Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 114
Текст из файла (страница 114)
Наличие пыли и других мелких частиц в перенасыщенном паре способствует конденсации. Дело в том, что капелька жидкости, образовавшаяся на пылинке, не будет иметь сферическую форму. Ее форма определяется формой и размерами самой пылинки. Ввиду этого кривизна поверхности капли, даже при очень малых размерах последней, может быть невелика. Такие капли являются эффективными центрами конденсации. Еще более эффективными центрами конденсации являются электрически заряженные частицы, или ионы. Когда проводящий шар заряжен электричеством, то электрические заряды, отталкиваясь друг от друга. располагаются на его поверхности.
Но и находясь на поверхности, они продолжают отталкиваться. Таким образом, на поверхностные заряды действуют силы, направленные наружу шара. '1 акис силы, как это будет показано в у >внии об электрических явлениях 1см. т. Н1, ч 33)., действуют и на границе заряженного диэлектрического шара, осли даже заряды располагаются не на поверхности, а по объему шара. Эти выталкивающие силы существуют и в случае заряженной капли.
Они направлень> противоноло>кно силам лапласова капилляр- ного давления, обусловленного кривизной поверхности капли. Таким образом, влияние заряда капли эквивалентно уменьшению поверхностного натяжения. Вследствие этого давление насыщенного пара над заряженной каплей меныпе, чем над незаряжонной тех же размеров.
Этим и объясняется, почему заряд капли способствует конденсации пара. Фавввме равновесия и фввовь<в нрсв<ювйвнив (Гл. Х 3. Перенасыщенный водяной пар, как это подробно было выяснено в З 1!6>, можно получить быстрым адиабатичсскил< расширением влажного воздуха. Этот принцип используется в одном из основных приборов ядерной физики и физики элементарных частиц камере Вильсона. Камера Вильсона (1869 — !969) представляет собой гоомегрически замкнутый обьем, заполненный неконденсирующимся газом (гелнй, аргон, азот н пр.) и насыщенными нарами некоторых жидкостей (вода, этиловый спирт и пр.).
Одна из стенок камеры делается подвижной (в виде поршня или упругой диаграммы), что позволяет менять величину рабочего объема камеры. При адиабатическом расширении в рабо <ем объеме создается перенась<п1еннь<й пар жидкости.
Он не конденсируется, пока нет центра конденсации. Если, однако, через пар пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает много ионов, на которых перенасыщенный пар конденсируется в виде маленьких капелек, достигающих видимых размеров. Получаются цепочки капелек, расположенные вдоль траектории ионизующей часгицы. Они называются треками. Их можно осветить и сфотографировать. Изучение параметров трека (его длины, кривизны в магнитном поле, отклонения от прямолинейности за счет многократного рассеяния ионизующсй частицы, количества капель на единице длины трека и т.д.) дает возможность делать заключение о природе н свойствах пролетающих частиц. 4.
Явление перегревания жидкости также используется для наблюдения следон ионизующих частиц. На нем основано устройство пувь<рьковой камеуец сконструированной Д.А. Глезером (р. 1926) в 1962 г. Жидкость в пузырьковой камере снач«ла находится при температуре, превьппающей телшсратуру кипения. От закипания она удерживается высоким давлением, передаваемым на поршень или упругую мембрану, соприкасающуюся с жидкостью. Для приведения камеры в рабочее состояние внезапно понижакп давление. Тогда жидкость оказывается перегретой и в течение короткого времени может находиться в этом метастабнльном состоянии. Если в это время через камеру пролетит ионизующая частица, то она вызовет резкое вскипанис жидкости в узкой области ндоль траектории <астицы.
В результате путь частицы будет отмечен цепочкой пузырьков пара. Явление можно обьяснить тем, что ионизующая частица теряет на своем пути энергию, переходящую главным образом в тепло. А так как жидкость перегрета, то этого добавочного тепла достаточно для интенсивного образования пузырьков пара на пути частицы. Одним из важнейших преимуществ пузырьковой камеры перед камерой Вильсона является высокая плотность рабочего вещества. Это дает возможность получать большое количество взаимодействий частицы с ядрами рабочего вещества. В качестве жидкостей в пузь<рьковой кал<ере применяются жидкий водород, жидкий прояви, фреоны, жидкий гелий, СОз и т.д. 5.
Перегретой жидкостью н перенасыщенным паром нс исчерпывается многообразие метвстабильных состояний вещества. Другими примерами являются пвреоллплсдеоные в<сиднее<пи и различные крис- з 119) М«>тлстлбпльвь«е еоетояввя 465 таллические модификации твердых тел. Возьмем, например, воду, очищенную от посторонних вкраплений, и будем охлаждать ее при постоянном давлении и без сотрясений. Вода останется жидкой, если даже ее температура достигнет — 1О'С и ниже. Если.
однако, в такую воду бросить кристаллики льда (играюпгие роль зародышей кристаллической фазы) или встряхнуть сосуд, в котором она находится, то происходит быстрое затвердевание,причем температура резко поднимается до 0'С. ?Кидкост«ь охлажденная до темпоратуры ниже температуры затвердевания, называется г>ереехла>воде>той оюидкость>о. Она является менее устойчивой фазой, чем кристаллическая фаза при той же температуре и давлении. Поэтому если жидкость не очищена от посторонних вкраплений.
способных выполнять функции зародышей кристаллической фазы, то переохлаж>!ения не наблюдается. Прн охлаждении жидкости кристаллизация начинается при тел>пературе плавления. соогветствующей тому давлению, под которым находится жидкость. !Это не совсем точно, так как температура кристаллизации зависит от размеров и вида зародышей.) Скоросгь кристаллизации переохлажденной жидкости при наличии в ней зародьшюй сильно зависит от температуры. При понижении телшературы за точку кристаллизации скорость кристаллизации сначала растет, достигает максимума, а затем падает. Г!ри очень больших переохлаждениях скорость кристаллизации делается практически ранной нулю. При достаточно больших переохлаждениях начинается самопроизвольное образование зародьппей.
Скорость этого процесса также сначала растет с понижением температуры, достигает максимул«а и стремится к нулю при дальнейшем понижении температуры. Обычно максимум скорости самопроизвольного образования зародышей находится при более низкой температуре, чем максимум скорости кристаллизации. Переохлажденными жидкостями являются расплавленный сахар и мед. Здесь скорость кристаллизации очень мала.
Однако процесс кристаллизации происходит, хотя и ме>р>евно. Мед и вареш.с с течением времени «засахариваются>, т.е. переходят в кристаллическую модификацию. Многие тела, которые в обиходе называются твердыми, не обладают внутренней кристаллической структурой. Их лучше рассматривать как сильно переохлажденные жидкости. Таковы асфальт, сапожный вар, стекло, различные пластмассы и пр. Истинно твердыми телами являклся только кристаллы. В стекле переохла>кденне настолько сильно, что практически нег ни образования зародьппей, ни кристаллизации на существующих зародьпиах. Однако даже и здесь процесс кристаллизации идет, хотя и очень медленно. Он приводит к тому, что по истечении десятков лет стекло может стать мутныл« ( «рлсстеклоеываввв» стекла).
>Грк>«ь«примором, иллюстрирующим роль зародышей в полиморфных превращениях, может служить явление, известное под названием «оловянной чумы,». Сущесгвуют две модификации твердого олова-- обычное, или белое, олово и порошкообразное, или серое, олово. Г!ри атмосферном давлении эти модификации находятся в равнонесии при Фа»оома раопооеои„я и фаэооме превра,олепаш )Гл.
Х температуре 18 "С. Вьнне 18'С более устойчиво белое олово. ниже 18 'С вЂ” серое. 1! осле сильного мороза при потеплении оловянные предметы, если в них есть подходящий зародыш, могут рассыпаться в порошок. Это явление и называется «оловянной чулюй . Оно очень редкое, так как обычно таких зародьнней нет, самопроизвольно они образуются только нри очень низких телшературах.
Зародыши недейственны, пока стоит сильный мороз, ввиду ничтожной скорости превращения. Но нри потеплении скорость превращения сильно возрастает, и оловянный предмет рассыпается в порошок. Скорость превращения белого олова в серое 1при наличии зародьнна последнего) максимальна около 0'С и быстро спадает при более низких температурах. Иногда после суровой зимы нри нотевлеиии наблюдались «эпидемии» оловянной чумы.
Такое явление произошло, например, в конце прошлого века в Петербурге. На одном из складов военного обмундирования находился большой запас солдатских пуговиц, которые в то время изготовлялись из белого олова. Склад не отапливался, пуговицы «простудились» и еезаболели оловянной чумой». Сначала слегка потемнели несколько пуговиц. Г!уговицы быстро теряли блеск и через несколько дней рассыпались в порошок. «Заболевшие» пуговицы «заражали» своих соседей из белого олова. Болезнь распространялась быстро, как *<ума. В несколько дней горы блестящих оловянных пуговиц превратились в бесформенную кучу серого порошка. Оловянная чума явилась одной из основньсх причин гибели антарктической экспедиции Роберта Скотта ес1868 — 1012): разрушились банки с горючим, полярники остались без горячей пищи.
Достигнув южного полюса, они уже не смогли вернуться на свою базу. ЗАДАНА При прохождении через псрегретую жидкость иониэующей частицы вдоль ее траектории образуются мельчайвше пузырьки пара. Те из пузырьков, радиус которых больше «критического радиуса» Й„р, быстро вырастают до видимых размеров, а пузырьки меньших размеров захлопываются силами поверхностного натяжения. Определить й„р для жидкого пропана 1С» Нл), если в камере ов находится под давление Р =- 5 атм и температуре Т = =- 328 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
