При нагревании металлов жидкостей воздуха объем их: Изменение объёма при нагревании — урок. Физика, 7 класс.

Проверочный тест по теме «Строение вещества»

Тест для 7 кл по теме «Строение вещества»

1. Чем обусловлено расширение тел при нагревании?

А) увеличением размеров молекул; Б) большим отталкиванием молекул друг от друга;

В) увеличением скорости движения молекул; Г) Увеличением расстояний между молекулами

2. Диффузия может происходить в:

А) только в газах; Б) только в жидкостях; В) только в твердых телах;

Г) и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах

3. Наличие собственной формы у твердого тела обусловлено тем, что:

А) между молекулами большая сила притяжения; Б) у молекул твердого тела особые свойства;

В) малое расстояние между молекулами.

4. Почему в холодном помещении диффузия происходит медленнее, чем в теплом?

А) уменьшаются промежутки между молекулами;

Б) увеличивается скорость движения молекул;

В) уменьшается скорость движения молекул; Г) изменяются размеры молекул.

5. Мельчайшие частицы, из которых состоят вещества, называются…

А) молекулами; Б) атомами.

6. Составные части мельчайших частиц вещества называются….

А) молекулами; Б) атомами.

7. Между молекулами в веществе…

А) существует взаимное притяжение и отталкивание;

Б) не существует ни притяжения, ни отталкивания;

В) существует только притяжение; Г) существует только отталкивание.

8. Все молекулы одного и того же вещества…

А) не отличаются друг от друга; Б) отличаются друг от друга.

9. Какой важный вывод можно сделать из явления диффузии о строении вещества?

А) молекулы всех веществ неподвижны; Б) молекулы всех веществ непрерывно движутся

В) все тела состоят из мельчайших частиц.

10. При нагревании металлов, жидкостей, воздуха объем их…

А) не изменяется; Б) увеличивается; В) уменьшается.

Тест для 7 кл по теме «Строение вещества»

1. Чем обусловлено расширение тел при нагревании?

А) увеличением размеров молекул; Б) большим отталкиванием молекул друг от друга;

В) увеличением скорости движения молекул; Г) Увеличением расстояний между молекулами

2. Диффузия может происходить в:

А) только в газах; Б) только в жидкостях; В) только в твердых телах;

Г) и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах

3. Наличие собственной формы у твердого тела обусловлено тем, что:

А) между молекулами большая сила притяжения; Б) у молекул твердого тела особые свойства;

В) малое расстояние между молекулами.

4. Почему в холодном помещении диффузия происходит медленнее, чем в теплом?

А) уменьшаются промежутки между молекулами;

Б) увеличивается скорость движения молекул;

В) уменьшается скорость движения молекул; Г) изменяются размеры молекул.

5. Мельчайшие частицы, из которых состоят вещества, называются…

А) молекулами; Б) атомами.

6. Составные части мельчайших частиц вещества называются….

А) молекулами; Б) атомами.

7. Между молекулами в веществе…

А) существует взаимное притяжение и отталкивание;

Б) не существует ни притяжения, ни отталкивания;

В) существует только притяжение; Г) существует только отталкивание.

8. Все молекулы одного и того же вещества…

А) не отличаются друг от друга; Б) отличаются друг от друга.

9. Какой важный вывод можно сделать из явления диффузии о строении вещества?

А) молекулы всех веществ неподвижны; Б) молекулы всех веществ непрерывно движутся

В) все тела состоят из мельчайших частиц.

10. При нагревании металлов, жидкостей, воздуха объем их…

А) не изменяется; Б) увеличивается; В) уменьшается.

Тепловое расширение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. 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. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (

см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:

    ΔL = αLΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. 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.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ.

Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Новости / Служба новостей ТПУ

Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за январь. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 90, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 6,479.

  

Инженерная школа энергетики

 

Безвакуумный синтез карбида вольфрама в самоэкранирующейся атмосферной плазме дугового разряда (Vacuumless synthesis of tungsten carbide in a self-shielding atmospheric plasma of DC arc discharge)

Журнал: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Q1, ИФ 3,407)

Александр Пак (индекс Хирша 9), научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Экоэнергетика 4.0», Иван Шаненков (индекс Хирша 12), доцент отделения электроэнергетики и электротехники, Геннадий Мамонтов, профессор отделения автоматизации и робототехники, Александра Кокорина, ТПУ.

Работа показывает возможность получения карбида вольфрама в процессе нагрева исходной смеси вольфрама и углерода плазмой дугового разряда постоянного тока, инициированного в открытой воздушной среде. При этом, согласно результатов исследования, при определенных параметрах можно получать на выходе карбидные фазы, а не оксидные, вопреки имеющимся представлениям о процессах горения дугового разряда в воздушной среде.

Это возможно благодаря эффекту самоэкранирования реакционного объема от кислорода воздуха потоком газов СО и СО2, которые генерируются при горении разряда. Результаты работы открывают новые возможности для получения других карбидов металлов разработанным безвакуумным электродуговым методом. 

Конвективный теплообмен в каплях топливных микроэмульсий при кондуктивном нагреве (Convective heat transfer in droplets of fuel microemulsions during conductive heating)

Журнал: Experimental Thermal and Fluid Science (Q1, ИФ 3,444)

Никита Хомутов, ТПУ, Сергей Мисюра (индекс Хирша 30), Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе, Максим Пискунов (индекс Хирша 12), доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова, Александра Семенова, ТПУ, Павел Стрижак (индекс Хирша 34), профессор НОЦ И. Н. Бутакова, Роман Волков (индекс Хирша 21), доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов.

По словам авторов, в литературе недостаточно освещены процессы конвективных движений и структур внутри капель и пленок комплексных жидкостей (суспензий, наножидкостей, эмульсий, микроэмульсий, растворов, многокомпонентных смесей и так далее) и их температурные поля в процессе прогрева и испарения. В настоящей работе указанные аспекты изучались на примере топливных микроэмульсий типа «вода-в-масле».

Представлены результаты экспериментальных исследований процессов конвективного теплопереноса в каплях и пленках таких жидкостей при их нагреве на разогретых поверхностях. Рассмотрена конвекция Рэлея-Бенара-Марангони в пленках топливных микроэмульсий, нагреваемых снизу, в условиях, близких к насыщению, и вынужденная конвекция в каплях этих же жидкостей в состоянии Лейденфроста.

Для регистрации температуры капель использован метод лазерно-индуцированной фосфоресценции. Особенности и характеристики парообразования и коагуляции дисперсной фазы микроэмульсий проанализированы методом оптической микроскопии. Опыты выполнены с шестью микроэмульсиями и разогретыми подложками из сапфира и нержавеющей стали. Для приготовления топливных микроэмульсий использовались дизельное топливо, метиловые эфиры жирных кислот рапсового и подсолнечного масел, дистиллированная вода, ПАВ –полиэтиленгликолевый эфир изононилфенола, со-ПАВ – 2-этилгексанол.

Определены характеристики парообразования дисперсной фазы микроэмульсий: время и скорость испарения. Последняя во многом зависела от суммарной концентрации ПАВ и дистиллированной воды. Проанализированы количественные характеристики коагуляции дисперсной фазы микроэмульсий. При локальной температуре жидкости около 120–150 °C интенсивно нагреваемая капля микроэмульсии частично разрушается. С ростом температуры поверхности подложки от 360 °С до 425 °С скорость испарения капель микроэмульсий практически не меняется. Показана существенная неоднородность температурных полей капель микроэмульсий в состоянии Лейденфроста.

 

Инженерная школа новых производственных технологий

 

Наногетероструктуры MoS₂@ZnO фотокаталитического назначения, полученные методом электроискровой эрозии ( MoS₂@ZnO nanoheterostructures prepared by electrospark erosion for photocatalytic applications)

Журнал: Nanomaterials (Q2, ИФ 4,324)

Владимир Ан (индекс Хирша 10), доцент Научно-образовательного центра Н.М. Кижнера (НОЦ Н.М. Кижнера), Herman Potgieter (индекс Хирша 32), Manchester Metropolitan University, Наталья Усольцева, старший преподаватель НОЦ Н.М. Кижнера, Дамир Валиев (индекс Хирша 9), доцент отделения материаловедения (ОМ), Сергей Степанов (индекс Хирша 8), доцент ОМ, Алексей Пустовалов, младший научный сотрудник Научно-производственной лаборатории «Чистая вода» (НПЛ ЧВ), Арсений Барышников, техник НПЛ ЧВ, Максим Титов, ТПУ,  Алеся Долинина, старший преподаватель НОЦ Н.М. Кижнера.

Фотокаталитическое разложение воды под действием солнечного света является перспективным и экологически чистым способом получения водорода. Комбинирование дихалькогенида – переходного металла p-типа и оксида металла n-типа обеспечивает широкий спектр поглощения солнечной энергии в ультрафиолетовой и видимой областях в искомом p-n гетеропереходе.

Наногетероструктуры MoS₂@ZnO были получены методом электроискровой эрозии цинковых гранул в растворе пероксида водорода с одновременным добавлением наноструктурированного порошка MoS₂ в зону реакции.

Согласно результатам просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), полученные материалы представляют собой бинарные гетероструктуры, состоящие из наночастиц MoS₂, распределенных на поверхности частиц ZnO.

Фотолюминесцентные исследования показали, что для наногетероструктур ZnO@MoS₂ характерна интенсивная и широкая полоса излучения в диапазоне от 425 до 625 нм, при этом ее форма зависит от содержания MoS₂ в образце и определяется взаимным влиянием ZnO и MoS₂ на строение гетероструктуры. Полученные наногетероструктуры ZnO@MoS₂ обеспечивают высокую скорость образования водорода (906,6 мкмоль·г^?1·ч^?1) и имеют высокий потенциал использования для эффективного фотоэлектрохимического разложения воды.

 

Инженерная школа ядерных технологий

 

Ламинаты на основе МАХ-фаз SiC_f/Ti₃Al(Si)C₂ и SiC_f/Ti₃SiC₂ полученные из прекерамических бумаг методом искрового плазменного спекания (Preceramic paper-derived SiC_f/Ti₃Al(Si)C₂ and SiC_f/Ti₃SiC₂ MAX-phase based laminates fabricated using spark plasma sintering)

Журнал: Scripta Materialia (Q1, ИФ 5,079)

Егор Кашкаров (индекс Хирша 10), доцент отделения экспериментальной физики (ОЭФ), Наталья Пушилина (индекс Хирша 10), доцент ОЭФ, Максим Сыртанов (индекс Хирша 11), доцент ОЭФ, Дмитрий Кроткевич, инженер ОЭФ, Валерий Гофман (индекс Хирша 33), главный инженер проекта Научной лаборатории изотопного анализа и технологий, Нахум Травицкий (индекс Хирша 34), профессор отделения материаловедения.

Получены новые высокопрочные ламинаты на основе МАХ-фаз с межслойным армированием карбидокремниевыми волокнами. Установлено, что в результате спекания ламинатов на основе SiC_f/Ti₃Al(Si)C₂ происходит сильная реакция между волокнами и МАХ-фазой, которая исключается путем формирования защитного углеродного покрытия на волокнах SiC, обеспечивающего механизмы упрочнения, связанные с отрывом и вытягиванием волокон. Прочность таких ламинатов составила ~990 МПа, что на 20 % выше по сравнению с ламинатами с непокрытыми волокнами.

Выявлено, что при спекании ламинатов на основе SiC_f/Ti₃SiC₂ значительной реакции между волокнами и МАХ-фазой не происходит, а их прочность на изгиб достигает ~850 МПа. Послойная армированная структура ламинатов наряду с наличием упрочняющих фаз (TiC и Al₂O₃) обеспечивает вязкостные механизмы упрочнения, связанные с прогибом и разветвлением трещин на макро- и микроуровнях.

Стоит отметить, что полученные новые материалы на основе МАХ-фаз обладают комбинированными свойствами металлов и керамики, а также легко подвергаются механической обработке.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (№ 19-19-00192).

Влияние структурно-фазового состояния на деформационное поведение и механические свойства ультрамелкозернистого титанового сплава системы Ti-Al-V-Мо в интервале температур 293-973 К (Effect of the structural and phase state on the deformation behavior and mechanical properties of the ultrafine-grained titanium alloy (Ti–Al–V–Мо) at temperatures in the range of 293–973 K)

Журнал: Materials Science and Engineering: A (Q1, ИФ 4,652)

Галина Грабовецкая (индекс Хирша 12), Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН), Иван Мишин (индекс Хирша 9), ИФПМ СО РАН, Екатерина Степанова (индекс Хирша 7), доцент ОЭФ, Ольга Забудченко, ИФПМ СО РАН, Илья Раточка (индекс Хирша 10), ИФПМ СО РАН.

Титановые сплавы являются материалами, широко применяющимися в различных областях. Эффективным способом повышения их эксплуатационных характеристик при невысоких гомологических температурах является формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, что позволяет не только повысить механические свойства, но и существенно снизить температуру перехода в сверхпластическое состояние. Это делает возможной безотходную формовку деталей сложной формы из титановых сплавов в УМЗ состоянии.

В то же время известно, что фазовый состав, наряду с размерными и морфологическими характеристиками структуры, оказывает существенное влияние на деформационное поведение и механические свойства титановых сплавов. Поэтому в работе исследовано развитие пластической деформации в УМЗ сплаве ВТ16 при растяжении в зависимости от структуры и фазового состава.

Установлено, что отклонение фазового состава от равновесного в сторону увеличения β-фазы повышает устойчивость сплава к локализации пластической деформации в процессе растяжения при низких температурах (293–673 К). При растяжении в температурном интервале реализации сверхпластичного течения (823-973 К) указанное отклонение фазового состава от равновесного способствует достижению большего удлинения до разрушения.

 

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

 

Оценка эффективности оптической и терагерцовой инфракрасной термографии для неразрушающего контроля стеклопластиковых композитов с использованием критерия Танимото (Analyzing efficiency of optical and THz infrared thermography in nondestructive testing of GFRPs by using the Tanimoto criterion)

Журнал: NDT & E INTERNATIONAL (Q1, ИФ 3,461)

Арсений Чулков (индекс Хирша 8), старший научный сотрудник Центра промышленной томографии, Alain Sommier (индекс Хирша 9), Université de Bordeaux, Christophe Pradere (индекс Хирша 18), CNRS Centre National de la Recherche Scientifique, Владимир Вавилов (индекс Хирша 21), заведующий Научно-производственной лабораторией “Тепловой контроль”, Ahmad Siddiqui, Advanced Systems Laboratory, Y Prasad, Advanced Systems Laboratory.

Проведенное исследование направлено на обнаружение производственных дефектов композиционных материалов, используемых в ракетно-космической отрасли, с применением различных способов активной инфракрасной термографии. Эффективность неразрушающих испытаний оценивали по критерию Танимото, который учитывает количество обнаруженных, пропущенных и ложных дефектов, обеспечивая статистическую оценку достоверности неразрушающих испытаний операторами-термографистами различной квалификации.

В работе установлено, что при максимальной величине критерия Танимото, равном 100 %, односторонний «стационарный» тепловой контроль с оптическим нагревом ксеноновыми лампами обеспечивает величину критерия Танимото на уровне 87 %. Близкие значения критерия Танимото были достигнуты при использовании процедур оптического сканирования и строчного сканирования в ТГц диапазоне.

С точки зрения практического применения, что в особенности актуально при испытаниях крупногабаритных изделий, процедура теплового контроля со строчной разверткой, реализующая оптический нагрев галогенными лампами, оказалась оптимальной.

Обработка результатов классической инфракрасной термографии позволила выполнить тепловую томографию с 3D-визуализаций изделия. Инфракрасная термография в сочетании с терагерцовым излучением как относительно новый метод неразрушающего контроля является многообещающим для выявления инородных включений, разрывов сплошности и других типов дефектов в стеклопластиковых композитах, а также влаги в сотовых структурах.

 

Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

 

Дилатометрический анализ спекания литий-титан-цинкового феррита с добавкой ZrO₂ (Dilatometric analysis of sintering lithium-titanium-zinc ferrite with ZrO2 additive)

Журнал: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (Q2, ИФ 2,731)

Светлана Николаева, лаборант-исследователь Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДИП), Елена Лысенко (индекс Хирша 15), заведующий ПНИЛ ЭДИП, Евгений Николаев (индекс Хирша 7), научный сотрудник ПНИЛ ЭДИП, Анатолий Суржиков (индекс Хирша 18), главный научный сотрудник ПНИЛ ЭДИП.

Магнитомягкие литиевые ферриты относятся к категории перспективных материалов в связи с их широким использованием в микроволновой технике, газовых сенсорных датчиков и так далее. Известно, что свойства ферритов можно улучшить за счет введения различного рода добавок, что позволяет управлять структурно-чувствительными свойствами, такими как электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность и форма петли гистерезиса.

В настоящей работе авторами проведено исследование спекания многокомпонентного литиевого феррита с добавлением диоксида циркония. Установлено, что плотность ферритовой керамики при спекании можно увеличить при введении ZrO₂ до 1 вес.% в синтезированный ферритовый порошок.

В работе был проведен кинетический анализ спекания феррита на основе математического моделирования с целью определения кинетических параметров уплотнения керамики. Анализ показал применимость диффузионных моделей для изучения закономерностей спекания феррита. Расчетные значения кинетических параметров могут быть использованы для усовершенствования технологического процесса спекания литий-титан-цинковых ферритов, легированных диоксидом циркония.

 

Исследовательская школа химических и биомедицинских технологий

 

Метаболический профиль и антиоксидантная активность некоторых видов рода Шлемник (Scutellaria), произрастающих в Болгарии (Metabolite Profile and Antioxidant Activity of Some Species of Genus Scutellaria Growing in Bulgaria)

Журнал: Plants (Q1, ИФ 2,762)

Yoana Georgieva, Medical University of Plovdiv, Mariana Katsarova (индекс Хирша 7), Medical University of Plovdiv, Plamen Stoyanov, Medical University of Plovdiv, Rumen  Mladenov (индекс Хирша 8), Medical University of Plovdiv, Petko Denev (индекс Хирша 18), Institute of Organic Chemistry with Centre of Phytochemistry, Desislava  Teneva,  Institute of Organic Chemistry with Centre of Phytochemistry, Евгений Плотников (индекс Хирша 8), доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий (ИШХБМТ), Petko Bozov (индекс Хирша 8), University of Plovdiv, Stela Dimitrova, Medical University of Plovdiv.

В статье показаны результаты исследования перспективного лекарственного растения рода Шлемник (Scutellaria), произрастающего в Болгарии. Эти растения широко используются в традиционной медицине, обладают очень широким спектром фармакологической активности и являются предметом пристального интереса ученых. 

Ранее исследователи, в основном, сосредотачивали усилия на изучении активности терпеновых соединений, входящих в состав растения. В данной работе впервые проведено комплексное сравнительное исследование антиоксидантной активности экстрактов ряда видов шлемника, в том числе с использованием электрохимической методики, разработанной в ТПУ. Детально изучен полифенольный состав, содержание моно-, олигосахаридов и органических кислот у видов Scutellaria altissima, Scutellaria albida, Scutellaria galericulata. 

«Применение различных аналитических методов позволяет объективно оценить активность биологических объектов в отношении свободных радикалов и выявлять наиболее эффективные антиоксиданты», — делают вывод авторы.

Новая нейросетевая модель для оценки биологической активности торфяных гуминовых кислот (New artificial network model to estimate biological activity of peat humic acids)

Журнал: Environmental Research (Q1, ИФ 5,715)

Мария Зыкова, СибГМУ, Константин Бразовский, профессор ИШХБМТ, Елена Веретенникова, СибГМУ, Марина Данилец (индекс Хирша 7), Научно-исследовательский институт фармакологии и регенеративной медицины имени Е.Д. Гольдберга (НИИФиРМ им. Е.Д. Гольдберга), Людмила Логинова, СибГМУ, Сергей Романенко (индекс Хирша 9), профессор ИШХБМТ,  Евгения Трофимова, НИИФиРМ им. Е.Д. Гольдберга, Анастасия Лигачева, НИИФиРМ им. Е.Д. Гольдберга, Кристина Братишко, СибГМУ, Мехман Юсубов (индекс Хирша 28), ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Онкотераностика», Алексей Ляпков, доцент ИШХБМТ, Михаил Белоусов, СибГМУ.

Природные химические соединения имеют очень широкий спектр и степень выраженности биологической активности, исследовать которую традиционными методами экспериментального биомоделирования чрезвычайно сложно и дорого.

В результате работы междисциплинарной научной группы, в которую входят сотрудники ведущих вузов и НИИ Томска, был разработан способ экспресс-оценки и прогнозирования биологической активности химических компонентов природного происхождения.

Предложенный подход основан на нейросетевой модели регрессионного типа, которая способна с высокой степенью достоверности прогнозировать биологическую активность образцов на основе значений физико-химических параметров, в частности, спектральной характеристики в области инфракрасного и видимого излучения.

Работоспособность подхода была продемонстрирована на примере иммунотропного действия соединений гуминовой природы. Помимо подтверждения применимости предложенного подхода к прогнозированию биологической активности параллельно с помощью референсного метода было доказано выраженное иммуностимулирующее действие гуминовых соединений, извлеченных из торфяных залежей Васюганского болота. Этот факт открывает новые перспективы использования богатейших запасов ценного природного сырья в качестве источника новых лекарственных молекул с широким спектром биологической активности.

Создание невирусных конструктов для включения разного типа генетического материала (Layer-by-Layer-Assembled Capsule Size Affects the Efficiency of Packaging and Delivery of Different Genetic Cargo)

Журнал: PARTICLE & PARTICLE SYSTEMS CHARACTERIZATION (Q2, ИФ 3,099)

Яна Тараканчикова, Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова (ПСПбГМУ), Альберт Муслимов (индекс Хирша 11), ПСПбГМУ, Михаил Зюзин (индекс Хирша 15), Университет ИТМО, Ирина Назаренко (индекс Хирша 23), University of Freiburg, Александр Тимин (индекс Хирша 16), ведущий научный сотрудник ИШХБМТ, Глеб Сухоруков (индекс Хирша 90), Queen Mary University of London, Кирилл Лепик (индекс Хирша 9), ПСПбГМУ.

Отсутствие эффективной и универсальной платформы доставки внутриклеточных нуклеиновых кислот препятствует клинической реализации генной терапии. Достижения в технологии послойного нанесения привели к производству полимерных капсул с высокой биосовместимостью, достаточной степенью загрузки, низкой стоимостью и высокой вариабельностью структуры.

Авторы показали возможность использования полимерных капсул разного размера в качестве универсальных невирусных носителей для доставки информационной РНК (мРНК) и малых интерферирующих РНК (миРНК). Использование полимерных капсул эффективно для доставки генетического материала в первичные стволовые клетки, что очень важно для лечения многих наследственных заболеваний.

 

Инженерная школа природных ресурсов 

 

Состав органического вещества в донных осадках шельфа моря Лаптевых: данные пиролиза Rock-Eval и исследования молекулярных маркеров (Composition of Sedimentary Organic Matter across the Laptev Sea Shelf: Evidences from Rock-Eval Parameters and Molecular Indicators)

Журнал: Water (Q2, ИФ 2,544)

Елена Гершелис, доцент отделения геологии (ОГ), Андрей Гринько, инженер ОГ, Ирина Оберемок, инженер Лаборатории геологии месторождений нефти и газа, Елизавета Клеванцева, ТПУ, Наталина Полтавская, ТПУ, Алексей Рубан (индекс Хирша 7), доцент ОГ, Денис Черных (индекс Хирша 8), Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева, Андрей Леонов, доцент отделения электроэнергетики и электротехники, Наталья Гусева, руководитель ОГ, Игорь Семилетов (индекс Хирша 42), профессор ОГ.

Работа посвящена исследованию молекулярного состава органического вещества донных осадков, отобранных по профилю прибрежная зона – внешний шельф моря Лаптевых. Данный регион представляет собой уникальную биогеохимическую систему, где основным источником органического вещества является наземный осадочный материал, поступающий с продуктами разрушения многолетнемерзлых прибрежных пород и возрастающим объемом речного стока.

Усиление роли наземного углерода в арктической экосистеме может привести не просто к изменению биогеохимического и седиментационного режимов арктических морей, но также к серьезным экологическим последствиям (смещение карбонатного равновесия и асидификация вод, возрастающая эмиссия парниковых газов).

Поэтому оценка состава и источников органического вещества в море Лаптевых, а также уточнение механизмов его трансформации в системе суша-шельф являются важнейшими аспектами, необходимыми для понимания функционирования арктической климатической системы.

В данной работе для оценки состава и доли наземного органического вещества в осадках использованы результаты пиролиза Rock-Eval, традиционного для нефтяной геохимии, в совокупности с традиционными молекулярными маркерами органического вещества современных осадков. Исследование показало очень хорошую сходимость этих методов и подтвердило информативность Rock Eval для изучения незрелого органического материала.

Основные условия формирования подземных вод содового типа: на примере юго-восточного Забайкалья (Россия) (Main formation conditions of soda-type groundwater: A case study from south-eastern Transbaikal region (Russia))

Журнал: Applied Geochemistry (Q2, ИФ 2,903)

Светлана Борзенко, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СО РАН), Валерия Дребот, инженер-исследователь отделения геологии, Игорь Федоров, ИПРЭК СО РАН.

В статье представлены результаты совместной работы сотрудников Томского политехнического университета совместно с учеными из Российской академии наук: Института природных ресурсов СО РАН, а также Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Исследование направлено на изучение условий, факторов и механизмов, контролирующих формирование химического состава подземных вод аридной зоны Восточного Забайкалья. Здесь в пределах сравнительно небольшой площади (около 3 000 км2) благодаря засушливому климату и наличию трещиноватых вулканогенных структур, обеспечивающих смешение вод, сформировались весьма разнообразные по составу подземные воды. Особо остро стоит проблема содового засоления, поскольку район используется местным населением для сельскохозяйственной деятельности, а также является частью Государственного природного биосферного заповедника «Даурский», который с 2017 года включен в список объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО.

Кроме природных разнообразных факторов на формирование состава вод также оказывают влияние этапы, которые проходит вода в конкретных геологических и ландшафтных условиях. На основе полученных данных было выделено три геохимических типа подземных вод, которые значительно различались по величине общей минерализации, pH, набору химических элементов и изотопному составу. Было обнаружено, что вода постепенно обогащается тяжелыми изотопами и некоторыми микроэлементами (например, F, Mo, Br, B и Li). Стадия же формирования содового типа вод оказалось промежуточной между образованием пресных подземных вод (гидрокарбонатных-кальциевых) и соленых (сульфатно-хлоридно-натриевых).

 Представленные в статье результаты являются частью большого проекта, поддержанного Российским научным фондом (№ 17-17-01158 «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия, и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы — основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)». Позднее исследование было дополнено данными о поверхностных водных объектах (проект РФФИ № 18-05-00104 А «Геохимия озер Восточного Забайкалья: гидрогеохимические условия формирования и их минеральные ресурсы»). В настоящий момент исследование поддержано Российским фондом фундаментальных исследований (№20-35-90040 «Формирование химического состава подземных вод в условиях аридного климата на примере восточного Забайкалья»).

Тушение горящих щелочных металлов

Внимание!!! Цены на сайте не актуальны — уточняйте

Специальный огнетушитель порошковый предназначен для тушения горения металлов и металлосодержащих веществ, разделяется на подклассы пожара: Огнетушители специального назначения на российском рынке оснащены баллонами и стволами-успокоителями. Огнестушащее вещество (ОТВ) — специальные порошки, предназначенные для тушения подклассов пожара Д1, Д2 и ДЗ, сертифицированные для этих целей на территории Российской Федерации. При выборе способа пожаротушения следует различать горение собственно щелочных металлов, горение водорода, выделяющегося в процессе взаимодействия металла с водой, и горение органического растворителя в присутствии щелочного металла. Наиболее опасно, когда загорается сам щелочной металл, хотя такие случаи происходят редко. Тушение натрия, калия и сплава натрий-калий Наилучшие результаты при тушении этих металлов достигаются путем использования огнетушителей, снаряженных порошками Вексон-D и Вексон-D2. Порошок должен полностью покрыть поверхность горящего металла. Горение прекращается также при засыпании металлов мелким сухим кварцевым песком, кальцинированной содой, мелкой поваренной солью. Поваренная соль предпочтительнее песка, поскольку при высокой температуре натрий и калий могут реагировать с диоксидом кремния. Рекомендуемый иногда в качестве огнегасительного средства порошкообразный графит пригоден для тушения горящего натрия, но не калия. При горении калия и сплава калий-натрий образуется надпероксид калия, реагирующий с графитом со взрывом. Непригодны для подавления горения натрия и калия порошковые огнетушители, заряженные составом ПСБ на основе бикарбоната натрия и составом СИ-2, содержащим тетрафтордибромэтан. Натрий и калий можно тушить аргоном и азотом.Аргон эффективнее, поскольку существенно тяжелее воздуха. Диоксид углерода непригоден для тушения натрия и калия, однако углекислотным огнетушителем можно успешно потушить горящий растворитель в присутствии натрия. Обычно натрий не воспламеняется, пока не выгорит весь растворитель, так как пары растворителя защищают металл от контакта с кислородом воздуха. Иногда этот эффект удается использовать при тушении горящего металла. Если на горящий в какой-либо емкости натрий вылить небольшое количество керосина, образовавшийся в результате очаг пламени можно полностью загасить с помошью углекислотного огнетушителя. Щелочной металл считается потушенным только после полного остывания. Несгоревшие остатки металла тщательно собирают в толстостенный фарфоровый стакан и уничтожают обычным способом. Тушение лития Серьезную опасность представляет загоревшийся металлический литий. Использование обычных средств пожаротушения (вода, пена, диоксид углерода, галогенпроизводные углеводородов) либо усиливает горение, либо ведет к взрыву. При температуре выше 950 °С литий быстро разрушает стекло, кварц, бетон, огнеупоры, реагирует с песком. Литий продолжает гореть в атмосфере азота и диоксида углерода. Непригодны для тушения хлорид и карбонат натрия, поскольку при контакте с этими солями горящий литий вытесняет натрий. Нельзя применять также порошковые огнетушители, снабженные составами ABCE, хотя во многих инструкциях их ошибочно рекомендуют для тушения всех щелочных металлов. Для тушения горящего лития разработаны специальные порошковые составы Вексон-D3 на основе различных флюсов и графита с гидрофобизирующими добавками. Не следует использовать также порошкообразный графит, хлорид лития, хлорид калия. При работе с литием помимо обычных средств пожаротушения необходимо иметь наготове достаточное количество одного из перечисленных порошков. Литий можно потушить также, вытеснив воздух из очага горения аргоном. Подавать аргон следует так, чтобы струя газа не разбрызгивала жидкий металл. После прекращения горения остатки металла следует остудить в токе аргона. Тушение пожаров водой Одно из важных достоинств воды как средства огнетушения — постоянное наличие ее в любой лаборатории практически в неограниченном количестве. Для тушения небольших очагов пламени всегда можно взять воду в ближайшем водопроводном кране. При необходимости подачи большого количества воды пользуются внутренним пожарным водопроводом. Особенно эффективно применение воды для тушения обычных твердых горючих материалов — дерева, бумаги, угля, резины, тканей, а также хорошо растворяющихся в воде ГЖ — ацетона, низших спиртов, органических кислот. Вода — предпочтительное средство для тушения горящей одежды. Эффективность воды резко повышается при подаче ее в зону горения в виде распыленных струй (диаметр капель от 0,3 до 0,8 мм). При этом орошается гораздо большая поверхность, расход воды снижается, а ее охлаждающее действие значительно повышается. Охлаждающее и смачивающее действие воды используется не только для тушения огня, но и для предотвращения распространения пламени. В тех случаях, когда очаг загорания не удастся быстро ликвидировать первичными средствами огнетушения, водой обливают расположенные поблизости материалы — мебель, оборудование, газовые баллоны, если их невозможно вынести. Однако, несмотря на очевидные преимущества и в ряде случаев высокую эффективность воды, как огнетушащего средства, в условиях лабораторий область ее применения весьма ограничена. Вода обладает значительной электропроводимостью и поэтому не может быть использована для тушения горящего электрооборудования, находящегося под напряжением. Нельзя применять воду, если в зоне пожара находятся вещества, бурно с ней реагирующие (см. ниже). Вода неэффективна при тушении горящих углеводородов и других не смешивающихся с ней жидкостей, если их плотность меньше единицы. В некоторых случаях применение воды приводит не к прекращению, а к усилению горения, поскольку горючие жидкости всплывают и продолжают гореть на поверхности воды, причем площадь горения значительно увеличивается. Особенно опасно попадание, воды в горящие масляные бани или другие емкости с горящими высококипящими жидкостями или плавящимися при нагревании твердыми веществами. В зависимости от количества воды и температуры жидкости происходит либо бурное вспенивание, либо разбрызгивание и выброс горящей жидкости, что приводит к резкому усилению интенсивности горения и распространению его очага. Известны случаи тяжелых ожогов лица и рук при попытках погасить водой горящее в бане масло. В то же время распыленными водяными струями с диаметром капель не более 0,8 мм можно с успехом тушить многие высококипящие горючие жидкости, в том числе дизельные, трансформаторные и смазочные масла, керосин и т. п. Нельзя не считаться также с тем, что вода может необратимо повреждать оборудование, приборы, рабочую документацию, причем не только в аварийном помещении, но и на нижних этажах. Неоправданное ее применение для тушения небольших, загораний иногда может принести больший ущерб, чем непосредственное действие огня. Ниже приведен краткий перечень веществ, при наличии которых в зоне пожара ни в коем случае нельзя применять воду и другие огнетушащие средства на основе воды: Вещество Характер взаимодействия с водой Алюминийорганические соединения Реагируют со взрывом Разбавленные растворы алюминийорганических соединений Разлагаются с образованием газообразных углеводородов, дающих с воздухом взрывоопасные смеси Арсениды металлов Образуется арсенид водорода (арсин), самовозгорающийся на воздухе Высокочувствительные взрывчатые вещества (азид свинца, гремучая ртуть, нитроглицерин) Взрываются от удара струи воды Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, алюмогидриды щелочных металлов Выделяется водород, воспламеняющийся от тепла реакции; возможны взрывы Карбиды алюминия, бария, кальция, магния, марганца Разлагаются с выделением горючих газов Карбиды щелочных металлов При контакте с водой взрываются Магний и его сплавы Горящий металл разлагает воду на водород и кислород Магнийорганические соединения (R2Mg) Реагируют со взрывом Надпероксид калия (КО2) Бурно реагирует с водой с образованием пероксида водорода; возможен взрывообразный выброс и усиление горения Пероксиды щелочных и щелочноземельных металлов Бурно реагируют с образованием пероксида водорода и выделением теплоты Силициды металлов (лития, магния, железа и др.) Выделяется силицид водорода (силан), самовоспламеняющийся на воздухе Стибиды металлов Выделяется горючий стибид водорода (стибин) Фосфиды металлов Выделяется фосфид водорода (фосфин), самовоспламеняющийся выше 150 °С, и дифосфин, самовоспламеняющийся при комнатной температуре Цинкорганнческие соединения (R2Zn) Бурно взаимодействуют, иногда со взрывом Щелочные металлы От тепла реакции воспламеняются выделяющийся водород и сами металлы Щелочных металлов органические производные RM Очень бурно реагируют, продукты реакции воспламеняются Многие негорючие твердые и жидкие неорганические вещества — хлорид алюминия, тетрахлорид титана, оксид кальция, серная кислота, олеум, хлорсульфоновая кислота и др. при взаимодействии с водой образуют негорючие продукты, но выделяют большое количество теплоты, что может привести к взрывоопасному выбросу. Сильный экзотермический эффект при контакте с водой некоторых органических веществ, например ацетилхлорида, уксусного ангидрида и др. приводит к испарению исходного вещества и горючих продуктов реакции и образованию большого объема взрывоопасной смеси. Опасно также разбрызгивание агрессивных жидкостей. Некоторые неорганические вещества, например тионилхлорид, оксалилхлорид и др. выделяют при взаимодействии с водой токсичные и едкие газы (НСl, СО, S02), увеличивающие число опасных факторов пожара.

Влияние электронных сигарет на сердечно-сосудистую систему

ЭС появились на рынке с 2007 года, но стремительный рост их использования начался с 2010 года, особенно в Европе и США. Согласно данным эпидемиологических исследований в Евросоюзе 11,6 % населения хотя бы раз пробовали ЭС, а 1,8 % пользуются на данный момент; в США используют ЭС 3,8 % населения [1,2]. Подавляющее большинство владельцев ЭС являются активными или бывшими курильщиками, и лишь малая часть заявила о том, что никогда ранее не курила. Все еще ведутся дебаты о пользе и вреде ЭС для общественного здоровья, и в разных странах господствуют разные мнения по этому вопросу [3,4].

Наибольший вред, вызванный курением табака, обусловлен продуктами его горения (рис. 1). Устойчивое употребление табака обусловлено зависимостью к никотину. Многие ведущие исследователи и политические деятели в области контроля за потреблением табака поддерживают концепцию того, что наиболее важной целью в борьбе с отрицательными эффектами курения табака является снижение или полный отказ от его употребления [5,6]. ЭС выделяют никотин без вредных продуктов горения и потенциально могут помочь курильщикам отказаться от сигарет. Тем людям, которые не могут или не хотят бросать, ЭС могут быть полезны как минимум в снижении воздействия образовавшихся в процессе горения токсинов, что в итоге приведет к меньшему вреду для организма, особенно если курильщики смогут полностью заменить продукты горения никотина продуктами ЭС. В 2016 году использование ЭС с целью снижения вреда здоровью было рекомендовано Royal College of Physicians в Объединенном Королевстве [3]. Некоторые клинические исследования и долгосрочные эпидемиологические исследования предполагают, что ЭС могут способствовать прекращению курения, но высококачественные клинические исследования с использованием современных ЭС пока не доступны [7]. Тем не менее, как было определено при исследовании концентрации многочисленных метаболических биомаркеров, замена сигарет, содержащих табак, на ЭС уменьшает воздействие токсинов и канцерогенов, присутствующих в сигаретах [8]. Несмотря на эти предварительные исследования, доказывающие пользу ЭС, другие работы выступают против использования ЭС, ссылаясь на многочисленные опасения, включая: долгосрочные отрицательные эффекты ЭС на здоровье; одновременное использование ЭС и курение табака, приводящее к меньшему количеству людей, отказавшихся от обычных сигарет; становление курения нормой в обществе; игнорирование законодательства о запрете курения в общественных местах; отвлечение внимания курильщиков от проверенных методов по борьбе с зависимостью; потенциальную причину распространения курения сигарет среди несовершеннолетних [4,9,10].17 свободных радикалов. Считается, что оксиданты, содержащиеся в газовой фазе табачного дыма, являются основным фактором развития атеросклероза и тромбогенеза.

Ключевые моменты

• На определение рисков и пользы использования электронных сигарет (ЭС) для населения значительное влияние оказывает относительная безопасность ЭС в сравнении с обычными сигаретами.
• Влияние токсических химических веществ на человека тяжело поддается измерению из-за большого количества типов ЭС, различных жидкостей-наполнителей (далее просто жидкости) и индивидуальных режимов использования ЭС.
• Продукты выделения ЭС, представляющие наибольшее воздействие на ССС, включают в себя никотин, оксиданты, альдегиды (особенно акролеин) и твердые частицы.
• Никотин может способствовать развитию острых кардиоваскулярных событий, в особенности у людей, уже страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, главным образом, путем стимуляции симпатической нервной системы и системного высвобождения катехоламинов.
• Сердечно-сосудистые риски при использовании ЭС, скорее всего, значительно меньшие, чем при курении обычных сигарет.

Устройство ЭС и компоненты жидкости-наполнителя

ЭС образуют пар или аэрозоль, который поставляет никотин для вдоха, не вызывая горение табака. ЭС различаются по размеру и механизму действия, но все состоят из картриджа или резервуара, заполненного жидкостью (содержащей пропиленгликоль и/или растительный глицерин, никотин и ароматизаторы), нагревательного элемента и аккумулятора [12] (рис. 2). Фитиль, обычно изготавливаемый из силикона или хлопка, доставляет жидкость из резервуара к нагревательному элементу (обычно это металлическая катушка). Некоторые ЭС внешне напоминают обычные сигареты, тогда как другие имитируют курительные трубки, сигары или кальяны.

Как правило, ЭС классифицируют как устройства первого поколения (выглядят как сигареты), второго поколения (“танки”) и третьего поколения (“моды”). В устройствах третьего поколения возможно изменять температуру, напряжение и мощность атомайзера (прим. пер.: испарителя), а также пользователи могут модифицировать их по индивидуальному образцу. Усовершенствованные ЭС обычно имеют увеличенные аккумуляторы для выделения большего количества аэрозоля и доставке более высоких доз никотина, чем у ЭС первого поколения. Некоторые устройства имеют резервуары для жидкости (с возможностью многоразового пополнения или без нее), тогда как при использовании других моделей пользователю необходимо пропитывать фитиль жидкостью перед использованием.

Обычно жидкости содержат никотин в концентрации 3-48 мг/мл. При использовании устройств с более высокими напряжением аккумулятора и температурой зачастую используются растворы с низким содержанием никотина, так как в таком случае может быть произведен больший объем аэрозоля. ЭС обычно имеют один или несколько нагревательных элементов, обладающих разными характеристиками сопротивления, которые могут оказывать влияние на температуру, количество и состав аэрозоля. Как правило, жидкости ароматизированы, в продаже доступны тысячи различных видов ароматизаторов, самые распространенные из которых имеют вкус фруктов, конфет, кофе, ментола и табака.

ЭС активируются в момент ингаляции или при нажатии кнопки, активирующей датчик, ответственный за нагрев петли, что приводит к испарению жидкости, которой пропитан фитиль (рис. 2). Пар выделяется в среднем в течение 3-4 секунд [13,14]. При достижении полости рта или окружающей среды пар конденсируется и образует аэрозоль. Режимы использования ЭС и обычных сигарет отличаются друг от друга. Курильщики обычно совершают 10-12 затяжек от одной сигареты за 5-6 минут, в течение дня примерно каждые 30-60 минут выкуривается новая сигарета в зависимости от индивидуального потребления сигарет в день. В связи с тем, что при использовании ЭС не происходит горение, пользователи ЭС делают меньшее количество затяжек за один раз, это приводит к более равномерному использованию ЭС в течение дня. Результаты исследования постоянных пользователей ЭС показали высокую вариабельность количества затяжек в течение дня — в среднем 120-225 затяжек в день [14]. Количество вдыхаемого аэрозоля также может варьироваться в зависимости от особенностей устройства ЭС и концентрации никотина в жидкости. Владельцы ЭС третьего поколения с низким содержанием никотина вдыхают в несколько раз большую дозу аэрозоля по сравнению с владельцами более ранних устройств с высоким содержанием никотина — вероятно, это связано с попытками поддерживать желаемый уровень никотина в организме [15]. Таким образом, нельзя рассматривать ЭС как одно определенное устройство, а уровень воздействия никотина и токсинов при использовании одной ЭС нельзя распространять на другие устройства.

В связи с тем, что при использовании ЭС горение табака не происходит, ЭС не выделяют ни монооксид углерода, ни большинство из тысяч продуктов горения, обнаруженных в сигаретном дыму. К основным компонентам жидкостей относятся пропиленгликоль и растительный глицерин в качестве растворителей, никотин и ароматизаторы. В жидкости могут присутствовать в незначительной концентрации примеси, полученные при экстракции никотина из табака или образовавшиеся в ЭС. Примеси, полученные из табака, могут включать в себя специфические нитрозамины, являющиеся канцерогенами; алкалоиды, такие как норникотин, никотирин, анабазин и анатабин, некоторые из которых в высоких концентрациях имеют психоактивный эффект [16]. Примеси, образовавшиеся в ЭС, включают в себя металлы, содержащиеся в нагревательном элементе, припое и фитиле, такие как кадмий, хром, свинец, никель, серебро, олово и силикаты [17,18]. Как правило, эти вещества представлены в низких концентрациях и, скорее всего, не оказывают существенного токсического влияния на организм. Тем не менее пороговая доза токсичности остается неопределенной, а присутствие металлов в наночастицах, которые могут быть абсорбированы организмом, является предметом для беспокойства.

Устройство электронной сигареты. Картридж заполнен жидкостью, содержащей пропиленгликоль или растительный глицерин, никотин и ароматизаторы. При нагреве до высокой температуры (это может произойти при использовании современных ЭС) пропиленгликоль способен подвергаться термической дегидратации и образовывать ацетальдегид, формальдегид и пропиленоксид, а растительный глицерин — акролеин и глицидол.

Пропиленгликоль и растительный глицерин

При нагреве до высокой температуры пропиленгликоль может подвергаться термической дегидратации и образовывать такие продукты, как ацетальдегид, формальдегид, пропиленоксид, ацетол, аллиловый спирт, глиоксаль и метилглиоксаль [19-21]. Растительный глицерин превращается в акролеин, глицидол и формальдегид. Как будет рассмотрено далее, наибольшее значение в отношении ССЗ имеет акролеин, в меньшей степени — формальдегид и ацетальдегид. Образование данных альдегидов во многом зависит от температуры, которая, в свою очередь, зависит от мощности, подаваемой на атомайзер. При повышении напряжения с 3,3 В до 4,8 В объем испаряемой жидкости увеличивается двукратно, общее количество образовавшихся альдегидов — трехкратно, а выделение акролеина возрастает в десять раз. [19,22]. Таким образом, при низком напряжении аккумулятора концентрация образующихся альдегидов относительно невелика по сравнению с их выделением при курении обычных сигарет, однако при высоком напряжении батареи число альдегидов приближается к показателям сигаретного дыма и даже может превышать их. Повторное использование ЭС также может увеличить образование альдегидов: считается, что это связано с накоплением продуктов полимеризации, разрушающихся при нагревании. Важным вопросом при экстраполяции результатов лабораторных исследований о влиянии компонентов аэрозоля на риск развития заболеваний является то, как часто ЭС используются в режиме, при котором выделяется высокая концентрация альдегидов. Farsalinos и соавт. предположили, что при высокой температуре вкус выделений становится настолько неприятным, что владельцы ЭС не будут использовать устройства, настроенные на такую температуру [23]. Исследование на людях, оценивающее воздействие акролеина, с использованием биомаркеров мочи показало, что акролеина у использующих ЭС ниже, чем у курящих и сравнима с теми, кто не курит вообще [8,24-26]. Хотя тот факт, что в моче не обнаруживается повышенный уровень метаболитов акролеина, не говорит об отсутствии биологического эффекта на организм, но это значит, что воздействие и, вероятно, вред акролеина от ЭС значительно ниже, чем у обычных сигарет.

ЭС выделяют как высокореактивные короткоживущие свободные радикалы, так и стабильные, долгоживущие [27]. Химическая природа этих радикалов остается неизвестной. Концентрация свободных радикалов при использовании ЭС в 100-1000 раз ниже, чем в сигаретном дыме, однако эти показатели могут значительно изменяться в зависимости от типа ЭС. Установлено, что ежедневное воздействие свободных радикалов при регулярном использовании ЭС выше, чем при загрязнении воздуха, которое является фактором риска развития ССЗ [27,28]. Таким образом, несмотря на то, что вред, наносимый свободными радикалами ниже при замене обычных сигарет на ЭС, нельзя исключать возможность развития неблагоприятных эффектов при регулярном использовании ЭС.

Частицы, выделяемые ЭС, по своим размерам распределяются бимодально, включая и наночастицы, и субмикронные частицы, последние из которых своим размером схожи с частицами сигаретного дыма [29]. Считается, что наночастицы, которые состоят из металлов и химических веществ с низкой летучестью, образуются из катушки при ее нагревании или при пиролизе компонентов жидкости, находящихся в непосредственном контакте с поверхностью катушки. Субмикронные частицы образуются преимущественно из жидкого пропиленгликоля и растительного глицерина и быстро испаряются в воздухе (период полураспада — 11 секунд) [30]. Химическая природа частиц, выделенных из ЭС и обнаруженных в сигаретном дыме, различна. Частицы сигаретного дыма состоят из многокомпонентной смеси сотен потенциально токсичных, полулетучих органических веществ (сигаретная смола) и твердых углеродсодержащих материалов [5]. Сигаретный дым присутствует в окружающей среде в течение длительного времени, так как его период полураспада составляет 20 минут. Частицы сигаретного дыма схожи с частицами, образующимися при горении других органических материалов, таких как древесина, и обладают доказанным кардиоваскулярной токсичностью. При использовании ЭС пропиленгликоль и растительный глицерин в составе растворенных частиц попадают в легкие, где, как предполагается, быстро всасываются, попадают в кровоток и метаболизируются. Неизвестно, являются ли эти частицы токсическими, но даже если и так, то их токсичность, вероятно, ниже, чем у сложных углеродсодержащих частиц сигаретного дыма. Токсичность наночастиц, выделяемых ЭС, остается неизвестной.

Ароматизаторы

Большинство жидкостей ароматизированы, и на данный момент доступны тысячи разных вкусов. Ароматизаторы могут содержать спирт, смеси терпенов и альдегидов, а также химические вещества с известной токсичностью, такие как диацетил и бензальдегид, способные вызвать повреждение легких [31]. Было обнаружено, что циннамальдегид, обнаруженный в ароматизаторе со вкусом корицы, цитотоксичен in vitro [32]. На данный момент отсутствуют экспериментальные данные о влиянии ароматизаторов на здоровье пользователей ЭС.

Никотин

Устройства первого поколения выделяют меньшее количество никотина, чем более поздние модели, при использовании которых доза никотина сравнима с дозой при курении обычных сигарет [33,34]. В течение многих лет для исследователей и практикующих врачей роль никотина как кардиотоксического вещества представляла большой интерес, и это является важнейшим вопросом при оценивании потенциального риска ЭС для ССС. Фармакологическое действие и токсичность никотина в отношении ССС были в деталях разобраны авторами данной статьи в своей предыдущей работе [35].

Базисная фармакология

Никотин связывается с Н-холинорецепторами, расположенными в головном мозге, вегетативных ганглиях и мозговом веществе надпочечников. Зависимость от никотина опосредована α4β2 никотновыми ацетилхолиновыми рецепторами (н-холинорецепторами), а эффекты на ССС — α3β4 н-холинорецепторами [36]. Связывание никотина с α3β4 н-холинорецепторами приводит к локальному (из пресинаптического окончания) и системному (из мозгового вещества надпочечников) выбросу катехоламинов. Также никотин обладает не нейрональными эффектами, которые, как правило, опосредованы гомомерными α7 н-холинорецепторами. Эти рецепторы были обнаружены на эндотелиоцитах, макрофагах, кератиноцитах и иммунных клетках, отвечающих за воспаление [37].

Длительное воздействие никотина приводит к снижению возбудимости н-холинорецепторов и развитию острой толерантности. С целью прогнозирования хронических эффектов никотина необходимо учитывать толерантность при экстраполировании острых эффектов. Например, острое воздействие никотина ведет к усилению ангиогенеза, а хроническое — к нарушению ангиогенеза: считается, что это связано со снижением возбудимости сосудистых н-холинорецепторов [38,39]. Явление толерантности хотя бы частично объясняет нелинейную связь дозы никотина и ответа на его воздействие, что помогает ответить на вопрос, существует ли повышенный сердечно-сосудистый риск, вызванный высоким уровнем никотина в крови при лечении курильщиков никотинзаместительной терапией (НЗТ) или при использовании ЭС одновременно с курением [40].

Фармакокинетика: табачная продукция против ЭС

Попадая в ротовую полость, никотин находится в виде частиц сигаретного дыма или аэрозоля ЭС, а при продвижении по дыхательным путям он переходит в газообразное состояние. Никотин, содержащийся в сигаретном дыму, быстро всасывается и достигает головного мозга в течение 15-20 секунд [41]. Хотя считается, что никотин из ЭС всасывается с такой же скоростью, объем абсорбции в различных отделах дыхательной системы может варьироваться. Так как никотин является слабым основанием, то его переход из твердофазной частицы в газообразную состояние зависит от уровня pH, вместе с тем при высоких значениях pH большее количество молекул никотина становится неионизированным и способным к диффузии.
Жидкости ЭС обычно имеют pH ≥ 7, а сигаретный дым — около 5,5. И чем больше концентрация никотина в жидкости, тем выше становится уровень pH [16]. Таким образом, в сравнении с курением при использовании ЭС никотин легче покидает щелочные твердофазные частицы и в большем объеме всасывается в верхних дыхательных путях.

Курение сигарет приводит к периодическим скачкам и падениям концентрации никотина в крови на протяжении всего дня. Период полураспада никотина составляет приблизительно 2 часа, из-за чего регулярное курение вызывает повышение концентрации никотина на более чем 6-8 часов, после чего уровень никотина медленно снижается в течение ночи [42]. Владельцы ЭС распределяют затяжки более равномерно в течение дня, что приводит к более низкому содержанию никотина в крови и к меньшим скачкам артериального давления. Эта отличительная черта использования ЭС может иметь большое значение при рассмотрении токсичности, так как скорость роста концентрации никотина в крови влияет на его фармакологические эффекты. Таким образом, более медленная абсорбция никотина и более низкий пиковый уровень никотина при использовании ЭС приводит к менее выраженным кардиоваскулярным эффектам, чем при курении.

Примерная доза никотина, попадающего в системный кровоток при курении, составляет 1,0-1,5 мг [43]. Количество никотина из ЭС потенциально более вариабельно, так как зависит от модели ЭС и режима использования. Как упоминалось ранее, устройства первого поколения выделяют меньшее количество никотина, чем обычные сигареты, тогда как следующие поколения ЭС, содержащие больший объем жидкости и обладающие аккумуляторами с большим напряжением, не уступают по этому показателю обычным сигаретам [33,44,45]. Концентрация никотина в жидкостях варьируется от 3 мг/мл до 48 мг/мл, но его поступление в организм сильно зависит от устройства ЭС и количества испаренной жидкости. При использовании современной модели ЭС человек может получить равную или большую дозу никотина из жидкости с концентрацией 3 мг/мл, чем при при использовании модели первого поколения из жидкости с концентрацией 30 мг/мл [15]. Таким образом, при интерпретации исследований о влиянии ЭС на ССС необходимо обязательно учитывать модель устройства и концентрацию жидкости для наиболее оптимального определения уровня никотина в крови.

Эффекты никотина на ССС

Известно, что активация н-холинорецепторов способствует изменениям гемодинамики, развитию эндотелиальной дисфункции, инсулинорезистентности, дислипидемии, аритмогенности, воспалению и изменениям в миокарде (таблица 1). Важно то, что эпидемиологические исследования заболеваний ССС, связанных с курением, не способны отличить эффекты никотина от эффектов токсических продуктов горения табака. Тем не менее влияние никотина на ССС возможно измерить путем оценивания изменений со стороны ССС пациентов, проходящих НЗТ, и анализа данных эпидемиологических исследований пользователей бездымного табака.

Данные нескольких исследований показали, что среди пациентов, страдающих от болезней ССС, НЗТ не вызвала рост риска для ССС по сравнению с плацебо [5,46-49]. Кроме того, метаанализ 21 клинического исследования обнаружил, что НЗТ не была связана с повышенным риском развития основных сердечных патологий в сравнении с плацебо, но была ассоциирована с менее серьезными состояниями, такими как ощущение сердцебиения и аритмия [50]. Недостатком этих исследований безопасности НЗТ является их короткая продолжительность, а значит, и их ограниченная полезность при оценивании роли никотина в атерогенезе.

В некоторых регионах мира, например в Швеции, широко распространено использование снюса (форма снаффа), который представляет собой бездымный табачный продукт, содержащий малое количество канцерогенных нитрозаминов и обеспечивающий организм такой же концентрацией никотина, что и обычные сигареты [51]. Согласно данным когортного исследования жителей Швеции, употребление снюса не вызывало повышение риска развития инфаркта миокарда или инсульта, но было связано с небольшим риском развития фатального инфаркта миокарда [52,53]. Крупное американское проспективное исследование обнаружило небольшое, но значительное повышение риска развития острых нарушений ССС у пользователей бездымного табака (снаффа и жевательного табака) [54]. Еще одно шведское исследование показало, что отказ пользователей снюса, перенесших инфаркт миокарда, от привычки приводил к снижению смертности в последующие два года на ~50% [55]. Согласно данным кросс-секционного исследования, толщина внутренней и средней оболочек стенки сонной артерии (является биомаркером степени атеросклероза) была повышена среди курильщиков и не изменена среди пользователей снюса [56]. Кроме того, была обнаружена связь между употреблением снюса и повышенным риском сердечной недостаточности, однако его употребление никак не влияло на развитие фибрилляции предсердий [57,58].

В мета-анализе 2016 года, исследовавшем связь между употреблением бездымного табака и риском развития ССЗ, сообщается об общем повышении риска развития ишемической болезни сердца и смерти от инсульта среди постоянных потребителей [59].
Впрочем, были отмечены некоторые географические особенности — увеличение риска ишемической болезни сердца не наблюдалось в европейских странах, но было выражено в Азии.

Состав продуктов бездымного табака может отличатся. Например, в азиатских регионах они содержат больше нитрозаминов и других токсичных компонентов, что обосновано различиями в производстве и использовании. Наиболее подходящими для исследования изолированных эффектов никотина могут служить самые чистые формы табака, такие как шведский снюс.

Учитывая, что, в отличии от курения обычных сигарет, употребление чистых форм бездымного табака обычно не связано с повышенным риском инфаркта миокарда или атеросклероза, никотин вряд ли является основным фактором развития атеросклероза.

Связь между потреблением бездымного табака, увеличением частоты фатального инфаркта миокарда и увеличением смертности после перенесенного инфаркта миокарда позволяет предположить, что никотин скорее может способствовать развитию острых сердечно-сосудистых состояний и смертности от них уже при наличии ишемической болезни сердца.

Так или иначе, экстраполяция кардиоваскулярных эффектов использования НЗТ и бездымного табака ограничена при прогнозировании потенциального вреда электронных сигарет. Связано это прежде всего с тем, что поглощение никотина в ходе курения сигарет и электронных сигарет происходит быстрее, чем при использовании вышеупомянутых методов, которые, следовательно, могут давать менее неблагоприятные сосудистые эффекты.

Кардиоваскулярная токсичность сигарет

Курение сигарет является значительным фактором в развитии сердечно-сосудистых исходов по всему миру. Изучение риска для ССС из-за курения и его участие в патогенезе заболеваний важны для понимания потенциальных рисков использования электронных сигарет.

Риск возникновения острых коронарных и цереброваскулярных событий, включая инфаркт миокарда и инсульт, заметно повышается при курении [5,60,61]. У курильщиков ускоряется атерогенез, вовлекающий в процесс коронарные, сонные, мозговые артерии, аорту и периферические сосуды. Курение также усугубляет стенокардию и перемежающую хромоту, вызывает стенокардию вазоспастического генеза и повторное стенозирование после реваскуляризации коронарных или периферических артерий [40].

Прочие кардиоваскулярные эффекты курения табака включают прогрессирование и обострение сердечной недостаточности и гипертонической болезни.

Результаты эхокардиографических исследований с участием курильщиков свидетельствуют о распространенности среди них гипертрофии левого желудочка и диастолической дисфункции — факторы риска развития сердечной недостаточности, независимые от патологии коронарных сосудов и употребления алкоголя [62]. Также курение вызывает аритмию, включая фибрилляцию предсердий и внезапную сердечную смерть [63-66].

Острый инфаркт миокарда у курильщиков связан с более высоким шансом тромбообразования при менее выраженном атеросклерозе и ранним началом по сравнению с некурящими [67]. Другие неблагоприятные сосудистые эффекты курения включают нарушение заживления ран, эректильную дисфункцию, расстройства репродуктивной системы и макулодистрофию.

Важно отметить, что соотношение между количеством выкуриваемых за день сигарет и смертностью от ССЗ является нелинейным [68]. Влияние относительно низких доз сигаретного дыма достаточно чтобы вызвать существенное повышение риска смертности от ССЗ; однако при повышении уровня воздействия достигается плато уровня риска. Это нелинейное соотношение доза-эффект подразумевает как потенциально ограниченное снижение риска развития ССЗ через ограничение потребления у активных курильщиков, так и прогнозирование кардиоваскулярных рисков, исходя из эффектов воздействия на организм токсических веществ, полученных из табака.

Механизмы развития ССЗ, индуцированных курением

Множественные параллельные механизмы способствуют развитию индуцированных курением поражений ССС, включая окислительные процессы, повреждение и дисфункцию эндотелия, усиленное тромбообразование, хроническое воспаление, гемодинамические нарушения, неблагоприятное влияние на липиды крови, инсулинорезистентность и сахарный диабет, снижение доставки кислорода эритроцитами, аритмогенез.

Более углубленное обсуждение данных патогенетических механизмов выходит за рамки этого обзора и было широко рассмотрено ранее [5,35,60,69-71].

Сигаретный дым является сложной смесью продуктов сгорания, которая состоит из болем чем 7000 химических веществ [5]. Составляющие сигаретного дыма, которые вероятнее всего вносят наибольший вклад в развитие ССЗ, 一 это летучие органические вещества, окисляющие соединения, твердые частицы, тяжелые металлы и никотин (рис. 1). Окислительные вещества в сигаретном дыму содержат реактивные виды кислорода и азота; одна затяжка сигаретного дыма содержит около 1*1017 свободных радикалов [72].

Предполагается, что оксиданты, присутствующие в газовой фракции дыма, являются основными факторами, содействующими атерогенезу и тромбогенезу [69,70]. Оксиданты повреждают эндотелиальные клетки, уменьшая биодоступность оксида азота, истощают эндогенные антиоксиданты, индуцируют воспаление и вырабатывают высокоатерогенные окисленные ЛПНП. Сигаретный дым также может содержать высокий уровень монооксида углерода (СО), который более прочно связывается с гемоглобином, чем кислород, тем самым приводя к функциональной анемии. Снижение доступности кислорода из-за воздействия СО может способствовать развитию стенокардии, застойной сердечной недостаточности, перемежающейся хромоты, ХОБЛ, увеличению желудочковой эктопии и снижение фибрилляции желудочков в самом начале [73]. Тромбоцитоз может возникать в качестве ответа на функциональную анемию, которая способствует увеличению вязкости крови и тромбообразованию, связанному с курением.

В сигаретном дыму также представлено множество органических соединений, включая реактивные альдегиды, такие как акролеин и полициклические углеводороды. Акролеин, как было доказано, вызывает повреждение сосудов, дисфункцию эндотелия, активацию тромбоцитов, дислипидемии и нейрогенное воспаление при моделировании у животных [74]. Более того, акролеин может дестабилизировать атеросклеротические повреждения, ускорять атерогенез и индуцировать развитие дилатационной кардиомиопатии. Токсикологические исследования эффективности и уровня воздействия с моделированием риска у животных свидетельствуют о том, что акролеин является основным фактором болезней, вызванных курением, в том числе и ССЗ [75].

Формальдегид и ацетальдегид в высоких дозах также могут оказывать вредное влияние на ССС животных. Кроме того, полициклические углеводороды могут ускорять развитие атеросклероза в некоторых животных моделях [76], но их вклад в развитие связанных с курением сердечно-сосудистых заболеваний пока неясен.

Частицы сигаретного дыма состоят из капель воды, никотина и различных органических веществ, содержащих твердые углеродсодержащие материалы. Воздействие твердых частиц с аэродинамическим диаметром < 2,5 мкм (твердые частицы [ТЧ] 2,5), находящихся в сигаретном дыму, приводит к окислительному повреждению, воспалению сосудов, активации тромбоцитов, повышению вязкости крови и изменениям автономного функционирования сердца [77] Воздействие ТЧ 2,5, загрязнения атмосферного воздуха и, как следствие, пассивное курение и количество сигарет, выкуренных за день, связано с увеличением риска ССЗ [68,77]. Кроме того, тяжелые металлы, присутствующие в табачном дыму, в частности такие как свинец, кадмий и мышьяк, могут оказывать кардиотоксические эффекты путем окисления внутриклеточных белков, что в свою очередь способствует повреждению эндотелия.

Сердечно-сосудистая токсичность ЭС

Механизмы, благодаря которым ЭС могут оказывать влияние на сердечно-сосудистую систему. Прямыми линиями обозначены доказанные механизмы.Пунктирными линиями обозначены предполагаемые, но еще не исследованные механизмы.

Данные текущих исследований связи ЭС и ССЗ

Результаты исследований связи ЭС и ССЗ сильно варьируются в зависимости от характеристик пара и аэрозоля. Как было сказано выше, определенные виды электронных сигарет, особенно устройства первого поколения, поставляют довольно мало никотина, тогда как при использовании современных устройств можно получать никотина столько же, или даже больше, чем при курении обычных сигарет.

Исходя из этого, кардиоваскулярные эффекты ЭС, связанные с никотином, зависят от устройства. Оптимальное исследование эффектов использования ЭС на ССС должно включать измерение уровня никотина в крови; впрочем, в нескольких исследованиях сообщается об этом методе сбора данных.

Другие потенциальные сердечно-сосудистые токсиканты, такие как акролеин и тяжелые металлы, а также число частиц и их размеры, варьируются в зависимости от конструкции устройства, состава и сопротивления катушек, вольтажа батареи и того, как устройство используется. ЭС с высоким вольтажем аккумулятора и сопротивлением катушек генерируют высокие температуры, которые значительно влияют на действие альдегида и общий объем аэрозоля, что в свою очередь приводит к большей подверженности действию оксидантов и твердых частиц, потенциально увеличивая кардиоваскулярный риск.
В идеале, подробная информация об устройстве ЭС и схемах использования, а также биомаркеры воздействия токсиканта, должны быть включены в исследования сердечно-сосудистой токсичности, но до сих пор ни одно из имеющихся исследований не включало эти данные.

В доклинических исследованиях влияния аэрозолей ЭС культуры клеток и животных часто подвергали воздействию очень высоких доз аэрозоля, что не точно воспроизводит дозы и продолжительность влияния при периодическом вдыхании человеком. При исследовании клеточных культур трудно или даже невозможно определить уровни экспозиции и временной ход аэрозоля ЭС относительно человека. В исследованиях на животных измерение уровня никотина возможно, но воздействие свободных радикалов и распределение частиц по размерам будет сильно зависеть условий влияния (то есть, как создается аэрозоль или пар и каким образом доставляются животному, учитывая, что характеристики аэрозоля быстро меняются со временем, а свободные радикалы реактивны и нестабильны). Острые эффекты от использования ЭС могут оказаться бесполезными для прогнозирования риска развития ССЗ.

К примеру, аномальное поток-опосредованое расширение или аортальная ригидность являются достоверными маркерами будущих сердечно-сосудистых событий, а наступающая при использовании ЭС острая опосредованная стимуляция, ведущая к транзиторным нарушениям, может быть нерелевантным маркером, особенно если ЭС используются только периодически. Никотин может сужать кровеносные сосуды, приводя к временному увеличению скорости пульсовой волны аорты, что не эквивалетно ригидности стенки сосудов, развивающейся вследствии хронических заболеваний сосудов. Аналогично снижение вариабельности сердечного ритма является предиктором будущих сердечно-сосудистых событий, поскольку она отражает тонус симпатической нервной системы, который лежит в основе повышенного риска развития ССЗ [78]. Никотин, как известно, повышает тонус симпатической нервной системы и снижает вариабельность сердечного ритма [79], но вызванное данным веществом изменение тонуса симпатической нервной системы не равноценно повышению тонуса симпатической нервной системы, который является проявлением основного заболевания.

Эпидемиологические исследования рисков ССЗ, связанных с ЭС, трудно проектировать и интерпретировать, так как подавляющее большинство пользователей ЭС являются бывшими или текущими курильщиками сигарет [35]. Курильщиков, которые полностью перешли на ЭС, можно сравнивать с бросившими курение без использования ЭС при прогнозировании риска кардиоваскулярных событий, но людей, использующих только ЭС и находящихся в возрастной группе, для которой характерны наиболее острые сердечно-сосудистые события, довольно мало. Учитывая эти ограничения, любые выводы из текущих исследований ЭС должны быть интерпретированы с осторожностью. Сердечно-сосудистые эффекты, опосредуемые ЭС, по их механизмам потенциальной токсичности описаны ниже. На рис. 3 изображены гипотетические механизмы ЭС-индуцированых сердечно-сосудистых событий.

Гемодинамические эффекты

Гемодинамические эффекты ЭС согласуются с ожидаемыми эффектами никотина, как обсуждалось ранее. Любые различия эффектов во всех исследованиях вероятнее всего будут связаны с особенностями доставки никотина, используемой устройством. ЭС могут вызвать увеличение частоты сердечных сокращений, но степень этого увеличения варьируется в разных исследованиях [80]. Кроме того, многочисленные исследования ЭС также сообщали о резком повышении артериального давления среди пользователей [45,81-83]. Тем не менее несколько других исследований сообщили об отсутствии изменений сердечного ритма и артериального давления в покое у ежедневных потребителей в периоды от 14 дней до 1 года [84-86]. Ретроспективный анализ исследования при участии курильщиков, использующих ЭС и не намеренных бросать курить, обнаружил, что у использующих ЭС с гипертонией, которые сократили или прекратили курение сигарет, значительно снизилось систолическое артериальное давление в покое. Курильщики, которые отказались от табака, но продолжали использовать ЭС, показали более значительное снижение артериального давления по сравнению с теми, кто только сократил потребление табака.

Структурные и функциональные эффекты

В нескольких исследованиях рассматривалось острое влияние использования ЭС на ригидность артерий и функцию миокарда. Vlachopoulos с соавт. сообщили об увеличении ригидности аорты при использовании ЭС в когорте из 24 человек, не имеющих факторов риска развития ССЗ, эффект был отложенным и меньшим по сравнению с курильщиками сигарет [87]. Однако, в другом исследовании (n=15) не было обнаружено изменений артериальной ригидности при использовании ЭС [88]. В электрокардиографическом исследовании диастолическая релаксация была нарушена после выкуривания одной сигареты (увеличение времени изоволюметрической релаксации), в то время как использование вволю ЭС на протяжении 7 минут — соответствует времени на одну сигарету — не влияет на диастолическую функцию [81]. Кроме того, обычные сигареты привели к увеличению частоты сердечных сокращений и артериального давления, что позволяет предположить, что пользователи ЭС меньше подвергались влиянию никотина.

В исследованиях in vitro и на людях были описаны изменения функции эндотелиальных клеток при использовании ЭС. В культуре эндотелиоцитов коронарных артерий человека табачный дым (но не аэрозоль ЭС) спровоцировал изменение в экспрессии генов, соответствующее ответу на стресс [89]. Исследование, оценивающее цитотоксичность сигаретного дыма и 11 различных жидкостей для эндотелиальных клеток вен, показало, что 5 жидкостей были цитотоксичны, вызывая гибель клеток и снижение их пролиферации, но большинство жидкостей были менее токсичны, чем сигаретный дым [90]. Важно то, что в 3 жидкостях, показавших цитотоксичность, не содержался никотин.

Кровоток-опосредованное расширение (прим. пер.: FMD — flow-mediated dilatation), проведенное среди курильщиков и некурильщиков, было резко снижено в ответ и на использование ЭС, и на курение сигарет [91]. Кроме того, и курение, и использование ЭС резко увеличило оксидативный стресс и снизило биодоступность оксида азота (ЭС обладали значительно меньшим эффектом на оба показателя). Механизм, лежащий в основе эффекта ЭС на эндотелиальную функцию, неизвестен, но может быть связан с оксидативным стрессом либо воздействием никотина или твердых частиц.

Также было исследовано влияние использования ЭС на уровень циркулирующих предшественников эндотелиальных клеток (ПЭК) и микровезикул [92]. 10 затяжек ЭС способствовало повышению концентрации ПЭК: считается, что это является свидетельством ответа на повреждение эндотелия. Тем не менее никотин сам способен непосредственно стимулировать высвобождение ПЭК в отсутствие повреждения эндотелия, и в целом с риском развития ССЗ были связаны низкие уровни ПЭК, а не высокие [93,94]. Antoniewicz и соавт. обнаружили минимальный эффект использования ЭС или отсутствие эффекта на уровень микровезикул, высвобождающихся в момент повреждения эндотелиальных клеток либо активации лейкоцитов или тромбоцитов. Это указывает на то, что использование ЭС не вызвало существенного повреждения эндотелиоцитов, воспалительного ответа или активации тромбоцитов. Таким образом, хотя ЭС могут иметь эффект на ПЭК, но, учитывая результаты других исследований, существует мало доказательств того, что этот эффект является предиктором риска будущих ССЗ.

В кросс-секционном исследовании 16 человек, заявивших, что используют только ЭС, и 19 некурящих человек оценивались вариабельность ЧСС и оксидативный стресс [95]. Владельцы ЭС сообщили о существенном использовании, однако показатели котинина (биомаркер воздействия никотина) были намного ниже, чем обычно определяется при исследовании пользователей ЭС, а специфические биомаркеры для исключения курения сигарет не были измерены. Участники исследования были проинструктированы о запрете использования ЭС в день обследования. Частотный анализ изменения ЧСС обнаружил сдвиг симпато-вагального баланса в сторону преобладания симпатической активности, похожий эффект наблюдается у курильщиков [95]. Окисляемость ЛПНП была повышена в соответствии с увеличенным оксидативным стрессом. Уровни C-реактивного белка и фибриногена — маркеров воспаления — не отличались у пользователей ЭС и контрольной группы. Исследователи предполагают, что ЭС оказывают влияние на вегетативную регуляцию сердца даже в отсутствие острых никотин-индуцированных эффектов, и это влияние может указывать на повышенный кардиоваскулярный риск. Тем не менее недостатки исследования, включая очень легкое употребление ЭС среди участников, неудачу в оценивании чувствительных и специфических биомаркеров курения сигарет с целью исключения одновременных курильщиков и пользователей ЭС, а значительный гендерный дисбаланс между пользователями ЭС и контрольной группой поднимают вопрос о генерализуемости наблюдений.

Воспаление

Хроническое воспаление способно ускорять разитие атеросклероза и стимулировать нестабильность бляшки, способствуя развитию острых кардиоваскулярных событий. После курения (в отличие от разового использования ЭС) более чем на 1 час возросла концентрация белых кровяных телец: лимфоцитов и гранулоцитов [96]. Как было отмечено ранее, разовое использование ЭС не ассоциировано с высвобождением микровезикул, опосредованным воспалением, а небольшое кросс-секционное исследование не обнаружило влияния использования ЭС на концентрацию С-реактивного белка и фибриногена, являющихся биомаркерами хронического воспаления [92,95]. Доклинические исследования, оценивающие воспаление в ответ на использование ЭС, в значительной степени сфокусировались на эффектах для дыхательной системы [97]. Воздействие аэрозоля ЭС на эпителиальные клетки дыхательных путей человека привело к повышению секреции воспалительных цитокинов и концентрации маркеров оксидативного стресса [98]. В противоположность этому результаты исследования экспрессии мРНК в эпителиальной ткани носовой полости пользователей ЭС показали свидетельства иммунной супрессии [99]. Любые связанные с ЭС эффекты на хроническое воспаление легких имеют значение для риска развития ССЗ, так как известно, что хроническое воспаление увеличивает риск болезней ССС.

Обзорные исследования

Долгосрочные и обзорные исследования определяли наличие неблагоприятных состояний и оценивали физическое здоровье среди пользователей ЭС и обнаружили несколько случаев развития сердечно-сосудистых событий [100,101]. В истории болезни был описан пациент 70 лет с многочисленными жалобами на здоровье, У пациента эпизодически наблюдалась пароксизмальная форма фибрилляции предсердий, которой предшествовало использование ЭС [102]. Кроме того, в двух рандомизированных контролируемых исследованиях была исследована продолжительная эффективность ЭС как средства для прекращения курения на срок до 1 года, при этом не было обнаружено значительного роста развития неблагоприятных состояний, связанных с использованием ЭС [84,103].

Заключение

Безопасность для ССС является важным фактором в дискуссии о рисках и пользе ЭС, особенно в вопросе о использовании ЭС с целью прекращения курения у людей с ССЗ. Учитывая отсутствие экспериментальных данных о развитии сердечно-сосудистых событий среди пользователей ЭС, необходимо оценить вероятность риска ССЗ на основании данных о токсичности компонентов ЭС, уровне их влияния и механизмах их действия, а также на основании исследований, в которых использовались модельные животные, помещенные в условия, соответствующие доступной информации о вреде обычных сигарет для ССС. Как правило, потенциально токсические компоненты, за исключением никотина и твердых частиц, представлены в намного меньшем количестве в аэрозоле ЭС по сравнению с сигаретным дымом. Важно то, что частицы аэрозоля ЭС отличаются от частиц сигаретного дыма и их токсичность неизвестна. Большая часть эффектов ЭС на ССС человека соответствует известному симпатомиметическому эффекту никотина. Таким образом, авторы статьи считают, что хотя ЭС могут представлять некоторый риск для ССС, в особенности у людей, уже страдающих ССЗ, однако этот риск меньше, чем от обычных сигарет. Если при условии надлежащего контроля и соблюдения мер безопасности использование ЭС сможет снизить распространенность курения, то, скорее всего, это приведет к улучшению здоровья ССС в популяции. Возможным недостатком увеличившегося использования ЭС является устойчивое одновременное использование ЭС и курение обычных сигарет, что может приводить к меньшему количеству людей, отказавшихся от обычных сигарет, и, таким образом, к развитию неблагоприятных эффектов для состояния ССС [4,9,10]. Вероятно, конечный эффект использования ЭС на преобладание курения в обществе зависит от распространения информации в сфере здравоохранения и восприятия потребителей, а также варьируется между разными странами.

Общая польза ЭС как средства для борьбы с курением до сих пор не была установлена, однако некоторые курильщики успешно бросают сигареты, используя ЭС [104]. В связи с этим авторы статьи поддерживают заявление AHA (прим. пер.: American Heart Association — Американская ассоциация заболеваний сердца): “Если пациент провалил начальную стадию лечения, с пренебрежением относился к использованию лекарств для отказа от курения или вовсе их не принимал и желает использовать [ЭС] с целью прекращения курения, то будет разумно поддержать его попытку” [105]. Курильщикам с диагностированными ССЗ, которые бросают курить с помощью ЭС, авторы статьи рекомендуют прекратить использование ЭС, когда они будут уверены, что не вернутся к курению.

 

Оригинал

Перевод:  Владислав Ледовский, Катерина Кромф

Редакция: Николай Лисицкий, Алиса Скнар, Телли Мурадова

 Обложка: Никита Родионов

Изображения: Cornu Ammonis

Таблицы удельной теплоемкости веществ: газов, жидкостей, металлов, продуктов

АБС пластик	1300…2300
Аглопоритобетон и бетон на топливных (котельных) шлаках	840
Алмаз	502
Аргиллит	700…1000
Асбест волокнистый	1050
Асбестоцемент	1500
Асботекстолит	1670
Асбошифер	837
Асфальт	920…2100
Асфальтобетон	1680
Аэрогель (Aspen aerogels)	700
Базальт	850…920
Барит	461
Береза	1250
Бетон	710…1130
Битумоперлит	1130
Битумы нефтяные строительные и кровельные	1680
Бумага	1090…1500
Вата минеральная	920
Вата стеклянная	800
Вата хлопчатобумажная	1675
Вата шлаковая	750
Вермикулит	840
Вермикулитобетон	840
Винипласт	1000
Войлок шерстяной	1700
Воск	2930
Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат, газо- и пенозолобетон	840
Гетинакс	1400
Гипс формованный сухой	1050
Гипсокартон	950
Глина	750
Глина огнеупорная	800
Глинозем	700…840
Гнейс (облицовка)	880
Гравий (наполнитель)	850
Гравий керамзитовый	840
Гравий шунгизитовый	840
Гранит (облицовка)	880…920
Графит	708
Грунт влажный (почва)	2010
Грунт лунный	740
Грунт песчаный	900
Грунт сухой	850
Гудрон	1675
Диабаз	800…900
Динас	737
Доломит	600…1500
Дуб	2300
Железобетон	840
Железобетон набивной	840
Зола древесная	750
Известняк (облицовка)	850…920
Изделия из вспученного перлита на битумном связующем	1680
Ил песчаный	1000…2100
Камень строительный	920
Капрон	2300
Карболит черный	1900
Картон гофрированный	1150
Картон облицовочный	2300
Картон плотный	1200
Картон строительный многослойный	2390
Каучук натуральный	1400
Кварц кристаллический	836
Кварцит	700…1300
Керамзит	750
Керамзитобетон и керамзитопенобетон	840
Кирпич динасовый	905
Кирпич карборундовый	700
Кирпич красный плотный	840…880
Кирпич магнезитовый	1055
Кирпич облицовочный	880
Кирпич огнеупорный полукислый	885
Кирпич силикатный	750…840
Кирпич строительный	800
Кирпич трепельный	710
Кирпич шамотный	930
Кладка «Поротон»	900
Кладка бутовая из камней средней плотности	880
Кладка газосиликатная	880
Кладка из глиняного обыкновенного кирпича	880
Кладка из керамического пустотного кирпича	880
Кладка из силикатного кирпича	880
Кладка из трепельного кирпича	880
Кладка из шлакового кирпича	880
Кокс порошкообразный	1210
Корунд	711
Краска масляная (эмаль)	650…2000
Кремний	714
Лава вулканическая	840
Латунь	400
Лед из тяжелой воды	2220
Лед при температуре 0°С	2150
Лед при температуре -100°С	1170
Лед при температуре -20°С	1950
Лед при температуре -60°С	1700
Линолеум	1470
Листы асбестоцементные плоские	840
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка)	840
Лузга подсолнечная	1500
Магнетит	586
Малахит	740
Маты и полосы из стекловолокна прошивные	840
Маты минераловатные прошивные и на синтетическом связующем	840
Мел	800…880
Миканит	250
Мипора	1420
Мрамор (облицовка)	880
Настил палубный	1100
Нафталин	1300
Нейлон	1600
Неопрен	1700
Пакля	2300
Парафин	2890
Паркет дубовый	1100
Паркет штучный	880
Паркет щитовой	880
Пемзобетон	840
Пенобетон	840
Пенопласт ПХВ-1 и ПВ-1	1260
Пенополистирол	1340
Пенополистирол «Пеноплекс»	1600
Пенополиуретан	1470
Пеностекло или газостекло	840
Пергамин	1680
Перекрытие армокерамическое с бетонным заполнением без штукатурки	850
Перекрытие из железобетонных элементов со штукатуркой	860
Перекрытие монолитное плоское железобетонное	840
Перлитобетон	840
Перлитопласт-бетон	1050
Перлитофосфогелевые изделия	1050
Песок для строительных работ	840
Песок речной мелкий	700…840
Песок речной мелкий (влажный)	2090
Песок сахарный	1260
Песок сухой	800
Пихта	2700
Пластмасса полиэфирная	1000…2300
Плита пробковая	1850
Плиты алебастровые	750
Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружечные (ДСП, ДВП)	2300
Плиты из гипса	840
Плиты из резольноформальдегидного пенопласта	1680
Плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем	840
Плиты камышитовые	2300
Плиты льнокостричные изоляционные	2300
Плиты минераловатные повышенной жесткости	840
Плиты минераловатные полужесткие на крахмальном связующем	840
Плиты торфяные теплоизоляционные	2300
Плиты фибролитовые и арболит на портландцементе	2300
Покрытие ковровое	1100
Пол гипсовый бесшовный	800
Поливинилхлорид (ПВХ)	920…1200
Поликарбонат (дифлон)	1100…1120
Полиметилметакрилат	1200…1650
Полипропилен	1930
Полистирол УПП1, ППС	900
Полистиролбетон	1060
Полихлорвинил	1130…1200
Полихлортрифторэтилен	920
Полиэтилен высокой плотности	1900…2300
Полиэтилен низкой плотности	1700
Портландцемент	1130
Пробка	2050
Пробка гранулированная	1800
Раствор гипсовый затирочный	900
Раствор гипсоперлитовый	840
Раствор гипсоперлитовый поризованный	840
Раствор известково-песчаный	840
Раствор известковый	920
Раствор сложный (песок, известь, цемент)	840
Раствор цементно-перлитовый	840
Раствор цементно-песчаный	840
Раствор цементно-шлаковый	840
Резина мягкая	1380
Резина пористая	2050
Резина твердая обыкновенная	1350…1400
Рубероид	1500…1680
Сера	715
Сланец	700…1600
Слюда	880
Смола эпоксидная	800…1100
Снег лежалый при 0°С	2100
Снег свежевыпавший	2090
Сосна и ель	2300
Сосна смолистая 15% влажности	2700
Стекло зеркальное (зеркало)	780
Стекло кварцевое	890
Стекло лабораторное	840
Стекло обыкновенное, оконное	670
Стекло флинт	490
Стекловата	800
Стекловолокно	840
Стеклопластик	800
Стружка деревянная прессованая	1080
Текстолит	1470…1510
Толь	1680
Торф	1880
Торфоплиты	2100
Туф (облицовка)	750…880
Туфобетон	840
Уголь древесный	960
Уголь каменный	1310
Фанера клееная	2300…2500
Фарфор	750…1090
Фибролит (серый)	1670
Циркон	670
Шамот	825
Шифер	750
Шлак гранулированный	750
Шлак котельный	700…750
Шлакобетон	800
Шлакопемзобетон (термозитобетон)	840
Шлакопемзопено- и шлакопемзогазобетон	840
Штукатурка гипсовая	840
Штукатурка из полистирольного раствора	1200
Штукатурка известковая	950
Штукатурка известковая с каменной пылью	920
Штукатурка перлитовая	1130
Штукатурка фасадная с полимерными добавками	880
Шунгизитобетон	840
Щебень и песок из перлита вспученного	840
Щебень из доменного шлака, шлаковой пемзы и аглопорита	840
Эбонит	1430
Эковата	2300
Этрол	1500…1800

Улавливатели тумана: основы и применение

Некоторые улавливатели с фильтрами рукавного типа оснащаются упругим волокнистым фильтрующим материалом. Эти фильтры не содержат много смолы, поэтому они обеспечивают нормальный слив и отличаются приличной эффективностью. Однако их внутренняя структура не очень устойчива. Со временем волокна фильтрующего материала соединяются вместе, вызывая увеличенный перепад давления, снижение пропускной способности и снижение эффективности фильтрации.

Оптимизация фильтров

Одним из способов добиться одновременно и высокой эффективности, и эффективного слива является использование слоев. Многие улавливатели тумана имеют слой предварительной фильтрации, который обычно состоит из крупных волокон, ячеистого материала или металлической сетки, которые улавливают самые крупные капли и позволяют им легко стекать. Второй, или основной, слой улавливает большинство оставшихся капель с помощью более высокоэффективного фильтрующего материала, но при этом тоже обладает хорошими характеристиками слива. В качестве фильтра тонкой очистки обычно используется фильтр HEPA (эффективность 99,97 % для частиц размером 0,3 микрона) или DOP (эффективность 95 % для частиц размером 0,3 микрона). Эти фильтры отличаются высокой эффективностью, а значит, задерживают подавляющее большинство попадающих на них капель, но они плохо обеспечивают слив и в плохо спроектированном улавливателе часто засоряются. В правильно спроектированном улавливателе предварительный фильтр задерживает большую массу крупных капель и обеспечивает их эффективный слив. Затем основной фильтр задерживает большую часть оставшихся капель, но получает меньшую нагрузку, поскольку предварительный фильтр уже задержал значительную часть их общей массы. Наконец, на фильтр тонкой очистки будет приходиться очень низкая капельная нагрузка, но он будет работать с высокой эффективностью. Если какой-либо из этих слоев будет работать плохо, то так же плохо будет работать и весь улавливатель.

Более логичным способом достижения высоких уровней и эффективности, и слива является использование технологии фильтрующего материала, специально разработанной для решения проблем фильтрации с улавливанием тумана.

Фильтрующий материал Donaldson Synteq XP™ производится из смеси мелких и крупных волокон, соединенных с помощью механизма связывания собственной разработки, не использующего смолы. Конструкция этого фильтрующего материала позволяет основному фильтру работать, максимально используя свои возможности. Фильтрующий материал Synteq XP демонстрирует превосходные показатели работы благодаря системе связывания собственной разработки, при которой поверхность связующих волокон приваривается к окружающим микроволокнам стекла за счет нагрева. Такой тип связи позволяет получить устойчивую пористую структуру, которая обеспечивает оптимальные рабочие параметры и увеличенный срок службы, потому что никакая смола не перекрывает поры. Теперь мелкие волокна могут обеспечить повышенную эффективность без применения смол, которые ухудшают способность к сливу. Крупные же волокна могут обеспечивать общую прочность структуры, сохраняя при этом чистые сливные каналы и гарантируя превосходные показатели работы.

Измерение показателей эффективности улавливателя

Еще один интересный момент, связанный с улавливанием тумана с помощью фильтрующих материалов, заключается в том, что их характеристики перепада давления очень отличаются от характеристик улавливателей сухих частиц. Сухие частицы в статическом (не очищающем) улавливателе застревают в фильтрах, вызывая значительный рост перепада давления и постепенное повышение эффективности с увеличением срока работы улавливателя. По существу, новые сухие частицы должны проникать через слой ранее задержанных сухих частиц. Уже задержанные частицы пыли способствуют повышению эффективности задержания улавливателем других частиц.

При фильтрации тумана по мере насыщения фильтрующего материала жидкостью перепад давления будет возрастать незначительно. Однако по мере эксплуатации улавливателя его эффективность со временем будет несколько снижаться. Основной причиной снижения эффективности является структура пор, создаваемая волокнами фильтрующего материала, использованного в фильтре тумана. По мере задержания и коалесценции капель жидкости мелкие поры заполняются или закупориваются жидкостью. Всю фильтрацию выполняют оставшиеся большие поры, что приводит к следующим двум результатам:

1. Увеличение скорости воздуха, проходящего через оставшиеся поры, и сопровождающий его рост перепада давления.
2. Увеличение скорости воздуха, проходящего через оставшиеся более крупные поры, которые менее эффективно задерживают субмикронные капли, и вызываемое этим очевидное снижение эффективности фильтра.

Что это значит для покупателя улавливателя тумана? Если заявленная эффективность улавливателя указана для нового фильтра, то она будет выше фактической эффективности, наблюдаемой в реальности. Единственным верным и репрезентативным значением эффективности будет являться то, которое измерено по истечении некоторого времени эксплуатации улавливателя тумана.

Заключение

Выбор технологии улавливания тумана может оказаться сложной задачей. Однако, понимание различий между фундаментальными технологиями улавливания тумана и дыма и издержек каждой из них, а также сопоставление параметров и целей вашего производства, поможет найти хорошее решение.

1 Aerosol Measurement, 2-е издание, Baron & Willeke, 2001.
2 http://www.osha.gov/SLTC/metalworkingfluids/metalworkingfluids_manual.html#d

Термическое расширение твердых тел и жидкостей

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите и опишите тепловое расширение.
• Рассчитайте линейное расширение объекта с учетом его начальной длины, изменения температуры и коэффициента линейного расширения.
• Рассчитайте объемное расширение объекта с учетом его исходного объема, изменения температуры и коэффициента объемного расширения.
• Вычислить термическое напряжение на объекте с учетом его исходного объема, изменения температуры, изменения объема и модуля объемной упругости.

Рис. 1. Такие термические компенсаторы на мосту Окленд Харбор-Бридж в Новой Зеландии позволяют мостам изменять длину без потери устойчивости. (Источник: Ингольфсон, Wikimedia Commons)

Расширение спирта в градуснике — один из многих часто встречающихся примеров теплового расширения , изменения размера или объема данной массы в зависимости от температуры.Горячий воздух поднимается вверх, потому что его объем увеличивается, что приводит к тому, что плотность горячего воздуха меньше плотности окружающего воздуха, вызывая подъемную (восходящую) силу на горячий воздух. То же самое происходит со всеми жидкостями и газами, вызывая естественный теплоперенос вверх в домах, океанах и погодных системах. Твердые тела также подвергаются тепловому расширению. Например, железнодорожные пути и мосты имеют компенсаторы, позволяющие им свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры.

Каковы основные свойства теплового расширения? Во-первых, тепловое расширение явно связано с изменением температуры.Чем больше изменение температуры, тем больше будет гнуться биметаллическая полоса. Во-вторых, это зависит от материала. В термометре, например, расширение спирта намного больше, чем расширение содержащего его стекла.

Какова основная причина теплового расширения? Как обсуждается в «Кинетической теории: атомное и молекулярное объяснение давления и температуры», повышение температуры подразумевает увеличение кинетической энергии отдельных атомов. В твердом теле, в отличие от газа, атомы или молекулы плотно упакованы вместе, но их кинетическая энергия (в виде небольших быстрых колебаний) отталкивает соседние атомы или молекулы друг от друга.Это перемещение между соседними объектами приводит к увеличению расстояния между соседями в среднем и увеличению размера всего тела. Для большинства веществ в обычных условиях нет предпочтительного направления, и повышение температуры увеличит размер твердого вещества на определенную долю в каждом измерении.

Линейное тепловое расширение — тепловое расширение в одном измерении

Изменение длины Δ L пропорционально длине L .Зависимость теплового расширения от температуры, вещества и длины резюмируется в уравнении Δ L = αL Δ T , где Δ L — изменение длины L , Δ T — величина изменение температуры, а α — это коэффициент линейного расширения , который незначительно изменяется в зависимости от температуры.

В таблице 1 приведены типичные значения коэффициента линейного расширения, которые могут иметь единицы 1 / ºC или 1 / K.Поскольку размеры кельвина и градуса Цельсия одинаковы, значения α и Δ T могут быть выражены в кельвинах или градусах Цельсия. Уравнение Δ L = αL Δ T является точным для небольших изменений температуры и может использоваться для больших изменений температуры, если используется среднее значение α .

Таблица 1. Коэффициенты теплового расширения при 20ºC
Материал	Коэффициент линейного расширения α (1 / ºC)	Коэффициент объемного расширения β (1 / ºC)
Твердые вещества
Алюминий	25 × 10 — 6	75 × 10 — 6
Латунь	19 × 10 — 6	56 × 10 — 6
Медь	17 × 10 — 6	51 × 10 — 6
Золото	14 × 10 — 6	42 × 10 — 6
Железо или сталь	12 × 10 — 6	35 × 10 — 6
Инвар (железо-никелевый сплав)	0.9 × 10 — 6	2,7 × 10 — 6
Свинец	29 × 10 — 6	87 × 10 — 6
Серебро	18 × 10 — 6	54 × 10 — 6
Стекло (обычное)	9 × 10 — 6	27 × 10 — 6
Стекло (Pyrex®)	3 × 10 — 6	9 × 10 — 6
Кварц	0.4 × 10 — 6	1 × 10 — 6
Бетон, Кирпич	~ 12 × 10 — 6	~ 36 × 10 — 6
Мрамор (средний)	2,5 × 10 — 6	7,5 × 10 — 6
Жидкости
Эфир		1650 × 10 — 6
Этиловый спирт		1100 × 10 — 6
Бензин		950 × 10 — 6
Глицерин		500 × 10 — 6
Меркурий		180 × 10 — 6
Вода		210 × 10 — 6
Газы
Воздух и большинство других газов при атмосферном давлении		3400 × 10 — 6

Пример 1.Расчет линейного теплового расширения: мост Золотые Ворота

Главный пролет моста Золотые Ворота в Сан-Франциско составляет 1275 м в самые холодные дни. Мост подвергается воздействию температур от до от 15ºC до 40ºC. Каково изменение его длины между этими температурами? Предположим, что мост полностью стальной.

Стратегия

Используйте уравнение линейного теплового расширения Δ L = α L Δ T , чтобы рассчитать изменение длины Δ L .{\ circ} \ text {C} \ right) = 0,84 \ text {m} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это изменение длины заметно, хотя и невелико по сравнению с длиной моста. Обычно он распространяется на многие компенсаторы, поэтому расширение в каждом стыке невелико.

Тепловое расширение в двух и трех измерениях

Объекты расширяются во всех измерениях, как показано на рисунке 2. То есть их площадь и объем, а также их длина увеличиваются с температурой.Отверстия также увеличиваются с увеличением температуры. Если вы прорежете отверстие в металлической пластине, оставшийся материал расширится точно так же, как если бы заглушка все еще была на месте. Заглушка станет больше, а значит, и отверстие должно стать больше. (Представьте, что кольцо соседних атомов или молекул на стенке отверстия толкает друг друга дальше друг от друга при повышении температуры. Очевидно, что кольцо соседей должно становиться немного больше, поэтому отверстие становится немного больше).

Тепловое расширение в двух измерениях

Для небольших изменений температуры изменение площади Δ A определяется как Δ A = 2αAΔ T , где Δ A — изменение площади A , Δ T — изменение температуры , а α — коэффициент линейного расширения, который незначительно изменяется в зависимости от температуры.

Рис. 2. В общем, объекты расширяются во всех направлениях при повышении температуры. На этих чертежах исходные границы объектов показаны сплошными линиями, а расширенные границы — пунктирными линиями. (а) Площадь увеличивается из-за увеличения как длины, так и ширины. Увеличивается и площадь круглой пробки. (b) Если заглушку удалить, оставшееся отверстие становится больше с повышением температуры, как если бы расширяющаяся заглушка все еще оставалась на месте. (c) Объем также увеличивается, потому что все три измерения увеличиваются.

Тепловое расширение в трех измерениях

Изменение объема Δ V очень близко Δ V = 3 α V Δ T . Это уравнение обычно записывается как Δ V = βV Δ T , где β — коэффициент объемного расширения и β ≈ 3α. Обратите внимание, что значения β в таблице 1 почти точно равны 3α.

Обычно объекты расширяются с повышением температуры.Вода — самое важное исключение из этого правила. Вода расширяется с повышением температуры (ее плотность уменьшается до ), когда она находится при температуре выше 4ºC (40ºF). Однако он расширяется с при понижении температуры , когда она составляет от + 4ºC до 0ºC (от 40ºF до 32ºF). Вода самая плотная при + 4ºC. (См. Рис. 3.) Возможно, самым поразительным эффектом этого явления является замерзание воды в пруду. Когда вода у поверхности охлаждается до 4ºC, она становится плотнее, чем оставшаяся вода, и поэтому опускается на дно.Этот «оборот» приводит к образованию более теплой воды у поверхности, которая затем охлаждается. В конце концов, пруд имеет постоянную температуру 4ºC. Если температура в поверхностном слое опускается ниже 4ºC, вода становится менее плотной, чем вода внизу, и, таким образом, остается наверху. В результате поверхность водоема может полностью промерзнуть. Лед поверх жидкой воды обеспечивает изолирующий слой от резких зимних температур наружного воздуха. Рыба и другие водные животные могут выжить в воде с температурой 4ºC подо льдом из-за этой необычной характеристики воды.Он также обеспечивает циркуляцию воды в пруду, что необходимо для здоровой экосистемы водоема.

Рис. 3. Плотность воды как функция температуры. Обратите внимание, что тепловое расширение на самом деле очень мало. Максимальная плотность при + 4ºC только на 0,0075% больше, чем плотность при 2ºC, и на 0,012% больше, чем при 0ºC.

Установление соединений: соединения в реальном мире — заполнение резервуара

Рис. 4. Поскольку при повышении температуры газ расширяется больше, чем бензобак, летом нельзя проехать столько миль на «пустом», как зимой.(Источник: Гектор Алехандро, Flickr)

Различия в тепловом расширении материалов могут привести к интересным эффектам на заправочной станции. Один из примеров — капание бензина из свежезалитого бака в жаркий день. Бензин начинается при температуре земли под заправочной станцией, которая ниже температуры воздуха наверху. Бензин охлаждает стальной бак при его наполнении. Как бензин, так и стальной бак расширяются, когда они нагреваются до температуры воздуха, но бензин расширяется намного больше, чем сталь, и поэтому он может переливаться через край.

Эта разница в расширении также может вызвать проблемы при интерпретации показаний манометра. Фактическое количество (масса) бензина, оставшегося в баке, когда манометр показывает «пустой», летом намного меньше, чем зимой. Бензин имеет тот же объем, что и зимой, когда горит лампочка «долейте топлива», но из-за того, что бензин расширился, масса меньше. Если вы привыкли зимой пробегать еще 40 миль «пусто», будьте осторожны — летом вы, вероятно, выбегаете намного быстрее.

Пример 2. Расчет теплового расширения: газ по сравнению с газовым баллоном

Предположим, ваш стальной бензобак объемом 60,0 л (15,9 галлона) заполнен бензином, поэтому температура и бака, и бензина составляет 15,0 ° C. Сколько бензина вылилось к тому времени, когда они нагрелись до 35,0ºC?

Стратегия

Бак и бензин увеличиваются в объеме, но бензин увеличивается больше, поэтому количество разлитого является разницей в изменении их объема. (Бензобак можно рассматривать как стальной.) Мы можем использовать уравнение для объемного расширения, чтобы рассчитать изменение объема бензина и бака.

Решение

1. Используйте уравнение для увеличения объема, чтобы рассчитать увеличение объема стального резервуара: Δ V _с = β _с V _с Δ T .
2. Увеличение объема бензина определяется следующим уравнением: Δ V _газ = β _газ V _газ Δ T .
3. Найдите разницу в объеме, чтобы определить количество разлитого как V _разлив = Δ V _газ — Δ V _с .

В качестве альтернативы мы можем объединить эти три уравнения в одно уравнение. (Обратите внимание, что исходные объемы равны.)

[латекс] \ begin {array} {lll} {V} _ {\ text {spill}} & = & \ left ({\ beta} _ {\ text {gas}} — {\ beta} _ {\ text {s}} \ right) V \ Delta T \\ & = & \ left [\ left (\ text {950} — \ text {35} \ right) \ times {\ text {10}} ^ {- 6} / ^ {\ circ} \ text {C} \ right] \ left (\ text {60} \ text {.{\ circ} \ text {C} \ right) \\ & = & 1 \ text {.} \ text {10} \ text {L} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Эта сумма значительна, особенно для резервуара объемом 60,0 л. Эффект такой поразительный, потому что бензин и сталь быстро расширяются. Скорость изменения тепловых свойств обсуждается в главе «Тепло и методы теплопередачи».

Если вы попытаетесь плотно закрыть резервуар, чтобы предотвратить переполнение, вы обнаружите, что он все равно протекает либо вокруг крышки, либо в результате разрушения резервуара.Сильное сжатие расширяющегося газа эквивалентно его сжатию, и как жидкости, так и твердые тела сопротивляются сжатию с чрезвычайно большими силами. Чтобы избежать разрыва жестких контейнеров, в этих контейнерах есть воздушные зазоры, которые позволяют им расширяться и сжиматься, не нагружая их.

Термическое напряжение

Термическое напряжение создается в результате теплового расширения или сжатия (обсуждение напряжения и деформации см. В разделе «Эластичность: напряжение и деформация»). Термическое напряжение может быть разрушительным, например, когда бензин разрывает бак при расширении.Это также может быть полезно, например, когда две части соединяются вместе путем нагревания одной при производстве, затем надевания ее на другую и охлаждения комбинации. Термический стресс может объяснить многие явления, такие как выветривание скал и тротуаров из-за расширения льда при замерзании.

Пример 3. Расчет термического напряжения: давление газа

Какое давление будет создано в бензобаке, рассмотренном в примере 2, если температура бензина повысится с 15?От 0 ° C до 35,0 ° C без возможности расширения? Предположим, что модуль объемной упругости B для бензина составляет 1,00 × 10 ⁹ Н / м ² .

Стратегия

Чтобы решить эту проблему, мы должны использовать следующее уравнение, которое связывает изменение объема Δ V с давлением:

[латекс] \ Delta {V} = \ frac {1} {B} \ frac {F} {A} V_0 \\ [/ latex]

, где [латекс] \ frac {F} {A} \\ [/ latex] — давление, V ₀ — исходный объем, а B — модуль объемной упругости рассматриваемого материала.Мы будем использовать количество пролитого в Примере 2 как изменение объема Δ V .

Решение

1. Измените уравнение для расчета давления: [латекс] P = \ frac {F} {A} = \ frac {\ Delta {V}} {V_0} B \\ [/ latex].
2. Вставьте известные значения. Модуль объемной упругости для бензина составляет B = 1,00 × 10 ⁹ Н / м ² . В предыдущем примере изменение объема Δ V = 1,10 л — это количество, которое может разлиться. Здесь V ₀ = 60.7 \ text {Pa} \\ [/ latex].

Обсуждение

Это давление составляет около 2500 фунтов / дюйм ² , намного больше, чем может выдержать бензобак.

Силы и давления, создаваемые термическим напряжением, обычно такие же большие, как в приведенном выше примере. Железнодорожные пути и дороги могут деформироваться в жаркие дни, если у них нет достаточных компенсационных швов. (См. Рис. 5.) Линии электропередач провисают больше летом, чем зимой, и в холодную погоду они лопнут, если провисание будет недостаточным.В оштукатуренных стенах открываются и закрываются трещины по мере того, как дом нагревается и остывает. Стеклянные сковороды треснут при быстром или неравномерном охлаждении из-за различного сжатия и создаваемых им напряжений. (Pyrex® менее чувствителен из-за своего малого коэффициента теплового расширения.) Сосуды под давлением ядерных реакторов находятся под угрозой из-за чрезмерно быстрого охлаждения, и хотя ни один из них не вышел из строя, некоторые из них охлаждались быстрее, чем считалось желательным. Биологические клетки разрываются при замораживании продуктов, что ухудшает их вкус.Повторные оттаивания и замораживания усугубляют ущерб. Даже океаны могут быть затронуты. Значительная часть повышения уровня моря в результате глобального потепления происходит из-за теплового расширения морской воды.

Рис. 5. Термическое напряжение способствует образованию выбоин. (кредит: Editor5807, Wikimedia Commons)

Металл регулярно используется в человеческом теле для имплантатов бедра и колена. Большинство имплантатов со временем необходимо заменять, потому что, помимо прочего, металл не сцепляется с костью.Исследователи пытаются найти более качественные металлические покрытия, которые позволили бы соединить металл с костью. Одна из проблем — найти покрытие с коэффициентом расширения, аналогичным коэффициенту расширения металла. Если коэффициенты расширения слишком разные, термические напряжения во время производственного процесса приводят к трещинам на границе раздела покрытие-металл.

Еще один пример термического стресса — во рту. Зубные пломбы могут расширяться иначе, чем зубная эмаль. Может вызывать боль при поедании мороженого или горячем напитке.В наполнении могут образоваться трещины. На смену металлическим пломбам (золото, серебро и др.) Приходят композитные пломбы (фарфор), которые имеют меньший коэффициент расширения и ближе к зубам.

Проверьте свое понимание

Два блока, A и B, сделаны из одного материала. Блок А имеет размеры л × ш × в = л × 2 л × л , а блок В имеет размеры 2 л × 2 л × 2 л .Если температура изменится, что будет

1. изменение объема двух блоков,
2. изменение площади поперечного сечения l × w и
3. изменение высоты h двух блоков?

Рисунок 6.

Решение

1. Изменение объема пропорционально исходному объему. Блок А имеет объем л × 2 л × л = 2 л ³ . Блок B имеет объем 2 л × 2 л × 2 L = 8 L ³ , , что в 4 раза больше, чем у блока A. Таким образом, изменение объема блока B должно быть в 4 раза больше изменения объема блока A.
2. Изменение площади пропорционально площади. Площадь поперечного сечения блока A составляет L × 2 L = 2 L ² , , а у блока B 2 L × 2 L = 4 L ² .Поскольку площадь поперечного сечения блока B вдвое больше, чем у блока A, изменение площади поперечного сечения блока B вдвое больше, чем у блока A.
3. Изменение высоты пропорционально исходной высоте. Поскольку исходная высота блока B вдвое больше, чем у A, изменение высоты блока B вдвое больше, чем у блока A.

Сводка раздела

• Термическое расширение — это увеличение или уменьшение размера (длины, площади или объема) тела из-за изменения температуры.
• Тепловое расширение велико для газов и относительно невелико, но им нельзя пренебрегать, для жидкостей и твердых тел.
• Линейное тепловое расширение составляет Δ L = α L Δ T , где Δ L — изменение длины L , Δ T — изменение температуры, а α — коэффициент линейного расширение, которое незначительно меняется в зависимости от температуры.
• Изменение площади из-за теплового расширения составляет Δ A = 2α A Δ T , где Δ A — это изменение площади.
• Изменение объема из-за теплового расширения составляет Δ V = βV Δ T , где β — коэффициент объемного расширения, а β ≈ 3α. Тепловое напряжение создается, когда ограничивается тепловое расширение.

Концептуальные вопросы

1. Термические нагрузки, вызванные неравномерным охлаждением, могут легко разбить стеклянную посуду. Объясните, почему Pyrex®, стекло с небольшим коэффициентом линейного расширения, менее восприимчиво.
2. Вода значительно расширяется при замерзании: происходит увеличение объема примерно на 9%. В результате этого расширения и из-за образования и роста кристаллов при замерзании воды от 10% до 30% биологических клеток разрываются при замораживании материала животного или растительного происхождения. Обсудите последствия этого повреждения клеток для перспективы сохранения человеческих тел путем замораживания, чтобы их можно было разморозить в будущем, когда есть надежда, что все болезни излечимы.
3. Один из методов обеспечения плотной посадки, например металлического штифта в отверстии в металлическом блоке, состоит в том, чтобы изготовить штифт немного больше, чем отверстие.Затем вставляется колышек, когда температура отличается от температуры блока. Должен ли блок быть горячее или холоднее стержня во время вставки? Поясните свой ответ.
4. Действительно ли помогает полить горячей водой плотную металлическую крышку стеклянной банки, прежде чем пытаться ее открыть? Поясните свой ответ.
5. Жидкости и твердые тела расширяются с повышением температуры, потому что кинетическая энергия атомов и молекул тела увеличивается. Объясните, почему некоторые материалы сжимаются при повышении температуры.

Задачи и упражнения

1. Высота монумента Вашингтона составляет 170 м в день при температуре 35 ° C.0ºC. Какой будет его высота в день, когда температура опустится до –10,0ºC? Хотя памятник сделан из известняка, предположим, что его коэффициент теплового расширения такой же, как у мрамора.
2. Насколько выше Эйфелева башня становится в конце дня, когда температура повышается на 15ºC? Его первоначальная высота составляет 321 м, и можно предположить, что он сделан из стали.
3. Как изменится длина столба ртути длиной 3,00 см, если его температура изменится с 37?От 0 ° C до 40,0 ° C, если ртуть не ограничена?
4. Какого размера следует оставлять компенсационный зазор между стальными железнодорожными рельсами, если они могут достигать максимальной температуры на 35,0 ° C выше, чем при укладке? Их первоначальная длина — 10,0 м.
5. Вы хотите приобрести небольшой участок земли в Гонконге. Цена «всего» 60 000 долларов за квадратный метр! В праве собственности указано, что его размеры составляют 20 м × 30 м. Насколько изменилась бы общая цена, если бы вы измерили посылку стальной рулеткой в ​​день, когда температура была на 20ºC выше нормы?
6. Глобальное потепление вызовет повышение уровня моря отчасти из-за таяния ледяных шапок, но также из-за расширения воды по мере повышения средней температуры океана.Чтобы получить некоторое представление о величине этого эффекта, рассчитайте изменение длины водяного столба высотой 1,00 км при повышении температуры на 1,00 ° C. Обратите внимание, что этот расчет является приблизительным, потому что потепление океана не равномерно по глубине.
7. Покажите, что 60,0 л бензина при первоначальной температуре 15,0 ° C расширится до 61,1 л при нагревании до 35,0 ° C, как заявлено в Примере 2.
8. (a) Предположим, что стержень из стали и стержень из инвара (сплав железа и никеля) имеют одинаковую длину при 0 ° C.Какова их разница в длине при 22,0ºC? (b) Повторите расчет для двух геодезических лент длиной 30,0 м.
9. (a) Если стеклянный стакан емкостью 500 мл заполнен до краев этиловым спиртом при температуре 5,00 ° C, сколько его жидкости выльется через край, когда его температура достигнет 22,0 ° C? б) Насколько меньше воды могло бы перелиться через край при тех же условиях?
10. У большинства автомобилей есть резервуар для охлаждающей жидкости для сбора радиаторной жидкости, которая может вылиться при горячем двигателе. Радиатор сделан из меди и залит на 16.Емкость 0 л при температуре 10,0 ° C. Какой объем радиаторной жидкости переполнится, когда радиатор и жидкость достигнут своей рабочей температуры 95,0ºC, учитывая, что объемный коэффициент расширения жидкости составляет β = 400 × 10 ^–6 / ºC? Обратите внимание, что этот коэффициент является приблизительным, потому что большинство автомобильных радиаторов имеют рабочие температуры выше 95,0 ° C.
11. Физик делает чашку растворимого кофе и замечает, что по мере остывания кофе его уровень в стеклянной чашке падает на 3,00 мм.Покажите, что это уменьшение не может быть связано с термическим сжатием, рассчитав снижение уровня, если 350 см3 кофе находится в чашке диаметром 7,00 см, а температура снижается с 95,0 ° C до 45,0 ° C. (Большая часть падения уровня происходит из-за выхода пузырьков воздуха.)
12. (a) Плотность воды при 0ºC составляет почти 1000 кг / м3 (на самом деле это 999,84 кг / м ³ ), тогда как плотность льда при 0ºC составляет 917 кг / м ³ . Рассчитайте давление, необходимое для предотвращения расширения льда при замерзании, пренебрегая влиянием такого большого давления на температуру замерзания.(Эта проблема дает вам лишь представление о том, насколько велики могут быть силы, связанные с замораживанием воды.) (Б) Каковы последствия этого результата для замороженных биологических клеток?
13. Покажите, что β ≈ 3α, вычислив изменение объема Δ V куба со сторонами длиной L .

Глоссарий

тепловое расширение: изменение размера или объема объекта при изменении температуры

коэффициент линейного расширения: α, изменение длины на единицу длины при изменении температуры на 1 ° C; константа, используемая при расчете линейного расширения; коэффициент линейного расширения зависит от материала и в некоторой степени от температуры материала

Коэффициент объемного расширения: β , изменение объема на единицу объема при изменении температуры на 1ºC

термическое напряжение: напряжение, вызванное тепловым расширением или сжатием

Избранные ответы на задачи и упражнения

1.{\ circ} \ text {C} \ right) \ right] \\ & = & \ text {61} \ text {.} 1 \ text {L} \ end {array} \\ [/ latex]

9. (а) 9,35 мл; (б) 7,56 мл

11. 0,832 мм

13. Мы знаем, как длина изменяется в зависимости от температуры: Δ L = α L ₀ Δ T . Также мы знаем, что объем куба связан с его длиной соотношением V = L ³ , поэтому окончательный объем будет V = V ₀ + Δ V = ( L ₀ + Δ L ) ³ .Подстановка Δ L дает В = ( L ₀ + α L ₀ Δ T ) ³ = L ₀ ³ (1 + αΔ T ) ³ .

Теперь, поскольку αΔ T мало, мы можем использовать биномиальное расширение: V ≈ L ₀ ³ (1 + 3αΔ T ) = L ₀ ³ + 3α L ₀ ³ Δ T .

Таким образом, запись длины в единицах объемов дает В = В ₀ + Δ В ≈ В ₀ + 3α В ₀ Δ T и, следовательно, Δ V = βV ₀ Δ T ≈ 3α V ₀ Δ T или β ≈ 3α.

---

Тепловое расширение | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Большинство материалов подвержены тепловому расширению: тенденции расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении.По этой причине мосты строятся с металлическими компенсаторами, чтобы они могли расширяться и сжиматься, не вызывая неисправностей в общей конструкции моста. Другие машины и конструкции также имеют встроенную защиту от опасностей теплового расширения. Но тепловое расширение также может быть полезным, делая возможным работу термометров и термостатов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Молекулярная трансляционная энергия

С научной точки зрения, тепло — это внутренняя энергия, которая течет от системы с относительно высокой температурой к системе с относительно низкой температурой.Сама внутренняя энергия, называемая тепловой энергией, — это то, что люди обычно имеют в виду, когда говорят «тепло». Форма кинетической энергии из-за движения молекул, тепловая энергия иногда называется молекулярной поступательной энергией.

Температура определяется как мера средней молекулярной поступательной энергии в системе, и чем больше изменение температуры для большинства материалов, как мы увидим, тем больше величина теплового расширения. Таким образом, на все эти аспекты «тепла» — само тепло (в научном смысле), а также тепловая энергия, температура и тепловое расширение — в конечном итоге влияет движение молекул по отношению друг к другу.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ДВИЖЕНИЕ И НЬЮТОНОВСКАЯ ФИЗИКА.

В общем, кинетическая энергия, создаваемая движением молекул, может быть понята в рамках классической физики, то есть парадигмы, связанной с сэром Исааком Ньютоном (1642-1727) и его законами движения. Ньютон был первым, кто понял физическую силу, известную как гравитация, и объяснил поведение объектов в контексте силы тяжести. Среди понятий, необходимых для понимания ньютоновской физики, — масса объекта, скорость его движения (будь то скорость или ускорение) и расстояние между объектами.Все они, в свою очередь, являются центральными элементами для понимания того, как молекулы при относительном движении генерируют тепловую энергию.

Чем больше импульс объекта, то есть произведение его массы на скорость его скорости, тем сильнее влияние, которое он оказывает на другой объект, с которым сталкивается. Более того, его кинетическая энергия равна половине его массы, умноженной на квадрат его скорости. Масса молекулы, конечно, очень мала, но если все молекулы внутри объекта находятся в относительном движении — многие из них сталкиваются и, таким образом, передают кинетическую энергию, — это обязательно приведет к относительно большому количеству тепловых ударов. энергия со стороны более крупного объекта.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ И ФАЗЫ ВЕЩЕСТВА.

Тем не менее, именно из-за того, что молекулярная масса настолько мала, одна гравитационная сила не может объяснить притяжение между молекулами. Вместо этого это притяжение следует понимать с точки зрения второго типа сил — электромагнетизма, открытого шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). Детали электромагнитной силы не здесь важно; нужно только знать, что все молекулы обладают некоторой составляющей электрического заряда.Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются, между молекулами существует постоянное электромагнитное взаимодействие, которое создает различные степени притяжения.

Чем больше относительное движение между молекулами, тем меньше их притяжение друг к другу. Действительно, эти два аспекта материала — относительное притяжение и движение на молекулярном уровне — определяют, можно ли классифицировать этот материал как твердое, жидкое или газообразное. Когда молекулы медленно движутся относительно друг друга, они оказывают сильное притяжение, и материал, частью которого они являются, обычно классифицируется как твердое тело.С другой стороны, молекулы жидкости движутся с умеренной скоростью и поэтому обладают умеренным притяжением. Когда молекулы движутся с высокой скоростью, они практически не притягиваются, а этот материал известен как газ.

Прогнозирование теплового расширения

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Коэффициент — это число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Это также может быть коэффициент, на который умножаются другие значения для получения желаемого результата. Для любого типа материала возможно рассчитайте степень, в которой этот материал будет расширяться или сжиматься при изменении температуры.В общих чертах это известно как коэффициент расширения, хотя на самом деле существует две разновидности коэффициента расширения.

Коэффициент линейного расширения — это константа, которая определяет степень изменения длины твердого тела в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10. ⁻⁵ / ° С. Другими словами, значение коэффициента линейного расширения конкретного твердого тела умножается на 0.00001 на ° C. (° C в знаменателе, показанном в уравнении ниже, просто «выпадает», когда коэффициент линейного расширения умножается на изменение температуры.)

Для кварца коэффициент линейного расширения равен 0,05. Напротив, железо с коэффициентом 1,2 в 24 раза чаще расширяется или сжимается в результате изменений температуры. (Сталь имеет то же значение, что и железо.) Коэффициент для алюминия составляет 2,4, что вдвое больше, чем у железа или стали. Это означает, что при одинаковом изменении температуры длина алюминиевого стержня изменяется вдвое больше, чем длина железного стержня.Свинец является одним из самых дорогостоящих твердых материалов с коэффициентом, равным 3,0.

РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ.

Линейное расширение данного твердое тело можно рассчитать по формуле δ L = aL _O Δ T. Греческая буква дельта (d) означает «изменение в»; следовательно, первая цифра представляет изменение длины, а последняя цифра в уравнении означает изменение температуры. Буква a — это коэффициент линейного расширения, а L _O — исходная длина.

Предположим, что пруток свинца длиной 5 метров испытывает изменение температуры на 10 ° C; каково будет его изменение длины? Чтобы ответить на этот вопрос, a (3,0 · 10 ⁻⁵ / ° C) нужно умножить на L _O (5 м) и δ T (10 ° C). Ответ должен быть 150 & 10 ⁻⁵ м, или 1,5 мм. Обратите внимание, что это просто изменение длины, связанное с изменением температуры: при повышении температуры длина увеличится, а при понижении температуры на 10 ° C длина уменьшится на 1.5 мм.

РАСШИРЕНИЕ ОБЪЕМА.

Очевидно, линейные уравнения могут применяться только к твердым телам. Жидкости и газы, вместе классифицируемые как жидкости, соответствуют форме контейнера; следовательно, «длина» любого данного образца жидкости такая же, как и у твердого вещества, которое его содержит. Однако жидкости подвержены объемному расширению, то есть изменению объема в результате изменения температуры.

Для расчета изменения объема формула очень похожа на формулу для изменения длины; отличаются лишь некоторые детали.В формуле δ V = bV _O δ T последний член, опять же, означает изменение температуры, в то время как δ V означает изменение объема, а V _O — исходный объем. . Буква b обозначает коэффициент объемного расширения. Последний выражается в единицах 10 ^-4 / ° C, или 0,0001 на ° C.

Стекло имеет очень низкий коэффициент объемного расширения 0,2, а у стекла Pyrex чрезвычайно низкий — всего 0.09. По этой причине изделия из пирекса идеально подходят для приготовления пищи. Значительно выше коэффициент объемного расширения глицерина, маслянистого вещества, связанного с мылом, которое увеличивается пропорционально в 5,1 раза. Еще выше этиловый спирт с коэффициентом объемного расширения 7,5.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Жидкости

Большинство жидкостей следуют довольно предсказуемой схеме постепенного увеличения объема в ответ на повышение температуры и уменьшения объема в ответ на понижение температуры.Действительно, коэффициент объемного расширения жидкости обычно бывает выше, чем твердого тела, и — за одним заметным исключением, обсуждаемым ниже, — жидкость будет сжиматься при замораживании.

Поведение перекачиваемого бензина в жаркий день является примером теплового расширения жидкости в ответ на повышение температуры. Когда он поступает из подземного резервуара на заправочной станции, бензин относительно прохладный, но он будет теплым, если вы будете сидеть в баке уже теплой машины. Если бак автомобиля заправлен, а автомобиль оставлен стоять на солнце — другими словами, если автомобиль не едет после заправки бака, — бензин может расшириться в объеме быстрее, чем топливный бак, вылившись на тротуар. .

ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ.

Другой пример теплового расширения жидкости можно найти внутри радиатора автомобиля. Если радиатор «долить» охлаждающей жидкостью в холодный день, повышение температуры может привести к расширению охлаждающей жидкости до ее перелива. В прошлом это создавало проблемы для владельцев автомобилей, поскольку двигатели автомобилей выбрасывали на землю избыточный объем охлаждающей жидкости, что требовало периодической замены жидкости.

В автомобилях более поздних моделей, однако, есть переливной контейнер для сбора жидкости, выделяющейся в результате увеличения объема.Когда двигатель снова остывает, контейнер возвращает излишки жидкости в радиатор, таким образом, «рециркулируя» ее. Это означает, что новые автомобили гораздо менее подвержены перегреву, чем старые. В сочетании с усовершенствованием смесей радиаторных жидкостей, которые действуют как антифриз в холодную погоду и охлаждающая жидкость в горячую, процесс «рециркуляции» привел к значительному сокращению поломок, связанных с тепловым расширением.

ВОДА.

Одна из веских причин не использовать чистую воду в радиаторе заключается в том, что вода имеет гораздо более высокий коэффициент объемного расширения, чем обычная охлаждающая жидкость двигателя.Это может быть особенно опасно в холодную погоду, потому что замороженная вода в радиаторе может расшириться настолько, что треснет блок двигателя.

В общем, вода, коэффициент объемного расширения которой в жидком состоянии составляет 2,1 и 0,5 в твердом состоянии, демонстрирует ряд интересных характеристик, касающихся теплового расширения. Если понизить температуру кипения воды с 212 ° F (100 ° C) до 39,2 ° F (4 ° C), она будет неуклонно сокращаться, как любое другое вещество, реагирующее на понижение температуры.Однако обычно вещество продолжает уплотняться, превращаясь из жидкого в твердое; но с водой этого не происходит.

При 32,9 ° F вода достигает максимальной плотности, что означает, что ее объем для данной единицы массы минимален. Ниже этой температуры он «должен» (если бы он был подобен большинству типов материи) продолжать уменьшаться в объеме на единицу массы, но на самом деле он неуклонно начинает расширяться. Таким образом, он менее плотный, с большим объемом на единицу массы, когда достигает точки замерзания.Именно по этой причине, когда трубы замерзают зимой, они часто лопаются, что объясняет, почему залитый водой радиатор может стать серьезной проблемой в очень холодную погоду.

Кроме того, это необычное поведение в отношении теплового расширения и сжатия объясняет, почему лед плавает: твердая вода менее плотная, чем жидкая вода под ней. В результате замерзшая вода зимой остается на вершине озера; поскольку лед плохо проводит тепло, энергия не может уйти из воды под ним в количестве, достаточном, чтобы заморозить остальную воду в озере.Таким образом, вода подо льдом остается жидкой, сохраняя жизнь растений и животных.

Газы

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.

Как уже говорилось, жидкости расширяются в больший раз, чем твердые тела. Учитывая возрастающее количество молекулярной кинетической энергии для жидкости по сравнению с твердым телом и для газа по сравнению с жидкостью, неудивительно, что газы реагируют на изменения температуры еще большим изменением объема. чем у жидкостей. Конечно, когда речь идет о газе, «объем» измерить труднее, потому что газ просто расширяется, чтобы заполнить свой контейнер.Чтобы этот термин имел какое-либо значение, необходимо также указать давление и температуру.

Ряд газовых законов описывает три параметра для газов: объем, температуру и давление. Например, закон Бойля гласит, что в условиях постоянной температуры существует обратная зависимость между объемом и давлением газа: чем больше давление, тем меньше объем, и наоборот. Еще более актуальным для вопроса теплового расширения является закон Чарльза.

Закон Чарльза гласит, что при постоянном давлении существует прямая зависимость между объемом и температурой.Когда газ нагревается, его объем увеличивается, а когда он остывает, его объем соответственно уменьшается. Таким образом, если наполнить надувной матрас в комнате с кондиционером, а затем отнести матрас на пляж в жаркий день, воздух внутри расширится. В зависимости от того, насколько увеличится его объем, расширение горячего воздуха может вызвать «лопание» матраса.

ТЕРМОМЕТРЫ ОБЪЕМНОГО ГАЗА.

В то время как жидкости и твердые тела значительно различаются в отношении их коэффициентов расширения, большинство газов имеют более или менее одинаковую схему расширения в ответ на повышение температуры.Предсказуемое поведение газов в этих ситуациях привело к разработке газового термометра постоянного давления, высоконадежного прибора, по которому часто сравниваются другие термометры, в том числе содержащие ртуть (см. Ниже).

В объемном газовом термометре пустой контейнер прикреплен к стеклянной трубке, содержащей ртуть. Когда газ попадает в пустой контейнер, столбик ртути движется вверх. Разница между прежним положением ртути и ее положением после введения газа показывает разницу между нормальным атмосферным давлением и давлением газа в емкости.Таким образом, можно использовать изменения объема газа в качестве меры температуры. Реакция большинства газов в условиях низкого давления на изменение температуры настолько однородна, что объемные газовые термометры часто используются для калибровки других типов термометров.

Твердые тела

Многие твердые тела состоят из кристаллов правильной формы, состоящих из молекул, соединенных друг с другом, как будто на пружинах. Пружина, которая отводится назад, непосредственно перед тем, как она отпущена, является примером потенциальной энергии или энергии, которой объект обладает в силу своего положения.Для кристаллического твердого вещества при комнатной температуре потенциальная энергия и расстояние между молекулами относительно низки. Но по мере увеличения температуры и расширения твердого тела пространство между молекулами увеличивается — как и потенциальная энергия в твердом теле.

Фактически, реакция твердых тел на изменения температуры имеет тенденцию быть более драматичной, по крайней мере, когда они наблюдаются в повседневной жизни, чем поведение жидкостей или газов в условиях термическое расширение. Конечно, твердые тела меньше реагируют на изменения температуры, чем жидкости; но поскольку они твердые, люди ожидают, что их контуры будут неподвижными.Таким образом, когда объем твердого тела изменяется в результате увеличения тепловой энергии, результат более примечателен.

КРЫШКИ БАНКОВ И ЛИНИИ ПИТАНИЯ.

Обычный пример теплового расширения можно увидеть на кухне. Почти каждый имел опыт безуспешных попыток сдвинуть с места плотную металлическую крышку на стеклянном контейнере и, пролив горячую воду на крышку, обнаружил, что она наконец откроется. Причина этого в том, что вода при высокой температуре заставляет металлическую крышку расширяться.С другой стороны, как отмечалось ранее, стекло имеет низкий коэффициент расширения. В противном случае он расширился бы вместе с крышкой, что не позволило бы протекать по нему горячей водой. Если бы стеклянные банки имели высокий коэффициент расширения, они деформировались бы при относительно низком уровне тепла.

Другой пример теплового расширения твердого тела — провисание линий электропередач в жаркий день. Это происходит потому, что тепло заставляет их расширяться, и, таким образом, длина линии электропередачи, идущей от полюса к полюсу, больше, чем в условиях более низких температур.Конечно, маловероятно, что летняя жара может быть настолько сильной, что может создать опасность обрыва линий электропередач; с другой стороны, высокая температура может создать серьезную угрозу для более крупных конструкций.

УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Большинство больших мостовидных протезов имеют компенсаторы, которые выглядят как две металлические гребни, обращенные друг к другу, со сцепленными зубьями. Когда тепло заставляет мост расширяться в солнечные часы жаркого дня, две стороны компенсатора сдвигаются друг к другу; затем, когда после наступления темноты мост остывает, они начинают постепенно втягиваться.Таким образом, мост имеет встроенную зону безопасности; в противном случае у него не было бы места для расширения или сжатия в ответ на изменения температуры. Что касается использования гребенчатой ​​формы, то зазор между двумя сторонами компенсатора смещается, что сводит к минимуму столкновения, которые испытывают автомобилисты, проезжающие по нему.

Деформационные швы другой конструкции также можно встретить на автомагистралях и на «магистралях» железных дорог. Тепловое расширение представляет собой особенно серьезную проблему, когда речь идет о железнодорожных путях, поскольку рельсы, по которым ходят поезда, сделаны из стали.Сталь, как отмечалось ранее, расширяется в 12 частей на 1 миллион на каждый градус Цельсия при изменении температуры, и, хотя это может показаться незначительным, это может создать серьезную проблему в условиях высокой температуры.

Большинство гусениц построено из кусков стали, поддерживаемых деревянными стяжками, и проложено с зазором между концами. Этот зазор обеспечивает буфер для теплового расширения, но есть еще один вопрос, который следует учитывать: гусеницы прикручены к деревянным шпилькам, и если сталь слишком сильно расширится, она может вырвать эти болты.Следовательно, вместо того, чтобы помещать в отверстие того же размера, что и болт, болты вставляются в прорези, так что есть место для медленного скольжения гусеницы на месте при повышении температуры.

Такое расположение подходит для поездов, которые едут с обычной скоростью: их колеса просто шумят, когда они проходят через зазоры, которые редко бывают шире 0,5 дюйма (0,013 м). Однако высокоскоростной поезд не может двигаться по неровным путям; поэтому пути для высокоскоростных поездов прокладываются в условиях относительно высокого напряжения.Гидравлическое оборудование используется для натяжения участков пути в натянутом состоянии; затем, как только гусеница закреплена на поперечных шпалах, натяжение распределяется по длине гусеницы.

Термометры и термостаты

РТУТЬ В ТЕРМОМЕТРАХ.

Термометр измеряет температуру путем измерения свойства, зависящего от температуры. Напротив, термостат — это устройство для регулировки температуры в системе отопления или охлаждения. Оба используют принцип теплового расширения в своей работе.Как отмечалось выше в примере с металлической крышкой и стеклянной банкой, стекло мало расширяется при изменении температуры; следовательно, это идеальный контейнер для ртути в термометре. Что касается ртути, то это идеальная термометрическая среда, то есть материал, используемый для измерения температуры, по нескольким причинам. Среди них высокая температура кипения и очень предсказуемая, равномерная реакция на изменения температуры.

В типичном ртутном термометре ртуть помещена в длинную узкую запечатанную трубку, называемую капилляром.Поскольку ртуть расширяется намного быстрее, чем стеклянный капилляр, ртуть поднимается и опускается с температурой. Термометр калибруется путем измерения разницы по высоте между ртутью при температуре замерзания воды и ртутью при температуре кипения воды. Интервал между этими двумя точками затем делится на равные приращения в соответствии с одной из хорошо известных температурных шкал.

БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОЛОСА В ТЕРМОСТАТАХ.

В термостате центральный компонент представляет собой биметаллическую полосу, состоящую из тонких полосок двух разных металлов, расположенных вплотную друг к другу.Один из этих металлов имеет высокий коэффициент линейного расширения, а другой металл имеет низкий коэффициент. Повышение температуры приведет к тому, что сторона с более высоким коэффициентом расширится больше, чем сторона, менее чувствительная к изменениям температуры. В результате биметаллическая полоса прогнется в одну сторону.

Когда полоса изгибается достаточно далеко, она замыкает электрическую цепь и, таким образом, заставляет кондиционер включиться. Регулируя термостат, можно изменить расстояние, на которое биметаллическая полоса должна быть изогнута, чтобы замкнуть контур.Как только воздух в комнате достигнет желаемой температуры, металл с высоким коэффициентом сжатия начнет сжиматься, и биметаллическая полоса распрямится. Это приведет к размыканию электрической цепи и отключению кондиционера.

В холодную погоду, когда система контроля температуры ориентирована на нагрев, а не на охлаждение, биметаллическая полоса действует примерно так же — только на этот раз металл с высоким коэффициентом сжатия сжимается от холода, включая нагреватель. Другой тип термостата использует расширение пара, а не твердого тела.В этом случае нагревание пара заставляет его расширяться, давя на набор латунных сильфонов и замыкая цепь, таким образом, включается кондиционер.

ГДЕ ПОДРОБНЕЕ

Байзер, Артур. Физика, 5 изд. Ридинг, Массачусетс: Addison-Wesley, 1991.

«Сравнение материалов: коэффициент теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Энциклопедия термодинамики (веб-сайт). (12 апреля 2001 г.).

Флейшер, Пол. Материя и энергия: принципы материи и термодинамики. Миннеаполис, Миннесота: Lerner Publications, 2002.

NPL: Национальная физическая лаборатория: Thermal Stuff: Beginner ‘Guides (Web site). (18 апреля 2001 г.).

Ройстон, Анджела. Горячие и холодные. Чикаго: библиотека Хайнемана, 2001.

Suplee, Curt. Объяснение повседневной науки. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное географическое общество, 1996.

«Измерение теплового расширения» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

«Термическое расширение твердых тел и жидкостей» (веб-сайт). (21 апреля 2001 г.).

Уолпол, Бренда. Температура. Иллюстрировано Крисом Фэйрклафом и Деннисом Тинклером.Милуоки, Висконсин: Gareth Stevens Publishing, 1995.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

КОЭФФИЦИЕНТ:

Число, которое служит мерой некоторой характеристики или свойства. Коэффициент также может быть фактором, против которого умножаются другие значения, чтобы обеспечить желаемый результат.

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ:

Число, постоянное для любого конкретного типа твердого тела, используемое при вычислении величины, на которую изменится длина этого твердого тела в результате изменения температуры.Для любого данного вещества коэффициент линейного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-5 / ° C.

КОЭФФИЦИЕНТ РАСШИРЕНИЯ ОБЪЕМА:

Число, постоянное для любого конкретного типа материала, используемое при расчете количества, на которое объем этого материала изменится в результате изменения температуры. Для любого данного вещества коэффициент объемного расширения обычно представляет собой число, выраженное в единицах 10 ^-4 / ° C.

HEAT:

Внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного материального тела к другому.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой обладает объект благодаря своему движению.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПЕРЕНОСНАЯ ЭНЕРГИЯ:

Кинетическая энергия в системе, производимая движением молекул относительно друг друга.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой обладает объект в силу своего положения.

СИСТЕМА:

В физике термин «система» обычно относится к любому набору физических взаимодействий или любому материальному телу, изолированному от остальной Вселенной.Все, что находится вне системы, включая все факторы и силы, не имеющие отношения к обсуждению этой системы, называется средой.

ТЕМПЕРАТУРА:

Мера средней кинетической энергии или молекулярной поступательной энергии в системе. Разница в температуре определяет направление потока внутренней энергии между двумя системами при передаче тепла.

ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ:

Тепловая энергия, форма кинетической энергии, производимой движением атомных или молекулярных частиц.Чем больше движение частиц, тем больше тепловая энергия.

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ:

Свойство всех типов материи, которое проявляет тенденцию расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении.

Thermal Expansion — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

Твердые вещества

Для многих твердых тел расширение прямо пропорционально изменению температуры.

∆ℓ = αℓ ₀ ∆ T

Площадь расширяется вдвое больше, чем длина.

∆ A = 2α A ₀ ∆ T

Объемы увеличиваются в три раза по сравнению с длиной.

∆ V = 3α V ₀ ∆ T

заявки

• изгиб
• компенсационный зазор / шов
• клапан против ожогов
• планка биметаллическая, термостат
• расширение отверстий (крепление поездных шин)
• «Более того, самолет расширяется на 15-25 сантиметров во время полета из-за палящего тепла, создаваемого трением с воздухом.Дизайнеры использовали ролики, чтобы изолировать кабину от тела, чтобы растяжение не разорвало самолет на части. «Хелен Пирсон» Concorde уходит в отставку. «Nature Physics Portal. Октябрь 2003 г.
• «Конкорд имеет длину 204 фута — растяжение в полете от шести до десяти дюймов из-за нагрева планера. Он окрашен в специально разработанную белую краску, чтобы учесть эти изменения и рассеять тепло, генерируемое сверхзвуковым полетом». источник
• Тепловое расширение — небольшой, но не всегда незначительный эффект.Типичные коэффициенты измеряются в миллионных долях на кельвин (10 ⁻⁶ / K). Это означает, что длина вашей типичной классной измерительной линейки никогда не меняется более чем на 100 мкм за весь срок службы — вероятно, никогда не более чем на 10 мкм, пока ее используют ученики.

методы измерения

• Компаратор длины
• дилатометр с толкателем (дает относительное расширение, так как сам прибор расширяется)
• интерферометр (метод высшей точности)
• рентгеновский дифактометр
• емкостной дилатометр
• тензодатчик
• дилатометр оптический (в основном цифровой фотоаппарат)

анизотропное расширение

• Некоторые материалы расширяются по-разному в разных направлениях, особенно графит и дерево (пиломатериалы).

жидкости

Жидкости могут только увеличиваться в объеме.

∆ V = β V ₀ ∆ T

Жидкости имеют более высокий коэффициент расширения, чем твердые.

β ~ 10 ⁻³ / K, 3α ~ 10 ⁻⁵ / K

заявки

Коэффициенты линейного теплового расширения

материал	α (10 −6 / К)
оксид алюминия (αAl 2 O 3 )	5.30
алюминий	23,1
феррит бария	10
латунь	20,3
карбон, алмаз	1,18
углерод, графит ∥	6,5
углерод, графит ⊥	0,5
хром	4,9
бетон	8–12
медь	16.65
эпоксидная	55
германий	6,1
стекло, типовое	8,5
стекло, сверхнизкое расширение	0,04
золото	14,2
инвар (64% Fe, 36% Ni)	1,2
утюг	11,8
свинец	28.9
никель	13,3
пластмассы	40–120
оргстекло	93
платина	8,8
плутоний	54
кремний	4,68
серебро	18,9
припой свинцово-оловянный	25
сталь, нержавеющая	17.3
сталь конструкционная	12
банка	22
титан	8,5
вольфрам	4,5
уран	13,9
вода, лед (0 ° C)	51
дерево (пиломатериал) тангенциальное	36
дерево (пиломатериал) радиально	26
дерево (пиломатериал), осевое	3.7
цинк	30,2
вольфрамат циркония (ZrW 2 O 8 )	−8,8

Коэффициенты объема тепловое расширение

☞ Все значения в обеих таблицах являются средними для температур около 20 ° C, если не указано иное.

материал	β (10 −6 / К)
спирт этиловый	1120
бензин	950
Топливо реактивное, керосин	990
ртуть	181
вода, жидкость (1 ° C)	−50
вода, жидкость (4 ° C)	0
вода, жидкость (10 ° C)	88
вода, жидкость (20 ° C)	207
вода, жидкость (30 ° C)	303
вода, жидкость (40 ° C)	385
вода, жидкость (50 ° C)	457
вода, жидкость (60 ° C)	522
вода, жидкость (70 ° C)	582
вода, жидкость (80 ° C)	640
вода, жидкость (90 ° C)	695

вода

• аномальное расширение воды
  • Лед менее плотный, чем вода
  • вода наиболее плотная при 4 ° C (ρ = 999.973 кг / м ³ )
• заявок
  • лопнули замороженные трубы
  • Круговорот озерной воды весной

плутоний

Плутоний претерпевает больше фазовых переходов при обычных давлениях, чем любой другой элемент. При нагревании плутоний перед плавлением трансформируется через шесть различных кристаллических структур — α [альфа], β [бета], γ [гамма], Δ [дельта], Δ ‘[простое дельта] и ε [эпсилон].Физические свойства, такие как плотность и тепловое расширение, значительно различаются от фазы к фазе, что делает его одним из самых сложных металлов для обработки и обработки. Металлургию плутония лучше доверить специалистам.

Примечания формируют LLNL, которые необходимо перефразировать. «Одно из уникальных физических свойств плутония заключается в том, что чистый металл демонстрирует шесть фазовых превращений в твердом состоянии, прежде чем достигнет своего жидкого состояния, переходя от альфа, бета, гамма, дельта, дельта-простота к эпсилону. стабильная альфа-фаза при комнатной температуре и жидкое состояние элемента.Другой необычной особенностью является то, что нелегированный плутоний плавится при относительно низкой температуре, примерно 640 ° C, с образованием жидкости с более высокой плотностью, чем твердое тело, из которого он плавится. Кроме того, упругие свойства дельта-гранецентрированной кубической (ГЦК) фазы плутония являются сильно направленными (анизотропными). То есть эластичность металла широко варьируется по разным кристаллографическим направлениям в шесть-семь раз ».

инвар

Газы

Поведение газов более сложное, газы будут расширяться настолько, насколько позволит давление.Ознакомьтесь с законами о газе.

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 7A

      • Марка 7Б

      • Оценка 7 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 7А

      • Граад 7Б

      • Граад 7 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • класс 8A

      • Марка 8Б

      • Оценка 8 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 8А

      • Граад 8Б

      • Граад 8 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 9А

      • Марка 9Б

      • 9 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 9А

      • Граад 9Б

      • Граад 9 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 4A

      • Класс 4Б

      • Класс 4 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 4А

      • Граад 4Б

      • Граад 4 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 5А

      • Марка 5Б

      • Оценка 5 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 5А

      • Граад 5Б

      • Граад 5 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 6A

      • класс 6Б

      • 6 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 6А

      • Граад 6Б

      • Граад 6 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколько угодно раз. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без бренда)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Теория частиц — изменения состояния

Теория частиц — изменения состояния

Вы научный центр / Я Ресурсы для изучения / Теория частиц — Введение

Охваченные темы

Плавка

Испаряющийся

Кипячение

---

Изменения состояния

Кинетическая теория материи может быть использована для объяснения того, как твердые тела, жидкости и газы взаимозаменяемы в результате увеличения или уменьшения тепловой энергии.Когда объект нагревается, движение частиц увеличивается по мере того, как частицы стать более энергичным. При охлаждении движение частиц уменьшается. поскольку они теряют энергию.

---

Плавка

В твердом теле сильное притяжение между частицами крепко удерживает их упакованы вместе. Даже если они вибрируют, этого недостаточно, чтобы нарушить структура. Когда твердое тело нагревается, частицы получают энергию и начинают вибрировать все быстрее и быстрее.Вначале структура постепенно ослабевает, что имеет эффект расширения твердого тела. Дальнейшее нагревание дает больше энергии пока частицы не начнут вырываться из структуры. Хотя частицы все еще слабо связаны, они могут передвигаться. На данный момент твердое тело тает, образуя жидкость. Частицы в жидкости такие же как в твердом теле, но у них больше энергии. Чтобы растопить твердую энергию, требуется преодолеть притяжение между частицами и позволить им тянуть их отдельно.Энергия поступает, когда твердое тело нагревается. Температура на что-то плавится, называется его «точкой плавления» или температурой плавления. При комнатной температуре материал представляет собой твердое тело, жидкость или газ в зависимости от его плавления. температура. Все, что имеет температуру плавления выше 20 ° C, вероятно быть твердым при нормальных условиях. Материалы имеют самые разные плавки. температуры например ртуть -39oC, лед 0oC, соль 1081oC, алюминий 660oC и сталь 1535oC. Обычные материалы, такие как лед, масло и воск, имеют разную температуру плавления. температуры и может использоваться в качестве примера с детьми.
Лед — это, вероятно, тающее вещество, знакомое большинству детей. Может быть проблематичным, пытаясь развить понимание таяния, как оно им часто кажется, что они тают без какого-либо источника тепла. Лед тает при комнатной температуре потому что окружающий воздух теплее льда и имеет температуру выше температура плавления. Тепловая энергия, необходимая для плавления льда, поступает от окружающий воздух, который в результате станет немного прохладнее.
Не все твердые вещества плавятся при нагревании.Некоторые могут претерпевать химические изменения в результате нагрева. Например, бумага горит, а не тает.

---

Испарение

В жидкости одни частицы обладают большей энергией, чем другие. Эти «более энергичные частицы «могут обладать достаточной энергией, чтобы покинуть поверхность. жидкости в виде газа или пара. Этот процесс называется испарением, и в результате испарения обычно наблюдается при высыхании луж или одежды. Испарение происходит при комнатной температуре, которая часто намного ниже точки кипения жидкости.Испарение происходит с поверхности жидкости. Поскольку температура увеличивается скорость испарения, увеличивается. Испарению также способствует ветреные условия, которые помогают удалить частицы пара из жидкости, чтобы что больше побега.
Испарение — сложная идея для детей по ряду причин. Процесс включает в себя очевидное исчезновение жидкости, что затрудняет процесс чтобы они поняли. Нелегко увидеть частицы воды в воздухе.Кроме того, испарение происходит в самых разных ситуациях, например, из лужи или миски с водой, где количество жидкости явно меняется, в ситуациях, когда жидкость менее заметна — например, при сушке одежды или даже те, в которых нет никакой очевидной жидкости для начала — например, хлеб Высыхать. Еще одна сложность заключается в том, что при испарении может происходить растворитель из решение, например вода, испаряющаяся из соленой воды, оставляет соль. Эти ситуации совершенно разные, но все они связаны с испарением.
При испарении могут также использоваться другие жидкости, кроме воды, например: духи, бензин, Освежители воздуха. Модель частиц можно использовать, чтобы объяснить, как это возможно. для обнаружения запахов на некотором расстоянии от источника.

---

Вернуться к началу страницы

Кипячение

Если жидкость нагревается, частицы получают больше энергии и движутся быстрее и быстрее расширяет жидкость. Самые энергичные частицы на поверхности улетучивается с поверхности жидкости в виде пара при нагревании.Жидкости испаряются быстрее, поскольку нагреваются, и у большего количества частиц достаточно энергии для разрушения далеко. Частицам нужна энергия, чтобы преодолеть притяжение между ними. В виде жидкость становится теплее, у большего количества частиц энергии достаточно, чтобы покинуть ее жидкость. В конце концов даже частицы в середине жидкости образуют пузыри. газа в жидкости. В этот момент жидкость закипает и превращается в газ. Частицы в газе такие же, как и в жидкости. больше энергии.При нормальном атмосферном давлении все материалы имеют определенную температуру. при котором происходит кипение. Это называется «точкой кипения» или кипением. температура. Как и в случае с точкой плавления, температура кипения материалов сильно различается. например азот -210oC, спирт 78oC, алюминий 459oC.
Любой материал с температурой кипения ниже 20 ° C может быть газом при комнатная температура. Когда жидкость закипает, частицы должны обладать достаточной энергией. отрываться от жидкости и диффундировать через частицы окружающего воздуха.По мере того, как эти частицы остывают и теряют энергию, они конденсируются и возвращаются обратно. в жидкость. Когда пар образуется из воды, кипящей при 100 ° C, частицы быстро конденсироваться, так как температура окружающего воздуха, вероятно, будет намного ниже 100oC поэтому частицы быстро остывают. Фактически «пар» выходит из кипящий котел можно увидеть только потому, что некоторые частицы газа сконденсировались образовывать маленькие капельки воды.
Когда газ превращается в жидкость (конденсируется) или жидкость превращается в твердое тело (затвердевает) частицы теряют энергию в окружающую среду.

---

Вернуться к началу страницы

Сопровождающий веб-сайт: Р. Джонс Обновлено: 13 ноября 2000 г.

Heat Transfer Medium — обзор

Расчет микробной инактивации — кинетика первого порядка

После определения системы упаковки, теплопередающей среды и оборудования необходимо рассчитать время обработки, необходимое для инактивации желаемого количества микроорганизмов. Таким образом, важно определить цель процесса, то есть наиболее термостойкий нежелательный микроорганизм или фермент в пищевом продукте.Таким образом, проект термического процесса будет рассчитан на основе этой цели, обеспечивая безопасность и качество обработанных пищевых продуктов.

Целью термического процесса может быть вегетативная клетка (как в пиве или пастеризации молока), микробная спора (как в процессах стерилизации малокислотных пищевых продуктов, таких как молоко, кукуруза и тунец), микробный токсин (как при пастеризации пальмового сердца) или ферментом (как некоторые устойчивые пектинолитические ферменты в фруктовых продуктах). Цель процесса должна быть выбрана с целью, в первую очередь, безопасности пищевых продуктов, но, во-вторых, с учетом конечных сенсорных и пищевых характеристик продукта, а также экономических аспектов.

Термическая обработка выполняется для достижения соответствующего десятичного уменьшения ( γ , уравнение [11]) объекта обработки. При этом учитывается начальная концентрация мишени в пище ( C ₀ ) и требуемая конечная концентрация ( C _f ):

[11] γ = log (C0Cf)

Начальная концентрация Целевой микроорганизм на пище ( C ₀ ) определяется подсчетом количества микробов в пище. Требуемая конечная концентрация ( C _f ) может быть определена в соответствии с литературными данными или правилами пищевого законодательства, направленными на обеспечение безопасности и стабильности пищевых продуктов.Для коммерческих стерильных продуктов обычно применяется концепция вероятности нестерильных единиц (PNSU).

Значение PNSU описывает вероятность получения единицы, имеющей спору (или вегетативную клетку) в N _PNSU обработанных единиц (упаковки), согласно следующему:

[12] PNSU = 1NPNSU

Таблица 3 показаны минимальные значения PNSU, используемые для расчета термического процесса пищевых продуктов. Согласно этим значениям, в каждой партии обработанных пищевых продуктов должно быть не менее 10 ⁹ единиц, чтобы найти одну спору C.botulinum в одной упаковке. В этом случае количество десятичных сокращений может быть выражено уравнением [13], где м _{food_in_package} — масса продукта каждой упаковки:

Таблица 3. Типичные значения вероятности нестерильных единиц (PNSU) для конструкция термической обработки пищевых продуктов

Микроорганизм	PNSU
Мезофильная порча	10 −6
Тепловая порча ( T хранение & lt; 40 ° C) 900 −3 –10 −2
Термофильная порча ( T хранение & gt; 40 ° C)	10 −6
Важные патогены для здоровья населения (как Clostridium botulinum )	10 −9

[13] γ = log (C0Cf) = log (C0 · mfood_in_packagePNSU)

С учетом необходимого γ и По результатам испытаний на проникновение тепла биномиальное время в зависимости от температуры ( t × T ) может быть определено для достижения летальности процесса.Температура процесса определяется на основе устойчивости к микробам, питательных и сенсорных характеристик пищевых продуктов, а также оборудования и физических ограничений. Время процесса определяется с учетом инактивации в самом сложном случае (самая медленная точка нагрева), то есть КС. Время процесса обычно рассчитывается с учетом только стадий нагревания и выдержки; стадия охлаждения считается запасом прочности.

Тепловой процесс, однако, не может быть охарактеризован только их биномом t × T , потому что один и тот же бином может привести к другому десятичному сокращению из-за характеристик пищи (физические свойства, теплопередача за счет конвекции или теплопроводности, габариты, упаковка), теплоносителя (коэффициент конвективной теплоотдачи — х , площадь контакта) и целевых характеристик ( D _T ez для оцениваемых продуктов).Следовательно, значение стерилизации ( F — ур. [14]) — лучший способ охарактеризовать термическую обработку пищевых продуктов.

Значение стерилизации ( F ) представляет собой эквивалентное время (мин) при эталонной температуре ( T _ref ), в течение которого продукт подается во время обработки:

[14] F = tTref = log (C0Cf) · DTref = γ · DTref

Термическая обработка внутри упаковки — это переходный процесс теплопередачи, в котором температура является функцией положения в пищевом продукте ( x , y , z ) и время ( т ).Таким образом, уменьшение количества микробов в продукте не является равномерным. При расчете по формуле [15] F определяется как среднее значение стерилизации ( Fm ) и представляет собой среднее значение микробного снижения в продукте, то есть средневзвешенное значение по объему продукта ( V ) индивидуальных сокращений каждого бесконечно малого объема (d V ):

[15] Fm = 1V∫V0VnDTref · γ (V) dV

Для проводящих пищевых продуктов не существует смеси между регионами с различным микробным снижением, и разработка процесса по значению Fm не может рассматриваться как метод безопасности (т.е., среднее значение не соответствует требованиям безопасности). Следовательно, процесс должен быть разработан для наихудшего случая, то есть для пищевой CS. В этом случае значение F вычисляется с использованием тепловой истории CS и называется Fp .

Определенное микробное снижение наблюдается для каждого временного интервала, в течение которого продукт CS остается при определенной температуре. Следовательно, оценка уменьшения количества микробов в течение бесконечно малого времени на протяжении всего процесса должна быть выполнена для получения значения Fp следующим образом:

[16] Fp = γ · DTref = DTref · limΔt → 0 (∑t = t0tfΔtDT (t )) = DTref · ∫t0tfⅆtDT (t) = ∫t0tfDTrefDT (t) ⅆt

Замена уравнения [9] в уравнении [16] следующим образом:

[17] Fp = ∫t0tf10T (t) −Tref

Let L ) определяется как относительное влияние каждой температуры на микробную инактивацию эталонной температуры (уравнение [18]):

[18] L = 10T (t) −Trefz = DTrefDT (t)

Следовательно, Fp можно переписать следующим образом:

[19] Fp = ∫t0tfL (t) ⅆt

Наконец, Fm (уравнение [15]) можно описать следующим образом:

[20] Fm = 1V∫V0VnDTref · γ (V) ⅆV = 1V∫t0tf∫V0VnL (t, V) ⅆVⅆt = 1V∫t0tf∫V0Vn10T (t, V) −TrefzⅆVⅆt

Значения Fm могут быть получены экспериментально с использованием DTref. десятичные сокращения микробов, используя уравнение [14]. Fp может быть получен путем мониторинга тепловой истории CS, получения данных о температуре через короткие промежутки времени (Δ t ; как можно меньше; ∼1–5 с для конвективных пищевых продуктов или ∼10–60 с для проводящих пищевых продуктов) . Следовательно, применяя правило трапеции для решения уравнения [17], значение Fp можно определить с помощью уравнения [21]:

[21] Fp = ∫t0tf10T (t) −Trefzⅆt≅∑t0tf10TPF (t) −TrefzΔt

Следовательно, значения стерилизации, связанные с процессом, могут быть определены с помощью исследований проникновения тепла.Используя эти данные, необходимое время устанавливается при температуре процесса, что гарантирует желаемое десятичное сокращение ( γ ).

Учитывая важность C. botulinum для термической обработки пищевых продуктов, термическое сопротивление его спор обычно используется для выражения процесса стерилизации, чтобы гарантировать минимальную безопасность для коммерческого использования. Используя температуру 121,1 ° C и ° C, термостойкость botulinum , вычисленное значение Fp затем называют F ₀ . F ₀ рассчитывается на основе значений D _{121 ° C} = 0,21 мин (Таблица 1) и минимального сокращения 12 логарифмических циклов ( γ = 12). Используя уравнение [14], минимальное значение F ₀ для пищевой промышленности составляет 2,52 мин. Однако по соображениям безопасности применяются более высокие значения F ₀ .

В некоторых случаях финальный процесс будет значительно более радикальным, чем тот, который требуется для обеспечения безопасности продукта.Это происходит, например, с мясными продуктами, которые обрабатываются термически, в тех случаях, когда требуется более строгий процесс, чтобы гарантировать правильное приготовление продукта. По этой причине высокие значения Fp и Fm наблюдаются (полученные из Clostridium sporogenes ) на Фигуре 6 для термически обработанных коммерческих продуктов.

Урок физики

Если вы следовали инструкциям с самого начала этого урока, значит, вы постепенно усложняли понимание температуры и тепла.Вы должны разработать модель материи, состоящую из частиц, которые вибрируют (покачиваются в фиксированном положении), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения придают частицам кинетическую энергию. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Мы надеемся, что вы приняли понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Разница температур между двумя соседними объектами вызывает эту теплопередачу. Передача тепла продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение горячей кружки кофе и нагревание холодной банки с попой. Наконец, мы исследовали мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

• Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
• Почему всегда устанавливается тепловое равновесие, когда два объекта передают тепло?
• Как происходит теплопередача в объеме объекта?
• Существует более одного метода передачи тепла? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид из частиц

Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток подразумевает передачу тепла от одного места к другому при отсутствии какого-либо материального потока. Нет никакого физического или материального перехода от горячей воды к холодной. От горячей воды к холодной передается только энергия.Кроме потери энергии, от горячей воды больше ничего не ускользнет. И кроме получения энергии, в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Каков механизм, который делает возможным теплопроводный поток?

Подобный вопрос относится к вопросу на уровне частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из крошечных частиц, атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию.Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по всему пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это называется поступательной кинетической энергией и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться в фиксированном положении. Это дает частицам кинетическую энергию колебаний и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких вигглеров и маленьких взломщиков.Вигглеры — это частицы, колеблющиеся в фиксированном положении. Они обладают колебательной кинетической энергией. Удары — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметры образца вещества. Так же, как периметр вашей собственности (как и в случае с недвижимостью) является самым дальним продолжением собственности, так и периметр объекта является самым дальним продолжением частиц в образце материи.По периметру маленькие бомбы сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже с окружающим воздухом. Даже вигглеры, закрепленные по периметру, трясутся. Находясь по периметру, их шевеление приводит к столкновениям с находящимися рядом частицами; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких бомберов и вигглеров являются упругими столкновениями, в которых сохраняется общее количество кинетической энергии всех сталкивающихся частиц.Конечный эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы потеряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы получат немного кинетической энергии. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в более высокотемпературном объекте больше частиц с большей кинетической энергией, чем в более низкотемпературном объекте.Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце материи, логично сделать вывод, что объект с более высокой температурой потеряет некоторую кинетическую энергию, а объект с более низкой температурой получит некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких бомжей и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов становится равной.При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу в энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потере энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц по периметру.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от высокотемпературного объекта низкотемпературному объекту. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить в терминах суммарного эффекта столкновений всей группы маленьких взрывных устройств .Нагревание и охлаждение — макроскопические результаты этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию металлической банки с горячей водой, расположенной внутри чашки из пенополистирола, содержащей холодную воду. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией — это частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией, и ударяются о частиц металла. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке.Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла, поэтому они довольно быстро нагреваются по всей емкости. Канистра нагревается почти до той же температуры, что и горячая вода. Металлическая банка, будучи цельной, состоит из маленьких вигглеров . Вигглеры на внешнем периметре металла могут ударить частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металлической банки и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде.Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, где частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию.На макроскопическом уровне можно наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому при столкновении частиц, известен как теплопроводность. При проводке нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не пересекает границу. Изменения температуры полностью объясняются увеличением и уменьшением кинетической энергии во время столкновений.

Проведение через объем объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через большую часть объекта? Например, предположим, что мы достаем керамическую кружку для кофе из шкафа и ставим ее на столешницу. Кружка комнатной температуры — может быть, 26 ° C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80 ° C.Кружка быстро нагревается. Энергия сначала проникает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем он течет через большую часть керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность самой керамики?

Механизм теплопередачи через объем керамической кружки описан так же, как и раньше. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченных виглеров. Это частицы, которые колеблются в фиксированном положении.Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. По мере того, как они извиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично покачиваться, и их столкновения с соседями увеличивают их колебательную кинетическую энергию. Процесс передачи энергии посредством маленьких бэнгеров продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом).Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука почувствует это.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия частиц с частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. То же самое работает с металлическими предметами? Например, вы, вероятно, заметили высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, когда ее ставят на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог.Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределяются между атомами и могут свободно перемещаться по всей массе металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение.Главное, чтобы понять, что передача тепла через металлы происходит без движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как относящуюся к категории теплопроводности.

Теплопередача конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством передачи тепла? Может ли тепло передаваться через объем объекта другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. В модели теплопередачи через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду использовалась теплопроводность.Керамика кофейной кружки и металл сковороды твердые. Передача тепла через твердые тела происходит за счет теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые закреплены на месте. Жидкости и газы — не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Обычно тепло не проходит через жидкости и газы за счет теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи.Модель, используемая для объяснения передачи тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс передачи тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печи.Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается конфоркой печи. По мере того, как металл нагревается, он начинает передавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. По мере того, как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционных токов . Горячая вода начинает подниматься к верху кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально.А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется к дну горшка, где она нагревается, и начинает подниматься. Эти циркуляционные токи медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для нагретой воды для передачи энергии от дна горшка к поверхности.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, установленный на полу холодного помещения, нагревает воздух в помещении. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере того, как воздух нагревается, он расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься.Когда горячий воздух поднимается, он выталкивает часть холодного воздуха в верхнюю часть комнаты. Холодный воздух движется в нижнюю часть комнаты, чтобы заменить поднявшийся горячий воздух. По мере того, как более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается обогревателем и начинает подниматься. И снова медленно образуются конвекционные токи. Воздух движется по этим путям, неся с собой энергию от обогревателя по всей комнате.

Конвекция — это основной метод передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух.Часто говорят, что тепла поднимается на в этих ситуациях. Более подходящее объяснение — сказать, что нагретая жидкость поднимается на . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на полу, он уносит с собой более энергичные частицы. По мере того как более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха в верхней части комнаты увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует увеличению температуры.Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный метод передачи тепла всегда предполагает передачу тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорийности, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорийности тепло было жидкостью, а движущаяся жидкость — теплом. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два обсуждаемых здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции.Движущая сила циркуляции жидкости является естественной — разница в плотности между двумя местами в результате нагрева жидкости в каком-либо источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающих сил, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются. Мы не будем здесь приводить подобные объяснения.) Естественная конвекция является обычным явлением в природе. Океаны и атмосфера Земли нагреваются естественной конвекцией. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция включает перемещение жидкости из одного места в другое вентиляторами, насосами и другими устройствами.Многие системы отопления дома включают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи, выдувается вентиляторами через воздуховоды и выпускается в помещения в местах вентиляции. Это пример принудительной конвекции. Перемещение жидкости из горячего места (около печи) в прохладное (комнаты по всему дому) приводится в движение вентилятором. Некоторые духовки являются духовками с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые нагнетают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины увеличивают нагревательную способность огня, продувая нагретый воздух из каминного блока в соседнее помещение.Это еще один пример принудительной конвекции.

Теплообмен излучением

Последний метод передачи тепла включает излучение. Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает посылать или распространять из центра. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветов, спицы колес или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника.Передача тепла излучением включает перенос энергии от источника к окружающему его пространству. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, лишенную материи (то есть вакуум). Фактически, тепло, получаемое на Землю от Солнца, является результатом распространения электромагнитных волн через пустоту пространства между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия высвобождается, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k • T ⁴

Чем горячее объект, тем больше он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину и частоту излучаемых волн. Объекты при обычной комнатной температуре излучают энергию в виде инфракрасных волн.Поскольку мы невидимы для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаружить такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видеозаписи излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой набор или диапазон длин волн. Обычно его называют спектром излучения . По мере увеличения температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются.Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимой области спектра. К счастью, это обеспечивает удобное предупреждение для пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, в которой находится нить накала.Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение — это форма передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, исходящее от источника, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, вызывая увеличение средней кинетической энергии их частиц и повышение температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое посредством электромагнитного излучения.Изображение справа было получено тепловизором. Камера обнаруживает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. более горячих цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения любезно предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице относилось к различным методам теплопередачи. Были описаны и проиллюстрированы проводимость, конвекция и излучение.