Если не интересоваться, то кажется, что многие из тех физических величин, с которыми нам приходится сталкиваться в реальной жизни — представляют собой неизменные константы.
Однако, если всё же начать немного разбираться, то выяснится, что всё довольно относительно!
И сегодня, мы поговорим о некоторых из подобных примеров, где следствием изучения этого могут быть вполне конкретные и полезные применения…
И, пожалуй, одним из самых наглядных и имеющих широкое применение является практическое использование температуры кипения. Что мы знаем об этом показателе?
С бытовой точки зрения мы сталкиваемся с кипением, например, при приготовлении того же самого чая и, привыкли к тому, что вода кипит при 100°C.
Однако, если начать разбираться, то выяснится, что, например, та же самая вода способна кипеть при разных температурах — в зависимости от давления:
Однако, как мы знаем, вода, может быть в трёх агрегатных состояниях — жидком твёрдом и газообразном, где каждое состояние зависит от сочетания температуры и давления, для понимания чего, хорошо поможет диаграмма фазовых переходов воды:
Для упрощения понимания, и, так как 1 бар (bar) примерно равен одной атмосфере по давлению — посмотрим на правую вертикальную шкалу и нижнюю горизонтальную шкалу картинки выше.
Мы видим, что при давлении в 1 атмосферу, температура кипения воды соответствует 100°С, где поставлена точка.
Также, если мы по этой линии, проходящей через 1 bar пройдём справа-налево — то мы увидим, что температура замерзания воды при этом давлении находится на 0°C.
Соответственно, продолжая эту логику, если умозрительно поставить точку в любой части диаграммы — то можно получить какое-то сочетание температуры и давления, при которых вода может быть или твёрдой или жидкой или газообразной — например, если бы мы поставили точку, соответствующую давлению в 10 bar, продолжая оставаться на отметке в 100°C — то мы бы увидели, что при таком давлении вода не может кипеть — и нам нужно будет поднимать температуру где-то примерно до 200°C чтобы остаться в зоне «пара» (Gas).
Где это используется: например, в автомобильных системах водяного/ антифризного охлаждения — так как температура двигателя внутреннего сгорания при работе может достигать 90°С-105°С (примерно), то при его разработке инженерами был учтён этот момент, чтобы исключить вскипание охлаждающей жидкости, чтобы исключить возникновение паровых пробок в системе, и, соответственно, перебои с охлаждением.
Поэтому, нормальное давление в системе охлаждения может достигать даже 1,5 bar, сдвигая температуру кипения воды примерно до 120°С-130°С, тогда как антифриз имеет ещё более высокую температуру кипения, что гарантировано исключает вскипание охлаждающей жидкости.
Или, например, если бы мы хотели, чтобы вода кипела при комнатной температуре — то есть, где-то примерно при 24°C — то нам достаточно было бы уронить давление примерно до 100 mbar. И т.д.
Где это используется: например, с использованием такого метода понижения давления, насколько мне известно, изготавливаются тепловые трубки, например, для процессоров или видеокарт — могу ошибаться, но там, насколько я знаю, используется дистиллированная вода, залитая в герметичный контур, откуда откачан воздух — в результате, вода кипит чуть ли не при комнатной температуре, очень активно отбирая тепло — так как для своего кипения она требует от окружающей среды подвести к ней колоссальные 2256,2 кДж/кг, — то есть, другими словами, очень активно отбирает теплоту от окружающей среды, что весьма полезно для радиаторов…
Или, скажем, подобный принцип кипения при комнатной температуре можно использовать для дистилляции, например, получения спирта без нагрева или же, сгущения каких-то жидкостей — например, получения сгущённого молока из обычного, без его кипячения, соответственно, с сохранением изначального вкуса — всё это можно делать с помощью понижения давления…
Забавный момент: учитывая огромный теплоотбор воды от окружающей среды, в теории, если резко понизить давление, например, до вакуума, и, заставить вскипеть воду при комнатной температуре — можно даже попробовать заставить её даже замёрзнуть, также прямо при комнатной температуре! ;-)
Лайфхак: итак, в основном, вроде бы, система понятна, всё в учебниках прописано — из чего мы делаем вывод что «всё относительно» :-) …
Однако, теперь я задам вам ещё один странный вопрос: а можно ли теперь «хакнуть» эту систему фазовых переходов? То есть, сделать, другими словами, «относительность ещё более относительной»? ;-)
Например, несмотря на то, что мы ещё раз убедились выше, что вода замерзает при атмосферном давлении, при 0°C — а можно ли сделать так, чтобы при сохранении атмосферного давления, вода не замерзала при 0°C — а, скажем, замерзала при температурах гораздо более низких?!
Как ни странно, это вполне возможно — только для этого необходимо будет смешать воду в двух фазах — твёрдой (лёд) и жидкой (жидкая всегда присутствует на поверхности льда, в некоторых количествах) — с ещё одним компонентом, в качестве которого может выступать целый ряд веществ — в результате чего, как можно видеть по ссылке, температура кристаллизации воды может быть существенно понижена, и даже до более чем −60°C!
Подытоживая эту часть рассказа, можно отметить, что одним из наиболее активно использующихся способов для реализации технических средств с применением фазовых переходов является создание холодильных установок: как мы уже это изучали в предыдущих статьях, наиболее широко распространённый тип холодильных установок разделён на две зоны: высокого и низкого давления:
Как можно видеть, в левой части картинки — находится зона высокого давления, а в правой части, соответственно — зона низкого давления.
Работает это следующим образом: компрессор высасывает газообразный хладагент из зоны низкого давления справа, создавая в ней разрежение.
Далее этот хладагент сжимается компрессором и загоняется в зону высокого давления слева, где из-за сжатия он нагревается — и этот нагрев необходимо сбросить в окружающую среду: именно для этого служит радиатор сзади вашего холодильника!
После того, как хладагент сбросил температуру, — он становится жидким и доходит до так называемой «капиллярной трубки» («дроссельной трубки» и т.д.) — которая на картинке выше обозначена под цифрой «2» в виде сужения прохода — но реально это цилиндр из скрученной трубки длиной примерно где-то метра полтора или более, с малым сечением (что-то около 0,6 мм).
Назначение этой трубки заключается в том, чтобы чётко разделить зону высокого и низкого давления — просто-напросто, у неё слишком малый проход, и, так как компрессор постоянно откачивает газообразный хладагент из правой зоны — эта тонкая трубка не может поставить достаточное количество жидкого хладагента в эту правую зону, хладагент банально не может быстро успевать проходить через тонкую трубку слева-направо!
В ходе работы, как мы видели выше, когда хладагент сжижен, он начинает медленно вытекать через эту трубку из зоны высокого давления слева — в зону низкого давления справа, где, попадая в область разрежения, моментально вскипает и отбирает теплоту от трубки, по которой проходит — а эта трубка, в свою очередь, представляет собой змеевик вокруг морозильной камеры холодильника (по крайней мере, так раньше было, как делают в современных, я не знаю).
Кстати говоря, если мы вернёмся к диаграмме фазовых переходов выше, то нам станет понятно, почему в холодильных установках используют специальные хладагенты, а не например, ту же воду — если даже отбросить опасность её замерзания в трубопроводах, то, если взглянуть на диаграмму, становится понятно, что, например, чтобы заставить воду кипеть хотя бы при 0°С — для активного отбора теплоты (про минусовые температуры даже не говорим) — придётся уронить давление примерно чуть ниже 10 mbar — чего даже чисто технически достичь будет непросто…
И, в то же время, если мы обратимся к одному из популярных хладагентов — изобутану, то мы увидим, что он кипит при атмосферном давлении уже на отметке в -11,73°C — то есть, другими словами, достаточно будет у холодильной установки в правой части поддерживать «лёгонькое» разрежение, чтобы новым порциям хладагента было куда испаряться и система будет успешно работать, поддерживая минусовые температуры…
---------------------------
Несколько выше мы упомянули возможность понижения температуры замерзания воды с нуля градусов, до достаточно низких минусовых температур, путём смешивания льда и солей разного рода — в науке подобные смеси принято называть «эвтектическими системами» — то есть, другими словами, однородными смесями, температура плавления которых ниже, чем у её компонентов — и, на примере льда, мы это видели:
Скажем, если вода замерзает при 0°C, то уже смесь воды, льда(снега) и поваренной соли — остаётся жидкой вплоть до -18°C: например, широко известно, что этот принцип применяется в посыпании солью дорог, с целью устранить обледенение;
Верно и обратное — смешивание воды, льда и поваренной соли — приводит к постепенному понижению температуры смеси вплоть до −18°C (на этой точке устанавливается равновесие), что может использоваться в качестве охлаждающего средства (например, хладагента портативных холодильников-сумок разного рода).
Интересно, что принцип построения эвтектических систем не ограничивается только водой (некоторый список подобных систем можно найти по ссылке выше), — с практической точки зрения, интересно, что таким способом (созданием специальных смесей) — можно даже понижать температуру плавления металлов! И даже солей и некоторых других веществ!*
*Вот это второе особенно интересно, и на этом мы остановимся поподробнее ниже — так как меня самого это увлекало всегда очень сильно!
Благодаря этому, можно получать легкоплавкие металлические составы, которые используют как в качестве теплоносителей в системах охлаждения разного рода, так и, например, для той же самой пайки, как сплав Розе или сплав Вуда:
Как можно видеть, некоторые сплавы имеют весьма низкую температуру плавления, например, даже доходящую до 41,5°С.
Впрочем, там же по ссылке можно найти и гигантскую таблицу, где перечислено весьма большое количество эвтектических систем, и даже с минусовыми температурами плавления!
Чуть выше я упомянул о том, что подобный принцип создания эвтектических смесей, позволяет даже делать жидкими соли!
Почему это может быть интересно: если не вдаваться в подробности, то жидкую соль можно рассматривать как смесь положительных и отрицательных зарядов, на базе чего можно создать электрический генератор, в том числе, носимого, нательного типа! (кто хочет всё-таки «вдаться» в подробности — может почитать тут).
По ссылке выше можно видеть, как мы рассмотрели один из возможных генераторов подобного рода — где смесь зарядов (т.е. жидкая соль) прогоняется через каналы, благодаря чему, часть из них прилипает к поверхности каналов, образуя на их поверхности двойной электрический слой — в результате чего, возникает разность потенциалов у входа в канал и у выхода из него и, теперь, если установить у входа и у выхода из канала электроды, то можно получать электрический ток — это один из способов создания подобного генератора.
Вторым возможным способом является использование принципа так называемого «магнитогидродинамического генератора» (МГД-генератора):
Вкратце: среда, содержащая смесь зарядов прогоняется через магнитное поле (создаётся электромагнитами или постоянными магнитами), где на стенках канала, рядом с магнитами имеются электроды.
Благодаря магнитному полю происходит разделение зарядов, и возникновение электрического тока в цепи, к которой подключены электроды.
Как мы можем видеть по ссылке выше, для генерации электрического тока таким способом, могут быть использованы в качестве рабочего тела как плазма, так и жидкий металл и даже электролиты.
Как мы выше упомянули, одним из источников «смеси зарядов» которая требует только разделения является жидкая соль — класс подобных веществ называют «ионными жидкостями» (кристаллическая решётка которых не может быть сформирована из-за того, что специально, при проектировании подобных веществ, были подобраны такие компоненты, которые никак не могут собраться в кристаллическую решетку).
Но, подобные вещества довольно дороги… однако, есть весьма дешёвая альтернатива: пищевая добавка (хлорид холина) + мочевина!
Подобная смесь является самой широко известной для использования в качестве рабочей среды для электрогенераторов, конденсаторов разного рода (в научных экспериментах), — как дешёвая альтернатива ионным жидкостям: как можно видеть по ссылке несмотря на то, что её компоненты плавятся при 302°C и 133°C — их смесь остаётся жидкой уже начиная с 12°C!
А теперь, предположим, что где-то на одежде, укреплены гибкие генераторы: МГД-принципа или на основе формирования двойного электрического слоя — генераторы содержат гибкие сминаемые части, например, гибкие подушечки или трубки, которые гнутся/сминаются при ходьбе, и например, могут быть установлены под стелькой ботинка — в итоге, сминание позволяет создать давление и прогонять жидкую среду мимо генерирующей части с контактами, за счёт чего можно получать электрический ток, который можно использовать уже и для полезных целей! ;-)
В качестве потенциальной идеи: надо понимать, что ионная жидкость в любом случае будет менее электропроводной, чем жидкий металл — поэтому, возможно, ознакомившись с возможными жидкими металлами, имеет смысл рассмотреть и их в качестве рабочего тела — потому что, наверняка, от них можно будет получить гораздо большую силу тока…
В любом случае, на мой взгляд, всё это как минимум интересно…:-) А как максимум — может стать основой маленького домашнего «умного» научного стартапа — так скажем, производить подобные носимые генераторы, и продавать их через Aliexpress. Чем не интересное занятие? ;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
