I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
1-1.Основные положения молекулярно-кинетической теории.
Тепловое расширение
Основные положения молекулярно-кинетической теории вещества построены как результат значительного числа наблюдений, опытов и умозаключений. Соответственно, эти положения дают ключ к пониманию многих явлений, которые традиционно рассматриваются в разделах «Молекулярная физика».
1. Все тела состоят из атомов или молекул. Короткая фраза, в которой сконцентрирована масса информации. Действительно - если все тела состоят из молекул, то и все свойства всех тел, следовательно, объясняются свойствами молекул и их взаимодействием между собой. Конечно, нельзя этому первому положению приписывать абсолютный смысл; как всегда, существуют исключения и ограниче¬ния; однако очень много свойств можно объяснить, исходя из положения о молекулярном строении вещества.
2. Все атомы и молекулы и в газах, и в жидкостях, и в кристаллах, и при высоких, и при низких температурах - движутся непрерывно и хаотично.
3. Между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания. Эти силы сосуществуют всегда; по отдельности они не существуют. Именно наличием этих сил обусловлены многие свойства, например, упругость твёрдых тел. Упругие силы, возникающие при попытке деформировать твёрдое тело, обусловлены преобладанием сил притяжения при увеличении расстояния между молекулами сверх равновесного. Наличие этих сил притяжения и отталкивания, характер их изменения связаны непосредственно со строением молекул. /См. Волькенштейн М. «Строение молекул»/.
4. Температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул. Существенно заметить, что понятие «температура» может быть применено только к телам, состоящим из огромного числа молекул: нельзя говорить о температуре одной молекулы - правильнее в этом случае рассматривать кинетическую энергию молекулы.
Итак, нарастание температуры есть увеличение скорости хаотического движения молекул. Следовательно, увеличивается среднее расстояние между молекулами, в результате чего с ростом температуры, жидкости в твердые тела расширяются, /конечно, если внешнее давление остается постоянным/. Коэффициента объемного расширения различных газов близки между собой /≈0,0037 град-1/; для жидкостей они могут различаться очень сильно /ртуть-0,00018, глицерин-0,00050, ацетон-0,0014, эфир-0,0017 град-1 /. Величина теплового расширения твердых тел целиком обусловлена строением их кристаллической решетки. Структуры с плотной упаковкой /алмаз, вольфрам/ малочувствительны к нагреву; рыхлая, неплотная структура кристаллов способствует сильному расширению твердых тел при нагревании /алюминий, латунь/.
При температурном расширении или сжатии твердых тел развиваются огромные силы, что можно использовать в соответ¬ствующих технологических процессах /штамповка, прессование/. Вместе с тем, тепловое расширение, как процесс обратимый и легко управляемый, применяется при проведении весьма филигранных работ, таких, как микроперемещения, измерения с помощью тепловых электроизмерительных приборов, регулирование с помощью биметаллических пластин.
Примеры. А.с. № 275751: Регулируемый лабиринтный насос, содержащий статор и ротор /почему же только насос? – Ю.Г./, отличающийся тем, что с целью регулирования насоса с помощью изменения температуры статор и ротор выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.
Патент США № 3569707: Устройство для измерения импульс¬ного излучения при помощи
материалом, на который воздействует импульсное ядерное излучение, измеряются путем детектирования теплового расширения этого материала тензодатчиками.
Весьма необычно в отношении теплового расширения ведет себя вода. В диапазоне от 0ºС до 4ºС вода при нагревании сжимается; при температуре выше 4°С коэффициент расширения очень сильно изменяется с температурой, хотя и имеет положительный знак. /5ºС-0,000005, 40ºС-0,00032, 80ºС-0,00060/. B соответствии с такой особенностью вода имеет наибольшую плотность при 4ºС. Эти аномалии в поведении воды обусловлены резко асимметричным строением ее молекулы; вода представляет собой сильнополярную жидкость /ее относительная диэлектрическая проницаемость ξ=81/, образующую очень рыхлую, ажурную молекулярную структуру. При некоторых условиях возможно существование так называемой «аномальной» воды/открытие № 83, Дерягин Б.В., Федякин Н.Н./ с плотностью 1,4 и совершенно фантастическим поведением тепло¬вого расширения.
Тепловое расширение - «нестареющий» эффект, он известен давно, но до сих пор изобретатели находят ему все новые применения. Американские инженеры создали сплав алюминия с никелем, который при охлаждении расширяется, а при нагревании – сжимается. Построить вразумительную теорию этого явления пока не удалось, но сплав уже используется для ремонта трубопроводов в тех местах, где сварка или вообще нагрев недопустимы. Муфту из сплава охлаждают жидким азотом, одевают на поврежденное место; нагреваясь до нормальной температуры, муфта сжимается и плотно изолирует поврежденное место.
Еде несколько примеров:
А.с. №175190: Устройство для учета количества наливов металла в изложницу, отличающееся тем, что, с целью автоматизации процесса учета, оно выполнено в виде корпуса, прикрепленного к изложнице, в полости которого расположено счетное устройство, состоящее из трубки с шариками и биметаллической пластинки, на конце которой укреплен отсекатель, пропускающий при нагреве пластин шарик, падающий в накопительную емкость.
1-2. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. КАПИЛЯРНОСТЬ.
Любая жидкость ограничена поверхностями раздела, отделяющими ее от какой-либо другой среды-вакуума, газа, твердого тела, другой жидкости. Энергия поверхностных молекул жидкости отлична от энергии молекул внутри жидкости именно в силу того, что те и другие имеют различных соседей - у внутренних молекул не соседи одинаковы, у поверхностных - одинаковые молекулы расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы при заданной температуре имеют определенную энергию; перевод этих молекул внутрь жидкости приведет к тому, что их энергия изменится /без изменения общей энергии жидкости/.
Разность этих энергий носит название поверхностной энергии. Поверхностная энергия пропорциональна числу поверхностных молекул /т.е. площади поверхности раздела/ и зависит от параметров соприкасающихся сред; это зависимость обычно характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения.
Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил поверхностного натяжения, стремящихся сократить поверхность раздела. Такое стремление есть следствие общего физического закона, согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму. Поэтому жидкость, находящаяся в невесомости, будет принимать форму шара, поскольку поверхность шара минимальна вреди всех поверхностей, ограничивающих заданный объем. В обычных условиях сила тяжести Земли приводит к тому, что жидкость принимает форму сосуда, в которой она налита. Конечно, поверхностные силы существуют и в твердых телах, но относительная малость этих сил не позволяет их изменить форму тела, хотя при определенных условиях поверхностные вилы могут привести к сглаживание ребер кристаллов.
Наличие сил поверхностного натяжения на поверхностях раздела сред приводит к появлению краевого угла на границе жидкость - стенка сосуда. Величина этого угла зависит только от природы трёх соприкасающихся сред /например, стекло-вода-воздух/ и не зависит от формы сосуда. В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей наблюдается вогнутый или выпуклый мениск /явление смачивания и несмачивания/. Силы поверхностного натяжения выдают изменение давления в жидкости, что, в свою очередь, вызывает подъем или опускание уровня жидкости в капиллярах; разница уровней жидкости в сосуде и в капилляре обеспечивает компенсацию избыточного давления.
Более подробно физика поверхностного слоя жидкости изложена в книге.
Оно С, Кондо С, «Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях», изданной в переводе с английского в 1963г.
Капиллярные явления широко используются в технике /они же определяют ряд жизненно важных процессов в природе/.
Пример А.с. № 118936: Способ лабораторного обезвоживания нефтяных продуктов, отличающийся тем, что с целью ускорения процесса в нефтепродукт помещают бумагу, по капиллярам которой вода поднимается и испаряется с поверхности.
Капиллярные явления, по сути дела, определяют начальные стадии таких процессов, как конденсация паров, кипение жидкостей, кристаллизация, капиллярная конденсация. Флотация, миграция жидкостей в почве и растениях, пропитка различных пористых материалов - все это примеры процессов, в которых проявляется действие капиллярных явлений.
Исследования капиллярных явлений продолжается весьма интенсивно. Так, недавно был выдан диплом №109 на открытие ультразвукового капиллярного эффекта /акад.А.Н.БССР Коновалов Е.Г./. Формула открытия гласит: «Экспериментально установ¬лено неизвестное ранее явление аномального увеличения /в десятки раз/ скорости и высоты подъема жидкости в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука и возрастание их с повышением температуры». На основе этого открытия разработан ряд новых способов металлообработки. Применение ультра звукового капиллярного эффекта при пропитке самых различных
материалов дает поистине фантастические результаты. См. книгу Коновалов Е.Г. «Основы новых способов металлообработки», а также авторское свидетельство № 152477 «Способ ультразвуковой пропитки пористых материалов».
Наложение электрического поля, вызывая появление скачка электрического потенциала на границе раздела двух фаз, изменяет поверхностное натяжение на этой границе, что, в свою очередь, может изменить обычную картину капиллярных явлений /См. напр. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. «Электродинамика сплошных сред», или Фрумкин А.Н. «Кинетика электродных процессов», М.1952г./
Приведем несколько примеров применения капиллярных явлений в различных областях техники.
А.с. № 225284: Солнечный концентратор для термоэлектрогенератора, отличающийся тем, что с целью сохранения высокого коэффициента отражения в течение всего времени работы, его отражающая поверхность выполнена в виде сотовой, пористой или капиллярной структуры, заполненной расходуемым расплавленным металлом или сплавом, поступающим благодаря капиллярным силам с тыльной стороны концентратора.
А.е.279583: Распределитель жидкости, например, в колоннах с насадкой состоящий из перфорированной плиты с укрепленными на ней трубками для подачи жидкости, отличающийся тем, что, с целью равномерного распределения жидкости при малых расходах, трубки выполнены в виде капилляров, нижние концы которых имеют косые срезы.
Патент ФРГ № 1291950: Устройство для уменьшения трения с помощью пор, отличается тем, что диаметр пор по своему порядку соответствует диаметру капелек смазки, возникающих благодаря капиллярному эффекту.
А.с. № 252478: Способ повышения адгезии люминофорного или светорассеивающего слоя со стеклянной колбой лампы путем его увлажнения и последующего высушивания, отличающийся, тем, что, с целью обеспечения равномерности слоя и улучшения условий ведения процесса, увлажнение осуществляют путем капиллярного всасывания в нанесенное покрытие жидкости, которую для этого приводят в соприкосновение с любым местом покрытия, например с его нижним краем.
Автоматический дозатор из одной детали. Такой деталью служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой пленке всегда задерживается одинаковый по высоте столбик жидкости. Фторопласт практически не смачивается - поэтому скорость истечения через отверстия зависит только от давления. Кроме отбора проб жидкости из потока, такой дозатор может служить и для измерения коэффициента поверхностного натяжения /ИР – 1967, № 5, стр.33/.
A.с. № 276271: Электропаяльник для отпайки, содержащий корпус с установленным на нем нагревательным элементом и узлом для отсоса припоя с наконечником, закрепленным на нагревательном элементе, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции узла отсоса, наконечник для отсоса припоя выполнен в виде пучка заключенных в металлическую трубку луженых проводов, образующих сквозные продольные капилляры.
СОРБЦИЯ
Ни в науке, ни в технике никогда не имеют дела с абсолютно чистыми поверхностями твердых тел. Всегда на этих поверхностях присутствуют атомы или молекулы, адсорбированные из окружающей среды. В физике под явлением адсорбции обычно понимается концентрирование вещества из объема газа или жидкости на поверхности раздела. Звучно и коротко можно сказать: адсорбат конденсируется на адсорбенте. Часто термин адсорбция употребляется вместо термина сорбция, хотя последний значительно шире по охвату возможных явлений и включает в себя, кроме собственно физической адсорбции, еще адсорбцию - поглощение вещества объемом поглотителя - и хемосорбцию - поглощение, сопровождающееся химической реакцией.
Разделить эти три явления обычно бывают очень трудно; так, например, под адсорбцией очень часто понимается физическая адсорбция на телах, имеющих пористую структуру на молекулярном уровне /цеолиты/.
При физической адсорбции молекулы адсорбента сохраняют свою индивидуальность, при хемосорбции-молекулы адсорбента и адсорбата образуют новое химическое соединение. Физическая адсорбция происходит почти мгновенно /молекула ударилась и прилипла/, при хемосорбции процесс идет относительно медленно. В процессе сорбции обычно выделяется теплота; удельная теплота физической адсорбции - 1-20 ккал/моль, хемосорбции - 10-100 ккал/моль./1 ккал=4,19•103 джоулей/.
Отметим, что многие адсорбенты обладают высокой избирательностью - адсорбция некоторых компонентов смесей идет в много раз эффективней, нежели других компонентов. Разделение смесей - одно из важнейших и многочисленных применения явления адсорбции. Примеры: А.с. №347114: Способ задержания шлаковых включений при заливке металла в форму, отличающийся тем, то, с целью повышения жидкотекучести металла, в литниковую систему перед подачей рафинирующего газа вводят окислорастворяющие и адсорбирущие флюсы. Естественно вводят такие флюсы, которые хорошо адсорбируют шлак и абсолютно равнодушны к металлу/.
А.с. № 224743: Двухфазное рабочее тело для компрессоров теплосиловых установок, состоящее из газа и мелких частиц твердого тела, отличающееся тем, что, с целью дополнительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и дополнительного расширения в нагревателе, в качестве твердой фазы использованы сорбенты с общей или избирательной поглотительной способностью. Здесь в явном виде использована зависимость степени адсорбции от температуры - при понижении температуры скорость теплового движения падает, и степень адсорбции увеличивается. Этот же эффект лежит в основе так называемых адсорбационных методов откачки. Откачка с помощью цеолитов, периодически охлаждаемых жидким азотом, позволяет достигать вакуума в 10-5 – 10-4 тор; при этом в агрегатах отсутствуют какие-либо движущиеся части, а вакуумируемый объем не загрязняется парами рабочих веществ, как при обычной откачке пароструйными насосами. Ионно-геттерные и титановые вакуум-насосы, позволяющие достигнуть почти космического вакуума, также работают с использованием явлений сорбции, /См. например, Ворончев Т.А., Соболев В.Д. «Физические основы электровакуумной техники», М, 1967г.
Одним из проявлений влияния адсорбции является адсорбционный эффект Ребиндера, заключающийся в том, что при адсорбции поверхностно-активных веществ снижается сопротивление твердых тел деформированию или разрушению. Поверхностно-активные вещества обычно снижают поверхностное натяжение твердых тел или жидкостей. Так, адсорбция поверхностно-активных веществ на поверхности твердых тел приводит к снижению предела текучести; проникновение поверхностно-активных веществ по микротрещинам внутрь твёрдых тел приводит к увеличению хрупкости, снижению прочности и облегчению диспергирования твердых тeл /обработка металлов, бурение, модификация кристаллизации и др. процессы./
Так, эффект Ребиндера был применен /а.с. № 298972/ для раскола кристаллов люминофора. Обычный размол люминофора резко ухудшал его светоотдачу. Обработка люминофора поверхностно-активным веществом /олеиновой кислотой/ позволила сократить время размола и улучшила качество получаемого порошка, что, в свою очередь, привело к четырехкратному увеличению долговечности некоторых типов электронно-лучевых трубок /ИР-72-6-10/.
Снижение поверхностного натяжения с помощью поверхностно-активных веществ широко применяется в моющей технике, в процессах флотаций, эмульгирования, пенообразования. Подробнее с физико-химическими процессами, происходящими при адсорбции поверхностно-активных веществ, можно ознакомиться по книгам: Ребиндер П.А., Поверхностно-активные вещества, М.,1961г; Щварц А, Перри Д., Беврч Д «Поверхностно-активные вещества и моющие средства», М. 1960г.
1-4
1-4 СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
Гелий-вещество весьма необычное. Во-первых, у гелия самая низкая температура кипения, и он незаменим в качестве хладагента в криогенной технике, во-вторых, гелий - единственное вещество, с помощью которого можно измерять температуры ниже 1ºК, в-третьих, гелий не превращается в твердое тело - он остается жидкостью, сколько бы его ни охлаждали /при атмосферном давлении/. Жидкий гелий обладает очень необычными, и потому очень интересными свойствами /см. например Кеезом В. "Гелий", пер, с англ., М, 1949/, эти свойства могут быть достаточно правильно описаны и поняты только на языке квантовой механики.
В обычных условиях гелий-газ; поскольку его атомы очень малы и химически инертны, газообразный гелий легко проникает сквозь стекло и органические пленки.
При охлаждении до Т=4,22ºK гелий становится жидкостью; при температуре 2,19ºК в гелии наблюдается фазовый переход второго рода, сопровождающийся появлением сверхтекучести /акад. П. Л. Капица, 1938г./. Трение внутри гелия исчезает, его вязкость становится равной нулю. Если нет вязкости, то, следовательно, нет никакого сопротивления конвективным потокам, любой перепад температур вызывает бурное движение гелия /фонтан-эффект/, теплопроводность гелия становится весьма большой, почти бесконечной. Гелий способен образовывать поверхностные пленки на стенках сосуда, если гелий находится в сверхтекучем состоянии, такие пленки движутся по поверхности с большой скоростью /даже против градиента температуры/. Применение гелия в состоянии сверхтекучести весьма перспективно. Уже выдано авторское свидетельство № 250115 на применение жидкого гелия в состоянии сверхтекучести в качестве смазки подшипников жидкостного трения; бурное развитие техники криогенной техники позволяет надеяться, что явление сверхтекучести, как и явление сверхпроводимости, найдет разнообразное применение. Подробнее о свойствах гелия при низких температурах можно прочесть в книге Красина В, «Сверхпроводимость и сверх текучесть», изд. Просвещение, 1968г.
1-5. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ.
При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность вещества и энергия тела; очевидно, при фазовых переходах первого рода всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывают такие величины, как теплоемкость, теплопроводность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются поглощением или выделением энергии. Примером фазового перехода второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние, переход ферромагнетика в парамагнетик при точке Кюри, переупорядочение кристаллов сплавов и др. /См. Гейликман Б.Т. «Статистическая физика фазовых переходов», М., 1954г/.
Характерным примером фазового перехода первого рода может служить переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.
В физике рассматриваются четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.
В газах молекулы связаны друг с другом очень слабо; они свободно двигаются, заполняя весь предоставленный им объем.
В твердых /кристаллических/ структурах взаимодействие атомов настолько сильно, что приводят к образованию упорядоченной структуры; атомы совершают колебательные движения около своего положения равновесия. Тепловое движение частиц жидкости складывается из малых колебаний и перемещений средних положений частиц. Образно эти три состояния можно представить так: в газах - полнейший беспорядок, хаос; в кристаллах - полнейший порядок; в жидкостях - сочетание близкого порядка и дальнейшего беспорядка.
Плазменное состояние - это состояние плотностью ионизованных молекул, конгломерат из равного числа положительных и отрицательных ионов, в плазме к обычным силам молекулярного взаимодействия добавляются силы электрического взаимодействия, что ведет к появлению качественно новых индивидуальных и коллективных эффектов /см. Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы», Атом – издат., 19б9г./.
При переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое поглощается при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при постоянной температуре; таким обрезом, разовый переход является источником /или поглотителем/ тепла, работающем практически при постоянной температуре. Примеры А.с.259299: Способ охлаждения сварочных горелок углекислым газом путем подачи его из баллона в горелку под высоким давлением с последующим редуцированием, отличающийся тем, что с целью улучшения охлаждения горелок, повышения качества сварки и уменьшения расхода газа, углекислый раз падают в горелку в жидком состоянии. Ранее был просто обдув, и избыток тепла от горелки уносился потоком газа; по новому решению поток газа можно значительно ослабить, ибо львиная доля отводимого тепла будет расходоваться на перевод углекислого гага из жидкого состояния в газообразное.
А.с. № 190855: Способ изготовления ребристых труб, заключающийся в раздаче заглушённых труб водой, подаваемой под давлением, отличающийся те, что, с целью удешевления и ускорения процесса изготовления, подаваемую под давлением воду замораживают. Эффект достигается за счет увеличения объема воды при замерзании, т.е.
за счет фазового перехода.
А.с. № 252262: Способ снабжения пневматической энергией потребителей сжатого воздуха в шахтах, отличающейся тем, что, с целью повышения эффективности использования пневматической энергии и улучшения температурного режима глубоких шахт, в качестве источника пневматической энергии используют жидкий воздух, преобразуемый в сжатый на рабочем горизонте. В шахтах жарко, а процесс испарения жидкого воздуха - очень мощный поглотитель тепла.
А.с. № 355459: Способ получения холода путем термохимической компрессии паров хладагента, отличающийся тем, что с целью использования тепла низкого потенциала, например, с температурой 45ºС, в качестве хладагента применяют хлор, и на всасывающей стороне термохимического компрессора при взаимодействии хлора с водой образуют кристаллогидраты, которые плавят на нагнетательной стороне с непосредственным получением воды и жидкого хладагента.
А.с. № 342119: Способ определения средней удельной теплоемкости веществ путем погружения исследуемого образца в калориметрическую жидкость, отличающийся тем, что, с целью упрощения и ускорения измерений, в качестве калориметрической жидкости используют кипящую жидкость, например, жидкий азот, по теплоте испарения которой и по разности потерь веса за равный промежуток времени последовательно без образца, а затем с погруженным в нее образцом определяют искомую величину.
А.с. № 340852: Тепловая трубка, содержащая герметичный корпус о капиллярно-пористым наполнителем на его внутренней поверхности, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения передачи тепла на большие расстояния, корпус разделен поперечными перегородками на отсеки, заполненные различными рабочими телами с температурой испарения, последовательно уменьшающейся от горячего конца к холодному.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде - проводник, то пары металла - типичный диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США № 3566695: Прибор для измерения давления жидкого металла содержит пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый электрический ток. При определенной величине тока температура взятой пробы жидкого металла возрастает до тех пор, пока жидкий металл не перейдем в парообразное состояние, в результате чего ток прерывается. Период времени, в течение которого через участок пробоотборной трубки протекает ток, является функцией давления жидкого металла в системе. Таким образом, период времени при отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момента испарения определяет давление жидкого металла в системе.
Вообще, фазовые переходы сопровождаются изменением одновременно нескольких свойств, и поэтому могут служить основой для решения самых разнообразных задач.
Примеры А.с. 265209: Термометр, содержащий корпус и расположенный в нем чувствительный элемент, связанный одним концом с корпусом, другим - со стрелкой, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения быстродействия термометра, чувствительный элемент в нем выполнен в виде упруго деформированных пружин, выполненных из материала со скачкообразно изменяющемся модулем упругости при изменении температуры, например, из хрома полученного электролитическим путем.
А.с. №266471: Двигатель, содержащий деформируемые при изменении температуры рабочего тела упругие элементы, кинематически связанные с механизмом отбора мощности, отличающиеся тем, что, с целью получения полезной работы при малых перепадах температур рабочего тела, упругие элементы выполнены предварительно напряженными и изготовлены из материала со скачкообразно изменяющимся при определенной температуре модулем упругости, например, из чистого хрома.
А.с. № 280104: Способ Л.И.Рабиновича. Преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения температуры упруго деформированного твердого тела, отличающийся тем, что, с целью преобразования тепловой энергии в механическую при небольшом перепаде температур, тело, изготовленное из материала со скачкообразным изменением термодинамических свойств, например, из хрома с критической температурой +37ºС, периодически нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в какую-либо сторону, нагревают или охлаждают.
Во всех этих изобретениях использован фазовый переход хрома при 37ºС.
1-6.ДИФФУЗИЯ
Если состав газовой смеси или жидкости неоднороден, то тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравниванию концентраций каждой компоненты во всем объёме. Такой процесс называется диффузией. При протекании процесса диффузии всегда имеются так называемые диффузионные потоки вещества, величина и скорость которых определяется свойствами среды и градиентом концентраций. Скорость диффузии в газах увеличивается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкостях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, к возникновению диффузионных потоков приводит наличие температурных градиентов в веществе /термодиффузия/ Перепад температур в однородной по составу смеси вызывает появление разности концентрации между областями с различной температурой, при этом в газах более легкая компонента газовой смеси скапливается в области с более высокой температурой. Таким образом, явление термодиффузии можно использовать для разделения газовых смесей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.
Очевидно, при диффузионном перемешивании двух газов, находящихся при одинаковой температур, будет наблюдаться явление, обратное термодиффузии - в смеси возникнет разность температур /эффект Дюфора /. Количественная сторона этого эффекта хорошо изложена в книге де Гроота С.P. «Термодинамика необратимых процессов», М, 1956г., здесь отметим лишь, что при диффузионном смешивании газов, составляющих воздух, возникающая разность температур составляет несколько градусов.
Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе работы диффузионных вакуумных насосов /пароструйные насосы/ |термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возможность надежной работы так зазываемых диффузионных камер-приборов для наблюдения ионизирующих частиц.
Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к однородности сплава. Для ускорения диффузии применяется длительный нагрев сплавов /отжиг/; уничтожение внутренних напряжений при отжиге металлов также есть следствие процессов диффузии и их ускорения при повышении температуры.
Создание больших концентраций газа на границе с металлом при создании условий, обеспечивающих некоторое «разрыхление» поверхностного слоя металла; приводит к диффузии газа внутрь металла; так, диффузия азота в металлы лежит в основе процесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных слоев металла различными элементами позволяет получать самые различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фактически процессы цементации, алитирования, фосфатирования есть процессы диффузии углерода, алюминия, фосфора внутрь структуры металла. Скорость диффузии, при этом легко регулируется с помощью различных режимов термообработки. Теория диффузии в твердых телах отлично изложена во втором выпуске курса «Физическое металловедение»,
вышедшем в издательстве «Мир» в 19б8г. /всего вышло три выпуска/ много ценных сведений по теории и практике диффузии в металлах содержится также в книгах: 3айт В. «Диффузия в металлах», Москва, 1958г. и Уманский Я.С. «Физические основы металловедения», Москва,1955 год.
1-7. ОСМОС
Осмосом обычно называют диффузию какого-либо вещества через полупроницаемую перегородку. Основное требование к полупроницаемым перегородкам - обеспечение невозможности противодиффузии. Так, если два раствора разной концентрации разделить перегородкой, задерживающей молекулы растворенного вещества, но пропускающего молекулы растворители, то растворитель будет переходить в концентрированный раствор, разбавляя его и создавая там избыток давления, называемый обычно осмотическим давлением. Питание растений водой, явление диализа, явление гиперфильтрации, наконец, обычное набухание - все это типично осмотические эффекты. Теория осмотических явлений описывается в курсах термодинамики или статистической физики /см. напр. Левич В.Г. «Статистическая физика» ,1954г., Хилл Т. «Статистическая физика»/. Огромна роль осмотических явлений в работе кровеносных систем человека и животных /см. Бладергрен В. «Физическая химия в медицине и биологии», М.,1951г./.
Осмос можно усилить /или ослабить/, применяя электрические поля. Направленное движение раствора относительно поверхности твердого тела под действием электрического поля носит название электроосмоса, являющегося одной из разновидностей электрокинетических явлений.
Примеры. Патент США № 3552566: Предлагаются способ отвода продуктов, сгущенных до требуемой концентрации, полученных при высоких давлениях в приспособлении для сгущения путем обратного осмоса, и устройство для осуществления указанного способа. Несмотря на то, что указанные жидкости не обладают ньютоновскими свойствами, при этом не наблюдается какого-либо нарушения их специфических свойств. В частности, изобретение может быть применено для приготовления концентрированных продуктов из жидких продуктов питания, например соков, молочных продуктов, яичного белка и т.д.
A.с. № 240825: Способ сушки изоляции кабелей в шахтных электросетях с изолированной нейтралью, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса, токоведущие жилы кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока, отрицательный полюс которого соединяют с землей для осуществления сушки за счет использования явления электроосмоса.
А.с. № 349381: Способ борьбы с нежелательной растительностью, в частности на осушительных и обводнительных каналах, включающий внесение годных растворов гербицида в зону распространения корней растений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности воздействия гербицида, раствор гербицида вносят путем электроосмотического переноса под действием электрического поля, создаваемого в зоне расположения корней растений.
Явление обратного осмоса применено /США/ для получения питьевой воды из сильнозагрязненной или соленой /гиперфильтрация/. Непосредственно явление обратного осмоса происходит на границе вода - синтетическое волокно; внутрь волокна проходит только вода, оставляя за бортом соли и грязь. Сама установка состоит из многих миллионов волокон, собранных в жгут и помещенных в стальной цилиндр, в который подается «грязная» вода под давлением. Предусмотрев отдельный отбор чистой воды и насыщенного раствора /НТО,1968г., № 12/.
1.8. ЭФФЕКТ ТОМСА
В 1948г. Б.Томс /Англия/ установил, что при добавлении в воду полимерной присадки трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается. Сам Томс работал с полиметилметакрилатом, растворенном в монохлорбензоле; в последующие годы ученые и изобретатели в различных странах нашли много других присадок, работающих еще более эффективно. Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно: по традиции, «смазывают» различными присадками трубопровода, «смазывают» полимерами морские и речные суда, напорные колонны глубоких скважин и т.д.
Эффект Томса обуславливается образованием на границе твердое тело - жидкость молекулярных растворов, которые ограничивают и турбулентность потока.
Установлено, что добавка полимеров более эффективно действует при высоких скоростях потока, где развивающаяся турбулентность потока больше. Некоторые сведения о количественной стороне вопроса можно почерпнуть из книги Л.Лоджа «Эластичные жидкости», Наука, 1969 год, а также из приводимых ниже патентов и авторских свидетельств.
Патент США № 3619248: Покрытия, уменьшающие трение, получают добавлением воды к измельченному материалу, образующему гидраты и имеющему средний молекулярный вес по крайней мере 200000. Предпочтительным полимерным материалом является смесь натрий - карбоксиметилцеллюлозы и сополимера акриламида и винилпирида. Покрытие получают, распределяя полимерный материал на поверхности, в виде тонкого слоя, который затем смачивается водой, или применяя водный раствор полимерного материала на поверхности, или применяя суспензию полимерного материала на поверхности и смачивая пленку, образовавшуюся после упаривания суспензии. Суспензия полимерного материала может содержать смесь полимерного материала, агента желатинизирования, диспергатора, такого как метанол, и пластификатора, такого как глицерин. После нанесения суспензии на поверхности добавляется вода, когда спиртовой суспензирующий агент упаривается.
A.с. № 244032: Способ снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу, отличающийся тем, что, с целью достижения жидкостью свойства псевдопластичности, в нее вводят длинноцепочечный полимер, например полиакриламид, в количестве 0,01-0,2% по весу.
A.с. № I69955: Способ уменьшения гидродинамического сопротивления в системах трубопроводов замкнутого круга циркуляции уменьшением степени турбулентности потока жидкости и сцепления между молекулами твёрдого тела и жидкости, отличающийся тем, что, с целью получения на стенках трубопроводов прочной адсорбционной пленки, в циркулирующую жидкость вводят поверхностно-активные вещества, например соли жирных кислот, с концентрацией веществ в жидкости от 0,01 до 1,0%.
/Заявка подана в I954 году, авторское свидетельство выдано в 1965 году. См. ИР-№ 4-1969, стр.14/.
Патент США № 3435796: В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера, образующийся в пограничном слое забортной вод при смешении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морокой воде при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде при температуре выше 70°С. Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, микрочастицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя турбулизации потока.
1-9. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИЛЫ В ДИСПЕРСНЫХ ФАЗАХ.
Сцепление частиц дисперсной фазы, сопровождающееся отвердеванием или загущением первоначально жидкой системы, обуславливается действием межмолекулярных сил.
Одним из примеров образования более или менее регулярной структуры является явление коагуляции. Для коагуляционных структур, в особенности для структур, образующихся из частиц разной формы характерна эластичность, проявляющаяся в упругом последствии при деформациях сдвига. Вообще коагуляция - это процесс в дисперсной фазе, ведущий к уменьшению числа частиц и к увеличению их массы. Коагуляция может приводить либо к образованию осадка в виде хлопьев /седиментация и флоккуляция/, либо к образованию сплошной коагуляционной структуры типа геля. Процессы коагуляции поддаются управлению. Быстрому протеканию коагуляции способствует создание течений и турбулентностей в жидкой фазе, наложение электрического поля /поляризационная коагуляция/, наложение магнитного поля /если коагулирующие частицы обладают ферромагнитными свойствами/, воздействие звуковых и ультразвуковых волн. Коагуляция пузырьков газа под действием ультразвукового поля носит название коалесценции; она широко применяется для обезгаживания жидкостей /расплавленных металлов/.
Твердые дисперсные структуры, образующиеся при коагуляции, обладают пластичностью и сравнительно малой прочностью, в большинстве из них наблюдается склонность к тикстропии. Тикстропия - способность дисперсных систем становиться жидкими при интенсивном механическом воздействии и отвердевать в состоянии покоя; из-за слабости межмолекулярного взаимодействия в дисперсных системах явление тикстропии обратимо даже при многократных воздействиях /дисперсные структуры гидроокиси алюминия, каолин/. Явление тикстропии характерно для консистентных смазок, лакокрасочных материалов, промывных растворов. См.книгу «Новые методы физико-химических исследований поверхностных явлений», М, 1950г., Труды ИФХ АН СССР, вып.11.
Кроме коагуляции, образование дисперсных систем может происходить при явлениях конденсации /кристаллизации/-межмолекулярные силы в этом случае велики, и прочность структуры соответствует прочности твердого тела /цементы, закристаллизованные стекла - ситаллы/.
Процессы структурообразования дисперсных систем поддаются управлению путем изменения условий коагуляции, стекания, конденсации; важную роль играют обычно добавки поверхностно-активных веществ, а также температурные режимы.
Примера. А.с. № 281089: 1.Уплотнение вращающегося вала, например смесителя полимерных материалов, отличающихся тем, что с целью повышения герметичности и надежности, оно образовано прилагающими участками вала и корпуса, зазор, например V-образного сечения между которыми заполнен вязкоэластичным материалом подвергающимся, эффекту Вайссенберга.
2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что для достижения температуры, необходимой для проявления эффекта Вайссенберга, в стенки корпуса вмонтирован нагреватель.
1-10. РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Суть радиометрического эффекта - в появлении силы отталкивания между двумя поверхностями, помещенными в разреженный газ и находящимися при разных температурах. Эти силы вызываются тем, что молекулы, ударяясь о поверхность, отскакивают от нее с тем большой скоростью, чем больше температура поверхности.
Например, вертушка Крукса работает на основе радиометрического эффекта. Молекулы отскакивают от горячих поверхностей и, ударяясь о лопаточки и отдавая им свою излишнюю энергию/и импульс/, заставляют вертушку вертеться. Во-первых, это прямое превращение тепловой энергии в механическую; во-вторых - наглядный пример бесконтактной передачи движения в вакуум. Очевидно, если изменять давление газа, т.е. изменить число молекул, ударяющихся о лопаточки, то можно регулировать скорость вращения с помощью изменения давления. Конечно, это возможно только в небольшом диапазоне давлений - с одной стороны, давление не должно быть слишком низким, иначе число ударяющихся молекул будет мало, и они не смогут раскрутить вертушку; с другой стороны - давление не должно быть и слишком высоким, чтобы молекулы успевали долетать от одной поверхности к другой, не сталкиваясь друг с другом, т.е. в сосуде должно быть реализовано состояние физического вакуумах/. Если же к верхушке Крукса применить принцип инверсии идеи, то легко получить радиометрический манометр для измерения низких давлений. Теория радиометрического эффекта развита достаточно хорошо, однако в экспериментах были обнаружены отклонения от теоретически предсказанного хода эффекта. Эти отклонения были совершенно справедливо отнесены за счет того, что молекулы «просиживают» на поверхности несколько больше времени, чем им положено по теории. Величина отклонений от «законных» характеристик позволила судить о некоторых деталях взаимодействия налетающих молекул с поверхностью твердых тел, например, о времени аккомодации, т.е. времени, в течение которого молекула находится в «прилипшем» состоянии. Отметим, что знание коэффициента аккомодации весьма необходимо при решении задач о движении тел в разреженном газе /движение высотных самолетов, вход искусственных спутников в верхние слои атмосферы и т.д./.
_____________________________________________________________________
х/ В отличие от так называемого технического вакуума, под которым обычно понимается газ при давлении ниже атмосферного, под физическим вакуумом понимается состояние газа, при котором длина свободного пробега частиц/ молекул, ионов, электронов/или больше размеров сосуда /вакуумные камеры/, или же больше линейных размеров находящегося в этом вакууме тела /например, спутник в космическом вакууме/. См., например Дэшман С. «Научные основы вакуумной техники», Москва, Мир, 1964г.