Беседы о физике и технике
Шрифт:
Оказалось, что ни сосуд Дьюара, ни какой-либо другой с пористой изоляцией непригодны, так как они не в состоянии создать необходимой преграды для теплообмена между гелием и окружающей средой.
Наиболее употребительными оказались металлические сосуды — криостаты. Как они устроены, видно из рис. 16.
Рис. 16. Схема
1 — трубка для выхода испаряющегося гелия; 2 — отверстие для переливания жидкого гелия, закрытое пробкой; 3 — трубка для заливки жидкого азота; 4 — тонкостенные трубки из нержавеющей стали; 5 — штуцер вакуумной откачки; 6 — медные полированные сферы, каждая из которых спаяна из двух полусфер; 7 — адсорбент; 8 — трубки, соединяющие между собой вакуумные полости и одновременно служащие распорками
Криостат очень похож на сосуд Дьюара, но между ними есть и различия. Полость между сосудом с гелием и внешней стенкой заполнена жидким азотом. Жидкий азот нужен для того, чтобы уменьшить испарение гелия, — именно азот, так как он не взрывоопасен и получение его из воздуха чрезвычайно дешево.
Емкости для гелия и азота выполнены из полированной меди, высокая теплопроводность которой компенсируется подвеской системы на тонкостенных трубках из нержавеющей стали — материала, плохо проводящего теплоту.
Чтобы вакуум в «рубашке» сохранялся длительное время, в вакуумных промежутках помещен адсорбент — поглотитель газов (обычно активированный уголь). Из такого криостата может испариться не более 100 см3 гелия в сутки.
КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ЖИДКИЕ ГАЗЫ?
Получение жидкого гелия, кислорода и других веществ — важная задача холодильной промышленности, ведь эти вещества требуются современной науке и производству в огромных количествах.
Так, например, современные соленоиды из меди, создающие постоянные магнитные поля с индукцией 10–20 Тл, требуют для питания источники тока мощностью ~ 1 МВт — такой электростанции достаточно для освещения города с населением в несколько десятков тысяч жителей. Эти соленоиды имеют небольшой объем (всего десятки кубических метров), и если их не охлаждать, они могут расплавиться.
В последние годы получили широкое распространение сверхпроводящие сплавы для создания сверхпроводящих магнитов, позволяющих с очень малой затратой энергии получать сильные магнитные поля напряженностью до 8•107 А/м (100 кЭ).
В большом количестве жидкого кислорода нуждаются наша металлургия, космонавтика и другие
Следует особо отметить, что основой прогресса в экспериментальном исследовании металлов явилась возможность получения очень чистых металлов, длина свободного пробега электрона в которых достигает нескольких миллиметров. Таких чистых материалов все больше требуется для нашей промышленности. А их получение связано с физикой низких температур.
Интенсивное развитие науки и техники низких температур существенно поможет решению современных проблем научно-технического прогресса.
4. Осмос наоборот и мембранная технология
Осмос, осмотическое давление — эти слова, а также смысл, заложенный в них, известны многим. Однако что такое обратный осмос? И что же такое мембранная технология, о которой в последнее время так часто упоминается в периодической печати?
Осуществление комплекса мероприятий по совершенствованию технологии производства — одна из важнейших задач перестройки нашей экономики. Перестройка экономики включает в себя широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий, позволяющих многократно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.
К числу таких принципиально новых технологий, внедряемых в народное хозяйство, относится и мембранная технология.
О том, что такое мембранная технология, каковы ее физические основы, какие проблемы решают ученые и инженеры по широкому внедрению этой новой технологии в практику, и пойдет речь в этой беседе.
И ВСЕ ЖЕ СНАЧАЛА ИМЕЕТ СМЫСЛ СКАЗАТЬ, ЧТО ТАКОЕ ОСМОС.
Еще в 1748 г., перегородив воду и спирт пленкой из бычьего пузыря, аббат Нолле заметил, что вода проникает через эту перегородку и смешивается со спиртом.
Это явление в дальнейшем получило название осмоса, что в переводе с греческого означает толчок, давление. Осмос — диффузия вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель либо же два раствора различной концентрации.
Если мы погрузим в воду плотно закрытый целлофановый пакет с водным раствором высокомолекулярного вещества, например какого-либо белка, молекулы которого больше размеров пор в стенках пакета, то вода начнет диффундировать внутрь пакета и он начнет раздуваться.
При очень высокой концентрации белка стенки пакета могут даже разорваться. Если же внутри пакета находится раствор низкомолекулярной соли, то она диффундирует во внешний объем до выравнивания концентраций. Аналогичные опыты с различными полупроницаемыми пленками или перегородками можно воспроизвести не только в лабораторных, но и в домашних условиях с растворами солей или сахара.