Viena iš labiausiai paplitusių medžiagų Žemėje: vanduo. Mums to reikia kaip oro, bet kartais to visai nepastebime. Ji tiesiog yra. Bet pasirodo
Viena iš labiausiai paplitusių medžiagų Žemėje: vanduo. Mums to reikia kaip oro, bet kartais to visai nepastebime. Ji tiesiog yra. Tačiau pasirodo, kad paprastas vanduo gali pakeisti savo tūrį ir sverti daugiau arba mažiau. Vandeniui garuojant, šylant ir vėsstant nutinka tikrai nuostabūs dalykai, apie kuriuos sužinosime šiandien.
Muriel Mandell linksmoje knygoje „Fizikiniai eksperimentai vaikams“ pateikia įdomiausias mintis apie vandens savybes, kuriomis remdamiesi ne tik jaunieji fizikai gali sužinoti daug naujo, bet ir suaugusieji atnaujins savo žinias, kad jie seniai nereikėjo kreiptis, todėl jie pasirodė šiek tiek pamiršti.Šiandien kalbėsime apie vandens tūrį ir svorį. Pasirodo, tas pats vandens tūris ne visada sveria vienodai. O jei į stiklinę pilate vandenį ir jis neišsilieja per kraštą, tai dar nereiškia, kad jis į ją tilps jokiomis aplinkybėmis.
1. Kaitinamas vanduo plečiasi
Į puodą, pripildytą penkis centimetrus verdančio vandens, įdėkite vandens pripildytą stiklainį. vandens ir leiskite užvirti ant silpnos ugnies. Vanduo iš stiklainio pradės pilti. Taip yra todėl, kad kaitinamas vanduo, kaip ir kiti skysčiai, pradeda užimti daugiau vietos. Molekulės atstumia viena kitą didesniu intensyvumu ir dėl to padidėja vandens tūris.2. Vėsdamas vanduo susitraukia
Leiskite vandeniui indelyje atvėsti iki kambario temperatūros arba įpilkite naujo vandens ir atšaldykite. Po kurio laiko pastebėsite, kad anksčiau pilnas stiklainis nebėra pilnas. Atvėsus iki 3,89 laipsnių Celsijaus, vandens tūris mažėja, kai temperatūra mažėja. To priežastis buvo sumažėjęs molekulių judėjimo greitis ir jų konvergencija viena su kita aušinant.Atrodytų, viskas labai paprasta: kuo šaltesnis vanduo, tuo mažiau tūrio jis užima, bet ...
3. ... užšalus vandens tūris vėl didėja
Užpildykite stiklainį vandeniu iki kraštų ir uždenkite kartono gabalėliu. Įdėkite į šaldiklį ir palaukite, kol sušals. Pamatysite, kad kartoninis „dangtelis“ buvo išstumtas. Temperatūros diapazone nuo 3,89 iki 0 laipsnių Celsijaus, tai yra pakeliui į užšalimo tašką, vanduo vėl pradeda plėstis. Tai viena iš nedaugelio žinomų medžiagų, turinčių šią savybę.Jei naudosite sandarų dangtį, ledas tiesiog sudaužys stiklainį. Ar kada nors girdėjote, kad net vandens vamzdžiai gali lūžti nuo ledo?4. Ledas lengvesnis už vandenį
Į stiklinę vandens įdėkite porą ledo kubelių. Ledas plūduriuos paviršiuje. Užšalęs vanduo plečiasi. Ir dėl to ledas yra lengvesnis už vandenį: jo tūris sudaro apie 91% atitinkamo vandens tūrio.Ši vandens savybė gamtoje egzistuoja ne be priežasties. Ji turi labai konkretų tikslą. Sako, žiemą upės užšąla. Tačiau iš tikrųjų tai nėra visiškai tiesa. Dažniausiai užšąla tik nedidelis viršutinis sluoksnis. Šis ledo sluoksnis neskęsta, nes yra lengvesnis už skystą vandenį. Jis lėtina vandens užšalimą upės gylyje ir tarnauja kaip savotiška antklodė, apsauganti žuvis ir kitus upių bei ežerų gyvūnus nuo stiprių žiemos šalčių. Studijuodamas fiziką pradedi suprasti, kad daug kas gamtoje sutvarkyta tikslingai.
5. Vandentiekio vandenyje yra mineralų
Į nedidelį stiklinį dubenį supilkite 5 šaukštus paprasto vandens iš čiaupo. Kai vanduo išgaruos, ant dubenėlio liks baltas kraštelis. Šį apvadą sudaro mineralai, kurie ištirpo vandenyje, kai jis praeina per dirvožemio sluoksnius.Pažvelkite į savo virdulio vidų ir pamatysite mineralų telkinius. Tokia pat apnaša susidaro ir ant angos vandens nutekėjimui vonioje.Pabandykite išgarinti lietaus vandenį, kad pamatytumėte, ar jame nėra mineralų.Japonų fizikas Masakazu Matsumoto pateikė teoriją, paaiškinančią, kodėl vanduo susitraukia, kai šildomas nuo 0 iki 4 °C, o ne plečiasi. Pagal jo modelį vandenyje yra mikrodarinių – „vitritų“, kurie yra išgaubti tuščiaviduriai daugiakampiai, kurių viršūnėse yra vandens molekulės, o vandeniliniai ryšiai tarnauja kaip briaunos. Kylant temperatūrai, tarpusavyje konkuruoja du reiškiniai: vandenilinių jungčių tarp vandens molekulių pailgėjimas ir vitritų deformacija, dėl kurios mažėja jų ertmės. Temperatūros diapazone nuo 0 iki 3,98°C pastarasis reiškinys dominuoja dėl vandenilio jungties pailgėjimo efekto, kuris galiausiai suteikia stebimą vandens suspaudimą. Kol kas nėra eksperimentinio Matsumoto modelio patvirtinimo – tačiau, kaip ir kitų teorijų, paaiškinančių vandens suspaudimą.
Skirtingai nuo daugumos medžiagų, kaitinamas vanduo gali sumažinti savo tūrį (1 pav.), tai yra, turi neigiamą šiluminio plėtimosi koeficientą. Tačiau mes kalbame ne apie visą temperatūros diapazoną, kuriame vanduo yra skystoje būsenoje, o tik apie siaurą plotą - nuo 0 ° C iki maždaug 4 ° C. Kai b apie Esant aukštesnei temperatūrai, vanduo, kaip ir kitos medžiagos, plečiasi.
Beje, vanduo nėra vienintelė medžiaga, kuri linkusi trauktis kylant temperatūrai (arba išsiplėsti aušinant). Panašiu elgesiu gali „pasigirti“ ir bismutas, galis, silicis bei stibis. Tačiau dėl sudėtingesnės vidinės sandaros, paplitimo ir svarbos įvairiuose procesuose būtent vanduo patraukia mokslininkų dėmesį (žr. Vandens sandaros tyrimas tęsiamas, „Elementai“, 2006-10-09).
Prieš kurį laiką visuotinai priimta teorija, atsakanti į klausimą, kodėl mažėjant temperatūrai vandens tūris didėja (1 pav.), buvo dviejų komponentų – „normalaus“ ir „ledo“ mišinio modelis. Šią teoriją 19 amžiuje pirmą kartą pasiūlė Haroldas Whitingas, o vėliau ją sukūrė ir patobulino daugelis mokslininkų. Palyginti neseniai, atsižvelgiant į atrastą vandens polimorfizmą, Whitingo teorija buvo permąstyta. Nuo šiol manoma, kad peršaldytame vandenyje yra dviejų tipų į ledą panašūs nanodomenai: sritys, panašios į didelio ir mažo tankio amorfinį ledą. Kaitinant peršaldytą vandenį, šios nanostruktūros ištirpsta ir atsiranda dviejų tipų vanduo: didesnio ir mažesnio tankio. Būtent gudri temperatūros konkurencija tarp dviejų susidarančio vandens „rūšių“ sukelia nemonotoninę tankio priklausomybę nuo temperatūros. Tačiau ši teorija dar nebuvo eksperimentiškai patvirtinta.
Su šiuo paaiškinimu turite būti atsargūs. Neatsitiktinai čia minimos tik amorfinį ledą primenančios struktūros. Esmė ta, kad nanoskopiniai amorfinio ledo regionai ir jo makroskopiniai analogai turi skirtingus fizinius parametrus.
Japonų fizikas Masakazu Matsumoto nusprendė rasti čia aptarto poveikio paaiškinimą „nuo nulio“, atmesdamas dviejų komponentų mišinio teoriją. Naudodamas kompiuterinį modeliavimą, jis apžvelgė fizines vandens savybes įvairiuose temperatūrų diapazonuose – nuo 200 iki 360 K esant nuliniam slėgiui, kad molekuliniu mastu išsiaiškintų tikrąsias vandens plėtimosi priežastis jam vėsstant. Jo straipsnis žurnale Fizinės apžvalgos laiškai Jis vadinamas: Kodėl vanduo plečiasi, kai atvėsta? Kodėl vanduo plečiasi vėsdamas?
Iš pradžių straipsnio autorius uždavė klausimą: kas turi įtakos vandens šiluminio plėtimosi koeficientui? Matsumoto mano, kad tam pakanka išsiaiškinti tik trijų faktorių įtaką: 1) vandenilio jungčių ilgio pokyčius tarp vandens molekulių, 2) topologinį indeksą – jungčių skaičių vienai vandens molekulei ir 3) vandens molekulių nuokrypį. kampas tarp ryšių nuo pusiausvyros vertės (kampinis iškraipymas).
Prieš kalbėdami apie japonų fiziko gautus rezultatus, pateiksime svarbių pastabų ir paaiškinimų dėl minėtų trijų veiksnių. Visų pirma, įprasta vandens H 2 O cheminė formulė atitinka tik jo garų būseną. Skystos formos vandens molekulės sujungiamos į grupes (H 2 O) per vandenilinį ryšį. x, kur x yra molekulių skaičius. Energetiškai palankiausias penkių vandens molekulių derinys ( x= 5) su keturiais vandeniliniais ryšiais, kuriuose susidaro ryšiai pusiausvyra, vadinamasis tetraedrinis kampas, lygus 109,47 laipsnių (žr. 2 pav.).
Išanalizavęs vandenilio jungties tarp vandens molekulių ilgio priklausomybę nuo temperatūros, Matsumoto padarė laukiamą išvadą: temperatūros padidėjimas sukelia vandenilio ryšių linijinį pailgėjimą. O tai, savo ruožtu, padidina vandens kiekį, tai yra, jo išsiplėtimą. Šis faktas prieštarauja pastebėtiems rezultatams, todėl jis toliau svarstė antrojo veiksnio įtaką. Kaip šiluminio plėtimosi koeficientas priklauso nuo topologinio indekso?
Kompiuterinis modeliavimas davė tokį rezultatą. Esant žemai temperatūrai, didžiausią vandens tūrį procentais užima vandens klasteriai, kurių molekulėje yra 4 vandenilio ryšiai (topologinis indeksas yra 4). Temperatūros padidėjimas sąlygoja asocijuotų su indeksu 4 mažėjimą, tačiau tuo pačiu pradeda daugėti klasterių su indeksais 3 ir 5. Matsumoto, atlikęs skaitinius skaičiavimus, nustatė, kad vietinis klasterių su topologiniu tūris. indeksas 4 praktiškai nesikeičia didėjant temperatūrai, o bendro tūrio pokytis su indeksais 3 ir 5 bet kurioje temperatūroje vienas kitą kompensuoja. Vadinasi, temperatūros pokytis nekeičia bendro vandens tūrio, o tai reiškia, kad topologinis indeksas neturi jokios įtakos vandens suspaudimui jį kaitinant.
Belieka išsiaiškinti vandenilinių ryšių kampinio iškraipymo įtaką. Ir čia prasideda įdomiausia ir svarbiausia. Kaip minėta aukščiau, vandens molekulės linkusios susijungti taip, kad kampas tarp vandenilio jungčių yra tetraedrinis. Tačiau vandens molekulių šiluminiai virpesiai ir sąveika su kitomis į klasterį neįtrauktomis molekulėmis to padaryti neleidžia, vandenilio jungties kampo reikšmė nukrypsta nuo pusiausvyros reikšmės 109,47 laipsnių. Norėdami kiekybiškai įvertinti šį kampinės deformacijos procesą, Matsumoto ir kt., remdamiesi savo ankstesniu darbu Vandenilio jungčių tinklo topologiniai konstrukciniai blokai vandenyje, paskelbti 2007 m. Cheminės fizikos žurnalas, iškėlė hipotezę apie trimačių mikrostruktūrų, panašių į išgaubtą tuščiavidurį daugiakampį, egzistavimą vandenyje. Vėliau vėlesnėse publikacijose tokias mikrostruktūras jie vadino vitritai(3 pav.). Juose viršūnės yra vandens molekulės, briaunų vaidmenį atlieka vandeniliniai ryšiai, o kampas tarp vandenilio ryšių yra kampas tarp briaunų vitrite.
Pagal Matsumoto teoriją, egzistuoja didžiulė vitritų formų įvairovė, kurios, kaip ir mozaikos elementai, sudaro didelę vandens struktūros dalį ir kartu tolygiai užpildo visą jo tūrį.
Vandens molekulės linkusios sukurti vitrituose tetraedrinius kampus, nes vitritai turėtų turėti mažiausią įmanomą energiją. Tačiau dėl šiluminių judesių ir vietinės sąveikos su kitais vitritais kai kurios mikrostruktūros neturi geometrijos su tetraedriniais kampais (arba kampais, artimais šiai vertei). Jie priima tokias struktūriškai nesubalansuotas konfigūracijas (kurios jiems nėra pačios palankiausios energetiniu požiūriu), kurios leidžia visai vitritų „šeimai“ gauti kuo mažesnę energetinę vertę. Tokie vitritai, ty vitritai, kurie tarsi aukojasi „bendriems energetiniams interesams“, vadinami frustruotais. Jei nesugadintuose vitrituose ertmės tūris tam tikroje temperatūroje yra didžiausias, tada frustruoti vitritai, priešingai, turi mažiausią galimą tūrį.
Matsumoto atliktas kompiuterinis modeliavimas parodė, kad vidutinis vitrito ertmių tūris mažėja tiesiškai didėjant temperatūrai. Tuo pačiu metu nusivylę vitritai žymiai sumažina savo tūrį, o nefrustruotų vitritų ertmės tūris beveik nekinta.
Taigi vandens suspaudimą kylant temperatūrai sukelia du konkuruojantys efektai – vandenilinių jungčių pailgėjimas, dėl kurio padidėja vandens tūris, ir sumažėjusių vitritų ertmių tūris. Temperatūros diapazone nuo 0 iki 4°C paskutinis reiškinys, kaip parodyta skaičiavimais, vyrauja, o tai galiausiai veda prie stebimo vandens suspaudimo kylant temperatūrai.
Belieka laukti eksperimentinio patvirtinimo apie vitritų egzistavimą ir jų elgesį. Bet tai, deja, labai sunki užduotis.
Daugelis metalų ir lydinių, kaitinami iki aukštos temperatūros, tampa plastiški. Geležis, plienas, varis, aliuminis, magnis, žalvaris, aliuminis-geležies bronza, duraliuminis ir kai kurie kiti metalai bei lydiniai kaitinami įgyja galimybę kalti ir be sunaikinimo keičia savo formą. Kiti metalai ir lydiniai, pavyzdžiui, pilkasis ketus, alavo bronza, cinko lydiniai, kaitinant neįgyja gebėjimo deformuotis, tampa trapūs ir lūžta nuo smūgio ir suspaudimo. Kalbant apie geležį ir plieną, kuo aukštesnė šildymo temperatūra, tuo didesnis plastiškumas. Taigi, pavyzdžiui, plienui, pašildytam iki. 950°, kalimo jėgos reikės 2,2 karto daugiau nei iki 1200° įkaitintam plienui, o iki 700° įkaitintam plienui – 4,5 karto didesnės jėgos.
Beje, plastiškumo pagerėjimas reiškia kaitinimo temperatūrą virš 600 °, t.y. kai pliene pradeda įvykti vidinės transformacijos, kurios bus išsamiai aptartos vėliau. Kaitinant nuo kambario temperatūros, ty nuo 15° iki 600°, plieno stipris nesikeičia taip pat, būtent: iki 300° temperatūros anglinio plieno atsparumas tempimui padidėja ir tik kaitinant virš 300 ° ar pradeda mažėti. Ho, gavęs padidėjusį tempimo stiprumą maždaug 300 ° temperatūroje, plienas tokioje temperatūroje tampa trapus ir įgauna, kaip sakoma, mėlyną trapumą.
Esant temperatūrai, artimai 600°, plieno atsparumas tempimui sumažėja labai smarkiai. Taigi, jei imame įprastą 45 klasės anglinį plieną, jo tempiamasis stipris sumažėja nuo 60 kg / mm2 esant 15 ° iki 25 kg / mm2 esant 600 °, ty daugiau nei du kartus. Esant aukštesnei nei 600° temperatūrai, tempiamasis stipris mažėja lėčiau, bet vis tiek labai reikšmingas. Taigi, esant 700° temperatūrai, 45 klasės plieno tempiamasis stipris yra 15 kg/mm2; esant 1000°-5,5 kg/mm2; esant 1200° - 2,5 kg/mm2; esant 1300° - 2,0 kg/mm2. Taigi iki 1200-1300° temperatūros įkaitinto plieno stiprumas, lyginant su šaltuoju, sumažėja apie 25-30 kartų.
Kaitinant spalvotuosius metalus ir lydinius, pastebimas panašus vaizdas. Vienintelis skirtumas yra tas, kad kadangi jų lydymosi temperatūra yra žemesnė nei plieno, visos jų kritinės temperatūros pasislenka žemyn. Pavyzdžiui, kaitinant iki 800°, vario stiprumas sumažėja 6-7 kartus, aliuminio stiprumas kaitinant iki 600° sumažėja 30-35 kartus.
Taigi kaitinami metalai tampa 25-35 kartus mažiau patvarūs. Vadinasi, kaitinant, jų deformacijai reikia maždaug tiek pat kartų mažiau pastangų ir energijos sąnaudų.
Jei plienas kaitinamas dar toliau, t.y. iki dar aukštesnės temperatūros - virš 1300 °, tada grūdeliai tampa labai dideli ir gali prasidėti greitas jų tirpimas. Tam dažnai užkerta kelią pati krosnis, kuri negali užtikrinti plieno lydymui būtinos temperatūros – daugiau nei 1400 °. Kai grūdeliai ar kristalai pradeda tirpti, deguonis iš oro prasiskverbs į tarpkristalinę erdvę, sudarydamas trapią geležies oksidų plėvelę. ant grūdų veidų. Metalas pirmiausia pradeda griūti ant paviršiaus, o tada sunaikinimas prasiskverbia į ruošinio gylį. Tai yra plieno perdegimas. Norint išvengti perdegimo, kuris yra nepataisomas defektas, reikia tiksliai žinoti, kokią aukščiausią temperatūrą gali duoti krosnis, ir užtikrinti, kad šioje temperatūroje ruošiniai būtų kaitinami tik nustatytą trumpą laiką.
Pasikeitus struktūrai, keičiasi ir mechaninės metalo savybės. Kuo didesni grūdeliai, tuo mažesnis plieno stiprumas ir ne tik dėl savo metalo, bet ir dėl tarpkristalinės erdvės, kurioje yra įvairios, mažiau patvarios nemetalinės medžiagos, tokios kaip siera ir fosforas, ištirpsta žemoje temperatūroje. Įkaitintas metalas su padidintais kristalais lengviau ištempiamas, todėl suspaudimui reikia mažesnės jėgos.
Vasarą laidai smunka daug labiau nei žiemą, t.y. vasarą būna ilgesni. Jei paimsite pilną butelį šalto vandens ir pastatysite į šiltą vietą, tai laikui bėgant dalis vandens išpils iš buteliuko, nes kaitinant vanduo plečiasi. Iš kambario į šaltį išnešto baliono tūris sumažėja.
1. Esame įsitikinę kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų terminiu plėtimusi
Paprasti eksperimentai ir daugybė stebėjimų įtikina mus, kad kietosios medžiagos, skysčiai ir dujos paprastai plečiasi kaitinant ir susitraukia aušinant.
Skysčių ir dujų terminį plėtimąsi nesunku stebėti kolbos pagalba, kurios kaklelis sandariai užkimštas, o į kamštį įkištas stiklinis vamzdelis. Oro pripildytą kolbą pasukite į indą su vandeniu.
Dabar užtenka kolbą suimti ranka, ir netrukus oras, besiplečiantis kolboje, burbuliukų pavidalu išeis iš vamzdelio po vandeniu (2.30 pav.).
Dabar pripildykime kolbą spalvoto skysčio ir užkimškime, kad dalis skysčio patektų į vamzdelį (2.31 pav., a). Nurodome skysčio lygį vamzdelyje ir nuleidžiame kolbą į indą su karštu vandeniu. Pirmą akimirką skysčio lygis šiek tiek sumažės (2.31 pav., b), ir tai galima paaiškinti tuo, kad kolba pirmiausia įkaista ir plečiasi, o tik tada, kaitinamas, plečiasi vanduo.
Ryžiai. 2.30. Kaitinamas, kolboje esantis oras išsiplečia ir dalis jo palieka kolbą – tai matyti iš iš vamzdelio išeinančių oro burbuliukų
Ryžiai. 2.31 Eksperimentas, įrodantis, kad kaitinant skystis (ir kietosios medžiagos, ir dujos) plečiasi: a - kolba užkimštame skysčiu vamzdelyje; b - pirmuoju kaitinimo momentu skysčio lygis šiek tiek sumažėja; c - toliau kaitinant, skysčio lygis žymiai pakyla
Netrukus pamatysime, kad kaitinant kolbą ir joje esantį vandenį skysčio lygis vamzdyje pastebimai pakils (2.31 pav., c). Taigi kietosios medžiagos ir skysčiai, kaip ir dujos, kaitinant plečiasi. Ištirta, kad kaitinant kietosios medžiagos ir skysčiai plečiasi daug mažiau nei dujos.
Kietųjų medžiagų šiluminis plėtimasis taip pat gali būti parodytas sekančiame eksperimente. Paimkime varinį rutulį, kuris neįkaitęs lengvai pereina per prie jo pritvirtintą žiedą. Įkaitiname rutulį alkoholio lempos liepsnoje ir įsitikiname, kad rutulys daugiau neis pro žiedą (2.32 pav., a). Atvėsęs rutulys vėl lengvai pereis pro žiedą (2.32 pav., b).
2. Išsiaiškiname šiluminio plėtimosi priežastį
Dėl ko kaitinant didėja kūnų tūris, nes didėjant temperatūrai molekulių skaičius nekinta?
Atominė-molekulinė teorija kūnų šiluminį plėtimąsi aiškina tuo, kad kylant temperatūrai didėja atomų ir molekulių judėjimo greitis. Dėl to didėja vidutinis atstumas tarp atomų (molekulių).
Ryžiai. 2.32. Eksperimentas, iliustruojantis kietųjų kūnų šiluminį plėtimąsi: a - įkaitusioje būsenoje rutulys nepraeina per žiedą; b - po aušinimo kamuolys praeina per žiedą
Atitinkamai didėja kūno apimtis. Ir atvirkščiai, kuo žemesnė medžiagos temperatūra, tuo mažesni tarpmolekuliniai tarpai. Išimtis yra vanduo, ketus ir kai kurios kitos medžiagos. Pavyzdžiui, vanduo plečiasi tik esant aukštesnei nei 4 °C temperatūrai; esant temperatūrai nuo 0 0C iki 4 0C, kaitinant mažėja vandens tūris.
3. Apibūdinkite kietųjų kūnų šiluminį plėtimąsi
Išsiaiškinkime, kaip keičiasi kieto kūno linijiniai matmenys dėl temperatūros pokyčių. Norėdami tai padaryti, išmatuojame aliuminio vamzdžio ilgį, tada šildome vamzdelį, leisdami per jį karštą vandenį. Po kurio laiko galite pastebėti, kad vamzdžio ilgis šiek tiek padidėjo.
Pakeitę aliuminio vamzdį tokio pat ilgio stikliniu vamzdžiu, pamatysime, kad esant tokiam pat temperatūros padidėjimui, stiklo vamzdžio ilgis padidėja daug mažiau nei aliuminio vamzdžio ilgis. Taigi darome išvadą: kūno šiluminis plėtimasis priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis pagamintas.
Fizinis dydis, apibūdinantis medžiagos šiluminį plėtimąsi ir skaitiniu požiūriu lygus kūno ilgio pokyčiui dėl jo įkaitimo I ° C ir pradinio ilgio, vadinamas tiesinio plėtimosi temperatūros koeficientu.
Linijinio plėtimosi temperatūros koeficientas žymimas simboliu a ir apskaičiuojamas pagal formulę:
Iš tiesinio plėtimosi temperatūros koeficiento apibrėžimo galite gauti šio fizinio dydžio vienetą:
Žemiau esančioje lentelėje pateikti kai kurių medžiagų tiesinio plėtimosi temperatūros koeficientai.
4. Susipažinkite su šilumine plėtra gamtoje ir technologijomis
Kūnų gebėjimas plėstis kaitinant ir susitraukti vėsstant vaidina labai svarbų vaidmenį gamtoje. Žemės paviršius įšyla netolygiai. Dėl to netolygiai plečiasi ir prie Žemės esantis oras, susidaro vėjas, lemiantis orų kaitą. Dėl netolygaus vandens šildymo jūrose ir vandenynuose atsiranda srovių, kurios daro didelę įtaką klimatui. Staigūs temperatūros svyravimai kalnuotose vietovėse sukelia uolienų išsiplėtimą ir susitraukimą. Ir kadangi plėtimosi laipsnis priklauso nuo uolienų rūšies, plėtimasis ir susitraukimas vyksta netolygiai, todėl susidaro įtrūkimai, dėl kurių šios uolienos sunaikinamos.
Į šiluminį plėtimąsi tenka atsižvelgti statant tiltus ir elektros linijas, tiesiant šildymo vamzdžius, tiesiant geležinkelio bėgius, gaminant gelžbetonines konstrukcijas ir daugeliu kitų atvejų.
Šiluminio plėtimosi reiškinys plačiai naudojamas technologijose ir kasdieniame gyvenime. Taigi automatiniam elektros grandinių uždarymui ir atidarymui naudojamos bimetalinės plokštės - jos susideda iš dviejų juostų su skirtingais tiesinio plėtimosi koeficientais (2.33 pav.). Šiluminis oro plėtimasis padeda tolygiai sušildyti butą, atvėsinti maistą šaldytuve, vėdinti patalpas.
Ryžiai. 2.33. Automatinių saugiklių (a) gamybai, šildymo prietaisų automatiniam įjungimui ir išjungimui (b) plačiai naudojamos bimetalinės plokštės (c). Vienas iš metalų, kylant temperatūrai, plečiasi daug labiau nei kitas, dėl to plokštė susilenkia (r) ir atsidaro (arba užsidaro)
5. Išmokite spręsti problemas
Plieninio geležinkelio bėgio ilgis esant 0 o C temperatūrai yra 8 g. Kiek jo ilgis padidės karštą vasaros dieną esant 40 °C temperatūrai?
Problemos sąlygų analizė. Žinodami, kaip keičiasi plieninės dalies ilgis kaitinant 1 °C, t.y. žinodami plieno linijinio plėtimosi temperatūros koeficientą, sužinosime, kiek pasikeis bėgio ilgis įkaitus 40 °C. Plieno linijinio plėtimosi temperatūros koeficientą randame iš aukščiau esančios lentelės.
- Apibendrinant
Kietosios medžiagos, skysčiai ir dujos kaitinant linkę plėstis. Šiluminio plėtimosi priežastis yra ta, kad kylant temperatūrai didėja atomų ir molekulių judėjimo greitis. Dėl to didėja vidutinis atstumas tarp atomų (molekulių). Kietųjų kūnų šiluminis plėtimasis apibūdinamas tiesinio plėtimosi koeficientu. Linijinio plėtimosi koeficientas yra skaitiniu būdu lygus kūno ilgio pokyčio dėl jo įkaitinimo 1 o C ir pradinio ilgio santykiui.
- testo klausimai
1. Pateikite pavyzdžių, patvirtinančių, kad kietosios medžiagos, skysčiai ir dujos kaitinant plečiasi.
2. Aprašykite eksperimentą, kuris parodo skysčių šiluminį plėtimąsi.
3. Dėl kokios priežasties kaitinant padidėja kūnų tūris?
4. Nuo ko, be temperatūros, priklauso kūnų dydžio kitimas juos kaitinant (aušinant)?
5. Kokiais vienetais matuojamas tiesinio plėtimosi koeficientas?
- Pratimai
1. Pasirinkite visus teisingus atsakymus. Kai kūnas atvėsęs, tada:
a) mažėja jo molekulių judėjimo greitis;
b) didėja jo molekulių judėjimo greitis;
c) mažėja atstumas tarp jo molekulių;
d) didėja atstumas tarp jo molekulių.
2. Kaip pasikeis baliono tūris, jei jį iš šaltos patalpos perkelsime į šiltą? Kodėl?
3. Kas atsitiks su atstumais tarp skysčio dalelių termometre atšalus?
4. Ar teisingas teiginys, kad kaitinant kūnas didėja, nes didėja jo molekulių dydis? Jei ne, pasiūlykite pataisytą versiją.
penki . Kodėl tikslūs matavimo prietaisai rodo temperatūrą?
6. Prisiminkite eksperimentą su variniu kamuoliuku, kuris dėl įkaitimo įstrigo žiede (žr. 2.32 pav.). Kaip jie pasikeitė dėl šildymo: kamuoliuko tūris; jo svoris; tankis; vidutinis atomų greitis?
7. Per žalvarinį vamzdelį praleidus verdančio vandens garus, vamzdžio ilgis padidėjo 1,62 mm. Koks yra žalvario linijinio plėtimosi koeficientas, jei 15 0C temperatūroje
vamzdžio ilgis yra 1 m? Atminkite, kad verdančio vandens temperatūra yra 100°C.
8. 1,5 m ilgio platininė viela buvo 0 °C temperatūroje. Dėl pratekėjusios elektros srovės laidas įkaito ir pailgėjo 15 mm. Iki kokios temperatūros jis buvo pašildytas?
9. Stačiakampis vario lakštas, kurio matmenys esant 20 0C temperatūrai yra 60 cm x 50 cm, buvo įkaitintas iki 600 °C. Kaip pasikeitė lapų plotas?
- Eksperimentinės užduotys
1. Kaip turint lentą, plaktuką, dvi gvazdikėlius, spiritinę lempą ir pincetą parodyti, kad kaitinant padidėja 5 kapeikų monetos dydis? Atlikite atitinkamą patirtį. Paaiškinkite pastebėtą reiškinį.
2. Užpildykite buteliuką vandens, kad viduje būtų oro burbuliukas. Įkaitinkite butelį karštame vandenyje. Stebėkite, kaip keičiasi burbulo dydis. Paaiškinkite rezultatą..
Fizika. 7 klasė: vadovėlis / F. Ya. Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X .: Leidykla "Ranok", 2007. - 192 p.: iliustr.
Pamokos turinys pamokos santrauka ir pagalbinis rėmelis pamokos pristatymas interaktyvios technologijos greitinančios mokymo metodus Praktika viktorinos, testavimo internetinės užduotys ir pratimai namų darbų seminarai ir mokymų klausimai klasės diskusijoms Iliustracijos vaizdo ir garso medžiaga nuotraukos, paveikslėliai grafika, lentelės, schemos komiksai, parabolės, posakiai, kryžiažodžiai, anekdotai, anekdotai, citatos Priedai santraukos cheat sheets lustai smalsiems straipsniams (MAN) literatūra pagrindinis ir papildomas terminų žodynas Vadovėlių ir pamokų tobulinimas klaidų taisymas vadovėlyje pasenusių žinių pakeitimas naujomis Tik mokytojams kalendoriniai planai mokymo programos metodinės rekomendacijosOras visame pasaulyje vienodas.
Kaitinamas jis išsiplės, o vėsdamas susitrauks bet kurioje šalyje ir mieste, bet kuriame miestelyje ar kaime.
Programos turinys: Įtvirtinti vaikų idėjas apie vandens, sniego, ledo savybes, plėsti jų idėjas apie vandens (skaidrus, neturi formos ir kvapo) ir oro (šildant plečiasi ir vėsdamas susitraukia) savybes, skatinti norą savarankiškai daryti išvadas ir iškelti hipotezes.
Įranga: Balionai, plastikiniai buteliai, dubenys su karštu (ne aukštesnė kaip 60 C) ir šaltu vandeniu, baliono vaizdas, druska, cukrus, plastikiniai puodeliai, šaukštai, vandens indai (kolbos, mėgintuvėliai, buteliai, stiklainiai), filtrai (servetėlės) , ledas, rutulys.
Pamokos eiga:
Organizacinis momentas: žaidimas „Raketa“
Pedagogas: Kaip tu gali vykti į kelionę? (atsakymas) Siūlau šiandien naudoti balioną.
Ar neprieštarauji? Mums pakeliui reikia svarbaus padėjėjo. Apie tai kalbama mįslėje.
Per nosį pereina į krūtinę
Ir atgal išlaiko kelią
Jis nematomas, ir vis dėlto
Mes negalime be jo gyventi.
Oro yra visur. Apsižvalgyti. Kas matė orą? (atsakymas) Taip, oras yra nematomas, bet jis visada yra aplink mus. Be jo negalėtume gyventi, nes. nebūtų kuo kvėpuoti. O dabar, vaikinai, patikrinkime, kiek laiko galime degti nekvėpuodami. Kodėl mes nematome oro? (atsakymas) Oras nematomas, nes. jis skaidrus. Ar norite pamatyti orą? Tačiau pirmiausia pakartokime saugaus elgesio taisykles eksperimentuodami:
- Nestumdykite kaimyno, kai dirbate. Pirmiausia pažiūrėkite, tada pakartokite Pašalinkite, padėkite atgal. Būkite atsargūs su karštu vandeniu.
Tačiau prieš eksperimentus darykime mankštą akims.
Akių įkroviklis.
1 patirtis: stiklinė įkrenta į stiklainį – ar vanduo patenka į stiklinę? Kodėl gi ne? (atsakymas)
Išvada: stiklinėje yra oro, nepraleidžia vandens.
2 eksperimentas: Pakreipkite stiklą – kas atsiranda (burbuliukai) Iš kur jie atsirado? (atsakymas)
Išvada: oras palieka stiklą, vanduo užima vietą.
Mokytojas atidaro baliono atvaizdą.
Pedagogas: Pasakyk man, kodėl po kamuoliu yra degiklis? (atsakymas) Dabar išsiaiškinsime, kas atsitinka su oru, kai jis įkaista.
3 patirtis: uždėkite sluoksnį ant tuščio baliono kaklo. Buteliai. Palaikykite 1 min. Karštame vandenyje. - Ką tu matai? (balionas prisipučia) Kodėl? (atsakymas)
Išvada: Kaitinamas oras butelyje plečiasi ir užpildo balioną, jis išsipučia.
Mokytoja įkiša į šaltą vandenį butelį su kamuoliuku.
- Ką tu matai? (balionas ištuštėja) Kodėl? (atsakymas)
Išvada: Atvėsęs oras susispaudžia ir palieka balioną – nupučiamas.
Pedagogas: Kodėl mums reikia degiklio? (atsakymas) Kaitinamas, oras plečiasi ir užpildo balioną. Kai degiklis išjungiamas, oras palaipsniui atvėsta ir susitraukia, todėl balionas ištuštėja.
Mokytojas: Skriskime! Užimkite savo vietas. Mes skridome. (Vaikai sėdi ant kėdžių. Mokytojas išima gaublį.) Pažiūrėkite į gaublį. Štai kaip mūsų žemė atrodo iš kosmoso. Kas yra mėlyna pasaulyje? (Vanduo) Klausyk eilėraščio apie vandenį.
Ar girdėjote apie vandenį?
Jie sako, kad ji yra visur!
Baloje, jūroje, vandenyne
Ir maišytuvas.
Lyg varveklis sušąla
Šliaužia į mišką su rūku,
Virimas ant viryklės
Šnypščia virdulio garai,
Arbatoje ištirpina cukrų.
Mes to nepastebime.
Esame pripratę prie to, kad vanduo
Mūsų kompanionas visada!
Negalime nusiplauti be vandens
Nevalgyk, negerk.
Drįstu pranešti #150
Mes negalime gyventi be vandens!
Pedagogas: Ir iš tikrųjų sunku įsivaizduoti gyvenimą be vandens. Dėmesio, mes čia! Nusileidimas! (Vaikai išeina.) Kažkas mums trukdo. PSO? (Tai vandens)
Vanduo: Sveiki! Labai džiaugiuosi tave matydamas! Man taip patinka pliaukštelėti basomis kojomis balose, plaukioti, pliuškenti. Po to ant rankų ir kojų saulės spinduliuose mirguliuoja skaidrūs lašeliai. Bet aš nesuprantu: kur dingsta šis vanduo? Ir vis dėlto žiemą norėjosi maudytis savo mėgstama upe, o vietoj vandens – ledu. Iš kur jis atsirado?
Mokytojas: Pabandykime atsakyti į klausimus. Norėdami tai padaryti, turite apsišarvuoti dėmesiu ir kantrybe. Eime į laboratoriją.
Pirštų gimnastika.
Pedagogas: Vandens kambaryje vaikinai parodys, kokias savybes turi vanduo. Atkreipkite dėmesį: ant stalo yra ledo. Prie jo grįšime vėliau.
4 eksperimentas: Į žentą įpilkite stiklinę švaraus vandens ir užuoskite.
Mokytojas: Ar vanduo kvepia? (Ne, vanduo yra bekvapis.)
Išvada: vanduo neturi kvapo.
5 patirtis: uždėkite stiklinę ant paveikslėlio, vandens ir stiklinę pieno.
Mokytojas: Ar matote, kas pavaizduota paveikslėlyje? (Kur yra vandens, jis matomas, o ten, kur pieno nėra.)
Išvada: vanduo skaidrus.
6 patirtis: į stiklinę įdėkite šaukštą cukraus arba druskos, išmaišykite.
Mokytojas: kas atsitiko? (Cukrus ištirpęs)
Išvada: vanduo yra kai kurių medžiagų tirpiklis.
7 patirtis: supilkite vandenį į skirtingus indus.
Pedagogas: kokią formą įgavo vanduo? (Indų, į kuriuos jis buvo pilamas, forma)
Išvada: vanduo neturi pastovios formos, jis įgauna indo, į kurį buvo pilamas, formą.
Kūno kultūra: žaidimas „Oras, ugnis, vanduo, žemė“
Pedagogas: Vaikinai, eikime prie stalo, ant kurio buvo ledas. Ką tu matai? Kodėl taip atsitiko?
Vodyanoy: gaila, kad ledas ištirpo, aš taip mėgstu jį valgyti.
Pedagogas: Kas tu! Varveklių ir ledo valgyti negalima! Kodėl? Įrodykime, kad ledas yra nešvarus. (filtruotas)
8 patirtis: iš lėkštės supilkite ištirpusį vandenį į piltuvą su filtru.
Pedagogas: Švarus ar nešvarus ledas? Kodėl? Vanduo, ar galiu valgyti ledą ar ne?
Vanduo: kas tu! Daugiau niekada nevalgysiu ledo ir sniego.
Pedagogas: pakartokime vandens savybes.
Vanduo: Ačiū. Prisiminsiu vandens savybes ir niekada jų nepamiršiu. Kaip prisiminimas apie šią kelionę. Viso gero.
Pedagogas: Mums laikas grįžti į darželį. Užimkite savo vietas. Užmerkiame akis. Vienas du trys. Atvyko.
Žmogus! Prisimink amžinai:
Gyvybės Žemėje simbolis yra vanduo!
Išsaugokite jį ir pasirūpinkite.
Mes ne vieni planetoje!
Apibendrinant. Ką sužinojote apie vandenį?
Kas buvo naudojama:
- elektrinė kaitlentė
- skystas azotas
- balionas
- konfeti
- plastikinis butelys
Apibūdinimas:
Labai vizuali patirtis! Daugelis galvoja, kad kaitinant medžiagų tūris didėja, o vėsinant – mažėja. Nesvarbu, ar tai kieta, skysta ar dujinė medžiaga. Viskas keičiasi. Taip yra įprastame gyvenime, kai sunku patikėti. Supilkite sau du samčius sriubos, pašildykite. Kaip buvo du, taip ir liko du. O ir keptuvė šaldytuve neužims mažiau vietos atvėsusi.
Tiesą sakant, garsumas keičiasi.
Tik šiek tiek, nepastebima žmogaus akiai. Kaitinant, medžiagos molekulės tampa judresnės ir pradeda tolti viena nuo kitos. Didesnis atstumas reiškia didesnį garsumą. Atvėsus yra atvirkščiai. Kietajame kūne ryšiai tarp molekulių yra stipriausi, skystyje – silpnesni, o dujinėje – silpniausi. Taigi, pasirodo, kad dujos lengviau keičia tūrį nei kitose agregacijos būsenose esančios medžiagos.
Dabar apie sąlygas. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis molekulių greitis ir didesnis tūris. Kuo greitesnis aušinimo ar šildymo greitis (skirtumas tarp medžiagos ir aplinkos temperatūros), tuo greičiau bus matomas rezultatas.
Norėdami pataisyti ir grąžinti buteliuką į ankstesnę formą, pakartojame procedūrą su šildymu.
Šaltiniai:
Tarakonams įėjimas uždarytas: Žinia, kad ir kiek kovotum su tarakonais, bet jei kaimynai jų turės, tai jie pas mus tikrai ateis. Lengviausias būdas jiems yra ventiliacijos velenas. Išimkite groteles iš ventiliacijos angos ir pritvirtinkite (galima klijuoti) nailoninę kojinę prie jos galinės pusės. Dabar jokie gyvi padarai neįsiskverbs į jūsų butą.
Paprasti ir patvarūs medienos klijai: galite patys pasidaryti medienos klijus. Pakanka paimti šiek tiek varškės ir ištirpinti amoniake. Už 100 gr. amoniakas, 25 g. varškės. Mediniai paviršiai turi būti kruopščiai sureguliuoti vienas prie kito, kad neliktų tarpų, paskleisti ir tvirtai pritvirtinti spaustukais.
Kas atsitinka su oru, kai jis šildomas ir atvėsinamas
Turėjome tokią patirtį. Į kolbą įkišamas kamštis su stikliniu vamzdeliu.
Vamzdžio galas buvo panardintas į stiklinę vandens. Įkaitino kolbą, suspaudė ją rankomis. Netrukus pastebėjome, kad iš vamzdelio pradėjo veržtis oro burbuliukai. Taip atsitiko todėl, kad kaitinant oras plečiasi ir netelpa į kolbą.
Atliko antrą eksperimentą. Jie uždėjo ant kolbos, su kuria atliko pirmąjį eksperimentą, šaltu vandeniu suvilgytą skudurą. Vanduo iš stiklo pradėjo patekti į vamzdį ir kilti išilgai jo. Tai reiškia, kad vėsdamas oras susispaudžia.
Kad geriau matytumėte, kaip vanduo pakyla pro vamzdelį, jis anksčiau buvo tamsintas.
Oras, kaip ir skysčiai bei kietos medžiagos, kaitinant plečiasi, o vėsdamas susitraukia.
Oras visame pasaulyje vienodas. Kaitinamas jis išsiplės, o vėsdamas susitrauks bet kurioje šalyje ir mieste, bet kuriame miestelyje ar kaime.
Norint bendrauti su kitų šalių piliečiais, reikia išmokti jų kalbą. Pavyzdžiui, tai galima padaryti apsilankius įvairiose anglų kalbos mokyklose. Jei mokate užsienio kalbą, galite internete paklausti britų, vokiečių ar prancūzų, kaip oras elgiasi jų šalyje. Be to, galite būti tikri, kad jų oras plečiasi kaitinant ir susitraukia, kai vėsta, nepaisant to, kurioje vietovėje jie gyvena ir kokia kalba jie kalba.
Oras turi dar vieną įdomią savybę – jis yra prastas šilumos laidininkas. Daugelis po sniegu žiemojančių augalų nenušąla, nes tarp šaltų sniego dalelių yra daug oro ir sniego pusnys primena šiltą antklodę, dengiančią augalų stiebus ir šaknis. Rudenį išlyja voverė, kiškis, vilkas, lapė ir kiti gyvūnai. Žieminis kailis yra storesnis ir vešlesnis nei vasarinis. Tarp storų plaukų įstrigo daugiau oro, o žvėrys apsnigtame miške nebijo šalčio.
(Mokytojas rašo ant lentos.)
Oras blogai praleidžia šilumą.
Taigi, kokios yra oro savybės?
V. Kūno kultūra
VI. Studijuojamos medžiagos konsolidavimas Užduočių atlikimas darbo sąsiuvinyje
Nr.1 (b. l. 18).
- Perskaitykite užduotį. Pažvelkite į paveikslėlį ir schemoje pasirašykite, kurios dujinės medžiagos yra oro dalis. (Savęs patikrinimas su schema vadovėlyje 46 p.)
Nr.2 (b. l. 19).
Perskaitykite užduotį. Užrašykite oro savybes. (Atlikus užduotį, atliekamas savęs patikrinimas su užrašais lentoje.)
Nr.3 (b. l. 19).
- Perskaitykite užduotį. Į kokias oro savybes reikia atsižvelgti norint teisingai atlikti užduotį? (Oras plečiasi kaitinant ir susitraukia, kai vėsta.)
Kaip paaiškinti, kad kaitinant oras plečiasi? Kas atsitiks su jį sudarančiomis dalelėmis? (Dalelės pradeda judėti greičiau, o tarpai tarp jų didėja.)
- Pirmajame stačiakampyje nubrėžkite, kaip oro dalelės išsidėsto kaitinant.
Kaip paaiškinti, kodėl vėsdamas oras susispaudžia? Kas atsitiks su jį sudarančiomis dalelėmis? (Dalelės pradeda judėti lėčiau, o tarpai tarp jų mažėja.)
— Antrame stačiakampyje nupieškite, kaip oro dalelės išsidėsto atvėsusios.
Nr.4 (b. l. 19).
— Perskaitykite užduotį. Kokia oro savybė paaiškina šį reiškinį? (Oras yra prastas šilumos laidininkas.)
VII. Atspindys
Grupinis darbas
Pirmąją užduotį skaitykite vadovėlyje p. 48. Pabandykite paaiškinti oro savybes.
Antrąją užduotį skaitykite p. 48. Padaryk tai.
– Kas teršia orą? (Pramonės įmonės, transportas.)
Pokalbis
Netoli mano namų yra gamykla. Pro savo langus matau aukštą mūrinį kaminą. Iš jos dieną ir naktį veržiasi tiršti juodi dūmų debesys, todėl horizontas amžinai slepiasi už tankaus serozinio šydo. Kartais atrodo, kad tai smarkus rūkalius, fumiguojantis miestą savo neužgęstančia Guliverio pypke. Visi kosėjame, čiaudėjame, kai kuriuos net tenka guldyti į ligoninę. O „rūkaliui“ bent kažką: pažink save pūk ir pūk, pūk ir pūk.
Vaikai verkia: bjauri gamykla! Suaugusieji pyksta: tuoj pat uždarykite!
Ir atsakydami visi girdi: kaip taip „bjauru“ ?! Kaip taip "uždaryti"?!
Mūsų gamykla gamina prekes žmonėms. Deja, nėra dūmų be ugnies. Užgesiname krosnių liepsnas – gamykla sustos, prekių nebus.
Vieną rytą pabudau, pažiūrėjau pro langą – nėra dūmų! Milžinas nustojo rūkyti, gamykla yra vietoje, pypkė vis dar kyšo, bet dūmų nėra. Įdomu, kiek laiko? Tačiau matau: nerūko ir rytoj, ir poryt, ir poryt... Ar gamykla apskritai uždaryta?
Kur dingo dūmai? Jie patys sakė, kad nėra dūmų be ugnies.
Netrukus paaiškėjo: pagaliau pasigirdo mūsų nesibaigiantys skundai – prie gamyklos kamino pritvirtino dūmų šalintuvus, dūmų gaudykles, kurios neleidžia iš kamino išskristi suodžių dalelėms.
Ir štai kas įdomu. Atrodytų, niekam nereikėjo ir net kenksmingi dūmai buvo priversti padaryti gerą darbą. Jis (tiksliau, suodžiai) dabar čia kruopščiai surenkamas ir siunčiamas į plastiko gamyklą. Kas žino, gal šis mano flomasteris tiesiog iš tų pačių dūmų detektorių sugautų suodžių. Žodžiu, dūmų detektorių nauda yra visiems: ir mums, miestiečiams (nesergame), ir pačiai gamyklai (suodžius parduoda, o į vėją nepaleidžia, kaip anksčiau) ir plastikinių gaminių (įskaitant flomasterius) pirkėjai.
Išvardykite būdus, kaip palaikyti švarų orą. (Oro valymo įrenginiai, elektromobiliai.)
- Norėdami išvalyti orą, žmonės sodina medžius. Kodėl? (Augalai pasisavina anglies dioksidą ir išskiria deguonį.)
Pažvelkime atidžiau į medžio lapą. Apatinis lapo paviršius padengtas permatoma plėvele ir išmargintas labai mažomis skylutėmis. Jie vadinami „stomatais“, gerai matosi tik su padidinamuoju stiklu. Jie atsidaro ir užsidaro, kad surinktų anglies dioksidą. Saulės šviesoje iš vandens, kuris kyla iš šaknų palei augalų stiebus, ir anglies dvideginio žaliuose lapuose susidaro cukrus, krakmolas, deguonis.
Augalai ne veltui vadinami „planetos plaučiais“.
Koks nuostabus oras miške! Jame yra daug deguonies ir maistinių medžiagų. Juk medžiai išskiria specialias lakias medžiagas – fitoncidus, kurie naikina bakterijas. Žmogui labai naudingi dervingi eglės ir pušų kvapai, beržo, ąžuolo, maumedžio aromatas. Tačiau miestuose oras visai kitoks. Kvepia benzinu, išmetamosiomis dujomis, nes miestuose, gamyklose, gamyklose daug automobilių, kurie taip pat teršia orą. Kvėpuoti tokiu oru žmogui kenksminga. Oro valymui sodiname medžius, krūmus: liepas, tuopas, alyvas.
⇐ Ankstesnis12345678910Kitas ⇒
Prietaisai, kuriuose vyksta šilumos mainai, vadinami šilumokaičiai.
Paprasčiausio tipo šilumokaitį galima pagaminti vieną cilindrinį vamzdelį įdėjus į kitą. Jei per išorinį vamzdį iš apačios leidžiamas šaltas oras, o per vidinį vamzdį į jį – šiltas, tai pastarasis atvės, atiduodamas savo šilumą šaltam orui, tekančiam per išorinį vamzdelį. Tokiame šilumokaityje, net esant žemai šalto oro temperatūrai, negalima pasiekti gero iš viršaus patenkančių dujų aušinimo.
Yra sudėtingesnių šilumokaičių konstrukcijų, kuriose vidinis vamzdis pagamintas spiralės pavidalu arba pakeičiamas daugybe mažo skersmens vamzdžių. Tai padidina vamzdžių kontakto plotą su šaltu oru, praeinančiu pro juos.
Šilumokaičiai daugiausia pagaminti iš raudonojo vario. Jis turi gerą šilumos laidumą.
Išorėje šilumokaičiai yra padengti šilumą izoliuojančia medžiaga, kuri apsaugo juos nuo išorinės šilumos. Geras šilumokaitis gali atvėsinti orą iki labai žemos temperatūros, tačiau tam reikia dar šaltesnio oro.
Kur gauti?
Jei greitai suspausite dujas, jos įkais; jei greitai išsiplės, atvės.
Priverskite suslėgtą orą per porėtą kamštį, įkištą į mažo vamzdelio vidurį. Spustelėkite stūmoklį. Kairė vamzdžio pusė, kurioje suspaustas oras, įkais. Tuo pačiu metu dešinė vamzdžio pusė, į kurią patenka suslėgtas oras, pastebimai atvės, išsiplės, kai išeina per kištuką.
Fizikai dujų įkaitimą jas gniuždant aiškina tuo, kad mažėjant suslėgtų dujų tūriui, molekulės taip priartėja viena prie kitos, kad tarp jų pradeda veikti patrauklios jėgos, dujų molekulės dar labiau priartėja – darbas atliktas. tai tarsi sukelia papildomą suspaudimą. Išleidžiama šiluma ir pakyla dujų temperatūra.
Kai suslėgtos dujos sparčiai plečiasi, jų tūris didėja. Dujų molekulės linkusios tolti viena nuo kitos, tačiau traukos jėgos tam neleidžia. Dirbama traukos jėgoms įveikti, išeikvojama dalis šilumos, atšaldomos dujos.
Kiekis, kuriuo dujų temperatūra mažėja plečiantis, priklauso nuo pradinio ir galutinio slėgio. Praktikoje visuotinai priimta, kad sumažėjus slėgiui 1 atmosfera, mažėja dujų temperatūra.
Jei specialioje mašinoje, vadinamoje kompresoriumi, tam tikras oro tūris suspaudžiamas iki 200 atmosferų, tada praleidžiamas per specialų čiaupą - išsiplėtimo vožtuvą - ir leidžiama greitai išsiplėsti iki pradinio tūrio, jo temperatūra nukris maždaug 50 °. . Jei suslėgto oro temperatūra prieš jam praleidžiant išsiplėtimo arba droselio sklendę buvo 10°, tai po išsiplėtimo ji taps -40°. Kuo žemesnė suslėgto oro temperatūra jam neišsiplečiant, tuo žemesnė ji bus po droselio, tai yra, praėjus per siaurą droselio sklendės plyšį. Palaipsniui mažinant suspausto oro temperatūrą, galima pasiekti temperatūrą, kurioje jis pradeda skystėti.
Tačiau prieš pradedant gauti skystą orą, jis turi būti išgrynintas.
Paprastai ore yra daug dulkių – smulkių kietų smėlio ir anglies dalelių. Vidutiniškai kubiniame metre oro yra iki 0,01 gramo priemaišų. Mechaninės priemaišos, patekusios tarp besitrinančių kompresoriaus dalių, formuoja įbrėžimus ir sukelia priešlaikinį mašinos nusidėvėjimą. Todėl oras turi būti išvalytas nuo dulkių.
Orui valyti naudojami specialūs alyvos filtrai, kurie montuojami ant kompresoriaus įsiurbimo vamzdžio.
Rūko susidarymas atvėsus drėgnam orui.
Be mechaninės taršos, ore yra drėgmės, anglies dioksido ir kitų dujinių priemaišų.
Drėgmės kiekis ore priklauso nuo jo temperatūros.
Didžiausias drėgmės kiekis 1 kubiniame metre oro esant -30 ° temperatūrai yra apie 0,1 gramo, o esant 30 ° - apie 30 gramų.
Šiek tiek atvėsus orui vandens garai kondensuojasi ir virsta rūku.
Į stiklainį įpilkite šiek tiek vandens ir uždarykite kamščiu, į kurį įkišamas vamzdelis. Ant vamzdelio uždėkite guminę lemputę ir išspauskite ją taip, kad visas oras iš lemputės patektų į stiklainį. Bankas patirs spaudimą. Jei po tam tikro poveikio kriaušė greitai atlaisvinama, oras stiklainyje išsiplės ir atvės – stiklainyje atsiras rūkas. Tai reiškia, kad vandens garai, buvę indelyje kartu su oru, kondensavosi. Mažiausi vandens lašeliai buvo tolygiai paskirstyti visame tūryje.
Esant žemesnei temperatūrai, drėgmė užšąla ir susidaro šerkšnas, kuris ledo pavidalu gali nusėsti ant įrangos sienelių.
Jei į šilumokaitį ar išsiplėtimo vožtuvą patenka drėgmės turintis oras, ant jų sienelių pirmiausia susidaro plonas, o vėliau storesnis ledo sluoksnis. Kad ledas neužkimštų vamzdžių, oras turi būti išdžiovintas prieš jį atvėsinant.
Orą galima džiovinti praleidžiant jį per porėtas medžiagas, galinčias sugerti drėgmę. Tokios medžiagos yra silikagelis ir specialiai apdorotas – aktyvintas – aliuminio oksidas. Kai šios medžiagos sugeria tiek drėgmės, kad nebedžiovina oro, jos kalcinuojamos ir vėl naudojamos džiovinimui.
Oro drėgmę taip pat galima sugerti kaustine soda arba kalcinuotu kalcio chloridu. Šios medžiagos kraunamos į specialius cilindrus, per kuriuos praleidžiamas oras. Praėjęs pro juos oras visiškai išdžiūsta.
Didelėse deguonies gamybos įmonėse drėgmė iššaldoma specialiose gaudyklėse – šaldikliuose, kur palaikoma -40-50° temperatūra. Kai vienoje gaudyklėje susikaupia daug ledo, oras perjungiamas į kitą gaudyklę, o pirmasis šildomas. Ledas tirpsta, o vanduo iš jo nuleidžiamas per specialų čiaupą.
Išvalius orą nuo dulkių ir nusausinus, vis tiek neįmanoma pereiti prie suskystinimo.
Ore yra anglies dioksido. Esant maždaug -80° temperatūrai, šios dujos virsta į sniegą panašia mase, kuriai toliau aušinant susidaro kieta medžiaga, panaši į ledą.
Jei tokio ledo gabalėlis dedamas ant švaraus balto popieriaus lapo, ledo tūris pamažu ims mažėti, nepalikdamas jokių pėdsakų. Čia jis pagaliau dingo, o popierius liko toks pat švarus ir sausas, kaip ir anksčiau. Sausas ledas yra kietas anglies dioksidas. Jis plačiai naudojamas maisto pramonėje.
Norint gauti skystą orą, neįmanoma išsiversti be dujinio oro valymo iš anglies dioksido. Priešingu atveju, po kurio laiko šaldymo įrenginyje susikaups didelis kiekis sauso ledo, kuris gali jį sugadinti.
Kaip išvalyti orą nuo anglies dioksido?
Šarminis tirpalas dedamas į kolonėlę, per kurią praleidžiamas oras. Anglies dioksidas ore susijungia su natrio hidroksidu ir sudaro druską. Iš kolonėlės išeinančiame ore anglies dioksido praktiškai nėra.
Išvalę dujinį orą nuo visų priemaišų, galinčių trukdyti jo suskystėjimui, galite pradėti gauti skysto oro.
Norėdami tai padaryti, reikia sujungti kompresorių, paprastą šaldytuvą, šilumokaitį ir išsiplėtimo vožtuvą pagal šaldymo ciklą su droseliu.
Iš anksto išvalytas oras siunčiamas į kompresorių ir suspaudžia jį iki 200 atmosferų; orui šylant jį reikia atvėsinti praleidžiant per paprastą šaldytuvą tekančiu šaltu vandeniu. Suslėgtos dujos, eidamos į šaldytuvą per vidinį vamzdelį, atiduos savo šilumą vandeniui, kuris išplauna vamzdelį iš išorės. Dujos iš šaldytuvo išeis šaltesnės nei iš kompresoriaus: jų temperatūra bus apie 10 °.
Suslėgtas oras iš šaldytuvo siunčiamas į šilumokaitį. Bet kadangi šilumokaitis dar niekuo neaušinamas, dujos pro jį praeis nesikeičiant temperatūrai ir, patekusios į droselio sklendę, jame išsiplės. Plečiantis dujoms, jos atvėsta ir patenka į skystintuvą, iš skystintuvo atgal į šilumokaitį. Nuo šio momento šilumokaitis pradeda veikti.
Iš skystintuvo patenkantis oras atvės iš kompresoriaus sklindantį suslėgtą orą. Suslėgto oro temperatūra, praeinant per išsiplėtimo vožtuvą, dar labiau nukris ir, išeinant per šilumokaitį į atmosferą, dar labiau atvės šviežias įeinančio suspausto oro dalis.
Taigi, kas minutę automatiškai vis labiau krenta į išsiplėtimo vožtuvą patenkančio oro temperatūra. Galiausiai ateina momentas, kai oras taip atšąla, kad dalis jo suskystėja.
Skystas oras surenkamas į skystintuvą, iš kurio išleidžiamas per čiaupą.
Nesuskystinta oro dalis patenka į šilumokaitį, kurios temperatūra yra apie -190 °, o iš jo išeina esant temperatūrai, artimai kambario temperatūrai. Nepertraukiamai suskystinama nedidelė oro dalis, einanti per šaldymo įrenginį.
Aprašytame cikle tik 5 procentai praleidžiamo oro pereina į skystą būseną, didžioji jo dalis nesuskystėja ir grįžta atgal į atmosferą.
Tai paaiškinama tuo, kad droselio ciklas turi mažą šalčio našumą, tai yra, energijos sąnaudos dujoms suslėgti iki aukšto slėgio yra didelės, o temperatūros kritimas droselio dujų plėtimosi metu yra mažas. Šaldymo ciklas yra paprasto dizaino, tačiau nėra labai ekonomiškas.
Mokslininkai pradėjo atkakliai ieškoti ekonomiškesnių būdų gauti skysto oro. Nustatyta, kad jei suslėgtas oras išplečiamas stūmoklinio variklio cilindre arba ant rotoriaus - besisukančios oro turbinos dalies - menčių ir plėtimosi metu priverčiamas atlikti išorinius darbus, oras atvės daug labiau nei tada plečiasi droselio sklendėje, kur atliekamas tik vidinis darbas, kuris eina įveikti molekulių tarpusavio traukos jėgas.
Mašinos, kuriose suslėgtos dujos plečiamos gavus išorinį darbą, vadinamos plėtikliais.
Dujų aušinimas plėtinyje yra didesnis, tuo daugiau jis atlieka plėtimosi darbus. Didelis slėgis nėra reikalingas dujoms aušinti plėtinyje.
Pakankamas 50-60 atmosferų slėgis. Didžiausio išsiplėtimo metu dujų temperatūra nukris iki -120-125°. Taigi, kai dujų slėgis plėtinyje sumažinamas 1 atmosfera, temperatūra nukrenta maždaug 2° - 8 kartus daugiau nei droseluojant.
Šaldymo ciklo su plėtikliu našumas yra 2-3 kartus didesnis nei ciklo su droseliu našumas. Iš viso oro, praeinančio per tokią sistemą, suskystėja ne 5, o 10-15 proc. Energijos sąnaudos dujoms suspausti vidutinio slėgio šaldymo cikle su plėtikliu yra apie 3 kartus mažiau nei šaldymo įrenginyje su droseliu.
Įrenginyje su plėtikliu iki 40-50 atmosferų suspaustas oras pirmiausia patenka į šaldytuvą, kur atšaldomas vandeniu iš čiaupo. Iš šaldytuvo visas oras patenka į pirmąjį šilumokaitį, kur toliau aušinamas.
Išeinant iš pirmojo šilumokaičio, suslėgtas oras leidžiamas dviem kryptimis. Didžioji dalis dujų nukreipiama į plėtiklį, kur išsiplečia iki 1 atmosferos ir stipriai atšaldoma.
Ekspanderyje aušinamas oras per šilumokaičius nukreipiamas į atmosferą. Pakeliui jis ima šilumą iš oro, patenkančio iš kompresoriaus.
Likusi suslėgto oro dalis atšaldoma antrajame šilumokaityje ir patenka į išsiplėtimo vožtuvą. Plečiantis oras dar labiau atšąla ir, pasiekęs suskystinimo temperatūrą, iš dalies suskystėja. Skystas oras surenkamas į skystintuvą. Nesuskystinta, šalta oro dalis per šilumokaičius nukreipiama į atmosferą. Kai kaupiasi skystas oras, jis nusausinamas.
Palyginti neseniai viename iš SSRS mokslų akademijos institutų buvo sukurtas skysto oro gavimo žemo slėgio įrenginiuose metodas.
Jei radote klaidą, pažymėkite teksto dalį ir spustelėkite Ctrl+Enter.
Susisiekus su
klasiokai
Vandens ir skysčių telkiniai
Kaitinamas, pastebimas reikšmingas skystų kūnų išsiplėtimas, priešingai nei kietieji kūnai. Acetonas turi gana didelę šiluminę plėtrą. O vandeniui ir gyvsidabriui būdingas mažiausias šiluminis plėtimasis.
Visi žino, kad kiekvienas atvėsęs kūnas susitrauks. Vanduo laikomas išimtimi (vandens anomalija). Aušinant vandenį iki +4°C, tūris mažėja, tačiau toliau šaldant nuo +4°C iki 0°C, tūris vėl padidės.
Todėl vandens, kurio temperatūra +4°C, bus didžiausias tankis. Tai paaiškina, kodėl ledas plūduriuoja ant vandens ir kodėl plyšta užšalęs vandens vamzdis.
Dujiniai kūnai
Kaitinant orą bet kokiu tūriu, jis išsiplės.
Šildomo oro tankis nešildomo oro atžvilgiu mažėja, todėl karštas oras pakyla.
Kaitinant, dujos išsiplės daug labiau nei skystis. Dujos, patalpintos į uždarą indą, kaitinant nesiplės. Dėl padidėjusio dujų slėgio indas gali sprogti.
Daugiau įdomių straipsnių:
