Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 5508
2017-11-29 
Стенки промышленных дымовых труб обычно специально делают так, чтобы они плохо проводили тепло. Зачем (всё равно всё тепло вместе с дымом «вылетит в трубу»)?
и эта искра состояла из нескольких последовательных вспышек продолжительностью примерно 0,000005 секунд. Как Феддерсену удавалось измерить такие короткие промежутки времени (никаких точных часов в середине 19 века, разумеется, не было)?
Предложите любой способ определения продолжительности свечения искры, использующий только технику, доступную, по вашему мнению, экспериментаторам того времени.
Решение:
Дым обычно бывает достаточно горячим (температура явно больше 100°C, может оказаться и больше 300°C. Понятно, что без хорошей теплоизоляции в зимнее время часть поверхности трубы будет иметь положительную температуру. В местах с нулевой температурой (которые в таких случаях интенсивно перемещаются по поверхности в зависимости от температуры на улице, скорости ветра, температуры дыма в трубе, интенсивности его выброса и множества других причин) будут расти сосульки. На поверхности с положительной температурой, разумеется, налипает снег. От сосулек и наледей никакой пользы нет, зато они создают дополнительную нагрузку на несущие конструкции трубы, при падении могут причинить вред оборудованию и обслуживающему персоналу, делают практически невозможным восхождение на трубу в случае необходимости ремонта.
Вторая причина — создание «тяги». Давление в трубе не может сильно отличаться от атмосферного (так как труба сообщается с атмосферой). Поэтому чем больше температура в трубе, тем меньше там концентрация молекул газов ($p = nkT$) и, соответственно, меньше плотность. Если плотность газов в трубе оказывается меньше плотности атмосферы — содержимое трубы начинает «всплывать» («взлетать»).
Теперь разберём всё более подробно. Формула $p = nkT$, разумеется, верна. Точнее, она описывает модель идеального газа. Однако в трубе значительно большие проблемы создаст не отклонение свойств газообразной составляющей дыма от свойств идеального газа, а наличие твёрдых частиц (сажа, копоть и т. п.) — их плотность (сколько бы их не нагревать) всё равно не станет меньше плотности атмосферы. Для удаления таких частиц из трубы в потоке газообразной составляющей дыма плотность этой газообразной составляющей нужно уменьшить не до величины, определяемой в соответствии с формулой $p = nkT$, а с большим запасом.
Отметим, что для большинства промышленных процессов важна не только их принципиальная осуществимость, но и стабильность и предсказуемость. Поэтому просто понижения средней плотности дыма по сравнению с плотностью атмосферы всё равно недостаточно. Если дым будет выходить из трубы не очень устойчиво, то и дело по случайным причинам «проваливаясь» обратно — это, как минимум, нежелательно, а также может привести к серьёзным авариям.
В качестве таких внешних случайных причин можно назвать почти любое изменение погоды (кроме изменения температуры и скорости ветра, которые мы уже называли, это может быть, например, дождь — на нагревание и испарение дождевой воды на внешнюю поверхности трубы потребуется много энергии, что приведёт к охлаждению дыма).
Наконец, если в сильный мороз температура дыма в какой-то части трубы (или рядом с концом трубы) окажется меньше 100 °C, это приведёт к образованию капелек воды, что тоже нежелательно (у капелек больше плотность, чем у водяных паров, они будут оседать как на внутренних, так и на внешних стенках, способствуя, соответственно, отложению сажи и росту сосулек), а также к плохопрогнозируемым эффектам, связанным с выделением тепла при конденсации воды (образованию капелек) и затратами тепловой энергии на их испарение.
Также регулярные изменения температуры (а, как мы убедились выше, поддерживать постоянной температуру трубы и вообще большого сооружения, находящегося на открытом воздухе, практически нереально) будут приводить к постоянным растяжениям-сжатиям элементов конструкции трубы и их износу. Ещё сильнее этот эффект будет проявляться под действием воды (дождь), регулярно попадающей в трещины и затем испаряющейся (и тем более расширяющей трещины при замерзании в зимнее время).
У труб со стенками с хорошей теплопроводностью преимуществ вроде бы нет (разве только экономические, связанные с затратами на теплоизолирующие материалы и конструкции — эти затраты должны разумно сопоставляться с последующими неприятностями за время службы трубы).
Стенки промышленных дымовых труб обычно специально делают так, чтобы они плохо проводили тепло. Зачем (всё равно всё тепло вместе с дымом «вылетит в трубу»)?
и эта искра состояла из нескольких последовательных вспышек продолжительностью примерно 0,000005 секунд. Как Феддерсену удавалось измерить такие короткие промежутки времени (никаких точных часов в середине 19 века, разумеется, не было)?
Предложите любой способ определения продолжительности свечения искры, использующий только технику, доступную, по вашему мнению, экспериментаторам того времени.
Решение:
Дым обычно бывает достаточно горячим (температура явно больше 100°C, может оказаться и больше 300°C. Понятно, что без хорошей теплоизоляции в зимнее время часть поверхности трубы будет иметь положительную температуру. В местах с нулевой температурой (которые в таких случаях интенсивно перемещаются по поверхности в зависимости от температуры на улице, скорости ветра, температуры дыма в трубе, интенсивности его выброса и множества других причин) будут расти сосульки. На поверхности с положительной температурой, разумеется, налипает снег. От сосулек и наледей никакой пользы нет, зато они создают дополнительную нагрузку на несущие конструкции трубы, при падении могут причинить вред оборудованию и обслуживающему персоналу, делают практически невозможным восхождение на трубу в случае необходимости ремонта.
Вторая причина — создание «тяги». Давление в трубе не может сильно отличаться от атмосферного (так как труба сообщается с атмосферой). Поэтому чем больше температура в трубе, тем меньше там концентрация молекул газов ($p = nkT$) и, соответственно, меньше плотность. Если плотность газов в трубе оказывается меньше плотности атмосферы — содержимое трубы начинает «всплывать» («взлетать»).
Теперь разберём всё более подробно. Формула $p = nkT$, разумеется, верна. Точнее, она описывает модель идеального газа. Однако в трубе значительно большие проблемы создаст не отклонение свойств газообразной составляющей дыма от свойств идеального газа, а наличие твёрдых частиц (сажа, копоть и т. п.) — их плотность (сколько бы их не нагревать) всё равно не станет меньше плотности атмосферы. Для удаления таких частиц из трубы в потоке газообразной составляющей дыма плотность этой газообразной составляющей нужно уменьшить не до величины, определяемой в соответствии с формулой $p = nkT$, а с большим запасом.
Отметим, что для большинства промышленных процессов важна не только их принципиальная осуществимость, но и стабильность и предсказуемость. Поэтому просто понижения средней плотности дыма по сравнению с плотностью атмосферы всё равно недостаточно. Если дым будет выходить из трубы не очень устойчиво, то и дело по случайным причинам «проваливаясь» обратно — это, как минимум, нежелательно, а также может привести к серьёзным авариям.
В качестве таких внешних случайных причин можно назвать почти любое изменение погоды (кроме изменения температуры и скорости ветра, которые мы уже называли, это может быть, например, дождь — на нагревание и испарение дождевой воды на внешнюю поверхности трубы потребуется много энергии, что приведёт к охлаждению дыма).
Наконец, если в сильный мороз температура дыма в какой-то части трубы (или рядом с концом трубы) окажется меньше 100 °C, это приведёт к образованию капелек воды, что тоже нежелательно (у капелек больше плотность, чем у водяных паров, они будут оседать как на внутренних, так и на внешних стенках, способствуя, соответственно, отложению сажи и росту сосулек), а также к плохопрогнозируемым эффектам, связанным с выделением тепла при конденсации воды (образованию капелек) и затратами тепловой энергии на их испарение.
Также регулярные изменения температуры (а, как мы убедились выше, поддерживать постоянной температуру трубы и вообще большого сооружения, находящегося на открытом воздухе, практически нереально) будут приводить к постоянным растяжениям-сжатиям элементов конструкции трубы и их износу. Ещё сильнее этот эффект будет проявляться под действием воды (дождь), регулярно попадающей в трещины и затем испаряющейся (и тем более расширяющей трещины при замерзании в зимнее время).
У труб со стенками с хорошей теплопроводностью преимуществ вроде бы нет (разве только экономические, связанные с затратами на теплоизолирующие материалы и конструкции — эти затраты должны разумно сопоставляться с последующими неприятностями за время службы трубы).
