ПОЧЕМУчка » Как все это работает?

Как работает ядерная энергия?

Главный по почемучкам — Thu, 19 Jan 2012 09:31:46 +0000

Мы обычно получаем тепловую энергию, сжигая топливо – нефть, газ, уголь или дрова. В больших количествах такая энергия может служить для нагревания воды, а получающийся при нагревании пар – для приведения в действие турбогенераторов, вырабатывающих электричество. Сгорание топлива представляет собой химическую реакцию, при которой одна энергия преобразуется в другую: при этой реакции элементы топлива и кислород из воздуха соединяются, превращаясь, например, в золу, дым и выхлопные газы, а также в тепло.

В результате ядерной реакции деления тепло вырабатывается другим способом: реакция разбивает сами элементы, превращая их в отходы (продукты деления) с меньшей массой, и при этом вырабатывается огромное количество энергии. Топливом для ядерных реакторов являются мельчайшие частицы вещества (атомы) тяжелых элементов, например урана или плутония.

В центре каждого атома имеется ядро, которое, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц – протонов и нейтронов. Ядро удерживается как одно целое с помощью очень мощной силы, и при разбивании ядра эта сила высвобождается. Ядерная реакция начинается, когда быстрые нейтроны сталкиваются с ядрами атомов топлива, в результате чего атомы разбиваются на меньшие ядра и нейтроны. Эти нейтроны, в свою очередь, разрушают следующие ядра топлива. В процессе этого движения высвобождается огромное количество тепла, которое может использоваться для вырабатывания пара. А пар будет приводить в действие электрические генераторы.

Замечательным в ядерной энергии реакции деления является то, что для получения огромного количества энергии требуется очень мало топлива. (Около 1 кг ядерного топлива может дать столько же энергии, сколько дадут, например, 2950 т угля!) Но сложность состоит в том, что этот процесс должен контролироваться чрезвычайно тщательно. В противном случае в результате цепной реакции за долю секунды может высвободиться такое количество энергии и тепла, которое вызовет взрыв огромной силы, в точности такой же, как взрыв ядерного оружия. (В ядерном реакторе процессом управляют посредством ввода в активную зону реактора и выведения из нее поглощающих нейтроны графитовых стержней.)

Разрушительная сила ядерного взрыва усугубляется тем, что при нем в окружающую среду излучается вредное гамма-излучение. Этот побочный продукт ядерного деления создает другую проблему, связанную с ядерной энергией. Ядерные реакторы окружены толстыми слоями стали и бетона, для того чтобы излучение не проходило наружу. И кроме того, поскольку отходы ядерного топлива являются высокорадиоактивными, их необходимо хранить с соблюдением мер предосторожности вдали от мест нахождения людей, а срок хранения их до того, как они перестанут быть опасными, составляет многие десятилетия и даже столетия. Транспортировка и захоронение опасных отходов – это еще одна проблема, которую приходится решать при работе с ядерной энергией. Ядерное топливо, которое недавно использовалось в реакторе, герметически закрывают в контейнерах, обеспечивающих защиту, и захороняют глубоко под землей.

Ядерный процесс, который обеспечивает получение энергии, называется делением – при нем разбивающиеся атомные ядра высвобождают огромное количество энергии и тепла. Но ядерная энергия может вырабатываться также в процессе, который называется синтез – при этом атомные ядра сливаются. Ученые продолжают работать над, созданием удовлетворительного термоядерного реактора. Солнце, кстати, вырабатывает свою гигантскую энергию и тепло за счет ядерного синтеза газа водорода.

Зачем строят плотины?

Главный по почемучкам — Thu, 19 Jan 2012 09:29:11 +0000

Плотина

Плотины – конструкции, перекрывающие течение воды в реке, – строятся с древних времен. Плотины строят из земли, камней, кирпичей, из бетона, или используются эти материалы в комбинации. Люди строят плотины для того, чтобы регулировать сток воды в реке и для разных других целей.
Одна из целей – предотвращение паводков. Сильные дожди в гористых местностях могут вызывать повышение уровня вод в реках.

Отчего в низменных районах река может выходить из берегов, заливая прибрежные населенные пункты. Плотина это предотвратит, останавливая или замедляя течение реки, обеспечивая выпуск воды в нормальном режиме.

Плотины часто строят для того, чтобы создать водохранилища, сделать запас воды для общего пользования и для сельскохозяйственных нужд. Когда поперек реки возводят плотину, вода часто разливается, образуя в речной долине озеро или резервуар. Эту воду впоследствии можно использовать для различных нужд – например для того, чтобы предотвратить неурожай сельскохозяйственных культур в засушливые периоды.

Сегодня очень много плотин строят для вырабатывания электричества. Для гидроэлектростанций плотины строят очень высокими, чтобы создать большую разницу высот уровня воды перед плотиной и позади нее. Поднявшаяся вода позади плотины проходит через шлюзовые ворота в ее стене, которые дают возможность воде падать вниз в реку. Когда вода падает вниз, она проходит через огромные лопасти гидротурбин. Турбины при¬водят в действие генераторы, вырабатывающие электричество. Одна из самых больших и мощных плотин в мире – плотина Гувер, расположенная в США на реке Колорадо между штатами Невада и Аризона. Она была построена в 1930-х годах.

Высота этой плотины составляет 221 м, а длина 379 м. Ее водохранилище (Лейк Мид) – самое большое в мире. Оно поставляет воду в несколько штатов, и благодаря этой воде процветают огромные территории с природным засушливым климатом в штатах Южная Калифорния, Аризона и Мехико. Многие современные плотины выполняют одновременно все три задачи – защита от наводнений, накопление запасов воды (водохранилища) и производство электрической энергии (на гидроэлектростанциях).

Как работает огнетушитель?

Irishka — Sat, 24 Dec 2011 09:01:16 +0000

Огнетушитель

Для того чтобы что-нибудь горело, необходимы высокая температура и кислород. Для каждого вещества, способного гореть, существует определенная температура, при которой оно начинает гореть, если на него действует высокое тепло (эта температура называется температурой возгорания). Если от горючего вещества убрать тепло или кислород, то горение прекратится.

Часто для гашения пожаров используется вода. Большие запасы воды можно найти практически везде – это очень существенно при больших пожарах, например, в зданиях. Вода при тушении пожара действует двумя способами. Во-первых, она резко снижает температуру горящего материала. Во-вторых, она покрывает горящие вещества, не допуская к месту горения воздух, содержащий кислород.

Однако вода не способна погасить горение масел. Поскольку масло плавает на поверхности воды, доступ кислорода к горящему маслу невозможно перекрыть с ее помощью. Для уменьшения горения и перекрывания доступа кислорода к месту горения масел необходимо применять другие вещества – жидкости, газы или порошкообразные вещества. Большинство огнетушителей заполнены углекислым газом – тяжелым газом, предотвращающим горение. Когда углекислый газ выпускают, он образует некое подобие снежной пены, которая покрывает огонь и снижает его температуру.

В огнетушителях, применяющихся для тушения горящих маслянистых химических веществ, используется также бикарбонат натрия (известный нам как пищевая сода). Бикарбонат натрия быстро расплавляется в тепле, образуя корку, которая перекрывает доступ кислороду. (Если на кухне вдруг загорится что-то, где присутствуют жиры, а у вас под рукой не окажется огнетушителя, лучше всего будет бросить на место возгорания пищевую соду: вода только расширит огонь, разбрызгивая его.) А поскольку вещество в огнетушителе должно покрывать большую площадь за минимальное время, необходимо, чтобы это вещество выбрасывалось из огнетушителя в виде мощной струи. Используемые для тушения пожара вещества в огнетушителе находятся под высоким давлением; благодаря чему они распыляются с большим напором.

Почему сгорающие вещи выделяют дым?

Irishka — Wed, 21 Dec 2011 09:00:15 +0000

В процессе горения окружающий воздух нагревается. Нагревающийся воздух захватывает водяной пар (молекулы воды, которые летают в воздухе) и мельчайшие частички горящего материала, образуя темное облако дыма. Чем более неполным будет сгорание, тем больше дыма будет образовываться, так как остающиеся несгоревшие частички будут подниматься в воздух.

Дым постепенно распространяется ввысь и вширь и улетает; более тяжелые частички опускаются на землю под действием силы тяжести. Когда огонь только начинает разгораться, обычно образуется много дыма, но по мере того как материал сгорает, дыма становится все меньше.

Тот факт, что на начальных стадиях пожара образуется много дыма, используют детекторы дыма. Эти детекторы улавливают мельчайшие частички дыма до того, как пожар разгорится по-настоящему. В оптических дымовых детекторах используется пучок света и чувствительный элемент, который включает звуковую сигнализацию, когда частички дыма перекрывают (или уменьшают) интенсивность пучка света. Ионизирующий детектор дыма способен улавливать еще более мелкие частички; они вызывают возмущение низкого электрического тока внутри детектора, в результате чего детектор включает звуковую сигнализацию о пожаре.

Каким образом микроволновая печь так быстро может приготовить еду?

Irishka — Sun, 18 Dec 2011 08:57:36 +0000

Микроволновая печь

В отличие от других печек, на которых еда готовится с помощью тепловых волн, образующихся при сгорании газа или под действием электрического тока, в микроволновых печах для приготовления пищи используются особые частоты электромагнитной энергии, которые называются микроволнами (они подобны световым волнам).

Тепловые волны распространяются внутрь пищи постепенно, а микроволны проходят через пищу насквозь мгновенно. В микроволновой печи устройство, которое называется магнетрон, вырабатывает пучок микроволн, которые проходят через вращающийся вентилятор; отталкиваясь от него, микроволны разлетаются во всех на¬правлениях. Когда они проходят сквозь пищу, молекулы воды поглощают их энергию. Молекулы воды колеблются с той же высокой скоростью, что и микроволны (2,45 млрд раз в секунду!) и при этом трутся о другие молекулы.

При всем этом движении образуется огромное количество тепла, благодаря которому еда проваривается (прожаривается) насквозь. Термообработка пищи микроволновой энергией происходит за счет процесса, подобного пропариванию. Именно поэтому пища, которую готовят в микроволновой печи, не подрумянивается. Но в некоторых микроволновых печах встроены обычные нагревательные элементы, благодаря которым приготовленная пища получается более привлекательного вида – она того цвета, которого мы от нее ожидаем.

Некоторые материалы просто пропускают микроволны (т. е. при этом микроволны их не нагревают); другие материалы поглощают волны, а третьи их отражают. В связи с этим, пользуясь микроволновой печью, необходимо выбирать посуду, в которой следует ставить продукты в печь, и обращать внимание на упаковку этих продуктов. Микроволны проходят, например, сквозь стекло и пластмассовые упаковки – ими можно пользоваться; безопасны также бумажные упаковки и большинство твердых пластиков. А вот металлические емкости и алюминиевая фольга отражают микроволны. Такая посуда и такие упаковки не пропускают микроволны к продуктам, они отталкивают микроволны, которые, многократно отражаясь внутри печи, могут ее разрушить.

Как работает тостер?

Irishka — Thu, 15 Dec 2011 08:55:30 +0000

Тостер

Устройство для поджаривания гренков, или тостер, работает следующим образом: внутри тостера есть толстые провода, расположенные в форме панелек; эти провода нагреваются и подсушивают вашу еду. Когда вы на жимаете на рычажок, опускающий ваш хлеб, он зацепляется за крючок внизу, включая нагреватель.

Пока ваш хлеб подсушивается и подрумянивается, специальный металлический выключатель тоже нагревается и при этом изгибается. Через определенное время он изгибается настолько, чтобы толкнуть стержень, который освобождает рычаг от крючка, и поджаривание гренков прекращается. При этом освобождается также пружина, которая выталкивает рычажок вверх, и ваши тосты выскакивают.

Все металлы при нагревании расширяются. Но каким образом изгибается металлический выключатель в тостере? Выключатель изгибается, потому что он изготовлен из двух металлов, соединенных вместе, и называется биметаллический выключатель. Один из этих двух металлов (обычно латунь) при нагревании расширяется быстро, а другой медленнее. Эта разница и заставляет выключатель изгибаться в сторону металла, расширяющегося медленно.

Биметаллические выключатели применяются и в других бытовых приборах, в которых для поддержания равномерной температуры требуется включать и выключать электричество, – например, в холодильниках и утюгах. В термостате, регулирующем температуру в вашем доме посредством периодического включения и выключения обогревателя и кондиционера, также используется биметаллический выключатель.

Как холодильник сохраняет продукты холодными?

Irishka — Mon, 12 Dec 2011 08:53:23 +0000

Холодильник

Когда жидкость испаряется, или превращается в пар, она поглощает тепло от находящихся вокруг нее объектов. (Этим объясняется, почему мы ощущаем прохладу, если потеем: жидкий пот, испаряясь в воздух, отбирает тепло тела.) Обратное тоже происходит: когда газ превращается в жидкость, он отдает тепло. Эти два принципа используются в большинстве холодильных систем.

Холодильники охлаждаются с помощью специальной жидкости (хладагента), которая легко превращается в газ, или в пар, а затем снова в жидкость. Сжатие хладагента (т. е. втискивание его в меньший объем, чем он нормально занимал бы) вынуждает его снова перейти в жидкое состояние, и его прокачивают по трубкам испарителя внутри холодильника. Превращаясь в трубках снова в газ, хладагент поглощает тепло от находящихся внутри холодильника пищевых продуктов и воздуха, охлаждая таким образом внутренний объем холодильника.

Подогревшийся пар прокачивается снаружи холодильника (с помощью компрессора) через трубки конденсатора, где отдает тепло в воздух, переходя снова в жидкое состояние. Это тепло мы ощущаем в виде теплого воздуха с задней стороны или снизу холодильника. Цикл продолжается по мере того, как хладагент циркулирует внутрь и наружу, унося тепло из холодильника и поддерживая хранящиеся в холодильнике продукты в холодном состоянии. Термостат, устанавливаемый на определенную температуру, включает и выключает электродвигатель; электродвигатель обеспечивает циркулирование хладагента, поддерживая нужную степень прохлады внутри холодильника. Аналогичным образом работает кондиционер воздуха.

Каким образом термос сохраняет холодные вещи холодными, а горячие горячими?

Irishka — Fri, 09 Dec 2011 08:50:54 +0000

Термос

Термос называют еще вакуумной емкостью: для того чтобы не допустить ухода тепла из горячего продукта или не пропустить наружного тепла к холодному продукту, используется вакуум – пространство, в котором нет воздуха. Вакуум находится в узком пространстве между вкладышем (колбой) и наружной стенкой термоса – он останавливает перемещение тепла в наружный воздух и из наружного воздуха внутрь. Вакуум эффективен в термосе потому, что в нем отсутствует воздух (молекулы), в связи с чем нет проводимости.

(Тепло возникает в результате движения молекул.) А поскольку горло термоса плотно закрывается пробкой или крышкой из непроводящего материала, через горло тепло тоже не может уходить наружу или проникать снаружи внутрь. Горячая пища внутри термоса может сохранять тепло в течение многих часов; точно также холодная пища может оставаться долго холодной, потому что вакуум изолирует ее от теплого воздуха снаружи термоса.

Вкладыши (колбы) термосов раньше изготавливали из стекла, поскольку стекло является хорошим изолятором. Колбы покрывали серебром, так что они были блестящими и хорошо отражали тепло. Такие зеркальные колбы работали очень хорошо – они могли эффективно отражать невидимые лучи тепловой энергии (излучение), отдаваемое горячими предметами.

Однако с такими колбами была одна проблема: стеклянные колбы легко разбиваются. Сегодня колбы для термосов делают из пластмассы или из металла, но такие колбы работают хуже. Кроме того, поскольку вакуум в термосе не совсем идеальный – в нем может находиться какое-то количество воздуха, и поскольку крышки или пробки не обеспечивают идеальной герметизации, термосы не способны сохранять холодные продукты холодными и горячие горячими вечно.

Почему металлические предметы холодные на ощупь?

Главный по почемучкам — Wed, 07 Dec 2011 08:50:19 +0000

Способность тепла переходить от одного материала к другому, называется проводимость. Металл – хороший проводник тепла, а неметаллы – дерево и пластмассы – плохо проводят тепло. Любой металлический предмет в помещении имеет примерно такую же температуру, как и окружающий его воздух. А вот наше тело имеет собственную внутреннюю «печку», которая следит за тем, чтобы его температура была между 36 и 37 °С. Если вы прикоснетесь к металлическому предмету, который окружен воздухом более прохладным, чем ваше тело, этот металлический предмет будет быстро забирать тепло с ваших пальцев.

Поэтому пальцы чувствуют холод. Это ощущение поступает в ваш мозг, который воспринимает это, как то, что металл холодный. (Если вы подержите в руке небольшой металлический предмет, например монету, достаточно долго, то этот предмет поглотит достаточно тепла вашего тела, и вы будете ощущать, что он теплый.) Справедливо и обратное: если вы дотронетесь, например, до капота автомобиля, который стоит в жаркий день на солнце, металл будет проводить свое тепло к вашим пальцам, и вы почувствуете, что капот горячий.

Как работает увеличительное стекло?

Irishka — Sun, 04 Dec 2011 08:21:42 +0000

Увеличительное стекло (лупа)

Увеличительное стекло – это выпуклая линза. Это означает, что она в середине толще, чем по краям. Такая форма изгибает световые волны объектов, которые через нее рассматривают, вследствие чего мы видим их необычным образом. Если увеличительное стекло держать близко к объекту, его световые волны расширяются, прежде чем сфокусируются на наших глазах, и из-за этого объект кажется очень большим.

Но если вы посмотрите через увеличительное стекло на удаленный объект, он будет выглядеть маленьким и перевернутым вверх ногами. Этот эффект объясняется тем, что объект находится не в фокусе линзы. Чем более выпуклой будет линза, тем больше она способна изгибать световые волны и увеличивать. Выпуклые линзы используются также в микроскопах (которые позволяют нам видеть вещи настолько маленькие, что простым глазом увидеть их невозможно), а также в биноклях и телескопах (которые делают удаленные объекты крупнее и ближе к нам).