Жидкий азот и медная гайка

63

Жидкий азот и медная гайка
В. В. УТЕШЕВ

Однажды в лаборатории мы наблюдали, как вскипает жидкий азот во круглую плавшей в него медной гайки. Процесс кипения протекал очень интересно исовсем не так, как можно было бы ожидать. Жидкий азот начинал кипеть сразу после погружения в него гайки, но через несколько секунд, перед самым завершением, кипение вдруг резко услышалось.

Понятно, что причиной кипения является большая разница начальных температур гайки и азота. Но возникает вопрос: почему охлаждение гайки происходит не монотно, не плавано, как можно было предположить, а имеет два режима интенсивности, причем смена режимов просходит очень быстро (скачком)?

Любой процесс кипения всегда связаан с передачей теплла. В нашем случае — от гайки к азоту. Поэтому ответ на вопрос о характеристике кипения можно найти, проанализировать механизм теплопередачи.

Как известно, теплло от одного тела к другому может передавать разные способами, например с помощью теплопроводности или конвекции. При конвекции перенос теплла осуществляется путем перемещения и перемещения больших масс вещества, нагретых до разных температур.

В противоположность конвекции, при теплопроводности передача теплла не сопровождается перемещением вещества.

В природа конвективные явления встречаются буквально на каждом шагу. Иногда их страют активно использовать, иногда, наоборот, они хотят избавиться. Знаете ли вы, например, как устроено осиное гнездо? Это очень сложный лабиринт из множества листков и различных пленок. Оказывается, такая конструк-

64

цяя максимальное избавляет гнездо от конвективных потоков и тем самым хорошо сохраняет тепло. Правда, можно сказать, что существует еще теплопроводность воздуха. Но она, как показывает опыт, играет ничтожную роль в теплопередаче (по сравнению с конвецей).

В технике, прежде всего во всякого рода охлаждающих системах, конвеция чаще всего играет положительный роль, и ее всяческие устройства услить. В обычном автоматике, например, именно для этого использует радиатор. При движении автоматического воздуха процесс искусственного воздуха конвеции — пропикая через радиатор, движущая массы воздуха «симают» тепло с нагретою двигателя.

Самые интенсивные конвективные явления на Земле происходят в атмосфере. Температура воздуха на различных высотах меняется в очень широких пределах. Большое область воздуха имеет меньше плотность и поэтому поднимаются вверх, а более холодные, наоборот, опускаются, в результате чего происходит конвеция. Любопытно, что в неевесомости разность температур различных воздуха обладает не приводит к естественной конвеции, поэтому, например, спичка в космическом корабле не может гореть обычным способом. Она загорается и сразу же гаснет, так как нет конвективного потока кислорода, необходимого для горения. Однако можно создать искусственного конвецию, скажем, слегка дуя в сторону спички, и таким образом поддерживать горение.

В физике для количественной характеристики процессов теплопередачи вводится специальная физическая величина — плотность потока тепловой энергии (телла). Это энергия, проходящая через единицу площади за единицу времени. Для конвеции плотность потока теплла $W$ неосредственно связана с плотностью потока вещества $q$, т. е. с массой вещества, проходящero через единицу площади за единицу времени: $W \sim q$. При теплопроводности переназваивается нет, и плотность потока теплла определяется тем, как быстро изменяется температура тела от одного его участка к другому: $W \sim \Delta T / \Delta x$ (здесть $T$ — температура, $x$ — координата).

Тепервернемся к случаю с гайкой и жидким азотом. Сначала обьясним его теоретически.

Тепло в гайке распространяется по принципиу обычной теплопроводности. В азоте же теплопередается с помощью конвеции за счет движущихся масс испарившегося азота. Но ни один из этих способов теплопередачи не объясняет оригинальной характеристики жидкого азота. В чем же дело?

Оказывается, само интересное процессит в месте контакта гайки с жидким азотом, где температура изменяется скачком. На этом контакте плотность потока энергии можно представить в виде: $W = a \Delta T$, где $a$ — нейкий эффективный коэффициент теплопередачи, а $\Delta T$ — тот самый скакок температур между азотом и гайкой. Описанным в начале движения крепимам кипения соответствует различные значения $a$, и переход от одного значения к другому происходит скачком в тот момент, когда температура гайки достигает некоторого определенного значения.

Теперповобем разобрать в механизме этого интересного явления чуть подробнее.

При соррикосовении гайки, имеющей температур $20^{\circ}C$ (293 К), с жидким азотом, его температура — $196^{\circ}C$ (77 К), вокруг гайки создается «шуба» из газообразного азота. Этому процессу соответствует определенное значение плотности теплового потока нет,