2015-06-14
453
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 1.2. Я.Н.Ройтенберг, Гироскопы, М., "Наука", 1975
В.А.Павлов, Гироскопический эффект, его проявление и
использование, Л., "Судостроение", 1972
Н.В.Гулия, Возрожденная энергия, "Наука и жизнь", 1975, нр-7.
К 1.3. А.А.Силин, Трение и его роль в развитии техники, М., "Наука", 1976.
И.В.Крагельский, Трение и износ, М., "машиностроение",1968
Д.Н.Гаркунов, Избирательный перенос в узлах трения, М., "Транспорт", 1969.
ДЕФОРМАЦИЯ.
2.1. Общая характеристика.
В самом общем случае под деформацией понимается такое
изменение положение точек тела, при котром меняется взаимные
расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся
изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить
механические силы, электрические, магнитные, гравитационные
поля, изменения температуры, фазовые переходы и т.д.
В теории деформации твердых тел рассматриваются многие
типы деформаций-сдвига, кручения и т.д. Формальное описание
их можно отыскать в любом курсе сопромата.
Если деформация исчезает после снятия нагрузки, то она
называется упругой, в противном случае имеет место пластичес-
кая деформация. Для упругих деформаций справедлив закон Гука,
согласно которому деформация пропорциональна механическому
напряжению.Если рассматривать деформации на атомарном уровне
то упругая деформация характеризуется,прежде всего практичес-
ки одинаковым изменением растояния между всеми атомами крис-
тала; при пластических деформациях возникают дислокации-ли-
нейные дефекты кристалической решотки.
Величина деформации любого вида определяется свойствами
деформируемого тела и величиной внешнего воздействия; следо-
вательно,имея данные о деформации, можно судить либо о свойс-
твах тела,либо о воздействиях; в некоторых случаяхи о том и о
другом, а в некоторых- о степени изменения свойств деформиру-
емого тела при том или ином внешнем воздействии.
А.с. 232571: Способ измерения спорных реакций машин и
станков в эксплуатационных условиях,отличающийся тем,
что,с целью определения реакций в спорах с резиновым
упругим элементом, измеряют величину деформации свобод-
ной поверхности резинового упругого элемента, по кото-
рой судят о величине опорной реакции.
2.1.1. С в я з ь э л е к т р о п р о в о д н о с т и
с д е ф о р м а ц и е й.
В 1975 году зарегистрировано открытие: обнаружена зави-
симость пластической деформации металла от его проводимости.
При переходе в сверхпроводящее состояние повышается пластич-
ность металла. Обратный переход понижает пластичность.
Напомним, что макроскопическая пластическая деформация
осуществляется перемещением большого количества дислокаций,
способность же кристалла оказывать сопротивление пластической
деформации определяется их подвижностью.
Эффект наблюдался на многих сверхпроводниках при раз-
личных способах механических испытаний. В экспериментах было
обнаружено значительное повышение пластичности металла /ра-
зупрочнение/ при переходе его в сверхпроводящее состояние.
Величина эффекта в некоторых случаях достигла нескольких де-
сятков процентов.Детальное изучение явления разупрочнения
привело к выводу,что "виновником" его следует считать измене-
ние при сверхпроводящем переходе тормозящего воздействия
электронов проводимости на дислокации. Силы "трения" отдель-
ной дислокации об электроны в несверхпроводящем металле резко
уменьшаются при сверхпроводящем переходе.Таким образом, обна-
ружена прямая связь механической характеристики металлаего
пластичности с чисто электронной характеристикой-проводи-мостью.
Главный вывод-электроны металлов тормозят дислокации
в с е г д а.Сверхпроводящий переход помог выявить роль элект-
ронов и позволил оценить электронную силу торможения. Но пе-
реход в сврхпроводящее состояние- не единственная возможность
влиять на электроны. Этому служит магнитное поле, давление и
т.д. Ясно, что такие воздействия должны изменять и пластич-
ность металла, особенно, когда электроны- главная причина
торможения дислокаций.
Магнитное поле в сочетании с низкой температурой спо-
собны изменять буквально все свойства вещества: теплоемкость,
теплопроводность,упругость,прочность и даже цвет. Появляются
новые электрические свойства. Превращения происходят практи-
чески мгновенно- за 10 в11-ой и 10 в12-ой сек. Исходя из экс-
периментов ожидают использования новых эффектов в обычных ус-ловиях.
2.1.2. Э л е к т р о п л а с т и ч е с к и й
э ф ф е к т в м е т а л л а х
Установлен электропластический эффект в металлах и до-
казана возможность его применения для практических целей. От-
крытие этого эффекта привело к более глубокому пониманию ме-
ханизма пластической деформации, расширило представление о
взаимодействии свободных электронов в металле с носителями
пластической деформации-дислокациями.
Появилась возможность управлять механическими свойства-
ми металлов, в частности, процессом обработки металлов давле-
нием. Например, деформировать вольфрам при температурах не
превышающих 200 гр.С и получить из него прокат с высоким ка-
чеством поверхности. В экспериментах с импульсным током было
найдено, что электрический ток увеличивает пластичность и
уменьшает хрупкость металла. Если создать хорошие условия
теплоотвода от деформируемых образцов и пропускать по ним ток
высокой плотности 10 в4-ой 10 в6-ой а/см./2 то величина эф-
фекта будет будет порядка десятков процентов. Электрический
ток вызывает также увеличение скорости релаксации напряжений
в металле и оказывается удобным технологическим фактором для
снятия внутренних напряжений в металле. Электропластический
эффект также линейно зависит от плотности тока (вплоть до 10
в5-ой а/см./2) и имеет большую величину при импульсном токе,
а при переменном вообще не наблюдается.
Видна связь явления разупрочнения металла при сверхпро-
водящем переходе с электропластическим эффектом. В этом и
другом случае происходит разупрочнение металла. Однако, если
в первом случае в основе явления лежит уменьшение сопротивле-
ния движению и взаимодействию дислокаций при устранении из
металла газа свободных электронов,во втором случае причиной
облегчения деформации является участие самого электронного
газа в пластической деформации металла. Электронный газ из
пассивной и тормозящей среды превращается в среду, имеющую
направленный дреф и поэтому ускоряющую движение и взаимодейс-
твие дислокацийе (или снижающую обычное электронное торможе-
ние дислокаций) Этот эффект уже находит свое применение напрактике:
|
|
|
|
|
|
А...: "Способ снижения прочности металлов, напри-
мер,при пластической деформации при котором через заготовку
пропускают электрический ток отличающийся тем, что с целью
снижения прочности металла при сохранении его низкой темпера-
туры, к заготовке прикладывают импульсы тока плотностью преи-
мущественно 10 а/см./2, с частотой подачи 20-25Гц.
2.1.3. Ф о т о п л а с т и ч е с к и й э ф ф е к т.
Естественно ожидать изменение пластических свойств и
при других воздействиях на электронную структуру образца.
Например, воздействие светового излучения на кристалы полуп-
роводника вызывает в них перераспределение электрических за-
рядов. Не будет ли свет влиять на пластические свойства по-
лупроводников? Советские ученые Осиньян и Савченко на этот
вопрос отвечают утвердительно. Их открытие зарегистрировано
под номером 93 в такой формулировке:
"Установлено ранее неизвестное явление,заключающееся в
изменении сопротивления пластической деформации кристаллов
полупроводников под действием света, причем максимальное из-
менение происходит при длинных волн, соответствующих краю
собственного поглащения кристаллов".
В их опытах образцы полупроводников сжимались и растя-
гивались до наступления пластической деформации. Затем обра-
зец освещался светом. Вызванное им перераспределение носите-
лей заряда оказывало тормозящее действие на дислокации
носителей пластической деформации и тотчас прочность образца
увеличивалась почти вдвое. Стоило выключить свет, как проч-
ность уменьшалась и вскоре достигала своего первоначальногозначения.
Дальнейшие исследования привели к наблюдению еще одного
интересного явления - и н ф р а к р а с н о г о гашения фо-
топластического эффекта.
Эффект фотопластичности предполагается использовать для
разработки нового типа элементов автоматики, новой тех-
нологии полупроводнико,для создания качественно новых
приемников видимого светового и инфракрасного излуче- ния.
2.1.4. Э ф ф е к т Б а у ш и н г е р а.
При упругих деформациях перемена знака внешнего усилия
вызывает только изменение знака деформации,без изменения ее
абсолютной величины. Если же под влиянием внешних усилий в
металле возникают дислокации,т.е. наступает режим пластичес-
кой деформации то упругие свойства металла изменяются и начи-
нает сказываться влияние знака первоначальной деформации. Ес-
ли металл подвергнуть слабой пластической деформации
нагрузкой одного знака,то при перемене знака нагрузки обнару-
живается понижение сопротивления начальным пластическим де-
формациям (эффект Баушингера). Возникшие при первичной дефор-
мации дислокации обуславливают появление в металле остаточных
напряжений, которые складываясь с рабочими напряжениями при
перемене знака нагрузки,вызывают снижение предела пропорцио-
нальности,упругости и текущести материала. С увеличением на-
чальных пластических деформаций величина снижения механичес-
ких характеристик увеличивается. Эффект Баушингера явно
проявляется при незначительном начальном наклепе.Низкий от-
пуск наклепанных материалов ликвидирует все проявления эффек-
та Баушингера. Эффект значительно ослабляется при многократ-
ных циклических нагружениях материала с наличием малых
пластических деформаций разного знака
2.1.5. Э ф ф е к т П о й н т и н г а.
Пойнтингом было установлено,что при закручивании сталь-
ных и медных проволок они не только закручиваются, но также
упруго удлиняются и увеличиваются в объеме. Удлинение прово-
локи примерно пропорционально квадрату угла закручивания: при
заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату ра-
диуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, вели-
чина радиального сжатия при этом пропорциональна квадрату уг-
ла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом
было доказано,что удлинение при закручивании не связано с из-
менениями модуля ЮНГА -это позволяет предполагать,что свойс-
тва материала остаются без изменений.
Эффект Пойтинга нашел применение в машиностроении.
Пример тому А.с.546456: Способ демонтажа прессовых сое-
динений деталей типа вал-втулка путем воздействия на
охватываемую деталь усилием выпрессовки, отличающийся
тем, что с целью снижения усилия выпресовки, например,
подшипников качения с вала, перед выпрессовкой,охваты-
ваемую деталь,например,вал, скручивают.
Малая величина эффекта позволяет указать на возможность
его применения в некоторых областях измерительной техники.
Калиброванные изменения радиуса- это переменный калибр толщи-
ны: радиальное сжатие с одновременным удлинением -это измене-
ние (хотя и малое,но надежно калибрированное) электросопро-
тивления проволоки и т. д.
2.2 Передача энергии при ударах. Эффект Александрова.
Коэффициент передачи энергии от ударяющего тела к уда-
ряющему зависит от отношения их масс-чем больше это отноше-
ние,тем больше передаваемая энергия. Поэтому в машинах удар-
ного действия всегда старались учесть это соотношение, по
крайней мере,до 1954 года,когда Е.В.Александровым было уста-
новлено, что с ростом соотношения масс коэффициент передачи
растет лишь до определенного критического значения,определяе-
мого свойствами и конфигурацией соударяющихся тел (удар упру-
гий) При увеличении отношения масс соударяющихся тел сверх
критического коэффициента передачи энергии определяется не
реальным соотношением масс а критическим значением этого от-ношения.
Соответственно,коэффициент востановления определяется
формой и массой соударяющихся тел и степенью рассеяния энер-
гии. Очевидно,этот эффект обязательно должен учитываться при
проектировании машин ударного действия. Наглядная иллюстрацияк тому:
А.с.. 203557 Механизм для воздействия на твердое тело
ударной нагрузкой,содержит два или более соударяющихся
элементов,причем один из них является рабочим, непос-
редственно воздействующим на твердое тело, отличающийся
тем,что в нем предусмотрено средство для создания перед
каждым соударением элементов дополнительного зазора в
системе "соударяющиеся элементы-твердое тело" и один
или несколько из соударяющихся элементов, за исключени-
ем рабочего, выполнены из материала с меньшим модулем
упругости, чем материал элемента.
На основе открытия Александрова создан так называемый
механический полупроводник,в котором передача энергии практи-
чески осуществляется только в одном направлении, независимо
от жесткости опоры. На этой основе уже создан новый отбойный
молоток,который в два раза легче серийного и обладает большой
производительностью.Теоретически доказана возможность и целе-
сообразность бурения на глубинах до 100 м без погружения бу-
рильной машины в скважину.
А.с..447496: Наддолотный утяжелитель,состоящий из несо-
единенных между собой свободно установленных на буриль-
ной колонне грузовых трубчатых элементов, отличающихся
тем,что с целью усиления ударных нагрузок на доло-
то,каждый вышележащий грузовой трубчатый элемент имеет
большую массу по сравнению с нижележащими.
2.3. Эффект радиационного распухания металла.
Как бы не пытались исправить деформированную деталь,
она все равно вспомнит свойдефект,частично востановит прежнюю
покоробленность.Виной тому внутреннее напряжение в материа-
лах. Они существуют всегда.Отжиг ликвидирует их в металлах,
но при остывании, которое идет не равномерно,внутренние нап-
ряжения хотя и ослабленные,появляются вновь.С помощью холод-
ной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно.
Здесь на помощь может прийти радиоактивное излучение.
При облучении нейтроны врываются в недра металла и,
сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов) выбивают их из узлов
кристалической решотки.Те,в свою очередь,ударяясь о другие
ионы, либо остаются на месте,либо оставляют эти места свобод-
ными. Большая же часть ионов внедряется в междоузлия.Обраба-
тываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем.
Так вот, если изогнутую деталь подвергнуть радиоактив-
ному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы,
расталкивая ионы и атомы кристаллической решотки, начнут раз-
гибать деталь. Изменения кривизны можно контролировать обыч-
ным измерительным прибором,следить за ней постоянно во время
правки и закончить процесс точно на "нуле". Причем править
можно в сборе, на готовой машине.
Действие радиации легко расчитать. Известно,что макси-
мальное изменение объема стали при нейтронном облучении сос-
тавляет 0,3%. Например,если подвергнуть облучению только
средний участок стальной детали длиной 1000мм и высотой 50мм
,то устраняется прогиб в 2,5мм.
Не металические и композиционные материалы при облуче-
нии изменяют свой объем еще сильней.Например,пластмассы - до24%.
С помощью радиации мы не просто выпрямляем деталь, а
перераспределяем внутренние напряжения до нового равновесного
состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому изделие самоп-
роизвольно уже не разогнется. Этот способ защищен авторским
свидетельством. 395147 (см.18.5.1) 2.4. С п л а в ы с п а м я т ь ю.
Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий,
медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого
сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после
нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в
точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас
науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру
свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они
известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие
усилия при восстановлении своей формы.
Этим воспользовались в Институте металлургии им.
А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слеж-
ную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его
поверхность наносят обычными приемами - с помощью проката,
напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого дру-
гого металла или сплава.
Такой металлический слоеный пирог после нагревания
вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким спо-
собом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой
формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН
сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозмож-
ные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы
сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят виб-
рации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников.
В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места.
В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает слож-
нейшие формы, приданные ей еще на Земле.
При соединении полых деталей с каркасом заклепки из
сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с па-
мятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда
расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с
памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного
преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую
ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирь-
купружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропус-
тить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою
форму - гирька поползет вверх, выключаем ток - гирька вновь
спускается и т.д. По сути дела - это искуственный мускул. На
этом принципе можно делать двигатели нового типа, использую-
щие даровую энергию Солнца.
Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые:
тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термо-
упругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты,
напряженный железобетон и многое другое.
|
|
|
|
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А
К 2.1.1. М.И.Каганов, В.Д.Нацик, Электроны тормозят дислока-
цию "Природа", 1976, н'5, стр.23-24: н'6, стр.131-139.
К 2.1.2. В.И.Спицын, О.А.Троицкий, Электропластическая дефор-
мация металлов, "Природа", 1977.
К 2.1.3. Ю.Осипьян, И.Савченко, "Письма в ЖЭТФ, вып.7, н'4.
К 2.1.4. С.И.Ратнер, Ю.С.Данилов, Изменение пределов пропор-
циональности и текущести при повторном нагружении,
"Заводская лаборатория", 1950, н'4.
Ф.Ходж Теория идеально пластических тел, М.. "ИЛ", 1956
К 2.4. И.И.Карнилов и др., Никелид титана и другие сплавы с
эффектом "памяти", "Наука", 1977.
Молекулярные явления
3.1. Тепловое расширение вещества.
Все вещества (газы, жидкости, твердые тела) имеют атом-
но-молекулярную структуру. Атом, равно как и молекулы, во
всем диапозоне температур находятся в непрерывном хаотическом
движении, причем, чем выше температура обьема вещества, тем
выше скорость перемещения отдельных атомов и молекул внутри
этого обьема (в газах и жидкостях) или их колебания - в крис-
таллических решетках твердых тел. Поэтому с ростом температу-
ры увеличивается среднее расстояние между атомами и молекула-
ми, в результате чего газы, жидкости и твердые тела
расширяются - при условии, что внешнее давление остается пос-
тоянным. Коэффиценты расширения различных газов близки между
собой (около 0,0037 град в степени "-1"; для жидкостей они
могут различаться на порядок (ртуть - 0,00018 град в степени
"-1", глицерин - 0,0005 град в степени "-1", ацетон - 0,0014
град в степени "-1", эфир - 0,007 град в степени "-1"). Вели-
чина теплового расширения твердых тел определяется их строе-
нием. Структуры с плотной упаковкой (алмаз, платина, отдель-
ные металлические сплавы) мало чувствительны к температуре,
рыхлая, неплотная упаковка вещества способствует сильному
расширению твердых тел (аллюминий, полиэтилен).
3.1.1. При температурном расширении или сжатии твердых
тел развиваются огромные силы; это можно использовать в соот-
ветствующих технологических процессах.
Например, это свойство использовано в электрическом
домкрате для растяжения арматуры при изготовлении нап-
ряженного железобетона. Принцип действия очень прост: к
растягиваемой арматуре прикрепляют стержень из металла
с подходящим коэффициентом термического расширения. За-
тем его нагревают, током от сварочного трансформатора,
после чего стержень жестко закрепляют и убирают нагрев.
В результате охлаждения и сокращения линейных размеров
стержня развивается тянущее усилие порядка сотен тонн,
которое растягивает холодную арматуру до необходимой величины.
Так как в этом домкрате работают молекулярные силы, он
практически не может сломаться.
3.1.2. С помощью теплового расширения жидкости можно
создать необходимые гидростатические давления.
А.с. н' 471140: Устройство для волочения металлов со
смазкой под давлением, содержащее установленные в кор-
пусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между
собой и корпусом камеру (в которой находится смазка).
Ред.(и средства для создания высокого давления, ОТЛИЧА-
ЮЩИЕСЯ тем, что с целью упрощения конструкции и повыше-
ния производительности средство для создания в камере
высокого давления выполнено ввиде нагревательного эле-
мента, расположенного внутри камеры.
3.1.3. Тепловое расширение может просто решить техни-
ческие задачи, которые обыными средствами расширяются с боль-
шим трудом. Напрмер, для того чтобы ступица прочно охватывала
вал, первую перед напрессовкой нагревают. После охлаждения
надетой на вал ступицы силы термического сжатия делают этот
узел практически монолитным. Но как после этого разобрать
данное соединение? Механически - почти не возможно без риска
испортить деталь. Но достаточно сделать вал из металла коэф-
фицентом термического или, если это невозможно, ввести в соп-
рягаемое пространство прокладку из металла с меньшим термо-
расширением, как техническое противоречие исчезает.
Общеизыестные биметаллические пластинки - соединенные
каким-либо способом две металлические полоски с различным
терморасширением - являются отличным преобразователем тепло-
вой энергии в механическую.
А.с. н 175190: Устройство для учета колличества наливов
металла в изложницу, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что с
целью автоматизации процесса учета,оно выполнено ввиде
корпуса,прикрепленного,к изложнице,в полости,которого
расположено счетное устройство, состоящее из трубки с
шариками и биметаллической пластинки, на конце которой
укреплен отсекатель,пропускающий при нагреве пластинки
шарик,падающий в накопительную емкость.
Использование эффекта различного расширения у различных
металлов позволило создать т е п л о в о й д и о д.
А.с 518614: Тепловой диод,содержащий входной и выходной
теплопроводы,имеющие узел теплового контакта о т л и ч
а ю щ и й с я тем,что с целью упрощения конструкции,
узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розет-
ка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле
выходного теплопроводов.
2.Диод по пункту 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что
входной теплопровод выполнен из материала с высоким ко-
эффициентом линейного удлинения,например меди, а выход-
ной - из материала с малым коэффициентом линейного уд-
линения,например,инвара.
3.1.4. Тепловое расширение,как процесс обратимый и лег-
ко управляемый,применяется при проведении весьма филигранных
работ, таких,как микроперемещение объектов,например,в поле
зрения микроскопа или измерения с помощью тепловых электроиз-
мерительных приборов.
Патент США 3569707 Устройство для измерения импульсного
излучения при помощи теплодатчиков.Энергия,поглащаемая
материалом,на который воздействует импульсное ядерное
излучение,измеряется путем детектирования теплового
расширения этого материала тензодатчиками.
3.2. Фазовые переходы.Агрегатные состояния веществ.
При фазовых переходах первого рода скачком изменяются
плотность веществ и энергия тела; очевидно,при фазовых пере-
ходах первого рода в с е г д а выделяется или поглощается ко-
нечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах
второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а ска-
чок испытывает такие величины, как теплоемкость,теплопровод-
ность; фазовые переходы второго рода не сопровождаются погло-
щением или выделением энергии. Примером фазового перехода
второго рода может служить переход жидкого гелия в сверхтеку-
чее состояние,переход форромагнетика в парамагнетик при точке
Кюри,переупорядочение кристаллов сплавов и др.
Характерным примером фазового перехода первого рода мо-
жет служить перход вещества из одного агрегатного состояния вдругое.
В физике рассматривают четыре агрегатных состояния:
твердое, жидкое, газообразное и плазменное.
При переходах из одного агрегатного состояния в другое,
как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается
тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упоря-
доченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах
выделяется такое же колличество тепла, которое поглощается
при прямом переходе. Отметим, что, как правило, переход из
одного агрегатного состояния в другое обычно имеет место при
постоянной температурк, таким образом, фазовый переход явля-
ется источником Э или поглотителем тепла, работающим практи-
чески при постоянной температуре.
А.с.н 426030: Способ изолирования катушки индуктивности
в глубинном приборе путем заполнения диэлектриком каме-
ры, в которой расположена катушка, отличающийся тем,
что с целью упрощения конструкции прибора и повышения
его эксплуатационной надежности, в качестве диэлектрика
используют вещество, температура плавления которого ни-
же минимальной температуры в зоне измерения и выше тем-
пературы корпуса прибора перед его спуском и в период
спуска в скважину.
Нередко изменения агрегатного состояния вещества позво-
ляет очень просто решать до этого почти неразрешимые техни-
ческие задачи. Например, как заполнить послойно емкость сме-
шивающимися между собой жидкостями?
А.с.н 509275: Способ послойного заполнения емкости сме-
шивающимися жидкостями путем последовательного анализа
их, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса,
первую жидкость налитую в емкость, замораживают, следу-
ющую жидкость наливают на верхний слой замороженной
жидкости, а затем последнюю размораживают.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются
электрические характеристики вещества. Так,если металл в
твердом или жидком виде-проводник,то пары металла-типичный
диэлектрик. Это свойство остроумно использовано в патенте США
Прибор для измерения давления жидкого металла содержит
пробоотборную трубку типа трубки Вентури. Через участок
этой пробоотборной трубки пропускается регулируемый
электрический ток. При определенной величине тока, тем-
пература взятой пробы жидкого металла возрастает до тех
пор,пока жидкий металл не перейдет в парообразное сос-
тояние, в результате чего ток прерывается. Период вре-
мени в течение которого через участок пробоотборной
трубки протекает ток,является функцией давления жидкого
металла в системе. Таким образом, период времени при
отборе пробы и подсчете импульсов тока вплоть до момен-
та испарения определяется давлением жидкого металла в системе.
3.2.1. Как отмечалось выше,перекристаллизация металла
является фазовым переходом второго рода. В момент перекрис-
таллизации возникает э ф ф е к т с в е р х п л а с т и ч-н о с т и металла.
В этот момент металл, ранее имевший прочную и сверх-
прочную структуру,становится пластичным как глина.Но длится
это явление считанные мгновения и протекает в очень уз-
ком,причем непостоянном интервале температур.Непосредственно
подстеречь момент,когда начинается фазовое превращение, не-
возможно,но известно,что при перестройки кристаллической ре-
шотки металл начинает переходить из паромагнитного состояния
в феромагнитное,что сопровождается резким изменением его маг-
нитной проницаемости. Этим воспользовались авторы изобрете-ния.
По А.С..207678 пусковое устройство пресса связано с
прибором улавливающим момент фазового перехода: заго-
товку,нагретую до температуры чуть выше интервала фазо-
вого превращения,кладут в матрицу пресса.Остывая металл
заготовки в момент перекристаллизации резко изменяет
свою магнитную проницаемость,что отмечается изменением
тока в измерительной обмотке прибора,который включает пресс.
Чтобы продлить время сверхпластичности,датчик фазового
превращения связывают нетолько с пусковым устройством
прсса,но и с нагревательными элементами.Пилообразно гоняя за-
готовку вверх и вниз по всему интервалу температурфазового
превращения,можно поддерживать состояние сверхпластичности
сколь угодно долго. Ничто не мешает использовать датчики,ко-
торые реагировали бы на изменение других физических свойств
обрабатываемого материала, например,электросопротивления,теп-
лоемкости и т.д. Значит, принцип действия можно распростра-
нить и на немагнитные материалы. У сталей существует еще один
фазовый переход,идущий при очень низких температурах (ниже
минус 60 градусов С), когда аустенит в стали переходит в
мартенсит. И в этот момент наблюдается эффект сверхпластич-
ности. Значит можно в принципе, отказаться от горячей штам-
повки, совместив процесс штамповки в сверхпластичном состоя-
нии с закалкой стали в жидком азоте.
3.2.2. Интересно,что мартенсит имеет меньшую плотность,
чем аустенит. Если к изогнутой деформацией части детали при-
ложить хотя бы кусок "сухого льда",температура которого минус
67 градусов С,то обрабатываемый участок расширится, распрямив
тем самым деталь. А поскольку фазовый переход необратим, то
самопроизвольного востановления кривизны в дальнейшем не про-
изойдет.Превращение десяти процентов аустинита в мартенсит
вызывает увеличение 100 миллиметрового диаметра изделия на
130 микрометров,а переход 40% аустенита в мартесит -400 мик-
рометров. К плюсам нового метранадо добавитьеще один: выдерж-
ка при низкой температуре в течение 5 минут и 5 часов дает
практически одинаковые результаты.Ну, и конечно, обработку
изогнутых деталей холодом, как и радиацией,можно вести в соб-
ранной,готовой машине (сравни с 2.3).
На этот способ выдано авторское свидетельство.414027.
Изменяется плотность при фазовых переходах и у других
веществ (например у воды и олова),что позволяет использовать
их для получения высоких давлений.
Прифазовых переходах второго рода также наблюдаются ин-
тересные изменения макроскопических свойств объектов(см.8.8)
У хрома есть любопытная температурная точка 37 градусов
С, в котором он претерпевает фазовый переход,при этом у него
скачком изменяется модуль упругости. На этом свойстве основанряд изобретений.
А.С.266471: Двигатель,содержащий деформируемые при из-
менении температуры рабочего тела упругие элементы, ки-
нематически связанные с механизмом отбора мощности, от-
личающийся тем,что с целью получения полезной работы
при малых перепадах температур рабочего тела,упругие
элементы выполнены предварительно напряженными и изго-
товлены из материала со скачкообразно изменяющимся при
определенной температуре модулем упругости,например,
изчистого хрома.
В А.С..263209 чувствительным элементом термометра яв-
ляется пружина из чистого хрома.
3.3. Поверхностное натяжение жидкостей.Капилярность.
Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделя-
ющими ее от какой-либо другой среды-вакуума,газа,твердого те-
ла,другой жидкости.Энергия поверхностных молекул жидкости от-
лична от энергии молекул внутри жидкости именно всилу того,
что те и другие имеют различных соседей - у внутренних моле-
кул все соседи одинаковы, у поверхностных - такие же молекулы
расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы
при заданной температуре имеют определенную энергию;перевод
этих молекул внутрь жидкости приведет к тому,что их энергия
изменится (без изменения общей энергии жидкости).
3.3.1. Разность этих энергий носит название п о в е р х
н о с т н о й э н е р г и и.
Поверхностная энергия пропорциональна числу поверх-
ностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит
от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно
характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения.
Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил
поверхностного нажатия,стремящихся сократить поверхность раз-
дела. Такое стремление есть следствие общего физического за-
кона,согласно которому любая система стремится свести свою
потенциальную энергию к минимуму.Жидкость,находящаяся в неви-
сомости,будет принимать форму шара,поскольку поверхность шара
минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданыйобъем.
Конечно,поверхностные силы существуют и в твердых те-
лах, но относительная малость этих сил не позволяет им изме-
нить форму тела,хотя при определенных условиях поверхностные
силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.
3.3.2. При контакте жидкости с твердой поверхностью го-
ворят о с м а ч и в а н и и. В зависимости от числа фаз
участвующих в смачивании,различают имерсионное смачива-
ние(смачивание при полном погружении твердого тела в жид-
кость),в котором участвуют только две фазы,и контактное сма-
чивание,в котором наряду с жидкостью с твердым телом
контактирует третья фаза - газ или другая жидкость. Характер
смачивания определяется прежде всего физико-химическими воз-
действиями на поверхности раздела фаз,которые участвуют всмачивании.
При контактном смачивании свободная поверхность жидкос-
ти около твердой поверхности (или около другой жидкости) иск-
ривлена и называется мениском Линия,по которой мениск пересе-
кается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром
смачивания.Явление контактного смачивания характеризуется
краевым углом между смоченой поверхностью твердого тела(жид-
кости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачи-
вания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей
происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (вы-
пуклый мениск) поверхности жидкостью.
Автоматический дозатор из одной детали.Такой деталью
служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой
пленке всегда задерживается одинаковый по высоте стол-
бик жидкости. Фторопласт практически не смачивается -
поэтому скорость истечения через отверстие зависит
только от давления. Кроме отбора проб жидкости из пото-
ка, такой дозатор может служить для измерения коэффи-
циента поверхностного натяжения (ИР-6.5,С.33)
3.3.3. При растекании жидкости по ее собственному мо-
нослою адсорбированному на высокоэнергетической поверхности
наблюдается э ф ф е к т а в т о ф о б н о с т и.
Эффект заключается в том,что при контакте жидкости,
имеющей низкое поверхностное натяжение, с высокоэнергетичес-
кими материалами, происходит вначале полное смачивание, а за-
тем,через некоторый промежуток времени, условия полного сма-
чивания перестают выполняться. В результате изменится
направление движения периметра смачивания - жидкая пленка на-
чинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным
краевым углом.На ранее смоченных участках твердого тела оста-
ется прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект
используется для нанесения монослойных покрытий на твердыематериалы.
3.3.4. К а п и л я р н о е д а в л е н и е - появляется
из-за искривления поверхности жидкости в капиляре.Для выпук-
лой поверхности давление положительно, для вогнутой - отрица-
тельно. Эффект определяет движение жидкостей в порах,влияет
на кипение и конденсацию.
К а п и л я р н о е и с п а р е н и е - увеличение ис-
парения жидкости вследствие понижения давления насыщенного
пара над выпуклой поверхностью жидкости в капиляре; использу-
ется для облегчения кипения путем изготовления шероховатыхповерхностей.
К а п и л я р н а я к о н д е н с а ц и я - увеличение
конденсации жидкости вследствие понижения давления насыщенно-
го пара над вогнутой поверхностью жидкости в капиляре. Пар
может конденсироваться притемпературе выше точки кипения.
Используется для осушки газов, в хроматографии.
Течение жидкости в капилярах а также в полуоткрытых ка-
налах,например, в микротрещинах и царапинах.
А.С 279583. Распределитель жидкости,например, в колон-
нах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с ук-
репленной на ней трубкой для подачи жидкости,отличаю-
щийся тем,что с целью равномерного распределения
жидкости при малых расходах,трубки выполнены ввиде ка-
пиляров,нижние концы имеют косые срезы.
А.С..225284 Солнечный концентратор для термоэлектроге-
нератора отличающийся тем,что с целью сохранения высо-
кого коэффициента отражения в течение всего времени ра-
боты,егоотражающая поверхность выполнена ввиде сотовой
пористой или капилярной структуры,заполненной расходуе-
мым металлом или сплавом, поступающим благодаря капи-
лярным силам с тыльной стороны концентратора.
3.3.5. Эффект капилярного подъема (опускания) -возника-
ет из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в
капилярном канале.Связь между характером смачивания и капи-
лярным давлением оказывает большое влияние на возможность
проникновения жидкостей в поры и на их вытеснениеиз пор,что в
свою очередь играет важную роль в процессах пропитки,фильтра-ции,сушки и т.д.
3.3.6. Открытие.109: У л ь т р а з в у к о в о й
к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - увеличение скорости
и высоты подъема жидкости в капилярах при непосредственном
воздействии ультразвука в десятки раз. Этот эффект реализован
в А.С.315224 "Способ ультразвуковой пропитки пористых матери-
аловв" в А.он применен для резкого повышения эффективности
тепловой трубы,для чего в зоне конденсации тепловой трубы
прикрепили через акустический концентратор излучатель магни-
тострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуко-
вой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль,спо-
собствует быстрейшему возврату конденсата в зону
испарения.При этом величина максимального удельного теплового
потока вырастает на порядок.
3.3.7. Т е р м о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т - за-
висимость скорости растекания жидкости от неравномерности
нагрева жидкого слоя.Эффект объясняется тем,что поверхностное
натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. По-
этому приразличии температур в разных участках жидкого слоя
возникает движущая сила растекания,которая пропорциональна
градиену поверхностного натяжения жидкости.В результате воз-
никает поток жидкости в смачивающей пленке.Влияние неравно-
мерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов
(например,поверхностноактивных). У чистых жидкостей перетека-
ние происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ,
уменьшающих поверхностное натяжение,жидкость начинает перете-
кать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жид-
кости определяется тем,что как изменяется поверхностное натя-
жение в зоне нагрева от температуры и испарения какого либокомпонента.
3.3.8. Э л е к т р о к а п и л я р н ы й э ф ф е к т -
-зависимость поверхностного натяжения на границе раздла твер-
дых и жидких электродов с растворами электролитов или распла-
вами ионных соединений от элетрического потенциала. Эта зави-
симость обусловлена образованием двойного электрического слоя
на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осущест-
вить инверсию смачивания - переход от несмачивания к смачива-нию и наоборот.
3.3.9. К а п и л я р н ы й п о л у п р о в о д н и к.
Капиляры обладают способностью избирательной проницаемости.
Шейки пор капиляров затрудняют движение только смачивающей
жидкости и способствуют продвижению несмачивающей (биологи-ческие мембраны).
3.4. Сорбция. Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, любая по-
верхность, вещества обладает свободной энергией поверхности(СЭП).
Все поверхностные явления сводятся к взаимодействию
атомов и молекул,которые происходят в двумерном пространстве
при непосредственном участии СЭП. Любую твердую поверхность
можно представить себе как "универсальный магнит", притягива-
ющий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: по-
верхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" моле-
кулами воздуха и воды. Опыт показывает,что чем выше степень
дисперсности данного тела, тем больше количество частиц дру-
гого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.Процесс
самопроизвольного"сгущения" растворенного или парообразного
вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости но-
сит название с о р б ц и и. Поглащоющее вещество называется
с о р б е н т о м, а поглощаемое с о р б т и в о м.
Процесс, обратный сорбции называется д е с о р б ц и
е й. В зависимости от того насколько глубоко проникают части-
цы на адсорцию,когода вещество поглощается на поверхности те-
ла, и абсорцию,когда вещество поглощается всем объемом тела.
В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и
сорбтива, сорбция физическая (взаимодействие обусловлено си-
лами когезии и адгезии т.е. силами Ван-дер-Ваальса) и хими-
ческая,или ее еще называют, хемосорбция;
3.4.1. Особое положение занимает сорбционный процесс,
называемый к а п и л л я р н о й к о н д е н с а ц и е й.
Сущность этого процесса заключается не только в погло-
щении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, напри-
мер, активизированным углем газов и паров.
Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наиболь-
шее значение для практики имеет адсорбция. Чем менее энерге-
тичны молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой по-
верхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа)
адсорбация увеличивается, а с увеличением температуры -уменьшается.
При адсорбации молекулы газа, сталкиваясь с поверх-
ностью прекращают движение. Значит: они теряют энергию, а
"лишняя" энергия должна выделяться. Вот почему при физической
адсорбации выделяется тепло. Причем: последний процесс, если
он идет в закрытом обьеме, сопровождается понижением давления
газа. При десорбации же давление газа - сорбтива увеличивает-
ся, при этом идет поглощение энергии. Это свойство используют
в некоторых теплосиловых установках.
А.с. Н 224743: Двухфазное рабочее тело для компрессора
теплосиловых установок, состоящее из газа и мелких час-
тиц твердого тела, отличающееся тем, что с целью допол-
нительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и
дополнительного расширения в нагревателе в качестве
твердой фазы использованы сорбенты с общей или избира-
тельной поглотительной способностью.
Очень интересные явления и эффекты происходят при ад-
сорбции на поверхности полупроводников.
3.4.2. Ф о т о а д с о р б ц и о н н ы й э ф ф е к т -
Это зависимость адсорбционной способности адсорбента - полуп-
роводника от освещения. При этом эта способность может увели-
чиваться положительный и уменьшаться (отрицательный фотоад-
сорбционный эффект). Эффект можно использовать, например, для
регулирования давления в замкнутом обьеме.
3.4.3. Влияние э л е к т р и ч е с к о г о п о л я
на а д с о р б а ц и ю. Это зависимость адсорбционной способ-
ности от величины приложенного электрического поля. Влияет на
фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно по-
верхности полупроводника - адсорбента.
3.4.4. А д с о р б л ю м и н е с ц е н ц и я -
Это люминесценция, возбуждаемая не светом, а самим актом ад-
сорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс ад-
сорбции, и погасает, коль скоро адсорбция прекращается. Яр-
кость свечения пропорциональна скорости адсорбции. Цвет
свечения при адсорблюминисценции, как правило, тот же, что и
при фотолюминесценции, т.е. определяется природой активатора,
введенного в полупроводник, и вовсе не зависит от природы ад-
сорбируемого газа. Адсорболюминесцеция является одним из ви-
дов х е м о л ю м и н е с ц е н ц и и (15.4).
3.4.5. Р а д и к а л о - р е к о м б и н а ц и о н н ая
л ю м и н е с ц е н ц и я (Р-РЛ).
На поверхности полупроводника могут рекомбинировать
приходящие из газовой фазы радикалы, напрмер, атомы водорода.
При этом происходит свечение полупроводника, которое длится
до тех пор, пока на поверхности идет реакция рекомбинации.
При Р-РЛ, как и при адсорболюминесцеции, испускаются те же
частоты, что и при фотолюминесценции. Они образуют полосу,
которую называют обычно основной полосой. Следовательно, цвет
обминесценции меняется при смене активатора, не зависит от
природы активатора, но меняется при смене газа, участвующего
в реакции.(например, при замене водорода кислородом). Обе по-
лосы в известной мере накладываются друг на друга.
Мы видим на примерах адсорболюминесценции и радикалоре-
комбинационной люминесценции, как электронные процессы в по-
лупроводнике оказываются связанными с химическими процессами,
протекающими на его поверхности.
В результате адсорбции поверхность полупроводника заря-
жается. При адсорбции акцепторов она заряжается отрицательно,
а доноров - положительно.
3.4.6. А д с о р б ц и о н н а я э м и с с и я.
Работа выхода электрона может изменяться под действием
адсорбции. Это зависит от того, заряжается ли поверхность при
адсорбции положительно или отрицательно, т.е. от природы ад-
сорбируемого газа. В первом случае работа выхода снижается,
во втором - возрастает. По тому, как она изменяется, часто
можно судить о составе газовой фазы. Давление газовой фазы
также влияет на работу выхода.
3.4.7. В л и я н и е а д с о р б ц и и н а
э л е к т р о п р о в о н о с т ь п о л у п р о- в о д н и к а.
Электропроводность поверхности полупроводника монотонно
изменяется по мере хода адсорбции, но не достигает некоторого
постоянного значения. Часто за процессом можно следить по из-
менению электропроводности. Адсорбция вызывает увеличение или
уменьшение электропроводности полупроводника в зависимости от
того, какой газ (акцепторный или донорный) адсорбируется и на
каком полупроводнике (электронном или дырочном).
Напрмер, кристаллы двуокиси олова изменяют свою прово-
димость в присутствии водорода, окиси углерода, метана,
бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагре-
вание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это
колличественное различие может быть зафиксировано чувс-
твительным прибором. Можно представить себе аппарат, в
котором изменение электрических свойств кристалла при
появлении в воздухе искомого вещества дает импульс сиг-
нальному устройству отградуированному определенным об-
разом в зависимости от назначения. 3.5. Диффузия.
Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то
тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравни-
ванию концентрации каждой компоненты во всем обьеме. Такой
процесс называется диффузия. при протекании процесса диффузии
всегда имеются так называемые диффузионные потоки вещества,
величина и скорость которых определяется свойствами среды и
градиентов, концентрации. Скорость диффузии в газах увеличи-
вается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение
температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкос-
тях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, возникно-
вению диффузионных потоков приводит наличие температурных
градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад температур в
однородной по составу смеси вызывает появление разности кон-
центрации между областями с различной температурой, при этом
в газах более легкая компонента газовой смеси скапливается в
области с более низкой температурой. Таким образом, явление
термодиффузии можно использовать для разделения газовых сме-
сей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.
3.5.1. При диффузионном перемещении двух газов, находя-
щихся при одинаковой температуре, наблюдается явление, обрат-
ное термодиффузии: в смеси возникает разность температур - эф-
фект Д ю ф о р а. При диффузионном смешивании газов,
составлящих воздух возникающая разность температур составляетнесколько градусов.
Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе
работы диффузионных вакуумных насосах (пароструйные насосы);
термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возмож-
ность надежной работы так называемых диффузионных камер -
приборов для наблюдения ионизирующих частиц.
Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к одно-
родности сплава. Для ускорения диффузии применяется длитель-
ный нагрев сплава (отжиг); уничтожение внутренних напряжений
при отжиге металла также есть следствие процессов диффузии и
их ускорения при повышении температуры.
Создание больших концентраций газа на границе с метал-
лом при создании условий, обеспечивающих некоторое "разрыхле-
ние" поверхностного слоя металла, приводит к диффузии газа
внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе про-
цесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных сло-
ев металла различными элементами позволяет получать самые
различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фак-
тически процессы цементации, алитирования, фосфатирования
есть процессы диффузии углерода, аллюминия, фосфора внутрь
структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулиру-
ется с помощью различных режимов термообработки.
А.с Н 461774: Способ производства изделий из низкоуле-
родистых сталей путем отжига заготовки и холодного вы-
давливания отличающийся тем, что с целью улучшения ус-
ловий выдавливания, перед отжигом заготовку подвергают
термодиффузионной обработке, преимущественно цемента- ции.
3.6. О с м о с.
Осмосом обычно называют диффузию какого-либо вещества
через полупроницаемую перегородку. Основное требование к по-
лупроницаемым перегородкам - обеспечение невозможности проти-
водиффузий. Так, если два раствора разной концентрации разде-
лить перегородкой, задерживающей молекулы растворенного
вещества, но пропускающего молекулы растворителя, то раство-
ритель будет переходить в концентрированный раствор, рабавляя
его и создавая там избыток давления, называемый обычно осмо-
тическим давлением. Питание ратений водой, явление диализа,
явление гиперфильтрации, наконец, обычное набухание - все это
типично осмотические эффекты.Величина осмотического давления
клеток многих растений состовляет 5-10 ат, а осмотическое
давление крови человека доходит почти до 8 атм.
Энергию осмотического давления предложили использовать
авторы английского п а т е н т а Н 1343891: "Способ
генерации механической энергии и устройство реализующее этот
способ. Конструкция по патенту Н1343891 представляет собой
открытую сверху трубу, погруженную в замкнутую полость, куда
налита вода. Трубка сделана из прочного металла, в ней нас-
верлено множество мелких отверстий, закрытых полунепроницае-
мой оболочкой, например, из ацетатцеллюлозы. Труба заполнена
концентрированным рассолом и в нее начинает просачиваться во-
да, т.е. происходит осмос. Создается повышеное давление, под-
нимающее плунжер, связанный с массивным подпруженным поршнем.
Поршень сжимает в цилиндре воздух. Можно создать давление до
трех тысяч атмосфер. Сжатый воздух можно использовать для
вращения воздушной турбины. Изобретатели утверждают, что их
"осмотический двигатель", состоящий из нескольких плунжеров и
поршней, будет генерировать мощность достаточную для движенияавтомобиля.
Теория осмотических явлений описывается в курсах термо-
динамики и статистической физики. Огромна роль осмотических
явлений в работе кровеносных систем человека и животных.
3.6.1. Осмос можно усилить (или ослабить) применяя
электрические поля. Направленное движение раствора относи-
тельно поверхности твердого тела под действием электрического
поля носит название электросмоса, являющегося одной из разно-
видностей электрокинетических явлений (см.12.1).
Липкая масса из смеси влажных грунтов с песком и остат-
ками угля на дне вагонеток почти не поддается очистке
даже специальными машинами. Специалисты Новомосковского
института предложили использовать для очистки электро-
осмос под воздействием на вагонетку с породой внешнего
электрического поля между ее стенками и грузом (при
движении воды относительно твердой горной массы) созда-
ется тончайшая водяная пленка. Такой "прокладке" доста-
точно, чтобы налипшая порода легко отделилась от корпу- са вагонетки.
А.с. н 240825: Способ сушки изоляции кабелейц в шахтах
электросетях с изолированной нейтралью, отличающейся
тем, что с целью упрощения процесса токоведущие жилы
кабелей подсоединяют к положительному полюсу источника
постоянного тока, отрицательный полюс которого соединя-
ют с землей для осуществления сушки за счет использова-
ния явления электросмоса.
3.6.2. Явление обратного осмоса применено (США) для по-
лучения питьевой воды из сильно загрязненной или соленой (ги-
пельфильтрации). Непосредственно явление обратного осмоса
происходит на границе вода - синтетическое волокно: внутрь
волокна проходит только вода, оставляя за бортом соли и
грязь. Сама установка состоит из многих миллионов волокон,
собранных в жгут и помещенных в стальной цилиндр в который
подается "грязная" вода под давлением. Предусмотрен отдельный
отбор чистой воды и насыщенного раствора.
Над проектом электростанции, использующей силы осмоти-
ческого давления, работают сейчас ученые.Принцип действия та-
кой электростанции прост. Трубу с полупроницаемой мембраной
опускют в море. На глубине около 230 метров столб воды созда-
ет такой перепад давления на мембране, что она начинает рабо-
тать как опреснитель. Соленая вода тяжелее пресной примерно
на два с половиной процента. Чтобы пресная вода поднялась до
уровня моря и стала переливаться через край трубы, трубу не-
обходимо опустить на глубину 8750. Переливающаяся вода можетвращать турбину.
3.7. Т е п л о м а с с о о б м е н.
Известны три основных механизма теплообмена - конвек-
ция, излучение и теплопроводность, в которой участвуют движу-
щиеся или неподвижные молекулы вещества совершающие тепловые
колебания. Передача тепла может сопровождаться перемещениеммассы или
Очень широко используется при сушке,которая применяется в
различных областях техники и технологии. наиболее эффективно
процесс сушки идет в колонных аппаратах со встречными потока-
ми: сверху свободно падает вещество, подвергаемое сушке,а
снизу встречным потоком поступает нагретый газ.
В донной же части аппарата подсушенное вещество интенсив-
но досушивется в,так называемом "кипящем слое". "Кипящий
слой" представляет собой "псевдожидкость" - взвесь твердых
частиц, пляшущих в потоках газа, поступающего снизу.
Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехни-
ческими свойствамитвердые частицы в ней бурно перемешиваются и
великолепно переносят тепло, во много раз лучше, чем такой
известный проводник,как медь.
Псевдожидкость, смачивающая какую-нибудь деталь со скром-
ной скоростью 1м/сек, осуществляет теплообмен столь эффектив-
но,ка чистый газ движущийся со сверхзвуковой скоростью.
Псевдожижжение с равным успехом можно использовать как
для передачи тепла, так и для "передачи" холода.
Применение псевдожидкости в печах для высокотемпературно-
го нагрева металла позволит резко уменьшить расход топлива.
Существует традиционная система нагрева - через газообразные
продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изоля-
тором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его
способность передавать тепло,равен 200, в то время, как у жид-
ких металлов или расплавов солей этот коэффициент равен 20
000. Намного эффективнее теплообмен осуществляется в кипящей
псевдожидкости: сжигаемый газ первоначально отдает тепло песку
, а тот, перемешиваясь потоками газа, отдает тепло металлу.
Хотя сам песок получает тепло все от того же теплоизолятора -
газа, однако суммарная поверхность песчинок огромна, и в зна-
чительной мере благодаря этому они отбирают у пламени во много
раз больше тепла, чем сумела бы отнять нагреваемая заготовка.
3.7.1 Среди новых теплообменных систем важное место зани-
мают т е п л о в ы е т р у б ы. Один из простых вариантов теп-
ловой трубы- это закрытый металлический цилиндр; его внутрен-
ние стенки выложены слоем пористо-капилярного материала,
пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движе-
нием этой жидкости связана теплопроводность трубы: на горячем
конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами переме-
щаются к холодному концу - это нормальная конвекция; здесь па-
ры конденсируются и отдают тепло; образовавшиеся жидкость по
пористому материалу возвращается обратно,к горячему концу тру-
бы. Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы -
никаких движущихся частей, в каком-то смысле машина вечная.
Тепловые трубы - непревзойденные проводники тепла, их даже
назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу
диаметром в сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка
10 киловатт при разности температур на концах трубы (это ана-
лог разности электрических потенциалов напряжения на участке
цепи) всего в 5 гр. С; чтобы пропустить эту мощность через
медный стержень такого же диаметра на его концах нужен был бы
перепад температуры почти 150 000 гр. С.
Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их
можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах,
криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения
двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за
счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, напри-
мер, создаются МТД-генераторы - теплоносителем в тепловой тру-
бе может быть жидкий металл, и, если поместить трубу в магнит-
ное поле, то в металле (на концах проводника) наведется
электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень
широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутрит-
рубы и от применяемого теплоносителя. 3.8 Молекулярные цеолитовые сита.
Цеолты являются кристалическими водными алюмосиликатами,
они относятся к группе каркасных алюмосиликатов. Каркасы цео-
литов содержат каналы и сообщающиеся между собой полости, в
которых находятся катионы и молекулы воды. Катионы довольно
подвижны и обычно могут в той или иной степени обмениваться надругие катионы.
А.с. N 561233 Полирующий состав для обработки,например,
полупроводниковых материалов, содержащий кристалический поро-
шок, окислитель, например, перекись водорода и воду, отличаю-
щийся тем, что с целью повышения эффективности процесса поли-
рования, он дополнительно содержит вещество,для катионного
обмена, например азотнокислую медь или углекислый аммонит, а
в качестве кристаллического порошка взяты алюмосиликаты, нап-ример,цеолиты.
Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из
цепочек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения
каркас имеет отрицательный заряд и этот заряд компенсируется
катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящихся
в полостях-сотах. Тип цеолита (диаметр его пор) определяется
соотношением кремния и алюминия и типом катионов. Главным об-
разом это вода. Она удаляется при нагревании до 600-800 гр. С,
сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначаль-
ную структуру. Именно поэтому цеолит способен вновь поглащать
потерянную воду и другие вещества. Размером пор определяется и
размер частиц, способных в них проникать; цеолиты могут как бы
просеивать молекулы, сортировать их по размерам. Кроме того
они используются как адсорбенты, они в 10-100 раз эффективнее
, чем все другие осушители и работают при различных температу-
рах. При -196 гр. С адсорбационная способность цеолитов резко
повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде раз-
ряжение до 1.0е- мм рт.ст. Цеолиты используют как ионообменни-
ки, не разрушающиеся под действием излучения. В качестве ката-
лизаторов устойчивы к действию высоких температур,каталических
ядов, позволяют гибко менять свойства.
А.с. N 550372: Способ получения пентенов путем контакти-
рования 1,3 пентадиенов с твердым окисным катализатором при
300-500 гр. С, отличающийся тем, что с целью повышения выхода
целевого продукта, в качестве катализатора используют компози-
цию аморфного алюмосиликата с силлиманитом.
Размер ячеек цеолита сохраняется практически постоянным в
широком диапазоне температур т.к. коэффициент расширения пол-
ностью гидратированного цеолита близок к коэффициенту термо-
расширения кварца: соответственно 6.91 и 5.21.
3.8.1 Чистые цеолиты бесцветны. Если катионы щелочных или
щелочноземельных металлов, обычно присутствующие в синтети-
ческих цеолитах, обменять на ионы переходных металлов, цеоли-
ты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона
зависит от того, находится он в гидратизированном или безвод-
ном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гид-
ратации. Так, бесцветный цеолит А-А окрашивается в глубокий
желто-красный цвет, а затем в ярко-канареечный. Такой переход
окраски наблюдается при изменении парциального давления воды
над цеолитом от 3.10 мм рт.ст. до 5.10 мм рт.ст. Окрашенная в
сиреневый цвет никелевая форма цеолита при дегидротации стано-
вится светло-зеленой, розовая кобальтовая форма-синей.
С п о с о б н о с т ь ц е о л и т о в м е н я т ь ц в е т
в п р и с у т с т в и и п а р о в в о д ы и с п о -
л ь з у е т с я д л я е е о п р е д е л е н и я.
Цеолиты имеют очень интересные диэлектрические и элект-
ропроводные свойства. ЛИТЕРАТУРА
к 3.2 Б.Г.Гейликман, Статистическая физика фазовых переходов,
т.1.М.,"наука",1954.
к 3.3 О.С.кондо,"Молекулярная теория поверхностного натяжения
в жидкостях",М.,"мир",1963.
Б.Д.Суми,Ю.В.Горюнов,"Физико-химические основы смачива-
ния и растекания,М.,"Химия",1976.
к 3.4 Ф.Ф.Волькштейн,"Полупроводники как катализаторы химиче-
ских реакций",М.,"Знание",1974
(Новое в жизни,науке,технике. Серия "Химия",11).
Ф.Ф.Волькштейн,"Радикало-рекомбинационная люминесценция
полупроводников",М.,"Наука",1976
Н.К.Адам,"физика и химия поверхностей",М.,1947.
В.А.Пчелин,"В мире двух измерений",
журнал "Химия и жизнь", 1976,6,стр.9-15.
к 3.5 С.Р.де Грот,Термодинамика необратимых процессов
М.,1956,Физическое металловедение, вып.2.М.,"мир",196
