Молекулярная физика и термодинамика: роза + жидкий азот

Есть такое ушедшее в хронику эпох устройство под названием лампочка накаливания. Принцип работы прост - по тонкой вольфрамовой нити пропускают электрический ток. Нить раскаляется и начинает светить. Вольфрам применяется в качестве тугоплавкого металла.

Однако, если бы мы зажгли нить без колбы, то нить бы попала под влияние окружающего кислорода, который быстро бы устроил нити реакцию горения. В таких условиях нить не проживет и секунды. Для долговременной работы ее помещают в колбу, из которой откачивают воздух.
Однако изолировать нить от кислорода можно и другим способом. Зачем все эти колбы-вакуумы, если можно просто сунуть лампочку в жидкий азот?

Азот не является окислителем, поэтому вольфрам в нем не сгорает. Плюс низкая температура значительно снижает сопротивление нити, из-за чего металл меньше разрушается под действием проходящего по нему тока.

Светить, конечно, будет хуже, но когда нас это останавливало?..

Давайте пронаблюдаем очень интересный эффект. 

Суть эффекта относительно проста. Если разогреть металлическую поверхность и капнуть на нее водой, то произойдет пшик, и капля испарится. Однако если сильно разогреть поверхность, то вместо испарения капля начнет непрерывно бегать по поверхности металла.

Причина такого поведения относительно проста. Если поверхность металла действительно сильно разогрета, то между каплей и металлом мгновенно испаряется небольшой слой воды и создается паровая прослойка. Эта прослойка изолирует каплю от металла, позволяя ей, во-первых, долго не испаряться ввиду отсутствия прямого контакта, а также собираться в почти идеальный шарик, поскольку молекулы воды притягиваются только друг другом, и отсутствуют силы межмолекулярного притяжения со стороны металла. 

Но в целом запомним главное. Некоторые предметы являются настолько горячими, что не могут охладиться, создавая вокруг себя изолирующую паровую прослойку. В этом и заключается суть эффекта. 

Существует еще красивая демонстрация. Если шарик сильно нагреть и опустить в воду, то вокруг шарика образуется и удерживается паровой пузырь.

В определенный момент шар остывает, и паровая прослойка практически 'взрывается' кипением. 

Также данный эффект позволяет совершать физикам буквально безумные опыты! 
Вот на видео молодой человек открытой рукой расплескивает жидкий металл.

Вот на видео молодой человек сует руку в расплавленный свинец.

+ А вот на видео молодой человек сует руку в жидкий азот.

Во всех случаях здоровье этих людей защищает образующаяся вокруг кожи воздушная прослойка, возникающая из-за великого и могучего эффекта Лейденфроста.

Убедительная просьба! Не повторяйте эти опыты без соответствующей подготовки! А если уж решитесь повторять - включите заранее запись видео! :)

Существует несколько металлов, плавление которых происходит при довольно низких температурах. Это, конечно же, олово, которое плавится при температуре 232 градуса, из-за чего его удобно использовать в качестве припоя. Это, конечно же, ртуть (-39 градусов), которую мы видим практически всегда только в жидком виде.

Но есть еще один интересный металл - галлий. Его температура плавления составляет всего 30 градусов, что позволяет его плавить просто теплом человеческого тела. Или теплом воды в стакане :)

В общем, сахар размешать, конечно, можно... Но действовать нужно решительно и быстро!

Для того, чтобы получить поднимающиеся шарики или пузыри, удобно использовать гелий. А что, если гелия нет?

Тогда можно взять, например, метан. Тот самый, что сгорает в газовых плитах и кипятит чайничек. На видео показан пример таких пузырей. Из шланга идет струя метана, в стаканчике мыльный раствор. Метановые пузыри - наше все! Но есть один момент: метан - горючее вещество...

С метаном связано одно интересное природное явление - метановые пузыри в озере Байкал.

В Байкале существует множество подводных грязевых вулканов, которые являются источниками природного газа. Этот газ пузырями поднимается к поверхности и вмерзает в лед. Выглядит это как множество белых полостей.

Можно разбить лед и поджечь метан - будет огонь! Все логично.

Красивая картинка замерзших пузырей прилагается.

В термодинамике существует такой процесс с газами - адиабатический. Это процесс, при котором газ не получает и не отдает энергию, то есть, не обменивается энергией с окружающей средой. Чаще всего по причине того, что процесс протекает слишком быстро, и газ просто не успевает.
Любой, например, сталкивался с адиабатическим процессом, если пытался быстро-быстро накачать шины ручным насосом. И, возможно, даже замечал при этом, что насос почему-то нагревается.

На видео показано адиабатическое сжатие, результатом которого является зажигание шарика ваты. Можно приближенно утверждать, что вся энергия, направленная на сжатие газа, переходит в его внутреннюю энергию, то есть в нагрев. Температура воздуха вокруг ваты подскакивает в несколько раз, что и вызывает зажигание.

Замечу, что если бы мы сжали поршень медленно, то вата бы не вспыхнула.
Адиабатическое сжатие используется, например, в качестве причины начала сгорания топлива в дизельном двигателе (бензиновый двигатель использует искру).

Закономерно, что наряду с адиабатическим нагреванием существует и адиабатическое охлаждение.

Если в случае адиабатического нагревания необходимо резко сжимать газ, то в случае охлаждения необходимо заставлять его резко расширяться. В видео воздух под давлением нагнетается в колбу. При определенном давлении пробку вышибает, и газ резко расширяется.
Как и говорит в видеоматериале Валериан Иванович, отличным примером является процесс открывания бутылки шампанского. Газ в бутылке находится под значительным давлением, из-за чего при открывании пробки молекулы изнутри резко выходят наружу, то есть, газ расширяется рывком, начинает занимать большее пространство. При этом воздух охлаждается, и часть пара в воздухе конденсируется и переходит в состояние 'тумана', который мы воспринимаем как дымку над горлышком бутылки.

Опять же, если выпускать газ постепенно, как мы это делаем с надувшейся бутылкой газировки, то такого эффекта наблюдаться не будет.

Точка росы - температура воздуха, при котором водяной пар начинает конденсироваться в капли.

Адиабатическое охлаждение легко каждый может повторить самостоятельно.

Для опыта потребуется в бутылке с широким горлышком организовать высокую влажность (капнуть воды и подождать), сильно сжать бутылку и резко открыть пробку. При открывании крышки газ резко (адиабатически) расширяется, что приводит к резкому охлаждению. Воздух переходит точку росы, и мы видим сконденсированные пары воды. Эдакий туман.

И в завершение сегодняшней темы разрешите показать два опыта с адиабатическим охлаждением - одно от моего подписчика в телеграме, второе от ученика :) 

Подписчик был прошарен, поэтому взял бутылку с широким горлышком.

Ученик был молод и неопытен, но настойчив. Смотрите над горлышком внимательно. Клянусь Гюгонио, там есть дымок! :) Но все же гораздо нагляднее использовать бутылку с широким горлом. 

P.S. Первый пост зашел хорошо, закидываю второй :)

P.P.S. По всем вопросам - alexjuriev3142@gmail.com

Рано или поздно любое обсуждение физики приходит к экспериментам с жидким азотом.

Объяснение процесса я предлагаю такое: температура жидкого азота отличается от температуры воды летом примерно на 220 градусов. Поэтому при попадании на воду азот начинает интенсивно кипеть и превращаться в газ. Когда бутылку поворачивают, площадь соприкосновения азота с жидкостью увеличивается в несколько раз, и с нею увеличивается количество газообразного азота, который из-за переворачивания бутылки оказывается заперт. Далее азот под большим давлением банально требует выхода, и мы наблюдаем реактивное движение.

И думаю, вам, конечно же, интересен способ перевозки жидкого азота. Ведь перевозить его просто в закрытой бутылке нельзя - азот перейдет из жидкого состояния в газообразное, газ создаст высокое давление, и бутылка лопнет. Вот в видосе наглядно.

Для транспортировки жидкого азота используют специальный термос - сосуд Дьюара. Де факто, это обычный термос с внутренней и внешней колбой для того, чтобы азот медленнее нагревался. Главным отличием от всех других сосудов является крышка, которая ничем не прикрепляется к самому сосуду. Если давление внутри повысится при испарении азота, то крышка просто 'подпрыгнет' как в чайнике, и ничего не лопнет.

Поскольку воздух на 78% состоит из азота, то выходящий газ не принесет никакого вреда.

P.S. Буду рад видеть вас на моем телеграм-канале с физикой. По всем вопросам - Alexjuriev3142@gmail.com

Предисловие: после падения сайта я так и не понял, как вернуть аккаунт. Решил для себя, что никак, поэтому начну заново. Всем здравствуйте, я AlexAlpha с Пикабу! Там я писал и пишу репетиторские истории и выкладываю подборки с физикой. Здесь я выкладывал небольшие постики про физические явления. 

Чтобы поддержать Вомбат после падения, хочу выложить подборку своих любимых физиков. Надеюсь, она вам понравится.
---

И откроет подборку Андрей Иванович Щетников с канала GetAClass. В этом видео он показал, что происходит с пламенем свечи в сильном электрическом поле.

Пламя свечи является низкотемпературной плазмой, то есть, атомы в нем быстры настолько, что при столкновениях разбиваются на электроны и ионы, то есть, заряженные частицы. Если поместить пламя свечи в электрическое поле, то ионы и электроны будут двигаться не только под действием естественной конвекции, но и под действием силы Кулона, из-за чего пламя будет 'сдуваться'.

В эфире эксперименты, которых мы достойны!

Если взять обычный свежий огурец, воткнуть в него два электрода и подать ток, то...

...то практически ничего не произойдет. Напряжения не хватает на то, чтобы пробить воздух снаружи, а внутри ток проходит с огромным сопротивлением, из-за чего огуречный сок нагревается и закипает. 

Однако если взять соленый огурец, воткнуть в него два электрода и подать ток, то...

...то огурец прям таки засветится от проходящего внутри него тока!

Причина такой радости проста. Раствор солей содержит значительное количество заряженных частиц (ионов), которых нет в сыром огурце и которые как раз и являются проводниками тока. 

В очередной раз соленый огурец - 1, сырой огурец - 0. 

И, конечно же, без Гервидса Валериана Ивановича, которому отведен целый плейлист на канале МИФИ, наша подборка тоже невозможна. Замечательный преподаватель. Тонко, аккуратно, с юморком.

На видео демонстрируется лестница Иакова, названная так в честь ветхозаветной лестницы между Землей и Небом. Лестница представляет собой две металлические пластины под напряжением, расстояние между которыми увеличивается с высотой.

Принцип работы прост. Прикладываемого напряжения достаточно только для того, чтобы пробить воздух в самом узком месте, то есть, внизу. Однако затем нагретый разрядом воздух начинает подниматься вверх благодаря силе Архимеда. Поскольку теперь этот воздух имеет много свободных заряженных частиц, то дуга может пройти и в более широких местах лестницы. По сути, мы имеем плавучую перемычку между двумя электродами. Красота, да и только!

Перейдем к менее популярным, но от этого не менее замечательным физикам. Представляю вам превосходного препода из МГУ - Алексей Александрович Якута. Вот целый плейлист с его лекциями.

Мне очень нравится подача материала. Для сложного институтского уровня все интересно и наглядно. Опыты тоже отличные.

На видео Алексей Александрович демонстрирует, как можно заставить цельнометаллический диск плавать в воде. Очень многие помнят, что средняя плотность тела должна быть меньше плотности жидкости - тогда выталкивающая сила сможет заставить тело держаться на плаву. А как же быть, если плотность тела значительно больше?

Диск имеет большую площадь и дополнительно натерт парафином - это приводит к тому, что возникает определенное поверхностное натяжение, которое не дает воде заливаться на диск. Под действием силы тяжести диск 'продавливает' в воде 'ямку', в результате чего вокруг появляются 'бортики' из воды. Они создают гидростатическое давление, которое и удерживает диск. 

Продолжим наше знакомство с физиками. На этот раз в ролике Алексей Александрович Колчин также с канала GetAClass покажет опыт, который я очень рекомендую повторить - он простой и быстрый в исполнении.

Опыт демонстрирует выполнение закона Паскаля - давление на жидкость передается в любую точку одинаково во всех направлениях. Для демонстрации используется знаменитый картезианский водолаз.

Спичка с помощью утяжелителя в виде накрученной проволочки подвешивается в бутылке с водой. Пробка закрывается.
При надавливании на бутылку спичка уйдет на дно. Так происходит потому, что при надавливании давление жидкости во всей бутылке повышается, и вода заполняет различные поры в древесине. Если затем бутылку отпустить, то давление придет в норму, часть воды выйдет из спички, и спичка всплывет.

Аналогичный опыт можно реализовать с пипеткой, и это даже будет лучше и удобнее, ибо древесина спички размокает, а стекло - нет.

Если нагреть металлический шарик и сунуть его в воду, то раздастся пшик и на этом все фокусы кончатся. 

Однако если нагреть шарик до достаточно высокой температуры, то он мгновенно создаст вокруг себя паровую шапку, которая будет изолировать шарик от остальной жидкости. При этом и шарик охлаждается медленнее, и вода вокруг нагревается гораздо медленнее. В этом и проявляется в данном опыте эффект Лейденфроста, про который мы говорили ранее. 

Я думаю, при наличии газовой горелки (баллон+горелка < 1000 р) такой эксперимент вполне можно повторить в домашних условиях и пронаблюдать паровую шапку воочию. Только осторожно!

Сегодня демонстрирую видео от автора, без которого подборка хороших физиков просто не может существовать - Павел Андреевич Виктор с одноименного канала. Меня в Павле Андреевиче многое что восхищает и удивляет, однако самым интересным с точки зрения физики я считаю его уникальную способность демонстрировать различные физические явления на очень простых, но при этом довольно неординарных опытах.

Если вы заглянете на ютуб, то по тепловому расширению тел есть миллиард видео с одним дубовым экспериментом - шарик и колечко. 

В холодном состоянии шарик проходит сквозь колечко, в горячем нет, что и демонстрирует тепловое расширение тел, то есть, увеличение объема тела при нагреве.

Однако Павел Андреевич всегда находит свои способы продемонстрировать различные явления. 

На видео показан эксперимент с расширяющимся от нагревания стержнем. В качестве индикатора расширения используется игла со стрелкой. При расширении стержень прокатывается, вращая при этом иглу.

Там постик про плазму выложили, я решил не отставать. 
Осторожно! Противные звуки в видосеках!
Довольно интересно дуговой разряд выглядит в магнитном поле. Даже очень интересно. Но строго обязательно смотреть в замедленной съемке! 

В видео в качестве одного электрода используется штырь за магнитом, а вторым электродом является сам магнит.
Дело в том, что на движущиеся заряженные частицы в магнитном поле начинает действовать новая сила - сила Лоренца. Эта сила заставляет частицы двигаться по дуге окружности. 
Поскольку дуговой разряд является потоком электронов и ионов, то есть, заряженных частиц, то и они попадают под действие данной силы.

На ютубе есть автор по магнитным полям, у него таких видео навалом. Снимает симпатишно, очень рекомендую.

Вот еще тот же эффект с двумя парами электродов. 

Нонче у нас суббота, а, значит, нужно грамотно организовать досуг (или досуг, кого-то из них). 

Предлагаю вашему вниманию простой опыт, который вы легко сможете повторить самостоятельно. 

Закон Паскаля - давление на жидкость передается в любую точку одинаково во всех направлениях. 

Суть опыта: поместить в воду плавающее тело с воздушной полостью внутри. При сжимании бутылки по закону Паскаля давление воды увеличится, воздушная полость сожмется и уменьшится в размерах, выталкивающая сила уменьшится и поплавок потонет. Если бутылку отпустить, то вновь всплывет. Сжимая-отпуская бутылку, можно весело гонять поплавок вверх-вниз или заставить поплавок зависнуть. 

Можно реализовать при использовании спички и медной проволоки. Наматываем на спичку немножко тонкой проволоки так, чтобы спичка плавала в воде вертикально.
Роль воздушной полости при этом играет воздух между волокнами дерева. Данный способ не очень удобен, поскольку дерево впитывает воду и перестает реагировать на повышение давления внутри бутылки. 

Можно реализовать при использовании колпачка от шариковой ручки и пластилина. На колпачок приклеиваем пластилин и проделываем в нем небольшое отверстие. Главное - аккуратно подобрать размер колпачка и массу пластилина.

Можно реализовать при использовании пипетки и утяжелителя в виде медной проволоки. Наматываем проволоку на пипетку так, чтобы она располагалась в воде вертикально и едва держалась на плаву. 

Все пойдемте мять бутылки!

P.S. По всем вопросам - Alexjuriev3142@gmail.com

Хочу познакомить вас с моими любимыми ютуб-каналами, связанными с физикой, и с самими физиками, конечно же. Полную подборку вы уже можете найти на моем телеграм-канале с физикой.

И откроет подборку Андрей Иванович Щетников с канала GetAClass. На канале содержится огромная подборка различных экспериментов. Абсолютно все эксперименты поставлены и сняты в очень хорошем качестве. Абсолютно ко всем экспериментам есть отличное объяснение. Большая часть экспериментов уникальна и на ютубе более ни в каком виде не представлена. Канал у авторов просто потрясающий, очень активно его рекомендую. 

В этом видео Андрей Иванович показал, что происходит с пламенем свечи в сильном электрическом поле. Если поместить самую обычную свечку в электрическое поле и постепенно увеличить его напряженность, то мы увидим, что пламя реагирует на воздействие со стороны поля - форма пламени начинает меняться.

Дело в том, что пламя свечи имеет довольно высокую температуру - около 800 градусов по Цельсию. Этой температуры хватает, чтобы часть электронов оторвалась от атомов, то есть, газ частично ионизировался. Так изначально незаряженный набор атомов разваливается на набор положительных и отрицательных зарядов и становится плазмой.
Эти заряды активно взаимодействуют с внешним электрическим полем, что приводит к 'сдуванию' пламени.

P.S. По всем вопросам - Alexjuriev3142@gmail.com