2.7.7. Применение фазовых переходов и изменения агрегатных состояний веществ

При фазовых переходах первого рода скачком изменяются плотность вещества и всегда выделяется или поглощается конечное количество тепловой энергии. При фазовых переходах второго рода плотность и энергия меняются непрерывно, а скачок испытывают такие величины, как теплоемкость, теплопроводность, причем такие переходы не сопровождаются поглощением или выделением энергии.

1. Фазовые переходы первого рода (фп-1)

ФП-1 может использоваться для изготовления прессованием, например, ребристых труб при подаче в них воды под давлением с последующим замораживанием (а. с. 190855). А также, для временного крепления деталей, например, металлокерамические режущие пластины примороженные к резцу, не только прочно держатся и легко заменяются, но и не нуждаются в подводе смазочно-охлаждающей жидкости (а.с. 319389).

ФП-1 может быть использован для перемещения тяжелых объектов, например, в способе монтажа тяжелых конструкций путем опускания их на рабочее место, под конструкцией возводят колонны из природных веществ (льда, соли), которые затем у основания растапливают или растворяют, обеспечивая тем самым уменьшение длины колонны с одновременным опусканием конструкции (а. с. 194294).

Испарение сухого льда в замкнутом объеме обеспечивает возможность быстрого безмашинного повышения давления, например, в способе создания давления в сосудах при контроле герметичности (а. с. 518657). Испарение решает также проблему самоудаления монтажных деталей, временно введенных внутрь конструкции и веществ, попавших туда, например, при струйной обработке (пат. США 3702519).

2. Фазовый переход второго рода (фп-2)

ФП-2 осуществляется при перестройке кристаллической решетки при изменении температуры, например, в способе преобразования тепловой энергии в механическую; тело, изготовленное из материала со скачкообразным изменением термодинамических свойств (например, хром с критической температурой +37 °С), периодически нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в какую-либо сторону (а. с. 280104).

Перспективный для решения технических задач фазовый переход - превращение белого олова в серое: при этом при температуре 13,2 °С плотность снижается с 7,3 до 5,76 г/см³, т.е. на 27 % (у воды при переходе в лед - на 9 %). Теоретически это означает возможность получения высоких давлений (до 10³ МПа).

Механизм действия нитинола (сплава никеля с титаном) - материала, обладающего "эффектом памяти формы", - также сводится к ФП-2. Преимущество нитинола - возможность получения значительных изменений формы, конфигурации деталей при небольшом перепаде температур, например, в компрессорах (а. с. 464709), в саморегулирующемся дросселе (а. с. 534617), в приводе управления клапанами (а. с. 583347), в инструменте для развальцовки труб (а. с. 647041).

2.7.8. Некоторые гидро-газодинамические эффекты

1. Эффект Коанда (по имени румынского ученого Г. Коанда, обнаружен в 1932 г.) - возникает при обтекании тела тонкой сравнительно с размерами тела струей, при условии постоянства давления вдоль пограничного слоя и невозможности отрыва слоя с поверхности тела. Внешняя граница такой струи является свободной поверхностью, так как граничит с неподвижной средой, в которой давление повсюду постоянно. Отрыв пограничного слоя от поверхности тела в такой струе не происходит, а тонкие струи прилипают к поверхности тела, вдоль которой они распространяются [66]. Эффект Коанда используется в пневмонике (струйной автоматике) [67].

2. Эффект Магнуса - возникает при вращательном движении тел в реальной жидкости, обладающей внутренним трением, и проявляется поперечной силой, например, сферическое тело при вращении стремится уклониться от своей нормальной траектории в направлении, в котором вращается его передняя часть. Явление эффекта Магнуса объясняется тем, что местная скорость потока относительно сферического тела, вызванная его вращением, больше с той стороны, где вращение направлено в противоположную движению сторону. Давление с той стороны, где скорость больше, ниже, чем с противоположной стороны, это и создает равнодействующую силу, направленную в указанную сторону. Явление деривации, т.е. смещение от цели вращающегося летящего снаряда, основано на эффекте Магнуса. Возможно применение данного эффекта для создания парусов (двигателей) в виде цилиндров.

3. Парадокс Дюбуа - сопротивление тела, которое удерживается неподвижно в потоке, имеющем определенную скорость, обычно меньше, чем сопротивление того же тела, которое тянут с той же скоростью в стоячей воде, так как потоки жидкости и газа всегда турбулизированы, это приводит к снижению сопротивления. Свободная турбулентность потока вызывает переход к турбулентному движению в пограничном слое, что задерживает отрыв потока, сужает отрывную зону за телом, уменьшая лобовое сопротивление.

4. Эффект Гольдштика. При вращении цилиндра, имеющего возможность свободно вращаться вокруг неподвижной оси, и внесенного в область границы свободной струи, при перемещении цилиндра к оси струи от периферии, он начинает вращаться по часовой стрелке. По мере передвижения цилиндра в глубь струи скорость вращения возрастает до максимального значения, а затем до нуля при совпадении оси цилиндра с границей струи. При дальнейшем перемещении цилиндра в глубь струи направление вращения изменяется на противоположное, вновь скорость вращения достигает максимального значения, а затем цилиндр останавливается.