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.
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.
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Мюриэль Мэнделл в своей занимательной книге «Phycisc Experiments for Children» излагает интереснейшие мысли о свойствах воды, на основе которых не только юные физики могут узнать немало нового, но и взрослые освежат свои знания, которые давненько не приходилось применять, поэтому они оказались слегка забытыми.
Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край - это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.
1. При нагревании вода увеличивается в объеме
Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.2. При охлаждении вода сжимается
Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения. Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…
3. …объем воды вновь возрастает при замерзании
Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством. Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?4. Лед легче воды
Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.
5. Водопроводная вода содержит минералы
Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта. Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне. Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.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:
Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.
В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При бо льших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.
Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды , «Элементы», 09.10.2006).
Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.
С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.
Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).
Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).
Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H 2 O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный , так называемый тетраэдральный угол , равный 109,47 градуса (см. рис. 2).
Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?
Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.
Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water , опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics , выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.
Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.
Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.
Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.
Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает , что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.
Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.
