Comportamentul substanței în greutate
Starea agregată și de fază a materiei. Atunci când se iau în considerare caracteristicile comportamentului unei substanțe în condiții cosmice, se folosesc deseori concepte cum ar fi stările agregate și de fază, faza și componentele. Să definim aceste concepte.
Stările agregate ale materiei diferă prin natura mișcării termice a moleculelor sau a atomilor. De obicei vorbesc despre trei stări agregate - gazoase, solide și lichide. În gaze, moleculele nu sunt aproape legate de forțele de atracție și se mișcă liber, umplând întregul vas. Structura solidelor cristaline este caracterizată de o înaltă ordine - atomii sunt localizați la nodurile rețelei cristaline, lângă care efectuează numai vibrații termice. Ca rezultat, corpurile cristaline au o formă strict limitată, iar atunci când cineva încearcă să o schimbe cumva, apar forțe elastice considerabile care se opun unei astfel de schimbări.
Împreună cu cristalele, este cunoscut un alt tip de solid, corpuri amorfe. Caracteristica principală a structurii interne a solidelor amorfe - lipsa totală de ordine: numai în aranjamentul atomilor învecinate, procedura care se înlocuiește cu aranjament aleatoriu una față de cealaltă, la distanțe mai mari. Cel mai important exemplu al unei stări amorfe este sticla.
Aceeași proprietate - ordine cu rază scurtă în aranjamentul atomilor învecinați - are o substanță în stare agregată lichidă. Din acest motiv, o modificare a volumului lichidului nu determină forțe elastice semnificative în el, iar în condiții obișnuite lichidul ia forma vasului în care este localizat.
În cazul în care substanța este format din mai multe componente (elemente chimice sau compuși), atunci proprietățile sale depind de concentrațiile relative ale acestor componente și temperatura, presiunea și alți parametri. Conceptul de fază este utilizat pentru a caracteriza produsul final format în această combinație de componente. În cazul în care substanța în cauză constă în invecineaza reciproc părți omogene, proprietățile fizice sau chimice ale care sunt diferite, aceste părți sunt numite faze. De exemplu, un amestec de gheață și apă este un sistem de două faze, și apă, în care aerul dizolvat, - o singură fază, pentru că în acest caz, nu există nici o interfață între componentele.
Starea fazei este un concept bazat pe reprezentarea structurală a termenului "fază". Starea de fază a unei substanțe este determinată numai de natura aranjamentului reciproc al atomilor sau moleculelor, și nu de mișcarea lor relativă. Prezența comenzii pe distanțe lungi (comanda completă) corespunde fazei cristaline de stat, ordinea rază scurtă de acțiune - starea de fază amorfă, o lipsă totală de ordine - starea de fază gazoasă.
Starea fazei nu coincide neapărat cu starea agregată. De exemplu, starea de fază amorfă corespunde stării agregate lichide obișnuite și stării sticloase solide. Starea agregată solidă corespunde stărilor de fază - cristalină și amorfă (sticlă).
Tranziția unei substanțe de la o stare de fază la alta se numește o tranziție de fază sau o transformare. Dacă două sau mai multe faze diferite ale materiei la o anumită temperatură și presiune există simultan, în contact unul cu celălalt, atunci se vorbește de echilibru de fază. În Fig. 2 prezintă un exemplu de diagrama de faza de echilibru a unui sistem cu un singur component, pe baza presiunii (p) - temperatura (T). Acolo izobară (adică presiune constantă directă ..) Aa corespunde tranzițiilor directe solide - lichid (topire și solidificare) și lichid - gaz (evaporare și condensare), izobata cu cu - tranziție solid - gaz (sublimare), și izobar in-in coexistența tuturor celor trei faze la așa-numitul punct triplu, pentru anumite valori ale lui p și T.
Influența imponderabilității asupra unui lichid. Cum influențează gravitația comportamentul materiei în diferite stări agregate? În solide, atomii și moleculele sunt aranjate într-o ordine strict definită, iar forța gravitațională nu poate avea un efect semnificativ asupra proceselor care au loc în această stare.
Cu privire la procesele din gaze, această forță poate afecta mai mult. Este cunoscut, de exemplu, că în condițiile de încălzire neuniformă a diferitelor straturi ale gazului în atmosferă are loc prin forța de gravitație prin convecție liberă, adică. E. Un comandat schimb de gaz între straturi. În condiții de greutate, acest efect nu poate să apară.
Dar forța gravitațională exercită o influență deosebit de puternică asupra lichidului. În trecerea la lichidul în imponderabilitate dispare forța lui Arhimede care acționează asupra componentelor diferite de densitate și care duce la separarea lor, schimbarea naturii curenților de convecție rolul relativ al interacțiunilor intermoleculare în lichid și devine posibil să se dețină liberă în afara vasului (fenomenul de levitație). Luați în considerare din aceste motive procesele care apar în lichid în detaliu.
Ca și în gaz, într-un lichid, moleculele nu păstrează o poziție constantă, dar datorită energiei termice se mișcă din loc în loc. Daca particule de un fel prevaleaza in orice loc al lichidului, atunci din cauza coliziunilor mai frecvente intre ele, treptat trec in zona unde concentratia lor este mai mica. Acest proces se numește difuzie. Datorită difuziei în timp t, particulele sunt deplasate la o distanță x = (2Dt) 1/2. unde D este coeficientul de difuzie. Dacă luăm în considerare particulele ca sfere cu o rază r. apoi D = Wr) -1. Aici, procesele de difuzie sunt întârziate.
Dacă modificarea concentrației de particule de un fel la o distanță x în interiorul lichidului este c. atunci numărul de particule I = - Dc / x trebuie să treacă printr-o zonă a unității în 1 s.
În unele cazuri, lichidul poate conține componente cu densități diferite. Pe Pământ, sub influența puterii lui Arhimede, aceste componente se separă treptat (de exemplu, crema se formează din lapte și invers). În cazul gravitației zero, această separare nu este prezentă și după solidificarea acestor lichide pot fi obținute substanțe cu proprietăți unice. De asemenea, lichidul poate conține faze care nu se amestecă între ele, de exemplu kerosen și apă. Pe Pământ între ele se formează limite clare. În greutate prin amestecare, se poate obține un amestec stabil care constă din picături mici de ambele faze. După solidificarea unor astfel de amestecuri de faze diferite, pot fi obținute materiale compozite omogene, metale spumoase etc.
Apariția interfețelor între diferitele faze ale unui lichid este asociată cu prezența unei forțe de tensiune superficială sau a unei forțe capilare care rezultă din interacțiunea dintre moleculele unui lichid. Tensiunea de suprafata poate fi asemanata cu o forta care returneaza sirul in starea initiala atunci cand muzicianul incearca sa-l traga deoparte. Este forța de tensiune superficială care cauzează scăderea picăturilor de la o robinet slab închisă, mai degrabă decât un flux subțire de apă. Dar pe Pământ, aceste picături sunt mici: forța gravitației este mult mai mare decât forțele de tensiune superficială și lacrimile sunt prea mari. În lipsa de greutate, nimic nu poate împiedica formarea de picături foarte mari, iar corpul lichid lăsat în sine va avea o formă sferică.
În realitate, starea de greutate este încălcată la bordul navei spațiale din cauza diferitelor tipuri de accelerații mici. Dacă rr. gr 3. ggr 2) -1> 1. Această condiție face posibilă obținerea de sfere lichide cu o rază r într-o stare aproape de gravitație zero. Astfel de sfere lichide la bordul navelor spațiale pot fi într-o stare plutitoare în mod liber, când navele nu sunt necesare pentru izolarea lor. Dacă este o topitură lichidă, atunci când se solidifică pe Pământ, impuritățile dăunătoare intră în pereții vasului. În spațiu, se poate face fără un vas și, prin urmare, se obțin substanțe mai curate.
Transferul de căldură și masă în lipsa de greutate. Tranziția la zero-gravitate are de asemenea un efect semnificativ asupra proceselor de transfer de căldură și masă în lichide și gaze. Transferul de căldură poate fi realizat prin conducție termică, convecție sau radiație, precum și prin orice combinație a acestor mecanisme. Conductivitatea termică este procesul de transfer de căldură dintr-o zonă cu o temperatură mai mare într-o zonă în care temperatura este mai mică prin difuzarea moleculelor mediei între aceste zone. Din acest motiv, coeficientul de conductivitate termică este proporțional cu coeficientul de difuzie.
Radiația schimbătoare de căldură este caracteristică în principal pentru corpurile solide și lichide și are loc la temperaturi suficient de ridicate. Procesele schimbului de căldură radiant și conductivitatea termică nu depind de gravitație, nici de forțele de masă mici care acționează asupra navelor spațiale.
O altă problemă este transferul de căldură convectiv. Convectie - un transfer de căldură într-un mediu lichid sau gazos prin mișcarea macroscopică a unei substanțe naturale de mediu. Deja citat mai sus simplu exemplu convecția - liber (sau natural) prin convecție se produce datorită distribuției temperaturii inegale în mediu, supus acțiunii forțelor de masă (de exemplu, gravitatea sau forțele de inerție cauzate de accelerații în nave spațiale mici). Acest fenomen se poate observa cu ușurință la domiciliu, în orice reincalzitor unde straturile de lichid având o temperatură mai mare și, prin urmare, o densitate mai mică, va pluti în sus și transporta cu ea caldura, iar în locul lor pe refierbătorul fund fierbinte va coborî mai mult straturi reci și dense.
Rolul relativ al transferului de căldură datorat convecției libere și conductivității termice este determinat de numărul Rayleigh:
Aici, g - accelerația care acționează asupra sistemului, LTG -> 0), Ra -> 0, și, prin urmare, rolul convectie, ceea ce duce la mediu de amestecare eficientă, poate fi neglijată.
Această concluzie are un dublu sens. În primul rând, contribuția convecției la procesele de schimb de căldură scade, iar transferul de căldură se realizează printr-un proces mai lent de conducere a căldurii. În al doilea rând, excluderea curenților de convecție în mediu conduce la faptul că rolul principal în schimbul de masă nu va fi jucat de deplasările macroscopice ale materiei, ci de procesele de difuzie. Și acest lucru, la rândul său, deschide posibilitatea de a obține substanțe, distribuția de impurități în care vor fi mult mai omogene decât pe Pământ.
În plus față de convecția liberă, există o serie de alte efecte de convecție, o parte din care depinde de forțele de masă, iar cealaltă nu este. De asemenea, este cunoscută convecția forțată, care apare sub influența unor factori externi (de exemplu, agitator, pompă etc.). În condiții cosmice, acest tip de convecție este utilizat pentru a asigura rata necesară de îndepărtare a căldurii de la unitățile de operare.
Ca un exemplu de convecție care nu depinde de forțele de masă, indicăm convecția termocapilară, care se exprimă prin faptul că undele pot apărea și propaga la limita fazei lichide. Valurile capilare sunt cauzate de schimbările de temperatură, datorită prezenței cărora valoarea coeficientului de tensiune superficială nu este constantă de-a lungul suprafeței. Acest tip de flux de convecție nu depinde în mod evident de valoarea g și poate duce la o deteriorare a omogenității materialelor obținute în condiții cosmice. Modul de compensare a efectelor nocive ale acestui efect este de a reduce diferențele de temperatură reale de-a lungul interfeței de fază.
Trimiteți-le prietenilor: