Неизвестен Автор - Физические эффекты и явления Страница 14

Благодаря сверхвысокой теплопроводности Не II может служить хорошим хладоагентом для охлаждения.

Для различных целей физики низких температур часто требуются тепловые ключи - устройства, теплопроводность которых можно менять по своему усмотрению. Одной из возможных реализаций теплового ключа является трубка, наполненная гелием, который мы, меняя давление можем переводить изсвехтекучего состояния в нормальное и обратно.

4.3.2 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Если нагреть Не II в одном из сосудов ,сообщающихся между собой через тонкий капилляр или пористую перегородку, то в нем за счет перехода в обычную понизится концентрация сверхтекучей компоненты. Т.к. сверхтекучая компонента, стремясь к установлению равновесия, будет по капилляру поступать из ненагретого сосуда, а нормальная компонента из нагретого выходить не будет, уровень гелия в нагреваемом сосуде увеличится .

Этот эффект может быть использован для создания своеобразных насосов Не II .

4.3.3 МЕХАНО-КАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Если повысить давление в одном из сосудов , рассматриваемых в предыдущем пункте, заполненных Не , находящемся в сверхтекучем состоянии, то сквозь капилляр будет протекать только сверхтекучая компонента.

Сверхтекучая компонента теплоту из сосуда , из которого она вытекает , не уносит, вследствие чего температура внутри этого сосуда будет повышаться. Температура же сосуда , в который притекает сверхтекучая компонента будет уменьшаться.

На основе этого эффекта П.Л.Капицей был построен охладитель. Одна ступень охладителя давала перепад температур 0.4 К.

Достоинствами метода является то, что его холодопроизводительность не уменьшается с понижением температуры.

Используя Не II ка холодильный агент возможно в принципе приблизиться сколь угодно близко к температуре абсолютного нуля.

4.3.4 ПЕРЕНОС ПО ПЛЕНКЕ.

Поверхность тела, соприкасающегося с Не II покрывается пленкой сверхтекучего гелия, по которой может происходить перенос жидкости из оного сосуда в другой.

Так, например , пустой сткан, погруженный не до краев в Не II через некоторое время заполнится гелием. Скорость переноса от разности уровней жидкости не зависит , и определяется только периметром стенок в самом узком месте соединения.

Поскольку тонкую пленку можно рассматривать как капилляр, то при переносе гелия на пленке имеет место термохимический эффект. Можно усилить эффект , увеличив периметр тела, соединяющего два сосуда, например, вставив пучок проволок.

Эффект нашел применение для разделения изотопов гелия Не3 и Не-4. Не-3 не свехтекучий, и по пленке сосуда, содержащего смесь изотопов удаляется сам собой только изотоп Не-4.

Движение пленки можно остановить , если поместить пленку между обкладками конденсатора, на который подано напряжение с частотой 40-50 Герц.

4.4.1 ЭФФЕКТ ТОМСА.

Сопротивление , оказываемое трубопроводом потоку жидкости при ламинарном режиме течения меньше , чем при турбулентном.

В 1948 г. Б.Томс ( Англия ) установил, что при добавлении в воду полимерной добавки трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается .

Сам Томс работал с полиметилметакрилатом, растворенным в монохлорбензоле; в последующие годы ученые и изобретатели в различных странах нашли много других присадок, работающих еще более эффективно.

Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно : по традиции "смазывают" различными присадками трубопроводы, "смазывают" полимерами морские и речные суда, напорные колонны глубоких скважин и т.д.

Эффект Томса обуславливается образованием на границе твердое тело-жидкость молекулярных растворов, которые ограничивают турбулентность потока. Установлено , что добавка полимеров более эффективно действует при высоких скоростях потока , где развивающаяся турбулентность потока больше.

Патент США N 3435796 : В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера, образующий в пограничном слое забортной воды при смещении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морс при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде температуре выше 70 градус Цельсия.Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, микрочастицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя турбулизации потока.

А.с. N 244032: Способ снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу, отличающийся тем, что с целью достижения жидкостью свойства псевдопластичности, в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в колличестве 0,01-0,2% по весу.

Снижение гидродинамического сопротивления может быть до за счет образования под воздействием какого-либо поля из молекул самой жидкости присадок, аналогичных по свойствам полимерным молекулам.

А.с. N 364493: Способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел, например, судов, путем уменьшения сил трения в пограничном слое, отличающийся тем, что с целью упрощения способа и повышения его эксплуатационной надежности путем исключения подачи в пограничные слои высокомолекулярных составов, в пограничном слое создают электромагнитное поле, генерирующее комплексы молекул.

Применение способа по п.1 для решения внутренней задачи, например, для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.

4.4.2. С к а ч о к у п л о т н е н и я.

Что такое лобовое сопротивление при обтекании твердых тел потоком жидкости или газа - общеизвестно. Однако, кроме лобового сопротивления, при обтекании возникает так называемое волновое сопротивление, являющееся результатом затрат энергии на образование акустических или ударных волн. В газе, например, ударные волны возникают при образовании скачка уплотнения у лобовой поверхности тела при обтекании его сверхзвуковым потоком газа. При образовании скачка уплотнения резко увеличивается плотность, температура, давление и скорость вещества потока; в результате могут иметь место процессы диссоциации и ионизации молекул, сопровождающиеся мощным световым излучением. Световое излучение может сильно разогреть как газ перед фронтомволны, так и поверхность движущегося тела.

4.4.3. Э ф ф е к т К о а н д а.

Румынский ученый Генри Коанд в 1932 году установил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это обьясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне и пониженоого давления. Аналогично и поведение струи газа. На основе этого эффекта строится одна из ветвей пневмоники (струйной автоматики).

4.4.4. Э ф ф е к т в о р о н к и.

Если уровень жидкости в сосуде с открытой поверхностью понизится до определенного уровня при свободном сливе жидкости че отверстие в нижней части сосуда, то на поверхности жидкости об водоворот (т.е. вихревое движение воды), который на редкость устойчив, и нарушить его трудно.

4.5. Э ф ф е к т М а г н у с а.

Если твердый цилиндр вращется вокруг продольной оси в набегающем потоке жидкости или газа, то он увлекает во вращение прилегающие к нему слои жидкости или газа; в результате окружающая среда движется отнительно цилиндра не только поступательно, но еще и вращается вокруг него. В той зоне, где направление поступательного и вращательного движения совпадают, результирующая скорость движения окружающей средыпревосходит скорость потока. С противоположной стороны цилиндра поток, возникающий из-за вращения, противодействует поступательному потоку и результирующая скорость падает. А из закона Бернулли известно, что в тех местах, где скорость больше, давление понижено и наоборот. Поэтому с разных сторонна вращающийся цилиндр действуют разные силы. В итоге появляется результирующая сила, которая всегда направлена перпендикулярно образующим цилиндра и потоку.

Естественно, что такая же сила возникает при движении вращающейся сферы в вязкой жидкости или газе (вспомните кручены футболе, тенисе волейболе). На основе эффекта Магнуса в свое время был построен корабль с вращающимися цилиндрами вместо парусов. Конечно, эти цилиндры работали в качестве двигателя только при боковом ветре.

В эффекте Магнуса взаимосвязаны: направление и скорость потока, направление и величина угловой скорости, направление и величина возникающей силы. Соответственно можно измерять поток и угловую скорость.

Патент США N 3587327: В устройстве для измерения угловой скорости и индикации направления вращения газовая струя разделяется на две струи, каждая из которых тангенциально касается противоположных сторон диска неподвижно закрепленного на аксиально вращающемся валу. Вращение диска накладывается на струи разность давлений, величина которых пропорциональна скорости вращения вала. В зависимости от направления вращения вала на ту или другую струю накладывается большее относительное давление.