101个科学效应和现象详解(5)

2019-08-30 13:37

便不再产生空泡。

声波的气穴向下研究,用20至4.千赫的声波进行了实验,声波在浓硫酸液体中产生高密度与低密度2个快速交替的区域,使得压力在其间振荡,液体中的气泡在高压下收缩,低压下膨胀。压力的变化非常快,致使气泡向内炸裂,有足够的力量产生热,这一构成被称为声学的气穴现象。

气穴现象在水下武器中的应用,比如海底子弹,当子弹由特别的物体反射出去后,在它的前部会形成一种类似于气泡的东西,它的形成会让子弹的阻力减少,以增加威力。

70、热传导(thermal conduction)

热传导:亦称“导热”。是热传递3种基本方式之一。它是固体热传递的主要方式,在不流动的液体或气体层中层层传递,在流动情况下往往于对流同时发生。热传导实质是由大量物质的粒子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传給低温物体的过程。在固体中,热传导的微观过程是:在温度高的部分,晶体中结点上的微粒振动动能较大;在低温部分,微粒振动动能较小。因微粒的振动互相联系,所以在晶体内部就发生微粒的振动,动能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体中热的传导就是能量的迁移。在金属物质中,因存在大量的自由电子,在不停地作无规则的热运动。自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。在液体中热传导表现为:液体分子在温度高的区域热运动比较强,由于液体分子之间存在着相互作用。热运动的能量将逐渐向周围层层传递,引起了热传导现象。由于热传导系数小,传导得较慢,它于固体相同,而不同于气体;气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞,在气体内部发生能量迁移,从而形成宏观上的热量传递。

热导率:或称“导热系数”,是物质导热能力的量度。符号为λ或K。其定义为:在物体内部垂直于导热方向取2个相距1米,面积为1米2的平行平面,若2个平面的温度相差1K,则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率,其单位为

-1-1

瓦每米开(W·m·K)

71、热电现象(thermoelectuic phenomena)

温差电动势(热电动势);用2中金属接成回路,当2接头处温度不同时,回路中会产生电动势,称热电动势(或温差电动势)。热电动势的成因:自由电子热扩散(汤姆逊电动势);自由电子浓度不同(珀耳帖电动势)珀耳帖效应(塞贝克效应)

72、热电子发射(thermodlectric emission)

热电子发射又称爱迪生效应,是爱迪生1883年发现的,但话却要从1877年 说起。这一年爱迪生发明碳丝灯之后,应用不久即出现了寿命太短的问题:因为碳丝难耐电火高温,使用不久即告“蒸发”,灯泡的寿命也完成了。爱迪生千方百计设法改进,1883年他忽发奇想:在灯泡内另行封入一根铜线,也许可以阻止碳丝蒸发,延长灯泡寿命。经过反复试验,碳丝虽然蒸发如故,但他却从这次失败的试验中发现了一个稀奇现象,即碳丝加热后,铜丝上竟有微弱的电流通过。铜丝与碳丝并不连接,哪里来的电流?难道电流会在真空中飞度不成?在当时,这是一件不可思议的事情,敏感的爱迪生肯定这是一项新的发现,并想到根据这一发现也许可以制成电流计、电压计等实用电器。为此他申请了专利,命名为“爱迪生效应”,便不再去进行深入研究了。英国物理学家弗莱明却根据“爱迪生效应”发明了电子管(即二极管)。随后,人们又在弗莱明二极管的基础上制成了三极管,促成了世界上第一座无线电广播电台于1921年在美国匹兹堡市建立,使无线电通讯迅速出现在了世界各地。

加热金属使其中大量电子克服表面势垒而逸出的现象与气体分子相似,金属中的自由电子作无规则的热运动,其速率有一定的分布。在金属表面存在这阻碍电子逃脱出去的作用力,电子逸出需克服阻力做功,称为逸出功(旧称功函数)。在室温下,只有极少量电子的动能超过逸出功,从金属表面逸出的电子数微乎其微。一般当金属温度上升到1000℃以上时,

动能超过逸出功的电子数目急剧增多,大量电子由金属中逸出,这就是热电子发射。若无外电场,逸出的热电子在金属表面附近堆积,成为空间电荷,它将阻止热电子继续发射。通常,以发射热电子的金属丝为阴极,另一金属板为阳极,其间加电压,使热电子在电场作用下从阴极到达阳极,这样不断发射、不断流动,形成电流。随着电压的升高,单位时间从阴极发射的电子全部到达阳极,于是电流饱和。

许多电真空器件的阴极是靠热电子发射工作的。由于热电子发射取决于材料的逸出功及其温度,应选用熔点高而逸出功低的材料如敷钍或敷铯的钨丝来做阴极。

除热电子发射外,靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射的,称为二次电子发射。靠外加强电场引起电子发射的称为场效应发射。靠光照射金属表面引起电子发射的称为光电发射。各种电子发射都有其特殊的应用。

73、热辐射(heat radiation)

热的一种传递方式。它不依赖物质的接触,而由热源自身的温度作用向外发射能量,这种传热方式叫“热辐射”。它和热的传导、对流不同。它不依靠媒质而把热直接从一个系统传給另一系统。热辐射是以电磁波辐射的形式发射出能量,温度的高低决定于辐射的强弱。温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为300℃时,热辐射中最强的波长在

-4

5×10厘米左右,即在红外区。当物体的温度在500℃以上至800℃时,热辐射中最强的波长成分在可见光区。例如,太阳表面温度为6000℃,它是以热辐射的形式,经宇宙空间传給地球的。这是热辐射远距离传热的主要方式。近距离的热源,除对流、传导外,亦将以辐射的方式传递热量。热辐射有时亦称红外辐射,波长范围约0.7微米到1毫米,为可见光谱中红光端以外的电磁辐射。

关于热辐射,其重要规律有4:基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律有时统称为热辐射定律。

74、热敏性物质(heat-sensitive substances)

受热时就会发生明显状态变化的物质,通常地是相变,一级相变或二级相变。 由于热敏性物质可在很窄温度范围内发生急速的转化,所以常用来显示温度,以代替温度的测量。以下是可用的热敏行物质:

1)可改变光学性能的液晶; 2)改变颜色的热涂料;

3)溶解合金,比如伍德合金;

4)有沸点、凝固点和转化的临界状态点的水; 5)有形状记忆能力的材料;

6)在居里点可改变磁性的铁磁材料。

75、热膨胀(thermzl expansion)

热膨胀:物体因温度改变而发生膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下,大多数物质在温度升高时,其体积增大,温度降低时体积缩小。在相同条件下,气体膨胀最大,液体膨胀次之,固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内,温度升高时,其体积反而减小。因为物体温度升高时,分子运动的平均动能增大,分子间的距离也增大,物体的体积随之而扩大;温度降低,物体冷却时分子的平均动能变小,使分子间距离缩短,于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同,因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显著的区别。

膨胀系数:为表征物体受热时,其长面体积变化的程度,而引入的物理量。它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。

固体热膨胀:固体热膨胀现象,从微观的观点来分析,它的由于固体中相邻粒子间的平均距离随温度的升高而增大引起的。

液体热膨胀:液体的流体,因而只有一定的体积,而没有一定的形状。它的体膨胀遵循

V1?V0?1??t? 的规律,式中rt是气体的体膨胀系数。

76、热双金属片(thermobimetals)

热双金属片是由不同热膨胀系数合金组成的具有特殊功能的复合材料,当升温相同时,它们的膨胀程度不同,一测膨胀大,一侧膨胀小,从而造成双金属片的弯曲,所以相同条件下,不同类型的金属热胀冷缩程度不同。受热时发生变形能起到控制和调节温度的作用。

热双金属片作为温度测量、温度控制和温度补偿元件,广泛地用于电器、热工、汽车制造、仪器仪表、医疗器械和家用电器等各行各业。

77、渗透(osmosis)

被半透膜所隔开的2种液体,当处于相同的压强时,纯溶剂通过半透膜而进入溶液的现象称为渗透。渗透作用不仅发生于纯溶剂和溶液之间,而且还可以在同种不同浓度溶液之间发生。低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度的溶液中。砂糖、食盐等结晶体之水溶液,易通过半透膜,而糊状、胶状等非结晶体则不能通过。

渗透现象:在生物机体内发生的许多过程都与此有关。如各物浸于水中则膨胀;植物从其根部吸收养分;动物体内的养分透过薄膜而进入血液中等现象都是渗透作用。

78、塑性变形(plastic deformation)

所有的固体金属都是晶体,原子在晶体所占的空间内有序排列。在没有外来作用时,金属中原子处于稳定的平衡状态,金属物体具有自己的形状与尺寸。施加外力,会破坏原子间原来的平衡状态,造成原子排列畸变,引起金属形状与尺寸的变化。

假若除去外力,金属中原子立即恢复到原来稳定平衡的位置,原子排列畸变消失和金属完全恢复了自己的原始形状和尺寸,则这样的变形称为弹性变形。增加外力,原子排列的畸变程度增加,移动距离有可能大于受力前的原子间距离,这时晶体中一部分原子相对于另一部分产生较大的错动。外力除去后,原子间的距离虽然仍可恢复原状,但错动了的原子并不能再回到其原始位置,金属的形状和尺寸也都发生了永久改变。这种在外力作用下产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。

79、Thoms效应(Thoms effect)

在管道中流体流动沿径向分为3部分:管道的中心为紊流核心,它包含了管道中的绝大部分流体;紧贴管壁的是层流底层;层流底层与紊流漩涡之间为缓冲区,层流的阻力要比紊流的阻力小。

1948年,英国科学家B.Thoms发现,在液体中添加聚合物可以将管内流动从紊流转变成层流,从而大大降低输送管道的阻力。这就是摩擦减阻技术。然而,Thoms的发现真正得到重视是在1979年,美国大陆石油公司生产的减阻剂首次商业化应用于横贯阿拉斯加的原油管道,获得了令人吃惊的效果:在使用相同油泵的情况下,可以输送的原油量增加了50%以上!在取得巨大成功之后,减阻剂被应用于海上和陆上的数百条输油管道。这次应用的成功激发了学术界和工程界对此项技术的研究热潮。

1)减阻剂的减阻机理。管道中的流体流态大多为紊流,而减阻剂恰恰在紊流时起作用。最新的研究成果表明,缓冲区是紊流最先形成的地方。减阻高聚物主要在缓冲区起作用。减阻高聚物分子可以在流体中伸展,吸收薄间层的能量,干扰薄间层的液体分子从缓冲区进入紊流核心,阻止其形成紊流或减弱紊流的程度。

2)减阻剂的生产工艺。减阻剂生产的技术关键包括两个方面:一是超高分子量,非结晶性,烃类溶剂可溶的减阻聚合物的合成;二是减阻聚合物的后处理。

聚合物的合成:目前最有效的减阻聚合物是聚-烯烃。本体聚合已不是生产具有更高分子量的聚-烯烃减阻聚合物的唯一选择,在溶液聚合体系中加入降粘剂,同样可以获得更高

的聚合物分子量和更均匀的分子量分布。

聚合物的后处理:最近研制开发的一种非水基悬浮减阻剂克服了以前各种减阻剂的缺陷,它是借助悬浮剂将聚合物粉末悬浮在醇类流体中,这种减阻剂的生产无需使用表面活性剂、杀菌剂和复杂的稳定剂体系,简化了生产过程,具有防冻性好、能防止水等杂质进入输油管道等优点,并可同时用于原油和成品油的输送,因此有广阔的发展前景。

由于减阻聚合物的生产条件很难控制,国际上只有极少公司垄断了这项技术,其代表是美国的大陆石油公司和贝克休斯公司,他们的产品基本上代表了目前世界上减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向。

80、汤姆逊效应(Thomson effect)

威廉·汤姆逊(1824~1907)亦译为汤姆森,英国物理学家。在他的研究工作中,以热学和电学及它们的应用等方面最有成就。1848年创立绝对温度(亦称开氏温标);以后,他把热力学第一定律和热力学第二定律具体应用到热学、电学和弹性现象等方面,对热力学的发展起了一定作用。

1856年,汤姆逊发现第三热电现象:电流通过具有温度梯度的均匀导体时,导体将吸收或放出热量(这将取决于电流的方向),这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量,称汤姆逊热。汤姆逊热是焦耳热之外的一种热。原理上,“逆汤姆逊效应”也是可能的:随着交替的温度梯度,导体中的电势差也会出现。但是,这种效应是否存在,还没有得到实验上的证实。

81、韦森堡效应(Weissenberg effect)

当高聚物熔体或溶液在各种旋转粘度计中或在容器中进行电动搅拌,受到旋转剪切作用,流体会沿着内筒壁或轴上升,发生包轴或爬杆现象,在锥板粘度计中则产生使锥体和板分开的力,如果在锥体或板上有与轴平行的小孔,流体会涌入小孔,并沿孔上所接的管子上升,这类现象统称为韦森堡效应。尽管韦森堡效应有很多的表现形式,但它们都的法向应力效应的反映。

82、位移(displacement)

质点从空间的一个位置运动到另一个位置,它的位置变化叫做质点在这一运动过程中的位移。它是一个有大小和方向的物理量。位移是矢量。物体在某一段时间内,如果由初位置移到末位置,则由初位置到末位置的有向线段叫做位移。它的大小是运动物体初位置到末位置的直线距离;方向是从初位置指向末位置。位移只与物体运动的始末位置有关,而与运动的轨迹无关。如果质点在运动过程中经过一段时间后回到原处,那么,路程不为零,而位移则为零。在国际单位制中位移的单位为:米。

83:吸附作用(sorption)

各种气体、蒸汽以及溶液里的溶质被吸在固体或液体物质表面上的现象叫吸附。具有吸附性质的物质叫吸附剂、被吸附的物质教吸附质。

吸附作用实际是吸附剂对吸附质点的吸附作用。吸附剂所以具有吸附性质,是因为分布在表面的质点同内部的质点所处的情况不同,内部的质点同周围各个方面的相邻的质点都有联系,因而它们之间的一切作用都互相平衡,而在表面上的质点,表面以上的作用力没有达到平衡而保留有自由的力场,借这种力场,物质的表面就能够把同它 接触的液体或气体的质点吸住。

吸附分物理吸附和化学吸附。物理吸附是以分子间作用力相吸引的,吸附热少。如活性炭对许多气体的吸附属于这一类,被吸附的气体很容易 解脱出来,而不发生性质上的变化。所以物理吸附是可逆过程。化学吸附则以类似于化学键的力相互吸引,其吸附热较大。例如许多催化剂对气体的吸附(如镍对H2的吸附)属于这一类。被吸附的气体往往吸引在很高的温度下才能解脱,而且在形状上有变化。所以化学吸附大都是不可逆过程。同一物质,可

能在低温下进行物理吸附,而在高温下为化学吸附。或者两者同时进行。

常见的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、硅藻土等。电解质溶液中生成的许多沉淀,如氢氧化铝、氢氧化铁、氯化银等也具有吸附能量,它们能吸附电解质溶液中的许多离子。

吸附性能的大小随吸附剂的性质,吸附剂表面的大小;吸附质的性质和浓度的大小,及温度的高低等而定。由于吸附发生在物体的表面上,所以吸附剂的总面积愈大,吸附的能量愈强。活性炭具有巨大的表面积,所以吸附能力很强。一定的吸附剂,在吸附质的浓度和压强一定时,温度越高,吸附能力越弱。所以,低温对吸附作用有利。当温度一定时,吸附质的浓度或压强越大,吸附能力越强。

在生产和科学研究上,常利用吸附和解吸作用来干燥某种气体或分离、提纯物质。吸附作用可以使反应物在吸附剂表面浓集,因而提高化学反应速度。同时,由于吸附作用、反应物分子内部的化学键被减弱,从而降低了反应的活化能,使化学反应速度加快。因此吸附剂在某些化学反应中可作催化剂

84、吸收(absorption)

吸收:物质吸取其他实物或能量的过程。气体被液体或固体吸收,或液体被固体所吸取。在吸收过程中,一种物质将另一种物质吸进体内与其融合或化合。例如,硫酸或石灰吸收水分;血液吸收营养;毡毯、矿物棉、软质纤维板及膨胀珍珠岩等材料可吸收噪声;用化学木浆或棉桨或纸质粗松的吸墨纸,用来吸干墨水。吸收气体或液体的固体,往往具有多孔结构。当声波、光波、电磁波的辐射,投射到介质中沿某一方向传播时,随入射深度逐渐被介质吸收。例如玻璃吸收紫外线,水吸收声波,金属吸收X射线等。

吸收光谱:当物体发出的波长连续分布的光通过物质时,某些波长的光被物质有选择性地吸收,它所产生的光谱是在连续光谱的背景下,分布着一系列暗线或暗带,这种光谱叫做吸收光谱。由于物质所在的状态不同,吸收光谱有不同的形状;如原子状态的吸收光谱中有比较分开的暗线光谱;气体或蒸汽的分子状态的吸收光谱是由密集的暗线组成的暗带光谱;处于固体或液体状态中的物质,则往往将一定波长区域的光线吸收,而表现出逐渐变暗的有效暗带。在一般情况下,物质吸收光谱的波长与该物质的某些发射光谱波长相对应。因为发射光谱一般必须在高温下获得,而高温下的分子或晶体往往是易于分解。因此吸收光谱最适宜于研究分子的结构。又由于分子的振动和转动光谱均位于红外区域,所以红外吸收光谱是研究分子结构变化的重要手段。

光的吸收:光在介质中传播的部分能量被介质吸收的现象。光的吸收遵守如下规律:

I?I0e??l 式中:I0——入射光强度;I——透射光强度;l——光在介质中通过的

距离;?——吸收系数,与介质性质及波长有关。

上述规律先由P.布给于1729年通过实验得到,后由J.H.朗伯利用一个简单假设从理论上推出,故称布給-朗伯定律。

波的吸收:波在实际介质中,由于波动能量总有一部分会被介质吸收,波的机械能不断减少,波强亦逐渐减弱。

85、形变(deformation)

凡物体受到外力而发生形状变化称之为“形变”。物体由于外因或内在缺陷,物质颗粒的相对位置发生改变,也可引起形态的变化。形变的种类有:

纵向形变:物体的两端受到压力或拉力时,长度发生改变; 体积形变:物体体积大小的改变;

切变:物体两相对的表面受到在表面内的(切向)力偶作用时,两表面发生相对位移,称为切变;

扭转:一柱状物体,两端各受方向相反的力矩作用而扭转,称扭转形变;


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