ЭКСПЕРИМЕНТ  ПО  ОПРЕДЕЛЕНИЮ  СРЕДНИХ  СКОРОСТЕЙ  ПОСТУПАТЕЛЬНОГО  ДВИЖЕНИЯ  МОЛЕКУЛ  ЖИДКОСТИ  И  ГАЗА  В  ОБЫЧНЫХ  АТМОСФЕРНЫХ  УСЛОВИЯХ

Мучулаев  Юрий  Анатольевич

канд.  техн.  наук,  доцент,  Ухтинский  государственный  технический  университет,  РФ,  Республика  Коми,  г.  Ухта

E-mail: 

PROGRESSIVE  MOTION  AVERAGE  VELOCITY  OF  LIQUID  MOLECULES  AND  GASES  IN  ORDINARY  ATMOSPHERIC  CONDITIONS  EXPERIMENT

Yuriy  Muchulaev

candidate  of  Science,  associate  professor,  Ukhta  State  Technical  Univesrity,  Russian  Federation,  the  Republic  of  Komi  Ukhta

АННОТАЦИЯ

С  помощью  чувствительных  торсионных  весов  определена  скорость  выхода  молекул  этанола  из  жидкого  этанола:  2±  0,3  м/с.  Оценочная  скорость  молекул  жидкости  меньше  этой  величины.  Термодинамическое  равновесие  пара  этанола  и  окружающего  воздуха  свидетельствует  о  столь  же  низкой  скорости  поступательного  движения  молекул  воздуха.  Экспериментально  доказано  отсутствие  термо-  и  бароэффектов  в  нормальной  атмосфере.  Выявлено  отсутствие  связи  температуры  вещества  со  скоростью  его  молекул.

ABSTRACT

With  a  help  of  a  delicate  torsion  balance  ethanol  molecules’  exit  velocity  from  liquid  ethanol  has  been  defined:  2±  0,3  ms.  The  evaluation  speed  of  liquid  molecules  is  less  than  that  value.  Thermodynamic  equilibrium  of  ethanol  vapor  and  ambient  air  gives  evidence  of  an  equally  low  velocity  of  air  molecules’  progressive  motion.  Absence  of  thermal  and  baric  effects  in  standard  atmosphere  has  been  experimentally  proved.  Freedom  of  substance  temperature  from  its  molecules’  velocity  has  been  elicited. 

Ключевые  слова:  эксперимент;  экспериментальный  стенд;  скорость  молекул  жидкости;  скорость  молекул  воздуха;  обычные  атмосферные  условия;  термо-  и  бароэффекты. 

Keywords:  experiment;  test  stand;  speed  of  liquid  molecules;  speed  of  air  molecules;  ordinary  atmospheric  conditions;  thermal  effect;  baric  effect. 

Представления  о  молекулярном  движении  в  воздухе,  воде  и  других  жидкостях  базируются  на  основном  уравнении  молекулярно-кинетической  теории  идеального  газа  и  на  законе  Максвелла  о  распределения  молекул  идеального  газа  по  скоростям.  В  соответствии  с  этими  теоретическими  представлениями  молекулы  воздуха  имеют  скорости  поступательного  хаотического  движения  в  среднем  около  500  м/с.  Экспериментальные  подтверждения  такой  скорости  молекул  воздуха  отсутствуют.  Поступательное  хаотическое  движение  молекул  в  жидкостях  постулируется,  но  величины  скоростей  не  известны  ни  теоретически,  ни  экспериментально.  Поэтому  постановка  экспериментов  в  этом  направлении  актуальна.

Идея  описываемого  эксперимента  заключается  в  следующем.  Есть  уникальный  момент  в  хаотическом  движении  молекул  жидкости:  момент,  когда  молекула  покидает  жидкость  в  процессе  испарения.  В  этот  момент  движение  молекулы  не  вполне  хаотично,  а  именно-молекула  вылетает  из  жидкости  в  направлении  от  поверхности  жидкости. 

Известно,  что  молекула  жидкости  может  получить  от  соседних  молекул  толчок  (импульс),  который  позволит  молекуле  преодолеть  поверхностный  потенциальный  барьер  жидкости  и  выйти  в  окружающую  воздушную  среду.  По  фундаментальному  закону  сохранения  импульса  системы  выброс  жидкостью  молекулы  должен  сопровождаться  таким  же  по  величине  импульсом  противоположного  направления.  Иначе  говоря,  жидкость  получает  при  испарении  импульсы  отдачи,  которые  можно  измерить,  если  создать  соответствующий  чувствительный  прибор  и  использовать  суммарный  эффект  многократных  единичных  испарений.  По  измеренному  импульсу  можно  определить  среднюю  скорость  молекул,  покидающих  жидкость.  Зная  скорость  молекул,  вышедших  в  воздушную  среду,  и  изучив  взаимодействие  этих  молекул  с  воздушной  средой,  можно  получить  сведения  о  скорости  молекул  воздуха.

Для  эксперимента  разработан  и  изготовлен  стенд,  схема  которого  изображена  на  рисунке  1.  Основа  стенда  —  легкая  крыльчатка,  подвешенная  в  вертикальной  плоскости  на  тонкой  упругой  (торсионной)  нити,  на  одной  стороне  левого  крыла  и  на  другой  стороне  правого  крыла  которой  наклеены  кусочки  ткани,  которые  можно  пропитать  испаряющейся  жидкостью.  В  качестве  такой  жидкости  избран  этиловый  спирт  —  этанол,  который  довольно  легко  испаряется  и  пары  которого  в  небольших  количествах  не  слишком  вредны  для  здоровья.  Импульсы  отдачи  при  испарении  этанола  с  поверхностей  крыльчатки  должны  создавать  пару  сил.

Рисунок  1.  Схема  стенда  скручивающих  нить  подвески

Измеряя  угол  закручивания  нити,  зная  крутильную  жесткость  торсионной  нити  и  интенсивность  испарения  этанола  можно  расчетом  определить  скорость,  с  которой  молекулы  покидают  жидкость.

Крыльчатка  изготовлена  из  листового  алюминия  толщиной  0,8  мм.  Тканевые  накладки  выполнены  из  технической  хлопчатобумажной  ткани  толщиной  0,6  мм.  Эта  ткань  обладает  хорошими  капиллярными  свойствами  (свойствами  фитиля)  и  может  поднимать  этанол  на  высоту  до  60  мм.  Чувствительность  приборов  такого  типа  определяется  жесткостью  торсионной  нити,  поэтому  использована  весьма  тонкая  (0,09  мм)  и  длинная  (1200  мм)  нить  нихрома.

Чувствительность  прибора  настолько  высока,  что  пара  сил  всего  по  0,1  мкН  (0,01  мгс)  вызовет  поворот  крыльчатки  на  один  градус  (расчет  приведен  далее). 

Для  регистрации  угла  поворота  крыльчатки  применен  лазер,  который  направляет  луч  на  зеркальце  крыльчатки.  Отраженный  от  зеркальца  крыльчатки  луч  лазера  падает  на  плоский  экран  с  угловой  шкалой.  Узел  установки  лазера  обеспечен  для  регулировки  четырьмя  степенями  свободы,  узел  подвески  торсионной  нити  имеет  для  настройки  3  степени  свободы. 

Экран  в  виде  круглой  пластины,  оклеенной  фольгой,  имеет  три  степени  свободы  для  согласования  его  расположения  с  расположением  оси  вращения  крыльчатки  и  имеет  для  этого  в  центре  шип  диаметром  2,5  мм  высотой  3  мм.

Диаметр  экрана  685  мм  позволил  нанести  угловые  метки  через  каждый  градус  при  расстоянии  между  метками  6  мм.  Пятно  света  от  лазера  имеет  ширину  около  3  мм,  что  позволяет  обеспечить  низкую  погрешность  отсчета  угла  поворота  крыльчатки  —  0,5  градуса. 

Более  подробно  устройство  крыльчатки  показано  на  рисунке  2.  Пластина  крыльчатки  имеет  размеры  55х110  мм;  размеры  свободной  для  испарения  этанола  поверхности  каждой  тканевой  накладки  35х35  мм.  Нижние  концы  тканевых  накладок  входят  в  резервуары  и  выстилают  донышки  резервуаров.

Объем  каждого  резервуара  равен  1,5  см³.  Расстояние  между  центрами  накладок  70  мм.  Нижний  отросток  крыльчатки  служит  ориентиром  для  установки  экрана.  Масса  крыльчатки  16  г.  Для  удобства  проведения  работ  стенд  включает  своеобразный  арретир  —  цилиндрическую  обойму  диаметром  80  мм,  по  периметру  которой  закреплены  вертикальные  иглы  диаметром  0,3  мм  с  шагом  3  мм.  Обойма  имеет  привод  вертикального  перемещения. 

При  опускании  обоймы  иглы  проходят  мимо  плоскости  крыльчатки  и  крыльчатка  оказывается  лишенной  свободы  крыльчатки  и  накладки  поворот  арретированной  крыльчатки  ограничен  тремя  градусами.  Наличие  арретира  позволяет  осуществлять  заправку  резервуаров  этанолом  с  помощью  длинной  иглы  с  мерным  баллончиком,  не  касаясь  крыльчатки.  Для  этого  же  верхние  плоскости  резервуаров  имеют  уклоны  в  стороны  накладок.  Все  это  важно  для  такого  чувствительного  прибора.

Рисунок  2.  Эскиз  крыльчатки  вращения.  С  учетом  толщин

Рассмотрим  работу  прибора  сначала  теоретически.

Подвижная  крыльчатка  способна  накапливать  разновременные  импульсы  отдачи  от  испаряемых  молекул  и  суммировать  их  с  импульсом  сопротивления  закручиванию  торсионной  нити. 

С  началом  испарения  жидкости  крыльчатка  под  действием  импульсов  отдачи  ,  приложенных  условно  в  центрах  площадок  испарения,  начнет  поворачиваться,  скручивая  нить  подвески.  Это  вызовет  появление  момента  сопротивления  ,  который  можно  представить  как  пару  сил  ,  действующих  на  плече  ,  равном  расстоянию  между  центрами  площадок  испарения.  При  некотором  равновесном  угле    поворота  крыльчатки  наступит  динамическое  равновесие,  когда  за  любой,  не  слишком  малый,  период  времени    изменение    импульса  отдачи  и  изменение  импульса  сопротивления  ,  приходящихся  на  каждое  крыло,  станут  равными: 

  _;  (1) 

Очевидно,  что  приращение  импульса  отдачи: 

  ;  (2)

где:  i  —  интенсивность  испарения  этанола  с  каждого  крыла  крыльчатки,  кг/с;

U  —  скорость  выхода  молекул  этанола  из  испаряющейся  жидкости,  м/с;

k  —  коэффициент,  учитывающий  разнонаправленность  выхода  молекул. 

Приращение  импульса  сопротивления  за  тот  же  период  времени  : 

  ;  (3)

  а  т.  к.  ,  где  s  —  жесткость  при  кручении  нити  подвески,  Нм/град, 

  ;  (4) 

Приравняв  (2)  и  (4)  ,  получим  выражение  для  расчетного  угла  поворота  крыльчатки:

  ;  (5)

Выявим  численные  значения  величин,  входящих  в  выражение  (5).

Для  определения  интенсивности  испарения  этанола  использовалась  модель  одного  крыла  крыльчатки,  с  одним  резервуаром,  которая  устанавливалась  в  рабочем  (вертикальном)  положении  на  чашу  квадрантных  лабораторных  весов  марки  ВК-500,  отмечались  показания  весов  каждые  2..3  минуты.  По  полученным  данным  строился  график,  и  выводилась  средняя  интенсивность  испарения  этанола  с  этой  модели  крыла  крыльчатки.  Эксперименты  с  разными  количествами  этанола  показали,  что  заправка  резервуара  этанолом  в  количестве  0,2  г  недостаточна  для  получения  устойчивого,  достаточно  длительного  периода  постоянной  интенсивности  испарения  этанола.  Количество  этанола  0,4  г  оптимально  для  получения  надежного  результата  при  не  слишком  длительном  эксперименте  —  до  50…60  минут.  График  процесса  испарения  0,4  г  этанола  с  поверхности  ткани  модели  крыла  крыльчатки  приведен  на  рисунке  3.

Рисунок  3.  График  процесса  испарения  этанола

На  графике  выделяется  период  с  третьей  по  двадцать  третью  минуты  процесса,  отличающийся  постоянной  интенсивностью  испарения  этанола.  В  результате  обработки  этих  данных  получена  величина  интенсивности  испарения  этанола:  i  =  2,29·10^–7  кг/с. 

Сведения  о  величине  скорости  молекул  жидкостей  в  процессе  их  теплового  движения,  а  также  в  моменты  их  выхода  из  испаряющейся  жидкости  или  способах  ее  расчета  в  литературных  источниках  отсутствуют.  Однако  можно  утверждать,  что  скорость  выхода  молекул  и  скорость  этих  молекул  в  среде  пара  над  этой  жидкостью  одинаковы.  Следовательно,  нужны  данные  по  температуре  пара  этанола  вблизи  поверхности  испарения,  чтобы  по  этой  температуре  вычислить  теоретическое  значение  средней  скорости  молекул  пара.  В  литературных  источниках  эти  данные  отсутствуют,  хотя  из  практики  известно,  что  пары  воды,  бензина,  спирта  не  вызывают  заметного  охлаждения  окружающего  воздуха.  Заметно  охлаждается  только  сама  испаряющаяся  жидкость.  Представление  о  степени  охлаждения  жидкости  при  испарении  дает  психрометрический  опыт:  термопара,  обернутая  тонкой  бязью,  смоченной  этанолом,  показывает  температуру  10,5  ºС  при  температуре  воздуха  в  помещении  22  ºС.

Температура  пара  этанола  вблизи  крыльев  крыльчатки  определена  экспериментально  на  модели  крыла  крыльчатки,  заправленной  этанолом.  Модель  повторяла  конструкцию  и  размеры  крыла  крыльчатки,  температура  измерялась  термопарой.

Сначала  термопара  устанавливалась  на  пластине  модели  с  помощью  приклеиваемого  кусочка  пенопласта.  Далее  —  на  некотором  расстоянии  от  центра  тканевой  накладки.  Кроме  того,  подобное  измерение  осуществлялось  и  с  противоположной  стороны  —  возле  центра  пластины  модели  —  для  контроля  величины  разности  температур  по  обе  стороны  модели  крыла  крыльчатки. 

Искусственный  обдув  поверхности  испарения  отсутствовал,  температура  воздуха  в  помещении  была  равна  22  ºС. 

Интересно  оценить  количество  пара  этанола.  Перерасчет  полученной  массовой  интенсивности  испарения  этанола  на  объемную  интенсивность  дает  результат  7,14  см³/мин.  При  такой  интенсивности  испарения  крыло  крыльчатки  уже  за  первые  10  минут  эксперимента  будет  окружено  облаком  пара  этанола  объемом  76  см³  (плотностью  1,92  кг/м³).  Можно  ожидать,  что  замер  температуры  в  2  мм  от  тканевой  накладки  даст  температуру  пара  этанола,  а  не  температуру  окружающего  воздуха. 

Для  надежности  замера  температуры  вблизи  поверхности  небольшого  размера  проводки  термопары  были  изогнуты  в  виде  буквы  S;  плоскость  этой  части  термопары  располагалась  параллельно  исследуемой  поверхности.  Расстояния  термопары  от  поверхностей  крыла  модели  крыльчатки  менялись  от  2  до  40  мм.  Наблюдения  показали,  что  достаточно  выдержки  двух  минут  для  наступления  стабильного  показания  прибора.  Результаты  измерения  приведены  в  таблице.

Таблица  1.

Температуры  пара  этанола  вблизи  крыльчатки,  К  (ºС)

Приведенные  в  таблице  результаты  измерения  показывают,  что  зона  влияния  пара  этанола  на  температуру  среды  довольно  значительна  —  до  30  мм.

Следовательно,  можно  предположить,  что  на  расстоянии  2  мм  от  поверхности  испарения  существуют  почти  исключительно  молекулы  этанола  и  соответствующая  температура  пара  может  быть  принята  для  расчета  скорости  выхода  молекул  этанола  из  жидкого  этанола.  Об  этом  же  свидетельствуют  приведенные  выше  данные  об  объеме  пара  этанола. 

Следует  отметить,  что  видимые  проявления  низкой  температуры  пара  этанола  отсутствовали;  не  было  даже  легчайшего  туманообразования  около  поверхности  испарения,  несмотря  на  немалую,  относительную  влажность  воздуха  в  помещении  —  около  60  %.

Итак,  для  расчета  среднеквадратичной  скорости  V_Э  выхода  молекул  этанола  можно  принять  температуру  пара  этанола  в  2  мм  от  тканевой  накладки,  т.  е.  291  К,  и  использовать  известное  выражение  [1]  для  среднеквадратичной  скорости  молекул  газа: 

;

где:  R_Э  —  газовая  постоянная  пара  этанола,  Дж/(кг·К);

T_Э  —  абсолютная  температура  пара  этанола,  К.

Газовая  постоянная  пара  этанола  рассчитана  по  универсальной  газовой  постоянной  и  молекулярной  массе  этанола;  в  результате  R_Э  =  181  Дж/(кг·К),  а  V_Э  =397,5  м/с.

Для  сравнения  рассчитана  по  такой  же  формуле  среднеквадратичная  скорость  V_В  молекул  воздуха  при  названной  выше  температуре  воздуха  помещения  T_В  =  295  К;  R_В  =  287  Дж/(кг·К),  следовательно,  V_В  =  504  м/с. 

Как  видим,  скорости  молекул  пара  этанола  и  воздуха  не  слишком  сильно  отличаются:  всего  в  1,27  раза.  Это  сравнение  понадобится  нам  далее.

Для  определения  крутильной  жесткости  нити  был  собран  простейший  стенд  с  короткой  нитью,  длиной  110  мм,  расположенной  горизонтально  и  надежно  соединенной  концами  с  тонкими  иглами-валиками,  вращающимися  в  опорах.  На  одном  валике  был  закреплен  двуплечий  уравновешенный  рычаг  для  грузиков  от  стандартного  комплекта  разновесов,  на  другом  валике  была  закреплена  рукоятка,  поворачивающая  валик  и  скручивающая  таким  образом  торсионную  нить  для  удержания  рычага  с  грузиком  в  горизонтальном  положении.  При  грузике  50  мг  на  плече  30  мм  угол  скручивания  нити  составил  170  градусов;  что  соответствует  жесткости  нити  при  кручении  8,8·10^–8  Нм/град.  Расчет  крутильной  жесткости  торсионной  нити  по  формулам  сопротивления  материалов  дает  практически  ту  же  величину;  предпочтем  для  расчета  экспериментально  выявленный  показатель  жесткости. 

  Пересчетом  с  длины  110  мм  на  длину  1200  мм  получаем  показатель  жесткости  торсионной  нити  стенда  s  =  0,808·10^–8  Нм/град.

Для  оценки  чувствительности  стенда  вычислим  соотношение  силы,  действующей  на  крыло  крыльчатки  и  угла  поворота  ее.

    (6)

При  φ  =  1  град,  величина  силы,  вызвавшей  такой  поворот,  равна  11,5·10^–8  Н  или  0,0115  мгс.

Входящий  в  выражение  (5)  коэффициент  k  принят  равным  0,5  по  результатам  интегрирования  полусферического  векторного  пространства  [4]  .

Подставив  полученные  значения  в  выражение  (5),  получим  теоретическое  значение  угла  закрутки  торсионной  нити,  т.  е.  и  угла  поворота  крыльчатки:

394º

Рассмотрим  ход  эксперимента.  Сначала  крыльчатка  осторожно  арретировалась  в  начальном  равновесном  угловом  положении  Θ₁,  резервуарчики  заполнялись  по  0,4  г  этанола  из  пипетки.  Процесс  капиллярного  подъема  этанола  по  накладкам  явственно  наблюдался  потемнением  накладок,  продолжительность  подъема  этанола  составила  30  с.  Затем  арретирование  осторожно  снималось.  Крыльчатка  начинала  медленно  поворачиваться  сначала  в  одну,  затем  в  другую  сторону.  За  4…6  периодов  влияние  первоначального  толчка  от  арретира  прекращалось,  и  колебания  приобретали  «рабочий»  характер.  В  журнале  наблюдений  фиксировались  крайние  положения  светового  пятна  на  угловой  шкале  устройства. 

График  колебаний  крыльчатки  представлен  на  рисунке  4. 

Поворот  крыльчатки  от  усилий  отдачи  при  испарении  соответствует  перемещению  светового  пятна  по  экрану  вправо,  поэтому  этим  угловым  отклонениям  крыльчатки  присвоено  название  «правых  угловых  отклонений»  в  отличие  от  обратных  «левых  угловых  отклонений».  Фиксировалось  каждое  колебание  крыльчатки,  в  течение  каждых  5  минут  эксперимента  общей  длительностью  55  минут.  Период  колебаний  составлял  около  37  с,  и  за  5  минут  таких  колебаний  набиралось  около  8…9.  Для  упрощения  на  графике  приведены  данные  только  8  колебаний,  а  пара  левых-правых  поворотов  отмечалась  на  одной  временной  вертикали  графика. 

Важно,  что  за  период  эксперимента  крыльчатка  не  подвергалась  никаким  воздействиям:  не  проводились  регулировки  прибора,  не  производилась  дозаправка  прибора  этанолом,  не  выполнялось  арретирование  крыльчатки. 

Двойные  двери  помещения,  перекрытые  люки  вентиляции,  маловетренная  маловетреная  погода  способствовали  объективности  исследования. 

Рисунок  4.  График  колебаний  крыльчатки;  а  —  правые  угловые  отклонения  крыльчатки;  б  —  левые  угловые  отклонения  крыльчатки;  в  —  средние  значения  угловых  положений  крыльчатки

Экспериментатор  находился  в  2-х  метрах  от  стенда,  а  лазерная  индикация  обеспечивала  дистанционность  фиксации  показаний  прибора.

Конечно,  невозможно  было  устранить  естественную  инфильтрацию  воздуха  через  стены  помещения  и  конвективные  потоки  воздуха  от  отопительных  приборов.  Это  существенно  влияло  на  амплитуду  колебаний  крыльчатки,  что  и  отражено  на  графике. 

Обработка  графика  колебаний  крыльчатки  состояла  в  нанесении  средних  величин  угловых  положений  крыльчатки  для  каждой  пары  правых-левых  отклонений,  т.к.  очевидно,  что  крутильные  колебания  крыльчатки  должны  быть  приблизительно  симметричными;  проведена  ломаная  линия  «б»  по  этим  точкам. 

Большое  количество  проведенных  экспериментов  накопило  опыт  анализа  этих  довольно  хаотичных  картин. 

С  учетом  этого  опыта  можно  на  графике  выделить  четыре  зоны:

·зону  с  3-й  по  16-ю  минуты  с  относительно  постоянной  интенсивностью  испарения  этанола;

·зону  с  16-ой  по  22-ю  минуты  снижения  интенсивности  испарения;

·зону  с  22-ой  по  40-ую  минуты  колебаний  крыльчатки  уже  с  сухими  тканевыми  накладками  при  уменьшенных  амплитудах  колебаний;

·зону  с  40-ой  по  55-ую  минуты  колебаний  крыльчатки  с  сухими  накладками  и  со  сравнительно  малыми  амплитудами  колебаний.

В  расчет  взяты  первая  и  четвертая  зоны  графика,  в  них  проведены  горизонтальные  пунктирные  (крупные  точки)  линии  средних  значений  средних  положений  крыльчатки.  В  первой  это  значение  равно  89º,  в  четвертой  зоне  —  87º.  Разность  этих  значений,  т.е.  экспериментальное  значение  угла  поворота    крыльчатки,  вызванное  отдачей  при  испарении,  составила  2º.  По  анализу  графика  можно  с  уверенность  утверждать,  что  погрешность  определения  этих  углов  не  превышает  ±  0,3º.

Можно  также  отметить  большую  амплитуду  колебаний  крыльчатки  в  период  интенсивного  испарения  этанола  по  сравнению  с  периодом  колебаний  крыльчатки  после  испарения  этанола. 

Конечно,  такое  большое,  на  два  порядка,  отличие  расчетного  (ожидаемого)    угла  поворота  крыльчатки  и  экспериментально  полученного    угла  поворота  крыльчатки  вызывает  много  вопросов,  в  том  числе  и  о  соответствующей  экспериментальной  величине    скорости  выхода  молекул  этанола  при  испарении.

Выражение  (5)  после  преобразования  позволяет  рассчитать  действительную  («экспериментальную»)  среднюю  скорость  выхода  молекул  этанола  из  жидкого  этанола  в  процессе  испарения:

С  учетом  погрешности  определения  углов  положений  крыльчатки  скорость  выхода  молекул  этанола  в  условиях  этого  эксперимента  составила  2  ±  0,3  м/с. 

Многие  оппонирующие  физики  высокого  уровня  в  поисках  причин  расхождения  эксперимента  и  теории  указывали  на  возможность  влияния  повышенного  давления  над  поверхностью  испарения  этанола  или  влияния  испарительного  охлаждения  на  поведение  крыльчатки.  Это  называлось  возможностью  проявления  термо-  и  бароэффектов,  хотя  в  литературных  источниках  упоминается  такие  эффекты  только  для  условий  глубокого  вакуума.

Для  проверки  этих,  хотя  и  необоснованных,  предположений  были  поставлены  дополнительные  исследования  для  проверки  возможности  возникновения  повышенного  давления  или  разрежения  в  зоне  испарения  этанола  и  влияния  на  поведение  крыльчатки  разности  температур  между  воздухом  и  крыльчаткой  из-за  испарительного  охлаждения  в  5  ºС  и  разности  температур  по  обе  стороны  крыльчатки  не  превышающей  0,6  ºС,  тормозящих  поворот  крыльчатки  на  394  º.

Экспериментальный  стенд  был  дополнен  кассетным  приспособлением,  позволяющим  провести  проверку  воздействия  паров  этанола  на  крыльчатку,  а  именно  —  существует  ли  повышенное  давление  или  разрежение  в  зоне  парообразования  этанола.  Схема  такого  эксперимента  приведена  на  рисунке  5. 

В  этом  эксперименте  крыльчатка  исполняет  пассивную  роль  датчика  давления

Рисунок  5.  Схема  эксперимента  с  источниками  пара  этанола

и  тканевые  накладки  крыльчатки  не  смачивались  этанолом,  а  источники  пара  этанола  располагались  на  платформе  кассетного  приспособления.  Источники  пара  по  конструкции  были  идентичны  крыльям  крыльчатки.  Источники  пара,  а  также  и  другие  блоки  могут  перемещаться  для  установки  различных  номинальных  зазоров  между  блоком  и  крылом  крыльчатки.  Величина  зазора  была  принята  равной  2  мм. 

Кассетное  приспособление  выполнено  с  поворотной  платформой,  для  чего  она  имеет  центральное  отверстие,  которым  насаживается  на  упомянутый  выше  короткий  шип  экрана.  Благодаря  возможности  поворота  платформы  установка  в  кассеты  различных  блоков  (источников  воздействия)  производится  на  удалении  от  крыльчатки,  без  влияния  на  положение  крыльчатки,  что  показано  на  рисунке  6.  Источники  пара  устанавливались  в  кассетное  приспособление  в  удалении  от  арретированной  в  равновесном  положении  крыльчатки  сначала  без

Заправки  этанолом  их  резервуаров.  Затем  платформа  очень  медленно  поворачивалась  до  положения,  показанного  на  рисунке  5.  арретирование  крыльчатки  снималось. 

Крыльчатка  оставалась  неподвижной,  не  совершая  колебаний.  Затем  производился  поворот  платформы  приспособления  на  10  градусов  в  сторону  крыльчатку  до  соприкосновения  краев  крыльчатки  с  поверхностями  источников  воздействия.  сближения  поверхностей  (натяг),  как  это  показано  на  рисунке  7. 

Рисунок  6.  Схема  взаимного  расположения  элементов  устройства

На  рисунке  изображено,  что  сопротивляющаяся  скручиванию  торсионная  нить  повернула 

Рисунок  7.  Схема  начального  положения  крыльчатки

Затем  поворотом  платформы  источники  пара  удалялись  от  крыльчатки,  емкости  источников  заправлялись  этанолом  по  0,4  г  каждая  и  платформа  вновь  поворачивалась  на  упомянутые  10  градусов  натяга.  Крыльчатка  не  реагировала  на  наличие  паров  этанола.  С  учетом  высокой  чувствительности  прибора  это  свидетельствовало  об  отсутствии  сколько-нибудь  существенного  для  данного  эксперимента  избыточного  давления  пара  этанола  над  поверхностью  испарения,  по  крайней  мере,  давление  с  учетом  зависимости  (6)  не  превышало  0,94·10^–8  атм.

Отвод  источников  пара  этанола  до  начального  (равновесного)  положения  крыльчатки  сопровождался  поворотом  крыльчатки  без  ее  колебаний  и  в  этом  положении  восстанавливался  первоначально  заданный  зазор  2  мм;  крыльчатка  не  совершала  никаких  движений.  Продолжение  поворота  платформы  для  удаления  источников  пара  не  приводил  к  следованию  крыльчатки  за  поворачивающимися  источниками  пара,  что  свидетельствует  об  отсутствии  разрежения  над  поверхностью  испарения  этанола.  Колебания  крыльчатки  восстанавливались.

Подобный  эксперимент  был  проведен  с  установкой  в  кассетное  устройство  источников  тепла  в  виде  алюминиевых  пластин  толщиной  12  мм,  размерами  40х40  мм.  Схема  эксперимента  аналогична  приведенной  на  рисунке  5.

Пластины  устанавливались  в  кассетное  приспособление  сначала  не  нагретыми,  потом  нагретыми  до  30º  С,  т.  е.  на  10  ºС  выше  температуры  крыльчатки,  с  тем  же  зазором  2  мм.  Аналогичные  манипуляции  с  этими  блоками  выявили  отсутствие  повышенного  давления  или  разрежения  воздуха  около  нагретой  поверхности  при  указанной  температуре.  Точнее,  это  выявило  отсутствие  влияния  на  положения  крыльчатки  в  основном  эксперименте  разностей  температур  по  обе  стороны  крыльев  крыльчатки  и  разности  температур  между  поверхностями  крыльчатки  и  окружающего  воздуха.  То  есть  влияние  испарительного  охлаждения  крыльчатки  отсутствовало.

В  результате  можно  утверждать,  что  выполненный  эксперимент  соответствовал  намерению:  измерено  усилие  отдачи  при  испарении  этанола,  выявлено  отсутствие  термо-  и  бароэффектов.  Следовательно,  на  движение  крыльчатки,  на  углы  ее  поворота,  влияли  только  силы  отдачи  от  молекул,  выбрасываемых  жидким  этанолом.  Определенная  на  этой  базе  скорость  выхода  молекул  этанола  из  жидкого  этанола  действительно  равна  2  ±  0,3  м/с.

Взаимодействие  медленных  (2  м/с)  молекул  этанола  с  теоретически  быстрыми  (около  500  м/с)  молекулами  воздуха  не  сопровождалось  ни  бурной  конвекцией,  ни  туманообразованием,  ни  конденсацией  паров  воды,  находящихся  в  воздухе,  ни  конденсацией  самого  воздуха.  Это  свидетельствует  о  близких  энергетических  состояниях  паров  этанола  и  воздуха.  Если  энергетическое  состояние  паро-  и  газовых  сред  определяется  скоростью  поступательного  движения  молекул  этих  сред,  то  следует  утверждать,  что  скорость  молекул  воздуха  близка  к  скорости  молекул  этанола,  т.  е.  к  2  м/с.  Или,  с  поправкой  на  различие  молекулярных  масс,  эта  скорость  должна  составлять  2,6  ±  0,4  м/с.

Косвенным  доказательством  реальности  такой  средней  скорости  движения  молекул  воздуха  при  обычных  атмосферных  условиях  является  расчет  показателей  молекулярной  бомбардировки  стенок  емкости  при  скорости  молекул  около  500  м/с.  Этот  простой  расчет,  впервые  выполненный  автором  и  опубликованный  в  Интернете  несколько  лет  назад  [2],  дал  такой  результат:  каждую  секунду  на  каждый  квадратный  сантиметр  поверхности  всех  твердых  и  жидких  тел  обрушиваются  10  г  молекул  воздуха,  имеющих  среднюю  скорость  около  500  м/с.  Это  соответствует  колоссальной  величине  плотности  кинетической  энергии  молекулярной  бомбардировки:  1,25  кВт/см².  Трудно  утверждать  возможность  существования  не  только  жизни  в  такой  атмосфере,  но  и  даже  существования  самих  твердых  и  жидких  тел.

Следует  упомянуть  и  о  монографии  [3],  в  которой  изложены  методики  и  результаты  экспериментов  по  определению  давления  паров.  Эксперименты  проводились  в  условий  вакуума,  описаны  опыты  с  установками,  содержащими  рабочий  элемент  типа  сегреневого  колеса,  из  сопел  которого  тангенциально  выходили  пары  жидкости.  В  таких  экспериментах  эффект  отдачи  тоже  должен  был  бы  иметь  место,  но  об  этом  ничего  не  сказано,  как  будто  эффект  отдачи  предполагался  незначительным  или  вообще  не  был  осмыслен.  Но  сходимость  результатов  в  методике  с  «сегреневым»  колесом  и  по  другим  методикам  подтверждает  ничтожность  эффекта  отдачи  при  испарении,  т.  е.  косвенно  подтверждает  реальность  полученных  в  настоящей  работе  результатов. 

Полученная  в  описанных  экспериментах  скорость  вылета  молекул  этанола  из  жидкого  этанола  предопределяет  необходимость  оценки  скорости  молекул  этанола  в  жидкости  величиной  несколько  менее  2  м/с,  поскольку  в  жидкости  при  ее  испарении  остаются  более  медленные  молекулы.  Косвенным  подтверждением  такой  низкой  скорости  молекул  в  жидкости  является  известный,  хотя  и  не  обсуждаемый,  факт  отсутствия  кинетической  составляющей  давления  жидкости  на  стенки  емкости.

  Традиционная  теория  связывает  температуру  идеального  газа  и  среднеквадратичную  скорость  его  молекул  уже  приведенным  выше  и  расшифрованным  соотношением  .  Но  в  данном  эксперименте  с  реальным  газом  (воздухом)  и  реальным  паром  (паром  этанола)  это  соответствие  нарушено.  Так,  скорость  молекул  этанола  2  м/с  в  паровой  фазе  соответствует  абсолютной  температуре  пара  около  нуля  (;  ).  Экспериментально  измеренная  температура  этого  пара  291  К.  Большее  доверие  вызывает  измеренная  прибором  температура  291  К.  То  же  самое  относится  и  к  температуре  воздуха  в  этом  эксперименте.

Возможно,  что  энергетика  реального  газа  —  воздуха  —  (скорость  молекул,  температура,  количество  теплоты)  определяется  более  глубинными,  пока  еще 

не  выявленными  свойствами  молекул,  а  тепловое  движение  молекул  воздуха  является  следствием  этих  свойств. 

Результаты  экспериментов  в  связи  с  их  высокой  значимостью  относятся  не  только  к  воздуху  и  этанолу,  но  и  к  другим  жидкостям  и  газам.

Проведенные  эксперименты  и  расчеты  позволяют  сделать  следующие  фундаментальные  выводы.

Выводы

1.Средняя  скорость  выхода  молекул  из  жидкого  этанола  при  его  испарении  в  условиях,  близких  к  нормальной  атмосфере,  равна  2  ±  0,3  м/с.

2.Средняя  скорость  поступательного  хаотического  движения  молекул  этанола  в  жидком  этаноле  при  температуре,  близкой  к  15  ºС,  несколько  ниже  2  м/с. 

3.Средняя  скорость  поступательного  хаотического  движения  молекул  воздуха  в  условиях,  близких  к  нормальным  атмосферным,  составляет  ориентировочно  3  м/с. 

4.Полученные  результаты  в  связи  с  их  значительностью  могут  быть  отнесены  не  только  к  этанолу  и  воздуху,  но  и  к  другим  жидкостям  и  газам.

5.Температура  воздуха  не  является  функцией  кинетической  энергии  поступательного  хаотического  движения  его  молекул.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические  и  экспериментальные  исследования  продолжаются,  в  сборниках  трудов  УГТУ  изложена  концепция  новой  молекулярной  теории,  не  использующей  традиционные  кинетические  принципы.  Круг  обсуждения  этих  работ  чрезвычайно  узок,  хотя  и  полезен.  Возможно,  что  публикация  этого  доклада  привлечет  интерес  творческих  ученых  для  дальнейшего  и  более  быстрого  развития  этого  направления  молекулярной  физики.

Список  литературы:

1. Кухлинг  Х.  Справочник  по  физике.  Пер  с  нем.  М.  Мир.  1982.  —  520  с.
2. Мучулаев  Ю.А.  Неожиданный  результат  эксперимента  по  определению  скорости  выхода  молекулы  из  жидкости  при  испарении.  2008  г.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.314159.ru/muchulaev/muchulaev1.htm  (дата  обращения  20.10.2013).
3. Несмеянов  А.В.  Давление  пара  химических  элементов.  М.  АН  СССР.  1961.  —  396  с. 
4. Савельев  И.В.  Курс  общей  физики.  Учеб.  Пособие.  В  3-х  т.  Т.  1  Механика.  Молекулярная  физика.  3-е  изд.,  испр.  М.  Наука.  Гл.  ред.  физ.  мат.  лит.  1986.  —  432  с.