Nitơ lỏng và đai ốc đồng

63

Nitơ lỏng và đai ốc đồng
V.V. UTESHEV

Khi ở trong phòng thí nghiệm, chúng tôi đã quan sát thấy nitơ lỏng sôi lên thành một đai ốc đồng tròn trôi nổi trong đó như thế nào. Quá trình đun sôi diễn ra rất thú vị và không hề như người ta mong đợi. Nitơ lỏng bắt đầu sôi ngay sau khi hạt được ngâm vào đó, nhưng vài giây sau, ngay trước khi hoàn thành, đột nhiên nghe thấy tiếng sôi rõ rệt.

Rõ ràng nguyên nhân sôi là do chênh lệch lớn về nhiệt độ ban đầu của hạt và nitơ. Nhưng câu hỏi đặt ra: tại sao đai ốc nguội đi không đơn điệu, không êm ái như người ta tưởng mà lại có hai chế độ cường độ và sự thay đổi chế độ diễn ra rất nhanh (trong một bước nhảy)?

Bất kỳ quá trình sôi nào luôn gắn liền với sự truyền nhiệt. Trong trường hợp của chúng tôi - từ đai ốc đến nitơ. Vì vậy, đáp số khi hỏi về đặc tính sôi người ta có thể tìm và phân tích cơ chế truyền nhiệt.

Như đã biết, nhiệt từ vật này sang vật khác có thể được truyền theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như thông qua tính dẫn nhiệt hoặc đối lưu. Trong đối lưu, nhiệt được truyền bằng cách di chuyển và di chuyển những khối lượng lớn vật chất được nung nóng ở các nhiệt độ khác nhau.

Ngược lại với sự đối lưu, với sự dẫn nhiệt, quá trình truyền nhiệt không đi kèm với sự chuyển động của vật chất.

Trong tự nhiên, hiện tượng đối lưu xảy ra theo đúng nghĩa đen ở mọi bước. Đôi khi họ muốn tích cực sử dụng chúng, đôi khi ngược lại, họ muốn loại bỏ chúng. Ví dụ, bạn có biết tổ ong bắp cày hoạt động như thế nào không? Đây là một mê cung rất phức tạp gồm nhiều tờ giấy và nhiều bộ phim khác nhau. Hóa ra một thiết kế như vậy

64

Nhiệt độ tối đa làm tổ khỏi dòng đối lưu và do đó giữ nhiệt tốt. Đúng, chúng ta có thể nói rằng không khí cũng có tính dẫn nhiệt. Tuy nhiên, như kinh nghiệm cho thấy, nó đóng vai trò không đáng kể trong việc truyền nhiệt (so với đối lưu).

Trong công nghệ, đặc biệt là trong tất cả các loại hệ thống làm mát, đối lưu thường đóng một vai trò tích cực và tất cả các loại thiết bị đều tăng cường vai trò đó. Ví dụ, trong tự động hóa thông thường, bộ tản nhiệt được sử dụng cho mục đích này. Khi không khí tự động di chuyển, quá trình đối lưu không khí nhân tạo - chảy qua bộ tản nhiệt, các khối không khí chuyển động sẽ “thu” nhiệt khi làm nóng động cơ.

Các sự kiện đối lưu dữ dội nhất trên Trái đất xảy ra trong bầu khí quyển. Nhiệt độ không khí ở các độ cao khác nhau dao động trong giới hạn rất rộng. Một vùng không khí rộng lớn có mật độ ít hơn và do đó tăng lên, trong khi những vùng lạnh hơn thì ngược lại, rơi xuống, dẫn đến sự đối lưu. Điều gây tò mò là trong môi trường không trọng lực, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các không khí khác nhau không dẫn đến sự đối lưu tự nhiên, do đó, chẳng hạn, một que diêm trong tàu vũ trụ không thể cháy theo cách thông thường. Nó sáng lên và tắt ngay lập tức vì không có dòng oxy đối lưu cần thiết cho quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, bạn có thể tạo ra sự đối lưu nhân tạo, chẳng hạn như bằng cách thổi nhẹ về phía que diêm và do đó duy trì quá trình đốt cháy.

Trong vật lý, để mô tả một cách định lượng các quá trình truyền nhiệt, một đại lượng vật lý đặc biệt được đưa ra - mật độ dòng năng lượng nhiệt (nói). Đây là năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Đối với sự đối lưu, mật độ dòng nhiệt $W$ liên quan trực tiếp đến mật độ dòng chất $q$, tức là với khối lượng chất đi qua một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian: $W \sim q$. Với tính dẫn nhiệt, nó được đổi tên thành không và mật độ dòng nhiệt được xác định bằng tốc độ nhiệt độ của vật thay đổi từ bộ phận này sang bộ phận khác: $W \sim \Delta T / \Delta x$ (ở đây $T$ là nhiệt độ, $x$ là tọa độ).

Bây giờ chúng ta hãy quay lại trường hợp đai ốc và nitơ lỏng. Đầu tiên, hãy giải thích nó về mặt lý thuyết.

Nhiệt trong đai ốc được phân phối theo nguyên lý dẫn nhiệt thông thường. Trong nitơ, nhiệt được truyền bằng sự đối lưu do khối lượng nitơ bay hơi chuyển động. Nhưng không có phương pháp truyền nhiệt nào giải thích được các đặc tính ban đầu của nitơ lỏng. Có chuyện gì vậy?

Hóa ra quá trình thú vị nhất xảy ra ở điểm tiếp xúc của đai ốc với nitơ lỏng, nơi nhiệt độ thay đổi đột ngột. Tại tiếp xúc này, mật độ dòng năng lượng có thể được biểu diễn dưới dạng: $W = a \Delta T$, trong đó $a$ là hệ số truyền nhiệt hiệu quả nhất định và $\Delta T$ là cùng bước nhảy nhiệt độ giữa nitơ và đai ốc. Các chốt sôi được mô tả khi bắt đầu chuyển động tương ứng với các giá trị khác nhau của $a$ và quá trình chuyển đổi từ giá trị này sang giá trị khác xảy ra đột ngột tại thời điểm nhiệt độ của đai ốc đạt đến một giá trị nhất định.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét cơ chế của hiện tượng thú vị này một cách chi tiết hơn.

Khi một đai ốc có nhiệt độ $20^{\circ}C$ (293 K) được trộn với nitơ lỏng, nhiệt độ của nó là $196^{\circ}C$ (77 K), một “lớp áo” nitơ khí được tạo ra xung quanh đai ốc. Quá trình này tương ứng với một giá trị nhất định của mật độ dòng nhiệt không,