Инженерные знания

Одно время в магазинах аля "супер-пупер товары за 100 рублей" активно продавались стельки с подогревом. Для получения тепловой энергии использовался вовсе не электрический ток. Стельки нужно было предварительно варить в кастрюле. Но для чего?

Как вы наверняка помните, кристаллизация всегда сопровождается выделением энергии, а плавление - поглощением энергии.

Внутри волшебных стелек находился специальный состав, который плавился при повышении температуры (варке в кастрюле) и кристаллизовался с выделением тепла при появлении центра кристаллизации. Центр кристаллизации формировался с помощью обычной батарейки. Получалась этакая обратимая грелка. Эта группа материалов, которым заполняли стельки, называется материалами с фазовым переходом.

Принцип действия материала с фазовым переходом основан на его способности поглощать или выделять большое количество скрытой теплоты в процессе фазового перехода (из твердого в жидкое или наоборот) при постоянной температуре.

Удивительно, но вокруг нас примеров таких материалов очень много. Например к ним относятся парафин и стеариновая кислота. Скажу больше - практически любой материал подходит для использования в качестве материала с фазовым переходом 🤪. Проблема лишь в том, что далеко не для всех материалов или веществ мы можем работать с приемлемым диапазоном температур.

Принцип работы материала с фазовым переходом можно описать следующей схемой:

🔹 "Зарядка" (или поглощение тепла). На этом этапе материал с фазовым переходом подвергается воздействию источника тепла или среды с более высокой температурой. Структура жадно поглощает тепловую энергию. Если материал уже кристаллизован, то по мере повышения температуры происходит фазовый переход от твердого состояния к жидкому. Во время этого перехода поглощается значительное количество тепловой энергии. Эта энергия называется скрытой теплотой. Для этого стельки и варили в котле.

🔹 Нахождение в бездействии. Материал, накопивший энергию, может храниться в таком виде долгое время. Для того, чтобы запустить обратный процесс, требуется или создать центр кристаллизации или же создать подходящие условия. Иногда такими условиями моет считаться простое охлаждение.

🔹 Разрядка (отдача тепла). При некотором внешнем воздействии расплав начинает кристаллизоваться. Это сопровождается выделением тепла, как и любая кристаллизация. Пока материал перестраивает структуру, объект нагревается. Во время этого процесса (процесса смены фазы) высвобождается накопленная скрытая тепловая энергия. Пока происходит кристаллизация выделяется тепло.

На первый взгляд можно подумать, что это баловство и дальше грелок для ног технология вряд ли пойдет. Но на практике к этой группе материалов появился огромный интерес.

Например, если использовать его в качестве утепления для домов, то это может оказаться очень полезным в некоторых регионах на нашей планете.

Возьмем, например, пустыню. Там очень холодно по ночам, но днем температуры невыносимые. Если построить в пустые дом и теплоизолировать его материалом с фазовым переходом, то днём он будет накапливать тепловую энергию, которой в это время там настоящее изобилие, а ночью энергия будет отдана обратно. Такая хитрость позволит исключить использование нагревателей и расход энергии.

Серьезным сдерживающим фактором тут могла бы быть специфика поведения самого материала. Ведь когда он жидкий, то для его хранения требуется некоторая емкость. В случае стелек, про которые мы уже воспоминали, это был отсек, напоминающий грелку, в котором находилась жидкость и вместе с которым вся система варилась на плите. В случае кофейных чашек с подогревом делалась емкость с двойными стенками. Но если сделать, например, кирпич с двойными стенками или просто расположить такой материал внутри емкости, то ничего хорошего из этого не получится.

Но проблема была решена несколько лет назад. Ученые научились делать композиты, содержащие отсеки для материалов с фазовым переходом с помощью 3D-принтера без потери их основных свойств. Представьте себе, что внутри бетона будут содержаться герметичные сферы, в которых расположен такой материал. Он сможет работать в обычном режиме.

👉 Не забывайте подписываться на Telegram-канал моего проекта! Узнаете ещё больше интересного по теме.

Не сложно догадаться, что своё название нейтронные звезды получили из-за того, что преимущественно они состоят из нейтронов. Правда в их состав входят и другие субатомные частицы (протоны и электроны), но нейтронов значительно больше.

Частенько материал, из которого преимущественно состоит нейтронная звезда, называют нейтронием. Это материя...Ну если говорить по-материаловедчески...из ничего! Из нейтронов, которые по всей логики не должны были бы объединяться в материал.

Однако, из этого "ничего" вполне получается целое тело. Некоторая часть нейтронов связана в ядре, а остальная часть удерживается невероятной собственной гравитацией рядом друг с другом. Помимо этого есть и магнитные поля, которые влияют на внешний слой из плазмы, но про устройство самой нейтронной звезды поговорим как-нибудь отдельно.

Термин "нейтроний" для описания материала нейтронной звезды перестал употребляться в научной литературе уже с 1950-х годов и остался только этакой фантастической сущностью. Однако ещё в 1920-х он присутствовал как элемент номер 0 в периодической системе элементов и был введен химиком Антроповым. Кстати, про нулевой элемент будет интересно прочитать вот эту статейку. Правда не нужно путать Нейтроний и Ньютоний 😆

Сегодня материал нейтронной звезды уместно называть электронно-вырожденной материей.

Теперь самое интересное. Как может выглядеть "кусок" такой материи? Если бы можно было взять в руки образец материала из нейтронов, какие бы у него были физические свойства?

Представить себе существование электронно-вырожденного материала при нормальных условиях весьма сложно. При таких давлениях и температурах не совсем понятно, как можно удерживать нейтроны рядом друг с другом. Сами же нейтронные звезды визуально должны напоминать гигантские металлические сферы и визуально обладать аналогичными свойствами.

Нейтроны для "физиков с Земли" не являются чем-то невероятным. Многие процессы, происходящие на Земле, могут оставить нейтроны без привычных частиц-компаньонов (протонов).

Теоретически, в Земных условиях, нейтроны должны вести себя как инертные газы.

В достаточных количествах они должны быть по сути бесцветными, как гелий или аналогичный газ и образовывать облака. Это означает, что никакой "кусок" нейтронной материи взять в руки просто не получится. Если не оказаться с ним в подходящих для его существования условиях...

Вырожденная материя уникальна тем, что ее давление лишь частично определяется температурой. Это противоречит стандартной картине, где давление и другие термодинамические параметры тесно связаны друг с другом. Давление в нейтронной материи фактически останется, даже если температура материи понизится до абсолютного нуля.

В научно-популярных источниках есть информация, что в лабораторных условиях действительно наблюдались доказательства существования трех «изотопов» нейтрония: мононейтронов, динейтронов и тетранейтронов. Есть ещё гипотетические четвертый и пятый вид. Это тетранейтроны и пентанейтроны.

• Мононейтрон - это единичный один нейтрон с периодом полураспада около 10 минут, который появляется в результате бета-распада на протон (ядро водорода), электрон и антинейтрино.

• Динейтрон - это два нейтрона рядышком. Они не связаны друг с другом, как протоны и нейтроны. Исследователи предполагают, что динейтроны могут возникать в кратковременных резонансных состояниях трития.

• Тринейтрон - будет состоять из трех связанных нейтронов, но такая система будет настолько термодинамически нестабильной, что существование тринейтронов маловероятно.

• Тетранейтрон состоит из четырех связанных нейтронов. Тетранейтрон на самом деле может быть парой связанных динейтронов, образующих молекулу, а не изотоп. Но ни то, ни другое пока не видели. Это чисто гипотетически материал.

• Пентанетрон - состоит из пяти связанных нейтронов и есть пока только в умах ученых. Ученые рассчитали потенциальную стабильность пятинейтронного кластера, и технически это может быть возможно.

Кстати говоря, полезно узнать, что металлический водород получен по логике формирования нейтронной материи.

👉 Обязательно подписывайтесь на Telegram проекта. Там ещё больше тематической интересной информации, которую я больше не выкладываю нигде.

Оказывается, далеко не все стальные детали можно закаливать. Существует стереотипное мнение, что раскали буквально любую железяку до красного каления, опусти её в воду и получишь гарантированное упрочнение. Но нет! Ответ кроется в правильном определении термина "закалка". Но, обо всём по порядку.

Процесс упрочнения детали с помощью закалки гораздо более интересен и многогранен, чем это кажется на первый взгляд. Существует огромное количество особенностей, о которых знают далеко не все. И одну из них мы сейчас разберем.

Речь пойдет про невозможность закаливания сталей, содержащих в составе углерода меньше, чем 0,3%. Точнее как..."Невозможность" тут слово явно лишнее. Что-то произойдёт в той или иной форме, но полноценного упрочнения не будет.

Немножко основных знаний

Мы помним, что закалкой называется процесс упрочнения материала, который заключается в нагреве образца до критической температуры и его последующего охлаждения с установленной скоростью.

В образце может происходить перестроение одной решетки в другую (закалка с полиморфным превращением), а может просто фиксироваться имеющаяся структура (закалка без фазового превращения, но со старением).

В случае, когда полиморфное превращение происходит, упрочнение достигается за счёт формирование "особенной" напряженной структуры в образце. Углерод при резком охлаждении начинает ерзать по внутреннему пространству и формирует мартенсит. Это как уменьшать клетку, в которой сидит кошка. Процесс тут бездиффузионный, т.е. скорость его огромная. За это время кошка углерод не успевает "выбегать из клетки". Система сжимается, а он её распирает, формируя механические напряжения и упрочнение.

Во втором случае упрочняющим фактором является или выделение дополнительной фазы, которая в результате распадётся диффузионным путем, или старение, которое, в общем-то, имеет тот же смысл.

Условия формирования упрочнений

Остановимся сейчас на закалке с превращением, которая свойственна для сталей. Из сказанного выше следует, что для появления упрочнения при проведении закалки нужно соблюдать следующие факторы:

• В стали должен быть углерод, причем достаточное его количество

• Нужно соблюдать такую скорость закалки, чтобы клетка сжималась раньше, чем оттуда успеет вылезти кошка. Мы помним, что кошка=углерод, а клетка=структура стали

• Нужно, чтобы образовавшееся упрочнение не "портилось" от естественных диффузионных процессов

Давайте посмотрим, почему не получится закаливать стали, если углерода в них меньше 0,3%.

Углерод в них, вроде бы, и есть. Понятно, что чистое железо не закалится, потому что будь в нём хоть тысяча перестроений решетки, не будет углерода внутри, который организует пересыщенный твёрдый раствор внедрения.

Примерно также будет, если углерода слишком мало. Даже если и удастся "прижать" его решеткой, которую он потом будет упрочнять изнутри, нужно делать это очень быстро. Примерно как ловить таракана сачком. И тут ещё интересный базовый момент.

Невозможно на практике организовать такую охлаждающую среду, которая позволит стали охлаждаться со скоростью, быстрее критической.

Если углерода меньше, то нам нужно имеющиеся атомы углерода, успеть "прижучить" деформацией решетки. Но превращение должно быть очень быстрым, что не позволит углероду перемещаться в следствие диффузионных процессов.

Если взять стали, в которых углерода содержится 0,3% и меньше, то тут мы и встречаемся с этой проблемой. В теории их возможно закалить, потому что превращение решетки происходит. Но углерод не образует перенасыщенный твёрдый раствор, потому что его мало и потому что охладить так быстро железяку стандартными способами физически невозможно (не рассматриваем всякие бустеры типа жидкого азота).

Когда образец тонюсенький, в нем успевает образоваться нужная структура и процесс закалки происходит. Но образцы толщиной даже с десяток миллиметров уже не успевают охлаждаться достаточно быстро для полноценного мартенситного превращения.

Аустенит при охлаждении частично или полностью будет распадаться на смесь, которая практически соответствует по механическим свойствам исходной структуре.

Выходит, что далеко не каждую сталь можно закаливать.

Ну и ... приглашаю почитать интересные эксклюзивные статьи и заметки в Telegram-канал моего проекта.

А тут я рассказываю про специфику научного познания и про то, как делать изобретения.

Никого не удивить тем, что при нагревании размеры физических тел увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Это прописная истина, которая откладывается в сознании, начиная с первых уроков физики.

Но не нужно стараться искать универсальные решения. Так происходит далеко не всегда. Есть материалы, которые обладают весьма странной особенностью. При охлаждении они увеличиваются в объеме и ломают тем самым уставившиеся стереотипы о свойствах всех материалов.

Самое интересное, что мы регулярно сталкиваемся с такой аномалией на практике. Только вот значения этим наблюдениям не придаем.

Вспомним про... самую обычную воду. Замерзая в трубе или любой посудине, она вполне может разорвать эту емкость в клочья. Наверняка каждый из вас хотя бы раз оставлял воду в банке в морозилке или какие-то продукты в банке с жидкостью на даче в мороз. Скорее всего вы наблюдали когда-нибудь разрыв трубы из-за её промерзания и прочие шутки от природы

Почему вода разрывает емкость при замерзании

Объяснение тут простое - лёд имеет больший объем, чем исходная вода. При остывании воды всё идёт по стандартной схеме до некоторой критической точки.

В этой точке плотность, которая сначала равномерно увеличивалась вдруг начинает уменьшаться. В итоге лёд занимает больше места, чем занимала сама "исходная" вода. Это называется температурная аномалия плотности.

Температурная аномалия плотности

Если сильно упростить логику процесса - специфическая конструкция кристаллической решетки материала этой группы (подверженной аномалии) такова, что при затвердевании расстояния между атомами оказываются большим, чем это обычно бывает в стандартных случаях. В итоге объем при кристаллизации увеличивается.

Можно тут провести занятную аналогию с коробом спичек. Пока спички в коробке, они занимают совсем немного места. Как только мы выкладываем из спичек фигуру, её площадь оказывается большей, чем размер коробка. Мы всего лишь выстроили конструкцию из спичек и упорядочили её. Аналогичным образом это происходит и здесь. Пока атомы находятся в общей каше, объем каши меньше, чем когда нужно выстраивать слаженную конструкцию.

У каких веществ ещё встречается такая аномалия?

Оказывается, таких веществ существует целая группа. Низкотемпературная аномалия плотности встречается у сурьмы, висмута, галлия, германия, лития, плутония, кремния, теллура, а также в некоторых сплавах. Наиболее известен из сплавов с аномалией - сплав Вуда.

Существование таких веществ - целый плацдарм при конструировании множества изделий. Мы везде использовали формулировку "низкотемпературная аномалия плотности". Но есть ещё и "высокотемпературная аномалия плотности". Это противоположное явление. Материал уменьшается в объеме при нагревании. Причина такая же и заключается она в специфической конструкции кристаллической решетки, которая формируется в результате.

Как можно использовать температурную аномалию плотности?

Инженеры активно используют аномалии плотности и объединяют "классические вещества" с веществами, которые увеличиваются в объеме при охлаждении. Объединять такие вещества не обязательно механически. Часто материаловеды делают композитные материалы или многофазные материалы другого типа, где наличие одной только фазы с аномалией в структуре позволяет нивелировать отрицательное воздействие теплового расширения.

Самый интересный пример - варочная панель из стеклокерамики. Сделайте панель с такими же размерами из материала, состоящего только из стеклофазы (или из самого обычного стекла). Температурный градиент будет значителен и термические трещины из-за неравномерного расширения поверхности гарантированы. Но варочная панель работает и не ломается.

В структуре стеклокерамики у варочной панели имеется фаза, которая нивелирует общие расширения благодаря своей температурной аномалии. В итоге внутри материала не возникают механические напряжения. Вместе с общим расширением одной части, происходит и сужение другой части.

Помимо варочной панели, нулевое температурное расширение имеют и материалы, используемые для изготовления многих инструментов. Очень удобно, чтобы диаметр сверла в высокоточных производствах всегда был одинаковым. Конечно же, можно учитывать и линейное расширение или сужение, и закладывать это в технологический процесс. Но гораздо правильнее, чтобы размер самого инструмента оставался всегда одинаковым, а этого можно достичь при использовании материала с нулевым температурным коэффициентом.

Ну и традиционно, если вам хочется больше узнать про физику, материалы и вы интересуетесь техническими науками, то приглашаю вас к себе на канал за эксклюзивами.

Все, кто следят за моим проектом, уже знают, что цель - сделать науку интересной и понятной для всех. Даже далекий от науки и имеющий посредственное образование человек, должен посмотреть мой ролик или прочитать статью и задуматься о том или ином физическом вопросе. Вдохновиться идеей и возжелать ступить на путь познания. Звучит как начало рассказа в жанре фэнтези 😀.

Задача тут даже не дать исчерпывающие знания по конкретному вопросу, а показать, что есть интереснейшие глубокие темы, и что ученые - это не просто дядьки с бородами.

Идея проекта появилась спонтанно. Поскольку сам я защитил диссертацию и долгое время проработал в научных учреждениях, мне было очень даже понятно, по какой причине детям не нравятся уроки физики, а студенты с радостью прогуливают лекции. Мне хотелось это изменить и показать то, как науку вижу я сам и люди, которые меня окружают.

Ученикам обычно просто не рассказывают, что интересного есть в науке. Не демонстрируют ценности этих знаний и не показывают, что за строчками в учебнике находится целая Вселенная. Это какой -то массив бесформенных данных, не имеющих ничего общего с реальной жизнью.

Уроки физики превращаются в потерянное время. Такое ощущение, что цель - не донести ценность знания до ученика, а сделать этакий срез стандартных знаний по шаблону. Примерно как штамповка сковородок. Проблема образования вообще очень серьезная. Но мы сейчас не совсем об этом.

Похоже, что далеко не все преподаватели сами интересуются своей же областью знаний и не все понимают, а что же тут такого интересного может быть. Многие ключевые вопросы ученикам вообще не раскрываются, а потому и кажется, что "вам втирают какую-то дичь".

К пониманию того, что физика - это очень интересно, я тоже пришёл далеко не сразу. Когда-то я пошёл в технический ВУЗ на инженерную специальность. Направление выбирал просто. На момент выбора специальности я активно катался на горном велосипеде и меня всегда интересовал вопрос, как правильно выбрать раму и стоит ли серьезно воспринимать мифы с форумов о том, что алюминиевые детали ломаются зимой от холода. При этом у меня всегда была склонность именно к техническим инженерным дисциплинам. Так я и совместил физику и желание узнать специфику строения металла.

Поскольку я занимался материаловедением, то в процессе изучения дисциплины стали появляться вопросы, которые подразумевали поиск реальной причины поведения того или иного материала.

Уже после защиты диссертации и работая в НИИ чистых реактивов, я задумался над реальной причиной формирования одного из конкретных свойств материала. Не по принципу, что "так оно и есть", а с ответом на вопрос "почему". А тут ещё и ЦЕРН начал проводить небезызвестные эксперименты. И я понял, что...Материя может делиться неограниченно долго и вся стандартная теория из школы попахивает чем-то типа...сильного упрощения.

В добавок ко всему, мне удалось поработать с очень хорошими преподавателями и настоящими учеными. Многие из них были членкорами РАН и имели за плечами ни одно серьезное открытие. Людьми, как их называют, старой школы. По фамилиям, скорее всего, перечислять всех не очень уместно.

На тот момент они ещё продолжали работать и в НИИ, и в универе. Я искренне рад, что у меня был такой опыт и это во многом заложило интерес к науке.

Это вдохновленные светлые люди. Доброжелательные, интересные, миролюбивые, всегда старающиеся помочь, рациональные и и главное(!) думающие. У них всегда загорались глаза при обсуждении их дисциплины. Помню спросил однажды, каким цветом светится празеодим, у пожилого рентгенщика. Он выдал мне целую лекцию про зеленое свечение и специфику образования света. Если сравнить такое объяснение с пресным школьным уроком, то...даже писать не буду.

Но, вернёмся к основной теме. Попытавшись вникнуть в вопрос строения материала глубже, я оказался в царстве квантовой физики. На первый взгляд она похожа на что-то типа научной фантастики и невероятно интересна. Есть надежда, что эти знания ответят на вопросы "почему". И тут я подумал...А почему бы не рассказать в школе, что материя - это в некоторой степени энергия? А почему бы не рассказать ученикам, что магистр Йода и идея силы - это не такая уж и фантастика? Что "невероятное" порой имеет вполне себе научной объяснение?

Я понял, что вся эта ценнейшая информация просто не доносится до учеников. Именно то, что интереснее всего. И как раз этого нет.

Примерно за год я узнал гораздо больше, чем за годы обучения. Например, что отражение света описывается на уроках не совсем так или что эффект невесомости на космической станции на орбите связан не с силой тяготения.

Каждая тема заиграла новыми красками, а главное - сформировалось понимание большинства тем, которые вызывали вопросы и в школе, и в институте. Что в физике есть парадоксы и что наука не всегда способна ответить на тот или иной вопрос.

Например, непонятно из чего состоит пространство или чем является время. Отправной точкой стал мой ролик про то, что физики не знают, из чего состоит материя. Там я понял, что материю можно делить на кванты сколько угодно, но ответа на вопрос "что это такое" мы так и не найдем.

На тот момент я уже начинал вести свой проект. Сначала предполагалось, что тематика будет связана только с моим основным профилем и разбирать мы будем специфику инженерных дисциплин. Там, поверьте мне, тоже не паханое поле. В том же материаловедении настолько много интересных моментов, что вы даже и представить себе не сможете. В стандартной физике тоже множество сложных вопросов. Например...А ответьте-ка мне "Что такое электрический ток" 😀 А знания эти сегодня больше нигде не публикуются. Так и появилось название "Инженерные знания".

Позже я понял, что в основе любых инженерных знаний лежит именно физика. Причем, порой уместно рассматривать даже квантовую физику и изучать квантовые эффекты, как первопричину того или иного явления. И для того, чтобы создать, например, емкий аккумулятор, нужно изучить эффект сверхпроводимости. Да и возможность телепортироваться инженеру точно не помешает 😀... Можно сказать, что это невозможно, а можно изучить всю суть и глубину вопроса с научной точки зрения и попытаться найти ответы.

Так "Инженерные знания" стали посвящены загадкам физики и интересным вопросам, на которые порой у науки нет ответа.

Но без знаний основ физики, без понимания стандартной модели всё это не совсем-таки логично. Поэтому, я вижу дальнейшее направление развития проекта в таком гибридном стиле.

Ну а этот пост просто посвящен тому, чем я занимаюсь и описывает идею проекта. Учитесь и познавайте мир. Старайтесь размышлять и думать. Развивайте себя и посвящайте время интеллектуальному развитию.

⚡ Было бы странно, если бы я не оставил тут ссылки на странички моего проекта. Подписывайтесь и давайте познавать науки вместе!

🔹 Основной канал проекта "Инженерные знания" в Telegram

🔹 Тут можно задать вопрос по физике. Например, спросить как работает отражение света

🔹 Тут можно задать вопрос через донат и получить на него ответ в первую очередь и поддержать развитие проекта (это очень даже не лишнее)

🔹 Тут можно посмотреть мои научно-популярные ролики

Буду рад новым друзьям, подписчикам, читателям и просто людям, которые хотят развивать свой интеллект и познавать мир посредством физики.