yavor1 (553178), страница 74
Текст из файла (страница 74)
2. Способность ионов играть роль центров конденсации используется в камере Вильсона (рис. 36.7). Камера Вильсона представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд 1, покрытый сверху стеклом 2. Снизу сосуд покрыт слоем черного влажного бархата или сукна (на сетке 3), над поверхностью которого образуется насьпценный пар. При быстром опускании поршня 4 происходит адиабатное расширение газа, что сопровождается понижением его температуры. За счет охлаждения пар становится переохлажденным (пересьпценным).
Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, например а- или р-частицы, пролетая в газе, создают на своем пути цепочку ионов. На этих ионах как на центрах конденсации образуются капельки жидкости. Таким образом, при полете частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. На рис. 36.8 показаны фотографии треков и-частиц (короткие и жирные); на рис.
36.9 — треки ()- частиц (прерывистые и длинные). $36.10. Кипение. Перегретая жидкость 1, Испарение жидкости происходит с ее свободной поверхности при любой температуре. Чем выше температура, тем быстрее идет испарение. Кипением называется процесс бурного парообразования не только с поверхности жидкости, но и по всему ее объему.
Для этого жидкость должна быть нагрета до достаточно высокой температуры. При кипении важную роль играют пузырьки газа, имеющиеся в жидкости. Такие пузырьки образуются на границе жидкости и твердого тела. Пузырьки заполнены насыщенным паром жидкости. При повышении температуры жидкости давление пара в пузырь. ке возрастает и его объем увеличивается.
Выталкивающая сила, действующая на пузырек по закону Архимеда, возрастает с ростом его объема. При определенных условиях она станет больше силы сцепления между пузырьками и твердой стенкой. В этом случае пузырек отрывается от стенки, всплывает и лопается, выбрасывая пар. 2, Давление насыщенного пара р„„внутри пузырька, находящегося у поверхности жидкости, равно сумме внешнего давления иа жидкость р„, „и давления под искривленной поверхностью: 2п Рнас Рвнеша+ г ю где г — радиус пузырька, а — коэффициент поверхностного натя- 356 женив (4 34.8). Если пузырек имеет размеры порядка нескольких миллиметров и больше, то вторым слагаемым в (36.3) можно пренебречь.
Например, для воды при температуре 100'С величина 2в 2 58,8 !О-' о =-58,8 !О-" Н'м, и если е = 1 мм, то — ==,'„., =.1!8 Па. В то же время нормальное атмосферное давление рав!и 1,01 10" Па, что примерно в 1000 раз больше. Следовательно, для достаточно больших пузырьков условие всплываиия пузырька и его разрыва у поверхности жидкости запишется так: рнзс - Рме е (36' ) Эго и есть условие кипения. Итак, кипение жидкости возможно в том случае, если в ней имеются пузырьки достаточно боль!них размеров (для воды -- порядка миллиметра). Кипение начнется в том случае, когда давление пасы!ценного пара станет равно внешнему давлению над поверхностью жидкости. Как мы уже установили, давление насьиценного пара определяется только температурой жидкости.
Из условия (36.4) следует, что точка кипения зависит от внешнего давления — с ростом внешнего давления растет и точка кипения. Точка кипения воды прн разных давлениях может быть найдена с помощью табл. 35.1 (сгр. 340). 3. Если в жидкости нет пузырьков, способствующих процессу Рж. 36.го. кипения, то ее можно перегреть без того, чтобы кипение началось. Возникающее при атом метастабилыюе состояние называется перегретой жидкостью.
Перегретую жидкость можно также получить, если уменьшить внешнее давление над жидкостью так, чтобы оно стало меньше давлеяия насыщенного пара при данной температуре. График зависимости давления перегретой жидкости от ее объема показан на рис. 36.6 (стр. 355). 4. Перегретая жидкость используется в пузырьковых камерах для визуализации треков релятивистских заряженных частиц, т. е. частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.
Тзкпе частицы создают в газах очень мало ионов, и их трек в камере 857 Вильсона не виден. В жидкостях, где молекулы плотно упакованы, такие частицы создадут значительно больше ионов, чем в газах, и трек может быть зарегистрирован. Принцип действия пузырьковой камеры аналогичен принципу действия камеры Вильсона. Релятивистская частица, проходя через нагретую жидкость, создает на своем пути цепочку ионов.
Если резко понизить давление над жидкостью, то она переходит в перегретое состояние. Ионы служат центрами для вскипания. Возникшие пузырьки образуют трек вдоль пути следования частицы. Этот трек фотографируется (рис. 36.!0). В качестве рабочей жидкости в пузырьковых камерах используются сжиженные водород, пропан или ксенон. 9 36.11. Сжижение газов 1. )1ля того чтобы газ превратился в жидкость, его температура должна стать ниже критической. Для таких газов, как хлор (Е, = 144' С), аммиак (Е„р —— 132,4' С), углекислый газ (Е„= 31,1 С), ксенон (Е„= 16,7' С) и некоторые ЛЕгреуеыеауя другие, крйтическая температура ко- торых порядка комнатных, проблема Г 1 сжижения решается довольно просто.
! Снизив их температуру ниже критической, их изотермически сжимают и получают жидкость. Гораздо трудГ нее получить жидкий кислород (Е„р = — 118,8' С), азот (Е„ ТеплооЫенньк = — 147,1' С), водород (Е„» =- — 239,9'С) и в особенности жидкий гелий (Е„= — 267,9' С). Здесь нужны специальные установки, позволяющие получить столь низкие температуры, зачастую, как у гелия, ~~~Р~мй™Ф' близкие к абсолютному нулю.
Имеется ряд методов, позволяю- щих решить проблему сжижения гар зов. Остановимся на одном из них— ~~~Ф43еР7пт охлаждении газов при совершении ими полезной работы путем адиабатического расширения. Холодильные машины, работающие на основе этого принципа, называются детандерами. Акад. П. Л. Капица разработал весьма производительный турбодетаидер — миниатюрную турбину, ротор которой приводится во вращение предварительно сжатым газом. 2. Рассмотрим принцип действия установки для сжижения газа.
Она состоит из компрессора, теплообмеиника и детандера (рис. 36Л1). зм Компрессор представляет собой поршневую машину, которая сжимает газ. Избыток тепла, возникающий при сжатии газа, отводится с помощью водяной системы охлаждения. Сжатый газ проходит по внутренней трубе теплообменника, у которого по наружной трубе большего диаметра навстречу течет охлажденный газ.
Пройдя через теплообменник и охладившись, сжатый газ проходит через сопло Лаваля и попадает на лопасти ротора турбины, приводя последний во вращение. При адиабатном расширении газа совершается работа за счет уменьшения его внутренней энергии. При этом температура падает стольсильно, что часть газа сжижается н стекает в сосуд Дьюара. Другая часть охлажденного, но не успевшего ожижиться газа идет в теплообменник, где охлаждает вновь поступающую порцию сжатого газа, а затем поступает в компрессор и вновь сжимается. 3. Развитие методов получения сжиженных газов и, в связи с этим, низких температур привело к созданию криогенной техники.
Сжиженные газы находят а настоящее время широкое применение как в физических исследованиях, где необходимы низкие температуры, так и в технике. Так, при испарениижидкоговоздухасперва улетучивается азот и остается чистый кислород. В настоящее время это самый дешевый метод получения чистого кислорода, широко применяемого в медицине, для автогенной сварки, для ускорения доменного процесса и для выплавки стали.
Жидкий кислород в смеси с органическими горючими веществами (вата, хлопок, опилки) образует взрывчатые вещества (оксиликвиты), которые применяются в горнорудной промышленности. Их преимущество заключается в том, что если взрыва не произошло, то через некоторое время кислород испарится и взрывчатый патрон станет совершенно безопасным. ЧАСТЬ ПЯТАЯ ЭЛЕКТРОДИНАА1ИКА ГЛАВА 37 ПОЛЕ НЕПОДВИЖНЫХ ЗАРЯДОВ В ВАКУУМЕ В 37.1. Силовые линии 1.
В главах 10 и 18 было рассмотрено взаимодействие точечных электрических зарядов и диполей в вакууме. Лля удобства вновь выпишем основные соотношения и вспомним их смысл. Поле неподвижных зарядов — электростатическое поле — характеризуется двумя физическими величинами: напряженностью Е п потенциалом ср. Согласно определению вектор напряженности Е =- Е/д, (37.1) где 7 — пробный заряд, Š— сила, действующая на пробный заряд в данной точке поля (см. 3 10.5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
