Богданов К, Къде е заровено кучето, сп. Физика № 20, 2005 г.
2. Какво е прах?
Прахът е много фини твърди частици от органичен или минерален произход, суспендирани във въздуха. Обикновено прахът при висока влажност се превръща в мръсотия. Отделните прахови частици имат размери от 10–9 до 10–4 m и голямо разнообразие от форми. Те могат да носят електрически заряд или да бъдат електрически неутрални. Концентрацията на прах често се изразява като брой частици на единица обем. Най-малко количество прах има по върховете на планините, например в Алпите, концентрацията му е само 200–2000 cm–3. По улиците на големите градове има стотици пъти повече прах, а в жилищните помещения концентрацията му достига 6•10 6 cm -3 . Постоянни източници на прах са някои видове производство, селско стопанство, превозни средства, както и пожари, вулканични изригвания, движещи се ледници и различни бедствия. Прахът причинява щети на промишленото оборудване, намалява качеството на произвежданите продукти и може също да причини голямо разнообразие от заболявания. Следователно изследването на праха е важен научен и технически проблем.
Една от най-големите катастрофи на нашето време, когато повече от 100 000 тона микроскопичен прах се образуват в резултат на срутването на два 450-метрови небостъргача на Световния търговски център
Как да се отървем от праха? За да се елиминира прахът, въздухът преминава през специални прахоуловители, които работят с различни ефекти. Многослойните тъкани филтри на домашните прахосмукачки могат да задържат 99,9% от частиците, по-големи от 1 микрон. Тъй като праховите частици могат да се електрифицират, за отстраняването им често се използват филтри, вътре в които има електрически зареден елемент, който привлича микрочастиците. За по-ефективно обезпрашаване въздухът в помещението се йонизира.
В някои съвременни прахоуловители за битови иза промишлени цели се използва центробежен метод за концентриране на микрочастици. Въздухът в тези устройства се върти, след което праховите частици, изхвърлени от центъра на въртене, се събират в периферията.
Дизайнът на модерна прахосмукачка
Влажният въздух е добър индикатор за прах. Кондензация на влага (образуване на мъгла) от пара може да възникне само върху така наречените кондензационни ядра. Такива ядра са най-малките прашинки, носещи се във въздуха. Следователно, колкото повече прах има във въздуха, толкова по-често и по-гъсти са мъглите. Мъглите, утаяващи се на земята, пречистват въздуха от прах. Въпреки това най-често не е възможно да се отървете от праха чрез утаяване с водна пара. И когато успее, тогава трябва да се борите с мръсотията. Затова физиците сега изследват процеси, които водят до слепване на прахови частици, така че по-късно да могат да бъдат контролирани, превръщайки прахов облак в малко камъче, падащо на земята.
Сили на Ван дер Ваалс. Това са основните сили, които водят до слепване на еднакви молекули и най-малките частици, състоящи се от тях. Ето как работят тези сили.
Неполярна молекула (например О2 или Н2) може да бъде представена като сплеснат елипсоид. Средно броят на електроните в една такава молекула е еднакъв отляво и отдясно.
Въпреки това, дори в неполярна молекула, от време на време един от краищата става отрицателен, а противоположният става положителен. Превръщайки се в дипол за много кратко време, молекулата наелектризира съседната молекула и те се привличат една към друга.
Това са силите на Ван дер Ваалс, които понякога се наричат още дисперсионни сили, т.е. сили, които предотвратяват разпръскването (разпръскването) на твърди вещества и изпаряването на течности. Лесно е да се досетите, че колкото по-голям е размерът на неполярна молекула (например инертен газ), толкова по-голяма еВ рамките на границите стойността на неговия електрически диполен момент може да се промени, оставайки средно равна на нула. Следователно привличането между съседни молекули на съединения с високо молекулно тегло е по-голямо от това на съединения с ниско молекулно тегло, при равни други условия. Това означава, че точката на кипене на течности с високо молекулно тегло трябва да бъде по-висока от тази на течности с ниско молекулно тегло, което е добре известно. За съжаление, физиците все още не са се научили да контролират перфектно силите на Ван дер Ваалс и затова все още не могат незабавно да превърнат облак от въглищен прах в парче въглен.
Кога прахът експлодира? Фактът, че брашното е експлозивно, хората знаят от много дълго време. Достатъчно е да пуснете торба с брашно, така че концентрацията на брашно във въздуха да е повече от 50 g / m 3 и след това "случайно" да запалите кибрит - и неизбежно ще се чуе експлозия. Такива експлозии доста често се случват в асансьори и често са придружени с жертви. Това се дължи на факта, че в брашното има много нишесте, а нишестето е много, много захарни молекули, свързани една с друга. Всяка една от захарните молекули "кладенец" изгаря във въздуха, превръщайки се във въглероден диоксид и вода и отделяйки голямо количество топлина. При нормални условия не е никак лесно да запалите брашното. Това се случва само когато частиците брашно са суспендирани във въздуха и всяка е заобиколена от кислород. При тези условия е лесно за частици, по-малки от 0,1 mm, да се свържат с кислорода и те изгарят с огромна скорост - те детонират. Експлозивът е фин прах от много вещества, които се окисляват в присъствието на кислород.
Космическият прах е вид прах, който преследва астрофизиците. Последните хипотези свързват появата на космически прах със звездни експлозии и твърдят, че този прах е първата твърда материя във Вселената. Смята се, че всички планети са се образували от съсиреци космически прах под въздействието награвитация, въпреки че окончателният модел на тези процеси все още не е изграден. Космическият прах пречи на астрономите да наблюдават, закривайки някои области на звездното небе от тях и създавайки така наречените тъмни мъглявини. В други случаи, напротив, светлината на съседните звезди, разпръсквайки се върху облаци от космически прах, ги прави видими.
Химическият анализ показа, че в космическия прах има много въглерод (5–10%), така че той може да се превърне в източник на въглероден органичен живот на Земята, тъй като средно всеки ден 1 прашинка пада от космоса на 1 m2 от нашата планета, което общо е около 100 тона.
Частиците космически прах, с размерите на частица, която образува дим, са малки роднини на метеоритите - микрометеорити. Астероидите и кометите служат като постоянни доставчици на космически прах на Земята. Малките размери (по-малко от 0,2 mm) позволяват на праховите частици да достигнат земната повърхност, без да изгорят. На Земята космическият прах може да се намери в дълбоководните седименти на дъното на моретата и океаните, в дебелината на арктическия лед и в стратосферата. В околоземна орбита с помощта на Международната космическа станция се изпълнява специална програма за събиране и изследване на космически прах.
Безпилотни космически кораби, които са изследвали околностите на Юпитер и Сатурн, са открили там потоци космически прах, чиито източници са тези гигантски планети. Оказа се, че най-малките прахови частици с размери 2–50 nm се втурват от Сатурн със скорост около 100 km/s. За да се ускорят до такива високи скорости, те се подпомагат от електрически заряд, придобит след взаимодействие със слънчевата радиация, и от магнитното поле на тази планета. Въпреки това, загубите на тези гигантски планети от постоянния "прашен вятър", духащ в космоса, са незначителни. И така, Юпитер губи всяка секунда само от 20 g до 1 kg маса.
Лунният прах е най-изследваният от всички видове космически прах. Много преди астронавтите да кацнат на Луната, учените се чудеха дали има слой прах, витаещ на няколко километра над нейната повърхност. По принцип такъв слой прах може да се появи, ако електростатичната отблъскваща сила на еднакво заредения прах и Луната е равна и гравитационната сила на привличане между тях. Очевидно такъв слой прах би направил процеса на кацане много труден и опасен. Въпреки това, едно просто изчисление, достъпно за всеки гимназист, показва, че равенството на електростатичните сили на отблъскване на Кулон и гравитационните сили, ако има такива, ще бъде валидно за всяко разстояние между Луната и прашинка и следователно там не може да има плътен слой прах.
През 1972 г., след кацане на Луната и ходене по прашната й повърхност, един от американските астронавти (експедицията на Аполо 17), Х. Шмид, си помисли, че мирише на барут наоколо. Причината за това е лунен прах, който се е просмукал в скафандъра на астронавта. Шмид дори започна да киха и разви алергия - лунна версия на сенна хрема. Освен това прахът, полепнал от външната страна на скафандъра, пречи на движението и създава много проблеми при работата на много системи и устройства. Липсата на атмосфера на Луната създаде идеални условия за образуването и запазването на много дебел слой прах там. Първо, всичко, което летеше към Луната, безопасно летеше до нейната повърхност и не изгаряше в атмосферата, както се случва на Земята. Второ, на Луната няма ветрове, реки и дъждовни потоци, което означава, че целият космически прах, смесен с микро- и макрометеорити, лежи там, където е паднал много отдавна или съвсем наскоро.
Микроскопският анализ на лунния прах показа, че това е смес от най-малкия базалтфрагменти, топки и остри парчета от вулканично стъкло с разтопени минерали. След като няколкостотин килограма прах бяха донесени на Земята от американски астронавти, възникнаха проекти за борба с праха по време на следващите кацания на Луната. Оказа се, че лунният прах е много богат на елементарно желязо. На Земята се срещат само железни оксиди, а чистото желязо веднага се окислява и ръждясва.