Тепловое расширение воды, Биология

Cлайд 1

Cлайд 2

Игра « Мы уже знаем» Опираясь на эти записи, расскажите об известных вам свойствах воды, начиная фразу со слов «Я уже знаю, что . . .» Накипь, «убегает чайник», 100о С, соли пар, расстояние между молекулами, кипит, твердая вода в природе, замерзает, газообразная вода в природе, туман, частицы движутся быстрее, 0о С, жесткость воды, н2о, хлор, микроорганизмы

Cлайд 3

Как можно перевести вещество из одного состояния в другое? ГАЗООБРАЗНОЕ ЖИДКОЕ ТВЕРДОЕ нагревание нагревание охлаждение охлаждение

Cлайд 4

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ВОДЫ Учитель биологии МАОУ СОШ № 1 Им. Героя Советского Союза В.П. Чкалова Конева М.П.

Cлайд 5

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ВОДЫ ЦЕЛЬ: изучить свойства воды, связанные с понижением и повышением температуры. Задачи: Научиться анализировать, объяснять наблюдаемые явления; Научиться делать выводы; Выяснить значение исследуемых свойств воды для растений и животных;

Cлайд 6

Хорошо ли вода проводит тепло? Какие свойства, характеристики воды меняются при нагревании? А при охлаждении?

Cлайд 7

Что брали Что делали Что наблюдали Вывод Пробирка с водой, закрытая пробкой с трубкой Нагревали на пламени спиртовки Пробирка с водой, закрытая пробкой с трубкой Охлаждали в стакане со снегом Пластиковая бутылка с водой Охлаждали при температуре -20 градусов на улице

Cлайд 8

Изменение объема воды Что произойдет с водой при нагревании?

Cлайд 9

Удивительное вещество – вода Как изменяется объем воды при охлаждении?

Cлайд 10

Лёд – силач Как изменяется объем воды при замерзании?

Cлайд 11

д/з: § 22; ТПО стр. 73-74

Cлайд 12

Cлайд 13

Шёл долговяз, в сыру землю увяз. Серебряные нити небо с землёй сшили. Пушистая вата плывёт куда-то. Чем вата ниже, тем дождик ближе. Утром бусы засверкали, всю траву собой заткали, А пошли искать их днём, ищем – ищем не найдём. Он всё время занят делом, он не может зря идти. Он идёт и красит белым, всё, что видит на пути. На дворе переполох: с неба сыплется горох. Съела шесть горошин Нина, у неё теперь ангина. Молоко над речкой плыло, ничего не видно было. Растворилось молоко – стало видно далеко. Он как алмаз: и твёрд, и чист, на солнышке сверкает, но пригревать начнут лучи, он тут же и растает. ЗАГАДКИ

Тепловое расширение. Расширение газа и жидкости. Опыты – Класс!ная физика

Подробности Просмотров: 479

06.2012

НАГРЕВАНИЕ ВОЗДУХА Что   происходит  с воздухом при нагревании? Почему при нагревании воздух становится легче? Куда девается его вес?

Возьми бутылку из белого стекла, по возможности с тонкими стенками. Подбери к ней плотную пробку. Если корковой пробки нет, годится свежая морковка. Подбери   стеклянную или пластиковую трубочку  и плотно вставь ее в отверстие пробки. Налей в бутылку немного  подкрашенной воды. Нижний конец трубки должен быть погружен в воду.

Когда ты обхватишь бутылку руками, вода начнет подниматься по трубке. Значит, что-то вытесняет из бутылки воду, раз она полезла в трубку! Что же это такое?

Ты, наверное, уже сообразил, что это опять он, невидимка-воздух. Тепла твоих рук оказалось достаточно, чтобы воздух нагрелся, расширился и потеснил воду!

Наш опыт не очень интересен на первый взгляд. В нем ничто не вертится и не крутится, не летит и не взрывается, не подпрыгивает и не бьет фонтаном. Но результат получился очень важный: при нагревании воздух расширяется. И расширяется сильно, если даже теплота твоих рук дала заметное действие. А теперь о весе! Скажем, был у тебя один литр воздуха.

И весил этот воздух 1,2 г (одну целую и две десятых грамма). Столько примерно он и весит. А потом ты этот воздух нагрел, да так сильно, что он расширился вдвое и стал занимать уже не 1 л, а 2. Сколько же он теперь весит? Да те же самые 1,2 г. Воздух ведь ниоткуда не прибыл и никуда не убыл. Просто он расширился, сделался более редким.

Значит, общий вес нагретого воздуха не изменился. Что же тогда изменилось?

Изменился вес 1 л. Если литр холодного воздуха весил 1,2 г, то 2 л горячего воздуха весят те же самые 1,2 г. Значит, 1 л теперь весит 1,2:2 = 0,6 г. Горячий воздух стал как бы легче потому, что он стал реже.

В действительности, для того чтобы воздух расширился вдвое, его нужно нагреть очень сильно, примерно до 300°. В наших опытах он нагревается гораздо слабее. Но все равно: даже и при небольшом нагревании воздух на  сколько-то расширяется.

Значит, каждый литр, даже каждый кубический сантиметр его становится хоть немного легче. И он теперь всплывет, поднимется в более холодном, более плотном окружающем воздухе. Он сможет крутить вертушку. Он сможет поднять легонькую оболочку мыльного пузыря.

А если его будет очень много, разница в весе окажется достаточной, чтобы поднять целый  воздушный шар-монгольфьер! Ну, а если воздух снова охладить? Отними ладони от бутылки, через некоторое время вода в трубке опустится и все придет в прежнее положение.

Значит, при охлаждении воздух занимает меньше места, он сжимается.

ЗВУЧАЩАЯ МОНЕТА Понаблюдаем, как расширяется газ. Для этого нам понадобится двухлитровая бутылка из-под газировки, монета размером  с диаметр горлышка и стакан воды.

Положите пустую незакрытую бутылку минут на пять в морозильник. Затем выньте бутылку из морозильника и сразу же закройте ее мокрой монетой. Монету перед этим смочите, окунув ее в стакан с водой.

Через несколько секунд монета начнет издавать звуки, напоминающие пощелкивание, подскакивая и ударяясь о горлышко бутылки. Почему? Вещества от охлаждения сжимаются. Охлажденный воздух в бутылке сжимается, занимая меньший объем.

Благодаря этому в бутылку входит дополнительное количество воздуха. Когда мы вынимаем бутылку из морозилки, воздух нагревается и начинает расширяться. Расширяющийся воздух отрывает монету от горлышка и приподнимает ее с одной стороны.

Когда излишек воздуха вышел наружу, монета падает на прежнее место. Этот процесс продолжается, пока температура внутри бутылки не сравняется с температурой воздуха снаружи.

Внимание! Монета может перестать звучать, если она сдвинется с места идущим снизу воздухом и не будет Полностью накрывать горлышко бутылки. В этом случае передвиньте ее на место.

ВОДОПРОВОДНАЯ ТРУБА И ГРИБЫ

Сколько аварий бывает зимой, когда замезают водопроводные трубы!

Английский изобретатель Рональд Рейбоун предложил изготавливать их с пластмассовыми вкладышами, внутри которых находится воздух. Расширяющаяся при замерзании вода вместо того, чтобы давить на стенки трубы, сдавливает воздух в мягком пластмассовом вкладыше. Так коварный     закон    температурного расширения находит новую, безобидную    точку    приложения,  и трубы   остаются    целыми.

Опыт То, что замерзающая вода любит рвать трубы, можно удобно использовать… для сушки грибов и фруктов! Быстро заморозьте их в морозильном холодильнике, а потом высушите.

Длительность сушки заметно сократится, а качество улучшится, потому что замерзающая вода рвет стенки растительных клеток и делает ткань пористой.

По этим капиллярным ходам влага намного быстрее выделяется наружу и испаряется.

НАГРЕВАНИЕ ВОДЫ

Берем тот же  аппарат, в котором мы  нагревали воздух: бутылка с пробкой и трубочкой. Будем нагревать  воду.

На этот раз наполни бутылку водой до самого верха, до краев горлышка. Трубку выдвини  повыше и заткни бутылку пробкой. Вытесненный пробкой излишек воды поднимется по трубке. Пусть он там установится на высоте 1—2 см над пробкой. Если будет больше, отлей. Хорошо  было бы и здесь подкрасить воду чернилами.

Теперь воду в бутылке надо нагреть. Но здесь уже тепла твоих рук не хватит. Придется установить бутылку в кастрюлю с водой, подложив две палочки, чтобы под дном бутылки тоже была водяная прослойка, и все это сооружение поставить на огонь.

Это называется «нагревать на водяной бане». Прямо ставить бутылку на огонь нельзя: она лопнет.

Следи внимательно за уровнем воды в трубке! Смотри-ка: уровень немного опустился… Что же это, неужели вода при нагревании сжимается? Не спеши с выводами!

• Уровень воды в трубке снова пополз вверх и поднимается все дальше и дальше, Он теперь выше,  чем был с самого начала.
• НАГРЕВАНИЕ СНЕГА
• СУХИМ ИЗ ВОДЫ

Значит, вода при нагревании все-таки расширяется. Ну, а почему же сначала уровень шел вниз? Не догадываешься? Да потому, что первой нагрелась бутылка и тоже расширилась. А потом уже тепло дошло до воды! Как его нагреть? Да набери в большую кастрюлю и принеси в кухню. В кухне тепло, и снег начнет таять. Налей немного воды на табуретку и поставь кастрюлю в эту лужицу. Через некоторое время попробуй кастрюлю приподнять. Примерзла? Конечно, нет. Ведь в кухне тепло, и снег даже в самой кастрюле тает. Ну, а если помешивать снег в кастрюле палочкой? Хоть скалкой, хоть оглоблей. Все равно не примерзнет. Но все-таки есть способ приморозить кастрюлю! Брось в нее полную горсть соли. Теперь, если ты хорошо помешаешь да при этом не будешь сдвигать кастрюлю с места, она примерзнет! Снег в кастрюле будет таять по-прежнему, но под ее дном образуется лед. Не правда ли, таинственный опыт? Тайну этого опыта легко разъяснится, если у тебя есть уличный термометр,  который показывает плюсовые  и минусовые температуры. Опусти его в кастрюлю так, чтобы шарик касался снега. До прибавления соли термометр стоит на нуле. Так и должно быть, ведь именно температуру тающего снега и льда условились считать нулевой. А вот после прибавления соли термометр покажет уже минусовую температуру. Если, например, к тремстам граммам снега добавить сто граммов соли, смесь будет таять при 18° ниже нуля! Ясно, что при такой температуре чистая вода под кастрюлей замерзнет. Ты, может быть, видел, как в больших городах в гололед тротуары посыпают солью. На улице мороз, но лед на тротуаре начинает таять! А то еще золой посыпают. В ней тоже содержатся различные соли. И лед превращается в мокрую, грязную кашу. Положи на плоскую тарелку монету и налей немного воды. Монета очутится под водой. Теперь предложи товарищу взять монету голой рукой, не замочив пальцев и не выливая воду из тарелки. Едва ли он сообразит, как это сделать. А фокус в том, что воду надо отсосать.

Возьми тонкий стакан, ополосни его кипятком и опрокинь на тарелку рядом с монетой. Теперь смотри, что будет.

Воздух в стакане начнет остывать. А ты, наверное, уже слышал, что холодный воздух занимает меньше места, чем горячий. Мы об этом еще поговорим в свое время подробнее. Так или иначе, стакан, словно медицинская кровососная банка, начнет всасывать воду, и вскоре вся она соберется под ним. Теперь подожди, пока монета высохнет, и бери ее, не боясь замочить пальцы.

СТАКАН ПОЛЗЕТ

Воздух при нагревании расширяется. Ну, а при чем здесь какой-то ползущий стакан? Сейчас увидишь. Возьми кусок плоского стекла длиной около 40 см. Чисто вымой это стекло и под один его край подложи два спичечных коробка. Поставь на стекло стакан вверх дном. Только обязательно тонкий стакан. Толстый, гра­неный, стакан здесь не годится: он может лопнуть, да и слишком тяжел для нашего опыта. Стакан, конечно, будет стоять на месте: ведь наклон стекла очень мал.

Хорошенько смочи края стакана водой. Нет, и водя­ная «смазка» не помогает. Стакан все равно стоит на месте. Ничего, сейчас мы заставим лентяя двинуться в путь! А ну-ка, поднеси к нему горящую свечу или лучинку. Ближе, ближе, пусть почувствует жар.

Стакан все еще стоит… Смотри-ка: двинулся! Быстрее, быстрее ползет вниз, словно спасаясь от огня. Что же здесь произошло? Воздух в стакане нагрелся и немного расширился. Он чуть-чуть приподнял стакан и вышел бы наружу, да мешает вода, которой смочены края. Стакан словно «повис» на водяной прослойке. Тре­ние резко уменьшилось, и он пополз, вернее, поплыл вниз!

Источник: «Здравствуй, физика» Л. Гальперштейн; “Физика для любознательных или о чем не узнаешь на уроке” А.Майоров

Следующая страница «Тепловое расширение. Расширение твердого тела. Опыты» Назад в раздел «Простые опыты»

Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается • Новости науки

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения.

Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке  — от 0°C примерно до 4°C.

При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма.

Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.

10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной».

Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена.

Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью.

Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси.

Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении.

Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H2O соответствует лишь парообразному ее состоянию.

В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H2O)x, где x — количество молекул.

Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей.

А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора.

Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4).

Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5.

Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга.

Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным.

Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса.

Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией.

Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению).

Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных.

Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Юрий Ерин

Особенности теплового расширения воды

Тепловое расширение воды

У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается, при этом изменяется и плотность вещества.

Плотность вещества при плавлении уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Но существуют такие вещества, как, например, кремний, германий, висмут, у которых плотность при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. К этим веществам относится и лед (вода).

Опыт показывает, что вода имеет, наибольшую плотность при 4°С. Это объясняется особенностями строения кристаллической решетки льда.

Если в жидком состоянии молекулы Н2О расположены вплотную друг к другу, то при кристаллизации расстояние между ближайшими молекулами увеличивается и в кристалле между молекулами образуются «пустоты».

Поэтому плотность воды больше, чем льда, и достигает наибольшего значения при 4″С. При повышении или понижении температуры от 4°С плотность воды уменьшается, объем увеличивается.

Вследствие того, что почти 80% поверхности Земли покрыто водой, особенности ее теплового расширения оказывают огромное влияние на климат Земли. При нагревании воды в открытых водоемах, имеющей температуру 1—2°С, происходит непрерывная смена слоев воды, имеющих различную температуру.

Так происходит до тех пор* пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся менее плотными, а потому остаются наверху.

Этим объясняется тот факт, что в глубоких водоемах температура воды, начиная с некоторой глубины близка к температуре наибольшей плотности воды.

Этой особенностью теплового расширения воды объясняется тот факт, что водоемы зимой не промерзают до дна. При охлаждении, пока температура поверхностного слоя не достигнет 4°С, плотность более теплой воды ниже плотности более холодной, поэтому более теплая вода поднимается вверх, а более холодная опускается вниз.

• В интервале температур от 0 до 4°С значения плотностей меняются: теперь уже вода, имеющая более высокую температуру, опускается вниз, г более холодная перемещается вверх и, охлаждаясь, замерзает.
• Расширение воды при замерзании ведет к разрушению горных пород, сосудов, в которых она находится.
• Фотоэффект.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами).

Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — постоянная Планка, равная 6,63 • 10 Дж • с, v — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г.

немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дугой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

1. — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.
3. Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты vmin — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при v < vmin фотоэффект не происходит при любой энергии света, а если v > vmin, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г.

В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света.

По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv.

При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.

Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: тv /2 — hv- Авых. Следовательно, . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Если hv < Авых, то фотоэффекта не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна vmin = A/h.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент.

Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока.

Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока.

Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Билет № 23

1. Электрические заряды. Закон Кулона.
2. Давление света. Химическое и тепловое действие света.
3. Задача нахождение затраты света.

Ответы:

1. Электрические заряды. Закон Кулона

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда — кулон (Кл).

Расширение воды при нагревании в процентах

Хотя кажется, что расширение воды противоречит отношениям температуры и объема, как описано выше, это не так. Среднее расстояние между охлаждающимися молекулами продолжает уменьшаться при снижении температуры, так как кинетическая энергия уменьшается, как и ожидалось.

Но происходит физическое, а не тепловое расширение, так как молекулы воды образуют кристаллическую структуру. Когда атомы водорода и кислорода образуют связи, они разделяются на пары, причем одна сторона молекулы воды получает немного более высокий положительный заряд, чем другая.

В результате молекулы действуют как треугольные магниты, у которых одна сторона электростатически отрицательная, а другая — положительная.

0,53×10−4 К-1 (при температуре 5-10 °C); 1,50×10−4 К-1 (при температуре 10-20 °C); 3,02×10−4 К-1 (при температуре 20-40 °C); 4,58×10−4 К-1 (при температуре 40-60 °C); 5,87×10−4 К-1 (при температуре 60-80 °C).

Подсчитайте сами. Считать по разным диапазонам отдельно.

В системах отопления и охлаждения для компенсации температурных расширений теплоносителя до недавнего времени широко применялись расширительные баки открытого типа, которые имеют ряд недостатков. • Постоянный контакт рабочей жидкости с атмосферным воздухом.

Как следствие этого, возникает насыщение теплоносителя воздухом, что является причиной возникновения проблем с циркуляцией жидкости, возникновения кавитации в трубопроводах, насосах и появления дефектов, вызванных коррозией. • Раздражающий шум в трубопроводе и насосах, возникающий из-за наличия в воде воздушных пузырьков.

• Интенсивное испарение жидкости из системы вследствие контакта с атмосферой (необходимо регулярно пополнять систему).

• Открытый расширительный бак может устанавливаться только в верхней точке системы, что не всегда удобно.

Расширительные баки закрытого типа (мембранного) лишены вышеописанных недостатков. Рабочая жидкость в мембранном баке отделена от газовой полости с помощью высокопрочной резиновой мембраны. В качестве газа используется азотосодержащая смесь.

В случае температурного расширения теплоносителя в системе газовая «подушка» в баке сжимается и вода поступает в бак. И наоборот, при охлаждении системы сжатый газ выдавливает жидкость в систему, тем самым пополняя ее.

Наличие газовой «подушки», находящейся под давлением, позволяет устанавливать мембранный расширительный бак в любой точке системы (в подвале или непосредственно в тепловом пункте).

Читайте так же:  Надувной котел установить атмосферную горелку

Расширительные баки Flexcon для систем отопления и охлаждения В конце 50-х годов компания Flamco первой на европейском рынке разработала и представила концепцию закрытой циркуляционной системы отопления, которая основывается на применении расширительного мембранного бака Flexcon. Более пятидесяти лет эксплуатации, исследований и совершенствования конструкции показали: расширительные мембранные баки Flexcon исключительно надежны благодаря высокому качеству изготовления как корпуса бака, так и резиновой мембраны.

• В результате на сегодняшний день свыше 30 миллионов расширительных баков такого типа установлены во многих странах мира.
• Отличительные особенности баков Flexcon • Мембрана расширительного бака Flexcon не растягивается, а «раскатывается» по стенкам бака, что повышает ее надежность.
• • Специальная конструкция зажимного кольца Flexcon обеспечивает долгий срок службы и предотвращает падение начального давления.
• Работа расширительного бака Flexcon (на примере системы отопления)

1. Заполнение системы Давление воздуха внутри бака плотно прижимает диафрагму к водяной части бака. Расширительный бак не заполнен водой.

Объем газа – Равен полному объему расширительного бака Flexcon.

Давление газа – Равно предварительному давлению в расширительном баке Flexcon.

2. Работа системы

Объем газа – Газ внутри бака сжимается. Расширительный бак Flexcon частично заполнен водой.

Давление газа – Равно рабочему давлению системы в месте установки расширительного бака.

3. Максимальное давление в расширительном баке Объем газа – Расширительный бак заполнен водой до максимума. Газ занимает минимальный объем. Давление газа – Равно максимальному давлению системы.

4. Расширительный бак при избыточном давлении При превышении максимально допустимого давления срабатывает предохранительный клапан Prescor, через который сбрасываются излишки воды.

Подбор расширительных баков для систем отопления

Объем бака следует подбирать так, чтобы полезный объем бака был не менее объема температурного расширения теплоносителя. Исходными данными при расчете расширительного бака будут являться: • объем теплоносителя (воды) в системе: Vсист., (л).

Данная величина может быть вычислена исходя из мощности системы; • статическая высота (статическое давление). Высота столба жидкости в системе, находящегося над баком. Один метр водяного столба создает давление 0,1 бар; • предварительное давление расширительного бака: Pпредв.

− давление газа в газовой камере пустого расширительного бака при комнатной температуре. Предварительное давление подбирается равным статическому давлению столба теплоносителя в системе.

Таким образом, до введения системы в эксплуатацию давление газа в баке компенсирует статическое давление столба жидкости, в результате чего мембрана бака находится в равновесии, при этом бак еще не заполнен; • максимальное давление: Pмакс. − максимальное рабочее давление в месте установки расширительного бака;

• средняя температура системы: Tср., (°С) − средняя температура системы в процессе работы.

Читайте так же:  Состав гидроизоляционный флэхендихт кнауф расход на 1м2

Порядок расчета 1. Определяется коэффициент расширения жидкости Kрасш. (прирост объема, %) при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С(принимается, что система заполняется при температуре 10 °С) до средней температуры системы. Для определения этого коэффициента используется таблица или диаграммы, данные далее. 2.

Определяется объем расширения: Vрасш., (л) − объем жидкости, вытесняемый из системы при ее нагреве от 10° С до средней температуры системы. 3. Определяется коэффициент заполнения бака (коэффициент эффективности) Kзап.

при заданных условиях работы, показывающий максимальный объем жидкости (в процентах от полного объема расширительного бака), который может вместить расширительный бак. Все давления в формуле измеряются в абсолютных единицах! 4. Определяется потребный полный объем расширительного бака: V, (л); вводится коэффициент запаса 1,25. 5.

Выбирается модель расширительного бака Flexcon с округлением в сторону ближайшего целого по таблицам № 5, 6, 7, 9 или 11.

Таблица № 1. Определение коэффициента расширения воды при ее нагреве от 10 °С до средней температуры системы.

Рисунок № 1. Диаграмма температурного расширения смеси воды и этиленгликоля в %, при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С до средней температуры системы.

1. Рисунок № 2. Диаграмма температурного расширения воды в % при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С до средней температуры системы
2. Пример подбора расширительного бака

1. Определяется коэффициент расширения жидкости Kрасш. (прирост объема, %) при ее нагреве (охлаждении) от 10 °С (принимается, что система заполняется при температуре 10 °С) до средней температуры системы. Для определения этого коэффициента используется следующая таблица или диаграммы. Данный порядок подбора использован для составления таблиц подбора расширительных баков.

Таблица подбора расширительных баков Flexcon для системы отопления

Данные таблицы позволяют подобрать расширительные баки Flexcon для систем отопления в зависимости от объема и статической высоты системы (всю терминологию см.

в главе “Подбор расширительных баков для систем отопления”) в месте установки расширительного бака.

Все значения подсчитаны для следующих условий: • система заполнена водой; • средняя температура системы 90 °С/70 °С = 80 °С; • прирост объема при данной температуре − 2,89 %.

Для более точного подбора объема расширительного бака нужно воспользоваться точной методикой подбора (см. главу “Подбор расширительных баков для систем отопления”).

Читайте так же:  Биметаллические радиаторы радена отзывы

• Таблица № 2. Подбор расширительного бака для систем отопления с максимальным давлением в месте его установки 3 бар
• Таблица № 3. Подбор расширительного бака для систем отопления с максимальным давлением в месте его установки 6 бар
• Таблица № 4. Подбор расширительного бака для систем отопления с максимальным давлением в месте его установки 10 бар
• Примечание: Для систем с другой средней температурой значение емкости системы должно быть умножено на следующий коэффициент: • для 85 °С − 0,89; • для 90 °С − 0,80; • для 95 °С − 0,73;
• • для 100 °С − 0,66.

Расширение воды при нагревании в процентах Ссылка на основную публикацию