Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Денисов С., Ефимов В., Зубарев В., Кустов В. Справочник физических эффектов - файл Справочник физический эффектов.doc


Денисов С., Ефимов В., Зубарев В., Кустов В. Справочник физических эффектов
скачать (184.6 kb.)

Доступные файлы (1):

Справочник физический эффектов.doc1067kb.04.10.2003 02:54скачать

Справочник физический эффектов.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9

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 поверх­ностных 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 раз­дела. Такое стремление есть следствие общего физического за­кона,согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму.Жидкость,находящаяся в неви­сомости,будет принимать форму шара,поскольку поверхность шара минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданый объем.

Конечно,поверхностные силы существуют и в твердых те­лах, но относительная малость этих сил не позволяет им изме­нить форму тела,хотя при определенных условиях поверхностные силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.

3.3.2. При контакте жидкости с твердой поверхностью го­ворят о с м а ч и в а н и и. В зависимости от числа фаз участвующих в смачивании,различают имерсионное смачива­ние(смачивание при полном погружении твердого тела в жид­кость),в котором участвуют только две фазы,и контактное сма­чивание ,в котором наряду с жидкостью с твердым телом контактирует третья фаза - газ или другая жидкость. Характер смачивания определяется прежде всего физико-химическими воз­действиями на поверхности раздела фаз,которые участвуют в смачивании.

При контактном смачивании свободная поверхность жидкос­ти около твердой поверхности (или около другой жидкости) иск­ривлена и называется мениском Линия,по которой мениск пересе­кается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром смачивания.Явление контактного смачивания характеризуется краевым углом между смоченой поверхностью твердого тела(жид­кости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачи­вания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (вы­пуклый мениск) поверхности жидкостью.

Автоматический дозатор из одной детали.Такой деталью служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой пленке всегда задерживается одинаковый по высоте стол­бик жидкости. Фторопласт практически не смачивается - поэтому скорость истечения через отверстие зависит только от давления. Кроме отбора проб жидкости из пото­ка , такой дозатор может служить для измерения коэффи­циента поверхностного натяжения (ИР-6.5,С.33)

3.3.3. При растекании жидкости по ее собственному мо­нослою 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 высокоэнергетичес­кими материалами, происходит вначале полное смачивание, а за­тем,через некоторый промежуток времени , условия полного сма­чивания перестают выполняться. В результате изменится направление движения периметра смачивания - жидкая пленка на­чинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным краевым углом.На ранее смоченных участках твердого тела оста­ется прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект используется для нанесения монослойных покрытий на твердые материалы.

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 выпук­лой поверхности давление положительно, для вогнутой - отрица­тельно. 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 ис­парения жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над выпуклой поверхностью жидкости в капиляре; использу­ется для облегчения кипения путем изготовления шероховатых поверхностей.

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 насыщенно­го 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 ка­налах,например, в микротрещинах и царапинах.

А.С 279583. Распределитель жидкости,например, в колон­нах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с ук­репленной на ней трубкой для подачи жидкости,отличаю­щийся тем,что с целью равномерного распределения жидкости при малых расходах,трубки выполнены ввиде ка­пиляров,нижние концы имеют косые срезы.

А.С..225284 Солнечный концентратор для термоэлектроге­нератора отличающийся тем,что с целью сохранения высо­кого коэффициента отражения в течение всего времени ра­боты,егоотражающая поверхность выполнена ввиде сотовой пористой или капилярной структуры,заполненной расходуе­мым металлом или сплавом, поступающим благодаря капи­лярным силам с тыльной стороны концентратора.

3.3.5. Эффект капилярного подъема (опускания) -возника­ет из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в капилярном канале.Связь между характером смачивания и капи­лярным 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,фильтра­ции,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 матери­аловв" в А.он применен для резкого повышения эффективности тепловой трубы,для чего в зоне конденсации тепловой трубы прикрепили через акустический концентратор излучатель магни­тострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуко­вой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль,спо­собствует 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 - за­висимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя.Эффект объясняется тем,что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. По­этому приразличии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания,которая пропорциональна градиену поверхностного натяжения жидкости.В результате воз­никает поток жидкости в смачивающей пленке.Влияние неравно­мерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например,поверхностноактивных). У чистых жидкостей перетека­ние происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ, уменьшающих поверхностное натяжение,жидкость начинает перете­кать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жид­кости определяется тем,что как изменяется поверхностное натя­жение в зоне нагрева от температуры и испарения какого либо компонента.

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 распла­вами ионных соединений от элетрического потенциала. Эта зави­симость обусловлена образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осущест­вить инверсию смачивания - переход от несмачивания к смачива­нию 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 (биологи­ческие мембраны).

3.4. Сорбция.

Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, любая по­верхность, 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", притягива­ющий любые частицы, оказавшиеся поблизости. Отсюда вывод: по­верхность любого твердого тела обязательно "загрязнена" моле­кулами воздуха и воды. Опыт показывает ,что чем выше степень дисперсности данного тела, тем больше количество частиц дру­гого тела оно поможет поглотить своей поверхностью.Процесс самопроизвольного"сгущения" растворенного или парообразного вещества (газа) на поверхности твердого тела или жидкости но­сит 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 части­цы на адсорцию,когода вещество поглощается на поверхности те­ла, и абсорцию,когда вещество поглощается всем объемом тела. В зависимости от характера взаимодействия частиц сорбента и сорбтива, сорбция физическая (взаимодействие обусловлено си­лами когезии и адгезии т.е. силами Ван-дер-Ваальса) и хими­ческая,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 погло­щении, но и в конденсации твердым пористым сорбентом, напри­мер, активизированным углем газов и паров.

Из всех перечисленных выше сорбционных явлений наиболь­шее значение для практики имеет адсорбция. Чем менее энерге­тичны молекулы, тем легче они адсорбируются на твердой по­верхности. С уменьшением температуры адсорбата (газа) адсорбация увеличивается, а с увеличением температуры - уменьшается.

При адсорбации молекулы газа, сталкиваясь с поверх­ностью 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 увеличивает­ся, 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 час­тиц твердого тела, отличающееся тем, что с целью допол­нительного сжатия газа в холодильнике и компрессоре и дополнительного расширения в нагревателе в качестве твердой фазы использованы сорбенты с общей или избира­тельной поглотительной способностью.

Очень интересные явления и эффекты происходят при ад­сорбции 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 - полуп­роводника от освещения. При этом эта способность может увели­чиваться положительный и уменьшаться (отрицательный фотоад­сорбционный 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 способ­ности от величины приложенного электрического поля. Влияет на

фотоадсорбционный эффект. Поле прилагают перпендикулярно по­верхности 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 ад­сорбции. Свечение длится до тех пор, пока идет процесс ад­сорбции, и погасает, коль скоро адсорбция прекращается. Яр­кость 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 ад­сорбируемого газа. Адсорболюминесцеция является одним из ви­дов 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 по­лосы в известной мере накладываются друг на друга.

Мы видим на примерах адсорболюминесценции и радикалоре­комбинационной люминесценции, как электронные процессы в по­лупроводнике оказываются связанными с химическими процессами, протекающими на его поверхности.

В результате адсорбции поверхность полупроводника заря­жается. 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 ад­сорбируемого 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 из­менению 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 прово­димость в присутствии водорода, окиси углерода, метана, бутана, пропана, паров бензина, ацетона, спирта. Нагре­вание кристалла изменяет величину этого эффекта. Это колличественное различие может быть зафиксировано чувс­твительным прибором. Можно представить себе аппарат, в котором изменение электрических свойств кристалла при появлении в воздухе искомого вещества дает импульс сиг­нальному устройству отградуированному определенным об­разом в зависимости от назначения.

3.5. Диффузия.

Если состав газовой смеси или жидкости не однороден, то тепловое движение молекул рано или поздно приводит к выравни­ванию 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 увеличи­вается с понижением давления и ростом температуры. Увеличение температуры вызывает ускорение диффузионных потоков в жидкос­тях и твердых телах. Кроме градиента концентрации, возникно­вению диффузионных потоков приводит наличие температурных градиентов в веществе (термодиффузия). Перепад температур в однородной по составу смеси вызывает появление разности кон­центрации 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 сме­сей; этот метод весьма ценен для разделения изотопов.

3.5.1. При диффузионном перемещении двух газов, находя­щихся при одинаковой температуре, наблюдается явление, обрат­ное термодиффузии: в смеси возникает разность температур - эф­фект Д ю ф о р а . При диффузионном смешивании газов, составлящих воздух возникающая разность температур составляет несколько градусов.

Явление диффузии молекул в струю пара лежит в основе работы диффузионных вакуумных насосах (пароструйные насосы); термодиффузия паров метилового спирта обеспечивает возмож­ность надежной работы так называемых диффузионных камер - приборов для наблюдения ионизирующих частиц.

Диффузия в твердых сплавах со временем приводит к одно­родности сплава. Для ускорения диффузии применяется длитель­ный 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 метал­лом при создании условий, обеспечивающих некоторое "разрыхле­ние" поверхностного слоя металла, приводит к диффузии газа внутрь металла; диффузия азота в металлы лежит в основе про­цесса азотирования. Диффузионное насыщение поверхностных сло­ев металла различными элементами позволяет получать самые различные свойства поверхностей, необходимые в практике. Фак­тически процессы цементации, алитирования, фосфатирования есть процессы диффузии углерода, аллюминия, фосфора внутрь структуры металла. Скорость диффузии при этом легко регулиру­ется с помощью различных режимов термообработки.

А.с Н 461774: Способ производства изделий из низкоуле­родистых сталей путем отжига заготовки и холодного вы­давливания отличающийся тем, что с целью улучшения ус­ловий выдавливания, перед отжигом заготовку подвергают термодиффузионной обработке, преимущественно цемента­ции.

3.6. О с м о с.

Осмосом обычно называют диффузию какого-либо вещества через полупроницаемую перегородку. Основное требование к по­лупроницаемым перегородкам - обеспечение невозможности проти­водиффузий. Так, если два раствора разной концентрации разде­лить перегородкой, задерживающей молекулы растворенного вещества, но пропускающего молекулы растворителя, то раство­ритель будет переходить в концентрированный раствор, рабавляя его и создавая там избыток давления, называемый обычно осмо­тическим 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 нас­верлено множество мелких отверстий, закрытых полунепроницае­мой оболочкой, например, из ацетатцеллюлозы. Труба заполнена концентрированным рассолом и в нее начинает просачиваться во­да, т.е. происходит осмос. Создается повышеное давление, под­нимающее 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 движения автомобиля.

Теория осмотических явлений описывается в курсах термо­динамики 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 относи­тельно поверхности твердого тела под действием электрического поля носит название электросмоса, являющегося одной из разно­видностей электрокинетических явлений (см.12.1).

Липкая масса из смеси влажных грунтов с песком и остат­ками угля на дне вагонеток почти не поддается очистке даже специальными машинами. Специалисты Новомосковского института предложили использовать для очистки электро­осмос под воздействием на вагонетку с породой внешнего электрического поля между ее стенками и грузом (при движении воды относительно твердой горной массы) созда­ется тончайшая водяная пленка. Такой "прокладке" доста­точно, чтобы налипшая порода легко отделилась от корпу­са 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 соединя­ют с землей для осуществления сушки за счет использова­ния явления электросмоса.

3.6.2. Явление обратного осмоса применено (США) для по­лучения питьевой воды из сильно загрязненной или соленой (ги­пельфильтрации). 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 осмоти­ческого давления, работают сейчас ученые.Принцип действия та­кой электростанции прост. Трубу с полупроницаемой мембраной опускют в море. На глубине около 230 метров столб воды созда­ет такой перепад давления на мембране, что она начинает рабо­тать 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 не­обходимо опустить на глубину 8750. Переливающаяся вода может вращать турбину.

3.7. Т е п л о м а с с о о б м е н.

Известны три основных механизма теплообмена - конвек­ция, излучение и теплопроводность, в которой участвуют движу­щиеся или неподвижные молекулы вещества совершающие тепловые колебания. Передача тепла может сопровождаться перемещением массы или

Очень широко используется при сушке,которая применяется в различных областях техники и технологии. наиболее эффективно процесс сушки идет в колонных аппаратах со встречными потока­ми: сверху свободно падает вещество, подвергаемое сушке ,а снизу встречным потоком поступает нагретый газ.

В донной же части аппарата подсушенное вещество интенсив­но досушивется в ,так называемом "кипящем слое". "Кипящий слой" представляет собой "псевдожидкость" - взвесь твердых частиц, пляшущих в потоках газа, поступающего снизу.

Причем псевдожидкость обладает удивительными теплотехни­ческими 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 скром­ной скоростью 1м/сек, осуществляет теплообмен столь эффектив­но,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 высокотемпературно­го нагрева металла позволит резко уменьшить расход топлива. Существует традиционная система нагрева - через газообразные продукты сгорания к металлу. А газ скорее можно назвать изоля­тором, чем проводником тепла: коэффициент, характеризующий его способность передавать тепло,равен 200, в то время, как у жид­ких 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 зна­чительной 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 зани­мают т е п л о в ы е т р у б ы. Один из простых вариантов теп­ловой трубы- это закрытый металлический цилиндр; его внутрен­ние стенки выложены слоем пористо-капилярного материала, пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движе­нием этой жидкости связана теплопроводность трубы : на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами переме­щаются к холодному концу - это нормальная конвекция; здесь па­ры конденсируются и отдают тепло; образовавшиеся жидкость по пористому материалу возвращается обратно,к горячему концу тру­бы. 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 ана­лог 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, напри­мер, создаются МТД-генераторы - теплоносителем в тепловой тру­бе может быть жидкий металл, и, если поместить трубу в магнит­ное поле, то в металле (на концах проводника ) наведется электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень

широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутрит­рубы и от применяемого теплоносителя.

3.8 Молекулярные цеолитовые сита.

Цеолты являются кристалическими водными алюмосиликатами, они относятся к группе каркасных алюмосиликатов. Каркасы цео­литов 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 на другие катионы.

А.с. N 561233 Полирующий состав для обработки,например, полупроводниковых материалов, содержащий кристалический поро­шок, окислитель, например, перекись водорода и воду, отличаю­щийся тем, что с целью повышения эффективности процесса поли­рования, он дополнительно содержит вещество,для катионного обмена, например азотнокислую медь или углекислый аммонит , а в качестве кристаллического порошка взяты алюмосиликаты, нап­ример,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 об­разом это вода. Она удаляется при нагревании до 600-800 гр. С, сам каркас при этом не разрушается, он сохраняет первоначаль­ную 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 температу­рах. При -196 гр. С адсорбационная способность цеолитов резко повышается. Они поглощают даже воздух, создавая в сосуде раз­ряжение до 1.0е- мм рт.ст. Цеолиты используют как ионообменни­ки, не разрушающиеся под действием излучения. В качестве ката­лизаторов устойчивы к действию высоких температур,каталических ядов, позволяют гибко менять свойства.

А.с. N 550372 : Способ получения пентенов путем контакти­рования 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 компози­цию аморфного алюмосиликата с силлиманитом.

Размер ячеек цеолита сохраняется практически постоянным в широком диапазоне температур т.к. коэффициент расширения пол­ностью гидратированного цеолита близок к коэффициенту термо­расширения кварца: соответственно 6.91 и 5.21 .

3.8.1 Чистые цеолиты бесцветны. Если катионы щелочных или щелочноземельных металлов , обычно присутствующие в синтети­ческих цеолитах , обменять на ионы переходных металлов, цеоли­ты могут приобрести окраску. Если окраска индивидуального иона зависит от того , находится он в гидратизированном или безвод­ном состоянии, окраска цеолита будет меняться со степенью гид­ратации. 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 стано­вится 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 элект­ропроводные 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 смачива­ния и растекания,М.,"Химия",1976.

к 3.4 Ф.Ф.Волькштейн,"Полупроводники как катализаторы химиче­ских 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",1968

В.Зайт, "Диффузия в металлах",М.1958.

Я.Е.Гегузин,"Очерки о диффузиях в кристаллах",

М.,"Наука",1974

к 3.7 Л.Л.Васильев,С.В.Конев,Теплопередающие трубки,Минск, "Наука и техника",1972.

к 3.8 Д.Брек,"Цеолитовые молекулярные сита",М."Мир",1976.

4.1.2. Закон Паскаля

Давление,производимое внешними силами на поверхность жид­кости или газа,передается по всем направлениям без измене­ний.Такая передача давления происходит вследствии возможности молекул жидкости или газа свободно перемещаться относительно друг друга.

Напомним, что это движение полностью хаотично, и, следо­вательно, в отсутствии силы тяжести или в состоянии невесомос­ти давление во всех точках жидкости согласно закону Паскаля будет одинаковым.

Соответственно, поэтому и "не работает" закон Архимеда в этих условиях. На основе закона Паскаля работают гидравличес­кие прессы и под'емники, некоторые вакууметры различного рода гидро- и пневмо- усилители.

4.2 Течение жидкости и газа.

^ 4.2.1 ЛАМИНАРНОСТЬ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ.

Упорядоченное движение вязкой жидкости ( или газа ) без междуслойного перемешивания называется ламинарным течением. При увеличении скорости потока возникающие в жидкости ( или газе ) случайные возмущения приводят к образованию хаотическо­го турбулентного движения, при котором частицы жидкости ( или газа ) совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, в результате чего происходит интенсивное перемешивание жидкости ( или газа ). При ламинарном течении жидкости ( или газа ) передача импульса от слоя к слою проис­ходит за счет молекулярного механизма ( вязкость ) , поэтому скорость потока жидкости ( или газа ) в трубе плавно убывает от центра трубы к стенкам. При турбулентном потоке скорость почти постоянна по сечению трубы, резко убывая на самой грани­це жидкости ( или газа ) со стенкой трубы.

А.С. N 508262 : Спосоп диспергирования нитевидных крис­таллов путем перемешивания кристалической массы в вязкой жид­кости, отличающийся тем, что с целью уменьшения процениа поломки кристаллов и времени процесса, перемешивание ведут в режиме ламинарного течения жидкости с вихрями Тейлора в коак­сиальном зазоре гладкоствольного роторного аппарата.

А.С. N 523277 : Способ контроля шероховатости с помощью сопла, самоустанавливающегося по контролируемой поверхности, основанной на измерении давления жидкости при турбулентном ре­жиме течения в зазоре между соплом и контролируемой поверх­ностью, отличающийся тем, что с целью повышения чувствитель­ности и точности контроля, сначала создают ламинарный режим течения в зазаоре, а затем фиксируют положение сопла и увели­чивают расход газа или жидкости до достижения турбулентного режима течения.

^ 4.2.2 ЗАКОН БЕРНУЛЛИ.

для ламинарного режима течения справедлив закон Бернулли, согласно которому полное давление в установившемся потоке жид­кости остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление состоит из весового, статического и динамического давления. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока , из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, ста­тическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ла­минарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличе­нии скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо и пароструйных насосов. Отметим , что закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вяз­кость которых равна нулю, т.е. таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого те­ла всегда в точности равна нулю. Именно поэтому на поверхнос­тях , находящихся в потоке жидкости, всегда образуются ка­кие-то наросты, осаждения; этим же об'ясняется и тот факт, что на лопастях крутящегося вентилятора всегда появляется слой пы­ли.

Патент США N 3811323 : в измерителе потока жидкости тур­бинного типа отсутствие осевого давления на подшипники ротора достигнуто увеличением эффективной площади сечения потока на участке, что обеспечивает возникновение эффекта Бернулли, под влиянием чего на ротор воздействует усилие на участке, распо­ложенном относительно ротора выше по течению потока.

А.С. N 437846 : Способ определения производительности центробежного вентилятора с осевым направляющим аппаратом по перепаду статических давлений в двух сечениях, расположенных до и после направляющего аппарата, отличающийся тем , что с целью повышения точности измерения и обеспечения возможности определения производительности при произвольном угле поворота лопаток направляющего аппарата , последние устанавливают на угол, равный нулю, и замеряют статическое давление в вентиля­ционном канале перед направляющим аппаратом и позади него в самом узком сечении выходного патрубка , затем лопатки уста­навливают на заданный угол поворота и определяют статическое давление в сечении перед направляющим аппаратом, после чего производительность подсчитывают по зависимости, полученной на основании уравнений Бернулли и неразрывности потока.

4.2.3 ВЯЗКОСТЬ

ВЯЗКОСТЬ- свойство жидкости и газов, характеризующее соп­ротивление их течению под действием внешних сил. Вязкость об'ясняется движением и взаимодействием молекул . В газах расстояние между молекулами существенно больше радиуса дейс­твия молекулярных сил, поэтому вязкость газа определяется главным образом молекулярным движением . Между движущимися от­носительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами , обусловленный их непрерывным хаотическим (тепло­вым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определенного количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются.

В жидкостях , где расстояние между молекулами много мень­ше , чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмо­лекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность мо­лекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для перескаки­вания туда молекулы. На образование полости расходуется энер­гия активизации вязкого течения. Энергия активации падает с ростом температуры и понижением давления. По вязкости во мно­гих случаях судят о готовности или качестве продукта, посколь­ку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов.

^ 4.2.4 ВЯЗКОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Протекание полярной непроводящей жидкости между обкладка­ми конденсатора сопровождается некоторым увеличением вязкости мгновенно исчезающим при снятии поля. Это явление в чистых жидкостях получило название ВЯЗКОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.

Установлено, что эффект возникает только в поперечных по­лях и отсутсвует в продольных. Вязкость полярных жидкостей возрастает с увеличением напряженности поля в начале пропорци­онально квадрату напряженности, а затем приближается к некото­рому постоянному предельному значению ( ВЯЗКОСТИ НАСЫЩЕНИЯ ) , зависящему от проводимости жидкости. Увеличение про водимости приводит к увеличению вязкости насыщения.

На эффект оказывает влияние частота поля. В начале с по­вышением частоты вязкоэлектрический эффект увеличивается до определенного предела, затем вырождается до нуля.

Увеличение вязкости под действием электрического поля происходит за счет того, что в жидкости могут находиться или возникать под действием поля свободные ионы. Они становятся центрами ориентации полярных молекул, т.е. источниками заря­женных групп, для которых в электрическом поле возможно движе­ние типа электрофореза. Количество движения таким образом, пе­реносится от слоя к слою поперек потока.

Другая возможность образования групп-ориентация полярных молекул, имеющих постоянный дипольный момент. Молекулы следят за электрическим полем, ориентируясь поперек потока : для пре­одоления доплнительного сопротивления нужны затраты энергии.

^ 4.3 ЯВЛЕНИЕ СВЕРХТЕКУЧЕСТИ.

Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий, ко­торый при понижении температуры испытывает фазовый переход второго рода, превращаясь в сверхтекучую модификацию гелия --- Не II. Причем в Не II превращается не весь гелий, а только часть, т.е. при температуре ниже - - перехода (Т=2.17 К) гелий можно представить себе состоящим из двух компонент - нормаль­ный, свойства которого аналогичны свойствам гелия до перехода (Не I) и сверхтекучей , вязкость которой чрезвычайно мала ( меньше 1.0е-1 ).

Компоненты могут двигаться независимо друг от друга, при­чем движение сверхтекучей компоненты не связано с переносом тепла ( ее энтропия равна нулю).

Низкая вязкость гелия позволяет использовать его в ка­честве смазки, например в подшипниках.

Свойство сверхтекучей компоненты легко проникать в малей­шую щель делает Не II удобным для поиска течей: погружение в Не II - самая строгая проверка герметичности.

Малая ширина перехода ( 1.0е- К ) позволяет использовать его как опорную точку при измерении температуры.

4.3.1 СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Благодаря встречному конвективному движению двух компо­нент тепло-передача в Не II происходит без переноса массы, в результате чего теплопроводность Не II чрезвычайно высока. Проявляется это, например, в прекращении кипения после II- пе­рехода - теплопроводность настолько высока, что пузырьки газа образоваться не могут и испарение происходит с поверхности.

Благодаря сверхвысокой теплопроводности Не II может слу­жить хорошим хладоагентом для охлаждения.

Для различных целей физики низких температур часто требу­ются тепловые ключи - устройства, теплопроводность которых можно менять по своему усмотрению. Одной из возможных реализа­ций теплового ключа является трубка, наполненная гелием, кото­рый мы, меняя давление можем переводить изсвехтекучего состоя­ния в нормальное и обратно.

^ 4.3.2 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Если нагреть Не II в одном из сосудов ,сообщающихся между собой через тонкий капилляр или пористую перегородку, то в нем за счет перехода в обычную понизится концентрация сверхтекучей компоненты. Т.к. сверхтекучая компонента, стремясь к установ­лению равновесия, будет по капилляру поступать из ненагретого сосуда, а нормальная компонента из нагретого выходить не бу­дет, уровень гелия в нагреваемом сосуде увеличится .

Этот эффект может быть использован для создания своеоб­разных насосов Не II .

^ 4.3.3 МЕХАНО-КАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Если повысить давление в одном из сосудов , рассматривае­мых в предыдущем пункте, заполненных Не , находящемся в сверхтекучем состоянии, то сквозь капилляр будет протекать только сверхтекучая компонента.

Сверхтекучая компонента теплоту из сосуда , из которого она вытекает , не уносит, вследствие чего температура внутри этого сосуда будет повышаться. Температура же сосуда , в кото­рый притекает сверхтекучая компонента будет уменьшаться.

На основе этого эффекта П.Л.Капицей был построен охлади­тель. Одна ступень охладителя давала перепад температур 0.4 К.

Достоинствами метода является то, что его холодопроизво­дительность не уменьшается с понижением температуры.

Используя Не II ка холодильный агент возможно в принципе приблизиться сколь угодно близко к температуре абсолютного ну­ля.

^ 4.3.4 ПЕРЕНОС ПО ПЛЕНКЕ.

Поверхность тела, соприкасающегося с Не II покрывается пленкой сверхтекучего гелия, по которой может происходить пе­ренос жидкости из оного сосуда в другой.

Так, например , пустой сткан, погруженный не до краев в Не II через некоторое время заполнится гелием. Скорость пере­носа от разности уровней жидкости не зависит , и определяется только периметром стенок в самом узком месте соединения.

Поскольку тонкую пленку можно рассматривать как капилляр, то при переносе гелия на пленке имеет место термохимический эффект. Можно усилить эффект , увеличив периметр тела, соеди­няющего два сосуда, например, вставив пучок проволок.

Эффект нашел применение для разделения изотопов гелия Не- 3 и Не-4. Не-3 не свехтекучий, и по пленке сосуда, содержащего смесь изотопов удаляется сам собой только изотоп Не-4.

Движение пленки можно остановить , если поместить пленку между обкладками конденсатора, на который подано напряжение с частотой 40-50 Герц.

^ 4.4.1 ЭФФЕКТ ТОМСА.

Сопротивление , оказываемое трубопроводом потоку жидкости при ламинарном режиме течения меньше , чем при турбулентном.

В 1948 г. Б.Томс ( Англия ) установил, что при добавлении в воду полимерной добавки трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается .

Сам Томс работал с полиметилметакрилатом, растворенным в монохлорбензоле; в последующие годы ученые и изобретатели в различных странах нашли много других присадок, работающих еще более эффективно.

Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно : по традиции "смазывают" различными присадками трубопроводы, "смазывают" полимерами морские и речные суда, напорные колонны глубоких скважин и т.д.

Эффект Томса обуславливается образованием на границе твердое тело-жидкость молекулярных растворов, которые ограни­чивают турбулентность потока. Установлено , что добавка поли­меров более эффективно действует при высоких скоростях потока , где развивающаяся турбулентность потока больше.

Патент США N 3435796 : В устройстве, уменьшающем сопро­тивление подводного аппарата, используется слабый раствор по­лимера, образующий в пограничном слое забортной воды при сме­щении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морс при температуре окружающей среды, но не­растворимую в воде температуре выше 70 градус Цельсия.Когда по-

догретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответс­твующих условиях окружающей среды, микрочастицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обте­кающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя турбулизации потока.

А.с. N 244032: Способ снижения потерь напора при переме­щении жидкости по трубопроводу, отличающийся тем, что с целью достижения жидкостью свойства псевдопластичности, в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в колличестве 0,01-0,2% по весу.

Снижение гидродинамического сопротивления может быть до за счет образования под воздействием какого-либо поля из моле­кул самой жидкости присадок, аналогичных по свойствам полимер­ным молекулам.

А.с. N 364493: Способ снижения гидродинамического сопро­тивления движению тел, например, судов, путем уменьшения сил трения в пограничном слое, отличающийся тем, что с целью упро­щения способа и повышения его эксплуатационной надежности пу­тем исключения подачи в пограничные слои высокомолекулярных составов, в пограничном слое создают электромагнитное поле, генерирующее комплексы молекул.

Применение способа по п.1 для решения внутренней задачи, например, для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.

4.4.2. С к а ч о к у п л о т н е н и я.

Что такое лобовое сопротивление при обтекании твердых тел потоком жидкости или газа - общеизвестно. Однако, кроме лобо­вого сопротивления, при обтекании возникает так называемое волновое сопротивление, являющееся результатом затрат энергии на образование акустических или ударных волн. В газе, напри­мер, ударные волны возникают при образовании скачка уплотнения у лобовой поверхности тела при обтекании его сверхзвуковым по­током газа. При образовании скачка уплотнения резко увеличива­ется плотность, температура, давление и скорость вещества по­тока; в результате могут иметь место процессы диссоциации и ионизации молекул, сопровождающиеся мощным световым излучени­ем. Световое излучение может сильно разогреть как газ перед фронтомволны, так и поверхность движущегося тела.

4.4.3. Э ф ф е к т К о а н д а.

Румынский ученый Генри Коанд в 1932 году установил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это обьясняется тем, что боковая стенка препятствует сво­бодному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне и пониженоого давления. Аналогично и поведение струи газа. На основе этого эффекта строится одна из ветвей пневмоники (струйной автоматики).

4.4.4. Э ф ф е к т в о р о н к и.

Если уровень жидкости в сосуде с открытой поверхностью понизится до определенного уровня при свободном сливе жидкости че отверстие в нижней части сосуда, то на поверхности жидкости об водоворот (т.е. вихревое движение воды), который на ред­кость устойчив, и нарушить его трудно.

4.5. Э ф ф е к т М а г н у с а.

Если твердый цилиндр вращется вокруг продольной оси в на­бегающем потоке жидкости или газа, то он увлекает во вращение прилегающие к нему слои жидкости или газа; в результате окру­жающая среда движется отнительно цилиндра не только поступа­тельно, но еще и вращается вокруг него. В той зоне, где нап­равление поступательного и вращательного движения совпадают, результирующая скорость движения окружающей средыпревосходит скорость потока. С противоположной стороны цилиндра поток, возникающий из-за вращения, противодействует поступательному потоку и результирующая скорость падает. А из закона Бернулли известно, что в тех местах, где скорость больше, давление по­нижено и наоборот. Поэтому с разных сторонна вращающийся ци­линдр действуют разные силы. В итоге появляется результирующая сила, которая всегда направлена перпендикулярно образующим ци­линдра и потоку.

Естественно, что такая же сила возникает при движении вращающейся сферы в вязкой жидкости или газе (вспомните круче­ны футболе, тенисе волейболе). На основе эффекта Магнуса в свое время был построен корабль с вращающимися цилиндрами вместо парусов. Конечно, эти цилиндры работали в качестве дви­гателя только при боковом ветре.

В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость потока, направление и величина угловой скорости, направление и величина возникающей силы. Соответственно можно измерять поток и угловую скорость.

Патент США N 3587327: В устройстве для измерения угловой скорости и индикации направления вращения газовая струя разде­ляется на две струи, каждая из которых тангенциально касается противоположных сторон диска неподвижно закрепленного на акси­ально вращающемся валу. Вращение диска накладывается на струи разность давлений, величина которых пропорциональна скорости вращения вала. В зависимости от направления вращения вала на ту или другую струю накладывается большее относительное давле­ние.

А.с. N 514616: Способ разделения неоднородных жидких сред на легкую тяжелую фракции, предусматривает общее воздействие на поток разделяемой среды центробежного и гравитационного по­лей отличающийся тем, что с целью повышения эффективности, по­ток разделяемой среды при воздействии на него центробежного и гравитационного полей перемещают ввиде ряда, например, парал­лельных слоев с расстоянием между слоями, меньшими величины диаметра частиц тяжелой фракции, и последовательно возрастаю­щими при переходе от одного слоя к другому, скоростями обеспе­чивающими градиент скорости, направленной перпендикулярно пе­ремещению слоев жидкости и создающий вращение частиц тяжелой фракции вокруг своей оси, и гидродинамическую подьемную силу, например силу эффекта Магнуса.

4.6. Дросселирование жидкостей и газов.

Дросселирование - расширение жидкости, пара или газа при прохождении через дроссель - местное гидродинамическое сопро­тивление (сужение трубопровода, вентиль, кран и другие), соп­ровождающиеся изменением температур. Дросселирование широко применяется для измерения и регулирования расхода жидкостей газов.

4.6.1. Э ф ф е к т Д ж о у л я - Т о м с о н а.

(Дроссельэффект) заключается в изменении температуры газа при его адиабатическом (без теплообмена с окружающей средой) дросселировании, т.е. протекании через пористую перегородку, диафрагму или вентель. Эффект называется положительным, если температура газа при адиабатическом дросселировании понижает­ся, и отрицательным, если она повышается. Для каждого реально­го газа существует точка инверсии - значение температуры при которой измеряется знак эффекта. Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они охлаждаются в процессе Джоуля-Томсона. Дросселирование - один из основных процессов, применяемых в технике снижения газов и получения сверхнизких температур.

А.с.257801: Способ определения термодинамических величин газов, например, энтальции, путем термостатирования исходного газа, дросселирования его с последующим измерением тепла, под­веденного к газу, отличающийся тем, что с целью определения термодинамических величин газов с отрицательным эффектом Джоу­ля-Томсона, газ после дросселирования охлаждают до первона­чальной температуры, затем нагревают до температуры после дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным соотношениям определяют искомые величины.

4.7. Гидравлические удары.

Быстрое перекрытие трубопровода с движущейся жидкостью вызывает резкое повышение давления, которое распределяет упру­гой волны сжатия по трубопроводу против течения жидкости. Эта волна несет с собой энергию, полученную за счет кинетической энергии жидкости. Подход волны к какому-нибудь препятствию (изгибу трубопровода, задвижке и т.д.) вызывает явление гид­равлического удара. Ослабление гидравлического удара может быть достигнуто или увеличением времени перекрытия, или же включением каких-либо, демпферов поглощающих энергию волны. Для увеличения силы удара целесообразно применять жидкости без неоднородностей и мгновенные перекрытия. Обычно вслед за гид­равлическим ударом следует удар кавитационный, возникающий из­за понижения давления за фронтом ударной волны сжатия (о кави­тации смотри раздел 4.8). Волны сжатия в жидкости возникают также при различного рода врывных явлениях в движущейся или покоящейся жидкости (глубинные бомбы).

Патент США N 3118417: Способ укрепления морского якоря заключается в следующем. Подвижной якорь опускают в воду над тем местом, где он должен быть поставлен. Поток воду через расположенную над якорем колонну поступает в ограниченную по­лость где давление меньше давления жидкости в колонне и в ок­ружающей среде. Резко остановленный поток воды передает гид­равлический удар на якорь, что обеспечивает введение последнего в грунт.

А.с. N 269045: Способ повышения динамической устойчивости энергосистемы при аварии на линии электропередач путем сниже­ния мощности гидротурбины, отличающийся тем, что с целью уменьшения напора перед гидротурбиной создают отрица гидравли­ческий удар путем отвода части потока, например в резервуаре.

А.с. N 348806: Способ размерной электрохимической обра­ботки с регулированием рабочего зазора путем переодического соприкосновения электродов с последующим отводом электрода - инструмента на заданную величину, отличающийся тем, что для отвоинструмента используют силу гидравлического удара, возни­кающего в электролите, подаваемом в рабочий зазор.

4.7.1. Электро - гидравлический удар.

Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным им­пульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Юткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжатая жидкость, тем выше давление в ударе и тем "бризантнее" электрогидравлический . Электрогидравлический удар применяется при холодной обработ­ке металлов, приразрушении горных пород, для диамульсации жид­костей, интенсификации химических реакций и т.д.

Патент США N 3566447: Формирование пластических тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гид­раввлическая система в которой столб жидкости, находящийся в баке гидропушки, напрвляется на заготовку. Для проведения жид­кости в движение в указанном столбе жидкости производят элект­рический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку волна, которая в сочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки. Скорость струи напрвляемой на заготовку, составляет от 100 до 10000 м/с.

В США эффект Юткина применяют для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металлов, а в Польше - для упрочения стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операций, как правило, снижается.

А.с. N 117562: Способ получения коллоидов металлов и уст­ройство для осуществления при применении высокого напряжения за счет электрогидравлического удара между микрочастицами ма­териала, диспергированного в жидкости.

Ударная волна возникающая в воде при быстром испарении металлических стержней электрическим током (см. ниже А.с. N

129945) вполне пригодна для разрушения валунов и других креп­ких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки окальных оснований гидротехнических сооружений и других работ связанных с разрушением. Приведенные примеры иллюстрируют при­менение эффекта. Ниже даны примеры того, каким способом можно получить или усилить электрогидравлический удар.

В японском патенте N 13120 (1965) описан способ электро­гидравлической формовки ртутно-серебрянными электродами. При парименении таких электродов сила ударной волны в воде возрас­тает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале разряда прибавляется давление паров ртути. Применение этого способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной ба­тареи.

А.с. N 119074: Устройство для получения свервысоких гид­равлических давлений предназначенное для осуществления способа по А.с. N 105011, выполненное ввиде цилиндрической камеры, со­общенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость, а другим - с ресивером, отличающееся тем, что с целью создания электрогидравлических степеней сжатия применены искровые про­межутки, располагаемы по длине камеры на определенном расстоя­нии друг от друга.

А.с. N 129945: Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов, отличаю­щийся тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости по­лучают путем испарения в ней действием эмульсного заряда то­копроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки, замыкающих электроды.

4.7.2. С в е т о г и д р а в л и ч е с к и й удар.

Советские физики (А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян и Г.П.Шапи­ро) установили, что мощные гидравлические волны можно получить используя луч квантового генератора (открытие N65). Если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то вся энергия луча поглотится в жидкости, приводя к образованию ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это открытие находит, кроме обычных областей применения гидравли­ческих ударов, очень широкое применение микроэлектронике, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких матери­алов и изделий, которые исключают пр электродов и т.д. Исполь­зуя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча света (см. также 17.7).

4.8. K а в и т а ц и я.

Кавитацией называется образование разрывов сплошности жидкости в результате местного понижения давления. Если пони­жение давления происходит вследствии возникновения больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие про­хождения в жидкости акустических волн, то акустической.

4.8.1. Гидродинамическая кавитация

Возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в облать давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достиже­нии ими минимального радиуса, они восстанавливаются и соверша­ют несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пу­зырек схлопывается полностью в первом цикле.

Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается

кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокра­щение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек. Если степень развития кавитации такова, что возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спетром от несколько сотен герц до сотен кгц. Спектр расширяется в об­ласть низких частот по мере увеличения максимального радиуса пузырьков.

Если бы жидкость была идиально однороной, а поверхность твердого тела, с которым она граничит идеально смачисваемой, то разрыв происходил бы при давлении более низком, чем давле­ние насыщенного паражидкости, при котором жидкость становится нестабильной. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см. реальные жидкости менее прочны. Максимальная проч­ность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при рас­тяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см. Обычно же раз­рыв наступает при давлениях, насыщенного пара. низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так на­зываемых кавитационных зародышей - плохо смачиваемых участков твердого тела, твердых частиц, частиц, заполненных газом мик­роскопических газовы предохраняемых от растворения мономолеку­лярными органическими оболочками, ионных образований, возника­ющих под действием космических лучей.

Увеличение скорости потока после начала кавитаци влечет за собой быстрое возрастание числа развивающихся пузырьков, вслед за чем происходит их обьединение в общую кавитациверну и течение переходит в струйное.

Для плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками, формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидрав­лических машин, турбин, насосов, судовых гребных винтов и зас­тавляет принимать меры к избежанию кавитации. Если это оказы­вается невозможным, то в некоторых случаях полезно усилить развитие кавитации, создать так называемый режим "суеркавита­ции", отличающийся струйным характером обтекания и применив специальное профилирование лопастей, обеспечить благоприятные условия работы механизмов. Замыкание кавитационных пузырьков вблизи поверхности обтекаемого тела часто приводит к разруше­нию поверхности,- так называемой кавитационной эрозии. Чтобы избежать захлопывание кавитационных пузырьков, надо подать в область пониженного давления какой-нибудь газ, например воз­дух.

Так сделали специалисты Гидропроекта. Они построили на водосбросе Нурекской плотины в области максимальной кавитации искуственный трамплин, создав тем самым большую зону понижен­ного давления, которую соединили с атмосферой. Теперь кавита­ция засасывала воздух из атмосферы и сама себя разрушила.

Очень часто используют происходящие при кавитации разруше­ния для ускорения различных технологических процессов.

А.с. N 443663: Способ приготовления грубых кормов, включаю­щий обработку их раствором щелочи, отличающийся тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма, обработку его осуществляют в кавитационном режиме.

4.8.2. Акустическая кавитация.

Это образование и захлопывание полостей и жидкости под воз­действием звука. Полости образуются в результате разрыва жид­кости во время полупериодов сжатия. Полости заполнены в основ­ном насыщенным паром данной жидкости, поэтому процесс иногда называется паровой кавитацией в отличие от газовой кавитаци­иинтенсивных нелинейных колебаний газовых (обычно воздушных) пузырьков в звуковом поле, существовавших в жидкости до вклю­чения звука. Если газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при любых значениях амплитуды дав­ления звуковой волны, то паровая лишь при достижении некоторо­го критического значения амплитуды давления, так называемого кавитационного порога. Величина этого порога - от давленияна­сыщенного пара жидкости до нескольких десятков и даже сотен атмосфер (в зависимости от содержания в жидкости зародышей). Эксперементально установлено, что величина порога завист от многих факторов. Порог повышается с ростом гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким (порядка 1000 атм.) статистическим давлением,при обезгаживании и охлаждении жид­кости, с ростом частоты звука и с уменьшением продолжительнос­ти озвучивания. Порог выше для бегущей, чем для стоячей воды.

При захлопывании сферической полости давление в ней резко возрастает, как при взрыве, что приводит к излучению импульса сжатия. Давление при захлопывании особенно велико при кавита­ции на низких частотах в обезгаженной жидкости с малым давлен насыщенного пара. Если увеличить содержание газа в жидкости, то диффузия газа в полости усилится, захлопывание полостей станет неполным и подьем давления при захлопывании - неболь­шим. При содержании газа в жидкости выше 50% от насыщения воз­никает кавитационное обезгаживание жидкости - образование и всплывание газовых пузырьков и вырождение паровой кавитации в газовую. Если образовавшиеся паровые пузырьки колеблются вбли­зи границы с твердым телом, около них возникают интенсивные микропотоки. Появление кавитации ограничивает дальнейшее повы­шение интенсивности звука, излучаемого в жидкости, что влечет за собой снижение нагрузки на излучатель.

Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. часть из них, например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгиро­вание жидкостей, очистка - обязаны своим происхождением ударам при захлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков. Другие эффекты (например, вызывает и ускоряет химические реак­ции) связаны с ионизацией при образовании полостей. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация находит все более широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. Большинство практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации.

В А.с. 200981 описывается установка, использующая в своей работе явление кавитации. Назначение установки - снятие зау­сенцев с деталей самой различной формы. Деталь помещается в жидкость под высоким давлением, насыщенную мельчайшими абра­зивными частицами. При возбуждении в жидкости интенсивной акустической кавитации заусеницы отделяются от деталей; вдоба­вок деталь очищается от стружки и масла не только на открытых поверхностях, но и глубоких отверстиях.

А.с. 285394: Способ создания кавитации в жидкости путем возбуждения непрерывных колебаний звуковой или ультразвуковой частоты, отличающийся тем, что с целью поваышения эрозионной активности жидкости возбуждают в полупериод сжатия дополни­тельный пиковый импульс сжатия, соответствующий по времени концу фазы расширения или началу фазы захлопывания кавитацион­ных полостей.

А.с. 409569: Способ детектирования радиоактивных излучений по их воздействию на протекание акустической кавитации в жид­котях, отличающийся тем, что с целью увеличения надежности де­тектирования, в кавитирующее акустическое поле помещают тест-образец, определяют степень его эрозии, по изменению ко­торой судят об интенсивности радиоактивного излучения.

А.с. 446757: Способ получения теплофизической метки, напри­мер, для измерения расхода путем воздействия излучением на ис­следуемый поток, отличающийся тем, что с целью расширения диа­пазона измеряемых сред, воздействуют на контролируемый поток ультразвуковым полем с интенсивностью выше порога кавитации, фокусируют звуковые волны в локальную область, создают крат­ковременный процесс кавитации и получают теплофизическую неод­нородность за счет продуктов кавитации.

4.8.3. Сонолюминисценция.

В момент захлопывания кавитационного пузырька наблюдается его слабое свечение, причиной этого явления является нагрева­ние газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его схлопывании. Вспышка может длиться от 1/20 до 1/1000 сек. Ин­тенсивность света зависит от колличесва газа в пузырьке: если газ в пузыорьке отсутствует, то свечение не возникает. Свето­вое излучения пузырька очень слабо и становится видимым при усилении или в полной темноте.

Л И Т Е Р А Т У Р А

К 4.1. М.И.Шлионис, Магнитные жидкости. УФН. 1974, т.112. авп. 3, стр.427

Н.З.Френкель, Гидравлика, М.-Л, 1956.

М.Д.Чертоусов, Гидравлика, М., 1957.

К 4.2. З.П.Шульман и др., Электрореологический эффект, Минск,

"Наука и техника", 1972.

К 4.3. И.М.Холостников, Теория сверхтекучести,

М., "Наука", 1977.

А.Роуз, Техника низкотемпературного эксперимента, М.,

"Мир", 1966.

К 4.4. Л.Лодж, Эластические жидкости, М., "Наука", 1969.

Физика ударных волн и высокотемпературных явлений,

М., 1963.

В.Н.Дмитриев, Основы пневмоавтоматики,

М., "Машиностроение", 1973.

Ю.Иванов, Была ли дырка в ванне Архимеда?

"Техника молодежи", 1972, стр.40.

А.Альтшуль и др., Визревые воронки, "Наука и жизнь",

1968, N'7.

К 4.6. М.П.Малков, Справочник по физико-химическим основам глубокого охлаждения, М.-Л., 1963.

К 4.7. Н.Е.Жуковский, "О гидравлическом ударе в водопроводных кранах", М.-Л., 1949.

М.А.Мостков и др., "Расчеты гидравлического удара",

М.-Л., 1952.

Г.В.Аронович и др.,"Гидравлический удар и уравнительные резервуары", М., "Наука", 1968.

Л.А.Юткин, "Электрогидравлический эффект", М.,

"Машгиз", 1955.

К 4.8. Л.Родзинский, "Кавитация против кавитации", "Знание - сила", N'6, 1977, с.4.

Н.А.Рой, Возникновение и протекание ультразвуковой кавитации, Акустический журнал, 1957, вып.I.

И.Пирсол, "Кавитация", М., "Мир", 1975.

^ 5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

5.1. Механические колебания.

Колебаниями называют процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяют на:

5.1.1. Свободные /или собственные/.

Свободные колебания - представляют собой колебания, со­вершаемые системами, представленными самим себе, около своего положения равновесия. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы.

А.с. 245 419: Способ определения главных центральных осей и моментов инерции геометрической фигуры, имеющей сложные очертания, путем измерения периода колебания пластинки, данной фигуре, отличающейся тем, что с целью повышения точности, в ластинке просверливают три отверстия, не лежащие не на одной прямой, протягивают через два из них нить, натягивают ее гори­зонтально и измеряют период колебания пластинки, затем протя­гивают нить через вторую пару отверстий и также измеряют пери­од колебания пластинки, и по измеренным периодам колебаний подсчитывают значения осевых и центробежных моментов инерции относительно центральных осей инерции фигуры.

А.с. 280 014: Способ определения координат центра тяжести механической системы, заключающейся в том, что к системе поо­чередно прикладывают движущие моменты, и по величине этих мо­ментов в зависимости от веса системы определяют координаты ее центра тяжести, отличающийся тем, что с целью повышения точ­ности измерения при ограниченных углах поворота системы, дви­жущие моменты, прикладываемые к системе, изменяют по гармони­ческому закону, с постоянной амплитудой на двух различных по частоте колебаний режимах, измеряют движущие моменты при про­хождении системой нулевого положения и некоторого произвольно­го выбранного другого положения, отличного от нулевого, и по величине этих моментов в зависимости от частоты колебания сис­темы и ее веса определяют координаты центра тяжести.

А.с. 288 383: Способ измерения натяжения движущейся маг­нитной ленты в лентопротяжных механизмах по частоте ее колеба­ний, отличающийся тем, что с целью повышения точности, регистрируют крутильные колебания ленты вокруг ее продольной оси, и по частотному спектру колебаний определяют среднюю ве­личину натяжения ленты.

Свободные колебания из-за непрерывного расхода энергии на преодоление сил трения, всегда являются затухающими. Скорость затухания определяется характеристиками среды, в которой про­исходят колебания.

А.с. 246 101: Способ измерения массового расхода жидкос­тей и газов путем сообщения колебаний участку трубопровода со средой, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме­рения, участку трубопровода сообщают периодические колебания и измеряют время затухания свободных колебаний участка трубопро­вода между двумя фиксированными уровнями колебаний, обратно пропорциональное количеству прошедшей за это время среды.

А.с. 274 276: Способ измерения давления, воспринимаемого индикатором в виде кварцевой пластинки отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности и надежности измерения, ука­занную пластинку приводят в резонансное колебание и по измене­ниям ее импеданса и декремента затухания судят о воспринятых ее давлениях.

А.с. 348945: Способ определения содержания в яйце плотной жидкой фракци, отличающийся тем, что с целью сохранения плот­ности яйца и сокращения продолжительности проведения процесса, содержания плотной жидкой фракции в яйце определяют по числу колебаний его содержимого путем воздействияна яйцо маятниковых маятниковых колебаний до заданной амплитуды затухания и после­дующего пересчета полученного числа колебаний по предваритель­но построенной калибровочной кривой на содержание плотной и жидкой фракции яйца.

5.1.2. В ы н у ж д е н н ы е колебания совершаются под действием внешней периодической /или почти периодической/ си­лы, например, колебания мембраны микрофона, барабанной пере­понки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины маг­нитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.

А.с. 271 868: Способ автоматического контроля начала об­разования неразрушаемой структуры бетонной смеси при виброфор­мировании путем фиксации момента изменения свойств бетонной смеси, отличающийся тем, что с целью повышения точности изме­рения, определяют момент совпадания величин амплитуд вибрации бетонной смеси и стола виброплощадки.

А.с. 301 551: Способ измерения массы, включающий опреде­ление параметров колебания, отличающийся тем, что с целью точ­ного измерения и исключения влияния внешних механических по­мех, например, при контроле массы рыбы загружаемой в консервную банку на плавучем рыбоконсервном заводе, на измеря­емую упруго подвешенную массу периодически воздействует возму­щающей силой с частотой, отличающейся от частоты помех и по амплитуде вынужденных колебаний, возникающих при этом, судят о величине массы.

А.с. 560 563: Способ контроля выдаиваниявымени животных при машинном доении, включающий определение степени опорожне­ния вымени по изменениям физических свойств его с помощью из­вестных устройств, отличающийся тем, что с целью повышения точности контроля, определения степени опорожнения долей выме­ни ведут по изменению уровня и частоты акустических колебаний возникающих в них.

Вынужденные колебания, возбуждаемые в системе внешними силами, часто приводят к интенсификации многих, технологичес­ких процессов.

А.с. 460 072: Способ распыления жидкостей, по которому на распыляемую жидкость накладывают высоко частотные колебания, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности распыле­ния, применяют последовательное наложение колебаний различных частот.

А.с. 512 893: Способ электроэрозионной обработки с пода­чей в межэлектродный зазор одновременно с рабочей жидкостью нейтрального газа, отличающийся тем, что с целью интенсифика­ции процесса, газ вводят в пульсирующем режиме с частотой 0,15 -0,2 Гц.

Патент США 3 467 331: Способ разматывания ленты, заключа­ющийся в том, что участок ленты, сматывающейся с подающего ру­лона, приводят в колебания, под действием которого преодолева­ется сила сцепления между витками ленты подающего рулона.

Если на сверло наложить в процессе сверления

возвратопоступательные колебания, направленные вдоль его оси,

то процесс сверления намного упрощается, так как сверло мно­гократно /с частотой колебания/ как бы возвращается в исходное положение, поэтому его не уводит, трение уменьшается, повыша­ется чистота поверхности сверления.

5.1.3. Особую роль в колебательных процессах играет явле­ние р е з о н а н с а - резкого возрастания амплитуды вынуж­денных колебаний, наступающего при приближении частот собственных и вынужденных колебаний системы. Явление резонанса используется для интенсификации различных технологических про­цессов.

А.с. 119 132: Вибрационный транспортер, выполненный ввиде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, отличающийся тем, что с целью уменьшения коли­чества вибраторов, приводящих транспортер, часть из них заме­нена подпружиненными реактивными массами, настроенными в резо­нанс со всей колеблющейся системой.

А.с. 508 543: Способ обработки металлических изделий, включающий нагрев до температуры отпуска с одновременным при­ложением механической вибрации, отличающийся тем, что с целью предотвращения образования усталостных трещин и интенсификации процесса снятия внутренних напряжений в сварных изделиях, об­работку ведут при местном нагреве зоны сварного шва с одновре­менной вибрацией всего изделия, осуществляемой в резонансном режиме с частотой, соответствующей частоте при его нагреве.

А.с. 515 006: Способ сушки дисперсных материалов, напри­мер, солода, в кипящем слое путем продувки его восходящим пульсирующим потоком теплоносителя, отличающийся тем, что с целью интенсификации тепломассообмена, продувку ведут в режиме резонанса с увеличением в зависимости от влажности материала частоты пульсаций потока теплоносителя, например, для солода от 6 до 14 Гц., и поддержанием ее средней частоте собственных колебаний плотности кипящего слоя, и для измерения каких-либо характеристик системы.

А.с. 175 265: Резонасный датчик уровня сжижения газов, содержащий колебательный контур, выполненный ввиде стержней с укрепленными токопроводящими элементами, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, стержни настроены на различные резонансные частоты и расположены относительно друг друга на расстоянии, позволяющем образовать электрическую ем­кость, достаточную для возбуждения одного из стержней.

А.с. 271 051: Способ измерения массы вещества в резервуа­ре, например, жидкого, отличающийся тем, что с целью повышения точности и надежности измерения возбуждают механические резо­нансные колебания системы резервуар - вещество, измеряют их частоту, по величине которой судят о массе вещества.

А.с. 275 514: Способ определения химической стойкости по­ристого материала к воздействию агреесивных сред, отличающийся тем, что с целью повышения точности определения, образец под­вергают воздействию механических колебаний, замеряют резонанс­ную частоту его собственных колебаний, затем помещают в агрес­сивную средуи выдерживают необходимое время, зависящее от материала образца, после чего извлекают, промывают, сушат, снова подвергают воздействию механических колебаний с замером резонансной частоты собственных колебаний, и, по изменению уп­ругих свойств, например, модуля упругости, вычисленного на ос­новании замеренных величин резонансной частоты собственных ко­лебаний образца, определяют его химическую стойкость.

А.с. 509 798: Способ испытания конструкций без разрушения материалов, заключающийся в том, что в элементе конструкции возбуждают колебания на его собственной частоте и увеличивают эту частоту при определении усилий, отличающийся тем, что с целью повышения точности, длину колеблющейся части элемента ограничивают положением дополнительных механических связей, после чего измеряют собственную частоту элемента под этой наг­рузкой, и, сравнивая эти частоты, судят о величине начальных усилий.

А.с. 519 239: Способ обнаружения налипания металлов в ка­либрах валков чистовой клети при прокатке, например, арматур­ной стали, включающей измерения амплитудно частотных характе­ристик процесса и сравнения их с эталонными, отличающийся тем, что с целью упрощения и повышения надености способа, контроли­руют колебания раската в вертикальной плоскости на выходе из чистовой клети, из сп выделяют составляющую колебаний полосы с частотой вращения валка и судят о налипании металла по трех-четырех кратному увеличению амплитуды выделенной состав­ляющей колебаний.

5.1.4. А в т о к о л е б а н и я - незатухающие колеба­ния, которые осуществляются в неконсервативной системе при от­сутствии переменного внешнего воздействия /за счет внутреннего источника энергии/, причем амплитуда и период этих колебаний определяются свойствамисамой системы. Классический пример ав­токолебательной системы - маятниковые часы. Как правило, авто­колебательные системы склонны к самовозбуждению.

А.с. 267 993: Способ определения сроков схватываниябетонн по изменению колебаний натянутой струны, помещенной в исследу­емую смесь, отличающийся тем, что с целью автоматизации про­цесса определения возбуждают в струне электромагнитные колеба­ния и измеряют интервал времени от момента затвердения смеси до момента самовозбуждения струны.

А.с. 279 214: Способ измерения ускорения путем определе­ния изменения анодного тока в газоразрядной трубке с плазмен­ным шнуром, отличающийся тем, что с целью получения частотного выходного сигнала, в газоразрядной трубке создают неоднороное электрическое поле, вызывающее изменение частоты автоколебаний плазменного шнура при его смещении под действием ускорения от­носительно электродов, и по частоте колебаний судят о контро­лируемой величине.

5.2. Акустика.

Одним из широко известных колебательных движений является звук - продольные колебания частичек среды, в которых расп­ространяется звуковая волна.

Акустические /звуковые/ колебания, как и механические ко­лебания, часто используют для интенсификации различных техно­логических процессов.

А.с. 442 287: Способ разработки газогидратной залежием превращения газа из твердого /газогидратного/ состояния в га­зообразное в пласте, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности разработки залежи, пласт подвергают воздействию упрцгих колебаний звукового диапозона.

А.с. 500 817: Способ очистки изделий в жидкости, напри­мер, материалов типа лент, при котором на изделие воздействуют движущимися относительно его механичекими очистными средства­ми, преимущественно щетками и акустическим полем, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса очистки и снижения его энергоемкости акустическое и механическое воздействие на изделие совмещают, для чего механические средства очистки рас­полагают в акустическом поле.

А.с. 553 419: Способ чистки термочувствительных материа­лов, например микробных препаратов, путем их предварительного нагрева во взвешенном состоянии, отлежки и последующего охлаж­дения, отличающийся тем, что с целью интенсификации и повыше­ния качества сушки, охлаждение материала ведут в среде псевдо­ожиженного сорбента под воздействиемзвукового поля.

А.с. 553 791: Способ сепарации взвешенных частиц путем воздействия на них акустическими колебаниями, отличающийся тем, что с целью сепарации частиц размерами меньше 0,5 мкм и разделения частиц одинаковых размеров различной плотности, акустические колебания генерируют в виде импульсов с периодом, меньшим времени релаксации сепарируемой частицы и длитель­ностью возрастающей от 0,1 до 1 времени периода следования им­пульсов.

Акустические колебания различной частоты по разному воз­действуют на животных.

На основе этого в США /патент N 557 889 / разработаны ус­тройство и способ, предназначенные для разгона животных. С этой целью мозг животных подвергается действию раздражающих колебаний со спектром, лежащим в звуковом диапозоне частот, представляющий собой совокупность многочисленных колебаний, успокаивающих мозг животных. Раздражающие колебания действуют на мозг животного одновременно с успокаивающими колебан при этом осуществляется модуляция раздражающих колебаний успокаи­вающими.

Характер звуковых колебаний зависит от свойства источника звука, поэтому, измеряя различные характеристики звуковых ко­лебаний, можно установить характеристики источника звука.

А.с. 257 084: Способ определения рассовой принадлежности пчел, отличающийся тем, что с целью определения рассы на живых пчелах, сокращение затрат времени и труда и получение более точных данных, рассовую принадлежность определяют по спект­ральной характеристике издаваемых пчелами звуков, которую сравнивают со стандартными спекторами, полученными на пчелах заведомо чистых расс.

А зная характеристики звуковой волны, можно по ее измене­нию при прохождении различных сред установить параметры среды.

В США разработан автоматический прибор, сортирующий при помощи звука яблоки, так как установлено, что зрелые, незрелые и перезрелые яблоки оказывают различное сопротивление проходя­щим сквозь них звуковым волнам разных частот.

Звук распространяется в воздухе с определнной скоростью. Если в какой-то определнной системе координат возникает звуко­вой импульс, то по времени прохождения его к осям координат, которое может быть зафиксировано приемниками звука, можно оп­ределить координаты источника звука. Такой путь и избрали в институте Кибернетики АН БССР.

При использовании ЭВМ в качестве автоматического проекти­ровщика необходимо вводить в нее графическую информацию. С этой целью графическая информация предоставляется ввиде набора различных кривых, координаты которых вводятся с помощью миниа­торной искры, возникающей при соприкосновении специального звукового карандаша (Электроакустического преобразователя) с любой из точек чертежа, звук который достигает системы коорди­натных микрофонов, расположенных по краям чертежа. Одна систе­ма выдает координату по Х, другая по У.

5.2.1. При подходе к приграде акустические волны отража­ются (эхо). Поэтому, если в закрытом помещении включить и сразу выключить источник звука, то возникает явление р е в е р б е р а ц и и т.е. послезвучание,обусловленное приходом в оп­ределенную точку запоздавших отраженных или рассеянных звуко­вых волн.

Измеряя время реверберации (время в течении которого ин­тенсивность звука уменьшается в 1000000 раз) можно определить обьем свободного помещения.

А.с. 346 588: Акустический способ определения количества вещества в замкнутом сосуде, отличающийся тем, что с целью уп­рощения, в свободном пространстве сосуда создают акустический импульс и измеряют время реверберации, по которому судят о ко­личестве вещества.

5.3. У л ь т р а з в у к.

Ультразвук - продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапозоне частота 20.10 в третьей степени Гц. Применение ультразвука связано в основном с двумя его харак­терными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами:

отражением

Патент США 3554 030: Расписан расходомер, используемый для измерения и регистрации величины обьемного расхода крови. Измерения производятся при помощи ультразвукового преобразова­теля, который применяется как для излучения, так и приема уль­тразвуковых волн. Отраженные сигналы, принимаемые преобразова­телем позволяют определить размер поперечного сечения кровеносного сосуда, а также скорость движения крови в сосуде. Измеренные параметры дают возможность получить расчетным путем величину обьемного расхода крови.

фокусировкой

А.с. 183 574: Способ газовой сварки и резки, заключающий­ся в использовании тепла пламени горючей смеси, отличающийся тем,что с целью повышения производительности процесса, в газо­вую горючую смесь вводят ультразвуковые колебания, фокусируе­мые в зоне сварного шва или реза.

образование теней (ультразвуковая дефектоскопия);

Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, рапространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты - радиационное давление (избыточное давление испытуе­мое препятствием вследствии воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавита­ция (см. раздел 4.8) и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.

5.3. Пластическая деформация и упрочнение.

Воздействие ультразвука на процесс пластической деформа­ции обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: "акустическое разупрочнение" и "акустичес­кое упрочнение". Первый наблюдается в процессе воздействия ин­тенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической дефор­мации. Акустическое упрочение металлов достигается после воз­действия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности. Акустическое разупрочнение является результатом активации дис­локаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время про­исходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход платичес­кой деформации.

А.с. 436 750: Способ разбортовки полых изделий из пласти­ческих масс путем двустороннего обжатия роликами стенки изде­лия при его вращении, отличающийся тем, что с целью повышения производительности процесса, область контакта стенки изделия с роликами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний.

А.с. 536 874: Способ профилирования материала типа прут­кового путем наложения на заготовку ультразвуковых колебаний в ее пластической деформации, отличающийся тем, что с целью по­лучения на заготовках периодического профиля синусоидального характера, заготовку предварительно подвергают воз ультразву­ковых колебаний так, чтобы расположение пучностей и узлов уль­тразвуковой волны соответствовало выступам и впадинам заданно­го периодического профиля, после чего осуществляют процесс пластического деформирования заготовки в осевом направлении, перпендикулярном к направлению действия изгибных колебаний, растягивающими усилиями, достаточными для получения заданной глубины профиля.

Если валики прокатного стана колебать в направлении па­раллельном осям их вращения, с ультразвуковой частотой, то усилие деформации снижается в 1,5-2 раза, а степень деформации увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко сни­жается.

При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без при­ложения внешней нагрузки.

5.3.2. Под действием ультразвукав и з м е н я ю т с я о с н о в н ы е ф и з и к о-х и м и ч е с к и е с в о й с т в а р а с п л а в о в: вязкость, поверхностное натяжение на границе "расплав - форма" или "расплав - твердая фаза", температура и диффузия.

5.3.2.1. В я з к о с т ь, после ультразвуковой обработки расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер из­менения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, посколько на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты, например, изменение трения между твердыми нерастворимыми при­месями, находящихся в расплаве.

5.3.2.2. П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е. Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристализации уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаж­дение расплавов и увеличивается количество кристаллических за­родышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.

5.3.2.3. Т е м п е р а т у р а. Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникновение акус­тических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсив­ности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнива­ние температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается скорость охлаждения, физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции зак­лючается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость тепло­обмена.

5.3.2.4. Д и ф ф у з и я.

Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под действием ультразвука происходит более легкое перемещение ато­мов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образо­ванию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать влияние вторичных эффектов акустических потоков, повышение температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость - твердое тело.

5.3.2.7. Д е г а з а ц и о н н ы й э ф ф е к т.

Под действием ультразвука растворенный газ сначала выде­ляется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении доста­точно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно обьяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные пустоты проникает ратворенный газ. При захлопывании кавитаци­онных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в метал­ле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков об­разуются и в полупериод разряжения при распространении упругих ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении дав­ления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пу­зырьки под влияниемельных движений коанулируют и, достигая оп­ределенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию га­зовых пузырьков.

5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект (открытие N109).

Явление капиллярности заключается в том, что при помеще­нии в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под действием сил поверхностного натяжения происходит подьем жид­кости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно во и скорость подьема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капилярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень хорошо используется в промышленности, например, при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в теплвых трубах и т.п.

А.с. 437 568: Способ попитки капиллярных пористых тел жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колеба­ния сообщают пропитываемому телу.

5.3.4. Трудно перечислить все эффекты, возникающие в ре­зультате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко перечислим основные области прменения ультразвука и приведем в заключение несколько интересных изобретений, показывающих ши­рокие возможности использования ультразвука в изобретательст­ве.

1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (184.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации