Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными. Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения. Другие металлы и сплавы, например, серый чугун, оловянистая бронза, цинковые сплавы в нагретом состоянии не приобретают способности деформироваться, при ударах и сдавливании становятся хрупкими и разрушаются. Для железа и стали обычно чем выше температура нагрева, тем выше пластичность. Так, например, для стали, нагретой до. 950°, усилие при ковке потребуется в 2,2 раза больше, чем для стали, нагретой до 1200°, а для стали, нагретой до 700°, усилие потребуется в 4,5 раза больше.
Между прочим, улучшение пластичности относится к температурам нагрева выше 600°, т. е. когда в стали начнут происходить внутренние превращения, о чем подробно будет сказано позднее. При нагреве же от комнатной температуры, т. е. от 15° до 600° прочность стали изменяется не одинаково, а именно: до температуры 300° предел прочности углеродистой стали на растяжение увеличивается и только при нагреве выше 300° он начинает уменьшаться. Ho, получая при температуре около 300° повышенный предел прочности, сталь при этих температурах становится хрупкой и приобретает, как говорят, синеломкость.
При температуре, близкой к 600°, предел прочности стали уменьшается очень резко. Так, если взять обычную углеродистую сталь марки 45, то предел ее прочности падает с 60 кг/мм2 при 15° до 25 кг/мм2 при 600°, т. е. больше чем в два раза. При температурах выше 600° уменьшение предела прочности идет медленнее, но все же очень значительно. Так, при температуре 700° сталь марки 45 имеет предел прочности 15 кг/мм2; при 1000°-5,5 кг/мм2; при 1200° - 2,5 кг/мм2; при 1300° - 2,0 кг/мм2. Таким образом, прочность стали, нагретой до температуры 1200-1300°, по сравнению с холодной сталью уменьшается примерно в 25-30 раз.
При нагреве цветных металлов и сплавов наблюдается сходная картина. Разница лишь только в том, что поскольку они имеют температуру плавления более низкую, чем сталь, то все критические температуры их смещаются вниз. Например, при нагреве до 800° прочность меди уменьшается в 6-7 раз, прочность алюминия при нагреве до 600° уменьшается в 30-35 раз.
Таким образом, нагретые металлы становятся в 25-35 раз менее прочными. Следовательно, в нагретом состоянии они требуют примерно во столько же раз меньше усилий и расхода энергии для их деформации.
Если сталь нагревать еще дальше, т. е. до еще более высокой температуры - выше 1300°, то зерна становятся очень крупными и может начаться их быстрое оплавление. Этому часто препятствует сама печь, которая не может дать температуры, необходимой для расплавления стали - более 1400° Когда зерна или кристаллы начинают оплавляться, то в межкристаллическое пространство будет проникать кислород воздуха, образуя там на гранях зерен хрупкую пленку окислов железа. Металл начинает разрушаться вначале на поверхности, а затем разрушения проникают в глубину заготовки. Это и есть пережог стали. Чтобы не допустить пережога, который является неисправимым браком, нужно знать точно, какую наивысшую температуру может дать печь, и следить за тем, чтобы при этой температуре заготовки нагревались в течение только положенного короткого времени.
С изменением структуры изменяются и механические свойства металла. Чем крупнее зерна, тем сталь имеет меньшую прочность и не только за счет собственного металла, а также и за счет меж-кристаллического пространства, в котором расположены различные, менее прочные неметаллические материалы, например, сера и фосфор, которые плавятся при низких температурах. Нагретый металл, с увеличенными кристаллами, легче растянуть, а следовательно, потребуется меньшее усилие и для сжатия.
Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.
Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.
При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.
Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.
Влияние расширения воды на климат
Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.
Объем тела напрямую связан с межатомным или межмолекулярным расстоянием вещества. Соответственно, увеличение объема обусловлено увеличением данных расстояний за счет различных факторов. Одним из таких факторов является нагрев.
Вам понадобится
- Учебник по физике, лист бумаги, карандаш.
Инструкция
Прочитайте в учебнике по , как устроены вещества, имеющие различное агрегатное состояние. Как известно, одно агрегатное состояние вещества отличается от другого явными внешними различиями, например, такими, как твердость, текучесть, масса или объем. Если же взглянуть внутрь каждого из видов веществ, можно заметить, что разница выражается в межатомном или межмолекулярном расстояниях.
Обратите внимание, что масса определенного объема газа всегда меньше массы такого же , а та, в свою очередь, всегда ниже массы твердого тела. Это говорит о том, что количество частиц вещества, умещающихся на единичный объем, у газов гораздо меньше, чем у жидкостей, и еще меньше, чем у твердых тел. Иначе, можно сказать, что концентрация частиц более твердых веществ всегда больше, чем у менее твердых, в частности, у жидких или газообразных. Значит, твердые тела имеют в своей структуре более плотную упаковку атомов, меньшее расстояние между частицами, чем, скажем, у жидкостей или газов.
Вспомните, что происходит с металлами, когда их нагревают. Они расплавляются и приобретают свойство текучести. То есть металлы становятся жидкостями. Если провести эксперимент, то можно заметить, что при расплавлении объем металлического вещества увеличивается. Вспомните также, что происходит с водой при нагревании и последующем кипении. Вода превращается в пар, представляющий собой газообразное состояние воды. Известно, что объем пара гораздо выше объема первоначальной жидкости. Таким образом, при нагревании тел межатомное или межмолекулярное расстояние увеличивается, что подтверждается опытами.
Чем выше становится температура, тем активнее двигаются молекулы вещества (чем бы оно ни являлось - газом, жидкостью или твердым телом). Все молекулы находятся в постоянном движении, если только температура не опускается до минус 273°С. Эта температура, которая называется абсолютным нулем, достигается, когда всякое движение молекул полностью прекращается.Если зимним вечером в трескучий мороз вынести на улицу чашку с кипящей водой, чашку с раскаленным до такой же температуры песком и большую бочку с теплой водой, через некоторое можно будет увидеть, что первым до 0°С остынет песок, потом замерзнет вода в чашке, а на бочке лед появится в последнюю очередь. На скорость остывания, кроме температуры, влияет и размер предмета.
Если нагревать емкость со льдом, температура не будет подниматься выше нуля, пока весь лед не растает. Лед тает при температуре 0°С, при этой же температуре вода начинает замерзать.
Иногда, выйдя из дому, думаешь, что на улице тепло, но, пройдя некоторое время, понимаешь, что на самом деле довольно холодно. Если жарким летним днем спуститься в подвал, то покажется, что там очень холодно, хотя температура там плюс 2СГС. Человеческие ощущения не самый лучший метод для измерения температуры.
Возьмем на кухне три кружки и нальем в одну горячую, но не обжигающую воду, в другую - теплую, а в третью - холодную. Теперь палец левой руки опустим в горячую воду, а правой - в холодную. Стоит подождать, пока пальцы привыкнут к температуре воды, в которую они опущены. Теперь одновременно вынем пальцы из чашек и засунем их в чашку с теплой водой. Оказывается пальцу, который был в горячей воде, стало холодно, а палец из холодной воды, наоборот, в теплой воде согрелся.
Температура теплой воды может быть точно измерена при помощи термометра, а наши ощущения сильно зависят от условий, в которых мы находились до опыта.
Большая часть термометров работают на основе простого свойства вещества расширяться при нагревании и сжиматься при охлажде-
Опыт с водой разной температуры
нии. В самом первом термометре в качестве расширяющегося и сжимающегося вещества был взят обычный воздух. Изобрел этот термометр Галилей. Этот прибор представлял собой перевернутую колбу с воздухом, опущенную горлышком в сосуд с водой. Прибор был не точен, так как показания термометра зависели от изменчивой погоды, а именно, атмосферного давления. Но и это был важный шаг вперед. Термометр Галилея позволил измерить температуру у больного лихорадкой. Так, впервые, был «поставлен градусник».
В следующих моделях термометров вместо воздуха стали использовать подкрашенную жидкость. Но и эти приборы работали плохо, потому что жидкость испарялась. По настоящему термометры вошли в жизнь человека, когда кто-то из учеников Галилея догадался запаять трубку с жидкостью.
Термометр Галилея. Рисунок из рукописи
Существуют разные термометры для разных целей. Большая часть термометров, которые можно встретить в доме человека, содержат спирт или ртуть. Спирт замерзает при минус 112°С, а кипит - при плюс 72°С. Это делает спирт удобным для уличных термомет
ров. Ртуть замерзает при минус 39°С, поэтому ртутные термометры нельзя использовать в районах с очень низкими температурами, но зато кипит при 357°, поэтому очень удобна для измерения высоких температур. Так устроены химические и технические термометры для измерения высоких температур.
В медицинских термометрах тоже используется ртуть, что делает их более точными. Для того чтобы ртуть в термометре не опускалась, пока врач подносит термометр к глазам, отверстие в нижней части термометра, около шарика, очень маленькое. Поэтому, чтобы заставить ртуть пройти сквозь него перед тем, как мерить температуру тела, нужно термометр встряхнуть.
Одни из самых точных термометров - газовые. Они позволяют измерять температуру от абсолютного нуля до полутора тысяч градусов.
Темы кодификатора ЕГЭ : изменение агрегатных состояний вещества, плавление и кристаллизация, испарение и конденсация, кипение жидкости, изменение энергии в фазовых переходах.
Лёд, вода и водяной пар - примеры трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного. В каком именно агрегатном состоянии находится данное вещество - зависит от его температуры и других внешних условий, в которых оно находится.
При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы - изменения агрегатных состояний вещества тела. Нас будут интересовать следующие фазовые переходы .
Плавление
(твёрдое тело жидкость) и кристаллизация
(жидкость твёрдое тело).
Парообразование
(жидкость пар) и конденсация
(пар жидкость).
Плавление и кристаллизация
Большинство твёрдых тел являются кристаллическими , т.е. имеют кристаллическую решётку - строго определённое, периодически повторяющееся в пространстве расположение своих частиц.
Частицы (атомы или молекулы) кристаллического твёрдого тела совершают тепловые колебания вблизи фиксированных положений равновесия - узлов кристаллической решётки.
Например, узлы кристаллической решётки поваренной соли - это вершины кубических клеток «трёхмерной клетчатой бумаги» (см. рис. 1 , на котором шарики большего размера обозначают атомы хлора (изображение с сайта en.wikipedia.org.)); если дать испариться воде из раствора соли, то оставшаяся соль будет нагромождением маленьких кубиков.
Рис. 1. Кристаллическая решётка
Плавлением называется превращение кристаллического твёрдого тела в жидкость. Расплавить можно любое тело - для этого нужно нагреть его до температуры плавления , которая зависит лишь от вещества тела, но не от его формы или размеров. Температуру плавления данного вещества можно определить из таблиц.
Наоборот, если охлаждать жидкость, то рано или поздно она перейдёт в твёрдое состояние. Превращение жидкости в кристаллическое твёрдое тело называется кристаллизацией или отвердеванием . Таким образом, плавление и кристаллизация являются взаимно обратными процессами.
Температура, при которой жикость кристаллизуется, называется температурой кристаллизации . Оказывается, что температура кристаллизации равна температуре плавления: при данной температуре могут протекать оба процесса. Так, при лёд плавится, а вода кристаллизуется; что именно происходит в каждом конкретном случае - зависит от внешних условий (например, подводится ли тепло к веществу или отводится от него).
Как происходят плавление и кристаллизация? Каков их механизм? Для уяснения сути этих процессов рассмотрим графики зависимости температуры тела от времени при его нагревании и охлаждении - так называемые графики плавления и кристаллизации.
График плавления
Начнём с графика плавления (рис. 2 ). Пусть в начальный момент времени (точка на графике) тело является кристаллическим и имеет некоторую температуру .
Рис. 2. График плавления
Затем к телу начинает подводиться тепло (скажем, тело поместили в плавильную печь), и температура тела повышается до величины - температуры плавления данного вещества. Это участок графика.
На участке тело получает количество теплоты
где - удельная теплоёмкость вещества твёрдого тела, - масса тела.
При достижении температуры плавления (в точке ) ситуация качественно меняется. Несмотря на то, что тепло продолжает подводиться, температура тела остаётся неизменной. На участке происходит плавление тела - его постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое. Внутри участка мы имеем смесь твёрдого вещества и жидкости, и чем ближе к точке , тем меньше остаётся твёрдого вещества и тем больше появляется жидкости. Наконец, в точке от исходного твёрдого тела не осталось ничего: оно полностью превратилось в жидкость.
Участок соответствует дальнейшему нагреванию жидкости (или, как говорят, расплава ). На этом участке жидкость поглощает количество теплоты
где - удельная теплоёмкость жидкости.
Но нас сейчас больше всего интересует - участок фазового перехода. Почему не меняется температура смеси на этом участке? Тепло-то подводится!
Вернёмся назад, к началу процесса нагревания. Повышение температуры твёрдого тела на участке есть результат возрастания интенсивности колебаний его частиц в узлах кристаллической решётки: подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии частиц тела (на самом деле некоторая часть подводимого тепла расходуется на совершение работы по увеличению средних расстояний между частицами - как мы знаем, тела при нагревании расширяются. Однако эта часть столь мала, что её можно не принимать во внимание.).
Кристаллическая решётка расшатывается всё сильнее и сильнее, и при температуре плавления размах колебаний достигает той предельной величины, при которой силы притяжения между частицами ещё способны обеспечивать их упорядоченное расположение друг относительно друга. Твёрдое тело начинает «трещать по швам», и дальнейшее нагревание разрушает кристаллическую решётку - так начинается плавление на участке .
С этого момента всё подводимое тепло идёт на совершение работы по разрыву связей, удерживающих частицы в узлах кристаллической решётки, т.е. на увеличение потенциальной энергии частиц. Кинетическая энергия частиц при этом остаётся прежней, так что температура тела не меняется. В точке кристаллическая структура исчезает полностью, разрушать больше нечего, и подводимое тепло снова идёт на увеличение кинетической энергии частиц - на нагревание расплава.
Удельная теплота плавления
Итак, для превращения твёрдого тела в жидкость мало довести его до температуры плавления. Необходимо дополнительно (уже при температуре плавления) сообщить телу некоторое количество теплоты для полного разрушения кристаллической решётки (т.е. для прохождения участка ).
Это количество теплоты идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия частиц. Следовательно, внутренняя энергия расплава в точке больше внутренней энергии твёрдого тела в точке на величину .
Опыт показывает, что величина прямо пропорциональна массе тела:
Коэффициент пропорциональности не зависит от формы и размеров тела и является характеристикой вещества. Он называется удельной теплотой плавления вещества . Удельную теплоту плавления данного вещества можно найти в таблицах.
Удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения в жидкость одного килограмма данного кристаллического вещества, доведённого до температуры плавления.
Так, удельная теплота плавления льда равна кДж/кг, свинца - кДж/кг. Мы видим, что для разрушения кристаллической решётки льда требуется почти в раз больше энергии! Лёд относится к веществам с большой удельной теплотой плавления и поэтому весной тает не сразу (природа приняла свои меры: обладай лёд такой же удельной теплотой плавления, как и свинец, вся масса льда и снега таяла бы с первыми оттепелями, затопляя всё вокруг).
График кристаллизации
Теперь перейдём к рассмотрению кристаллизации - процесса, обратного плавлению. Начинаем с точки предыдущего рисунка. Предположим, что в точке нагревание расплава прекратилось (печку выключили и расплав выставили на воздух). Дальнейшее изменение температуры расплава представлено на рис. (3) .
Рис. 3. График кристаллизации
Жидкость остывает (участок ), пока её температура не достигнет температуры кристаллизации, которая совпадает с температурой плавления .
С этого момента температура расплава меняться перестаёт, хотя тепло по-прежнему уходит от него в окружающую среду. На участке происходит кристаллизация расплава - его постепенный переход в твёрдое состояние. Внутри участка мы снова имеем смесь твёрдой и жидкой фаз, и чем ближе к точке , тем больше становится твёрдого вещества и тем меньше - жидкости.Наконец,вточке жидкостинеостаётсявовсе-онаполностьюкристаллизовалась.
Следующий участок соответствует дальнейшему остыванию твёрдого тела, возникшего в результате кристаллизации.
Нас опять-таки интересует участок фазового перехода : почему температура остаётся неизменной, несмотря на уход тепла?
Снова вернёмся в точку . После прекращения подачи тепла температура расплава понижается, так как его частицы постепенно теряют кинетическую энергию в результате соударений с молекулами окружающей среды и излучения электромагнитных волн.
Когда температура расплава понизится до температуры кристаллизации (точка ), его частицы замедлятся настолько, что силы притяжения окажутся в состоянии «развернуть» их должным образом и придать им строго определённую взаимную ориентацию в пространстве. Так возникнут условия для зарождения кристаллической решётки, и она действительно начнёт формироваться благодаря дальнейшему уходу энергии из расплава в окружающее пространство.
Одновременно начнётся встречный процесс выделения энергии: когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, за счёт чего увеличивается их кинетическая энергия - кристаллизующаяся жидкость является источником тепла (часто у проруби можно увидеть сидящих птиц. Они там греются!). Выделяющееся в ходе кристаллизации тепло в точности компенсирует потерю тепла в окружающую среду, и потому температура на участке не меняется.
В точке расплав исчезает, а вместе с завершением кристаллизации исчезает и этот внутренний «генератор» тепла. Вследствие продолжающегося рассеяния энергии во внешнюю среду понижение температуры возобновится, но только остывать уже будет образовавшееся твёрдое тело (участок ).
Как показывает опыт, при кристаллизации на участке выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было поглощено при плавлении на участке .
Парообразование и конденсация
Парообразование - это переход жидкости в газообразное состояние (в пар ). Существует два способа парообразования: испарение и кипение.
Испарением называется парообразование, которое происходит при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Как вы помните из листка «Насыщенный пар», причиной испарения является вылет из жидкости наиболее быстрых молекул, которые способны преодолеть силы межмолекулярного притяжения. Эти молекулы и образуют пар над поверхностью жидкости.
Разные жидкости испаряются с разными скоростями: чем больше силы притяжения молекул друг к другу - тем меньшее число молекул в единицу времени окажутся в состоянии их преодолеть и вылететь наружу, и тем меньше скорость испарения. Быстро испаряются эфир, ацетон, спирт (их иногда называют летучими жидкостями), медленнее - вода, намного медленнее воды испаряются масло и ртуть.
Скорость испарения растёт с повышением температуры (в жару бельё высохнет скорее), поскольку увеличивается средняя кинетическая энергия молекул жидкости, и тем самым возрастает число быстрых молекул, способных покинуть её пределы.
Скорость испарения зависит от площади поверхности жидкости: чем больше площадь, тем большее число молекул получают доступ к поверхности, и испарение идёт быстрее (вот почему при развешивании белья его тщательно расправляют).
Одновременно с испарением наблюдается и обратный процесс: молекулы пара, совершая беспорядочное движение над поверхностью жидкости, частично возвращаются обратно в жидкость. Превращение пара в жидкость называется конденсацией .
Конденсация замедляет испарение жидкости. Так, в сухом воздухе бельё высохнет быстрее, чем во влажном. Быстрее оно высохнет и на ветру: пар сносится ветром, и испарение идёт более интенсивно
В некоторых ситуациях скорость конденсации может оказаться равной скорости испарения. Тогда оба процесса компенсируют друг друга и наступает динамическое равновесие: из плотно закупоренной бутылки жидкость не улетучивается годами, а над поверхностью жидкости в этом случае находится насыщенный пар .
Конденсацию водяного пара в атмосфере мы постоянно наблюдаем в виде облаков, дождей и выпадающей по утрам росы; именно испарение и конденсация обеспечивают круговорот воды в природе, поддерживая жизнь на Земле.
Поскольку испарение - это уход из жидкости самых быстрых молекул, в процессе испарения средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается, т.е. жидкость остывает. Вам хорошо знакомо ощущение прохлады и порой даже зябкости (особенно при ветре), когда выходишь из воды: вода, испаряясь по всей поверхности тела, уносит тепло, ветер же ускоряет процесс испарения (nеперь понятно, зачем мы дуем на горячий чай. Кстати сказать, ещё лучше при этом втягивать воздух в себя, поскольку на поверхность чая тогда приходит сухой окружающий воздух, а не влажный воздух из наших лёгких;-)).
Ту же прохладу можно почувствовать, если провести по руке кусочком ваты, смоченным в летучем растворителе (скажем, в ацетоне или жидкости для снятия лака). В сорокаградусную жару благодаря усиленному испарению влаги через поры нашего тела мы сохраняем свою температуру на уровне нормальной; не будь этого терморегулирующего механизма, в такую жару мы бы попросту погибли.
Наоборот, в процессе конденсации жидкость нагревается: молекулы пара при возвращении в жидкость разгоняются силами притяжения со стороны находящихся поблизости молекул жидкости, в результате чего средняя кинетическая энергия молекул жидкости увеличивается (сравните это явление с выделением энергии при кристаллизации расплава!).
Кипение
Кипение - это парообразование, происходящее по всему объёму жидкости.
Кипение оказывается возможным потому, что в жидкости всегда растворено какое-то количество воздуха, попавшего туда в результате диффузии. При нагревании жидкости этот воздух расширяется, пузырьки воздуха постепенно увеличиваются в размерах и становятся видимы невооружённым глазом (в кастрюле с водой они осаждают дно и стенки). Внутри воздушных пузырьков находится насыщенный пар, давление которого, как вы помните, быстро растёт с повышением температуры.
Чем крупнее становятся пузырьки, тем большая действует на них архимедова сила, и определённого момента начинается отрыв и всплытие пузырьков. Поднимаясь вверх, пузырьки попадают в менее нагретые слои жидкости; пар в них конденсируется, и пузырьки сжимаются опять. Схлопывание пузырьков вызывает знакомый нам шум, предшествующий закипанию чайника. Наконец, с течением времени вся жидкость равномерно прогревается, пузырьки достигают поверхности и лопаются, выбрасывая наружу воздух и пар - шум сменяется бульканьем, жидкость кипит.
Пузырьки, таким образом, служат «проводниками» пара изнутри жидкости на её поверхность. При кипении наряду с обычным испарением идёт превращение жидкости в пар по всему объёму - испарение внутрь воздушных пузырьков с последующим выводом пара наружу. Вот почему кипящая жидкость улетучивается очень быстро: чайник, из которого вода испарялась бы много дней, выкипит за полчаса.
В отличие от испарения, происходящего при любой температуре, жидкость начинает кипеть только при достижении температуры кипения - именно той температуры, при которой пузырьки воздуха оказываются в состоянии всплыть и добраться до поверхности. При температуре кипения давление насыщенного пара становится равно внешнему давлению на жидкость (в частности, атмосферному давлению ). Соответственно, чем больше внешнее давление, тем при более высокой температуре начнётся кипение.
При нормальном атмосферном давлении ( атм или Па) температура кипения воды равна . Поэтому давление насыщенного водяного пара при температуре равно Па. Этот факт необходимо знать для решения задач - часто он считается известным по умолчанию.
На вершине Эльбруса атмосферное давление равно атм, и вода там закипит при температуре . А под давлением атм вода начнёт кипеть только при .
Температура кипения (при нормальном атмосферном давлении) является строго определённой для данной жидкости величиной (температуры кипения, приводимые в таблицах учебников и справочников - это температуры кипения химически чистых жидкостей. Наличие в жидкости примесей может изменять температуру кипения. Скажем, водопроводная вода содержит растворённый хлор и некоторые соли, поэтому её температура кипения при нормальном атмосферном давлении может несколько отличаться от ). Так, спирт кипит при , эфир - при , ртуть - при . Обратите внимание: чем более летучей является жидкость, тем ниже её температура кипения. В таблице температур кипения мы видим также, что кислород кипит при . Значит, при обычных температурах кислород - это газ!
Мы знаем, что если чайник снять с огня, то кипение тут же прекратится - процесс кипения требует непрерывного подвода тепла. Вместе с тем, температура воды в чайнике после закипания перестаёт меняться, всё время оставаясь равной . Куда же при этом девается подводимое тепло?
Ситуация аналогична процессу плавления: тепло идёт на увеличение потенциальной энергии молекул. В данном случае - на совершение работы по удалению молекул на такие расстояния, что силы притяжения окажутся неспособными удерживать молекулы неподалёку друг от друга, и жидкость будет переходить в газообразное состояние.
График кипения
Рассмотрим графическое представление процесса нагревания жидкости - так называемый график кипения (рис. 4 ).
Рис. 4. График кипения
Участок предшествует началу кипения. На участке жидкость кипит, её масса уменьшается. В точке жидкость выкипает полностью.
Чтобы пройти участок , т.е. чтобы жидкость, доведённую до температуры кипения, полностью превратить в пар, к ней нужно подвести некоторое количество теплоты . Опыт показывает, что данное количество теплоты прямо пропорционально массе жидкости:
Коэффициент пропорциональности называется удельной теплотой парообразования жидкости (при температуре кипения). Удельная теплота парообразования численно равна количеству теплоты, которое нужно подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы полностью превратить её в пар.
Так, при удельная теплота парообразования воды равна кДж/кг. Интересно сравнить её с удельной теплотой плавления льда ( кДж/кг) - удельная теплота парообразования почти в семь раз больше! Это и не удивительно: ведь для плавления льда нужно лишь разрушить упорядоченное расположение молекул воды в узлах кристаллической решётки; при этом расстояния между молекулами остаются примерно теми же. А вот для превращения воды в пар нужно совершить куда большую работу по разрыву всех связей между молекулами и удалению молекул на значительные расстояния друг от друга.
График конденсации
Процесс конденсации пара и последующего остывания жидкости выглядит на графике симметрично процессу нагревания и кипения. Вот соответствующий график конденсации для случая стоградусного водяного пара, наиболее часто встречающегося в задачах (рис. 5 ).
Рис. 5. График конденсации
В точке имеем водяной пар при . На участке идёт конденсация; внутри этого участка - смесь пара и воды при . В точке пара больше нет, имеется лишь вода при . Участок - остывание этой воды.
Опыт показывает, что при конденсации пара массы (т. е. при прохождении участка ) выделяется ровно то же самое количество теплоты , которое было потрачено на превращение в пар жидкости массы при данной температуре.
Давайте ради интереса сравним следующие количества теплоты:
Которое выделяется при конденсации г водяного пара;
, которое выделяется при остывании получившейся стоградусной воды до температуры, скажем, .
Дж;
Дж.
Эти числа наглядно показывают, что ожог паром гораздо страшнее ожога кипятком. При попадании на кожу кипятка выделяется «всего лишь» (кипяток остывает). А вот при ожоге паром сначала выделится на порядок большее количество теплоты (пар конденсируется), образуется стоградусная вода, после чего добавится та же величина при остывании этой воды.
Воздух – одинаковый на всем земном шаре.
Он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении в любой стране и городе, в любом поселке или деревне.
Программное содержание: Закрепить представление детей о свойствах воды, снега, льда расширять представления о свойствах воды (прозрачная, не имеет формы и запаха) и воздуха (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении) стимулировать желание самостоятельно делать выводы и выдвигать гипотезы.
Оборудование: Воздушные шары, пластмассовые бутылки, тазики с горячей (не более 60 С) и холодной водой, изображение воздушного шара, соль, сахар, пластмассовые стаканчики, ложки, емкости для воды (колбы, пробирки, бутылки, банки), фильтры (салфетки), лед, глобус.
Ход занятия:
Организационный момент: Игра «Ракета»
Воспитатель: На чем можно отправиться в путешествие? (ответ) Предлагаю сегодня воспользоваться воздушным шаром.
Вы не против? Нам в пути нужен важный помощник. О нем говорится в загадке.
Через нос проходит в грудь
И обратно держит путь
Невидимка он, и все же
Без него мы жить не можем.
Воздух везде. Посмотрите вокруг. Кто видел воздух? (ответ) Да воздух невидимка, но он всегда вокруг нас. Без него мы не могли бы жить, т.к. нечем было бы дышать. А теперь, ребята, давайте проверим, как долго мы ожжем не дышать. А почему мы не видим воздух? (ответ) Воздух невидим, т.к. он прозрачен. А хотите увидеть воздух? Но сначала повторим правила безопасного поведения при экспериментировании:
- Не толкай соседа во время работы Сначала посмотри, потом повтори Убери, на место положи С горячей водой будь осторожен.
Но перед опытами давайте сделаем зарядку для глаз.
Зарядка для глаз.
Опыт 1: Стакан опускается в банку — попадает вода в стакан? Почему нет? (ответ)
Вывод: В стакане есть воздух, он не пускает туда воду.
Опыт 2: Стакан наклонить — что появляется (пузырьки) Откуда они взялись? (ответ)
Вывод: Воздух выходит из стакана, его место занимает вода.
Воспитатель открывает изображение воздушного шара.
Воспитатель: Скажите, зачем под шаром расположена горелка? (ответ) Сейчас мы с вами узнаем, что происходит с воздухом, когда его нагревают.
Опыт 3: Пустой воздушный шарик надеть на горлышко пласт. Бутылки. Подержать ее в течении 1 мин. В горячей воде. — Что вы видите? (Шар надувается) Почему? (ответ)
Вывод: При нагревании воздух в бутылке расширяется и заполняет шар, он надувается.
Воспитатель ставит бутылку с шариком в холодную воду.
— Что вы видите? (Шарик сдувается) Почему? (ответ)
Вывод: Воздух при охлаждении сжимается и выходит из шарика — он сдувается.
Воспитатель: Зачем же нужна горелка? (ответ) При нагревании воздух расширяется и заполняет шарик. Когда горелка выключается, воздух постепенно охлаждается и сжимается — шар сдувается.
Воспитатель: Отправляемся в полёт! Занять свои места. Полетели. (Дети садятся на стульчики. Воспитатель достаёт глобус.) Посмотрите на глобус. Так выглядит наша земля из космоса. Что на глобусе обозначено синим цветом? (Вода) Послушайте стихотворение о воде.
Вы слыхали о воде?
Говорят она везде!
В луже, море, океане
И водопроводном кране.
Как сосулька, замерзает,
В лес туманом заползает,
На плите у вас кипит,
Паром чайника шипит,
Растворяет сахар в чае.
Мы её не замечаем.
Мы привыкли, что вода
Наша спутница всегда!
Без воды нам не умыться,
Не наесться, не напиться.
Смею вам я доложить #150
Без воды нам не прожить!
Воспитатель: И, правда, без воды жизнь представить сложно. Внимание, вот мы и прилетели! Приземляемся! (Дети выходят.) Кто-то стоит у нас на пути. Кто? (Это водяной)
Водяной: Здравствуйте! Очень рад вас видеть! Я так люблю шлёпать босыми ногами по лужам, купаться, брызгаться. После этого на руках и ногах в солнечных лучах переливаются прозрачные капельки. Только мне непонятно: куда потом исчезает эта вода? И еще, зимой, я хотел искупаться в своей любимой речке, а вместо воды — лёд. Откуда он взялся?
Воспитатель: П опробуем ответить на вопросы. Для этого нужно вооружиться вниманием и терпением. Пройдёмте в лабораторию.
Пальчиковая гимнастика.
Воспитатель: В одяной, ребята покажут, какими свойствами обладает вода. Обратите внимание: на столе лежит лёд. Мы позже к нему вернёмся.
Опыт 4: В зять стакан с чистой водой и понюхать её.
Воспитатель: Имеет ли вода запах? (Нет, вода не имеет запаха.)
Вывод: Вода не имеет запаха.
Опыт 5: Поставить на картинку стакан, а водой и стакан с молоком.
Воспитатель: Вам видно, что нарисовано на картинке? (Там, где вода, видно, а где молоко — нет.)
Вывод: Вода прозрачная.
Опыт 6: Положить в стакан ложку сахару или соли, размешать.
Воспитатель: что произошло? (Сахар растворился)
Вывод: Вода является растворителем для некоторых веществ.
Опыт 7: Разлить воду по разным сосудам.
Воспитатель: какую форму приняла вода? (Форму той посуды, в которую её налили)
Вывод: Вода не имеет постоянной формы, она принимает форму того сосуда, в который её налили.
Физкультминутка: Игра «Воздух, огонь, вода, земля»
Воспитатель: Ребята, давайте пройдем к столу, на котором был лёд. Что вы видите? Почему это произошло?
Водяной: жаль, что лёд растаял, я так люблю его есть.
Воспитатель: Что ты! Сосульки и лёд нельзя есть! Почему? Давайте докажем, что лед грязный. (профильтруем)
Опыт 8: Налить талую воду из тарелки в воронку с фильтром.
Воспитатель: Чистым или грязный лёд? Почему? Водяной, можно есть лёд или нет?
Водяной: что вы! Я больше никогда не буду есть лёд и снег.
Воспитатель: давайте повторим свойства воды.
Водяной: Спасибо вам. Я запомню свойства воды и никогда их не забуду. Ват вам шарики на память о этом путешествии. До свидания.
Воспитатель: нам пора возвращаться в детский сад. Занимайте места. Закрываем глаза. Раз, два, три. Прилетели.
Человек! Запомни навсегда:
Символ жизни на Земле — вода!
Экономь её и береги.
Мы ведь на планете не одни!
Подведение итогов. Что узнали о воде?
Что использовалось:
- электрическая плитка
- жидкий азот
- воздушный шарик
- конфетти
- пластиковая бутылка
Описание:
Очень наглядный опыт! Многие догадываются, что при нагревании вещества увеличиваются в объеме, а при охлаждении – уменьшаются. И не важно, твердое это тело, жидкость или газ. Всё изменяет размер. Вот только в обычной жизни в подобное слабо верится. Наливаешь себе два половника супа, разогреваешь. Как было два, так два и осталось. Да и кастрюля в холодильнике меньше места не станет занимать, когда охладится.
На самом деле объем меняется.
Только незначительно, незаметно для человеческого глаза. При нагревании молекулы в веществе становятся более подвижными и начинают отдаляться друг от друга. Расстояние больше – объем больше. При охлаждении, соответственно, наоборот. В твердом веществе самые сильные связи между молекулами, в жидком – послабее, а в газообразном – самые слабые. Вот, и выходит, что газ изменяет объем легче, чем вещества в других агрегатных состояниях.
Теперь об условиях. Чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем значительнее увеличивается объем. Чем больше скорость охлаждения или нагревания (разница температуры вещества и окружающей среды), тем быстрее будет виден результат.
Для закрепления, и дабы вернуть бутылке прежнюю форму, повторим процедуру с нагреванием.
Источники:
Тараканам вход закрыт: Известно, что сколько не воюй с тараканами, но если они есть у соседей, то обязательно прийдут снова к нам. Самый легкий путь для них — ветиляционная шахта. Снимите решетку с вентиляционного отверстия и на ее обратную сторону прикрепите (можно приклеить) капроновый чулок. Теперь никакая живность в Вашу квартиру не проникнет.
Простой и прочный древесный клей: Клей для дерева можно сделать самому. Достаточно взять немного творога и растворить его в нашатырном спирте. На 100гр. нашатырного спирта, 25гр. творога. Древесные поверхности нужно тщательно подогнать друг к другу, чтобы не было щелей, намазать и плотно скрепить струпцинами.
Что происходит с воздухом при нагревании и охлаждении
Провели такой опыт. Вставили в колбу пробку со стеклянной трубочкой.
Конец трубочки опустили в стакан с водой. Нагрели колбу, обхватив её руками. Скоро заметили, что из трубочки начали выходить пузырьки воздуха. Это произошло потому, что воздух при нагревании расширяется и не умещается в колбе.
Провели второй опыт. Положили на колбу, с которой ставили первый опыт, тряпку, смоченную холодной водой. Вода из стакана начала входить в трубку и подниматься по ней. Значит, воздух при охлаждении сжимается.
Чтобы лучше видеть, как поднимается по трубочке вода, её предварительно подкрасили.
Воздух, так же как и жидкие и твёрдые тела, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.
Воздух – одинаковый на всем земном шаре. Он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении в любой стране и городе, в любом поселке или деревне.
Для того, чтобы общаться с гражданами других стран, нужно выучить их язык. Например, это можно сделать, посещая различные школы изучения английского языка. Если ты знаешь иностранный язык, то можно спросить в интернете у англичан, или немцев, или французов – как ведет себя воздух в их стране. И, можно быть уверенным, что у них у всех воздух расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, независимо от местности, где они живут и языка, на котором они разговаривают.
У воздуха есть еще одно интересное свойство — он плохо проводит тепло. Многие растения, зимующие под снегом, не замерзают, потому что между холодными частицами снега много воздуха и снежный сугроб напоминает теплое одеяло, укрывающее стебли и корни растений. Осенью белочка, заяц, волк, лиса и другие звери линяют. Зимний мех гуще и пышнее, чем летний. Между густыми волосками задерживается больше воздуха, и животным в заснеженном лесу не страшен мороз.
(Учитель записывает на доске.)
Воздух плохо проводит тепло.
Итак, какие свойства имеет воздух?
V. Физкультминутка
VI. Закрепление изученного материала Выполнение заданий в рабочей тетради
№ 1 (с. 18).
- Прочитайте задание. Рассмотрите рисунок и подпишите на схеме, какие газообразные вещества входят в состав воздуха.(самопроверка со схемой в учебнике на с. 46.)
№2 (с. 19).
Прочитайте задание. Запишите свойства воздуха. (После выполнения задания проводится самопроверка с записями на доске.)
№3(с. 19).
- Прочитайте задание. Какие свойства воздуха нужно учитывать, чтобы правильно выполнить задание? (При нагревании воздух расширяется, при охлаждении сжимается.)
Как объяснить, что воздух при нагревании расширяется? Что происходит с частицами, из которых он состоит? (Частицы начинают двигаться быстрее, и промежутки между ними увеличиваются.)
— Нарисуйте в первом прямоугольнике, как располагаются частицы воздуха при нагревании.
— Как объяснить, что воздух при охлаждении сжимается? Что происходит с частицами, из которых он состоит? (Частицы начинают двигаться медленнее, и промежутки между ними уменьшаются.)
— Нарисуйте во втором прямоугольнике, как располагаются частицы воздуха при охлаждении.
№4 (с. 19).
— Прочитайте задание. Какое свойство воздуха объясняет это явление? (Воздух плохо проводит тепло.)
VII. Рефлексия
Работа в группах
— Прочитайте первое задание в учебнике на с. 48. Попробуйте объяснить свойства воздуха.
— Прочитайте второе задание на с. 48. Выполните его.
— Что загрязняет воздух? (Промышленные предприятия, транспорт.)
Беседа
Неподалеку от моего дома есть фабрика. Из моих окон видна высокая кирпичная труба. Из нее день и ночь валят черные густые клубы дыма, отчего горизонт вечно прячется за плотной серозной завесой. Порой так и кажется, будто это заядлый курильщик окуривает город своей неугасаемой гулливерской трубкой. Мы все кашляем, чихаем, кое-кого приходится даже укладывать в больницу. А «курильщику» хоть бы что: знай себе пых да пых, пых да пых.
Дети плачут: противная фабрика! Взрослые сердятся: немедленно закрыть!
А в ответ все слышат: как так «противная»?! Как так «закрыть»?!
Наша фабрика товары для людей выпускает. А, к сожалению, дыма без огня не бывает. Загасим пламя топок — фабрика остановится, товаров не будет.
Как-то поутру проснулась я, глянула в окно — не дымит! Перестал великан курить, фабрика на месте, труба по-прежнему торчит, а дыма нет. Интересно, надолго ли? Однако вижу: и завтра не дымит, и послезавтра, и послепослезавтра… Неужто фабрику вовсе закрыли?
А дым куда же подевался? Сами ведь говорили, что дыма без огня не бывает.
Вскоре выяснилось: услышали наконец бесконечные наши жалобы - приладили к фабричной трубе дымоуловители, дымоловку, которая не позволяет частичкам сажи вылетать из трубы.
И вот что интересно. Казалось бы, никому не нужный и даже вредный дым заставили делать доброе дело. Его (вернее, сажу) теперь здесь бережно собирают и отправляют на завод пластмасс. Кто знает, быть может, этот мой фломастер как раз из той самой сажи, пойманной дымоловками. Словом, польза от дымоловок всем: и нам, горожанам (мы больше не болеем), и самой фабрике (она сажу продает, а не пускает, как прежде, на ветер), и покупателям пластмассовых изделий (в том числе фломастеров).
Назовите способы охраны чистоты воздуха. (Установки для очистки воздуха, электромобили.)
- Чтобы очистить воздух, люди сажают деревья. Почему? (Растения поглощают углекислый газ, а выделяют кислород.)
Давайте внимательно рассмотрим листочек дерева. Нижняя поверхность листа покрыта прозрачной пленочкой и усеяна очень мелкими отверстиями. Их называют «устьица», хорошенько разглядеть их можно только в лупу. Они то открываются, то закрываются, собирая углекислый газ. При свете солнца из воды, которая поднимается от корней по стеблям растений, и углекислого газа в зеленых листьях образуются сахар, крахмал, кислород.
Не зря растения называют «легкими планеты».
Какой чудесный воздух в лесу! В нем много кислорода и полезных веществ. Ведь деревья выделяют особые летучие вещества - фитонциды, которые убивают бактерии. Смолистые запахи ели и сосны, аромат березы, дуба, лиственницы очень полезны для человека. А вот в городах воздух совсем другой. Он пахнет бензином, выхлопными газами, ведь в городах много машин, работают фабрики, заводы, которые тоже загрязняют воздух. Дышать таким воздухом человеку вредно. Чтобы очистить воздух, мы сажаем деревья, кустарники: липы, тополя, сирень.
⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒
Приборы, в которых происходит обмен тепла, называются теплообменниками .
Простейший тип теплообменника можно изготовить, поместив одну цилиндрическую трубку в другую. Если по наружной трубке снизу пропустить холодный воздух, а навстречу ему по внутренней - теплый, то последний охладится, отдавая свое тепло холодному воздуху, идущему по наружной трубке. В таком теплообменнике даже при низкой температуре холодного воздуха нельзя достичь хорошего охлаждения поступающего сверху газа.
Имеются более сложные конструкции теплообменников, в которых внутренняя трубка сделана в виде спирали или заменена большим количеством трубок малого диаметра. Это увеличивает площадь соприкосновения трубок с проходящим мимо них холодным воздухом.
Теплообменники изготовляются преимущественно из красной меди. Она обладает хорошей теплопроводностью.
Снаружи теплообменники покрываются теплоизоляционным материалом, который предохраняет их от внешнего тепла. В хорошем теплообменнике можно охладить воздух до очень низких температур, но для этого нужен еще более холодный воздух.
Откуда его взять?
Если быстро сжать газ, то он нагреется; если же его быстро расширить, то он охладится.
Пропустите сжатый воздух через пористую пробку, вставленную в середину небольшой трубки. Нажмите на поршень. Левая сторона трубки, где воздух сжимается, нагреется. Одновременно заметно охладится правая часть трубки, куда поступает сжатый воздух, расширяясь при выходе через пробку.
Ученые-физики объясняют нагревание газа при его сжатии тем, что при уменьшении объема сжатого газа молекулы настолько близко подходят друг к другу, что между ними начинают действовать силы притяжения, молекулы газа еще больше сближаются - совершается работа, которая как бы приводит к дополнительному сжатию. Происходит выделение тепла, температура газа повышается.
При быстром расширении сжатого газа происходит увеличение его объема. Молекулы газа стремятся отойти друг от друга, но силы притяжения препятствуют этому. На преодоление сил притяжения затрачивается работа, расходуется часть тепла, и газ охлаждается.
Величина, на которую понизится температура газа при расширении, зависит от начального и конечного давления. В практике принято считать, что при понижении давления на 1 атмосферу температура газа понижается.
Если в специальной машине, называемой компрессором, сжать некоторый объем воздуха до 200 атмосфер, затем пропустить его через специальный кран - расширительный вентиль - и дать ему быстро расшириться до первоначального объема, температура его понизится примерно на 50°. Если температура сжатого воздуха до его прохождения через расширительный или дроссельный вентиль была 10°, то после его расширения она станет -40°. Чем ниже температура сжатого воздуха до его расширения, тем ниже она будет после дросселирования, то есть после пропускания через узкую щель дроссельного вентиля. Постепенно понижая температуру сжатого воздуха, можно достичь температуры, при которой он начнет сжижаться.
Но прежде чем приступить к получению жидкого воздуха, его нужно очистить.
В воздухе обычно содержится много пыли - мелких твердых частиц песка и угля. В среднем в кубическом метре воздуха содержится до 0,01 грамма примесей. Механические примеси, попадая между трущимися частями компрессора, образуют царапины и приводят к преждевременному износу машины. Поэтому воздух нужно освободить от пыли.
Для очистки воздуха используют специальные масляные фильтры, которые устанавливают на всасывающей трубе компрессора.
Образование тумана при охлаждении влажного воздуха.
Кроме механических загрязнений, воздух содержит влагу, углекислый газ и другие газообразные примеси.
Количество влаги в воздухе зависит от его температуры.
Наибольшее количество влаги в 1 кубическом метре воздуха при температуре -30° составляет около 0,1 грамма, а при температуре 30° - примерно 30 граммов.
При небольшом охлаждении воздуха пары воды конденсируются и превращаются в туман.
Налейте в банку немного воды и закройте ее пробкой, в которую вставлена трубка. Наденьте на трубку резиновую грушу и сожмите ее так, чтобы весь воздух из груши перешел в банку. В банке создастся давление. Если после некоторой выдержки быстро ослабить грушу, воздух з банке расширится и охладится - в банке появится туман. Это значит, что водяные пары, которые находились в банке вместе с воздухом, сконденсировались. Мельчайшие капельки воды равномерно распределились по всему объему.
При более низкой температуре влага вымораживается и образуется иней, который может осесть в виде льда на стенках аппаратуры.
Если в теплообменник или расширительный вентиль пустить воздух, содержащий влагу, на их стенках образуется сначала тонкий, а затем более толстый слой льда. Чтобы лед не закупорил трубки, воздух, прежде чем приступить к его охлаждению, нужно осушить.
Воздух можно осушить, пропуская его через пористые вещества, способные поглощать влагу. Такими веществами являются силикагель и специально обработанный - активированный - глинозем. Когда эти вещества поглотят столько влаги, что перестанут осушать воздух, их прокаливают и снова используют для просушки.
Влагу из воздуха можно также поглотить каустической содой или прокаленным хлористым кальцием. Эти вещества загружают в специальные баллоны, через которые пропускают воздух. Пройдя через них, воздух становится совершенно сухим.
На крупных установках, вырабатывающих кислород, влагу вымораживают в специальных ловушках - вымораживателях, где поддерживается температура -40-50°. Когда в одной ловушке набирается много льда, воздух переключают на другую ловушку, а первую нагревают. Лед тает, и воду из нее сливают через специальный кран.
Очистив воздух от пыли и осушив его, нельзя еще приступить к ожижению.
В воздухе имеется углекислый газ. При температуре около -80° этот газ превращается в снегообразную массу, которая при дальнейшем охлаждении образует твердое вещество, похожее на лед.
Если кусочек такого льда положить на чистый лист белой бумаги, лед постепенно начнет уменьшаться в объеме, не оставляя после себя никаких следов. Вот он окончательно исчез, а бумага по прежнему осталась такой же чистой и сухой. Сухой лед - это твердая углекислота. Он широко применяется в пищевой промышленности.
Для получения жидкого воздуха нельзя обойтись без очистки газообразного воздуха от углекислого газа. Иначе через некоторое время в холодильной установке накопится большое количество сухого льда, который может вывести ее из строя.
Как же очистить воздух от углекислого газа?
Раствор щелочи помещают в колонку, через которую пропускают воздух. Углекислый газ, находящийся в воздухе, соединяется с едким натром и образует соль. Выходящий из колонки воздух практически не содержит углекислоты.
Очистив газообразный воздух от всех примесей, которые могут помешать его сжижению, можно приступить к получению жидкого воздуха.
Для этого необходимо соединить между собой компрессор, простой холодильник, теплообменник и расширительный вентиль по схеме холодильного цикла с дросселированием.
Предварительно очищенный воздух направляют в компрессор и сжимают его до 200 атмосфер; так как воздух нагреется, его следует охладить, пропустив через простой холодильник с проточной холодной водой. Сжатый газ, проходя в холодильнике по внутренней трубке, отдаст свое тепло воде, которая омывает трубку снаружи. Из холодильника газ выйдет более холодным, чем из компрессора: его температура будет приблизительно 10°.
Сжатый воздух из холодильника направляют в теплообменник. Но так как теплообменник еще ничем не охлаждается, газ пройдет через него без изменения температуры и, попав в дроссельный вентиль, расширится в нем. При расширении газ охладится и перейдет в ожижитель, из ожижителя - обратно в теплообменник. С этого момента начинается работа теплообменника.
Воздух, идущий из ожижителя, будет охлаждать сжатый воздух, поступающий из компрессора. Температура сжатого воздуха после прохождения через расширительный вентиль понизится еще больше и, уходя через теплообменник в атмосферу, еще сильнее охладит свежие порции поступающего сжатого воздуха.
Итак, ежеминутно автоматически все больше и больше понижается температура воздуха, входящего в расширительный вентиль. Наконец наступает момент, когда воздух охладится настолько, что часть его ожижится.
Жидкий воздух собирается в ожижителе, откуда его сливают через кран.
Неожиженная часть воздуха поступает в теплообменник с температурой около -190°, а выходит из него с температурой, близкой к комнатной. Идет непрерывное ожижение небольшой части воздуха, проходящего через холодильную установку.
В описанном цикле только 5 процентов пропускаемого воздуха переходит в жидкое состояние, большая часть его не сжижается и уходит обратно в атмосферу.
Это объясняется тем, что цикл с дросселированием обладает малой производительностью холода, то есть расход энергии на сжатие газа до высокого давления велик, а снижение температуры при дроссельном расширении газа мало. Холодильный цикл прост по своему устройству, но малоэкономичен.
Ученые стали настойчиво искать более экономичных способов получения жидкого воздуха. Было установлено, что если сжатый воздух расширить в цилиндре поршневого двигателя или на лопатках ротора - вращающейся части воздушной турбины - и заставить его при расширении производить внешнюю работу, то воздух охладится значительно сильнее, чем при расширении в дроссельном вентиле, где производится только внутренняя работа, которая идет на преодоление сил взаимного притяжения молекул.
Машины, в которых происходит расширение сжатого газа с получением внешней работы, называются детандерами.
Охлаждение газа в детандере тем больше, чем больше он производит работы при своем расширении. Для охлаждения газа в детандере не требуется высокого давления.
Достаточно давления 50-60 атмосфер. Температура газа при его наибольшем расширении понизится до -120- 125°. Таким образом, при снижении давления газа в детандере на 1 атмосферу температура понижается приблизительно на 2° - в 8 раз больше, чем при дросселировании.
Производительность холодильного цикла с детандером в 2-3 раза выше производительности цикла с дросселированием. Из всего воздуха, проходящего через такую систему, ожижается не 5, а 10-15 процентов. Затрата энергии на сжатие газа в холодильном цикле среднего давления с детандером примерно в 3 раза меньше, чем в холодильной установке с дросселем.
В установке с детандером воздух, сжатый до 40-50 атмосфер, поступает сначала в холодильник, где он охлаждается водопроводной водой. Из холодильника весь воздух поступает в первый теплообменник, где он еще больше охлаждается.
При выходе из первого теплообменника сжатый воздух пускают по двум направлениям. Большая часть газа отводится в детандер, где он расширяется до 1 атмосферы и сильно охлаждается.
Охлажденный в детандере воздух направляется через теплообменники в атмосферу. По пути он отбирает тепло от идущего навстречу воздуха, поступающего из компрессора.
Оставшаяся часть сжатого воздуха охлаждается во втором теплообменнике и поступает в расширительный вентиль. При расширении воздух еще больше охлаждается и, достигнув температуры сжижения, частично ожижается. Жидкий воздух собирается в ожижителе. Неожиженная, холодная часть воздуха направляется через теплообменники в атмосферу. По мере накопления жидкий воздух сливают.
Сравнительно недавно в одном из институтов Академии наук СССР был разработан способ получения жидкого воздуха в установках с низким давлением.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Вконтакте
Одноклассники
Вода и жидкие тела
При нагревании наблюдается значительное расширение жидких тел, в отличие от твердых тел. Ацетон обладает довольно большим температурным расширением. А для воды и ртути характерно наименьшее температурное расширение.
Всем известно о том, что каждое охлажденное тело будет сжиматься. Вода считается исключением (аномалия воды). Охлаждение воды до +4°С приводит к уменьшению объема, однако, продолжив дальнейшее охлаждение от +4°С до О°С объем снова увеличится.
Поэтому вода при температуре +4°С будет обладать наибольшей плотностью. Это объясняет то, почему лед плавает в воде, а замерзшая водопроводная труба лопается.
Газообразные тела
Нагрев воздуха в каком-либо объеме, приведет к его расширению.
Плотность нагретого воздуха по отношению к ненагретому — уменьшается, поэтому горячий воздух поднимается кверху.
Газ при нагревании будет расширяться значительно больше, чем жидкость. Газ, который помещен в замкнутый сосуд, не будет расширяться при нагревании. Увеличенное давление газа может вызвать разрыв сосуда.
Больше интересных статей:
