Теплозащита. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Теплозащита - средство для обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значит. тепловых потоков (q>> Вт/см²), когда применение простой теплоизоляции становится невозможным.

Методы теплозащиты l. Конвективное охлаждение - подходящие к тонкой металлам, обшивке тепловые потоки отводятся в охлаждающую жидкость или газ, к-рые протекают с другой стороны обшивки.

2. Заградит. охлаждение - через отверстие или щель вблизи охлаждаемой поверхности в направлении потока подаётся струя холодного газа. Заградит. эффект струи уменьшается по мере её перемешивания с горячим газом.

3. Плёночное охлаждение - аналогично заградительному, с той разницей, что через щель или отверстие подаётся жидкий охладитель, образующий на охлаждаемой поверхности защитную плёнку. Защитный эффект уменьшается по мере испарения плёнки и ее разбрызгивания.

4. Пористое охлаждение - жидкий или газообразный охладитель подаётся через пористую или перфорированную поверхность аппарата. При охлаждении жидкостью расход её подбирается т. о., чтобы жидкость испарялась внутри пор.

5. Т. с помощью теплопоглощающей оболочки - подходящее к поверхности тепло поглощается за счёт теплоёмкости достаточно толстой оболочки при повышении температуры последней. Большой эффект достигается при дополнит. использовании теплоты плавления и нагревания жидкой фазы материала, а также теплоты хим. разложения. Однако в этих случаях необходимо заключать тепло-поглотитель в жёсткую металлич. оболочку.

6. Отвод тепла радиацией - проблема Т. решается посредством создания материала, выдерживающего высокую температуру, при к-рой всё подводимое тепло может излучаться в пространство; при этом, согласно Стефана -Больц-мана закону излучения, излучаемый поверхностью тепловой поток

где e - суммарная испускат. способность внеш. покрытия, s₀ - постоянная Стефана, a T_w - абс. темп-pa поверхности. Сложность практич. применения данного метода Т. связана с тем, что при высокой температуре металлы, из к-рых изготовляется излучающая оболочка, окисляются кислородом воздуха. Для борьбы с окислением внеш. поверхность 2 (рис. 1) покрывается тонким слоем покрытия 1, устойчивого к окислению. Между излучающей поверхностью и частями конструкции 4 помещается лёгкая изоляция 3. Этот способ может применяться лишь для Т. внеш. поверхностей аппаратов.

7. Т. с помощью разрушающихся (уносимых) покрытий осуществляется за счёт поглощения большого кол-ва тепла в процессе уноса массы этих покрытий. Поглощаемое тепло идёт на нагрев материала, а также на разл. фазовые и хим. превращения. При применении методов 4 и 7, а также частично методов 2 и 3 возникает дополнит. заградит. эффект в результате вдува газообразного охладителя в пограничный слой, что приводит к снижению подходящего к поверхности теплового потока. При не слишком больших расходах газообразного охладителя G_u снижение теплового потока q=q₀-b(I₀₀- I_w)G_u где q₀ - тепловой поток к непроницаемой поверхности, I₀₀ - энтальпия торможения, a I_w - энтальпия внеш. газа при температуре стенки. Коэф. вдува b= a(M_e/M_u)^b, где М_е и M_u -молекулярные веса внеш. и вдуваемого газов, причём коэф. а и b зависят от геометрии тела и режима течения в пограничном слое (л а м и н а р н ы й или т у p б у л е н т н ы й).

Метод Т. с помощью разрушающихся покрытий - пассивный и поэтому обладает повыш. надёжностью по сравнению с активными методами Т., для к-рых требуются спец. системы подачи охладителя по заданной программе. Эффективность разрушающихся теплозащитных покрытий измеряется т. н. эфф. энтальпией I_эф = q₀/G (где G - масса, уносимая с единицы поверхности в единицу времени), характеризующей кол-во тепла, необходимое для уноса единицы массы материала.

Разрушающиеся теплозащитные покрытия подразделяются на классы в соответствии с механизмом разрушения. а) П л а в я щ и е с я п о к р ы т и я - разрушаются в результате перехода материала из твёрдого состояния в жидкое. Образующаяся на поверхности материала плёнка расплава может частично или полностью переходить в газообразное состояние. Кристаллич. материалы (напр., металлы) характеризуются наличием фиксированной температуры плавления и сравнительно малой вязкостью расплава. Жидкая плёнка на поверхности этих материалов имеет незначит. толщину и почти не перегревается, из-за чего расплав практически не испаряется. Аморфные (стеклообразные) материалы при нагревании постепенно переходят из твёрдого состояния в жидкое в связи с тем, что их вязкость представляет собой экспоненциальную функцию температуры

где С₁ и С₂ - постоянные. Жидкая плёнка на их поверхности обладает большой вязкостью, благодаря чему доля испарения y в нек-рых случаях -может приближаться к единице. I_эф плавящихся покрытий равна:

где с - уд. теплоёмкость материала, r и l-соответственно скрытые теплоты плавления и испарения (для аморфных материалов r = 0), Т₀ - темп-pa непрогретого материала, б) С у б л и м и р ую щ и е п о к р ы т и я - разрушаются в результате фазового перехода из твёрдого состояния непосредственно в газообразное- сублимации. I_эф таких покрытий равна: I_эф = с(T_w - Т₀) + l + b (I_оо - I_w). Темп-pa поверхности T_w заранее не известна и определяется из совместного решения ур-ния баланса энергии на поверхности и ур-ния Кнудсена - Ленгмюра для скорости сублимации, в) Р а зл а г а ю щ и е с я п о к р ы т и я-разрушаются в результате хим. реакции термич. разложения. Для них I_Эф рассчитывается по той же ф-ле, что и для сублимирующих покрытий, с заменой скрытой теплоты испарения на тепловой эффект реакции разложения. Для определения температуры поверхности совместно рассматриваются ур-ние баланса энергии и кинетич. ур-ние реакции термич. разложения. Пример разлагающихся покрытий - термопласты: фторопласт, полиметилметакрилат, полиэтилен и др. г) Т е п л о з а-щ и т н ы е п о к р ы т и я, разрушающиеся в результате хим. взаимодействия с внеш. потоком. Унос массы этих покрытий происходит гл. обр. за счёт гетерогенных хим. реакций между материалом покрытия и набегающим потоком газа, в результате к-рых образуются газообразные соединения. Для расчёта скорости разрушения покрытий данного класса обычно пользуются т. н. безразмерной скоростью уноса массы

, к-рая определяется протекающими хим. реакциями и слабо изменяется в широком диапазоне внешних условий.

Большинство применяемых на практике теплозащитных покрытий - довольно сложные композиции, В процессе уноса массы таких покрытий протекают разл. физ--хим. превращения как внутри материала, так и на его поверхности и в газообразном пограничном слое. Однако, как правило, к--л. процесс - определяющий. Напр., в случае покрытия из стеклопластика, состоящего из стеклянных волокон и органич. связки (рис. 2), по мере прогрева глубинных слоев материала l при нек-рой температуре начинается тер-мич. разложение органич. связки (коксование). Коксование протекает в области 2 и полностью заканчивается до начала плавления стекловолокна. Образующиеся при коксовании газы вырываются наружу, а твёрдый остаток - кокс - вместе со стекловолокном располагается непосредственно под поверхностью в слое 3. На поверхности покрытия стекловолокно плавится и образует жидкую плёнку 4, в к-рой содержатся твёрдые частицы кокса. Пары стекла вместе с газообразными продуктами разложения органич. связки и продуктами окисления частичек кокса поступают в газообразный пограничный слой 5. Для стеклопластика определяющим является процесс плавления и испарения наполнителя из стекла, поэтому данный материал может быть отнесён к классу плавящихся покрытий.

Выбор конкретного способа Т. производится с учётом особенностей работы установки или аппарата. В качестве примера на рис. 3 приведена сравнит. весовая характеристика разл. методов Т. искусств. спутника Земли, входящего в атмосферу по баллистич. траектории. По оси ординат отложен полный вес Т. Р, а по оси абсцисс - баллистич. коэф. s = m/C_DS, где m - масса спутника, C_D - его коэф. сопротивления, a S-площадь поперечного сечения. Кривая 1 характеризует пористое охлаждение, кривая 2- Т. с помощью плавящегося покрытия, для к-рого y = 0,25, а кривая 3 -Т. с помощью сублимирующего покрытия.

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.