# Рекорды и пределы, или Введение в экстремальное материаловедение

Леонид Александрович Ашкинази

Это маленькое дополнение к моей книжке. Три архива - это картинки в цвете и с нормальным разрешением, на бумаге они черно-белые.

Рекорды и материалы: ответы на вопросы, указание на фотографии с хорошим качеством, исправление опечаток, аннотация.


--------------------------------------------------------------------------------------------------------------


1. В тексте книги несколько раз предлагалось читателям подумать и обещались в конце книги ответы. Случилось так, что ответы в книгу не попали. Вот они.


Газ, "как известно", заполняет весь предоставленный ему объем. Хорошо бы нам было, если бы он заполнял весь - например, если бы атмосфера Земли заполнила бы весь предоставленный ей объем, то есть весь космос. Можно даже не весь... Подумайте сами, когда заполняет и не заполняет.


Когда соотношение гравитации, размеров объема и температуры газа и массы молекул газа таково, что kT >> mgh. Подумайте, почему.


А если частички не шарики, а совсем наоборот -- нити? Причем расположенные упорядоченно, вытянутые, как северокорейские солдатики на параде? Тогда мы получим анизотропный материал, у которого проводимость вдоль нитей высокая, а поперек - низкая. А под углом - подумайте сами.


В простейшей модели току надо проделать путь вдоль нитей, а потом -- поперек, сопротивление будет суммой сопротивлений и оно (как и проводимость) будет определяться углом.


Самый тугоплавкий металл -- вольфрам. Но если по нему врезать мощным электронным пучком в вакууме -- то и его вполне можно расплавить. Подумайте и поймите -- почему именно в вакууме?


Потому что вольфрам (как и все тугоплавкие металлы) быстро окисляется в атмосфере, начиная с 400-500 оC. А получившийся оксид испаряется -- это тот самый бело-желтый налет на баллоне электролампочки, "перегоревшей" (именно перегоревшей!) при попадании атмосферы в баллон.


А если бы мы жили при больших давлениях и меньших температурах, мы бы сказали -- надо нагреть аж до 0,95 К и непонятно как снизить давление до 25 земных атмосфер. Кстати -- подумайте, как нам снизить давление, если мы живем в глубинах Юпитера, где давление больше?


Очень просто -- соорудить то, что на далекой Земле называют "вакуумный насос", а у нас, на Юпитере, это называют "земной насос". Это просто цилиндр с поршнем, и при выдвигании поршня давление падает. Конечно, требуется соответствующая прочность, чтобы внешнее давление не раздавило насос.


В технике используются, в частности, для теплоизоляции космических аппаратов и ракет, входящих в атмосферу, так называемые "абляционные покрытия" (их еще называют "жертвенные покрытия"), которые защищают лишь на короткое время, испаряясь или разрушаясь. Они работают при весьма высоких температурах и, что более важно, в условиях, когда нельзя просто сказать "при такой-то температуре". Потому что сама их температура зависит от их параметров -- если материал имеет высокую теплопроводность (при этом он хуже защищает аппарат), то сам греется меньше, а если низкую теплопроводность -- то сильнее. А как зависит нагрев от теплоты фазового перехода? -- подумайте сами.


С увеличением теплоты фазового перехода нагрев уменьшается, потому что большая часть поступающего на поверхность покрытия тепла уходит на испарение.


При этом поток тепла оказывается существенно больше, чем если бы на месте трубочек оказалась массивная медная штанга. Формально применяя приведенную выше формулу, можно вычислить теплопроводность; ее правильнее называть "эквивалентной". Однако эта формула неприменима для расчета любых тепловых труб, даже на одном и том же теплоносителе -- поток тепла не всегда окажется пропорционален сечению и обратно пропорционален длине. Кстати, подумайте -- почему?


Хотя бы потому, что поток жидкости, возвращающейся из зоны охлаждения и конденсации в зону нагрева и испарения, пропорционален не сечению трубки, а ее периметру -- возврат идет по поверхности.


Теплоемкость -- это именно поглощение и запасание тепла, а теплопроводность -- это его проведение. Что касается используемого в литературе параметра "температуропроводность", то это как раз комбинированный параметр, он равен отношению теплопроводности к произведению плотности на теплоемкость. Подумайте минуту -- и поймете, что значения этого параметра говорят как раз о том, быстро ли выравнивается температура в куске неоднородно нагретого материала или быстро ли приобретает кусок материала температуру окружающей среды. Значения для многих материалов лежат в пределах от 7·10-8 м2/с (поливинилхлорид, нейлон, дерево) до 1,6·10-4 м2/с (серебро Ag) и 2·10-4 м2/с (гелий He и водород H2). А всех их превзошел монокристалл углерода C, причем именно вдоль плоскостей -- 10-3 м2/с. Подумайте, почему?


У углерода низкая плотность, а вдоль плоскостей -- и высокая теплопроводность.


Третий подход плох тем, что надо что-то делать. Мир познаваем, частично познан, наши действия могут привести к большей познанности, процесс познания приятен сам по себе, плюс позволяет посредством инженерии, базирующейся на физике, сделать жизнь людей лучше. Хотя бывают и ошибки (в науке), и уродства (в сфере разработок), и опасности (чего мы только в детстве не вытворяли и каких глупостей во всех странах и мерзостей в некоторых не вытворяют политики), но как себя вести - это уж от нас самих зависит.

Остановись, отложи книгу/останови скроллинг и подумай - какой из трех путей твой?


Если книга дочитана до этого места, то скорее всего именно третий.


2. В конце книги есть несколько вопросов к последнему разделу. Вот ответы на них.


Почему это может происходить - из-за 1 % - в несколько раз?!


Это может быть только из-за возникновения селективности излучения, то есть определенной зависимости коэффициента излучения от длины волны (см. ниже).


Если коэффициент излучения не зависит от длины волны ("серое тело"), будет ли зависеть излучаемая во всем диапазоне частот мощность от этого коэффициента?


Да.


Как должен зависеть от длины волны коэффициент излучения, чтобы лампа светила ярче?


Он должен быть меньше вне оптического диапазона и больше -- в его пределах.


Если уж такое замечательное покрытие найдено, почему бы им не покрывать вольфрамовые нити ламп?


У них относительно высокая скорость испарения.


И почему бы не попробовать использовать сами эти окислы как тело накаливания - при этих температурах они не изоляторы, а полупроводники (сопротивление около 0,1 1/Ом.м?


У полупроводников, в отличие от металлов, сопротивление падает с ростом температуры. Поэтому либо будет возникать неустойчивость, "саморазогрев", либо нужно стабилизировать ток накала.


А это вопрос, который у вас возник вроде бы сам. Физика - это еще и придумывать вопросы!


Вопрос, который у вас возник -- скорее всего это вопрос "Почему существуют вопросы?". Ответ прост -- умение задавать вопросы эволюционно выгодно, в племени должны быть люди, задающие вопросы. Племена, которые этого не понимали, жили плохо и портили всем жизнь. Поэтому жить надо в тех ущельях, где обитают те племена, которые понимают важность задавания вопросов.


3. Указание на место, где можно посмотреть на фотографии с хорошим качеством.


Фотографии выложены тут: http://https://www.flickr.com/photos/28728255@N08


4. Аннотация, которая не попала в книгу -- она рядом, файл annotazia.


5. Замеченные опечатки и ошибки.


1. Оксиды часто называются окислами.

2. СH3ON -- надо писать CH3NO, по системе Хилла в брутто-формуле после С и Н - элементы по алфавиту (стр. 49)

3. CH3NO -- это формамид, а не формальдегид (стр. 49)

4. ... и он не рекордсмен: у N-метилацетамида эпсилон 186, а у N-метилформамида - 182 (стр. 49)

5. формула нашатырного спирта -- NH4OH или NH3.H2O (стр. 112)