Molekule pri segrevanju in ohlajanju. Kaj se zgodi z zrakom pri segrevanju? Lastnosti različnih agregatnih stanj
Ogrevanje kovin pred kovanjem je pomemben in odgovoren postopek, od katerega je v veliki meri odvisna ne le kakovost bodočih delov, temveč tudi produktivnost dela, delovanje opreme, življenjska doba orodja in proizvodni stroški.
Med procesom segrevanja se spremeni struktura kovine, njene lastnosti, stanje površinskih plasti itd. Vsaka zlitina ima temperaturno območje obdelave s pritiskom in določen način ogrevanja. Kršitev določenih parametrov ogrevanja vodi do zmanjšanja kakovosti delov in po možnosti do uničenja kovine. Zato je za bodočega specialista potrebno preučiti pojave, ki se pojavijo v kovini pri segrevanju.
Spreminjanje dimenzij obdelovanca. Pri segrevanju se kovine razširijo, pri ohlajanju pa skrčijo. Sprememba dimenzij obdelovanca je določena s formulo ∆l = l₀β∆t, kjer je ∆l sprememba velikosti obdelovanca z dolžino l₀ pri spremembi njegove temperature za ∆t"С, β koeficient linearna ekspanzija (za jeklo β = 0,0000122, za aluminij β = 0,000024).
Pri kovanju jeklenih odkovkov, ki se praviloma deformirajo pri temperaturi 1100 - 1200 "C, se količina krčenja določi približno, ob predpostavki, da je krčenje 1,2% velikosti obdelovanca v vročem stanju. Za Na primer, odkovek dolžine 500 mm po ohlajanju na temperaturo v delavnici bo imel dolžino 495 mm, če ne upoštevamo krčenja kovine, bo odkovek imel pomanjkljivo velikost.
Učinek krčenja na obliko in dimenzije odkovka je še posebej opazen pri kovanju surovcev kompleksnih oblik z dolgimi podaljški, saj lahko krčenje povzroči močno upogibanje odkovka. Zelo pomembno je upoštevati krčenje kovine pri izdelavi matrice za kovanje, zlasti za natančno kovanje dragih zlitin.
Pojavi, ki nastanejo med segrevanjem v površinskih slojih obdelovancev. Z naraščajočo temperaturo se poveča aktivnost interakcije kovin z atmosfero peči. Pri segrevanju jekel se na površini obdelovanca oblikuje plast železovih oksidov FeO, Fe₂O₃, Fe3O₄, imenovana tudi lestvica. Debelina sloja vodnega kamna je odvisna od temperature in časa segrevanja, lokacije obdelovancev v peči, sestave kurilnih plinov in kemične sestave zlitine. Jekla najbolj intenzivno oksidirajo pri temperaturah nad 900"C. Tako se v primerjavi s stopnjo oksidacije pri temperaturi 900"C pri 1000"C stopnja oksidacije poveča dvakrat, pri 1200"C - petkrat.
Tvorba lestvice vodi do izgube kovine, povečanja dodatkov za obdelavo, zmanjša produktivnost dela in, ker je trdna snov, zmanjša vzdržljivost orodja med tlačno obdelavo in rezanjem.
Ogrevanje ogljikovih jekel spremlja nastanek ohlapne plasti lestvice, ki se zlahka odstrani, vendar ne ščiti kovine pred nadaljnjo oksidacijo. Lestvica v jeklih, legiranih s kromom, silicijem, volframom in nikljem, je tanka, ima gosto strukturo, ne poka in je zaščita pred nadaljnjo oksidacijo. Krom-nikelj jeklo s 15 - 20% niklja. praktično ne oksidira in se zato imenuje toplotno odporen.
Ogrevanje ogljikovih jekel spremlja izgorevanje ogljika iz površinske plasti do globine 2 - 4 mm. Zmanjšanje vsebnosti ogljika, imenovano razogljičenje, povzroči zmanjšanje trdnosti in trdote jekla ter poslabšanje kaljivosti dela. Razogljičenje je še posebej škodljivo za majhne odkovke, ki imajo majhne dodatke za obdelavo in so podvrženi naknadnemu kaljenju. Pri velikih odkovkih razogljičenje ni nevarno, saj med kovanjem in ohlajanjem ogljik iz notranjih plasti obdelovanca difundira v zunanje plasti in se kemična sestava zlitine izravna.
Neenakomerno segrevanje in izenačevanje temperature po prečnem prerezu obdelovanca. Ogrevanje obdelovanca vzdolž prečnega prereza se izvaja zaradi prenosa toplote od zunanjih plasti do notranjih. Nižji kot je koeficient toplotnega prehoda kovine, večja je stopnja segrevanja* in površina prečnega prereza obdelovanca, večja je temperaturna razlika med zunanjo in notranjo plastjo obdelovanca. Pod vplivom visoke temperature se zunanje plasti razširijo bolj kot notranje in med njimi nastanejo velike napetosti, ki lahko vodijo celo do uničenja. Večina gredic iz ogljikovega konstrukcijskega jekla s prečnim prerezom do 100 mm se ne boji hitrega segrevanja, zato jih je mogoče hladno postaviti v peč s temperaturami do 1300 ° C.
Visokoogljična in visoko legirana jekla ter številne kompleksne zlitine imajo nizko toplotno prevodnost in zahtevajo počasno segrevanje, da preprečimo razpoke. Takšna jekla in zlitine najprej naložimo v peč, ki ima nizko temperaturo, jo nekaj časa držimo na tej temperaturi in šele po segrevanju celotnega odseka se začne nadaljnji dvig temperature.
Ko se zunanje plasti obdelovanca segrejejo na temperaturo kovanja, se obdelovanci nekaj časa pustijo v peči, da se izenači temperatura kovine po celotnem odseku. Ta čas se imenuje čas zadrževanja.
Kovanje neenakomerno segretega obdelovanca je nevarno zaradi neenakomerne deformacije kovine po prerezu in njenega možnega uničenja. Med volumetričnim žigosanjem in kovanjem v podpornih matricah neenakomerno segrevanje vodi do nezapolnjevanja delovnega utora matrice in do zmanjšanja življenjske dobe orodja.
Podobno kot pri ogrevanju je treba tudi hlajenje odkovkov iz legiranega jekla izvajati pri nizki hitrosti. Pri hitrem ohlajanju nastanejo toplotne napetosti, ki lahko povzročijo razpoke v odkovkih in povzročijo napake.
* Stopnja segrevanja je povečanje temperature obdelovanca na časovno enoto (na minuto ali eno uro, "S/h).
Vpliv segrevanja na strukturo kovine. Struktura kovin in zlitin ter z njo povezane mehanske in tehnološke lastnosti so odvisne od kemične sestave zlitin; o temperaturi in načinih njihove obdelave. Spodaj obravnavamo vpliv temperature na strukturo in lastnosti ogljikovih jekel - zlitin, ki se najpogosteje uporabljajo za izdelavo ročno kovanih odkovkov.
Struktura jekla, odvisno od vsebnosti ogljika in temperature, je grafično opisana z diagramom stanja železo - ogljik (Fe - C) (slika 18). Na abscisni osi je prikazan odstotek ogljika (C), na ordinatni osi pa temperatura (C).
Pri temperaturi nad črto AC so vsa jekla v tekočem stanju (L), pod to črto pa iz tekoče taline izpadajo trdni kristali avstenita (A). Pod črto AE ima celotna zlitina avstenitno strukturo. Avstenit je intersticijska trdna raztopina* ogljika v y-železu (Fey), ki ima na ploskvi osredotočeno kubično mrežo (glej).
* Intersticijska trdna raztopina je zlitina s kristalno mrežo navadne kovine, v katero je vgrajenih več atomov druge komponente. V substitucijskih trdnih raztopinah je več atomov navadne kovine nadomeščenih z atomi druge komponente. Pri določenih razmerjih železo in ogljik tvorita intersticijske trdne raztopine, železo in nikelj pa nadomestne trdne raztopine..
Ko se temperatura zniža, se topnost ogljika v Fey zmanjša.
V nadevtektoidnih jeklih (C > 0,8 %) presežek ogljika, ki se sprosti iz avstenita, tvori kemično spojino Fe₃C - cementit*. Zato imajo hiperevtektoidna jekla v temperaturnem območju pod črto SE in nad črto PK strukturo avstenit ± cementit. Z nižanjem temperature se količina cementita poveča, koncentracija ogljika v avstenitu pa se zmanjša.
* Cementit vsebuje 6,67 % ogljika.
Pri 723C se izloči tolikšna količina cementita, da bo koncentracija ogljika v avstenitu 0,8 %. V hipoevtektoidnih jeklih (C< 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%.
* Ferit je trdna raztopina intersticijskega ogljika v a-železu (Fea), ki ima kristalno mrežo s telesnim središčem.
Tako imajo v regiji GSP hipoevtektoidna jekla strukturo ferit + avstenit. Pri temperaturi 723 °C se kristalna struktura železa podvrže alotropni preobrazbi: iz ploskocentrične se rekonstruira v kubično telesnocentrično (Fey → Fea). V tem primeru bi se moral avstenit spremeniti v ferit, vendar v ferit ogljika praktično ni, v avstenitu pri t = 723" pa ga vsebuje 0,8%. Zato se pri 723"C ferit sprosti iz avstenita, presežek ogljika pa tvori cementit. Ferit in cementit s koncentracijo ogljika 0,8% tvorita pri temperaturah pod 723"C mehansko zmes - perlit.
Ker
avstenit v hipoevtektoidnih in nadevtektoidnih jeklih pri temperaturi 723 °C preide tudi v perlit, nato pa pri ohlajanju na sobno temperaturo imajo hipoevtektoidna jekla strukturo perlit + ferit, nadevtektoidna jekla pa perlit + cementit Slika 19, a - d prikazuje strukturo jekel.
Ko se jekla segrejejo na 723"C, v njih ne pride do alotropskih transformacij in jekla ne spremenijo svoje strukture. Ko se temperatura dvigne nad 723"C, Fey → Fey in perlit preide v avstenit. Pri temperaturah nad črto GSE ima vsako jeklo avstenitno strukturo.
Jekla v avstenitnem stanju imajo največjo duktilnost. To je razloženo z dejstvom, da je, prvič, struktura kovine homogena: vsa zrna imajo enako strukturo avstenita; drugič, kristalna struktura avstenita ima čelno osredotočeno kubično mrežo, kovine s to vrsto mreže pa so najbolj duktilne (svinec, baker, aluminij itd.).
Perlit ima visoko mehansko trdnost in nizko duktilnost. Zato je treba jeklo tlačno obdelati pri temperaturi nad črto RK. Na diagramu črtkana črta Tk označuje spodnjo mejo temperaturnega območja kovanja. Deformirati so se začele pod to mejo, to je pri t< Тк, не следует, так как это может привести к разрушению металла.
Temperatura segrevanja kovine ni omejena samo s spodnjo temperaturno mejo Tk, temveč tudi z zgornjo mejo, imenovano začetna temperatura kovanja Tn. Na diagramu stanja (glej sliko 18) je zgornja meja dovoljenega segrevanja označena s črtkano črto Tn. Pri segrevanju na višje temperature se v kovini pojavita dve vrsti ogrevalnih napak: pregrevanje in izgorevanje.
Pri pregrevanju se velikost zrn poveča, kovina pridobi grobo zrnato strukturo in njena duktilnost se začne zmanjševati. Poleg tega imajo odkovki z grobozrnato strukturo nizke mehanske lastnosti. Čeprav lahko pregretje odpravimo z dodatno toplotno obdelavo ali kovanjem, odprava zahteva dodatne stroške in čas.
Ogrevanje na temperaturo blizu črte AE je nesprejemljivo. Takšno segrevanje vodi do izgorelosti - oksidacije kovine vzdolž meja zrn zaradi pospešene difuzije kisika v kovino. Pregorevanje je nepopravljiv zakon. Zaradi prekinitve vezi med zrni med kovanjem se taka kovina popolnoma uniči. Tako se kovine obdelujejo s pritiskom v temperaturnem območju Tc, ki je značilno za vsako zlitino< t нагр < Т н. На диаграмме состояния железо - углерод такой интервал определен для углеродистых сталей заштрихованной областью, расположенной между линиями Тк и Тн.
Da bi imeli odkovki visoke mehanske lastnosti, si prizadevajo dokončati kovanje pri temperaturi blizu temperature Tk. V tem primeru bo v kovini prišlo do rekristalizacije, struktura pa bo ostala drobnozrnata.
Žice se poleti veliko bolj povesijo kot pozimi, torej so poleti daljše. Če vzamete polno steklenico mrzle vode in jo postavite na toplo, bo čez čas nekaj vode izteklo iz steklenice, saj se voda med segrevanjem razširi. Balon, ki ga vzamemo iz prostora na mraz, se zmanjša na prostornino.
1. Poskrbimo za toplotno raztezanje trdnih snovi, tekočin in plinov
Preprosti poskusi in številna opazovanja nas prepričajo, da se trdne snovi, tekočine in plini med segrevanjem praviloma širijo, med ohlajanjem pa krčijo.
Toplotno raztezanje tekočin in plinov lahko enostavno opazujemo z bučko, katere vrat je tesno zaprt, v zamašek pa je vstavljena steklena cev. Z zrakom napolnjeno bučko spremenimo v posodo z vodo.
Zdaj je dovolj, da bučko primete z roko, in kmalu bo zrak, ki se širi v bučki, prišel ven v obliki mehurčkov iz cevi pod vodo (slika 2.30).
Zdaj napolnimo bučko z barvno tekočino in jo zapremo tako, da del tekočine vstopi v cev (slika 2.31, a). Označimo nivo tekočine v epruveti in spustimo bučko v posodo z vročo vodo. V prvem trenutku bo nivo tekočine nekoliko padel (slika 2.31, b), kar je mogoče razložiti z dejstvom, da se bučka najprej segreje in razširi, šele nato, ko se segreje, se voda razširi.
riž. 2.30. Pri segrevanju se zrak v bučki razširi in del ga zapusti bučko – to se vidi po zračnih mehurčkih, ki prihajajo iz cevi
riž. 2.31 Poskus, ki dokazuje, da se tekočina (kot so trdne snovi in plini) pri segrevanju razširi: a - pokrita bučka s tekočino v cevki; b - v prvem trenutku segrevanja se nivo tekočine rahlo zmanjša; c - z nadaljnjim segrevanjem se nivo tekočine znatno dvigne
Kmalu bomo videli, da se bo s segrevanjem bučke in vode v njej nivo tekočine v cevi opazno povečal (slika 2.31, c). Torej se trdne snovi in tekočine, tako kot plini, pri segrevanju razširijo. Raziskave so pokazale, da se trdne snovi in tekočine med segrevanjem veliko manj širijo kot plini.
Toplotno raztezanje trdnih snovi lahko dokažemo tudi z naslednjim poskusom. Vzemimo bakreno kroglo, ki v neogrevanem stanju zlahka prehaja skozi obroč, ki je na njej nameščen. Segrejmo kroglico v plamenu alkoholne svetilke in poskrbimo, da kroglica ne bo več šla skozi obroč (slika 2.32, a). Po ohlajanju bo krogla spet zlahka prešla skozi obroč (slika 2.32, b).
2. Ugotovite vzrok toplotnega raztezanja
Kaj je razlog za povečanje prostornine teles med segrevanjem, saj se število molekul z naraščanjem temperature ne spreminja?
Atomsko-molekularna teorija razlaga toplotno raztezanje teles z dejstvom, da se z naraščanjem temperature povečuje hitrost gibanja atomov in molekul. Posledično se poveča povprečna razdalja med atomi (molekulami).
riž. 2.32. Poskus, ki ponazarja toplotno raztezanje trdnih snovi: a - v segretem stanju kroglica ne gre skozi obroč; b - po ohlajanju gre žoga skozi obroč
V skladu s tem se poveča obseg telesa. In obratno, nižja kot je temperatura snovi, manjše so medmolekulske vrzeli. Izjema so voda, lito železo in nekatere druge snovi. Voda se na primer razširi le pri temperaturah nad 4 °C; pri temperaturah od O 0C do 4 0C se med segrevanjem prostornina vode zmanjša.
3. Opišite toplotno raztezanje trdnih snovi
Ugotovimo, kako se spreminjajo linearne dimenzije trdnega telesa zaradi sprememb temperature. Če želite to narediti, izmerite dolžino aluminijaste cevi, nato pa cev segrejte tako, da skoznjo spustite vročo vodo. Čez nekaj časa lahko opazite, da se je dolžina cevi nekoliko povečala.
Z zamenjavo aluminijaste cevi s stekleno enake dolžine se prepričamo, da se pri enakem povišanju temperature dolžina steklene cevi poveča veliko manj kot dolžina aluminijaste. Tako sklepamo: toplotna razteznost telesa je odvisna od snovi, iz katere je sestavljeno.
Fizična količina, ki označuje toplotno raztezanje materiala in je številčno enaka razmerju spremembe dolžine telesa zaradi njegovega segrevanja za I ° C in njegove začetne dolžine, se imenuje temperaturni koeficient linearne razteznosti.
Temperaturni koeficient linearne ekspanzije je označen s simbolom a in se izračuna po formuli:
Iz definicije temperaturnega koeficienta linearne ekspanzije je mogoče dobiti enoto te fizikalne količine:
Spodnja tabela prikazuje temperaturne koeficiente linearne ekspanzije nekaterih snovi.
4. Spoznavanje toplotnega raztezanja v naravi in tehniki
Sposobnost teles, da se med segrevanjem raztezajo in med ohlajanjem krčijo, ima v naravi zelo pomembno vlogo. Zemljina površina se segreva neenakomerno. Zaradi tega se tudi zrak ob Zemlji neenakomerno širi in nastaja veter, ki določa vremenske spremembe. Neenakomerno segrevanje vode v morjih in oceanih vodi do nastanka tokov, ki pomembno vplivajo na podnebje. Ostra temperaturna nihanja v gorskih območjih povzročajo širjenje in krčenje kamnin. In ker je stopnja raztezanja odvisna od vrste kamnine, se raztezanje in stiskanje pojavljata neenakomerno, posledično pa nastanejo razpoke, ki vodijo do uničenja teh kamnin.
Toplotno raztezanje je treba upoštevati pri gradnji mostov in daljnovodov, polaganju toplovodov, polaganju železniških tirnic, izdelavi armiranobetonskih konstrukcij in v številnih drugih primerih.
Pojav toplotnega raztezanja se pogosto uporablja v tehnologiji in vsakdanjem življenju. Tako se za samodejno zapiranje in odpiranje električnih tokokrogov uporabljajo bimetalne plošče - sestavljene so iz dveh trakov z različnimi koeficienti linearne ekspanzije (slika 2.33). Toplotno širjenje zraka pomaga enakomerno segreti stanovanje, ohladiti hrano v hladilniku in prezračiti prostor.
riž. 2.33. Za izdelavo avtomatskih varovalk (a), za samodejno vklop in izklop grelnih naprav (b), se pogosto uporabljajo bimetalne plošče (c). S povišanjem temperature se ena od kovin precej bolj razširi kot druga, zaradi česar se plošča upogne (d) in odpre (ali zapre)
5. Učenje reševanja problemov
Dolžina jeklene tirnice pri temperaturi 0 o C je 8 g, za koliko se bo povečala njena dolžina v vročem poletnem dnevu pri temperaturi 40 °C?
Analiza pogojev problema. Če vemo, kako se spremeni dolžina jeklenega dela zaradi segrevanja za 1 °C, tj. poznamo temperaturni koeficient linearne razteznosti jekla, ugotovimo, za koliko se bo spremenila dolžina tirnice zaradi segrevanja za 40 °C. Temperaturni koeficient linearne ekspanzije jekla je razviden iz zgornje tabele.
- Naj povzamemo
Trdne snovi, tekočine in plini se pri segrevanju radi razširijo. Razlog za toplotno raztezanje je v tem, da se s povišanjem temperature poveča hitrost gibanja atomov in molekul. Posledično se poveča povprečna razdalja med atomi (molekulami). Toplotno raztezanje trdnih snovi je označeno s koeficientom linearne razteznosti. Koeficient linearne razteznosti je številčno enak razmerju spremembe dolžine telesa zaradi njegovega segrevanja za 1 o C in njegove začetne dolžine.
- Varnostna vprašanja
1. Navedite primere, ki kažejo, da se trdne snovi, tekočine in plini pri segrevanju razširijo.
2. Opišite poskus, ki prikazuje toplotno raztezanje tekočin.
3. Kaj je razlog za povečanje prostornine teles med segrevanjem?
4. Kaj poleg temperature določa spremembo velikosti teles med njihovim segrevanjem (ohlajanjem)?
5. V katerih enotah se meri koeficient linearne razteznosti?
- vaje
1. Izberite vse pravilne odgovore. Ko se telo ohladi, potem:
a) hitrost gibanja njegovih molekul se zmanjša;
b) poveča se hitrost gibanja njegovih molekul;
c) razdalja med njegovimi molekulami se zmanjša;
d) razdalja med njegovimi molekulami se poveča.
2. Kako se bo spremenila prostornina balona, če ga prestavimo iz hladnega prostora v toplega? Zakaj?
3. Kaj se zgodi z razdaljami med delci tekočine v termometru, ko se ohladi?
4. Ali je pravilno, da se telo pri segrevanju poveča, ker se poveča velikost njegovih molekul? Če ne, ponudite svojo, popravljeno različico.
5. Zakaj natančni merilni instrumenti kažejo temperaturo?
6. Spomnite se poskusa z bakreno kroglico, ki se je zaradi segrevanja zataknila v obroč (glej sliko 2.32). Kako se je zaradi segrevanja spremenila: prostornina žoge; njegova masa; gostota; povprečna hitrost atomov?
7. Ko je bila para iz vrele vode skozi medeninasto cev, se je dolžina cevi povečala za 1,62 mm. Kolikšen je koeficient linearne razteznosti medenine pri temperaturi 15 0C
Je cev dolga 1 m? Spomnimo vas, da je temperatura vrele vode 100 °C.
8. Platinasta žica dolžine 1,5 m je bila pri temperaturi 0 °C. Zaradi prehajanja električnega toka se je žica segrela in podaljšala za 15 mm. Na kakšno temperaturo je bil segret?
9. Pravokotno bakreno pločevino, katere mere so pri temperaturi 20 0C 60 cm x 50 cm, smo segreli na 600 °C. Kako se je spremenila listna površina?
- Eksperimentalne naloge
1. Kako lahko, če imate desko, kladivo, dva žeblja, žgano svetilko in pinceto, pokažete, da se velikost kovanca za 5 kopeck pri segrevanju poveča? Izvedite ustrezen poskus. Razloži opazovani pojav.
2. Steklenico napolnite z vodo, dokler se v njej ne pojavi zračni mehurček. Steklenico segrejte v vroči vodi. Opazujte, kako se spreminja velikost mehurčka. Razloži rezultat..
Fizika. 7. razred: Učbenik / F. Ya. Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X.: Založba "Ranok", 2007. - 192 str.: ilustr.
Vsebina lekcije opombe pri učnih urah in podporni okvir predstavitev učne ure interaktivne tehnologije pospeševalne metode poučevanja Vadite testi, testiranje spletne naloge in vaje domače naloge delavnice in treningi vprašanja za razprave v razredu Ilustracije video in avdio materiali fotografije, slike, grafi, tabele, diagrami, stripi, prispodobe, izreki, križanke, anekdote, šale, citati Dodatki povzetki goljufije nasveti za radovedne članke (MAN) literatura osnovni in dodatni slovar izrazov Izboljšanje učbenikov in pouka popravljanje napak v učbeniku, nadomeščanje zastarelega znanja z novim Samo za učitelje koledarski načrti programi usposabljanja metodološka priporočilaZrak je po vsem svetu enak.
Pri segrevanju se bo razširil in pri ohlajanju skrčil v kateri koli državi in mestu, v katerem koli mestu ali vasi.
Programska vsebina: Utrditi otrokovo razumevanje lastnosti vode, snega, ledu, razširiti razumevanje lastnosti vode (prozorna, nima oblike in vonja) in zraka (pri segrevanju se širi in pri ohlajanju skrči) spodbujati željo samostojno sklepati in postavljati hipoteze.
Oprema: baloni, plastenke, posode z vročo (največ 60 C) in hladno vodo, podoba balona, sol, sladkor, plastični kozarci, žlice, posode za vodo (bučke, epruvete, steklenice, kozarci), filtri (serviete), led, globus.
Napredek lekcije:
Organizacijski trenutek: Igra "Raketa"
Vzgojitelj: S čim lahko greš na izlet? (odgovor) Danes predlagam uporabo balona.
te moti Potrebujemo pomembnega pomočnika na naši poti. Omenjeno je v uganki.
Prehaja skozi nos v prsni koš
In je na poti nazaj
Je neviden, pa vendar
Ne moremo živeti brez njega.
Zrak je povsod. Poglej okoli. Kdo je videl zrak? (odgovor) Da, zrak je neviden, vendar je vedno okoli nas. Brez tega ne bi mogli živeti, ker... ne bi bilo kaj dihati. Zdaj pa, fantje, preverimo, kako dolgo lahko čakamo brez dihanja. Zakaj ne vidimo zraka? (odgovor) Zrak je neviden, ker. je prozoren. Ali želite videti zrak? Najprej pa ponovimo pravila varnega vedenja pri eksperimentiranju:
- Ne potiskajte svojega soseda, medtem ko delate, najprej ga počistite. Bodite previdni z vročo vodo.
Toda pred poskusi naredimo nekaj vaj za oči.
Telovadba za oči.
Poskus 1: Kozarec spustimo v kozarec - ali pride voda v kozarec? Zakaj ne? (odgovor)
Zaključek: V kozarcu je zrak, vode ne prepušča.
Poskus 2: Nagnite kozarec - kaj se pojavi (mehurčki) Od kod so prišli? (odgovor)
Zaključek: Zrak zapusti kozarec in voda pride na njegovo mesto.
Učitelj odpre sliko balona.
Vzgojitelj: Povejte mi, zakaj je gorilnik pod žogo? (odgovor) Zdaj bomo ugotovili, kaj se zgodi z zrakom, ko ga segrejemo.
Poskus 3: Prazen balon položite na vrat. Steklenice. Držite 1 minuto. V vroči vodi. -Kaj vidiš? (Balon se napihne) Zakaj? (odgovor)
Zaključek: Pri segrevanju se zrak v steklenici razširi in napolni balon, ta se napihne.
Učitelj steklenico z žogo postavi v hladno vodo.
-Kaj vidiš? (žoga se izprazni) Zakaj? (odgovor)
Zaključek: Ko se zrak ohlaja, se stisne in zapusti balon – izprazni se.
Vzgojitelj: Zakaj potrebujete gorilnik? (odgovor) Pri segrevanju se zrak razširi in napolni kroglo. Ko je gorilnik ugasnjen, se zrak postopoma ohlaja in krči – balon se izprazni.
Vzgojiteljica: Pojdimo leteti! Zasedite se. Letimo. (Otroci se usedejo na stole. Učitelj vzame globus.) Poglejte globus. Tako izgleda naša zemlja iz vesolja. Kaj je na globusu prikazano v modri barvi? (Voda) Poslušaj pesem o vodi.
Ste že slišali za vodo?
Pravijo, da je povsod!
V mlaki, morju, oceanu
In vodno pipo.
Kot ledenica zmrzne,
Megla se plazi v gozd,
Na štedilniku vre,
Para iz kotlička sika,
Raztaplja sladkor v čaju.
Tega ne opazimo.
Navajeni smo, da voda
Naš spremljevalec vedno!
Brez vode se ne moremo umiti,
Ne jej, ne napij se.
Izzivam vas, da prijavite #150
Brez vode ne moremo!
Vzgojitelj: In res, težko si je predstavljati življenje brez vode. Pozor, tukaj smo! Pristanimo! (Otroci gredo ven.) Nekdo nam stoji na poti. WHO? (To je morski človek)
Vodyanoy: Pozdravljeni! Zelo sem vesel, da te vidim! Rada čofotam z bosimi nogami po lužah, plavam, čofotam. Po tem se prozorne kapljice svetlikajo na rokah in nogah na sončni svetlobi. Ampak ne razumem: kam potem ta voda izgine? In tudi pozimi sem hotel plavati v svoji najljubši reki, a namesto vode je bil led. Od kod je prišel?
Vzgojitelj: Poskusimo odgovoriti na vprašanja. Če želite to narediti, se morate oborožiti s pozornostjo in potrpežljivostjo. Pojdimo v laboratorij.
Prstna gimnastika.
Vzgojitelj: V vodni sobi bodo fantje pokazali, kakšne lastnosti ima voda. Prosimo, upoštevajte: na mizi je led. K temu se bomo vrnili kasneje.
4. poskus: v zeta postavite kozarec čiste vode in jo povonjajte.
Vzgojitelj: Ali ima voda vonj? (Ne, voda nima vonja.)
Zaključek: Voda nima vonja.
5. poskus: Na sliko postavimo kozarec, nanj pa kozarec mleka z vodo.
Vzgojitelj: Ali vidite, kaj je narisano na sliki? (Kjer je voda, vidiš, tam, kjer je mleko, pa ne.)
Zaključek: voda je čista.
6. poskus: V kozarec damo žlico sladkorja ali soli in premešamo.
Vzgojitelj: kaj se je zgodilo? (sladkor se je raztopil)
Sklep: Voda je topilo za nekatere snovi.
Poskus 7: V različne posode nalijemo vodo.
Vzgojitelj: Kakšno obliko je imela voda? (Oblika posode, v katero je bilo vlito)
Sklep: Voda nima stalne oblike, ima obliko posode, v katero se nalije.
Lekcija telesne vzgoje: Igra "Zrak, ogenj, voda, zemlja"
Vzgojitelj: Fantje, pojdimo do mize, na kateri je bil led. Kaj vidite? Zakaj se je to zgodilo?
Vodyanoy: škoda, da se je led stopil, tako rad ga jem.
Vzgojiteljica: Kaj praviš? Žledu in ledu ne smete jesti! Zakaj? Dokažimo, da je led umazan. (filtrirajmo)
Poskus 8: Talimo vodo iz plošče v lij s filtrom.
Vzgojitelj: Čist ali umazan led? Zakaj? Voden, ali lahko jem led ali ne?
Vodyanoy: kaj govoriš! Nikoli več ne bom jedel ledu in snega.
Vzgojitelj: poglejmo lastnosti vode.
Vodyanoy: Hvala. Lastnosti vode si bom zapomnil in jih nikoli ne bom pozabil. Tukaj je nekaj balonov za vas kot spomin na to potovanje. Adijo.
Vzgojitelj: Čas je, da se vrnemo v vrtec. Zasedite se. Zapremo oči. En, dva, tri. Prispeli smo.
Človek! Zapomni si za vedno:
Simbol življenja na Zemlji je voda!
Shranite ga in poskrbite zanj.
Nismo sami na planetu!
Če povzamem. Kaj ste se naučili o vodi?
Kaj je bilo uporabljeno:
- električni štedilnik
- tekoči dušik
- balon
- konfeti
- plastična steklenica
Opis:
Zelo vizualna izkušnja! Mnogi domnevajo, da se snovi pri segrevanju povečajo v prostornini, pri ohlajanju pa se zmanjšajo. Ni pomembno, ali je trdna snov, tekočina ali plin. Vse spreminja velikost. Samo v običajnem življenju je težko verjeti v kaj takega. Natočiš si dve zajemalki juhe in jo segreješ. Kakor sta bila dva, tako dva ostaneta. Pa tudi ponev v hladilniku ne bo zavzela manj prostora, ko se ohladi.
Pravzaprav se spremeni glasnost.
Le malo, človeškemu očesu neopazno. Pri segrevanju postanejo molekule v snovi bolj gibljive in se začnejo oddaljevati druga od druge. Razdalja je večja - glasnost je večja. Pri ohlajanju je ravno obratno. Trdne snovi imajo najmočnejše vezi med molekulami, tekočine najšibkejše, plini pa najšibkejše. Torej se izkaže, da plin lažje spreminja prostornino kot snovi v drugih agregatnih stanjih.
Zdaj pa o pogojih. Višja kot je temperatura, večja je hitrost molekul in bolj se poveča prostornina. Večja kot je hitrost ohlajanja ali segrevanja (razlika v temperaturi med snovjo in okoljem), hitreje bo viden rezultat.
Da jo učvrstimo in steklenico vrnemo v prejšnjo obliko, ponovimo postopek s segrevanjem.
Viri:
Ščurki niso dovoljeni: Znano je, da kolikor se borite s ščurki, a če jih imajo vaši sosedje, bodo zagotovo spet prišli k nam. Najlažji način za njih je prezračevalna gred. Odstranite rešetko iz prezračevalne odprtine in na njeno hrbtno stran pritrdite (lahko prilepite) najlonsko nogavico. Zdaj nobeno živo bitje ne bo vstopilo v vaše stanovanje.
Enostavno in močno lepilo za les: Lepilo za les lahko naredite sami. Dovolj je, da vzamete malo skute in jo raztopite v amoniaku. Za 100g. amoniak, 25 g. skuto. Lesene površine je treba skrbno prilagoditi drug drugemu, tako da ni nobenih rež, zamazati in tesno pritrditi s sponami.
Kaj se zgodi z zrakom pri segrevanju in ohlajanju
Izvedli smo tak poskus. V bučko smo vstavili zamašek s stekleno cevko.
Konec cevi smo spustili v kozarec vode. Bučko smo segreli tako, da smo jo prijeli z rokami. Kmalu so opazili, da so iz cevi začeli izhajati zračni mehurčki. To se je zgodilo, ker se zrak pri segrevanju razširi in ne gre v bučko.
Izvedli smo drugi poskus. Na bučko, s katero so izvedli prvi poskus, so položili krpo, navlaženo s hladno vodo. Voda iz kozarca je začela vstopati v cev in se po njej dvigovati. To pomeni, da se zrak med ohlajanjem stisne.
Da bi bolje videli, kako se voda dviga skozi cev, je bila predhodno obarvana.
Zrak se tako kot tekočine in trdne snovi pri segrevanju širi in pri ohlajanju krči.
Zrak je po vsem svetu enak. Pri segrevanju se bo razširil in pri ohlajanju skrčil v kateri koli državi in mestu, v katerem koli mestu ali vasi.
Če želite komunicirati z državljani drugih držav, se morate naučiti njihov jezik. To lahko na primer storite z obiskovanjem različnih šol angleškega jezika. Če znate tuj jezik, potem lahko na internetu vprašate Britance, Nemce ali Francoze, kako se obnaša zrak v njihovi državi. In lahko ste prepričani, da imajo vsi zrak, ki se pri segrevanju razširi in pri ohlajanju skrči, ne glede na območje, kjer živijo, in jezik, ki ga govorijo.
     
Zrak ima še eno zanimivo lastnost – slabo prevaja toploto. Mnoge rastline, ki prezimijo pod snegom, ne zmrznejo, ker je med mrzlimi snežnimi delci veliko zraka in snežni zamet spominja na toplo odejo, ki pokriva stebla in korenine rastlin. Jeseni se talijo veverica, zajec, volk, lisica in druge živali. Zimsko krzno je gostejše in bolj bujno kot poletno. Med gostimi dlakami se zadrži več zraka in živali v zasneženem gozdu se ne bojijo zmrzali.
(Učitelj napiše na tablo.)
Zrak je slab prevodnik toplote.
Torej, kakšne lastnosti ima zrak?
V. Minuta telesne vzgoje
VI. Utrjevanje naučene snovi Reševanje nalog v delovnem zvezku
št. 1 (str. 18).
- Preberi nalogo. Preglej risbo in na shemi označi, katere plinaste snovi so del zraka (Samopreverjanje s shemo v učbeniku na str. 46.)
št. 2 (str. 19).
Preberi nalogo. Zapiši lastnosti zraka. (Po opravljeni nalogi se izvede samotestiranje z zapiski na tabli.)
št. 3 (str. 19).
- Preberi nalogo. Katere lastnosti zraka moramo upoštevati, da nalogo pravilno opravimo? (Ko se zrak segreje, se razširi; ko se ohladi, se skrči.)
Kako razložiti, da se zrak pri segrevanju širi? Kaj se zgodi z delci, ki ga sestavljajo? (Delci se začnejo premikati hitreje in vrzeli med njimi se povečajo.)
— V prvi pravokotnik nariši, kako so razporejeni delci zraka pri segrevanju.
— Kako razložiti, da se zrak pri ohlajanju stisne? Kaj se zgodi z delci, ki ga sestavljajo? (Delci se začnejo premikati počasneje in prostori med njimi postanejo manjši.)
— V drugi pravokotnik narišite, kako so razporejeni delci zraka, ko se ohladijo.
št. 4 (str. 19).
— Preberi nalogo. Kakšna lastnost zraka pojasnjuje ta pojav? (Zrak je slab prevodnik toplote.)
VII. Odsev
Skupinsko delo
- Preberite prvo nalogo v učbeniku na str. 48. Poskusite razložiti lastnosti zraka.
- Preberi drugo nalogo na str. 48. Sledite.
— Kaj onesnažuje zrak? (Industrijska podjetja, transport.)
Pogovor
Nedaleč od moje hiše je tovarna. Iz svojih oken vidim visok zidan dimnik. Iz nje se podnevi in ponoči valijo gosti črni oblaki dima, zaradi katerih se obzorje za vedno skrije za gosto, serozno zaveso. Včasih se zdi, kot da je to hud kadilec, ki dimi mesto s svojo neugasljivo pipo Gulliver. Vsi kašljamo, kihamo, nekateri morajo celo v bolnišnico. In vsaj za “kadilca”: samo puf in puf, puf in puf.
Otroci jokajo: nagnusna tovarna! Odrasli so jezni: takoj zaprite!
In vsi slišijo v odgovor: kako tako "grodo"?! Kako tako “zapreti”?!
Naša tovarna proizvaja blago za ljudi. In na žalost ni dima brez ognja. Če pogasimo plamene peči, se bo tovarna ustavila in blaga ne bo.
Nekega jutra sem se zbudil, pogledal skozi okno - ni bilo dima! Velikan se je nehal kaditi, tovarna je na mestu, dimnik še štrli ven, a dima ni. Zanima me, kako dolgo? Pa vidim: jutri ni dima, pa pojutrišnjem, pa pojutrišnjem ... Ali so res popolnoma zaprli tovarno?
Kam je šel dim? Sami so rekli, da ni dima brez ognja.
Kmalu je postalo jasno: končno so uslišali naše neskončne pritožbe – na tovarniški dimnik so pritrdili lovilnik dima, lovilec dima, ki preprečuje, da bi sajasti delci leteli iz dimnika.
In tukaj je zanimivo. Zdi se, da nihče ni potreboval in celo škodljiv dim je bil prisiljen narediti dobro delo. Zdaj se tu (oziroma saje) skrbno zbira in pošilja v tovarno plastike. Kdo ve, morda je tale moj flomaster narejen iz istih saj, ki jih lovijo lovilci dima. Z eno besedo, lovilci dima koristijo vsem: nam, prebivalcem mesta (ne zbolimo več), in tovarni sami (prodaja saje in jih ne zapravlja kot prej) in kupcem plastičnih izdelkov (tudi flomasterjev). pisala).
Poimenujte načine za zaščito čistosti zraka. (Enote za čiščenje zraka, električna vozila.)
- Da bi očistili zrak, ljudje sadijo drevesa. Zakaj? (Rastline absorbirajo ogljikov dioksid in sproščajo kisik.)
Oglejmo si list drevesa od blizu. Spodnja površina lista je prekrita s prozorno folijo in posejana z zelo majhnimi luknjami. Imenujejo se "ustice"; dobro jih lahko vidite le s povečevalnim steklom. Odpirajo se in zapirajo ter zbirajo ogljikov dioksid. V svetlobi sonca iz vode, ki se dviga iz korenin po steblih rastlin, in ogljikovega dioksida v zelenih listih nastajajo sladkor, škrob in kisik.
Ni zaman, da rastline imenujejo "pljuča planeta".
Kako čudovit zrak v gozdu! Vsebuje veliko kisika in hranilnih snovi. Navsezadnje drevesa oddajajo posebne hlapne snovi - fitoncide, ki ubijajo bakterije. Človeku zelo blagodejno delujejo smolnati vonji smreke in bora, vonj breze, hrasta in macesna. Toda v mestih je zrak popolnoma drugačen. Smrdi po bencinu in izpušnih plinih, saj je v mestih veliko avtomobilov, obratujejo tovarne in tovarne, ki tudi onesnažujejo zrak. Vdihavanje takega zraka je za človeka škodljivo. Za čiščenje zraka sadimo drevesa in grmovnice: lipo, topol, lilo.
⇐ Prejšnja12345678910Naslednja ⇒
Naprave, v katerih pride do izmenjave toplote, se imenujejo izmenjevalci toplote.
Najenostavnejši tip toplotnega izmenjevalnika je mogoče izdelati tako, da se ena cilindrična cev vstavi v drugo. Če spustimo hladen zrak skozi zunanjo cev od spodaj in topel zrak proti njej skozi notranjo cev, se bo ta ohladila in predala svojo toploto hladnemu zraku, ki teče skozi zunanjo cev. V takem izmenjevalniku toplote tudi pri nizki temperaturi hladnega zraka ni mogoče doseči dobrega hlajenja plina, ki prihaja od zgoraj.
Obstajajo bolj zapletene izvedbe toplotnih izmenjevalnikov, v katerih je notranja cev izdelana v obliki spirale ali pa je nadomeščena z velikim številom cevi majhnega premera. To poveča kontaktno površino cevi s hladnim zrakom, ki teče mimo njih.
Toplotni izmenjevalniki so izdelani predvsem iz rdečega bakra. Ima dobro toplotno prevodnost.
Zunanjost izmenjevalnikov toplote je prekrita s toplotnoizolacijskim materialom, ki jih ščiti pred zunanjo toploto. Dober izmenjevalnik toplote lahko ohladi zrak na zelo nizke temperature, vendar je za to potreben še hladnejši zrak.
Kje ga lahko dobim?
Če plin hitro stisneš, se segreje; če se hitro razširi, se ohladi.
Spustite stisnjen zrak skozi porozni čep, vstavljen v sredino majhne cevi. Pritisnite bat. Leva stran cevi, kjer je zrak stisnjen, se segreje. Istočasno se bo desna stran cevi, kamor vstopa stisnjen zrak, opazno ohladila in razširila, ko izstopa skozi čep.
Fiziki pojasnjujejo segrevanje plina pri njegovem stiskanju s tem, da ko se prostornina stisnjenega plina zmanjša, se molekule tako približajo druga drugi, da začnejo med njimi delovati privlačne sile, molekule plina se še bolj zbližajo - delo je končano, kar kaže na dodatno stiskanje. Toplota se sprosti in temperatura plina se dvigne.
S hitrim širjenjem stisnjenega plina se njegova prostornina poveča. Molekule plina se sicer radi odmikajo druga od druge, vendar privlačne sile to preprečujejo. Delo se porabi za premagovanje privlačnih sil, nekaj toplote se porabi in plin se ohladi.
Količina, za katero se med ekspanzijo zniža temperatura plina, je odvisna od začetnega in končnega tlaka. V praksi je splošno sprejeto, da ko se tlak zmanjša za 1 atmosfero, se temperatura plina zmanjša.
Če stisnete določeno prostornino zraka na 200 atmosfer v posebnem stroju, imenovanem kompresor, nato pa ga spustite skozi posebno pipo - ekspanzijski ventil - in pustite, da se hitro razširi na prvotno prostornino, bo njegova temperatura padla za približno 50 °. . Če je bila temperatura stisnjenega zraka pred prehodom skozi ekspanzijsko ali dušilno loputo 10°, bo po njegovi ekspanziji postala -40°. Nižja kot je temperatura stisnjenega zraka pred ekspanzijo, nižja bo po dušenju, to je po prehodu skozi ozko režo dušilne lopute. S postopnim zniževanjem temperature stisnjenega zraka lahko dosežete temperaturo, pri kateri se začne utekočinjati.
Toda preden začnete proizvajati tekoči zrak, ga je treba očistiti.
Zrak običajno vsebuje veliko prahu - majhnih trdnih delcev peska in premoga. V povprečju kubični meter zraka vsebuje do 0,01 grama nečistoč. Mehanske nečistoče, ki pridejo med drgneče dele kompresorja, tvorijo praske in povzročijo prezgodnjo obrabo stroja. Zato je treba zrak očistiti prahu.
Za čiščenje zraka se uporabljajo posebni oljni filtri, ki so nameščeni na sesalni cevi kompresorja.
Nastajanje megle pri ohlajanju vlažnega zraka.
Poleg mehanskih nečistoč vsebuje zrak vlago, ogljikov dioksid in druge plinaste primesi.
Količina vlage v zraku je odvisna od njegove temperature.
Največja količina vlage v 1 kubičnem metru zraka pri temperaturi -30 ° je približno 0,1 grama, pri temperaturi 30 ° pa približno 30 gramov.
Ko se zrak rahlo ohladi, vodna para kondenzira in se spremeni v meglo.
V kozarec nalijemo nekaj vode in ga zapremo z zamaškom, vanj vstavimo cevko. Na cev položite gumijasto mehko in jo stisnite, da gre ves zrak iz mehke v kozarec. V banki se bo povečal pritisk. Če po nekaj izpostavljenosti hitro zrahljate žarnico, se bo zrak v kozarcu razširil in ohladil - v kozarcu se bo pojavila megla. To pomeni, da je vodna para, ki je bila v kozarcu skupaj z zrakom, kondenzirala. Najmanjše kapljice vode so bile enakomerno porazdeljene po celotni prostornini.
Pri nižjih temperaturah vlaga zmrzne in nastane zmrzal, ki se lahko kot led usede na stene opreme.
Če zrak, ki vsebuje vlago, vstopi v izmenjevalnik toplote ali ekspanzijski ventil, se na njunih stenah najprej oblikuje tanka, nato pa debelejša plast ledu. Da preprečite, da bi led zamašil cevi, je treba zrak posušiti, preden ga lahko ohladite.
Zrak lahko posušimo tako, da ga spustimo skozi porozne snovi, ki lahko absorbirajo vlago. Takšni snovi sta silikagel in posebej obdelan – aktiviran – aluminijev oksid. Ko te snovi vpijejo toliko vlage, da nehajo sušiti zrak, se kalcinirajo in ponovno uporabijo za sušenje.
Vlago iz zraka lahko absorbirate tudi s kavstično sodo ali žganim kalcijevim kloridom. Te snovi so naložene v posebne jeklenke, skozi katere prehaja zrak. Po prehodu skozi njih postane zrak popolnoma suh.
V velikih napravah, ki proizvajajo kisik, se vlaga zamrzne v posebnih pastih - zamrzovalnikih, kjer se temperatura vzdržuje pri -40-50 °. Ko se v enem lovilniku nabere veliko ledu, se zrak preklopi v drugi lovilec, prvi pa se segreje. Led se stopi in skozi posebno pipo iz njega odteče voda.
Ko zrak očistite prahu in ga posušite, še ne morete začeti utekočinjanja.
V zraku je ogljikov dioksid. Pri temperaturi približno -80° se ta plin spremeni v snegu podobno gmoto, ki ob nadaljnjem ohlajanju tvori trdno snov, podobno ledu.
Če kos takega ledu položimo na čist list belega papirja, se bo led postopoma začel zmanjševati in za seboj ne bo pustil sledi. Zdaj je popolnoma izginil, vendar je papir ostal enako čist in suh. Suhi led je trden ogljikov dioksid. Široko se uporablja v prehrambeni industriji.
Za pridobivanje tekočega zraka je nemogoče storiti brez čiščenja plinastega zraka iz ogljikovega dioksida. V nasprotnem primeru se bo čez nekaj časa v hladilni enoti nabrala velika količina suhega ledu, ki jo lahko poškoduje.
Kako očistiti zrak pred ogljikovim dioksidom?
Raztopino alkalije postavimo v kolono, skozi katero teče zrak. Ogljikov dioksid v zraku se združi z natrijevim hidroksidom in tvori sol. Zrak, ki izstopa iz kolone, praktično ne vsebuje ogljikovega dioksida.
Ko plinasti zrak očistite vseh nečistoč, ki bi lahko motile njegovo utekočinjenje, lahko začnete proizvajati tekoči zrak.
Za to je potrebno povezati kompresor, preprost hladilnik, izmenjevalnik toplote in ekspanzijski ventil po hladilnem ciklu z dušenjem.
Vnaprej očiščen zrak se pošlje v kompresor in stisne na 200 atmosfer; Ker se bo zrak segreval, ga je treba ohladiti tako, da ga spustimo skozi navaden hladilnik s tekočo hladno vodo. Stisnjen plin, ki gre skozi notranjo cev v hladilniku, bo svojo toploto predal vodi, ki cev opere od zunaj. Plin bo prišel iz hladilnika hladnejši kot iz kompresorja: njegova temperatura bo približno 10 °.
Stisnjen zrak iz hladilnika je usmerjen v izmenjevalnik toplote. Ker pa izmenjevalnik toplote še ni nič ohlajen, bo plin šel skozenj brez spreminjanja temperature in ko vstopi v dušilni ventil, se bo v njem razširil. Pri ekspanziji se bo plin ohlajal in prehajal v utekočinjevalnik, iz utekočinjevalnika pa nazaj v izmenjevalnik toplote. Od tega trenutka se začne delo izmenjevalnika toplote.
Zrak, ki prihaja iz utekočinjevalnika, bo ohladil stisnjen zrak, ki prihaja iz kompresorja. Temperatura stisnjenega zraka po prehodu skozi ekspanzijski ventil bo še bolj padla in bo ob odhodu skozi toplotni izmenjevalnik v ozračje dodatno ohladila sveže dele vhodnega stisnjenega zraka.
Tako se vsako minuto temperatura zraka, ki vstopa v ekspanzijski ventil, samodejno vedno bolj zmanjšuje. Končno pride trenutek, ko se zrak tako ohladi, da se del utekočini.
Tekoči zrak se zbira v utekočinjalniku, od koder se odvaja skozi pipo.
Neutekočinjen del zraka vstopi v izmenjevalnik toplote pri temperaturi okoli -190°, zapusti pa ga pri temperaturi blizu sobne temperature. Skozi hladilno enoto poteka neprekinjeno utekočinjenje majhnega dela zraka.
V opisanem ciklu se le 5 odstotkov pretečenega zraka spremeni v tekoče stanje, večina se ne utekočini in gre nazaj v ozračje.
To je razloženo z dejstvom, da ima dušilni cikel nizko produktivnost hlajenja, kar pomeni, da je poraba energije za stiskanje plina na visok tlak velika, znižanje temperature med dušenjem raztezanja plina pa je majhno. Hladilni cikel je zasnovan preprosto, vendar ni zelo ekonomičen.
Znanstveniki so začeli vztrajno iskati bolj ekonomične načine za pridobivanje tekočega zraka. Ugotovljeno je bilo, da če stisnjen zrak ekspandiramo v valju batnega motorja ali na lopaticah rotorja - vrtljivem delu zračne turbine - in ga med ekspanzijo prisilimo k zunanjemu delu, se bo zrak ohladil veliko bolj kot pri ekspanziji v dušilni ventil, kjer se izvaja samo notranje delo, ki gre za premagovanje sil medsebojnega privlačenja molekul.
Stroji, v katerih pride do ekspanzije stisnjenega plina za ustvarjanje zunanjega dela, se imenujejo ekspanderji.
Hlajenje plina v ekspanderju je toliko večje, kolikor več dela povzroči med ekspanzijo. Za hlajenje plina v ekspanderju ni potreben visok tlak.
Zadostuje tlak 50-60 atmosfer. Temperatura plina pri največji ekspanziji bo padla na -120-125 °. Torej, ko se tlak plina v ekspanderju zmanjša za 1 atmosfero, temperatura pade za približno 2 ° - 8-krat več kot pri dušenju.
Produktivnost hladilnega cikla z ekspanderjem je 2-3 krat višja od produktivnosti cikla z dušenjem. Od vsega zraka, ki gre skozi tak sistem, se ne utekočini 5, ampak 10-15 odstotkov. Poraba energije za stiskanje plina v srednjetlačnem hladilnem ciklu z ekspanderjem je približno 3-krat manjša kot v hladilnem agregatu z dušilko.
V namestitvi z ekspanderjem zrak, stisnjen na 40-50 atmosfer, najprej vstopi v hladilnik, kjer se ohladi z vodo iz pipe. Iz hladilnika ves zrak pride v prvi izmenjevalnik toplote, kjer se dodatno ohladi.
Pri izstopu iz prvega izmenjevalnika toplote se stisnjen zrak izpušča v dveh smereh. Večina plina se preusmeri v ekspander, kjer se razširi na 1 atmosfero in se močno ohladi.
Zrak, ohlajen v ekspanderju, se preko toplotnih izmenjevalcev usmeri v ozračje. Na poti jemlje toploto iz prihajajočega zraka, ki prihaja iz kompresorja.
Preostali del stisnjenega zraka se ohladi v drugem izmenjevalniku toplote in vstopi v ekspanzijski ventil. Ko se zrak širi, se še bolj ohladi in ko doseže temperaturo utekočinjenja, se delno utekočini. Tekoči zrak se zbira v utekočinjalniku. Neutekočinjen, hladen del zraka se preko toplotnih izmenjevalcev usmeri v ozračje. Ko se tekoči zrak kopiči, se izsuši.
Relativno nedavno je eden od inštitutov Akademije znanosti ZSSR razvil metodo za proizvodnjo tekočega zraka v nizkotlačnih napravah.
Če najdete napako, označite del besedila in kliknite Ctrl+Enter.
Sošolci
Voda in tekoča telesa
Pri segrevanju se tekoča telesa v nasprotju s trdnimi snovmi močno razširijo. Aceton ima precej velik toplotni raztezek. Za vodo in živo srebro je značilno najmanjše toplotno raztezanje.
Vsi vedo, da se bo vsako ohlajeno telo skrčilo. Voda velja za izjemo (vodna anomalija). Hlajenje vode na +4°C povzroči zmanjšanje prostornine, vendar se bo z nadaljnjim ohlajanjem s +4°C na 0°C prostornina spet povečala.
Zato bo imela voda pri temperaturi +4°C največjo gostoto. To pojasnjuje, zakaj led plava na vodi in zakaj zmrznjena vodovodna cev poči.
Plinasta telesa
Ogrevanje zraka v kateri koli prostornini bo povzročilo njegovo širitev.
Gostota segretega zraka glede na neogret zrak se zmanjša, zato se vroč zrak dvigne navzgor.
Pri segrevanju se plin razširi veliko bolj kot tekočina. Plin, ki je v zaprti posodi, se pri segrevanju ne razširi. Povečan tlak plina lahko povzroči, da posoda poči.
Več zanimivih člankov:
Številne kovine in zlitine, segrete na visoke temperature, postanejo plastične. Železo, jeklo, baker, aluminij, magnezij, medenina, aluminijev železov bron, duraluminij in nekatere druge kovine in zlitine pri segrevanju pridobijo sposobnost kovanja in spreminjajo svojo obliko brez uničenja. Druge kovine in zlitine, na primer siva litina, kositrov bron, cinkove zlitine, pri segrevanju ne pridobijo sposobnosti deformacije; ob udarcu in stiskanju postanejo krhke in se zrušijo. Pri železu in jeklu običajno velja, da višja kot je temperatura ogrevanja, večja je duktilnost. Tako na primer za jeklo, segreto na. 950 ° bo potrebna 2,2-krat večja sila kovanja kot za jeklo, segreto na 1200 °, za jeklo, segreto na 700 °, pa bo potrebna 4,5-krat večja sila.
Mimogrede, izboljšanje duktilnosti se nanaša na temperature ogrevanja nad 600 °, to je, ko se v jeklu začnejo pojavljati notranje transformacije, o katerih bomo podrobneje razpravljali kasneje. Pri segrevanju od sobne temperature, to je od 15° do 600°, se trdnost jekla ne spremeni enako, in sicer: do temperature 300° se natezna trdnost ogljikovega jekla poveča in šele pri segrevanju nad 300° se začne zmanjšati. Vendar pa ob pridobivanju povečane natezne trdnosti pri temperaturi približno 300 ° jeklo pri teh temperaturah postane krhko in pridobi, kot pravijo, modro krhkost.
Pri temperaturah blizu 600 ° se natezna trdnost jekla zelo močno zmanjša. Torej, če vzamemo navadno ogljikovo jeklo razreda 45, potem njegova natezna trdnost pade s 60 kg/mm2 pri 15° na 25 kg/mm2 pri 600°, torej več kot dvakrat. Pri temperaturah nad 600° je zmanjšanje natezne trdnosti počasnejše, vendar še vedno zelo pomembno. Tako ima jeklo razreda 45 pri temperaturi 700 ° natezno trdnost 15 kg / mm2; pri 1000° -5,5 kg/mm2; pri 1200° - 2,5 kg/mm2; pri 1300° - 2,0 kg/mm2. Tako se trdnost jekla, segretega na temperaturo 1200-1300 °, zmanjša za približno 25-30-krat v primerjavi s hladnim jeklom.
Pri segrevanju barvnih kovin in zlitin opazimo podobno sliko. Edina razlika je v tem, da se vse njihove kritične temperature premaknejo navzdol, ker imajo nižje tališče kot jeklo. Na primer, pri segrevanju na 800 ° se trdnost bakra zmanjša za 6-7 krat, trdnost aluminija pri segrevanju na 600 ° se zmanjša za 30-35 krat.
Tako segrete kovine postanejo 25-35-krat manj trpežne. Posledično v segretem stanju zahtevajo približno enako manj napora in porabe energije za njihovo deformacijo.
Če jeklo segrejemo še dlje, to je na še višjo temperaturo - nad 1300°, potem postanejo zrna zelo velika in lahko se začne njihovo hitro taljenje. To pogosto prepreči sama peč, ki ne more zagotoviti temperature, potrebne za taljenje jekla - več kot 1400° Ko se zrna ali kristali začnejo taliti, bo zračni kisik prodrl v medkristalni prostor in na robovih oblikoval krhek film železovih oksidov. zrn. Kovina se začne sesedati najprej na površini, nato pa uničenje prodre v globino obdelovanca. To je žgano jeklo. Da bi preprečili pregorevanje, ki je nepopravljiva napaka, morate natančno vedeti, kakšno najvišjo temperaturo lahko proizvede peč in poskrbeti, da se obdelovanci pri tej temperaturi segrevajo le zahtevan kratek čas.
S spreminjanjem strukture se spreminjajo tudi mehanske lastnosti kovine. Večja kot so zrna, manjšo trdnost ima jeklo, pa ne le zaradi lastne kovine, temveč tudi zaradi medkristalnega prostora, v katerem se nahajajo različni, manj močni nekovinski materiali, na primer žveplo in fosfor, ki se stopita. pri nizkih temperaturah. Ogreto kovino s povečanimi kristali je lažje raztegniti, zato je za stiskanje potrebna manjša sila.
Japonski fizik Masakazu Matsumoto je postavil teorijo, ki pojasnjuje, zakaj se voda pri segrevanju od 0 do 4 °C skrči namesto razširi. Po njegovem modelu voda vsebuje mikroformacije - "vitrite", ki so konveksni votli poliedri, katerih oglišča vsebujejo molekule vode, robovi pa vodikove vezi. Ko se temperatura dvigne, tekmujeta dva pojava: raztezanje vodikovih vezi med molekulami vode in deformacija vitritov, kar vodi do zmanjšanja njihovih votlin. V temperaturnem območju od 0 do 3,98°C slednji pojav prevladuje nad učinkom raztezanja vodikovih vezi, kar na koncu da opazovano stiskanje vode. Eksperimentalne potrditve Matsumotovega modela, kot tudi drugih teorij, ki pojasnjujejo stiskanje vode, še ni.
Za razliko od velike večine snovi lahko voda pri segrevanju zmanjša svojo prostornino (slika 1), to pomeni, da ima negativen koeficient toplotnega raztezanja. Vendar ne govorimo o celotnem temperaturnem območju, kjer je voda v tekočem stanju, ampak le o ozkem delu - od 0°C do približno 4°C. Z b O Pri višjih temperaturah se voda tako kot druge snovi razširi.
Mimogrede, voda ni edina snov, ki ima lastnost krčenja, ko se temperatura poveča (ali razširi, ko se ohladi). S podobnim obnašanjem se lahko pohvalijo tudi bizmut, galij, silicij in antimon. Vendar pa je voda tista, ki pritegne pozornost znanstvenikov zaradi svoje bolj zapletene notranje zgradbe ter razširjenosti in pomena v različnih procesih (glej Študij strukture vode se nadaljuje, “Elementi”, 10/09/2006 ).
Pred časom je bila splošno sprejeta teorija, ki je odgovarjala na vprašanje, zakaj voda poveča svojo prostornino z nižanjem temperature (slika 1), model mešanice dveh komponent - »normalne« in »ledene«. To teorijo je v 19. stoletju prvi predlagal Harold Whiting, kasneje pa so jo razvili in izboljšali številni znanstveniki. Relativno nedavno, v okviru odkritega polimorfizma vode, je bila Wietingova teorija premišljena. Zdaj se domneva, da obstajata dve vrsti ledu podobnih nanodomen v prehlajeni vodi: amorfna ledu podobna območja z visoko in nizko gostoto. Segrevanje prehlajene vode povzroči taljenje teh nanostruktur in pojav dveh vrst vode: z večjo in z manjšo gostoto. Zvito temperaturno tekmovanje med dvema "razredoma" nastale vode povzroči nemonotono odvisnost gostote od temperature. Vendar pa ta teorija še ni bila eksperimentalno potrjena.
Pri tej razlagi morate biti previdni. Ni naključje, da tukaj govorimo samo o strukturah, ki spominjajo na amorfni led. Dejstvo je, da imajo nanoskopske regije amorfnega ledu in njegovi makroskopski analogi različne fizikalne parametre.
Japonski fizik Masakazu Matsumoto se je odločil najti razlago za tukaj obravnavan učinek "iz nič", pri čemer je zavrgel teorijo dvokomponentne mešanice. S pomočjo računalniških simulacij si je ogledal fizikalne lastnosti vode v širokem temperaturnem območju – od 200 do 360 K pri ničelnem tlaku –, da bi na molekularni ravni razumel prave razloge za širjenje vode, ko se ohladi. Njegov članek v reviji Physical Review Letters imenuje se: Zakaj se voda razširi, ko se ohladi? (»Zakaj se voda razširi, ko se ohladi?«).
Sprva je avtor članka postavil vprašanje: kaj vpliva na koeficient toplotnega raztezanja vode? Matsumoto meni, da je za to dovolj ugotoviti vpliv le treh dejavnikov: 1) spremembe dolžine vodikovih vezi med molekulami vode, 2) topološki indeks - število vezi na molekulo vode in 3) odstopanje od kota med vezmi od ravnotežne vrednosti (kotna distorzija).
Preden spregovorimo o rezultatih, ki jih je dobil japonski fizik, bomo podali pomembne pripombe in pojasnila v zvezi z zgornjimi tremi dejavniki. Prvič, običajna kemijska formula vode, H 2 O, ustreza samo njenemu stanju pare. V tekoči obliki so molekule vode združene v skupine (H 2 O) preko vodikove vezi. x, Kje x- število molekul. Energijsko najbolj ugodna kombinacija petih molekul vode ( x= 5) s štirimi vodikovimi vezmi, v katerih nastanejo vezi ravnovesje, tako imenovani tetraedrski kot, kar je enako 109,47 stopinj (glej sliko 2).
Po analizi odvisnosti dolžine vodikove vezi med molekulami vode od temperature je Matsumoto prišel do pričakovanega zaključka: zvišanje temperature povzroči linearni raztezek vodikovih vezi. In to posledično vodi do povečanja prostornine vode, torej do njenega širjenja. To dejstvo je v nasprotju z opazovanimi rezultati, zato je dodatno preučil vpliv drugega faktorja. Kako je koeficient toplotne razteznosti odvisen od topološkega indeksa?
Računalniško modeliranje je dalo naslednji rezultat. Pri nizkih temperaturah največjo prostornino vode v odstotkih zavzamejo vodni grozdi, ki imajo 4 vodikove vezi na molekulo (topološki indeks je 4). Zvišanje temperature povzroči zmanjšanje števila asociatov z indeksom 4, hkrati pa se začne povečevati število grozdov z indeksoma 3 in 5. Po opravljenih numeričnih izračunih je Matsumoto odkril, da lokalni volumen grozdov s topološkim Indeks 4 se praktično ne spremeni z naraščajočo temperaturo, sprememba skupne prostornine sodelavcev z indeksoma 3 in 5 pri kateri koli temperaturi pa se medsebojno kompenzira. Posledično sprememba temperature ne spremeni celotne prostornine vode, zato topološki indeks nima nobenega vpliva na stiskanje vode, ko se segreje.
Še vedno je treba pojasniti učinek kotnega popačenja vodikovih vezi. In tu se začne najbolj zanimivo in pomembno. Kot je navedeno zgoraj, se molekule vode nagibajo k združevanju, tako da je kot med vodikovimi vezmi tetraedričen. Toplotne vibracije molekul vode in interakcije z drugimi molekulami, ki niso vključene v grozd, pa jim to preprečujejo, kar vodikovo vezni kot odstopa od ravnotežne vrednosti 109,47 stopinj. Da bi nekako kvantitativno opisali ta proces kotne deformacije, so Matsumoto in njegovi sodelavci gradili na svojem prejšnjem delu Topološki gradniki mrež vodikovih vezi v vodi, objavljenem leta 2007 v Journal of Chemical Physics, je domneval obstoj tridimenzionalnih mikrostruktur v vodi, ki spominjajo na konveksne votle poliedre. Kasneje so v naslednjih publikacijah takšne mikrostrukture poimenovali vitrine(slika 3). V njih so oglišča molekule vode, vlogo robov imajo vodikove vezi, kot med vodikovimi vezmi pa je kot med robovi v vitritu.
Po Matsumotovi teoriji obstaja ogromno različnih oblik vitritisa, ki kot mozaični elementi sestavljajo večino strukture vode in hkrati enakomerno zapolnjujejo njen celoten volumen.
Molekule vode težijo k ustvarjanju tetraedrskih kotov v vitritih, saj morajo imeti vitriti najmanjšo možno energijo. Vendar pa zaradi toplotnih gibanj in lokalnih interakcij z drugimi vitriti nekatere mikrostrukture ne kažejo geometrije s tetraedrskimi koti (ali koti blizu te vrednosti). Sprejemajo takšne strukturno neravnovesne konfiguracije (ki zanje z energijskega vidika niso najbolj ugodne), ki omogočajo, da celotna »družina« vitritov kot celota prejme najnižjo energijsko vrednost med možnimi. Takšen vitritis, to je vitritis, za katerega se zdi, da se žrtvuje "skupnim energetskim interesom", imenujemo frustrirani. Če je pri nefrustriranem vitritisu prostornina votline največja pri določeni temperaturi, potem ima frustrirani vitritis, nasprotno, najmanjšo možno prostornino.
Računalniške simulacije, ki jih je izvedel Matsumoto, so pokazale, da se povprečna prostornina vitritnih votlin linearno zmanjšuje z naraščajočo temperaturo. V tem primeru frustrirani vitritis znatno zmanjša svoj volumen, medtem ko volumen votline nefrustriranega vitritisa ostane skoraj nespremenjen.
Torej stiskanje vode z naraščajočo temperaturo povzročata dva konkurenčna učinka - raztezek vodikovih vezi, ki vodi do povečanja volumna vode, in zmanjšanje volumna votlin frustriranih vitritov. V temperaturnem območju od 0 do 4°C je zadnji pojav, kot so pokazali izračuni, prevladuje, kar na koncu vodi do opazovanega stiskanja vode z naraščajočo temperaturo.
Še vedno je treba počakati na eksperimentalno potrditev obstoja vitritov in njihovega obnašanja. Toda to je, žal, zelo težka naloga.