядра атомов, сверху и снизу от оси связи. |
π-Связь образуется при перекрывании только р- (или d) орбиталей, перпендикулярных линии связи и параллельных друг другу.
π-Связь является дополнительной к σ-связи, она менее прочная и легче разрывается при химических реакциях.
Электронная формула атома углерода в основном состоянии:
+6С 1s 2 2s 2 2p 2
+6С 1s 2s 2p
В возбужденном состоянии: один электрон переходит с 2s-подуровня на 2р-подуровень.
+6С * 1s 2 2s 1 2p 3
+6С * 1s 2 2s 1 2p 3
Таким образом, в возбужденном состоянии углерод содержит четыре неспаренных электрона, может образовать четыре химические связи и проявляет валентность IV в соединениях.
При образовании четырех химических связей атомом углерода происходит гибридизация атомных орбиталей.
В гибридизацию вступают атомные орбитали с небольшой разницей в энергии (как правило, орбитали одного энергетического уровня). В зависимости от числа и типа орбиталей, участвующих в гибридизации, для атома углерода возможны sp 3 , sp 2 и sp-гибридизация.
sp 3 -Гибридизация
В sp 3 -гибридизацию вступают одна s-орбиталь и три p-орбитали. При этом образуются четыре sp 3 -гибридные орбитали:
| Четыре sp 3 -гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным. |
Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в состоянии sp 3 -гибридизации направлены в пространстве под углом 109 о 28’ друг к другу, что соответствует тетраэдрическому строению.
| Например, в молекуле метана CH4 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдра, центром которого является атом углерода. Валентный угол Н–С–Н в метане равен 109 о 28’ |
Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов углерода.
| Например, пространственное строение н-бутана |
sp 2 -Гибридизация
В sp 2 -гибридизацию вступают одна s-орбиталь и две p-орбитали. Одна p-орбиталь не гибридизуется:
| Три sp 2 -гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным. |
Поэтому три sp 2 -гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 120 о друг к другу, что соответствует плоскому строению (треугольник).
| Например, молекула этилена C2H4 имеет плоское строение. Сигма-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания sp 2 -гибридных орбиталей. Пи-связь между атомами углерода образуется за счет перекрывания негибридных р-орбиталей. |
Модель молекулы этилена:
sp-Гибридизация
В sp-гибридизацию вступают одна s-орбиталь и одна p-орбиталь. Две p-орбитали не вступают в гибридизацию:
| Две sp-гибридные орбитали атома углерода направлены в пространстве под углом 180 о друг к другу, что соответствует линейному строению. |
При этом две р-орбитали располагаются перпендикулярно друг другу и перпендикулярно линии, на которой расположены гибридные орбитали.
| Например, молекула ацетилена имеет линейное строение. |
Добавить комментарий Отменить ответ
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.
Читайте также: