АЭРОЗОЛЬ - ИДЕАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА?

В.А. Курышев, А.Л. Субботин, Екатеринбург

Настоящая работа порождена статьей В.Р.Фея [1] и ее следует рассматривать как приглашение к дискуссии по обсуждаемым вопросам.

ИДЕАЛЬНЫЕ И КВАЗИИДЕАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Согласно классическому определению, идеальная машина — это ТС, которой (физически) нет, а функции ее выполняются, т.е. идеальная машина — это качество, возникающее в системе. Однако реальные системы состоят из реальных веществ, и поэтому эффективность систем будет тем выше, чем меньше энергии система будет затрачивать на самообслуживание — управление веществами, составляющими ТС,— и чем большим набором свойств обладают эти вещества. В идеале, от ТС требуются только свойства. Естественно ввести понятие идеального вещества — вещества, которого нет, а свойства его проявляются. Степень идеальности реального вещества, таким образом, будет определяться возможностью взаимодействия с полями, приложенными извне, и их малым количеством, необходимым для получения действенного эффекта. Назовем реальные вещества с высокой степенью идеальности квазиидеальными (КИВ). К таким веществам можно отнести ферромагнитные порошки и жидкости, КПМ, пены.

При таком подходе наибольшей степенью идеальности должна обладать плазма, но плазма — это «инструмент» будущего, для настоящего же уровня развития техники наиболее идеальным, по нашему мнению, являются аэрозоли (A3).

Использование КИВ лежит на основной линии развития ТС, поскольку они разрешают одно из основных противоречий развития ТС — необходимость появления новых свойств (функций) при разворачивании систем и удаления вещественных компонентов при свертывании.

Можно сформулировать следующий стандарт:

Если необходимо ввести в систему новые вещества, а это невозможно из-за отсутствия (скудности) ресурсов, следует вводить КИВ, причем такие, которые будут лучше всего реагировать на управляющие поля.

В вышеприведенном перечне КИВ присутствуют реальные вещества как с близким химическим составом (магнитные порошки и жидкости), так и различным (пены); по-видимому, правильнее было бы говорить не об идеальных веществах, а об идеальных агрегатных состояниях.

Аэрозоли — коллоидные системы с газовой дисперсной средой, содержат частицы, представляющие собой агрегаты размером от нескольких молекул до долей мм. Изменение свойств материнских веществ, при диспергировании их до коллоидных размеров, объясняется изменением отношения поверхностной энергии вещества к энергии объемной связи, с одной стороны, и подвижностью системы, равной подвижности газа, с другой. Металлические никель и золото имеют в монолитном состоянии температуры плавления близкие к 1500 и 1000 град С, а их A3 — переходят в жидкое состояние при температуре чуть выше комнатной.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ A3 С ПОЛЯМИ

При адиабатическом расширении газа за счет охлаждения происходит конденсация содержащихся в газе паров и образование тумана. Этот эффект наглядно демонстрируется, когда вылетает пробка из бутылки шампанского. Механическим же полем можно и уничтожить A3: при адиабатическом сжатии газа при его нагреве капли испаряются и исчезает туман; центробежные силы используются для очистки газов от пыли в циклонах и скрубберах; для пылеподавления используется пена, фильтры из ультратонкого волокна. Гидрообеспыливание — это использование водного A3 (иногда с добавками ПАВ) для борьбы с пылевидными A3.

При механической обработке металлов использование СОЖ в виде A3 позволяет сократить ее расход и увеличить стойкость резцов в 2 раза, а также улучшить точность обработки.

Известным способом распыления жидкости является использование быстровращающегося диска. При скорости вращения 2000 об/мин капельки дробятся до 5 мкм. Такие капли легко испаряются. Поэтому, если распылять суспензии и растворы, то после сушки можно получить твердые частицы. Таким образом получают, например, молочный и яичный порошок. Доля аэрозольных процессов в производстве дисперсных материалов составляет около половины.

Взаимодействие ультразвука с жидкостью приводит к образованию A3. На этом принципе основана работа ингаляторов. Ультразвук же используется и для укрупнения частиц A3, например, при борьбе с туманами на аэродромах.

Водный A3 позволяет бороться не только с пылью, но и с высокочастотным шумом (а.с. Nо 987115), что особенно важно в горном производстве для снижения профзаболеваемости.

Человек издавна использовал дым для подачи сигналов, для копчения мяса и рыбы, для защиты посевов от заморозков.

Испаряясь с поверхности земли, пары воды охлаждаются и конденсируются с образованием облаков и туманов. Туманы образуются при смешивании потоков воздуха с различной температурой над морями, реками и озерами.

Выпадение осадков может быть вызвано засеиванием облаков твердой углекислотой: охлаждение воздуха благодаря ее испарению приводит к укрупнению капель облака.

При долгой жаре некоторые африканские племена исполняют танец дождя вокруг молитвенного костра. Интересно, что танец приводит к ожидаемому результату гораздо чаще, чем допускает теория вероятностей. Оказывается, для молитвенных костров используют растения, частицы золы которых притягивают воду из воздуха, как и йодистое серебро, которое распыляют в облаках. В Москве существует специальная авиаэскадрилья, которая для уменьшения уборки снега на улицах рассеивает облака воздействием углекислоты или заставляет выпадать снег за городом. Сейчас для этого используют более дешевые вещества: йодид свинца, ацетилацетат меди и флюороглицин.

Тепловое поле может быть использовано для управления движением частиц A3. Термофорез — это явление движения АЗ-частиц от горячих тел к холодным. Из-за малых размеров АЗ-частиц более быстрая молекула газа с «горячей» стороны заставляют частицу смещаться в «холодную» сторону. Этим объясняется почернение стен возле отопительной трубы. Для борьбы с пылевыми A3 используется диффузиофорез—движение частиц в среде, где существует градиент плотности пара. Газ насыщают паром, затем пропускают через конденсатор — при конденсации пар увлекает к стенкам и частицы пыли.

Загрязнение атмосферы мешает поступлению тепла в приземный слой, что подтверждается локальными похолоданиями при сильных извержениях вулканов. Поэтому при ядерной войне реальна перспектива ядерной зимы.

Распыление на микроуровне дает полное сгорание, экономя топливо и улучшая экологию: при сжигании водомазутной эмульсии капли воды, испаряясь, распыляют мазут лучше любой форсунки.

Высокая поверхностная энергия АЗ-частиц — это резкое увеличение химической активности. На этом свойстве основаны объемные взрывы для борьбы с живой силой противника на сложнопересеченной местности, например в горах. Первым залпом создается АЗ-облако взрывчатого вещества над определенной площадью. A3, являясь более тяжелым, чем воздух, заполняет все складки местности, а вторым залпом вызывают взрыв.

Из-за повышенной химической активности A3 многих материалов, химически инертных в монолитном или крупнодисперсном состоянии, взрывоопасны — это мучная, сахарная и древесная пыль, пыль мелкодисперсных металлов (железа, алюминия и т. п.).

С химической активностью связано увеличение эффективности лекарственных препаратов, применяемых в виде A3 — при вдыхании их усвоения активного вещества в альвеолах легких происходит гораздо быстрее, чем из желудка при обычном приеме.

Использование инсектицидов в виде A3 позволяет снизить расход ядохимикатов в тысячи раз, нанося минимальный ущерб природе. Боевые ОВ в виде A3 плохо поглощаются активным углем и проникают через противогаз.

A3 легко управляются электрическим полем: наличие электрических зарядов на частицах используется при очистке газов электрофильтрами. Заряда одного знака на частицах краски, выходящих из пульверизатора, и заряд другого знака на окрашиваемом изделии позволяет качественно и практически без потерь окрашивать предметы любой формы, сильное электрическое поле из-за поляризации АЗ-частиц приводит к коагуляции (электрокоагуляция). Опрыскивание с\х культур заряженным водным A3 повышает урожайность.

Для получения частиц с одинаковым зарядом можно пропускать A3 через зону коронного разряда. При подаче электрического потенциала на устройство, распыляющее жидкость, будут образовываться также униполярно заряженные капельки, использование которых, например, в ткацком производстве позволяет бороться с электростатическим электричеством.

При распылении порошков осуществляется трибоэлектрическая униполярная зарядка частиц.

Распыление жидкости всегда дает биополярнозаряженные A3. Дело в том, что жидкости практически всегда содержат электролиты и при их распылении происходит распыление присутствующего в жидкости электрического заряда (баллоэлектрический эффект). Обычные форсунки дают 3-5% заряженных капель, а электретные в 3-5 раз больше.

АЗ-содержащие ферромагнитные частицы могут управляться магнитным полем.

A3 обнаруживает себя благодаря оптическим эффектам: на капельках воды — это радуга, глории, на ледяных кристалликах — гало. Благодаря тому что атмосфера — пылевой A3, цвет неба — голубой, а на закате — красный. По особенностям рассеивания света можно судить о дисперсном составе и форме АЗ-частиц. Без знания оптики A3 невозможны спутниковое зондирование атмосферы и земной поверхности, астрономические наблюдения с поверхности земли, создание оптических и инфракрасных систем наведения управляемых снарядов, создание аэрозольной маскировки военных объектов.

Фотофорез — термофорез, который осуществляется при нагревании АЗ-частиц электромагнитным излучением. При этом в зависимости от давления газа частицы могут двигаться как в направлении луча, так и навстречу ему. В нижних частях атмосферы частицы двигаются к солнцу, но по мере подъема направление фотофореза меняется, в результате образуются устойчивые АЗ-слои, которые в значительной степени определяют климат.

Использование люминисцентных ламп некоторых типов уменьшает фиброгенность пыли в шахтах, сокращая профзаболеваемость органов дыхания.

Предпочтительная конденсация пара на ионах использована в камере Вильсона для обнаружения траектории элементарных частиц.

ВЫВОДЫ:

1. ИДЕАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА ЗАКОНОМЕРНО ПОЯВЛЯЮТСЯ ПРИ РАЗВИТИИ ТС.

2. АЭРОЗОЛЬ — КВАЗИИДЕАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА МАКСИМАЛЬНОГО РАНГА.

ЛИТЕРАТУРА [к началу]

1.Фей В.Р. В поисках идеального вещества. Журнал ТРИЗ, 1.1.90, с.36-41.

2.Петрянов-Соколов И.В., Сугутин А.Л. Аэрозоли. М., Наука, 1989.

3.Мохов И.Д. и др. Физические явления в ультрадисперсных средах. М., 1984.

4.Саранчук В.И. и др. Электрические поля в потоке аэрозолей. Киев, 1981.

5.Теверовский Е.Н. и др. Перенос аэрозольных частиц турбулентными потоками. М., 1988.

6.Ивлев B.C. и др. Оптические свойства атмосферных аэрозолей. Л., 1986.

7.Довгалюк Ю.А. Физика водных и других аэрозолей. Л., 1977.

8.Пришивалко А.П. и др. Человек в мире аэрозолей. Минск, 1989.