Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 26 Наноматеріали

Ви дізнаєтесь

- Про особливі різновиди речовин

Пригадайте

- Характеристики частинок речовин

Будова та властивості наноматеріалів. Основи нанотехнологій, як вважає значне число експертів, заклав лауреат Нобелівської премії Р. Фейнман у 1959 р. Відлік почався із засідання Американського фізичного товариства, де Р. Фейнман прочитав свою лекцію «Там, унизу, є багато вільного місця».

Що мається на увазі? Ідеться про проблему контролю й управління будовою речовини в інтервалі дуже малих розмірів.

Нанотехнології — міждисциплінарні технології, що розроблені для об’єктів із розмірами, меншими за один мікрон, і дають змогу проводити дослідження, маніпуляції та обробку речовин у діапазоні розмірів від 0,1 до 100 нанометрів.

Основою наноматеріалів є наночастинки, розміри яких у мільярд разів менші від 1 м, або в мільйон разів менші від 1 мм. Наночастинка у стільки ж разів менша від лінійки завдовжки 1 м, у скільки разів товщина пальця менша від діаметра Землі. Більшість атомів мають діаметр від 0,1 до 0,2 нм. Найменші молекули мають розмір близько 1 нм.

Наноматеріал — це не один «універсальний» матеріал, чи просто дуже дрібні («нано») частинки, а великий клас різних матеріалів. Сучасна наука класифікує такі види наноматеріалів: наночастинки; фулерени; нанотрубки та нановолокна; нанопористі структури (речовини); нанодисперсії; наноплівки; нанокристалічні матеріали. Прикладом наноматеріалів є вуглецеві нанотрубки (мал. 83, с. 118).

У 1991 р. японський учений Суміо Ііджима виявив довгі вуглецеві структури, які одержали назву нанотрубок. Нова молекулярна форма вуглецю відкрила цілу серію нових і несподіваних фізичних, механічних і хімічних властивостей. Ці унікальні властивості зробили нанотрубки ключовим елементом нанотехнологій. Нанотрубки можуть використовуватися для виготовлення молекулярних електронних пристроїв, нанотранзисторів й елементів пам’яті обчислювальних пристроїв. Вуглецеві нанотрубки набагато міцніші за графіт, хоча складаються з таких самих атомів Карбону. Ви вже знаєте, що в графіті атоми Карбону розташовані пошарово. Проте вам також відомо, що згорнутий у трубочку аркуш паперу набагато складніше зігнути й розірвати, ніж звичайний аркуш. Ось чому нанотрубки мають таку міцність. Завдяки унікальним механічним властивостям нанотрубок можна виготовляти вуглецеві матеріали надзвичайної міцності для автомобільної й аерокосмічної промисловості.

Ще однією формою з’єднання молекул вуглецю є фулерени, які являють собою опуклі замкнуті багатогранники, складені з парного числа атомів вуглецю (мал. 84). Своєю назвою ці сполуки зобов’язані інженеру та дизайнеру Річарду Фуллеру, чиї геодезичні конструкції побудовано за цим принципом.

Мал. 83. Схематичне зображення одношарової (ліворуч) та багатошарових (праворуч) вуглецевих нанотрубок

Мал. 84. Фулерени

Фулерен — винятково стійке з’єднання. У кристалічному вигляді він не реагує з киснем повітря, стійкий до дії кислот і лугів. Фулерен має змогу утворювати сполуки, використовуючи внутрішню порожнину вуглецевої кулі, діаметр якої достатній, щоб у ній міг розміститися атом металу чи невелика молекула. Отже, відкривається шлях до одержання хімічних сполук зовсім нового типу, де атом механічно утримується всередині замкненого середовища.

Одним з методів, що використовується для вивчення нанооб’єктів, є скануючо-зондна мікроскопія. За допомогою скануючо-зондного мікроскопа можна не тільки побачити окремі атоми, а й вибірково впливати на них, зокрема, переміщувати атоми по поверхні. Ученим уже вдалося створити двовимірні наноструктуры на поверхні, використовуючи цей метод. Наприклад, у дослідницькому центрі компанії з дослідження наноматеріалів, послідовно переміщаючи атоми Ксенону по поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти логотип компанії, використовуючи 35 атомів Ксенону.

Практичне використання наноматеріалів. У найближчі роки прогнозується прискорений розвиток нанотехнологій та виготовлення й використання нових наноматеріалів, що забезпечить істотні зміни в таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина та екологія (мал. 85).

Завдяки специфічним властивостям наночастинок наноматеріали перевищують «звичайні» за багатьма параметрами. Наприклад, міцність металу, одержаного за допомогою нанотехнологій, перевищує міцність звичайного в 1,5-3 рази, стійкість до корозії більша в 10-12 разів, крім того, такий метал є у 50-70 разів твердішим за звичайний.

Створення нанопорошків дозволить одержувати керамічні матеріали, надпровідники, сонячні батареї, фільтри та багато інших технічних засобів з новими фізичними та хімічними властивостями. Нанотехнології дають змогу створювати матеріали із самоочисними, водовідштовхувальними та іншими корисними властивостями.

Мал. 85. Використання наноматеріалів

Підбиваємо підсумки

- Наноматеріалами називають матеріали, основні фізичні характеристики яких визначаються властивостями нанооб’єктів, що містяться в них. Це кристалічні або аморфні системи, розмір частинок яких менший від 100 нм.

- Сучасна наука класифікує такі види наноматеріалів: наночастинки; фулерени; нанотрубки та нановолокна; нанопористі структури (речовини); нанодисперсії; наноплівки; нанокристалічні матеріали.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що означає частка нано?

2. Які особливості наноматеріалів?

ПОЯСНІТЬ

У чому, на вашу думку, полягає необхідність розвитку нанотехнологій?

Підсумки до розділу «Теплові явища Теплові машини та механізми»

Після вивчення розділу «Теплові явища. Теплові машини і механізми» вам стали більш зрозумілими ті природні та штучні явища і процеси, що пояснюються особливостями руху й взаємодії часток речовини, її внутрішньою будовою. Ваші знання теплових явищ і процесів будуть більш цілісними й операційними, коли ви навчитеся їх систематизувати, застосовувати загальні принципи, теорії, ідеї до аналізу конкретних питань і практичного втілення знань у конкретних життєвих ситуаціях. Особливо такі вміння стануть у пригоді в ситуаціях, коли вам потрібно буде діяти не за інструкцією, а шукати неординарні способи вирішення проблем.

1. Ви можете описати деякі фізичні характеристики речовини, що пояснюються тепловим рухом.

Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул.

Ви можете зауважити, що в таблиці подано не всі фізичні характеристики речовини, адже вам доводилося чути, що метали проводять електричний струм, а діелектрики — ні, що вода та скло прозорі й крізь них може проходити світло, що уран — радіоактивний елемент. Це, дійсно, так. Розширювати свої знання про фізичні властивості речовини ви будете під час вивчення інших розділів фізики. У цьому розділі ви розглянули властивості, що пояснюються на молекулярному (атомарному) рівні, без урахування внутрішньої будови частинок речовини.

2. Ви вмієте описувати теплові характеристики тіл і теплові процеси за допомогою відповідних фізичних величин.

3. Ви знаєте, що внутрішня енергія передається двома способами, і можете пояснити особливості механізмів теплообміну.

4. Ви можете виміряти кількість переданої або отриманої енергії під час теплообміну й переконатись у тому, що для теплових процесів виконується закон збереження енергії і що енергія може перетворюватися.

Рівняння теплового балансу:

у замкненій системі під час теплообміну одні тіла віддають таку саму кількість теплоти, яку отримують інші тіла.

Кількість теплоти, передана системі, йде на збільшення внутрішньої енергії системи та виконання нею роботи: Q = ∆U + A.

Якщо між тілами з різними температурами встановлюється тепловий контакт і зовнішні умови не змінюються, то тіла самі по собі переходять у стан теплової рівноваги — стан, за якого температура набуває для всіх тіл однакового значення.

У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

5. Ви знаєте, як на практиці використовують теплові властивості речовини, і можете оцінити вплив теплових машин та інших засобів теплотехніки на довкілля, а також необхідність використання енергозбережувальних технологій.

Теплова машина — пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну.

Механічна робота А, виконана тепловою машиною, дорівнює різниці кількості теплоти яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q2, яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q1 - Q1

Принцип дії теплових машин

ККД теплової машини дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти

6. Ви можете оцінити роль видатних учених у розвитку знань про теплоту.

Із історії дослідження теплових явищ

Філософи давнини мали дві точки зору щодо природи теплоти:

1. Теорія теплороду, де теплоту пов’язували із природними стихіями (вогнем, водою, повітрям і землею), з яких утворені всі тіла.

2. В інших дослідженнях теплоту пов’язували з атомістичним ученням про будову речовини (згодом ці дослідження стали підґрунтям термодинамічної теорії)

1742 р.

Шведський учений Андерс Цельсій запропонував шкалу для вимірювання температури

1760 р.

Шотландський фізик і хімік Джозеф Блек увів поняття питомої теплоємності. Покладено початок калориметрії

1783 р.

Французькі вчені Антуан Лавуазьє і П’єр Лаплас винайшли калориметр і визначили питомі теплоємності багатьох твердих і рідких тіл

1784 р.

Шотландський інженер Джеймс Ватт побудував універсальний паровий двигун

1799 р.

Британський фізик і хімік Гемфрі Деві провів досліди з тертям двох кусків льоду, які підтвердили, що нагрівання тіл може бути здійснене за рахунок механічної роботи, і відіграли особливу роль у спростуванні теорії теплороду

1824 р.

Французький фізик і математик Саді Карно опублікував працю «Міркування про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», що згодом стала основою теорії теплових двигунів; заклав основи другого начала термодинаміки; розглянув цикл теплового двигуна (цикл Карно), який має особливе значення для термодинаміки

1827 р.

Англійський ботанік Роберт Броун першим спостерігав рух мікрочастинок, який згодом назвали його ім’ям — броунівський рух

1842 р.

Німецький учений Роберт Майєр відкрив закон збереження енергії (незалежно від нього до відкриття цього закону також прийшли в 1843 р. англійський фізик Джеймс Джоуль і в 1847 р. німецький фізик Герман Гельмгольц)

1845 р.

Англійський фізик Джеймс Джоуль визначив величину механічного еквівалента теплоти

1848 р.

Британський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) ввів поняття абсолютної температури й абсолютну шкалу температур (шкалу Кельвіна)

1850 р.

Німецький фізик Рудольф Клаузіус увів поняття внутрішньої енергії і сформулював другий закон термодинаміки (у 1851 р. своє формулювання запропонував Вільям Томсон)

1860 р.

Французький інженер Етьєн Ленуар створив перший поршневий двигун внутрішнього згорання (удосконалену конструкцію двигуна внутрішнього згорання створив у 1878 р. німецький винахідник Ніколаус Отто)

1888 р.

Луї Жорж Гюї довів теплову природу броунівського руху

19051906 рр.

Німецький фізик Альберт Ейнштейн та польський учений Маріан Смолуховський дали найбільш повне пояснення броунівського руху

1897 р.

Німецький інженер Рудольф Дізель побудував двигун внутрішнього згорання з попереднім стисненням повітря і самозайманням палива

ПРОЯВЛЯЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Уважно розгляньте інтер’єр й обладнання вашої кухні. Після вивчення теплових явищ спробуйте відповісти на такі запитання:

1. Чим відрізняється процеси нагрівання в духовій шафі та мікрохвильовій печі?

2. Чому, якщо дістати з холодильника пляшку мінеральної води, на ній з’являються краплі води?

3. Якщо рибу покласти в морозильник, вона замерзне. Чому ж не замерзає риба у продовольчих магазинах, коли її кладуть у крихти льоду?

4. Улітку, щоб приготувати охолоджувальний напій, ви дістаєте з морозильної камери шматочок льоду і кладете у склянку із соком. Чому лід не розтає відразу, адже температура у склянці із соком — значно вища за 0 °С?

5. У якій посудині швидше схолоне гарячий чай: у вузькій і високій чи в широкій і низькій? Чому?

6. Чому ручки сковорідок виготовляють із пластмаси?

7. У кулінарних книгах часто пишуть, що для приготування тістечок вершкове масло слід розтопити на водяній бані. Поясніть, як це потрібно робити.

8. Перед закипанням чайник гуде. Як пояснити це явище?

9. У каструлях-скороварках вода кипить за температури 120 °С. Яка конструкція таких каструль?

10. Як готують «льодяники» із цукру?

Готуючись до уроків, для пошуку необхідної інформації ви неодноразово користувались науково-популярними журналами й Інтернетом. Припустімо, що вам трапився такий текст про тверді побутові відходи.

ТВЕРДІ ПОБУТОВІ ВІДХОДИ: ПРОБЛЕМА ЧИ ПЕРСПЕКТИВА?

Як правило, тверді побутові відходи (ТПВ) утилізують завдяки спалюванню. В Україні працює всього два сміттєспалювальні заводи — у Києві та Дніпропетровську. Разом вони переробляють на рік аж 6 % (!) утвореного обсягу ТПВ. У результаті згорання сміття в атмосферу потрапляють дуже шкідливі забруднюючі сполуки свинцю, ртуті та інших важких металів. Особливо небезпечні для людини — викиди діоксиду, який учені називають «гормоном деградації» або «хімічним СНІДом». Саме з причини утворення діоксиду в багатьох країнах світу сміттєспалювальні заводи заборонені.

Проте ТПВ можуть бути й корисними. З них можна отримати теплову та електричну енергію, якщо їх спалювати, застосовуючи передові очисні технології. У Європі щорічно за рахунок переробки твердих побутових відходів виробляється більше 28 млрд кВт-год електроенергії й приблизно 69 млрд кВт ∙ год теплової енергії. Лідером у цій галузі серед інших європейських держав є Швеція. Програма переробки побутових відходів в електричну і теплову енергію в Швеції набрала таких обертів, що навіть прийнято рішення імпортувати відходи з інших країн, оскільки сама Швеція виробляє недостатньо сміття для забезпечення власних енергетичних потреб.

Україна може продавати тверді побутові відходи в європейські країни або будувати сучасні заводи з їхньої утилізації. Таким чином, утилізація твердих побутових відходів є, з одного боку, проблемою, а з другого — створює для нашої країни значні інвестиційні перспективи та економічні заощадження.

Висловте власні судження, відповідаючи на такі запитання:

1. Чи відповідає заголовок тексту змісту матеріалу?

2. Який висновок робить автор щодо проблеми твердих побутових відходів? За допомогою яких аргументів автор робить такий висновок?

3. Що, на вашу думку, перспективніше: продавати ТПВ або будувати в Україні сучасні підприємства з виробництва енергії з ТПВ? Відповідь обґрунтуйте.

4. Що можете зробити ви особисто у вирішенні проблеми твердих побутових відходів? Ваші батьки? Фахівці в цій галузі?

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНІ ПРОЕКТИ

♦ Чи задумувались ви над тим, у результаті чого з речовиною відбуваються такі перетворення: із рідини (соляний розчин) утворюється тверде тіло (кристал)?

♦ Чи лише в результаті зміни температури відбуваються зміни агрегатного стану речовини?

♦ Що таке зріджені гази, сухий лід?

♦ Як отримують речовини із заданими властивостями?

ознайомтесь із цими питаннями, виконуючи проект

«ШТУЧНІ ТА ПРИРОДНІ РЕЧОВИНИ»

♦ Вивчаючи теплове розширення тіл, ви дізналися, що вода має аномальні властивості.

♦ А чи існують інші унікальні властивості води?

Дізнайтесь про це, виконуючи проект «УНІКАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ»

♦ Якби вам доручили спроектувати будівництво екологічного містечка, які теплоенергетичні й енергозберігаючі технології ви застосовували б?

♦ Як зменшити теплові витрати вашого будинку чи квартири?

З’ясуйте ці питання, виконуючи проекти

«ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ ТЕХНОЛОГІЇ», «ТЕПЛОВІ НАСОСИ», «ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ»



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити