Скачать + смотреть онлайн

видео 2022

бесплатно в хорошем качестве HD

Строго запрещено смотреть анал видео. Крутые - все самые шикарные мамки видео. Мега лучший пердос video.

PhysBook
PhysBook
Представиться системе

Kvant. Костры в поле

Материал из PhysBook
Версия от 19:58, 15 ноября 2009; Alsak (обсуждение | вклад)

(разн.) ← Предыдущая | Текущая версия (разн.) | Следующая → (разн.)

Стасенко А.Л. Костры в поле и русская баня //Квант. — 2002. — № 1. — С. 31,34-35.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Только окутает ночь всю землю росистою влагою.

Как остывает земля и смыкается сразу плотнее;

И потому из себя, как бы сжатая чьей-то рукою.

Весь свой запас семян огневых выжимает в источник,

Делая влагу его испарений горячей на ощупь.

Лукреций

Когда приходит осень с ее ночными заморозками, а урожай еще не убран, в полях и садах с вечера жгут дымные костры. Зачем? Неужто для того, чтобы за счет тепловыделения согреть воздух? Но, как известно, теплый воздух поднимается вверх - что же в таком случае достанется овощам и фруктам? Явно причина такого преднамеренного задымления в чем-то другом. И это другое связано с фазовыми превращениями.

Каждый знает (или может легко убедиться), что для испарения воды нужно затрачивать определенную энергию (чайник ставят на печь), а при конденсации пара ту же энергию нужно отводить (для чего делают охлаждаемые змеевики). Далее, известно, что с повышением температуры растет количество водяного пара, который может содержаться в воздухе (в тропических лесах «душно», а в зимние морозы «дышится легко»), - иначе говоря, с ростом температуры растет давление насыщенного пара. Используя физические таблицы, можно построить график этой зависимости. На рисунке 1 приведены соответствующие кривые для воды и для основных компонентов воздуха — азота и кислорода.

Рис. 1

Особенно отмечен температурный интервал от 0 до 100 °С, в котором существует жидкая вода при нормальном давлении в 1 атмосферу. Уже из самого вида этих кривых понятно, почему воздух не конденсируется «при нормальном давлении» - для этого понадобилось бы сильное охлаждение.

Рис. 2

А почему вообще молекулы воды «хотят» сконденсироваться, а молекулы воздуха - «не хотят» (и слава Богу)? Это можно объяснить, например, при помощи графика потенциальной энергии φ взаимодействия двух молекул, находящихся на расстоянии r друг от друга (рис.2; здесь k — постоянная Больцмана). Если это расстояние велико (r → ∞), то энергия взаимодействия почти ноль - молекулы «не чувствуют» друг друга. Но по мере сближения (r уменьшается) молекулы попадают на склон графика (например, в точку r1) и, как санки с горы, устремляются в потенциальную «яму», где φ минимально. (Вспомним, что в поле тяготения Земли каждый предмет тоже старается занять положение с наименьшей потенциальной энергией - в этом можно убедиться, например, слегка столкнув карандаш со стола на стул, а со стула - на пол.)

Ту же мысль можно выразить в терминах сил взаимодействия. Известно, что чем круче гора, тем быстрее мчатся санки. Значит, сила взаимодействия (санок с Землей или молекул друг с другом) зависит от крутизны склона, а эту крутизну можно охарактеризовать быстротой изменения потенциала при изменении расстояния:

\(~F = -\frac{\Delta \varphi}{\Delta r}\) .

Здесь знак «минус» указывает, что сила направлена в сторону дна «ямы». Чем больше наклон кривой φ(r), тем больше сила взаимодействия. Теперь понятно, что глубина потенциальной «ямы» тесно связана с удельной теплотой испарения (фазового перехода) L, а именно: φmin ~ L. Кстати, теперь в качестве масштаба силы можно ввести отношение глубины потенциальной ямы к характерному размеру молекулы rm:

\(~F \sim \frac{\varphi_{min}}{r_m} \sim \frac{L}{r_m} \) .

Найдя в справочниках значения L и rm, сравним силы, действующие между парой молекул воды и парой молекул азота:

\(~\frac{F_{H_2O}}{F_{N_2}} \sim \frac{L_{H_2O}}{L_{N_2}}\frac{r_{m\ N_2}}{r_{m\ H_2O}} \sim \frac{2,5 \cdot 10^6}{0,2 \cdot 10^6}\frac{3,8}{2,6} \sim 20\) .

Можно сказать, что молекулы воды «любят друг друга» в двадцать раз сильнее, чем молекулы азота.

Итак, в принципе все молекулы жаждут объединиться. Что же им мешает? Их кинетическая энергия. Ведь на дне «ямы» они будут иметь большую скорость - как камень, сброшенный с крыши, имеет максимальную скорость у земли. Тут нужен третий участник процесса - кто-то должен унести эту кинетическую энергию, чтобы пара молекул осталась рядом друг с другом. Конечно, это должна быть третья молекула. Но для того чтобы начался процесс образования зародышей конденсации, газ должен стать довольно холодным - чтобы его молекулы двигались достаточно медленно, успевали сблизиться и отдавать третьему участнику избыток энергии Какой энергии? Конечно же, теплоты конденсации!

Вот тут-то мы и подошли к кострам в поле.

Рис. 3

Расчет теплообмена подогретой воздушной массы с землей и остальной атмосферой — сложная метеорологическая задача. (Всплывающий теплый пузырь, называемый термиком, уносит тепло костра вверх, что нам совершенно ни к чему.) Мы для определенности предположим, что нагретый костром воздух охлаждается изобарически, т.е. давление остается постоянным. Значит, с падением температуры (например, за счет теплового излучения или теплоотвода в почву) растет плотность смеси воздуха с парами воды. В координатах р,Т этот процесс (рис.3) изображается горизонтальной линией ODW, где точка О - начальное состояние (вечером, перед заморозками). Если пар не конденсируется, то в процессе охлаждения изобара пересечет кривую насыщения в «точке росы» D, затем уйдет левее, в область пересыщения (р > pn), и, если отношение \(~\frac{p}{p_n}\) станет значительным, жидкость начнет выпадать в виде микрокапель с выделением тепла. Точка W называется точкой Вильсона (того самого, который разработал «туманную камеру» для регистрации треков элементарных частиц на порожденных ими ионах в пересыщенном паре).

Но этот процесс спонтанной (самопроизвольной) конденсации может начаться при слишком низких температурах, недопустимых для живых растений. Вот тут-то и приходят на помощь частички дыма. Они предоставляют свою поверхность для «посадки» на нее молекул воды, отводят избыточную теплоту конденсации, а затем отдают ее другим молекулам, соударяющимся с частицей. Теперь, в отличие от спонтанной конденсации, эта гетерогенная конденсация происходит без пересыщения пара. Система воздух - пар как бы застревает в точке росы D.

Пора сделать количественные оценки.

Если концентрация частичек сажи (их количество в единице объема) n, а массовая плотность пара ρp, и если весь водяной пар сконденсируется на этих частичках, то масса каждой капельки будет

\(~m = \frac 43 \pi a^3 \rho_v = \frac{\rho_p}{n}\) ,

где а - радиус капельки, ρv - плотность жидкой воды. Следовательно, радиус капельки равен

\(~a = \sqrt[3]{\frac{\rho_p}{\frac 43 \pi \rho_v n}}\) .

Конечно, тут предполагается, что все капельки одинаковы. Выше мы обозначили через L удельную теплоту испарения. Теперь оценим приращение температуры воздуха ΔT вследствие конденсации всего пара: cpρvozΔT ~ ρpL, где cp - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ρvoz - плотность воздуха, откуда

\(~\Delta T = \frac{\rho_p L}{c_p \rho_{voz}}\) .

Известно, что L ~ 2,5 МДж/кг, cp ~ 1 кДж/(кг·К), ρvoz ~ 1 кг/м3 . Если принять, что к вечеру количество пара в воздухе составляет ρp ~ 1 г/м3, а концентрация частичек сажи от костра порядка n ~ 1011 м-3, то

\(~a \sim \sqrt[3]{\frac{10^{-3}}{\frac 43 \cdot 3,14 \cdot 10^3 \cdot 10^{11}}}\) м ~ 10-6 м = 1 мкм

и

\(~\Delta T \sim \frac{10^{-3} \cdot 2,5 \cdot 10^6}{10^3 \cdot 1}\) К = 2,5К.

Это уже кое-что: тепло, выделившееся при конденсации водяного пара на твердых частичках, порожденных кострами, позволяет на несколько градусов отдалиться от точки замерзания воды, опасной для растений.

Но при чем здесь русская баня? А при том, что в ней имеется отделение, которое прямо так и называется: парная. Там водяной пар конденсируется на теле купальщика, которое представляется очень холодной поверхностью в сильно нагретом воздухе. Именно выделяющееся тепло конденсации и обжигает тело, что и доставляет удовольствие знатокам этого дела. Так что, пребывая в бане, думайте о термодинамике!

Смотреть HD

видео онлайн

бесплатно 2022 года