§ 20. Наноматеріали
Думки вголос_
Я вивчатиму деякі питання сучасної фізики. Дізнаюся, що таке на-номатеріали, нанотехнології.
Розвиток фізики як науки і пізнання матерії тісно пов’язані. Молекулярна будова речовини має багато різноманітних доказів, найяскравішим із яких стали фотографії дискретної будови речовини, зроблені електронними мікроскопами.
Електронні мікроскопи стали першим кроком до наносвіту. За їх допомогою люди побачили окремі атоми в кристалах у вигляді точок, розміри яких — близько 0,17 нм. Префікс «нано» — це IO"9 м (від латинського слова нанус — карлик). Нано — це мільярдна частинка метра.
Дуже велике значення у нанотехнологіях мають скануваль-ні зондові мікроскопи, які винайшли німецькі вчені Г. Біннінг і Г. Popep 1981 року. Цей мікроскоп увесь час удосконалювався. За його допомогою люди навчилися маніпулювати окремими атомами і молекулами. Відтоді настала ера нанотехиологій, а префікс «нано» набув широкого застосування.
Якщо раніше простір ділився на мега-, макро- і мікросвіт, то тепер цей поділ передбачає і наносвіт, який вивчає об’єкти, менші за IO"6 м. Для фізиків наносвіт цікавий тим, що в ньому можна із атомів і молекул створювати речовину з новими фізичними властивостями.
Які ж існують нано матеріали?
Графен — вуглецевий наноматеріал, шар атомів Карбону завтовшки в один атом, з’єднаних у двовимірні кристалічні ґрати з правильних шестикутників (мал. 81).
Графен — найміцніший серед відомих кристалічних речовин (у 200 разів міцніший за сталь), прозорий (пропускає 97,7 % світла), має високу електричну провідність. Він є ідеальним матеріалом для виробництва мікросхем, може використовуватися як ефективне антикорозійне покриття.
Великий внесок у вивчення графену зробили й українські вчені. Ці дослідження проводять в Інституті теоретичної фізики імені Μ. М. Боголюбова HAH України (мал. 82).
Нанотрубки — згорнута в циліндр графітова площина (мал. 83). Вуглецеві нанотрубки мають механічну міцність у 100 разів більшу, ніж такі самі сталеві конструкції, а густину у 10 разів меншу. Мають дуже добрі електричні властивості. Вуглецеві нанотрубки можна використовувати в наноелектроніці.
А ти знаєш?
«Трос» з нанотрубок завтовшки з людську волосину здатний утримувати вантаж у сотні кілограмів!
Нанотехнології набувають широкого застосування на практиці:
• нанотехнологи розробили нову тканину, що не промокає навіть під час повного занурення у воду.
Цю нанотканину виготовляють із ниток поліестеру, вкритого 40-на-нометровим шаром нановолокон.
Ця тканина ще й зменшує тертя у воді, що дає можливість виготовляти з неї спортивні купальники;
• в автомобільній галузі створюють лаки і фарби із самоочисним ефектом. Автомобіль Mercedes-Benz (2003 року) — автомобіль, який найлегше мити (мал. 84);
• створюють матеріали, здатні до самоочищення;
• використовують нанодріт, який має високу міцність;
• в медицині нанокапсули можуть доставляти ліки безпосередньо до клітин, які потребують цих препаратів (мал. 85);
речовини
• створені найчутливіші і найменші терези у світі — нанотерези. Вони утворені з вуглецевої нанотрубки завдовжки 4 мкм. За допомогою нанотерезів можна зважувати навіть бактерії і віруси [т « 10-15 г).
Підсумки
• Наносвіт — світ об’єктів, менших за 10~6м.
• Сканувальні зондові мікроскопи дають можливість «побачити» атоми, «доторкнутись» до них і перемістити.
• Наноматеріали — речовини з новими властивостями, створені з атомів і молекул.
• Нанотехнології — застосування наноматеріалів у практичних цілях.
Завдання (попрацюйте в групах)
Знайдіть відомості про нові наноматеріали і застосування їх на практиці. Підготуйте повідомлення.
Для тих, хто хоче знати більше
Інститут теоретичної фізики імені Μ. М. Боголюбова HAH України — провідний український науковий центр з фундаментальних проблем теоретичної, математичної і обчислювальної фізики.
Напрямки наукових досліджень:
• фізика й астрофізика високих енергій;
• квантова космологія;
• теорія ядерних систем;
• квантова теорія поля;
• теорія симетрій;
• наносистеми, плазма.
При інституті працює центр неперервної освіти для старшокласників.
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 2 Конспект теоретичного матеріалу 2 3
не) за температури плавлення, можна підрахувати потрібну кількість теплоти: Q = λ · т.
• За згоряння палива виділяється частина його внутрішньої енергії. Ефективність палива характеризується питомою теплотою згоряння палива q, одиниця питомої теплоти згоряння палива джоуль на кілограм (1 Дж/кг). Питома теплота згоряння палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється за повного згоряння 1 кг палива. Кількість теплоти, що виділяється за повного згоряння палива масою т: Q = q ■ т.
• Процес переходу рідини в пару називають пароутворенням, зворотний процес — конденсацією. Пароутворення з поверхні рідини — випаровуванням, пароутворення зі всього об’єму рідини — кипінням. Температура кипіння — величина незмінна на весь час кипіння.
• Кожна рідина має питому теплоту пароутворення (конденсації) — L. Кількість теплоти, необхідна для повного пароутворення за температури кипіння рідини, називають питомою теплотою пароутворення. Одиниця питомої теплоти пароутворення джоуль на кілограм (1 Дж/кг). Загальна кількість теплоти, потрібної для перетворення на пару рідини масою т, обчислюють за формулою: Q = L · т.
• Газ або пара за розширення можуть виконати механічну роботу. Ця властивість використана в роботі теплових двигунів.
ВПРАВИ ДО РОЗДІЛУ 2
13. Є два тіла однакової маси і однакової температури, одне зі свинцю, друге зі сталі. Яке з них віддасть більше кількості теплоти за охолодження до однієї і тієї самої температури?
23. Яка питома теплоємність льоду? Що це значить?
З3. Із кип’ятку витягли циліндри зі сталі і алюмінію однакової маси і поклали на парафін. Під яким тілом розплавиться більше парафіну?
43. Назви процеси, які потрібно здійснити, щоб розплавити 3 кг льоду, взятого за температури -10 °С. Яка кількість теплоти при цьому буде потрібна?
53. Що більше охолодить воду: кусок льоду за 0 °С чи вода такої самої маси за 0 °С? Відповідь обґрунтуй.
б*. За графіком залежності температури олова від кількості теплоти, одержаної від нагрівана, дай відповіді на запитання.
• Якому процесу відповідає відрізок AB на малюнку? Відрізок БС?
• Яка початкова температура олова?
• Яка температура плавлення олова?
• Яка температура олова в кінці плавлення?
• Яка кількість теплоти пішла на нагрівання до температури плавлення?
• Яка маса олова?
• Яка кількість теплоти пішла на плавлення олова?
• Скільки олова розплавили?
7**. Яка кількість теплоти необхідна для нагріву 10 л води від 5 0C до кипіння і повного пароутворення?
8**. Яка кількість стоградусної пари потрібна для нагріву 80 л води від 6 0C до 36 °С?
9**. На скільки внутрішня енергія водяної пари масою 0,3 кг, взятої за температури 100 0C1 більша за внутрішню енергію такої самої маси води, взятої за температури 20 °С?
10***. У посудину з водою, взятою за t = 0 °С, впустили стоградусну пару масою 1 кг. Через деякий час в посудині встановилась температура 20 °С. Скільки води було в посудині? (Теплообмін з навколишнім середовищем не відбувається.)
Iliwf*. Двигун внутрішнього згоряння виконав корисну роботу, що дорівнює 29,1 МДж, і використав при цьому бензин масою 3 кг. Обчисли коефіцієнт корисної дії двигуна.
12***. Автомобіль на шляху 100 км витратив 3 кг бензину і виконав при цьому роботу, що дорівнює 5,3 МДж. Який коефіцієнт корисної дії двигуна автомобіля?
Орієнтовні теми навчальних проектів до розділу 2
1. Наноматеріали
2. Холодильні машини
3. Кондиціонери
4. Теплові насоси
5. Роль видатних учених у розвитку знань про теплоту
Sr
Розділ
Електричне п о Да
ЧАСТИНАМ. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА
Електрична енергія е універсальною: иона перетворюється в інші види енергії — механічну, теплову і хімічну. Як саме? Розглянемо універсальність електричної енергії.
• Електричні явища
• Електризація тіл
• Два роди електричних зарядів
• Електроскоп. Провідники і непровідники електрики
• Подільність електричного заряду
• Елементарний електричний заряд
• Взаємодія заряджених тіл
• Закон Кулона
• Закон збереження електричного заряду
• Електричне поле
Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко
Автор: evg от 11-08-2016, 15:07, Переглядів: 5366