Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
достаточно большой радиус для того, чтобы пар в пузырьке не был слишком
сильно пересыщен и давление со стороны стенок пузырька не было слишком
велико. Таким нечто может быть, например, порошок мела. Отдельные частицы
порошка являются теми "зародышами", вокруг которых образуются пузырьки
пара. Поэтому при бросании щепотки мела в перегретую воду возникает
бурное кипение, напоминающее взрыв. Этим нечто, дающим начало образованию
пузырьков жидкости, могут быть, например, ионы. Это обстоятельство
используется для регистрации путей заряженных частиц.
Оценить максимально допустимый перегрев жидкости можно следующим образом.
Прежде всего надо задать максимальные радиусы г пузырьков, которые могут
образовываться на зародышах жидкости. По формуле (35.3) находим давление,
которое должен иметь этот пар, чтобы быть насыщенным внутри пузырька,
причем, поскольку плотность насыщенных паров при температуре кипения
много меньше плотности жидкости, эту формулу можно взять в виде Ар =
2арп/(Ярж). Учитывая, что V2< V, по формуле Клапейрона - Клаузиуса,
находим допустимый перегрев жидкости:
АТ= TV, Ap/L.
Подставляя в эту формулу табличные значения величин, находим, что ДТ" 0,5
К для г - 0,1 мм = 1СГ4 м. Аналогично можно оценить повышение температуры
кипения жидкости с глубиной:
АТ = TV1 Ap/L = Тд Ah/L.
Отсюда следует, что АТ/Ah"0,03 К/см, т. е. в чайнике на глубине 10 см от
поверхности воды температура кипения больше примерно на 0,3 К, чем на
поверхности.
Пузырьковые камеры. Если через перегретую жидкость пролетает заряженная
частица, то она на своем пути ионизирует атомы жидкости. Ионизированные
18*
276 4. Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости
атомы становятся "зародышами", вокруг которых образуются пузырьки
насыщенного пара. Другими словами, перегретая жидкость вскипает вдоль
траектории движения заряженной частицы, благодаря чему траектория хорошо
видна и может быть сфотографирована.
Эти фотографии позволяют изучать движение частиц в различных полях, их
взаимодействия и т.д. В экспериментальных исследованиях элементарных
частиц в качестве жидкости используется обычно жидкий водород. Из
изложенного ясно, почему такого рода приборы для исследования траекторий
заряженных частиц называются пузырьковыми камерами. Они играют очень
большую роль в исследованиях элементарных частиц. С их помощью обнаружено
большинство новых частиц и сделано много других важнейших открытий.
Переохлажденный пар. Насыщенный при некоторой температуре пар является
пресыщенным относительно более низкой температуры. Поэтому при понижении
температуры насыщенного пара часть его превращается в жидкость. Это
явление называется конденсацией. В обычных условиях пары воды
конденсируются во всем объеме пара в виде мельчайших капелек - тумана.
Однако если воздух, в котором находится насыщенный пар, достаточно хорошо
очищен от примесей, то при охлаждении пара не происходит превращения пара
в жидкость и возникает метаста-бильное состояние (см. § 32), названное
переохлажденным паром.
При охлаждении насыщенного пара образуются маленькие капельки жидкости.
Однако они не могут сколько-нибудь долго существовать, потому что
насыщенный пар, в котором они образуются, является ненасыщенным для
выпуклой поверхности капелек (см. рис. 83, в). Поэтому жидкость капелек
немедленно испаряется и капельки исчезают. Для начала процесса
конденсации надо обеспечить существование такой ситуации, чтобы с самого
начала могли образовываться капельки жидкости достаточно большого
радиуса, для которых пар не явился бы сильно ненасыщенным. Для этого
необходимо наличие зародышей конденсации. В этом отношении ситуация
совершенно аналогична перегретой жидкости. Такими зародышами могут быть,
например, ионы, пылинки, микроскопические организмы, находящиеся в
воздухе, и т. д.
Камера Вильсона. Заряженная частица на своем пути в переохлажденном паре
ионизует молекулы пара. Ионы становятся центрами конденсации, вокруг
которых образуются капельки жидкости. Благодаря этому вдоль траектории
частицы образуется туман и траектория становится видимой. Это позволяет
исследовать заряженные частицы, их взаимодействие и т. д. Такие приборы
называются камерами Вильсона. Они сыграли большую роль в научных
исследованиях элементарных частиц.
Почему ионы становятся зародышами конденсации? Это обусловлено балансом
энергии конденсации, поверхностной энергии и кулоновской энергии.
Молекулы воды обладают большим дипольным моментом. Они окружают
заряженный ион, ориентируясь по направлению к нему противоположным
зарядом своего диполя. Образующийся в результате такого построения
агрегат вне себя действует как заряд иона, в результате чего происходит
присоединение следующего слоя молекул и образуется растущая капелька
воды. Энергия этой капельки зависит от радиуса и слагается из трех
частей: поверхностная энергия ?пов = 4лг2а, где а - поверхностное
натяжение; электрическая энергия кулоновского поля капли Еэл =
