गर्म और ठंडा करने पर अणु. गर्म होने पर हवा का क्या होता है? पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं के गुण
फोर्जिंग से पहले धातुओं को गर्म करना एक महत्वपूर्ण और जिम्मेदार ऑपरेशन है, जो काफी हद तक न केवल भविष्य के हिस्सों की गुणवत्ता, बल्कि श्रम उत्पादकता, उपकरण संचालन, उपकरण जीवन और उत्पादन लागत भी निर्धारित करता है।
गर्म करने की प्रक्रिया में, धातु की संरचना, उसके गुण, सतह परतों की स्थिति आदि बदल जाती है। प्रत्येक मिश्र धातु में दबाव उपचार के लिए एक तापमान सीमा और एक निश्चित हीटिंग मोड होता है। निर्दिष्ट हीटिंग मापदंडों के उल्लंघन से भागों की गुणवत्ता में कमी आती है, और संभवतः धातु का विनाश होता है। इसलिए, भविष्य के विशेषज्ञ के लिए गर्म होने पर धातु में होने वाली घटनाओं का अध्ययन करना आवश्यक है।
वर्कपीस का आकार बदलना. गर्म करने पर धातुएँ फैलती हैं और ठंडी होने पर सिकुड़ती हैं। वर्कपीस के आयामों में परिवर्तन सूत्र ∆l = l₀β∆t द्वारा निर्धारित किया जाता है, जहां ∆l लंबाई l₀ के साथ वर्कपीस के आकार में परिवर्तन है जब इसका तापमान ∆t "C द्वारा बदलता है, β गुणांक है रैखिक विस्तार का (स्टील के लिए β = 0.0000122, एल्यूमीनियम के लिए β = 0.000024)।
स्टील फोर्जिंग की फोर्जिंग करते समय, जो एक नियम के रूप में, 1100 - 1200 "C के तापमान पर विकृत हो जाती है, संकोचन की मात्रा लगभग निर्धारित की जाती है, यह मानते हुए कि गर्म अवस्था में संकोचन वर्कपीस के आकार का 1.2% है। उदाहरण के लिए , वर्कशॉप तापमान तक ठंडा होने के बाद 500 मिमी लंबी फोर्जिंग की लंबाई 495 मिमी होगी। यदि धातु के संकोचन को ध्यान में नहीं रखा जाता है, तो फोर्जिंग आकार में खारिज कर दी जाएगी।
फोर्जिंग के आकार और आयामों पर सिकुड़न का प्रभाव विशेष रूप से तब स्पष्ट होता है जब जटिल आकार के वर्कपीस को लंबी प्रक्रियाओं के साथ फोर्ज किया जाता है, क्योंकि सिकुड़न से फोर्जिंग में गंभीर विकृति आ सकती है। फोर्जिंग के लिए वर्किंग डाई के निर्माण में धातु के संकोचन को ध्यान में रखना बहुत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से महंगी मिश्र धातुओं की सटीक फोर्जिंग के लिए।
वर्कपीस की सतह परतों में हीटिंग के दौरान होने वाली घटना।जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, भट्ठी के वातावरण के साथ धातुओं की परस्पर क्रिया की गतिविधि बढ़ जाती है। जब स्टील्स को गर्म किया जाता है, तो वर्कपीस की सतह पर आयरन ऑक्साइड FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, जिसे स्केल भी कहा जाता है, की एक परत बन जाती है। स्केल परत की मोटाई तापमान और हीटिंग के समय, भट्ठी में वर्कपीस के स्थान, भट्ठी गैसों की संरचना और मिश्र धातु की रासायनिक संरचना पर निर्भर करती है। स्टील्स को 900 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर सबसे अधिक तीव्रता से ऑक्सीकरण किया जाता है। इसलिए, 1000 डिग्री सेल्सियस पर 900 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर ऑक्सीकरण दर की तुलना में, 1200 डिग्री सेल्सियस पर ऑक्सीकरण दर दोगुनी हो जाती है - पांच गुना।
पैमाने के निर्माण से धातु की हानि होती है, मशीनिंग भत्ते में वृद्धि होती है, श्रम उत्पादकता कम हो जाती है और ठोस होने के कारण दबाव और काटने के दौरान उपकरण का जीवन कम हो जाता है।
कार्बन स्टील्स के गर्म होने से एक ढीली स्केल परत का निर्माण होता है, जिसे आसानी से हटाया जा सकता है, लेकिन यह धातु को आगे ऑक्सीकरण से नहीं बचाता है। क्रोमियम, सिलिकॉन, टंगस्टन, निकल के साथ मिश्रित स्टील्स में स्केल की मोटाई छोटी, घनी संरचना होती है, दरार नहीं होती है और आगे ऑक्सीकरण के खिलाफ सुरक्षा होती है। 15-20% निकल के साथ क्रोम निकल स्टील। व्यावहारिक रूप से ऑक्सीकरण नहीं होता है और इसलिए इसे गर्मी प्रतिरोधी कहा जाता है।
कार्बन स्टील्स के गर्म होने के साथ-साथ सतह परत से 2-4 मिमी की गहराई तक कार्बन बर्नआउट हो जाता है। कार्बन सामग्री को कम करने से, जिसे डीकार्बराइजेशन कहा जाता है, स्टील की ताकत और कठोरता में कमी आती है और भाग की कठोरता में गिरावट आती है। डीकार्बराइजेशन विशेष रूप से छोटे फोर्जिंग के लिए हानिकारक है, जिनमें कम मशीनिंग भत्ते होते हैं और बाद में सख्त होने के अधीन होते हैं। बड़े फोर्जिंग के लिए, डीकार्बराइजेशन खतरनाक नहीं है, क्योंकि फोर्जिंग और कूलिंग के दौरान, वर्कपीस की आंतरिक परतों से कार्बन बाहरी परतों में फैल जाता है और मिश्र धातु की रासायनिक संरचना समतल हो जाती है।
वर्कपीस के अनुभाग पर असमान हीटिंग और तापमान का बराबर होना।बाहरी परतों से आंतरिक परतों तक गर्मी हस्तांतरण के कारण अनुभाग पर वर्कपीस का तापन किया जाता है। धातु का ताप अंतरण गुणांक जितना कम होगा, ताप दर * और वर्कपीस का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र उतना ही अधिक होगा, वर्कपीस की बाहरी और आंतरिक परतों के बीच तापमान का अंतर उतना ही अधिक होगा। उच्च तापमान के प्रभाव में, बाहरी परतें भीतरी परतों की तुलना में अधिक फैलती हैं और उनके बीच बड़ा तनाव उत्पन्न होता है, जिससे विनाश भी हो सकता है। 100 मिमी तक के क्रॉस सेक्शन वाले कार्बन संरचनात्मक स्टील्स से बने अधिकांश रिक्त स्थान तेजी से गर्म होने से "डरते नहीं" हैं और इसलिए उन्हें 1300 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान वाली भट्टी में ठंडा रखा जा सकता है।
उच्च कार्बन और उच्च मिश्र धातु स्टील्स और कई जटिल मिश्र धातुओं में कम तापीय चालकता होती है और टूटने से बचने के लिए धीमी गति से हीटिंग की आवश्यकता होती है। ऐसे स्टील और मिश्र धातुओं को पहले कम तापमान वाली भट्टी में लोड किया जाता है, कुछ समय के लिए इस तापमान पर रखा जाता है, और पूरे खंड को गर्म करने के बाद ही उनका तापमान और बढ़ना शुरू होता है।
वर्कपीस की बाहरी परतों को फोर्जिंग तापमान तक गर्म करने के बाद, पूरे खंड पर धातु के तापमान को बराबर करने के लिए वर्कपीस को भट्ठी में कुछ समय के लिए छोड़ दिया जाता है। इस समय को होल्डिंग टाइम कहा जाता है.
इसके क्रॉस सेक्शन पर धातु के असमान विरूपण और इसके संभावित विनाश के कारण असमान रूप से गर्म बिलेट बनाना खतरनाक है। जब बैकिंग में फोर्जिंग और फोर्जिंग समाप्त हो जाती है, तो असमान हीटिंग से कार्यशील डाई स्ट्रीम नहीं भर पाती है और उपकरण के जीवन में कमी आती है।
हीटिंग के समान, मिश्र धातु इस्पात फोर्जिंग का शीतलन भी कम दर पर किया जाना चाहिए। तीव्र शीतलन के दौरान, थर्मल तनाव उत्पन्न होता है, जिससे फोर्जिंग में दरारें पड़ सकती हैं और स्क्रैप हो सकता है।
* तापन दर समय की प्रति इकाई (प्रति मिनट या प्रति घंटा, "सी/एच) वर्कपीस के तापमान में वृद्धि है.
धातु की संरचना पर ताप का प्रभाव. धातुओं और मिश्र धातुओं की संरचना और उनसे जुड़े यांत्रिक और तकनीकी गुण मिश्र धातुओं की रासायनिक संरचना पर निर्भर करते हैं; तापमान और प्रसंस्करण की स्थिति। नीचे हम कार्बन स्टील्स की संरचना और गुणों पर तापमान के प्रभाव पर विचार करते हैं - मिश्र धातुएं जो अक्सर हाथ फोर्जिंग द्वारा फोर्जिंग के निर्माण के लिए उपयोग की जाती हैं।
स्टील की संरचना, कार्बन सामग्री और तापमान के आधार पर, आयरन-कार्बन (Fe-C) (चित्र 18) की स्थिति आरेख द्वारा ग्राफ़िक रूप से वर्णित है। एब्सिस्सा अक्ष पर, कार्बन का प्रतिशत (सी) प्लॉट किया जाता है, कोर्डिनेट के साथ - तापमान ("सी")।
एसी लाइन के ऊपर के तापमान पर, सभी स्टील्स तरल अवस्था (एल) में होते हैं; इस लाइन के नीचे, ठोस ऑस्टेनाइट क्रिस्टल (ए) तरल पिघल से अवक्षेपित होते हैं। एई लाइन के नीचे, संपूर्ण मिश्र धातु में ऑस्टेनाइट संरचना होती है। ऑस्टेनाइट, y-आयरन (Fey) में कार्बन इंटरकलेशन * का एक ठोस घोल है, जिसमें एक फलक-केंद्रित घन जाली होती है (देखें)।
* अंतरालीय ठोस विलयन एक मिश्र धातु है जिसमें आधार धातु की क्रिस्टल जाली होती है, जिसमें किसी अन्य घटक के कई परमाणु अंतर्निहित होते हैं। संस्थागत ठोस समाधानों में, आधार धातु के कई परमाणुओं को दूसरे घटक के परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। निश्चित अनुपात में, कार्बन के साथ लोहा अंतरालीय ठोस विलयन बनाता है, निकल के साथ लोहा - संस्थागत ठोस विलयन बनाता है.
तापमान घटने से Fey में कार्बन की घुलनशीलता कम हो जाती है।
हाइपरयूटेक्टॉइड स्टील्स (C > 0.8%) में, अतिरिक्त कार्बन, ऑस्टेनाइट से अलग होकर, रासायनिक यौगिक Fe₃C - सीमेंटाइट * बनाता है। इसलिए, एसई लाइन के नीचे और आरके लाइन के ऊपर तापमान रेंज में, हाइपरयूटेक्टॉइड स्टील्स में ऑस्टेनाइट±सीमेंटाइट संरचना होती है। जैसे-जैसे तापमान घटता है, सीमेंटाइट की मात्रा बढ़ती है और ऑस्टेनाइट में कार्बन की सांद्रता कम हो जाती है।
* कार्बन सीमेंटाइट में 6.67% होता है.
723C पर, सीमेंटाइट की इतनी मात्रा अवक्षेपित होती है कि ऑस्टेनाइट में कार्बन की सांद्रता 0.8% होगी। हाइपोयूटेक्टॉइड स्टील्स में (सी< 0,8%) при температуре ниже линии GS из аустенита выпадают зерна феррита*, в котором углерод практически отсутствует. С понижением температуры от линии GS (температура 723" С) количество феррита увеличивается, за счет чего концентрация углерода в аустенитных зернах увеличивается до 0,8%.
* फेराइट - आयरन (फीए) में कार्बन समावेशन का एक ठोस समाधान, जिसमें शरीर-केंद्रित क्रिस्टल जाली होती है.
इस प्रकार, जीएसपी क्षेत्र में, हाइपोयूटेक्टॉइड स्टील्स में फेराइट + ऑस्टेनाइट संरचना होती है। 723'C के तापमान पर, लोहे की क्रिस्टल संरचना एक एलोट्रोपिक परिवर्तन से गुजरती है: यह फलक-केंद्रित से घन शरीर-केंद्रित (Fey → Fea) में बदल जाती है। इस मामले में, ऑस्टेनाइट को फेराइट में बदल जाना चाहिए था, लेकिन व्यावहारिक रूप से ऐसा है फेराइट में कोई कार्बन नहीं है, और ऑस्टेनाइट में t \u003d 723 "C पर इसमें 0.8% होता है। इसलिए, 723 डिग्री सेल्सियस पर, ऑस्टेनाइट से फेराइट निकलता है, और अतिरिक्त कार्बन सीमेंटाइट बनाता है। 0.8% कार्बन सांद्रता पर फेराइट और सीमेंटाइट 723 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर एक यांत्रिक मिश्रण, पर्लाइट बनाते हैं।
क्योंकि
हाइपोयूटेक्टॉइड और हाइपरयूटेक्टॉइड स्टील्स में 723 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर ऑस्टेनाइट भी पर्लाइट में बदल जाता है, फिर जब कमरे के तापमान पर ठंडा किया जाता है, तो हाइपोयूटेक्टॉइड स्टील्स में पर्लाइट + फेराइट संरचना होगी, और हाइपरयूटेक्टॉइड स्टील्स में पर्लाइट + सीमेंटाइट संरचना होगी। चित्र 19, ए - डी स्टील्स की संरचनाओं को दर्शाता है।
जब स्टील्स को 723"C तक गर्म किया जाता है, तो उनमें एलोट्रोपिक परिवर्तन नहीं होते हैं और स्टील्स अपनी संरचना नहीं बदलते हैं। जब तापमान 723"C से ऊपर हो जाता है, तो Fey → Fey और पर्लाइट ऑस्टेनाइट में बदल जाता है। जीएसई लाइन के ऊपर, किसी भी स्टील में ऑस्टेनाइट संरचना होती है।
ऑस्टेनाइट अवस्था में स्टील्स में सबसे अधिक लचीलापन होता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि, सबसे पहले, धातु संरचना सजातीय है: सभी अनाजों में एक ही ऑस्टेनाइट संरचना होती है; दूसरे, ऑस्टेनाइट की क्रिस्टल संरचना में एक फलक-केंद्रित घनीय जाली होती है, और इस प्रकार की जाली वाली धातुएँ सबसे अधिक प्लास्टिक (सीसा, तांबा, एल्यूमीनियम, आदि) होती हैं।
पर्लाइट में उच्च यांत्रिक शक्ति और कम लचीलापन होता है। इसलिए, स्टील्स को पीके लाइन के ऊपर के तापमान पर दबाव उपचार की आवश्यकता होती है। आरेख में, धराशायी रेखा Tk फोर्जिंग तापमान सीमा की निचली सीमा को इंगित करती है। इस सीमा के नीचे यानी टी पर स्टील को विकृत करें< Тк, не следует, так как это может привести к разрушению металла.
धातु का ताप तापमान न केवल निचली तापमान सीमा Tk से सीमित होता है, बल्कि ऊपरी सीमा से भी सीमित होता है, जिसे फोर्जिंग Tn की शुरुआत का तापमान कहा जाता है। राज्य आरेख पर (चित्र 18 देखें), अनुमेय तापन की ऊपरी सीमा को धराशायी रेखा Тн द्वारा दर्शाया गया है। उच्च तापमान पर गर्म करने पर, धातु में दो प्रकार के हीटिंग दोष दिखाई देते हैं: ओवरहीटिंग और बर्नआउट।
अधिक गर्म होने पर, अनाज का आकार बढ़ जाता है, धातु एक मोटे दाने वाली संरचना प्राप्त कर लेती है, और इसकी प्लास्टिसिटी कम होने लगती है। इसके अलावा, मोटे दाने वाली संरचना वाले फोर्जिंग में कम यांत्रिक गुण होते हैं। हालाँकि ओवरहीटिंग को अतिरिक्त ताप उपचार या फोर्जिंग द्वारा ठीक किया जा सकता है, लेकिन इसके सुधार के लिए अतिरिक्त लागत और समय की आवश्यकता होती है।
एई लाइन के करीब के तापमान तक गर्म करना अस्वीकार्य है। इस तरह के ताप से अत्यधिक जलन होती है - धातु में ऑक्सीजन के त्वरित प्रसार के परिणामस्वरूप अनाज की सीमाओं के साथ धातु का ऑक्सीकरण होता है। बर्नआउट एक न सुधरने वाली शादी है। फोर्जिंग के दौरान दानों के बीच के बंधन के उल्लंघन के कारण ऐसी धातु पूरी तरह से नष्ट हो जाती है। इस प्रकार, धातुओं का उपचार प्रत्येक मिश्र धातु के लिए निर्धारित तापमान सीमा T k में दबाव के साथ किया जाता है।< t нагр < Т н. На диаграмме состояния железо - углерод такой интервал определен для углеродистых сталей заштрихованной областью, расположенной между линиями Тк и Тн.
फोर्जिंग में उच्च यांत्रिक गुण होने के लिए, वे तापमान Tk के करीब फोर्जिंग को पूरा करते हैं। इस मामले में, धातु में पुनर्क्रिस्टलीकरण होने में समय लगेगा, और संरचना बारीक बनी रहेगी।
तार सर्दियों की तुलना में गर्मियों में बहुत अधिक ढीले हो जाते हैं, यानी गर्मियों में उनकी लंबाई अधिक होती है। यदि आप ठंडे पानी की एक पूरी बोतल लेते हैं और इसे गर्म स्थान पर रखते हैं, तो समय के साथ, पानी का कुछ हिस्सा बोतल से बाहर निकल जाएगा, क्योंकि पानी गर्म करने के दौरान फैलता है। कमरे से बाहर ठंड में ले जाए गए गुब्बारे का आयतन कम हो जाता है।
1. हम ठोस, तरल और गैसों के तापीय विस्तार के प्रति आश्वस्त हैं
सरल प्रयोग और असंख्य अवलोकन हमें विश्वास दिलाते हैं कि, एक नियम के रूप में, ठोस, तरल पदार्थ और गैसें गर्म करने के दौरान फैलती हैं और ठंडा करने के दौरान सिकुड़ती हैं।
तरल पदार्थ और गैसों के थर्मल विस्तार को एक फ्लास्क की मदद से देखना आसान है, जिसकी गर्दन को कसकर बंद कर दिया जाता है, और एक ग्लास ट्यूब को स्टॉपर में डाला जाता है। हवा से भरे फ्लास्क को पानी वाले बर्तन में पलट दें।
अब फ्लास्क को अपने हाथ से पकड़ना पर्याप्त है, और जल्द ही फ्लास्क में फैलती हुई हवा पानी के नीचे ट्यूब से बुलबुले के रूप में बाहर आ जाएगी (चित्र 2.30)।
अब फ्लास्क को कुछ रंगीन तरल से भरें और इसे कॉर्क करें ताकि तरल का कुछ हिस्सा ट्यूब में प्रवेश कर जाए (चित्र 2.31, ए)। हम ट्यूब में तरल के स्तर को इंगित करते हैं और फ्लास्क को गर्म पानी वाले बर्तन में डालते हैं। पहले क्षण में, तरल स्तर थोड़ा कम हो जाएगा (चित्र 2.31, बी), और इसे इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि फ्लास्क पहले गर्म होता है और फैलता है, और उसके बाद ही, गर्म होने पर, पानी फैलता है।
चावल। 2.30. गर्म होने पर, फ्लास्क में हवा फैलती है और इसका कुछ हिस्सा फ्लास्क से बाहर निकल जाता है - इसे ट्यूब से निकलने वाले हवा के बुलबुले से देखा जा सकता है
चावल। 2.31 एक प्रयोग दर्शाता है कि गर्म करने पर, एक तरल (ठोस और गैस दोनों) फैलता है: ए - एक ट्यूब में तरल के साथ एक रुका हुआ फ्लास्क; बी - गर्म करने के पहले क्षण में, तरल का स्तर थोड़ा कम हो जाता है; सी - आगे हीटिंग के साथ, तरल स्तर काफी बढ़ जाता है
जल्द ही हम देखेंगे कि जैसे ही फ्लास्क और उसमें मौजूद पानी को गर्म किया जाएगा, ट्यूब में तरल का स्तर काफी बढ़ जाएगा (चित्र 2.31, सी)। तो, ठोस और तरल पदार्थ, गैसों की तरह, गर्म करने के दौरान फैलते हैं। यह शोध किया गया है कि गर्म करने पर ठोस और तरल पदार्थ गैसों की तुलना में बहुत कम फैलते हैं।
निम्नलिखित प्रयोग में ठोस पदार्थों के तापीय विस्तार को भी प्रदर्शित किया जा सकता है। आइए एक तांबे की गेंद लें, जो बिना गर्म किए हुए, आसानी से उसमें लगी एक अंगूठी से होकर गुजर जाती है। हम गेंद को अल्कोहल लैंप की लौ में गर्म करते हैं और सुनिश्चित करते हैं कि गेंद अब रिंग से नहीं गुजरेगी (चित्र 2.32, ए)। ठंडा होने के बाद, गेंद फिर से आसानी से रिंग से गुजर जाएगी (चित्र 2.32, बी)।
2. हम थर्मल विस्तार का कारण पता लगाते हैं
गर्म करने के दौरान पिंडों के आयतन में वृद्धि का क्या कारण है, क्योंकि बढ़ते तापमान के साथ अणुओं की संख्या में परिवर्तन नहीं होता है?
परमाणु-आणविक सिद्धांत पिंडों के तापीय विस्तार की व्याख्या इस तथ्य से करता है कि बढ़ते तापमान के साथ, परमाणुओं और अणुओं की गति की गति बढ़ जाती है। परिणामस्वरूप, परमाणुओं (अणुओं) के बीच की औसत दूरी बढ़ जाती है।
चावल। 2.32. ठोस पदार्थों के थर्मल विस्तार को दर्शाने वाला एक प्रयोग: ए - गर्म अवस्था में, गेंद रिंग से नहीं गुजरती है; बी - ठंडा होने के बाद गेंद रिंग से होकर गुजरती है
तदनुसार, शरीर का आयतन बढ़ता है। इसके विपरीत, पदार्थ का तापमान जितना कम होगा, अंतर-आण्विक अंतराल उतना ही छोटा होगा। अपवाद पानी, कच्चा लोहा और कुछ अन्य पदार्थ हैं। उदाहरण के लिए, पानी केवल 4 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर फैलता है; 0 0C से 4 0C के तापमान पर गर्म करने पर पानी की मात्रा कम हो जाती है।
3. ठोसों के तापीय विस्तार का वर्णन करें
आइए जानें कि तापमान परिवर्तन के कारण ठोस वस्तु के रैखिक आयाम कैसे बदलते हैं। ऐसा करने के लिए, हम एक एल्यूमीनियम ट्यूब की लंबाई मापते हैं, फिर उसमें गर्म पानी प्रवाहित करके ट्यूब को गर्म करते हैं। कुछ समय बाद आप देख सकते हैं कि ट्यूब की लंबाई थोड़ी बढ़ गई है।
एल्युमीनियम ट्यूब को उसी लंबाई की ग्लास ट्यूब से बदलने पर, हम देखेंगे कि तापमान में समान वृद्धि की स्थिति में, ग्लास ट्यूब की लंबाई एल्यूमीनियम ट्यूब की लंबाई से बहुत कम बढ़ जाती है। इस प्रकार, हम निष्कर्ष निकालते हैं: शरीर का थर्मल विस्तार उस पदार्थ पर निर्भर करता है जिससे यह बना है।
भौतिक मात्रा जो सामग्री के थर्मल विस्तार को दर्शाती है और संख्यात्मक रूप से I ° C द्वारा गर्म होने के कारण शरीर की लंबाई में परिवर्तन के अनुपात के बराबर होती है और इसकी प्रारंभिक लंबाई को रैखिक विस्तार का तापमान गुणांक कहा जाता है।
रैखिक विस्तार का तापमान गुणांक प्रतीक a द्वारा दर्शाया जाता है और सूत्र द्वारा गणना की जाती है:
रैखिक विस्तार के तापमान गुणांक की परिभाषा से, आप इस भौतिक मात्रा की इकाई प्राप्त कर सकते हैं:
नीचे दी गई तालिका कुछ पदार्थों के रैखिक विस्तार के तापमान गुणांक को दर्शाती है।
4. प्रकृति और प्रौद्योगिकी में थर्मल विस्तार से परिचित हों
गर्म करने के दौरान पिंडों के फैलने और ठंडा होने के दौरान सिकुड़ने की क्षमता प्रकृति में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। पृथ्वी की सतह असमान रूप से गर्म होती है। परिणामस्वरूप, पृथ्वी के पास की हवा भी असमान रूप से फैलती है, और एक हवा बनती है जो मौसम में बदलाव को निर्धारित करती है। समुद्रों और महासागरों में पानी के असमान रूप से गर्म होने से जलधाराएँ उत्पन्न होती हैं जो जलवायु को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती हैं। पर्वतीय क्षेत्रों में तापमान में तीव्र उतार-चढ़ाव चट्टानों के विस्तार और संकुचन का कारण बनता है। और चूंकि विस्तार की डिग्री चट्टान के प्रकार पर निर्भर करती है, विस्तार और संकुचन असमान रूप से होता है, और परिणामस्वरूप, दरारें बनती हैं जो इन चट्टानों के विनाश का कारण बनती हैं।
पुलों और बिजली लाइनों के निर्माण, हीटिंग पाइप बिछाने, रेलवे रेल बिछाने, प्रबलित कंक्रीट संरचनाओं के निर्माण और कई अन्य मामलों में थर्मल विस्तार को ध्यान में रखा जाना चाहिए।
थर्मल विस्तार की घटना का व्यापक रूप से प्रौद्योगिकी और रोजमर्रा की जिंदगी में उपयोग किया जाता है। तो, विद्युत परिपथों को स्वचालित रूप से बंद करने और खोलने के लिए, द्विधातु प्लेटों का उपयोग किया जाता है - इनमें रैखिक विस्तार के विभिन्न गुणांकों वाली दो पट्टियाँ होती हैं (चित्र 2.33)। हवा का थर्मल विस्तार अपार्टमेंट को समान रूप से गर्म करने, रेफ्रिजरेटर में भोजन को ठंडा करने और कमरे को हवादार बनाने में मदद करता है।
चावल। 2.33. स्वचालित फ़्यूज़ (ए) के निर्माण के लिए, हीटिंग उपकरणों (बी) को स्वचालित रूप से चालू और बंद करने के लिए, बाईमेटेलिक प्लेट्स (सी) का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। बढ़ते तापमान के साथ धातुओं में से एक, दूसरे की तुलना में बहुत अधिक फैलती है, जिसके परिणामस्वरूप प्लेट झुकती है (r) और खुलती (या बंद) होती है।
5. समस्याओं का समाधान करना सीखें
0 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एक स्टील रेलवे रेल की लंबाई 8 ग्राम है। 40 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म गर्मी के दिन इसकी लंबाई कितनी बढ़ जाएगी?
समस्या की स्थितियों का विश्लेषण. यह जानकर कि स्टील के हिस्से की लंबाई 1 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के कारण कैसे बदलती है, यानी स्टील के रैखिक विस्तार के तापमान गुणांक को जानने से, हम पाएंगे कि 40 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के कारण रेल की लंबाई में कितना बदलाव आएगा। हम उपरोक्त तालिका से स्टील के रैखिक विस्तार का तापमान गुणांक पाते हैं।
- उपसंहार
गर्म करने पर ठोस, तरल पदार्थ और गैसें फैलने लगती हैं। तापीय विस्तार का कारण यह है कि बढ़ते तापमान के साथ परमाणुओं और अणुओं की गति की गति बढ़ जाती है। परिणामस्वरूप, परमाणुओं (अणुओं) के बीच की औसत दूरी बढ़ जाती है। ठोसों के तापीय विस्तार को रैखिक विस्तार के गुणांक द्वारा दर्शाया जाता है। रैखिक विस्तार का गुणांक संख्यात्मक रूप से शरीर की लंबाई को 1 o C तक गर्म करने और इसकी प्रारंभिक लंबाई के कारण होने वाले परिवर्तन के अनुपात के बराबर है
- प्रश्नों पर नियंत्रण रखें
1. इस बात की पुष्टि करने वाले उदाहरण दीजिए कि ठोस, तरल और गैसें गर्म करने के दौरान फैलती हैं।
2. एक प्रयोग का वर्णन करें जो तरल पदार्थों के थर्मल विस्तार को दर्शाता है।
3. गर्म करने पर पिंडों का आयतन बढ़ने का क्या कारण है?
4. तापमान के अलावा, पिंडों के आकार में परिवर्तन किस पर निर्भर करता है जब उन्हें गर्म (ठंडा) किया जाता है?
5. रैखिक विस्तार का गुणांक किन इकाइयों में मापा जाता है?
- अभ्यास
1. सभी सही उत्तर चुनें। जब शरीर ठंडा हो जाए, तब:
क) इसके अणुओं की गति की गति कम हो जाती है;
बी) इसके अणुओं की गति की गति बढ़ जाती है;
ग) इसके अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है;
d) इसके अणुओं के बीच की दूरी बढ़ जाती है।
2. यदि हम गुब्बारे को ठंडे कमरे से गर्म कमरे में स्थानांतरित करें तो उसका आयतन कैसे बदल जाएगा? क्यों?
3. कोल्ड स्नैप की स्थिति में थर्मामीटर में तरल कणों के बीच की दूरी क्या होती है?
4. क्या यह कथन सही है कि गर्म करने के दौरान शरीर का आकार बढ़ जाता है, क्योंकि उसके अणुओं का आकार बढ़ जाता है? यदि नहीं, तो कृपया अपना संशोधित संस्करण सुझाएँ।
5 . परिशुद्धता मापने वाले उपकरण तापमान का संकेत क्यों देते हैं?
6. तांबे की गेंद के प्रयोग को याद करें, जो गर्म होने के कारण रिंग में फंस गई थी (चित्र 2.32 देखें)। गर्म करने के कारण उनमें कैसे बदलाव आया: गेंद का आयतन; इसका द्रव्यमान; घनत्व; परमाणुओं की औसत गति?
7. उबलते पानी की भाप को पीतल की नली से गुजारने के बाद नली की लंबाई 1.62 मिमी बढ़ गई। पीतल के रैखिक विस्तार का गुणांक क्या है, यदि तापमान 15 0C पर है
ट्यूब की लंबाई 1 मीटर है? याद रखें कि उबलते पानी का तापमान 100°C होता है।
8. 1.5 मीटर लंबा प्लैटिनम तार 0 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर था। विद्युत धारा प्रवाहित होने के कारण तार गर्म हो गया और 15 मिमी लंबा हो गया। इसे किस तापमान तक गर्म किया गया?
9. एक आयताकार तांबे की शीट, जिसका आयाम 20 0C के तापमान पर 60 सेमी x 50 सेमी है, को 600 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया। पत्ती क्षेत्र कैसे बदल गया है?
- प्रायोगिक कार्य
1. एक तख्ता, एक हथौड़ा, दो लौंग, एक स्पिरिट लैंप और चिमटी होने पर, कैसे पता चलता है कि गर्म करने के दौरान 5 कोपेक के सिक्के का आकार बढ़ जाता है? तदनुरूप अनुभव करें। प्रेक्षित परिघटना को समझाइये।
2. बोतल को पानी से भरें ताकि अंदर हवा का बुलबुला रहे। बोतल को गर्म पानी में गर्म करें. देखें कि बुलबुले का आकार कैसे बदलता है। परिणाम स्पष्ट करें..
भौतिक विज्ञान। ग्रेड 7: पाठ्यपुस्तक / एफ. हां. बोझिनोवा, एन. एम. किरयुखिन, ई. ए. किरयुखिना। - एक्स.: पब्लिशिंग हाउस "रानोक", 2007. - 192 पी.: बीमार।
पाठ सामग्री पाठ सारांश और समर्थन फ्रेम पाठ प्रस्तुति इंटरैक्टिव प्रौद्योगिकियां शिक्षण विधियों को तेज करती हैं अभ्यास प्रश्नोत्तरी, ऑनलाइन कार्यों का परीक्षण और कक्षा चर्चा के लिए होमवर्क कार्यशालाओं और प्रशिक्षण प्रश्नों का अभ्यास रेखांकन वीडियो और ऑडियो सामग्री फोटो, चित्र ग्राफिक्स, टेबल, योजनाएँ कॉमिक्स, दृष्टांत, कहावतें, क्रॉसवर्ड पहेलियाँ, उपाख्यान, चुटकुले, उद्धरण ऐड-ऑन जिज्ञासु लेखों (MAN) साहित्य के लिए सार चीट शीट चिप्स, शब्दों की मुख्य और अतिरिक्त शब्दावली पाठ्यपुस्तकों और पाठों में सुधार करना पाठ्यपुस्तक में त्रुटियों को सुधारकर अप्रचलित ज्ञान को नये ज्ञान से बदलना केवल शिक्षकों के लिए कैलेंडर योजनाएँ प्रशिक्षण कार्यक्रम पद्धति संबंधी सिफ़ारिशेंपूरी दुनिया में हवा एक जैसी है.
किसी भी देश और शहर, किसी कस्बे या गांव में गर्म होने पर फैलेगा और ठंडा होने पर सिकुड़ेगा।
कार्यक्रम सामग्री: पानी, बर्फ, बर्फ के गुणों के बारे में बच्चों के विचारों को समेकित करना, पानी (पारदर्शी, कोई आकार और गंध नहीं है) और हवा (गर्म होने पर फैलता है और ठंडा होने पर सिकुड़ता है) के गुणों के बारे में उनके विचारों का विस्तार करना, इच्छा को उत्तेजित करना। स्वतंत्र रूप से निष्कर्ष निकालें और परिकल्पनाएँ सामने रखें।
उपकरण: गुब्बारे, प्लास्टिक की बोतलें, गर्म (60 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं) और ठंडे पानी वाले बेसिन, गुब्बारे की छवि, नमक, चीनी, प्लास्टिक के कप, चम्मच, पानी के कंटेनर (फ्लास्क, टेस्ट ट्यूब, बोतलें, जार), फिल्टर (नैपकिन ), बर्फ, ग्लोब।
पाठ की प्रगति:
संगठनात्मक क्षण: खेल "रॉकेट"
शिक्षक: आप यात्रा पर कैसे जा सकते हैं? (उत्तर) मैं आज एक गुब्बारे का उपयोग करने का प्रस्ताव करता हूं।
अगर आपको परेशानी ना हो तो? हमें रास्ते में एक महत्वपूर्ण सहायक की आवश्यकता है। यह एक पहेली में बताया गया है।
नाक से होते हुए छाती तक जाता है
और वापस रास्ता रखता है
वह अदृश्य है, और फिर भी
हम इसके बिना नहीं रह सकते.
वायु हर जगह है. चारों ओर देखो। हवा को किसने देखा है? (उत्तर) हां, हवा अदृश्य है, लेकिन यह हमेशा हमारे आसपास रहती है। इसके बिना हम जीवित नहीं रह सकते, क्योंकि. साँस लेने के लिए कुछ भी नहीं होगा. और अब, दोस्तों, आइए देखें कि हम बिना सांस लिए कितनी देर तक जल सकते हैं। हम हवा क्यों नहीं देख पाते? (उत्तर) वायु अदृश्य है, क्योंकि. वह पारदर्शी है. क्या आप हवा देखना चाहते हैं? लेकिन पहले, आइए प्रयोग करते समय सुरक्षित व्यवहार के नियमों को दोहराएं:
- जब आप काम कर रहे हों तो अपने पड़ोसी को धक्का न दें, पहले देखें, फिर दोहराएं, निकालें, वापस रखें, गर्म पानी से सावधान रहें।
लेकिन प्रयोगों से पहले आइए आंखों के लिए व्यायाम करें।
नेत्र चार्जर.
अनुभव 1: एक गिलास जार में गिर जाता है - क्या पानी गिलास में चला जाता है? क्यों नहीं? (उत्तर)
निष्कर्ष: गिलास में हवा है, यह पानी को अन्दर नहीं आने देता।
प्रयोग 2: गिलास झुकाएँ - जो दिखाई देते हैं (बुलबुले) वे कहाँ से आए? (उत्तर)
निष्कर्ष: हवा गिलास छोड़ देती है, पानी उसकी जगह ले लेता है।
शिक्षक गुब्बारे की छवि खोलता है.
शिक्षक: मुझे बताओ, गेंद के नीचे बर्नर क्यों है? (उत्तर) अब हम यह पता लगाएंगे कि गर्म होने पर हवा का क्या होता है।
अनुभव 3: खाली गुब्बारे की गर्दन पर एक परत लगाएं। बोतलें. इसे 1 मिनट तक रोके रखें। मुसीबत में। - आप क्या देखते हैं? (गुब्बारा फुलाता है) क्यों? (उत्तर)
निष्कर्ष: गर्म होने पर बोतल में हवा फैलती है और गुब्बारे में भर जाती है, फूल जाती है।
शिक्षक ठंडे पानी में एक गेंद के साथ एक बोतल डालता है।
- आप क्या देखते हैं? (गुब्बारा फुलाता है) क्यों? (उत्तर)
निष्कर्ष: जब हवा ठंडी होती है, तो वह संपीड़ित होती है और गुब्बारे को छोड़ देती है - वह उड़ जाती है।
शिक्षक: हमें बर्नर की आवश्यकता क्यों है? (उत्तर) गर्म होने पर हवा फैलती है और गुब्बारे में भर जाती है। जब बर्नर बंद कर दिया जाता है, तो हवा धीरे-धीरे ठंडी हो जाती है और सिकुड़ जाती है, जिससे गुब्बारा फूल जाता है।
शिक्षक: चलो उड़ें! अपनी सीटें ले लो. हमने उड़ान भरा। (बच्चे कुर्सियों पर बैठते हैं। शिक्षक एक ग्लोब निकालते हैं।) ग्लोब को देखें। अंतरिक्ष से हमारी पृथ्वी ऐसी दिखती है। ग्लोब पर नीला रंग क्या है? (पानी) पानी के बारे में एक कविता सुनिए।
क्या आपने पानी के बारे में सुना है?
वे कहते हैं कि वह हर जगह है!
पोखर में, समुद्र, महासागर
और एक नल.
हिमलंब की तरह, यह जम जाता है
धुंध के साथ जंगल में रेंगता है,
चूल्हे पर उबालना
केतली की भाप फुसफुसाती है,
चाय में चीनी घोलता है.
हम इस पर ध्यान नहीं देते.
हम इस तथ्य के आदी हैं कि पानी
हमारा साथी हमेशा!
हम पानी के बिना नहीं धो सकते
न खाओ, न पीओ.
मैं आपको #150 की रिपोर्ट करने का साहस देता हूँ
हम पानी के बिना नहीं रह सकते!
शिक्षक: और, वास्तव में, पानी के बिना जीवन की कल्पना करना कठिन है। ध्यान दें, हम यहाँ हैं! अवतरण! (बच्चे बाहर निकलते हैं।) कोई हमारे रास्ते में खड़ा है। कौन? (यह पानी वाला है)
जल: नमस्ते! मैं आपको देखकर बहुत खुश हूँ! मुझे पोखरों में नंगे पैर चलना, तैरना, छींटे मारना बहुत पसंद है। उसके बाद सूरज की किरणों में हाथ और पैरों पर पारदर्शी बूंदें झिलमिलाती हैं। लेकिन मुझे समझ नहीं आता कि यह पानी कहां गायब हो जाता है? और फिर भी, सर्दियों में, मैं अपनी पसंदीदा नदी में तैरना चाहता था, और पानी के बजाय - बर्फ। वह कहाँ से आया?
शिक्षक: आइए प्रश्नों का उत्तर देने का प्रयास करें। ऐसा करने के लिए, आपको स्वयं को ध्यान और धैर्य से लैस करने की आवश्यकता है। चलो प्रयोगशाला चलते हैं.
फिंगर जिम्नास्टिक.
शिक्षक: जल कक्ष में लोग दिखाएंगे कि पानी में क्या गुण हैं। कृपया ध्यान दें: मेज पर बर्फ है। हम बाद में इस पर लौटेंगे।
प्रयोग 4: एक गिलास साफ पानी अपने दामाद के हाथ में लें और उसे सूंघें।
टीचर: क्या पानी से बदबू आती है? (नहीं, पानी गंधहीन है।)
निष्कर्ष: पानी में कोई गंध नहीं होती.
अनुभव 5: चित्र पर एक गिलास, पानी और एक गिलास दूध रखें।
टीचर: क्या तुम देख सकते हो तस्वीर में क्या है? (जहां पानी है, वहां तो दिखता है, जहां दूध नहीं है.)
निष्कर्ष: पानी साफ है.
अनुभव 6: एक गिलास में एक चम्मच चीनी या नमक डालें, हिलाएं।
टीचर: क्या हुआ? (चीनी घुली हुई)
निष्कर्ष: पानी कुछ पदार्थों के लिए विलायक है।
अनुभव 7: विभिन्न बर्तनों में पानी डालें।
शिक्षक: पानी ने क्या आकार ले लिया? (बर्तन का आकार जिसमें इसे डाला गया था)
निष्कर्ष: पानी का कोई स्थिर रूप नहीं होता, यह जिस बर्तन में डाला गया था उसी का रूप ले लेता है।
शारीरिक शिक्षा: खेल "वायु, अग्नि, जल, पृथ्वी"
शिक्षक: दोस्तों, चलो उस मेज पर चलते हैं जिस पर बर्फ थी। आप क्या देखते हैं? ऐसा क्यों हुआ?
वोडियानॉय: यह अफ़सोस की बात है कि बर्फ पिघल गई है, मुझे इसे खाना बहुत पसंद है।
शिक्षक: आप क्या हैं! हिमलंब और बर्फ नहीं खाए जा सकते! क्यों? आइए साबित करें कि बर्फ गंदी है। (छाना हुआ)
अनुभव 8: एक प्लेट से पिघला हुआ पानी फिल्टर युक्त फ़नल में डालें।
शिक्षक: साफ या गंदी बर्फ? क्यों? पानी, बर्फ खा सकते हैं या नहीं?
पानी: तुम क्या हो! मैं फिर कभी बर्फ और हिम नहीं खाऊंगा।
शिक्षक: आइए पानी के गुणों को दोहराएं।
जल: धन्यवाद. मैं पानी के गुणों को याद रखूंगा और उन्हें कभी नहीं भूलूंगा। इस यात्रा की स्मृति चिन्ह के रूप में वाट यू बॉल्स। अलविदा।
शिक्षक: हमारे लिए किंडरगार्टन वापस जाने का समय आ गया है। अपनी सीटें ले लो. हम अपनी आँखें बंद कर लेते हैं. एक दो तीन। पहुँचा।
इंसान! हमेशा के लिए याद:
पृथ्वी पर जीवन का प्रतीक जल है!
इसे बचाकर रखें और इसका ख्याल रखें.
हम ग्रह पर अकेले नहीं हैं!
संक्षेपण। आपने पानी के बारे में क्या सीखा?
क्या उपयोग किया गया:
- इलेक्ट्रिक हॉब
- एक तरल नाइट्रोजन
- गुब्बारा
- कंफ़ेद्दी
- प्लास्टिक की बोतल
विवरण:
एक बहुत ही दृश्य अनुभव! बहुत से लोग सोचते हैं कि गर्म करने पर पदार्थों का आयतन बढ़ जाता है और ठंडा करने पर घट जाता है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि यह ठोस, तरल या गैस है। हर चीज़ का आकार बदलता है. सामान्य जीवन में इस बात पर विश्वास करना इतना कठिन है। अपने ऊपर दो कलछी सूप डालें, गर्म करें। जैसे दो थे, वैसे ही दो रह गये। और रेफ्रिजरेटर में पैन ठंडा होने पर कम जगह नहीं लेगा।
दरअसल, वॉल्यूम बदल रहा है.
केवल थोड़ा सा, मानव आँख के लिए अगोचर। गर्म करने पर किसी पदार्थ के अणु अधिक गतिशील हो जाते हैं और एक दूसरे से दूर जाने लगते हैं। अधिक दूरी का अर्थ है अधिक आयतन। ठंडा होने पर, विपरीत सच है। ठोस में, अणुओं के बीच के बंधन सबसे मजबूत होते हैं, तरल में यह कमजोर होते हैं, और गैसीय में यह सबसे कमजोर होते हैं। तो, यह पता चला है कि एकत्रीकरण की अन्य अवस्थाओं में पदार्थों की तुलना में गैस अधिक आसानी से मात्रा बदलती है।
अब शर्तों के बारे में. तापमान जितना अधिक होगा, अणुओं की गति उतनी ही अधिक होगी और आयतन में वृद्धि भी उतनी ही अधिक होगी। शीतलन या ताप दर (पदार्थ और पर्यावरण के तापमान के बीच का अंतर) जितनी तेज़ होगी, परिणाम उतनी ही तेज़ी से दिखाई देगा।
ठीक करने के लिए, और बोतल को उसके पिछले आकार में वापस लाने के लिए, हम हीटिंग के साथ प्रक्रिया को दोहराते हैं।
स्रोत:
कॉकरोचों के लिए प्रवेश द्वार बंद है: यह ज्ञात है कि आप कॉकरोचों से कितना भी लड़ें, लेकिन अगर पड़ोसियों के पास वे हैं, तो वे निश्चित रूप से हमारे पास दोबारा आएंगे। उनके लिए सबसे आसान तरीका वेंटिलेशन शाफ्ट है। वेंटिलेशन छेद से जाली हटा दें और उसके पीछे की ओर एक नायलॉन स्टॉकिंग लगा दें (चिपकाया जा सकता है)। अब कोई भी जीवित प्राणी आपके अपार्टमेंट में प्रवेश नहीं करेगा।
सरल और टिकाऊ लकड़ी का गोंद: आप अपना खुद का लकड़ी का गोंद बना सकते हैं। थोड़ा सा पनीर लेना और उसे अमोनिया में घोलना काफी है। 100 ग्राम के लिए. अमोनिया, 25 ग्राम। कॉटेज चीज़। लकड़ी की सतहों को सावधानी से एक-दूसरे के साथ समायोजित किया जाना चाहिए ताकि कोई अंतराल न हो, फैला हुआ हो और क्लैंप के साथ कसकर बांध दिया गया हो।
गर्म और ठंडा होने पर हवा का क्या होता है?
हमें ऐसा अनुभव हुआ. फ्लास्क में ग्लास ट्यूब के साथ एक स्टॉपर डालें।
ट्यूब के सिरे को एक गिलास पानी में डुबोया गया। फ्लास्क को अपने हाथों से पकड़कर गरम किया। जल्द ही हमने देखा कि ट्यूब से हवा के बुलबुले निकलने लगे। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि हवा गर्म होने पर फैलती है और फ्लास्क में फिट नहीं बैठती।
दूसरा प्रयोग किया। उन्होंने उस फ्लास्क पर, जिसके साथ उन्होंने पहला प्रयोग किया था, ठंडे पानी से सिक्त एक कपड़ा डाला। गिलास से पानी नली में घुसने लगा और उसके साथ ऊपर चढ़ने लगा। इसका मतलब यह है कि हवा ठंडी होने पर संपीड़ित होती है।
यह बेहतर ढंग से देखने के लिए कि ट्यूब के माध्यम से पानी कैसे ऊपर उठता है, इसे पहले रंगा गया था।
वायु, तरल और ठोस पदार्थों की तरह, गर्म होने पर फैलती है और ठंडा होने पर सिकुड़ती है।
पूरी दुनिया में हवा एक जैसी है. किसी भी देश और शहर, किसी कस्बे या गांव में गर्म होने पर फैलेगा और ठंडा होने पर सिकुड़ेगा।
दूसरे देशों के नागरिकों के साथ संवाद करने के लिए आपको उनकी भाषा सीखनी होगी। उदाहरण के लिए, यह विभिन्न अंग्रेजी भाषा स्कूलों में जाकर किया जा सकता है। यदि आप कोई विदेशी भाषा जानते हैं, तो आप इंटरनेट पर ब्रिटिश, या जर्मन, या फ़्रेंच से पूछ सकते हैं कि उनके देश में हवा कैसे व्यवहार करती है। और, आप निश्चिंत हो सकते हैं कि उनकी हवा गर्म होने पर फैलती है और ठंडी होने पर सिकुड़ती है, चाहे वे किसी भी क्षेत्र में रहते हों और कोई भी भाषा बोलते हों।
     
वायु का एक और दिलचस्प गुण है - यह ऊष्मा का कुचालक है। बर्फ के नीचे सर्दियों में रहने वाले कई पौधे जम नहीं पाते हैं, क्योंकि बर्फ के ठंडे कणों के बीच बहुत अधिक हवा होती है और बर्फ का बहाव पौधों के तनों और जड़ों को ढकने वाले गर्म कंबल जैसा दिखता है। शरद ऋतु में गिलहरी, खरगोश, भेड़िया, लोमड़ी और अन्य जानवर गल जाते हैं। शीतकालीन फर ग्रीष्मकालीन फर की तुलना में अधिक मोटा और अधिक शानदार होता है। घने बालों के बीच अधिक हवा फंसती है, और बर्फीले जंगल में जानवर ठंढ से डरते नहीं हैं।
(शिक्षक ब्लैकबोर्ड पर लिखते हैं।)
हवा अच्छी तरह से गर्मी का संचालन नहीं करती है।
तो वायु के गुण क्या हैं?
वी. शारीरिक शिक्षा
VI. अध्ययन की गई सामग्री का समेकन कार्यपुस्तिका में कार्यों को पूरा करना
नंबर 1 (पृ. 18).
- असाइनमेंट पढ़ें. चित्र को देखें और आरेख पर हस्ताक्षर करें कि कौन से गैसीय पदार्थ वायु का हिस्सा हैं। (पाठ्यपुस्तक में पृष्ठ 46 पर दिए गए चित्र के साथ स्व-परीक्षण करें।)
नंबर 2 (पृ. 19)।
असाइनमेंट पढ़ें. वायु के गुण लिखिए। (कार्य पूरा करने के बाद, बोर्ड पर नोट्स के साथ एक स्व-परीक्षण किया जाता है।)
क्रमांक 3 (पृ. 19)।
- असाइनमेंट पढ़ें. कार्य को सही ढंग से पूरा करने के लिए हवा के किन गुणों को ध्यान में रखा जाना चाहिए? (हवा गर्म होने पर फैलती है और ठंडी होने पर सिकुड़ती है।)
आप यह कैसे समझाते हैं कि गर्म होने पर हवा फैलती है? इसे बनाने वाले कणों का क्या होता है? (कण तेजी से चलने लगते हैं और उनके बीच का अंतराल बढ़ जाता है।)
- पहले आयत में आरेखित करें कि गर्म होने पर वायु के कण किस प्रकार व्यवस्थित होते हैं।
आप यह कैसे समझा सकते हैं कि ठंडी होने पर हवा संपीड़ित क्यों होती है? इसे बनाने वाले कणों का क्या होता है? (कण अधिक धीमी गति से चलने लगते हैं, और उनके बीच का अंतराल कम हो जाता है।)
— दूसरे आयत में चित्रित करें कि ठंडा होने पर वायु के कण किस प्रकार व्यवस्थित होते हैं।
क्रमांक 4 (पृ. 19)।
— असाइनमेंट पढ़ें. हवा का कौन सा गुण इस घटना की व्याख्या करता है? (हवा ऊष्मा की कुचालक है।)
सातवीं. प्रतिबिंब
सामूहिक कार्य
पाठ्यपुस्तक में पहला कार्य पी पर पढ़ें। 48. वायु के गुणों को समझाने का प्रयास करें।
पी पर दूसरा कार्य पढ़ें। 48. यह करो.
- हवा को क्या प्रदूषित करता है? (औद्योगिक उद्यम, परिवहन।)
बातचीत
मेरे घर के पास ही एक फैक्ट्री है. अपनी खिड़कियों से मैं एक ऊँची ईंट की चिमनी देख सकता हूँ। इसमें से दिन-रात धुएं के घने काले बादल निकलते रहते हैं, यही कारण है कि क्षितिज हमेशा घने सीरस घूंघट के पीछे छिपा रहता है। कभी-कभी ऐसा लगता है कि यह एक भारी धूम्रपान करने वाला व्यक्ति है जो अपने न बुझने वाले गुलिवर पाइप से शहर को धूआं दे रहा है। हम सभी खांसते हैं, छींकते हैं, कुछ को अस्पताल में भी भर्ती कराना पड़ता है। और "धूम्रपान करने वालों" के लिए, कम से कम कुछ: अपने आप को कश और कश, कश और कश के बारे में जानें।
बच्चे रोते हैं: घटिया फैक्ट्री! वयस्क नाराज हैं: तुरंत बंद करें!
और जवाब में हर कोई सुनता है: इतना "बुरा" कैसे?! इतना "बंद" कैसे करें?!
हमारा कारखाना लोगों के लिए सामान तैयार करता है। दुर्भाग्य से, आग के बिना धुआं नहीं होता। हमने भट्टियों की आग बुझा दी - फ़ैक्टरी बंद हो जाएगी, माल नहीं रहेगा।
एक सुबह मैं उठा, खिड़की से बाहर देखा - कोई धुआं नहीं था! विशाल ने धूम्रपान करना बंद कर दिया, फैक्ट्री चालू है, पाइप अभी भी बाहर निकला हुआ है, लेकिन कोई धुआं नहीं है। मुझे आश्चर्य है कि कब तक? हालाँकि, मैं देख रहा हूँ: यह कल, और परसों, और परसों धूम्रपान नहीं करता है ... क्या कारखाना बिल्कुल बंद है?
धुआं कहां गया? उन्होंने स्वयं कहा था कि आग के बिना धुआं नहीं होता।
यह जल्द ही स्पष्ट हो गया: आखिरकार, हमारी अंतहीन शिकायतें सुनी गईं - उन्होंने कारखाने की चिमनी में धुआं हटाने वाली मशीनें लगा दीं, एक धुआं जाल जो कालिख के कणों को चिमनी से बाहर नहीं निकलने देता।
और यहाँ क्या दिलचस्प है. ऐसा प्रतीत होता है कि किसी को इसकी आवश्यकता नहीं थी और यहां तक कि हानिकारक धुएं को भी एक अच्छा काम करने के लिए मजबूर किया गया था। इसे (या यूं कहें कि कालिख को) अब सावधानीपूर्वक यहां एकत्र किया जाता है और प्लास्टिक फैक्ट्री में भेजा जाता है। कौन जानता है, शायद मेरा यह फेल्ट-टिप पेन स्मोक डिटेक्टरों द्वारा पकड़ी गई उसी कालिख से बना है। एक शब्द में, स्मोक डिटेक्टरों के लाभ सभी के लिए हैं: हमारे लिए, शहरवासियों के लिए (हम अब बीमार नहीं पड़ते), और स्वयं कारखाने के लिए (यह कालिख बेचता है, और इसे पहले की तरह हवा में नहीं जाने देता), और प्लास्टिक उत्पादों के खरीदार (फ़ेल्ट-टिप पेन सहित)।
वायु को स्वच्छ रखने के उपाय सूचीबद्ध करें। (वायु शुद्धिकरण इकाइयाँ, इलेक्ट्रिक वाहन।)
- हवा को शुद्ध करने के लिए लोग पेड़-पौधे लगाते हैं। क्यों? (पौधे कार्बन डाइऑक्साइड लेते हैं और ऑक्सीजन छोड़ते हैं।)
आइए पेड़ के पत्ते पर करीब से नज़र डालें। शीट की निचली सतह एक पारदर्शी फिल्म से ढकी हुई है और इसमें बहुत छोटे छेद हैं। इन्हें "स्टोमेटा" कहा जाता है, आप इन्हें केवल आवर्धक कांच से ही अच्छी तरह देख सकते हैं। वे कार्बन डाइऑक्साइड एकत्र करने के लिए खुलते और बंद होते हैं। सूरज की रोशनी में, पौधों की जड़ों से लेकर तनों तक उठने वाले पानी से और हरी पत्तियों में कार्बन डाइऑक्साइड से चीनी, स्टार्च और ऑक्सीजन बनती है।
पौधों को एक कारण से "ग्रह के फेफड़े" कहा जाता है।
जंगल में क्या अद्भुत हवा है! इसमें भरपूर मात्रा में ऑक्सीजन और पोषक तत्व होते हैं। आख़िरकार, पेड़ विशेष वाष्पशील पदार्थ - फाइटोनसाइड्स उत्सर्जित करते हैं जो बैक्टीरिया को मारते हैं। स्प्रूस और पाइन की रालदार गंध, सन्टी, ओक, लार्च की सुगंध मनुष्यों के लिए बहुत उपयोगी है। लेकिन शहरों की हवा बिल्कुल अलग है. इसमें गैसोलीन, निकास धुएं की गंध आती है, क्योंकि शहरों, कारखानों, संयंत्रों में बहुत सारी कारें हैं जो हवा को भी प्रदूषित करती हैं। ऐसी हवा में सांस लेना व्यक्ति के लिए हानिकारक होता है। हवा को शुद्ध करने के लिए, हम पेड़, झाड़ियाँ लगाते हैं: लिंडन, चिनार, बकाइन।
⇐ पिछला12345678910अगला ⇒
वे उपकरण जिनमें ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है, कहलाते हैं हीट एक्सचेंजर्स.
सबसे सरल प्रकार का हीट एक्सचेंजर एक बेलनाकार ट्यूब को दूसरे के अंदर रखकर बनाया जा सकता है। यदि ठंडी हवा को नीचे से बाहरी ट्यूब के माध्यम से पारित किया जाता है, और गर्म हवा को आंतरिक ट्यूब के माध्यम से उसकी ओर पारित किया जाता है, तो बाद वाली ठंडी हो जाएगी, और बाहरी ट्यूब के माध्यम से बहने वाली ठंडी हवा को अपनी गर्मी दे देगी। ऐसे हीट एक्सचेंजर में, ठंडी हवा के कम तापमान पर भी, ऊपर से प्रवेश करने वाली गैस की अच्छी शीतलन प्राप्त नहीं की जा सकती है।
हीट एक्सचेंजर्स के अधिक जटिल डिज़ाइन हैं, जिनमें आंतरिक ट्यूब को सर्पिल के रूप में बनाया जाता है या छोटे व्यास की बड़ी संख्या में ट्यूबों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। इससे ट्यूबों का उनके पास से गुजरने वाली ठंडी हवा के साथ संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है।
हीट एक्सचेंजर्स मुख्य रूप से लाल तांबे से बने होते हैं। इसमें अच्छी तापीय चालकता है।
बाहर, हीट एक्सचेंजर्स एक गर्मी-इन्सुलेट सामग्री से ढके होते हैं जो उन्हें बाहरी गर्मी से बचाता है। एक अच्छा हीट एक्सचेंजर हवा को बहुत कम तापमान तक ठंडा कर सकता है, लेकिन इसके लिए और भी ठंडी हवा की आवश्यकता होती है।
इसे कहाँ से प्राप्त करें?
यदि आप गैस को जल्दी से संपीड़ित करते हैं, तो यह गर्म हो जाएगी; अगर इसे जल्दी से फैलाया जाए तो यह ठंडा हो जाएगा।
एक छोटी ट्यूब के बीच में डाले गए छिद्रपूर्ण प्लग के माध्यम से संपीड़ित हवा को बलपूर्वक प्रवाहित करें। पिस्टन पर क्लिक करें. ट्यूब का बायां हिस्सा, जहां हवा संपीड़ित होती है, गर्म हो जाएगी। उसी समय, ट्यूब का दाहिना भाग, जहां संपीड़ित हवा प्रवेश करती है, उल्लेखनीय रूप से ठंडा हो जाएगा, और प्लग के माध्यम से बाहर निकलने पर इसका विस्तार होगा।
भौतिक विज्ञानी किसी गैस के संपीड़न के दौरान उसके गर्म होने की व्याख्या इस तथ्य से करते हैं कि जब संपीड़ित गैस का आयतन कम हो जाता है, तो अणु एक-दूसरे के इतने करीब आ जाते हैं कि उनके बीच आकर्षक बल कार्य करने लगते हैं, गैस के अणु और भी करीब आ जाते हैं - काम पूरा हो जाता है यह, जैसा कि था, अतिरिक्त संपीड़न की ओर ले जाता है। ऊष्मा निकलती है और गैस का तापमान बढ़ जाता है।
जब कोई संपीड़ित गैस तेजी से फैलती है तो उसका आयतन बढ़ जाता है। गैस के अणु एक दूसरे से दूर जाने लगते हैं, लेकिन आकर्षण बल ऐसा होने से रोकते हैं। आकर्षण की शक्तियों पर काबू पाने के लिए काम खर्च किया जाता है, गर्मी का कुछ हिस्सा खर्च किया जाता है और गैस को ठंडा किया जाता है।
विस्तार के दौरान गैस का तापमान किस मात्रा में घटता है यह प्रारंभिक और अंतिम दबाव पर निर्भर करता है। व्यवहार में, यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि दबाव में 1 वायुमंडल की कमी के साथ, गैस का तापमान कम हो जाता है।
यदि, कंप्रेसर नामक एक विशेष मशीन में, हवा की एक निश्चित मात्रा को 200 वायुमंडल तक संपीड़ित किया जाता है, फिर एक विशेष नल - एक विस्तार वाल्व - के माध्यम से पारित किया जाता है और जल्दी से इसकी मूल मात्रा में विस्तार करने की अनुमति दी जाती है, तो इसका तापमान लगभग 50 डिग्री तक गिर जाएगा। . यदि विस्तार या थ्रॉटल वाल्व से गुजरने से पहले संपीड़ित हवा का तापमान 10° था, तो इसके विस्तार के बाद यह -40° हो जाएगा। संपीड़ित हवा का तापमान फैलने से पहले जितना कम होगा, थ्रॉटलिंग के बाद, यानी थ्रॉटल वाल्व के संकीर्ण स्लॉट से गुजरने के बाद उतना ही कम होगा। संपीड़ित हवा के तापमान को धीरे-धीरे कम करके, उस तापमान तक पहुंचना संभव है जिस पर यह द्रवित होना शुरू हो जाता है।
लेकिन तरल हवा प्राप्त करने के लिए आगे बढ़ने से पहले, इसे शुद्ध किया जाना चाहिए।
हवा में आमतौर पर बहुत अधिक धूल होती है - रेत और कोयले के बारीक ठोस कण। औसतन, एक घन मीटर हवा में 0.01 ग्राम तक अशुद्धियाँ होती हैं। कंप्रेसर के रगड़ने वाले भागों के बीच गिरने वाली यांत्रिक अशुद्धियाँ, खरोंच बनाती हैं और मशीन के समय से पहले खराब होने का कारण बनती हैं। इसलिए, हवा को धूल से मुक्त किया जाना चाहिए।
हवा को साफ करने के लिए विशेष तेल फिल्टर का उपयोग किया जाता है, जो कंप्रेसर के सक्शन पाइप पर स्थापित होते हैं।
नम हवा ठंडी होने पर कोहरा बनना।
यांत्रिक अशुद्धियों के अलावा, हवा में नमी, कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य गैसीय अशुद्धियाँ होती हैं।
हवा में नमी की मात्रा उसके तापमान पर निर्भर करती है।
-30° के तापमान पर 1 घन मीटर हवा में नमी की सबसे बड़ी मात्रा लगभग 0.1 ग्राम होती है, और 30° के तापमान पर - लगभग 30 ग्राम।
हवा के थोड़ा ठंडा होने पर जलवाष्प संघनित होकर कोहरे में बदल जाती है।
जार में थोड़ा पानी डालें और इसे कॉर्क से बंद कर दें जिसमें एक ट्यूब डाली गई है। ट्यूब पर एक रबर बल्ब रखें और इसे निचोड़ें ताकि बल्ब से सारी हवा जार में चली जाए। बैंक पर दबाव रहेगा. यदि, कुछ एक्सपोज़र के बाद, नाशपाती जल्दी से ढीली हो जाती है, तो जार में हवा फैल जाएगी और ठंडी हो जाएगी - जार में कोहरा दिखाई देगा। इसका मतलब यह है कि जार में जो जलवाष्प थी वह हवा के साथ संघनित हो गई। पानी की सबसे छोटी बूंदें पूरे आयतन में समान रूप से वितरित थीं।
कम तापमान पर, नमी जम जाती है और पाला बन जाता है, जो उपकरण की दीवारों पर बर्फ के रूप में जम सकता है।
यदि नमी युक्त हवा को हीट एक्सचेंजर या विस्तार वाल्व में जाने दिया जाता है, तो उनकी दीवारों पर पहले पतली और फिर बर्फ की मोटी परत बन जाती है। बर्फ को पाइपों में जाम होने से बचाने के लिए, हवा को ठंडा करने से पहले उसे सुखाना चाहिए।
हवा को नमी सोखने में सक्षम छिद्रयुक्त पदार्थों से गुजारकर सुखाया जा सकता है। ऐसे पदार्थ सिलिका जेल और विशेष रूप से उपचारित - सक्रिय - एल्यूमिना हैं। जब ये पदार्थ इतनी अधिक नमी सोख लेते हैं कि वे हवा को शुष्क नहीं करते हैं, तो उन्हें कैल्सिन किया जाता है और सुखाने के लिए फिर से उपयोग किया जाता है।
हवा से नमी को कास्टिक सोडा या कैल्सीनयुक्त कैल्शियम क्लोराइड से भी अवशोषित किया जा सकता है। इन पदार्थों को विशेष सिलेंडरों में लोड किया जाता है जिसके माध्यम से हवा पारित की जाती है। इनसे गुजरने के बाद हवा पूरी तरह शुष्क हो जाती है।
बड़े पौधों में जो ऑक्सीजन का उत्पादन करते हैं, नमी को विशेष जाल - फ्रीजर में जमा दिया जाता है, जहां तापमान -40-50 डिग्री पर बनाए रखा जाता है। जब एक जाल में बहुत अधिक बर्फ जमा हो जाती है, तो हवा को दूसरे जाल में स्थानांतरित कर दिया जाता है, और पहले जाल को गर्म कर दिया जाता है। बर्फ पिघलती है और एक विशेष नल के माध्यम से उसमें से पानी निकाला जाता है।
हवा से धूल साफ करने और उसे सूखाने के बाद, द्रवीकरण के लिए आगे बढ़ना अभी भी असंभव है।
हवा में कार्बन डाइऑक्साइड है. लगभग -80° के तापमान पर यह गैस बर्फ जैसे द्रव्यमान में बदल जाती है, जो और अधिक ठंडा होने पर बर्फ जैसा ठोस पदार्थ बनाती है।
यदि ऐसी बर्फ का एक टुकड़ा सफेद कागज की साफ शीट पर रखा जाए, तो बर्फ धीरे-धीरे मात्रा में कम होने लगेगी, और कोई निशान नहीं बचेगा। यहाँ यह अंततः गायब हो गया, और कागज अभी भी पहले की तरह साफ और सूखा बना हुआ है। सूखी बर्फ ठोस कार्बन डाइऑक्साइड है। खाद्य उद्योग में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
तरल वायु प्राप्त करने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड से गैसीय वायु को शुद्ध किए बिना ऐसा करना असंभव है। अन्यथा, कुछ समय बाद प्रशीतन इकाई में बड़ी मात्रा में सूखी बर्फ जमा हो जाएगी, जो इसे नुकसान पहुंचा सकती है।
कार्बन डाइऑक्साइड से हवा को कैसे साफ़ करें?
क्षार घोल को एक स्तंभ में रखा जाता है जिसके माध्यम से हवा पारित की जाती है। हवा में कार्बन डाइऑक्साइड सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ मिलकर नमक बनाता है। स्तंभ से निकलने वाली हवा में व्यावहारिक रूप से कोई कार्बन डाइऑक्साइड नहीं होता है।
गैसीय हवा को उन सभी अशुद्धियों से शुद्ध करके जो इसके द्रवीकरण में बाधा डाल सकती हैं, आप तरल हवा प्राप्त करना शुरू कर सकते हैं।
ऐसा करने के लिए, थ्रॉटलिंग के साथ प्रशीतन चक्र के अनुसार एक कंप्रेसर, एक साधारण रेफ्रिजरेटर, एक हीट एक्सचेंजर और एक विस्तार वाल्व को एक दूसरे से जोड़ना आवश्यक है।
पूर्व-स्वच्छ हवा को कंप्रेसर में भेजा जाता है और इसे 200 वायुमंडल तक संपीड़ित किया जाता है; जैसे ही हवा गर्म होती है, उसे बहते ठंडे पानी के साथ एक साधारण रेफ्रिजरेटर से गुजारकर ठंडा किया जाना चाहिए। संपीड़ित गैस, आंतरिक ट्यूब के माध्यम से रेफ्रिजरेटर में गुजरती है, अपनी गर्मी पानी को छोड़ देगी, जो ट्यूब को बाहर से धोती है। रेफ्रिजरेटर से गैस कंप्रेसर की तुलना में अधिक ठंडी निकलेगी: इसका तापमान लगभग 10° होगा।
रेफ्रिजरेटर से संपीड़ित हवा हीट एक्सचेंजर को भेजी जाती है। लेकिन चूंकि हीट एक्सचेंजर को अभी तक किसी भी चीज़ से ठंडा नहीं किया गया है, गैस तापमान में बदलाव के बिना इसके माध्यम से गुजर जाएगी और, थ्रॉटल वाल्व में प्रवेश करके, इसमें फैल जाएगी। जैसे-जैसे गैस फैलती है, यह ठंडी हो जाती है और द्रवीकरण यंत्र में चली जाती है, द्रवीकरण यंत्र से वापस हीट एक्सचेंजर में चली जाती है। इस क्षण से, हीट एक्सचेंजर काम करना शुरू कर देता है।
लिक्विफायर से आने वाली हवा कंप्रेसर से आने वाली संपीड़ित हवा को ठंडा कर देगी। विस्तार वाल्व से गुजरने के बाद संपीड़ित हवा का तापमान और भी कम हो जाएगा और, हीट एक्सचेंजर के माध्यम से वायुमंडल में जाने पर, आने वाली संपीड़ित हवा के ताजा हिस्से को और भी अधिक ठंडा कर देगा।
इसलिए, हर मिनट स्वचालित रूप से विस्तार वाल्व में प्रवेश करने वाली हवा का तापमान अधिक से अधिक गिरता जाता है। अंततः वह क्षण आता है जब वायु इतनी अधिक ठंडी हो जाती है कि उसका कुछ भाग द्रवीकृत हो जाता है।
तरल हवा को एक तरल पदार्थ में एकत्र किया जाता है, जहां से इसे एक नल के माध्यम से निकाला जाता है।
हवा का गैर-तरलीकृत हिस्सा लगभग -190 ° के तापमान के साथ हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करता है, और इसे कमरे के तापमान के करीब तापमान के साथ छोड़ देता है। प्रशीतन इकाई से गुजरने वाली हवा के एक छोटे हिस्से का निरंतर द्रवीकरण होता रहता है।
वर्णित चक्र में, पारित वायु का केवल 5 प्रतिशत तरल अवस्था में गुजरता है, इसका अधिकांश भाग द्रवीकृत नहीं होता है और वायुमंडल में वापस चला जाता है।
यह इस तथ्य से समझाया गया है कि थ्रॉटलिंग चक्र में कम ठंड उत्पादकता होती है, यानी, गैस को उच्च दबाव में संपीड़ित करने के लिए ऊर्जा की खपत बड़ी होती है, और थ्रॉटलिंग गैस विस्तार के दौरान तापमान में कमी कम होती है। प्रशीतन चक्र डिजाइन में सरल है, लेकिन बहुत किफायती नहीं है।
वैज्ञानिकों ने लगातार तरल हवा प्राप्त करने के अधिक किफायती तरीकों की तलाश शुरू कर दी। यह पाया गया कि यदि संपीड़ित हवा को पिस्टन इंजन के सिलेंडर में या रोटर के ब्लेड पर - वायु टरबाइन का एक घूमने वाला हिस्सा - विस्तारित किया जाता है और विस्तार के दौरान बाहरी कार्य करने के लिए मजबूर किया जाता है, तो हवा उससे कहीं अधिक ठंडी होगी थ्रॉटल वाल्व में विस्तार, जहां केवल आंतरिक कार्य किया जाता है, जो अणुओं के पारस्परिक आकर्षण की ताकतों पर काबू पाने के लिए जाता है।
वे मशीनें जिनमें बाह्य कार्य की प्राप्ति के साथ संपीड़ित गैस का विस्तार होता है, विस्तारक कहलाती हैं।
विस्तारक में गैस की शीतलता जितनी अधिक होती है, वह अपने विस्तार के दौरान उतना ही अधिक कार्य करती है। विस्तारक में गैस को ठंडा करने के लिए उच्च दबाव की आवश्यकता नहीं होती है।
50-60 वायुमंडल का पर्याप्त दबाव। अपने अधिकतम विस्तार पर गैस का तापमान -120-125° तक गिर जाएगा। इस प्रकार, जब विस्तारक में गैस का दबाव 1 वायुमंडल से कम हो जाता है, तो तापमान थ्रॉटलिंग की तुलना में लगभग 2° - 8 गुना अधिक गिर जाता है।
एक विस्तारक के साथ प्रशीतन चक्र की उत्पादकता थ्रॉटलिंग के साथ चक्र की उत्पादकता से 2-3 गुना अधिक है। ऐसी प्रणाली से गुजरने वाली सभी हवा में से 5 नहीं, बल्कि 10-15 प्रतिशत द्रवीकृत होती है। एक विस्तारक के साथ मध्यम दबाव वाले प्रशीतन चक्र में गैस संपीड़न के लिए ऊर्जा की खपत थ्रॉटल वाले प्रशीतन संयंत्र की तुलना में लगभग 3 गुना कम है।
एक विस्तारक वाले संयंत्र में, 40-50 वायुमंडल तक संपीड़ित हवा पहले रेफ्रिजरेटर में प्रवेश करती है, जहां इसे नल के पानी से ठंडा किया जाता है। रेफ्रिजरेटर से, सारी हवा पहले हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करती है, जहां इसे और ठंडा किया जाता है।
पहले हीट एक्सचेंजर को छोड़ते समय, संपीड़ित हवा को दो दिशाओं में जाने दिया जाता है। अधिकांश गैस को विस्तारक की ओर मोड़ दिया जाता है, जहां यह 1 वायुमंडल तक फैल जाती है और अत्यधिक ठंडी हो जाती है।
विस्तारक में ठंडी हवा को हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से वायुमंडल में निर्देशित किया जाता है। रास्ते में, यह कंप्रेसर से आने वाली हवा से गर्मी लेता है।
संपीड़ित हवा का शेष भाग दूसरे हीट एक्सचेंजर में ठंडा हो जाता है और विस्तार वाल्व में प्रवेश करता है। विस्तार के दौरान, हवा और भी अधिक ठंडी हो जाती है और द्रवीकरण तापमान तक पहुँचकर आंशिक रूप से द्रवीकृत हो जाती है। तरल वायु को द्रव्य में एकत्रित किया जाता है। हवा का गैर-तरलीकृत, ठंडा हिस्सा हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से वायुमंडल में निर्देशित किया जाता है। जैसे ही तरल हवा जमा होती है, उसे सूखा दिया जाता है।
अपेक्षाकृत हाल ही में, यूएसएसआर एकेडमी ऑफ साइंसेज के संस्थानों में से एक में, कम दबाव वाले प्रतिष्ठानों में तरल हवा प्राप्त करने के लिए एक विधि विकसित की गई थी।
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जल और तरल पदार्थ
गर्म होने पर, ठोस निकायों के विपरीत, तरल निकायों का एक महत्वपूर्ण विस्तार देखा जाता है। एसीटोन का तापीय विस्तार काफी बड़ा होता है। और पानी और पारे के लिए, सबसे छोटा थर्मल विस्तार विशेषता है।
हर कोई जानता है कि हर ठंडा शरीर सिकुड़ेगा। जल को अपवाद (जल विसंगति) माना जाता है। पानी को +4°C तक ठंडा करने से आयतन में कमी आ जाती है, हालाँकि, +4°C से 0°C तक ठंडा करने पर आयतन फिर से बढ़ जाएगा।
इसलिए, +4°C के तापमान पर पानी का घनत्व सबसे अधिक होगा। यह बताता है कि बर्फ पानी पर क्यों तैरती है और जमी हुई पानी की पाइप क्यों फट जाती है।
गैसीय पिंड
हवा को किसी भी मात्रा में गर्म करने से उसका विस्तार होगा।
बिना गर्म की गई हवा के संबंध में गर्म हवा का घनत्व कम हो जाता है, इसलिए गर्म हवा ऊपर उठती है।
गर्म होने पर, गैस तरल की तुलना में बहुत अधिक फैल जाएगी। एक बंद बर्तन में रखी गैस गर्म होने पर फैलती नहीं है। गैस का बढ़ा हुआ दबाव बर्तन के फटने का कारण बन सकता है।
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कई धातुएँ और मिश्रधातुएँ, उच्च तापमान पर गर्म करने पर, लचीली हो जाती हैं। लोहा, स्टील, तांबा, एल्युमीनियम, मैग्नीशियम, पीतल, एल्युमीनियम-लोहा कांस्य, ड्यूरालुमिन और कुछ अन्य धातुएं और मिश्र धातुएं, गर्म होने पर, जाली बनने और बिना नष्ट हुए अपना आकार बदलने की क्षमता प्राप्त कर लेती हैं। अन्य धातुएं और मिश्र धातुएं, उदाहरण के लिए, ग्रे कास्ट आयरन, टिन कांस्य, जस्ता मिश्र धातु, गर्म अवस्था में विकृत होने, भंगुर होने और प्रभाव और संपीड़न पर टूटने की क्षमता हासिल नहीं करती हैं। लोहे और स्टील के लिए, आम तौर पर ताप तापमान जितना अधिक होगा, लचीलापन उतना ही अधिक होगा। तो, उदाहरण के लिए, स्टील को गर्म करने के लिए। 950°, 1200° तक गर्म किए गए स्टील की तुलना में 2.2 गुना अधिक फोर्जिंग बल की आवश्यकता होगी, और 700° तक गर्म किए गए स्टील के लिए, 4.5 गुना अधिक बल की आवश्यकता होगी।
संयोग से, लचीलेपन में सुधार का तात्पर्य 600° से ऊपर के तापमान को गर्म करने से है, यानी, जब स्टील में आंतरिक परिवर्तन होने लगते हैं, जिस पर बाद में विस्तार से चर्चा की जाएगी। जब कमरे के तापमान से, यानी 15° से 600° तक गर्म किया जाता है, तो स्टील की ताकत उसी तरह नहीं बदलती है, अर्थात्: 300° के तापमान तक, कार्बन स्टील की तन्यता ताकत बढ़ जाती है और केवल 300 से ऊपर गर्म होने पर ही ° क्या यह कम होने लगता है. हो, लगभग 300° के तापमान पर बढ़ी हुई तन्य शक्ति प्राप्त करने पर, इन तापमानों पर स्टील भंगुर हो जाता है और, जैसा कि वे कहते हैं, नीली भंगुरता प्राप्त कर लेता है।
600° के करीब तापमान पर, स्टील की तन्यता ताकत बहुत तेजी से कम हो जाती है। इसलिए, यदि हम साधारण कार्बन स्टील ग्रेड 45 लेते हैं, तो इसकी तन्य शक्ति 15° पर 60 किग्रा/मिमी2 से घटकर 600° पर 25 किग्रा/मिमी2 हो जाती है, यानी दोगुने से भी अधिक। 600° से ऊपर के तापमान पर, तन्य शक्ति में कमी धीमी होती है, लेकिन फिर भी बहुत महत्वपूर्ण होती है। इस प्रकार, 700° के तापमान पर, ग्रेड 45 स्टील की तन्य शक्ति 15 किग्रा/मिमी2 है; 1000°-5.5 किग्रा/मिमी2 पर; 1200° पर - 2.5 किग्रा/मिमी2; 1300° - 2.0 किग्रा/मिमी2 पर। इस प्रकार, ठंडे स्टील की तुलना में 1200-1300° के तापमान तक गर्म किए गए स्टील की ताकत लगभग 25-30 गुना कम हो जाती है।
अलौह धातुओं और मिश्र धातुओं को गर्म करने पर एक समान तस्वीर देखी जाती है। अंतर केवल इतना है कि चूंकि उनका गलनांक स्टील की तुलना में कम होता है, इसलिए उनके सभी महत्वपूर्ण तापमान नीचे स्थानांतरित हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, 800° तक गर्म करने पर तांबे की ताकत 6-7 गुना कम हो जाती है, 600° तक गर्म करने पर एल्यूमीनियम की ताकत 30-35 गुना कम हो जाती है।
इस प्रकार, गर्म धातुएँ 25-35 गुना कम टिकाऊ हो जाती हैं। नतीजतन, गर्म अवस्था में, उनके विरूपण के लिए लगभग समान प्रयास और ऊर्जा खपत की आवश्यकता होती है।
यदि स्टील को इससे भी अधिक गर्म किया जाए, यानी इससे भी अधिक तापमान पर - 1300° से ऊपर, तो दाने बहुत बड़े हो जाते हैं और उनका तेजी से पिघलना शुरू हो सकता है। इसे अक्सर भट्ठी द्वारा ही रोका जाता है, जो स्टील को पिघलाने के लिए आवश्यक तापमान - 1400 डिग्री से अधिक प्रदान नहीं कर सकता है। जब अनाज या क्रिस्टल पिघलना शुरू करते हैं, तो हवा से ऑक्सीजन इंटरक्रिस्टलाइन स्थान में प्रवेश करेगी, जिससे लोहे के आक्साइड की एक भंगुर फिल्म बन जाएगी। अनाज के किनारों पर. धातु पहले सतह पर ढहना शुरू करती है, और फिर विनाश वर्कपीस की गहराई में प्रवेश करती है। यह स्टील का बर्नआउट है। अत्यधिक जलने को रोकने के लिए, जो एक अपूरणीय दोष है, किसी को ठीक से पता होना चाहिए कि भट्ठी कितना उच्चतम तापमान दे सकती है, और यह सुनिश्चित करना चाहिए कि इस तापमान पर वर्कपीस केवल निर्धारित कम समय के लिए गर्म हो।
संरचना में परिवर्तन के साथ, धातु के यांत्रिक गुण भी बदल जाते हैं। दाने जितने बड़े होंगे, स्टील की ताकत उतनी ही कम होगी, और न केवल अपनी धातु के कारण, बल्कि अंतर-क्रिस्टलीय स्थान के कारण भी, जिसमें विभिन्न, कम टिकाऊ गैर-धातु सामग्री, जैसे कि सल्फर और फास्फोरस, स्थित होते हैं, जो कम तापमान पर पिघलें. बढ़े हुए क्रिस्टल के साथ गर्म धातु को खींचना आसान होता है, और इसलिए संपीड़ित करने के लिए कम बल की आवश्यकता होती है।
जापानी भौतिक विज्ञानी मासाकाज़ु मात्सुमोतो ने एक सिद्धांत प्रस्तुत किया जो बताता है कि 0 से 4°C तक गर्म करने पर पानी फैलने के बजाय सिकुड़ता क्यों है। उनके मॉडल के अनुसार, पानी में माइक्रोफ़ॉर्मेशन होते हैं - "विट्राइट्स", जो उत्तल खोखले पॉलीहेड्रॉन होते हैं, जिनके शीर्ष पर पानी के अणु होते हैं, और हाइड्रोजन बांड किनारों के रूप में काम करते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, दो घटनाएं एक-दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करती हैं: पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड का बढ़ना और विट्राइट का विरूपण, जिससे उनकी गुहाओं में कमी आती है। 0 से 3.98 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में, बाद की घटना हाइड्रोजन बांड बढ़ाव के प्रभाव पर हावी होती है, जो अंततः पानी का मनाया संपीड़न देता है। अब तक, मात्सुमोतो मॉडल की कोई प्रायोगिक पुष्टि नहीं हुई है - हालाँकि, पानी के संपीड़न की व्याख्या करने वाले अन्य सिद्धांतों की तरह।
अधिकांश पदार्थों के विपरीत, गर्म होने पर, पानी अपनी मात्रा को कम करने में सक्षम होता है (चित्र 1), अर्थात, इसमें थर्मल विस्तार का नकारात्मक गुणांक होता है। हालाँकि, हम पूरे तापमान रेंज के बारे में बात नहीं कर रहे हैं जहाँ पानी तरल अवस्था में मौजूद है, बल्कि केवल एक संकीर्ण क्षेत्र के बारे में है - 0 डिग्री सेल्सियस से लगभग 4 डिग्री सेल्सियस तक। जब बी हेउच्च तापमान पर, अन्य पदार्थों की तरह पानी भी फैलता है।
वैसे, पानी ही एकमात्र ऐसा पदार्थ नहीं है जो तापमान बढ़ने पर सिकुड़ जाता है (या ठंडा होने पर फैल जाता है)। बिस्मथ, गैलियम, सिलिकॉन और एंटीमनी भी समान व्यवहार का "घमंड" कर सकते हैं। हालाँकि, इसकी अधिक जटिल आंतरिक संरचना के साथ-साथ विभिन्न प्रक्रियाओं में इसकी व्यापकता और महत्व के कारण, यह पानी ही है जो वैज्ञानिकों का ध्यान आकर्षित करता है (देखें पानी की संरचना का अध्ययन जारी है, "तत्व", 09.10.2006)।
कुछ समय पहले, आम तौर पर स्वीकृत सिद्धांत, इस सवाल का जवाब देता था कि पानी घटते तापमान के साथ अपनी मात्रा क्यों बढ़ाता है (चित्र 1), दो घटकों के मिश्रण का मॉडल था - "सामान्य" और "बर्फ जैसा"। यह सिद्धांत पहली बार 19वीं शताब्दी में हेरोल्ड व्हिटिंग द्वारा प्रस्तावित किया गया था और बाद में कई वैज्ञानिकों द्वारा विकसित और सुधार किया गया। अपेक्षाकृत हाल ही में, खोजे गए जल बहुरूपता के ढांचे के भीतर, व्हिटिंग के सिद्धांत पर पुनर्विचार किया गया था। अब से, यह माना जाता है कि सुपरकूल्ड पानी में दो प्रकार के बर्फ जैसे नैनोडोमेन होते हैं: उच्च और निम्न घनत्व के अनाकार बर्फ के समान क्षेत्र। सुपरकूल्ड पानी को गर्म करने से ये नैनोस्ट्रक्चर पिघल जाते हैं और दो प्रकार के पानी सामने आते हैं: उच्च और निम्न घनत्व के साथ। यह परिणामी पानी के दो "प्रकारों" के बीच चालाक तापमान प्रतिस्पर्धा है जो तापमान पर घनत्व की एक गैर-मोनोटोनिक निर्भरता को जन्म देती है। हालाँकि, इस सिद्धांत की अभी तक प्रायोगिक पुष्टि नहीं हुई है।
आपको इस स्पष्टीकरण से सावधान रहना होगा। यह कोई संयोग नहीं है कि यहां केवल अनाकार बर्फ जैसी संरचनाओं का ही उल्लेख किया गया है। मुद्दा यह है कि अनाकार बर्फ के नैनोस्कोपिक क्षेत्रों और इसके मैक्रोस्कोपिक एनालॉग्स के भौतिक पैरामीटर अलग-अलग होते हैं।
जापानी भौतिक विज्ञानी मसाकाज़ु मात्सुमोतो ने दो-घटक मिश्रण के सिद्धांत को त्यागते हुए, "शुरुआत से" यहां चर्चा किए गए प्रभाव के लिए एक स्पष्टीकरण खोजने का निर्णय लिया। कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने आणविक पैमाने पर ठंडा होने पर पानी के विस्तार के सही कारणों का पता लगाने के लिए शून्य दबाव पर 200 से 360 K तक के तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में पानी के भौतिक गुणों को देखा। पत्रिका में उनका लेख भौतिक समीक्षा पत्रइसे कहा जाता है: पानी ठंडा होने पर फैलता क्यों है? पानी ठंडा होने पर फैलता क्यों है?
प्रारंभ में, लेख के लेखक ने प्रश्न पूछा: पानी के तापीय विस्तार के गुणांक को क्या प्रभावित करता है? मात्सुमोतो का मानना है कि इसके लिए केवल तीन कारकों के प्रभाव का पता लगाना पर्याप्त है: 1) पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड की लंबाई में परिवर्तन, 2) टोपोलॉजिकल इंडेक्स - प्रति एक पानी के अणु में बांड की संख्या, और 3) विचलन संतुलन मान (कोणीय विरूपण) से बंधों के बीच का कोण।
इससे पहले कि हम जापानी भौतिक विज्ञानी द्वारा प्राप्त परिणामों के बारे में बात करें, हम उपरोक्त तीन कारकों के बारे में महत्वपूर्ण टिप्पणियाँ और स्पष्टीकरण देंगे। सबसे पहले, पानी का सामान्य रासायनिक सूत्र H2O केवल इसकी वाष्प अवस्था से मेल खाता है। तरल रूप में, पानी के अणुओं को हाइड्रोजन बंधन के माध्यम से समूहों (एच 2 ओ) में जोड़ा जाता है। एक्स, कहाँ एक्सअणुओं की संख्या है. पांच जल अणुओं का सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल संयोजन ( एक्स= 5) चार हाइड्रोजन बंधों के साथ, जिनमें बंध बनते हैं संतुलन, तथाकथित चतुष्फलकीय कोण, 109.47 डिग्री के बराबर (चित्र 2 देखें)।
तापमान पर पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन की लंबाई की निर्भरता का विश्लेषण करने के बाद, मात्सुमोतो अपेक्षित निष्कर्ष पर पहुंचे: तापमान में वृद्धि हाइड्रोजन बांड के रैखिक बढ़ाव को जन्म देती है। और इसके परिणामस्वरूप, पानी की मात्रा में वृद्धि होती है, यानी इसका विस्तार होता है। यह तथ्य देखे गए परिणामों का खंडन करता है, इसलिए उन्होंने आगे दूसरे कारक के प्रभाव पर विचार किया। थर्मल विस्तार का गुणांक टोपोलॉजिकल इंडेक्स पर कैसे निर्भर करता है?
कंप्यूटर सिमुलेशन ने निम्नलिखित परिणाम दिया। कम तापमान पर, प्रतिशत के संदर्भ में पानी की सबसे बड़ी मात्रा जल समूहों द्वारा कब्जा कर ली जाती है, जिसमें प्रति अणु 4 हाइड्रोजन बांड होते हैं (टोपोलॉजिकल इंडेक्स 4 है)। तापमान में वृद्धि से सूचकांक 4 के साथ सहयोगियों की संख्या में कमी आती है, लेकिन साथ ही, सूचकांक 3 और 5 के साथ समूहों की संख्या में वृद्धि होने लगती है। संख्यात्मक गणना करने के बाद, मात्सुमोतो ने पाया कि टोपोलॉजिकल के साथ समूहों की स्थानीय मात्रा बढ़ते तापमान के साथ सूचकांक 4 व्यावहारिक रूप से नहीं बदलता है, और किसी भी तापमान पर सूचकांक 3 और 5 के साथ सहयोगियों की कुल मात्रा में परिवर्तन परस्पर एक दूसरे की भरपाई करता है। इसलिए, तापमान में बदलाव से पानी की कुल मात्रा में बदलाव नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि गर्म होने पर टोपोलॉजिकल इंडेक्स का पानी के संपीड़न पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।
यह हाइड्रोजन बांड के कोणीय विरूपण के प्रभाव को स्पष्ट करना बाकी है। और यहीं से सबसे दिलचस्प और महत्वपूर्ण बात शुरू होती है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, पानी के अणु एकजुट होते हैं ताकि हाइड्रोजन बांड के बीच का कोण टेट्राहेड्रल हो। हालाँकि, पानी के अणुओं के थर्मल कंपन और क्लस्टर में शामिल नहीं किए गए अन्य अणुओं के साथ बातचीत उन्हें ऐसा करने से रोकती है, जिससे हाइड्रोजन बांड कोण 109.47 डिग्री के संतुलन मूल्य से विचलित हो जाता है। कोणीय विरूपण की इस प्रक्रिया को मापने के लिए, मात्सुमोतो और अन्य ने 2007 में प्रकाशित पानी में हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क के टोपोलॉजिकल बिल्डिंग ब्लॉक्स के अपने पिछले काम के आधार पर काम किया। रासायनिक भौतिकी जर्नल, उत्तल खोखले पॉलीहेड्रा के सदृश, पानी में त्रि-आयामी सूक्ष्म संरचनाओं के अस्तित्व के बारे में एक परिकल्पना सामने रखी। बाद में, बाद के प्रकाशनों में, उन्होंने ऐसे माइक्रोस्ट्रक्चर कहा vitrites(चित्र 3)। उनमें, शीर्ष पानी के अणु होते हैं, किनारों की भूमिका हाइड्रोजन बांड द्वारा निभाई जाती है, और हाइड्रोजन बांड के बीच का कोण विट्राइट में किनारों के बीच का कोण होता है।
मात्सुमोतो के सिद्धांत के अनुसार, विट्राइट के रूपों की एक विशाल विविधता है, जो मोज़ेक तत्वों की तरह, पानी की संरचना का एक बड़ा हिस्सा बनाते हैं और एक ही समय में इसकी पूरी मात्रा को समान रूप से भरते हैं।
पानी के अणु विट्राइट में चतुष्फलकीय कोण बनाते हैं, क्योंकि विट्राइट में सबसे कम संभव ऊर्जा होनी चाहिए। हालाँकि, थर्मल गतियों और अन्य विट्राइट्स के साथ स्थानीय इंटरैक्शन के कारण, कुछ माइक्रोस्ट्रक्चर में टेट्राहेड्रल कोण (या इस मान के करीब कोण) के साथ ज्यामिति नहीं होती है। वे ऐसे संरचनात्मक रूप से गैर-संतुलन विन्यास (जो ऊर्जा के दृष्टिकोण से उनके लिए सबसे अनुकूल नहीं हैं) को स्वीकार करते हैं, जो विट्राइट्स के पूरे "परिवार" को न्यूनतम संभव ऊर्जा मूल्य प्राप्त करने की अनुमति देते हैं। ऐसे विट्राइट, यानी विट्राइट, जो मानो खुद को "सामान्य ऊर्जा हितों" के लिए बलिदान कर देते हैं, कुंठित कहलाते हैं। यदि गैर-कुंठित विट्राइट में किसी दिए गए तापमान पर गुहा की मात्रा अधिकतम होती है, तो इसके विपरीत, कुंठित विट्राइट में न्यूनतम संभव मात्रा होती है।
मात्सुमोतो द्वारा कंप्यूटर सिमुलेशन से पता चला कि बढ़ते तापमान के साथ विट्राइट गुहाओं की औसत मात्रा रैखिक रूप से घट जाती है। उसी समय, कुंठित विट्राइट अपनी मात्रा को काफी कम कर देते हैं, जबकि गैर-कुंठित विट्राइट की गुहा की मात्रा लगभग नहीं बदलती है।
इस प्रकार, बढ़ते तापमान के साथ पानी का संपीड़न दो प्रतिस्पर्धी प्रभावों के कारण होता है - हाइड्रोजन बांड का विस्तार, जिससे पानी की मात्रा में वृद्धि होती है, और कुंठित विट्राइट की गुहाओं की मात्रा में कमी होती है। 0 से 4°C के तापमान रेंज में, अंतिम घटना, जैसा कि गणना द्वारा दिखाया गया है, तस, जो अंततः बढ़ते तापमान के साथ पानी के संपीड़न की ओर ले जाता है।
विट्राइट के अस्तित्व और उनके व्यवहार की प्रायोगिक पुष्टि के लिए अभी इंतजार करना बाकी है। लेकिन अफ़सोस, यह बहुत मुश्किल काम है।