Беседы о физике и технике

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ЖИДКИЕ ГАЗЫ?

Получение жидкого гелия, кислорода и других веществ — важная задача холодильной промышленности, ведь эти вещества требуются современной науке и производству в огромных количествах.

Так, например, современные соленоиды из меди, создающие постоянные магнитные поля с индукцией 10–20 Тл, требуют для питания источники тока мощностью ~ 1 МВт — такой электростанции достаточно для освещения города с населением в несколько десятков тысяч жителей. Эти соленоиды имеют небольшой объем (всего десятки кубических метров), и если их не охлаждать, они могут расплавиться.

В последние годы получили широкое распространение сверхпроводящие сплавы для создания сверхпроводящих магнитов, позволяющих с очень малой затратой энергии получать сильные магнитные поля напряженностью до 8∙10⁷ А/м (100 кЭ).

В большом количестве жидкого кислорода нуждаются наша металлургия, космонавтика и другие области техники, а также различные научные лаборатории.

Следует особо отметить, что основой прогресса в экспериментальном исследовании металлов явилась возможность получения очень чистых металлов, длина свободного пробега электрона в которых достигает нескольких миллиметров. Таких чистых материалов все больше требуется для нашей промышленности. А их получение связано с физикой низких температур.

Интенсивное развитие науки и техники низких температур существенно поможет решению современных проблем научно-технического прогресса.

4. Осмос наоборот и мембранная технология

Осмос, осмотическое давление — эти слова, а также смысл, заложенный в них, известны многим. Однако что такое обратный осмос? И что же такое мембранная технология, о которой в последнее время так часто упоминается в периодической печати?

Осуществление комплекса мероприятий по совершенствованию технологии производства — одна из важнейших задач перестройки нашей экономики. Перестройка экономики включает в себя широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий, позволяющих многократно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.

К числу таких принципиально новых технологий, внедряемых в народное хозяйство, относится и мембранная технология.

О том, что такое мембранная технология, каковы ее физические основы, какие проблемы решают ученые и инженеры по широкому внедрению этой новой технологии в практику, и пойдет речь в этой беседе.

И ВСЕ ЖЕ СНАЧАЛА ИМЕЕТ СМЫСЛ СКАЗАТЬ, ЧТО ТАКОЕ ОСМОС.

Еще в 1748 г., перегородив воду и спирт пленкой из бычьего пузыря, аббат Нолле заметил, что вода проникает через эту перегородку и смешивается со спиртом.

Это явление в дальнейшем получило название осмоса, что в переводе с греческого означает толчок, давление. Осмос — диффузия вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель либо же два раствора различной концентрации.

Если мы погрузим в воду плотно закрытый целлофановый пакет с водным раствором высокомолекулярного вещества, например какого-либо белка, молекулы которого больше размеров пор в стенках пакета, то вода начнет диффундировать внутрь пакета и он начнет раздуваться.

При очень высокой концентрации белка стенки пакета могут даже разорваться. Если же внутри пакета находится раствор низкомолекулярной соли, то она диффундирует во внешний объем до выравнивания концентраций. Аналогичные опыты с различными полупроницаемыми пленками или перегородками можно воспроизвести не только в лабораторных, но и в домашних условиях с растворами солей или сахара.

Заметим, что пленки или перегородки получили названия мембран. Они в настоящее время широко используются в лабораторной и промышленной технике. Отсюда и появились мембранные техника и технология.

Многочисленные эксперименты, поставленные в разное время, свидетельствуют, во-первых, о том, что установление направленного потока растворителя в раствор приводит к возникновению осмотического давления. Во-вторых, значение этого давления зависит от природы растворенных веществ, их концентрации и температуры.

ЕСЛИ ЕСТЬ ДАВЛЕНИЕ, ЗНАЧИТ ЕГО МОЖНО И ИЗМЕРИТЬ?

Осмотическое давление измеряют осмометрами, т. е. специальными приборами, весьма разнообразными по конструкции.

Схема одного из них представлена на рис. 17.

Рис. 17. Схема осмометра

Здесь камера А, заполненная чистым растворителем, и камера Б, заполненная раствором, разделены полупроницаемой мембраной М. Уровень жидкости в камерах измеряется соединенными с ними трубками а и б.

Значение осмотического давления может быть определено как р = ρgh, где h — разность уровней в трубках а и б; ρ — плотность растворителя, g — ускорение силы тяжести в том месте Земли, где идет эксперимент. Следовательно, определение осмотического давления может быть осуществлено двумя методами: статическим (используя вышеприведенную формулу избыточного гидростатического давления по значению h) и динамическим.

Этот метод предусматривает подведение к трубке а такого внешнего давления, которое необходимо для поддержания одинаковых уровней в обеих трубках. Отсюда следует, что осмотическое давление может быть определено как такое внешнее давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы процесс осмоса прекратился.

Теория показывает, что для достаточно разбавленных растворов осмотическое давление р может быть определено из закона, установленного голландским химиком Дж. Вант-Гоффом (1852–1911):

р = nkT, где n — концентрация молекул растворенного вещества; k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура.

Этот же закон может быть представлен и в другом виде:

р = CRT.

Здесь С — молекулярная концентрация раствора, R — универсальная газовая постоянная.

КАКОВА МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОСМОСА И ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ?

Как вы уже могли догадаться, она вытекает уже из самого определения осмоса как диффузии растворителя.

Действительно, если по обе стороны мембраны находятся отсеки с чистой жидкостью, то число молекул, проходящих в обе стороны, одинаково и между обеими порциями растворителя устанавливается статистическое равновесие. Если же в одном из отсеков находится раствор, то число молекул растворителя, попадающих за единичное время на мембрану со стороны раствора, окажется меньше, чем со стороны чистого растворителя. Равновесие в этом случае нарушится и молекулы растворителя начнут перекачиваться в отсек с раствором.

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ОСМОС В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ИЛИ ТОЛЬКО В ЛАБОРАТОРНЫХ ПРИБОРАХ?

Осмос и осмотическое давление играют огромную роль в процессах жизнедеятельности, в частности в явлениях распределения воды. Животные и растительные клетки представляют собой в сущности микроскопические осмотические системы. Осмотическое давление в клетках растений составляет 500—1000 кПа, а осмотическое давление крови человека — 746–776 кПа.

Падение осмотического давления в живых клетках (например, при обезвоживании организма) приводит их к сжатию (коллапсу), и, наоборот, обессоливание организма может привести к неравновесному разбуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Так, при сильных кровотечениях наступающий шок обусловлен не собственно потерей крови, а резким падением осмотического давления и сужением сосудов. Поэтому для восстановления осмотического давления и устранения шока пострадавшим от потери крови вводят инертные высокомолекулярные заменители вместо плазмы крови.