2.2.1. Тепловое расширение

Входы: температура.

Выходы: длина, объем.

Графическая иллюстрация:

Рис.2.6. Нагревание пластин с разным коэффициентом теплового расширения

Сущность:

Тепловое расширение – увеличение размеров тела при его нагревании (рис.2.6). Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Также жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул.

Математическое описание:

Основной закон теплового расширения

ΔL=_{, где}

- линейный размер тела;

- величина расширения тела;

- увеличение температуры тела;

- коэффициент линейного теплового расширения.

В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Применение:

1. А.с. № 471140: Устройство для волочения металлов со смазкой под давлением, содержащее установленные в корпусе рабочую и уплотнительную волоки, образующие между собой и корпусом камеру (в которой находится смазка), отличающееся тем, что с целью упрощения конструкции и повышения производительности, средство для создания в камере высокого давления выполнено в виде нагревательного элемента, расположенного внутри камеры. 

2. А.с. № 175190: Устройство для учета количества наливов металла в изложницу, отличающееся тем, что с целью автоматизации процесса учета, оно выполнено в виде корпуса, прикрепленного к изложнице, в полости которого расположено счетное устройство, состоящее из трубки с шариками и биметаллической пластинки, на конце которой укреплен отсекатель, пропускающий при нагреве пластинки шарик, падающий в накопительную емкость.  

3. Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать тепловой диод.  

А.с 518614: Тепловой диод, содержащий входной и выходной теплопроводы, имеющие узел теплового контакта, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции, узел теплового контакта выполнен по типу "вилка-розетка" и вилка выполнена в теле входного, а розетка в теле выходного теплопроводов. 

2.2.2. Капиллярные явления

Входы: нет.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.7. Капилляр в сосуде с водой

Сущность:

Капиллярные явления - физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред (явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром).

Когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. В условиях невесомости ограниченный объём жидкости, не соприкасающейся с др. телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объёме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой. При нескомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется: маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Её свободная поверхность оказывается практически плоской, т.к. силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы.

При контакте жидкости с твёрдыми телами на форму её поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твёрдого тела. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твёрдого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости, заставляют её подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создаёт отрицательное (капиллярное) давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъёмом уровня жидкости. Гидростатическое давление в объёме жидкости при этом изменений не претерпевает.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к значительной объёмной деформации высокодисперсных систем и пористых тел — капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов.

Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень широко используется в промышленности, например, при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей,

окраске тканей, в тепловых трубах и т.п.

Математическое описание:

–формула Д. Жюрена, определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра;

ρ₁ и ρ₂ — плотность жидкости 1 и газа 2;

g — ускорение свободного падения;

- поверхностное натяжение на границе двух сред;

r – радиус кривизны.

Применение.

А.с. 437 568: Способ пропитки капиллярных пористых тел жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колебания сообщают пропитываемому телу.