2.2.Молекулярные явления

Молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Задачи молекулярной физики решаются методами физической статистики, термодинамики и физической кинетики, они связаны с изучением движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела.

Наиболее интересными из этой группы являются биметаллы, термокапиллярный эффект, тепловые трубы.

Биметаллические пластинки - соединенные каким-либо способом две металлические полоски с различным коэффициентом теплового расширения. Они являются отличным преобразователем тепловой энергии в механическую. Использование эффекта различного расширения у различных металлов позволило создать тепловой диод.

Термокапиллярный эффект - зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя. Эффект объясняется тем, что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому при различии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания, которая пропорциональна градиенту поверхностного натяжения жидкости. В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке. Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например, поверхностно-активных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение, жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем, как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева, а также от температуры испарения какого-либо компонента.

Среди новых теплообменных систем важное место занимают тепловые трубы. Один из простых вариантов тепловой трубы - это закрытый металлический цилиндр; его внутренние стенки выложены слоем пористо-капиллярного материала, пропитанного легковоспламеняющейся жидкостью. Именно с движением этой жидкости связана теплопроводность трубы : на горячем конце жидкость испаряется и отбирает тепло; пары сами перемещаются к холодному концу - это нормальная конвекция. Здесь пары конденсируются и отдают тепло; образовавшиеся жидкость по пористому материалу возвращается обратно, к горячему концу трубы. Это замкнутый цикл, бесконечный круговорот тела и массы - никаких движущихся частей, в каком-то смысле вечный двигатель.

Тепловые трубы - непревзойденные проводники тепла, их даже назвали сверхпроводниками. Действительно, через тепловую трубу диаметром в сантиметр можно прогнать тепловую мощность порядка 10 киловатт при разности температур на концах трубы (это аналог разности электрических потенциалов на участке цепи) всего в 5⁰ С. Чтобы пропустить эту мощность через медный стержень такого же диаметра, на его концах нужен был бы перепад температуры почти 150 000⁰ С.

Тепловые трубы сейчас получили широкое применение. Их можно встретить в космической технике, в ядерных реакторах, криогенных хирургических инструментах, в системах охлаждения двигателей. В трубах может выполняться механическая работа за счет энергии движущегося теплоносителя. На их основе, например, создаются МГД-генераторы - теплоносителем в тепловой трубе может быть жидкий металл, и, если поместить трубу в магнитное поле, то в металле (на концах проводника) наведется электродвижущая сила. Тепловые трубы могут работать в очень широком диапазоне температур. Все зависит от давления внутри трубы и от применяемого теплоносителя.