19 січня о 18:00Вебінар: Психологічна допомога дітям і дорослим у кризових станах

Урок – семінар «Властивості рідин, газів та твердих тіл та їх практичне застосування»

Про матеріал
Урок «Властивості рідин, газів та твердих тіл та їх практичне застосування» проводиться після вивчення теми "Молекулярна фізика ".На уроці використовуються інноваційні форми і методи навчання, що дає можливість розв’язати питання розвитку інтелектуальних і пошуково - творчих здібностей учнів, як активних учасників динамічного процесу навчання, а також підвищити якість і результативність навчання.
Перегляд файлу

Урок – семінар на тему:

«Властивості рідин, газів та твердих тіл

та їх практичне застосування»

10 клас

Мета: узагальнити знання учнів про зріджені гази, капілярні явища, вологість повітря; розвивати інформаційну компетентність при роботі з Інтернетом для пошуку необхідної інформації, впроваджувати інтерактивні технології при складанні презентацій до уроку, вміння працювати в малих групах; виховувати пізнавальний інтерес, культуру мовлення, вміння аналізувати та відокремлювати основне.

Тип уроку: узагальнюючий урок – семінар.

Обладнання: презентація уроку, учнівські презентації та повідомлення, кінофрагмент «Застосування зріджених газів», інтернет – ресурси.

Хід уроку.

І. Вступне слово вчителя. Проголошується тема, мета, завдання уроку. (презентація 1)

План семінару.

1. Зріджені гази та їх застосування . (презентація 2, кінофрагмент, повідомлення)

2. Вологість повітря та її значення в житті людини. (повідомлення, презентація 3)

3. Застосування капілярних явищ. (повідомлення,  презентація 4)

4. Аморфні речовини та х застосування. (повідомлення,презентація 5)

5. Рідкі кристали та їх застосування. (повідомлення, презентація 6)

6. Створення матеріалів із наперед заданими технічними властивостями. (повідомлення, презентація 7)

ІІ. Виступи учнів по запитанням плану семінару. Виступи супроводжу-  ються презентаціями.

ІІІ. Підсумок уроку. Учням пропонується вікторина.

 

Запитання вікторини.

1. Для чого інколи розорану землю після дощу:

А) розпушують бороною;

Б) ущільнюють котками.

2. Чому волейбольна сітка сильно натягується після дощу?

3. Чому при випусканні газу із балону вентиль покривається росою або навіть інеєм?

4. Чому дерева не можуть рости до неба?

5. Чому на півночі великі морози людина переносить легше ніж незначні морози на півдні? 

Заключне слово вчителя.

ІV. Домашнє завдання. повторити § 26- 35

Повідомлення учнів

1. Зріджені гази

  Основною сировиною для одержання зріджених вуглеводних газів є штучні і природні нафтові гази: а) попутний нафтовий газ на газобензинових заводах;  б) газ термічної і термокаталітичної переробки нафти і нафтопродуктів на установках термічного каталітичного крекінгу, піролізу і коксування, алкілювання й інших процесів; в) штучні гази на заводах синтетичного моторного палива (заводи деструктивно-гідрогенізаційної переробки вугілля і важких нафтопродуктів, синтезу моторного палива з оксиду вуглецю і водню й ін.); г) природні гази, які містять крім метану, деяку кількість більш важких вуглеводнів. Так як в природних газах вміст більш важких вуглеводнів (пропану і бутану) невеликий, зріджений газ одержують з них дуже рідко;    д) газокон денсатні  родовища промислового значення.

   Найбільшу цінність для одержання рідких вуглеводневих газів мають попутні нафтові гази. Нафта на виході сепараторів, в залежності від режиму сепарації, також містить значну кількість розчинених у ній важких

вуглеводневих газів. Гази, які виділяються з нафти, після сепараторів містять близько 30% пропану, 30-35% бутану і близько 30% газового бензину. Ці отримані в результаті стабілізації нафти гази є цінними для виробництва зріджених газів, які, як правило, і вилучаються на газобензинових заводах. В таблиці 4.2 приведені характеристики газів, одержуваних на промислових установках основних типів деструктивної переробки нафти. Штучні, заводські нафтові гази, тобто гази, отримані при деструктивній, термічній і термокаталітичній переробці нафти, різко відрізняються за своїм складом від природних газів, як від попутних, так і від природних у скупченнях (газових родовищах). Це розходження полягає в тому, що штучні нафтові гази містять значну кількість ненасичених олефінових вуглеводнів, що є дуже цінною сировиною для ряду реакцій органічного синтезу.

Перспективи зрідження газів

   За оцінками експертів виробництво зрідженого газу (ЗГ) — один з найшвидше зростаючих секторів ринку енергоресурсів. До 2010 року його поставки збільшаться майже вдвічі і складуть близько 40% світової торгівлі природним газом. Станом на 2007 рік обсяг продажів зрідженого газу складав близько 27% від світових експортних продажів. Згідно з прогнозами до 2010 року в США на частку ЗГ буде припадати основне зростання імпорту природного газу. У свою чергу багато європейських країн розглядають можливість інвестицій в інфраструктуру імпорту ЗГ, зокрема в потужності з транспортування зрідженого газу. Сьогодні мова вже йде про створення організації країн-експортерів зрідженого газу (на кшталт ОПЕК — організації країн-експортерів нафти). Сьогодні світовий ринок зрідженого газу контролюють Катар, ОАЕ, Алжир, Малайзія та Індонезія. Зростають поставки ЗГ з Ірану, Нігерії та Австралії. Добрі перспективи для експорту зрідженого природного газу має Росія.  Імпортерами ЗГ в основному східно-азійські: Японія, Корея, Тайвань (разом — близько 60%). Крім того — США (8%), Індія, Туреччина, країни Європи (близько 25%). Перспективним є

споживання зрідженого газу і в Україні, що може полегшити розв′язання питання диверсифікації джерел постачання природного газу в Україну без прив′язки до існуючої мережі магістральних газопроводів.  Одним з ключових факторів у ланцюгу виробництва і використання зрідженого природного газу є його транспортування, тому розвиток технологій транспортування ЗГ суттєвим чином визначить перспективи всього напрямку зрідження паливних газів в недалекому майбутньому.

Застосування зріджених газів

  Основне застосування зрідженого газу - комунально-побутові потреби, використання як автомобільне паливо, використання як сировина для синтезу органічних сполук. Також використовується в холодильних установках. Найдешевший спосіб добування чистого кисню, в космічній техніці, як джерело «повітрягого середовища» та складової пального для ракет. Дедалі більше зріджені гези застосовують в медицині та біололії : для тривалого зберігання крові, плазми,кісткового мозку, тканини і окремих органів людини. З успіхом використовується кріохірургічний інструмент, за допомогою якого можна місціво заморожувати окремі ділянки хворих органів, які треба усунути.  Нова галузь науки – кріобіологія вивчає процеси в клітинах і тканинах за їх глибокого замороження.

2. Вологість повітря та її значення для організму людини.

    Інтенсивність випаровування вологи з поверхні шкіри людини також залежить від вологи. А випаровування вологи має велике значення для підтримки температури тіла. Найкраща вологість для людини складає 40-60%, саме така вологість підтримується в космічних кораблях.

   Важливу роль вологість відіграє в метеорології. Її використовують для прогнозів погоди. Не дивлячись на те, що кількість водяної пари в атмосфері порівняно невелика (близько 1%), роль його в атмосферних явищах значна. Конденсація водяної  пари приводить до  утворення хмар і в наступному випаданню опадів. При цьому виділяється велика кількість теплоти і навпаки

випаровування води супроводжується поглинанням теплоти.

Значення вологості в науці та техніці.

   Велике значення вологості у ткацкому,  кондитерському та інших виробництвах для нормального протіканні процесу.  Особливо ретельно  відносяться до вологості у  організаціях зберігання витворів мистецтва та книжок. У будь якому музеї, картинній галереї, бібліотеці на стенах можна побачити психрометри – прилади, що вимірюють вологість..

    Вологість повітря є важливою складовою. Погане самопочуття, швидка стомлюваність, першіння в горлі, нежить, що не припиняється - перші ознаки того, що в приміщенні, де ви живете, занижені показники нормальної вологості повітря. В цьому випадку навантаження на серце зростає, а шкіра швидше старіє.

  Фахівці стверджують, що нормою вологості повітря в наших будинках можна вважати 40-60%, але в дійсності, цей показник не перевищує 20-30%, а в зимові дні, за рахунок центрального опалення, вологість повітря порівнянна з вологістю повітря в пустелі.

Норми вологості повітря і вплив на організм

Відносна вологість повітря визначає вміст у ньому водяної пари. Як відомо, 80-90% тіла людини складає вода, тому показник вологості в атмосфері також важливий для здоров'я людини. Придатним вважається приміщення, температура повітря якого складає приблизно 20°С, а відносна вологість - не нижче 45-50%.

Перебування в приміщенні порушує природний баланс вологості. І якщо в літній час це може бути непомітним, то взимку різниця показників відносної вологості на вулиці і в приміщенні стає більш помітною. Це пояснюється тим, що рівень відносної вологості вуличного повітря знижується при його нагріванні системою опалення. Коливання вологості повітря, як у бік зменшення, так і у бік збільшення, негативно впливають на самопочуття і здоров'я.   80-90% тіла людини складає вода, тому показник вологості в

атмосфері також важливий для здоров'я людини.  Це може провокувати різні нездужання, головний і фізичний біль, зниження імунітету, може з'явитися

відчуття втоми, незатишку, занепаду сил, небажання працювати. Організм людини негайно реагує на зниження вологості повітря - з тіла з підвищеною швидкістю починає випаровуватися волога. Взаємодія з сухим повітрям, в першу чергу, проявляється у відчутті сухості слизової оболонки носа і дихальних шляхів, сухості шкіри (рук і обличчя), пересиханні губ. Надлишкова сухість повітря провокує подразнення носа, ангіну, пересихання шкіри та губ, може призвести до проблем із диханням. Надлишкова вологість повітря також несприятлива: може викликати алергічні реакції, астму, риніт.

Наслідки надмірної сухості повітря:

 Захворювання слизових оболонок: слизові оболонки верхніх дихальних шляхів втрачають свою захисну функцію - респіраторний епітелій, вражаються вухо-горло-носова і бронхіальна ділянки. Зростає небезпека бактеріального зараження слизової оболонки очей, яка також втрачає свої захисні функції. Особливо небезпечно це для тих, хто носить контактні лінзи: з'являється дискомфорт у наслідок прискореного пересихання лінз, що створює додаткове роздратування для очей.  Для здорової дитини, яка не хворіє респіраторною інфекцією, вологість повітря повинна становити не менше 50%, в іншому випадку може пересихати слизова і проявитися закладення носа. Слиз може накопичуватися в порожнинах і утворювати живильне середовище для бактерій.

- Сухість шкіри: знижена вологість повітря сприяє більш швидкому випаровуванню води зі шкіри, і як наслідок, вона стає сухою, грубою, схильною до запалення і починає лущитися.

- Пил: оптимальна вологість повітря "зв'язує" пил, особливо це важливо для тих, хто страждає від астми та алергії.

Як підвищити вологість повітря

Одним із найбільш простих способів підвищення вологості повітря в

приміщенні є кімнатний фонтанчик, циркуляція і випаровування води в

якому може трохи поліпшити показники вологості повітря, але цього недостатньо.

 Спеціальне обладнання - зволожувачі/осушувачі повітря - дозволяють підтримувати відносну вологість на оптимальному рівні. Ці прилади можна використовувати під час відпочинку, наприклад, сну. Побутові зволожувачі повітря створюють у приміщенні ідеальний мікроклімат, який дозволить вам приємно відпочити або продуктивно попрацювати.

Вологість повітря для рослин

    Дуже важливо підтримувати в приміщенні необхідну для рослини вологість повітря. Деякі рослини, наприклад аспарагус, ніколи не зацвітуть в приміщенні з сухим повітрям, навіть якщо його поливають так, як потрібно. Занадто низька вологість повітря викликає опадання пагонів і бутонів, уповільнює ріст рослини. Вологість повітря в кімнаті можна підтримувати різними способами. У першу чергу це обприскування. У період зростання більшість рослин обприскують щодня вранці і ввечері. Не можна обприскувати рослину на сонці, тому що можна викликати опіки листя. Обережно обприскують або не обприскують взагалі (застосовують інші способи зволоження повітря) рослини з стеблеоб'емлющіе листям (застій води може викликати загнивання), рослини з оксамитовий листям (глоксинії, фіалки).  Підвищити вологість повітря в приміщенні допоможуть широкі ємності з водою. Можна підвищувати вологість повітря, обклавши землю в горщику мохом і підтримуючи його у вологому стані. Правда, мох, швидше за все, доведеться періодично міняти, а так само піднімати і перевіряти стан землі під ним. Інакше якщо грунт буде сильно зволожена, можуть завестися комахи, які в моху не помітні, але можуть завдати істотної шкоди.

Однак слід пам'ятати, що зайве вологе повітря може бути також шкідливий для рослин, як і сухою. При дуже високій вологості можуть з'являтися плями гнили на листках, квітках або стеблах.

Вода для обприскування повинна бути м'якою і теплою. Жорстка вода, що містить солі, може залишити на листі розлучення. А від холодної води потрапила на листя, на особливо чутливих рослинах можуть залишитися жовті або бурі плями.  Коли рослині обов'язково потрібно вологе повітря,

зазвичай даються конкретні рекомендації - помістити горщик з рослиною на піддон з водою, мокрою галькою або торфом. Але для більшості рослин даються такі рекомендації - часте обприскування, регулярне обприскування або періодичне обприскування. Часте обприскування і регулярне - це одне і теж, мається на увазі обприскування вранці і ввечері. Періодичне обприскування увазі обприскування хоча б один раз на день, або через два дні, це стосується, як правило, до тих рослин, які не вимагають вологого повітря і періодичне обприскування грає скоріше гігієнічну роль або освіження рослини, ніж підвищення вологості. Якщо рослина не потребує обприскуванні, то його можна не обприскувати, але якщо вже обприскуються поруч стоять рослини, то і йому шкоди не буде. Якщо ж рослина не переносить обприскування, то не ставте його поруч з тими рослинами, які будете обприскувати, щоб вода не потрапила на нього. У крайньому випадку, обприскується повітря біля таких рослин і то з дуже дрібного пульверизатора. незалежності від того, яка на вулиці погода.

3.Капілярні явища та їх використання в житті

  Першовідкривачем  капілярних  явищ вважається Леонардо да Вінчі.  Однак перші акуратні спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році). Як часто буває, термодинаміч ний опис виявляється більш простим і більш загальним, не будучи обмеженим недоліками конкретних моделей. Саме в такий спосіб описав капілярність Гиббс у 1878 р., побудувавши чисто термодинамічну теорію Ця теорія стала невід'ємною частиною гиббсовской термодинаміки. Теорія капілярності Гиббса, не спираючи безпосередньо на які-небудь

механістичні моделі, позбавлена недоліків теорії Лапласа; вона може по праву вважатися першою детально розвитою термодинамічною теорією поверхневих  явищ.
  Про теорію капілярності Гиббса можна сказати, що вона дуже проста і дуже складна. Проста тому, що Гиббсу вдалося знайти метод, що дозволяє

одержати найбільш компактні і витончені термодинамічні співвідношення,

рівною мірою застосовні до плоских і скривлених поверхонь.
Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно   160 - 109 капілярів,       загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км. 

 У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.  Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.  Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів. 
   Капілярні явища використовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більше, ніж у нафти. Тому вода здатна витиснути нафту з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини. Нафта має неоднакові оптичні властивості. Під дією ультрафіолетових променів нафта здатна світитися. При цьому легені нафти світяться блакитним світлом, важкі – бурим і жовто-бурої. Це використовується при пошуку нафти. Нафта є діелектриком і має високий питомий опір. На цьому засновані електрометричні методи встановлення в розрізі, розкритому свердловиною,

нафтоносних шарів.
   Як видно з приведеного історичного огляду, капілярні явища вивчаються вже майже триста років. За цей час досить сильно змінилися способи опису капілярних і поверхневих сил. Однак, цікаво відзначити, що практично з найперших робіт з теорії капілярних явищ, люди зовсім правильно відносили їх до макроскопічних проявів сил, що діють між частками в речовині. З

розвитком представлень про ці сили мінялося і розуміння їхньої ролі в тих чи капілярних явищах.
   В даний час дослідження в області капілярних і поверхневих сил продовжуються, що обумовлено як їхньою важливістю в різних областях науки, так і широким спектром практичних додатків.

4. Аморфні речовини.

Аморфні речовини — твердотільні речовини, які не мають далекого порядку в розташуванні атомів. Прикладами аморфних речовин є скло, пластик. Аморфні речовини йонної та йонно-ковалентної природи утворюються при швидкому охолодженні розплавів, під час якого атоми не встигають зайняти термодинамічно вигідні положення й залишаються в локальних мінімумах, чи при конденсації з газової фази. Аморфність твердих тіл ковалентної природи (наприклад, полімерів) пояснюється великою ентропією ланцюгів.  Аморфні речовини термодинамічно нетастабільні. З часом вони кристалізуються, проте процес кристалізації при кімнатних температурах може тривати багато років, століть чи навіть тисячоліть.  Аморфні речовини не мають чітко визначеної  температури плавлення. При нагріванні вони розм'якають. Температура, яка характеризує цей процес називається температурою склування. Аморфні речовини (від грецької – не мають фірми.) Не мають кристалічної структури і на відміну від кристалів не розщеплюються з утворенням кристалічних граней, як правило - ізотропні, тобто не виявляють різних властивостей в різних напрямках, не мають певної точки плавлення. До аморфних речовин належать скла (штучні і вулканічні), природні та штучні смоли, клеї та ін Скло - твердотільне стан аморфних речовин. Аморфні речовини можуть перебувати або в склоподібного стані (при низьких температурах), або в стані розплаву (при високих температурах). Аморфні речовини переходять в склоподібний стан при температурах нижче температури склування T. При температурах понад T, аморфні речовини ведуть себе як розплави, тобто перебувають у розплавленому стані. В'язкість аморфних речовин - безперервна функція температури: чим вище температура, тим нижче в'язкість аморфного речовини. Аморфні тіла - тверді тіла, атомарна грати яких не має кристалічної структури. Аморфне тіло не володіє дальнім порядком у розташуванні атомів і молекул. Для аморфних тіл характерна Ізотропія властивостей і відсутність певної точки плавлення: при підвищенні температури аморфні тіла поступово розм'якшуються і вище температури склування (Tg) переходять у рідкий стан. Дослідження показали, що структура рідин і аморфних тіл аналогічна. В аморфних тілах спостерігається ближній порядок в упаковці часток. З цієї причини прийнято вважати аморфні тіла дуже густими / в'язкими рідинами. При зовнішніх діях аморфні тіла виявляють одночасно пружні властивості, подібно до твердих тіл, і текучість, подібно рідині. Так, при короткочасних діях (ударах) вони поводяться як тверді тіла і при сильному ударі розколюються на шматки. Але при дуже тривалій дії аморфні тіла течуть. У цьому ви можете переконатися самі, якщо запасетеся терпінням. Прослідкуйте за шматком смоли, який лежить на твердій поверхні. Поступово смола по ній розтікається, і, чим вище температура, тим швидше це відбувається. Аморфним тілом також є і смола. Якщо роздрібнити її на дрібні частини і масою, заповнити судину, то через деякий час смола зіллється в єдине ціле і прийме форму судини.  Амо́рфний ста́н (від грецької — безформний) — стан речовини в якому атоми і молекули розміщені безладно, що зумовлює ізотропність, тобто однакові фізичні властивості в усіх напрямах речовини. Аморфними є гази, майже всі рідини і багато твердих тіл, напр. скло, смоли.  Аморфний стан нестійкий, тому аморфні тверді тіла повільно кристалізуються. На відміну від кристалічних вони не мають т-ри плавлення  і з підвищенням температури розм'якшуються поступово. "Аморфні речовини" — тверді тіла, твердотільні речовини, які не мають далекого порядку в розташуванні атомів. Прикладами аморфних речовин є скло, пластик.
  Аморфні речовини утворюються при швидкому охолодженні, під час якого атоми не встигають зайняти термодинамічно вигідні положення й залишаються в локальних мінімумах.  Аморфні речовини нетастабільні. З часом вони кристалізуються, проте процес кристалізації при кімнатних температурах може тривати багато років, століть чи навіть тисячоліть.  Аморфні речовини не мають чітко визначеної температура плавлення температури плавлення. При нагріванні вони розм'якають. Температура, яка характеризує цей процес називається  температурою склування.

   Скло - твердотільної стан аморфних речовин. Термін також використовується в назвах оптичних матеріалів, що мають властивості, характерні для скла - світлопропускання (прозорість), світлозаломлення, анізотропія і ін.

  Аморфні речовини, в тому числі оптичні матеріали, переходять у склоподібного стану при температурах нижче температури склування Tg (при температурах понад Tg аморфні речовини ведуть себе як розплави, тобто перебувають у розплавленому стані). Скло може бути отримано шляхом охолодження розплавів, так щоб уникнути кристалізації. Практично будь-яка речовина з розплавленого стану може бути переведено всклоподібного стану. Деякі розплави (такі як стеклообразующіх речовин) не вимагають для цього швидкого охолодження. Однак деякі речовини (такі як розплави металів) вимагають дуже швидкого охолодження, щоб уникнути кристалізації. Так, для одержання металевих стекол необхідні швидкості охолодження 100000 - 1000000 К / с. Скло може бути отримано також шляхом аморфізацією кристалічних речовин, наприклад бомбардуванням пучком іонів, або при осадженні парів на охолоджувані підкладки. Як правило скло отримують з переохолодженого розплаву. До теклообразующім відносять неорганічні речовини, які при охолодженні розплаву НЕ кристалізуються, а тверднуть, зберігаючи аморфне будову. В'язкість аморфних речовин - безперервна функція температури: чим вища температура, тим нижче в'язкість аморфного речовини. Зазвичай розплави стеклообразующіх речовин мають високу в'язкість в порівнянні з розплавами нестеклообразующіх речовин. Прозоре скло з'явилося в період Середньовіччя.

Види скла

  • В залежності від основного використовуваного стеклообразующего речовини, стекла бувають оксидними (силікатні, кварцеве, германатние, фосфатні, боратного), фторидному, сульфідними і т. д.
  • Базовий метод отримання силікатного скла полягає в плавленні суміші кварцового піску (SiO2), соди (Na2CO3) і вапна (CaO).
  • Кварцові скло отримують плавленням кремнеземистого сировини високої чистоти (зазвичай кварцит, гірський кришталь), його хімічна
  • формула - SiO2. Кварцові скло може бути також природного походження, що утворюється при попаданні блискавки в поклади кварцового піску.
  • Органічне скло (оргскло) - пластмаса, що отримала свою назву за  прозорість, насправді відносини до скла не має.
  • Оптичне скло - застосовують для виготовлення лінз, призм, кювет та ін.
  • Хіміко-лабораторне скло - скло, що володіє високою хімічною термічною стійкістю. 5. Рідкі кристали

   Рідкі кристали – це рідини, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. І хоч рідкі кристали поєднують у собі властивості твердого тіла та ізотропної рідини, електро- і магнітооптичні явища в них досить специфічні і, як правило, не мають відповідних аналогів у твердій та ізотропній рідкій фазах. Якщо немає зовнішніх дій, в рідких кристалах має місце анізотропія діелектричної проникності, магнітної сприйнятливості, електропровідності та т Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса — переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.

Застосування рідких кристалів.

Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті

електричного переходу Фредерікса — переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги. Крім цього, рідкі кристали застосовують при виготовленні термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання .

Рідкокристалічний дисплей

      Через 80 років після відкриття такого стану речовини, як рідкий кристал дві незалежні одна від одної групи вчених із RCA Labs і Kent (Юта) створили перший рідкокристалічний дисплей на основі узагальнення результатів впливу на кристали електричними зарядами. Спочатку рідкокристалічні екрани використовувалися в годинниках. До 1984-го вдалося поліпшити

розрізнювальну здатність рідких кристалів, що дозволило передавати зображення, а не тільки текст. З’явилися ноутбуки, переносні комп’ютери.

Властивості і застосування рідких кристалів

Рідкі кристали володіють дуже важливими оптичними властивостями, які забезпечили їх численне застосування і великий інтерес до їх вивчення. Як нематики, так і деякі смектики є одноосними кристалами, властивості яких легко і в широких межах змінюються зовнішніми діями. Це відкриває широкі можливості управління світловими потоками за допомогою рідких кристалів.

У буденному житті ми стикаємося з годинниками, термометрами на рідких кристалах. Інтерес до них перш за все обумовлений можливостями їх ефективного застосування у ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.

  Рідкий кристал — це специфічний агрегатний стан речовини, в якій воно проявляє одночасно властивості кристала і рідини. Далеко не всі речовини можуть знаходитися в рідкокристалічному стані. Більшість речовин можуть знаходитися тільки в трьох, всім добре відомих агрегатних станах: твердому

або кристалічному, рідкому і газоподібному. Деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, окрім трьох названих станів, можуть утворювати четвертий агрегатний стан — рідкокристалічне. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні

утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріві до якої рідкий кристал переходить в звичайну рідину. Подібно звичайній рідині, рідкий кристал володіє текучістю і приймає форму судини (сосуда), в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих всім кристалів. Проте не дивлячись на цю властивість, об'єднуючу його з рідиною, він володіє властивістю, характерною для кристалів. Це — впорядкування в просторі молекул, утворюючих кристал.

Правда, це впорядкування не таке повне, як в звичайних кристалах, проте воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, утворюючих рідкий кристал, виявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжіння молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, володіють властивістю плинності.

Електричні властивості

  Більшість застосувань рідких кристалів пов'язана з управлінням їх властивостями шляхом додатку до них електричних дій. Податливість і «м'якість» рідких кристалів по відношенню до зовнішніх дій роблять їх виключно перспективними матеріалами для застосування в пристроях мікроелектроніки, для яких характерні невелика електрична напруга, мале споживання потужності і малі габарити. Тому для забезпечення

оптимального режиму функціонування РК елементу в якому-небудь пристрої важливо добре вивчити електричні характеристики рідких кристалів.

  Іншою важливою обставиною є те, що провідність в рідких кристалах носить іонний характер. Це означає, що відповідальними за перенесення електричного струму в РК є не електрони, як в металах, а набагато масивніші

частинки. Це позитивно і негативно заряджені фрагменти молекул (або самі молекули), що віддали або захопили надмірний електрон. З цієї причини електропровідність рідких кристалів сильно залежить від кількості і хімічної природи домішок, що містяться в них. Зокрема, електропровідність нематика можна цілеспрямовано змінювати, додаючи в нього контрольовану кількість іонних добавок, в якості яких можуть виступати деякі солі. Тепер відомо понад десять тисяч органічних сполук, які є рідкими кристалами. До них належать мило, віруси, білок в ядрі клітини, сполуки холестерину та інших стероїдів, антоціан у листі капусти. ДНК, мозок тощо. Дотепер вивчено

понад 3000 речовин, що утворюють рідкі кристали. До них належать речовини біологічного походження, наприклад, дезоксирибонуклеїнова кислота, що несе код спадкової інформації, і речовина мозку. Подальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, але й допоможуть проникнути в таємниці біологічних процесів.

  Рідкі кристали широко застосовуються в малогабаритних електронних годинниках, моніторах, калькуляторах, вимірювальних приладах як індикатори і табло для відображення відповідної інформації. В комбінуванні з фото чутливими напівпровідниковими шарами рідкі кристали застосовуються як підсилювачі і перетворювачі зображень, а також як пристрої оптичної обробки інформації. У них спостерігається подвійне заломлення світлових променів та дихроїзм.

 В наш час, час науково-технічної революції, дослідження науки так стрімко

упроваджуються в матеріальне виробництво та життя, що іноді складаються парадоксальні ситуації. А саме яке-небудь фізичне явище, що послужило основою нового виду виробництва, інтенсивно впроваджуються в техніку та побут, однак знання про це явище та його відомість в широких колах явно недостатньо. Подібна ситуація складається з рідкими кристалами та знаннями про них. Зараз пристрої, що засновані на основі рідких кристалів,

стрімко впроваджуються в техніку відображення інформації. Почалось масове впровадження пристроїв, що містять рідкі кристали, в побут. Перспективи масового впровадження рідких кристалів в наше життя ще більш багатообразні та масштабні: від термометрів до телевізорів. Процес впровадження наукових досліджень в практику та масове виробництво йде тут настільки швидко, що відповідні досягнення та відомості не знайшли поки що належного відображення навіть в програмах вузів. Тим часом рідкі кристали, або рідкокристалічний стан речовини, з фізичної точки зору є самостійний фазовий стан, не менш важливий і цікавий, ніж усім добре відомий стан речовини: твердий, рідкий та газоподібний. В деяких

відносинах, в пізнавальному аспекті, воно є навіть цікавішим. Наука та її досягнення активно впливають на наше життя, тому, як правило, підвищений науковий інтерес до того чи іншого об'єкту чи явища означає, що цей об'єкт чи явище представляє великий практичний інтерес. В цьому відношенні не є виключенням й рідкі кристали. Цікавість до них перш за все обумовлена можливостями їх ефективного застосування в ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність. В даній роботі розглянемо структуру рідких кристалів, їх властивості та застосування їх в нашому житті

6. Створення матеріалів із наперед заданими властивостями. Нанотехнології.

 

 Нанотехнологіями — в широкому значенні слова прийнято називати міждисциплінарну область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра (нанометр — це одна мільярдна частка метра або, що те ж саме, одна мільйонна частка міліметра (діаметр

людської волосини становить близько 80 тис. нанометрів). Нанотехнології, нанонауки — це наука і технологія колоїдних систем, це колоїдна хімія, колоїдна фізика, молекулярна біологія, вся мікроелектроніка. Принципова відмінність колоїдних систем, до яких належать: хмари, кров людини, молекули ДНК і білків, транзистори, з яких складаються мікропроцесори, в тому, що поверхня таких частинок або величезних молекул в мільйони разів перевершує обсяг самих частинок. Такі частки займають проміжне положення між справжніми гомогенними розчинами, сплавами, і звичайними об'єктами макросвіту як то стіл, книга, пісок. Поведінка таких систем сильно відрізняється від поведінки істинних розчинів і розплавів і від об'єктів макросвіту завдяки високорозвиненій поверхні. Як правило такі ефекти починають відігравати значну роль тоді, коли розмір частинок лежить у

55

діапазоні 1-100 нанометрів, звідси прийшло заміщення слова колоїдна фізика, хімія, біологія на нанонауки і нанотехнології, маючи на увазі розмір об'єктів, про які йде мова.       

Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об'єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Наприклад, наночастки платини набагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітні циліндри нанометрової

товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле- і авіабудуванні), під час виробництва чорнил; для виробництва одягу, який неможливо забруднити і пом'яти і так далі.  Нанотехнології знаходяться на передньому краю різноманітних наукових, економічних та соціальних напрямків розвитку.

Медицина та нанобіотехнології

В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології. За прогнозами журналу Scientific American, вже в найближчому майбутньому з'являться медичні пристрої розміром з поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати, і уприсне їх в кров. Експерти Європейської комісії склали наступний перелік найбільш важливих на їхню думку розділів нанобіотехнологій на майбутні 15-20 років: прицільне постачання ліків; молекулярна візуалізація; косметика; створення нових лікарських засобів;

методи діагностіки; хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів; тканинна інженерія; харчові технології; геноміка і протеоміка; молекулярні біосенсори.

Електроніка та інформаційні технології

  Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки і інформаційних технологій. У 1965 році можна було вмістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У 1971 році — 2 тис. Нині один чип містить близько 40 млн. транзисторів величиною 130—180 нанометрів, і з'явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступною для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн. транзисторів. У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке було названо «Закон Мура». «Закон Мура» проголошує, що число транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: щоб підтверджувати «Закон

Мура», потрібно, щоб транзистор був не більшим 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

Військове призначення

   Військові дослідження в світі ведуться в шести основних сферах: технології створення і протидії «невидимості» (відомі літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, системи (наприклад, які дозволяють автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка або літака), що самостійно відновлюються, зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. Передбачалося, що в 2008 році буде представлено перші бойові наномеханізми.                                              

Екологія

  Нанотехнології здатні також стабілізувати екологічну обстановку. Нові

види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині використовуються для фільтрації води і інших рідин.

Сільське господарство

  Нанотехнології здатні здійснити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи можуть виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Наприклад, теоретично  можливо виробляти молоко прямо

з трави, минаючи проміжну ланку — корову.

Енергетика

  Завдяки нанотехнологіям вченим вдається домогтися все кращого поглинання сонячної енергії. Однією із прогресивних компаній, що здійснює дослідження у цій галузі, є Sandia National Laboratories. Її фотопоглинаючі плівки характеризуються на 20% кращим фотоелектричним ефектом, ніж сучасні сонячні елементи на основі кремнію.  На основі нанотехнологій американська компанія Engelhard створила щось на кшталт «молекулярних воріт», крізь які проходять молекули двоокису вуглецю, а більші молекули

 (метанові) залишаються в речовині. Практичне застосування це знаходить під час фільтрації двоокису вуглецю із природного газу, а також при створенні автомобільних каталізаторів.

Напрямки розвитку нанотехнологій

1) створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;

2) конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;

3) збирання нанороботів — систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.

 

doc
До підручника
Фізика (академічний рівень) 10 клас (Бар’яхтар В.Г., Божинова Ф.Я.)
Додано
12 листопада 2020
Переглядів
150
Оцінка розробки
Відгуки відсутні
Безкоштовний сертифікат
про публікацію авторської розробки
Щоб отримати, додайте розробку

Додати розробку