02 Сборник Камзеевой

Кристаллические  твёрдые тела характеризуются наличием строгого порядка в расположении атомов (молекул). Для большинства же знакомых нам жидкостей характерно отсутствие порядка в расположении молекул.

Однако в природе встречаются вещества, обладающие одновременно основными свойствами кристалла и жидкости. С одной стороны, эти вещества текучи как жидкости. С другой стороны, они характеризуются порядком в расположении молекул и, соответственно, анизотропией физических свойств (зависимостью оптических, электрических и других свойств от направления в веществе). Такие вещества называются жидкими кристаллами.

Первое жидкокристаллическое соединение, холестерилбензоат, было открыто австрийским учёным Рейнитцером. Рейнитцер обнаружил, что при температуре плавления, равной $145^\\circ C$, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая затем при $179^\\circ C$ становилась прозрачной. Поражённый этим необычным явлением, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбензоата. Исследуя препараты при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной, а прозрачная -- изотропной.

Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют, например, длинную нитевидную форму. Нитевидные молекулы расположены параллельно друг другу, однако беспорядочно сдвинуты, т.е. порядок, в отличие от обычных кристаллов, существует только в одном направлении. Физические свойства жидкого кристалла (например, его прозрачность при прохождении светового луча) зависят от направления в кристалле. Это используется при создании жидкокристаллических экранов телевизоров.
 

Вторая по удалённости от Солнца планета в Солнечной системе, Венера — самая яркая из планет, наблюдаемых с
Земли, По этой причине её изучали с незапамятных времён: первые записи о ней появились ещё у вавилонян. Рим-
ляне видели в Венере богиню красоты, а майя считали, что планета является братом Солнца. В 1610 году Галилео
Галилей наблюдал фазы Венеры, подтвердив, что планета действительно вращается вокруг Солнца. Из-за плотной
атмосферы планеты наблюдения её поверхности долгое время были невозможны.
С 1960-х гг. начались исследования планеты с помощью космических зондов. Первая попытка, советский зонд
<Венера-1», была предпринята в 1961 году и не увенчалась успехом. Новый зонд «Венера-4» успешно достиг Венеры
и отправил обратно информацию об атмосфере планеты, прежде чем сгореть дотла во время входа в атмосфе-
ру. Первым космическим аппаратом, совершившим успешную посадку на поверхность Венеры, стала советская
автоматическая межпланетная станция «Венера-7». Оказалось, что под плотной атмосферой планеты скрывается
настоящий ад: средняя температура на поверхности этого небесного тела составляет примерно 460 ∘C, что делает
планету самым горячим объектом Солнечной системы. Атмосфера Венеры состоит главным образом из углекислого
газа и азола. Поверхность планеты: полностью скрывают облака серной кислоты, Скорость вращения атмосферы
Венеры: более чем в 60 раз быстрее скорости вращения планеты, Скорость ветра на Венере достигает 360 км/ч. На-
правление вращения Венеры вокруг своей оси противоположно направлению вращения всех (кроме Урана) планет
Солнечной системы.
Некоторые характеристики планеты представлены в таблице.

Несмотря на относительную близость планеты, мы знаем сегодня о Венере меньше чем о других планетах земной
группы. Отчасти это происходит потому, что для исследования атмосферы и поверхности планеты исследователи
нуждаются в высокопрочном оборудовании и первоклассной технике, способной выдержать не только высокую
температуру на планете, но и колоссальное атмосферное давление, которое у поверхности примерно в 90 раз больше
земного.
Существует гипотеза, что в какой-то момент в прошлом на Венере было гораздно больше воды, чем предполагает
сегодня её сухая атмосфера - возможно там были даже океаны. Но по мере того, как Солнце становилось всё горячее
и ярче, температура поверхности Венеры повышалась, испаряя все океаны и моря и повышая парниковый эффект.

В нагретых телах часть внутренней энергии вещества может превращаться в энергию излучения. Поэтому нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения в широком диапазоне частот. Это излучение называют тепловым излучением.

Эксперименты показывают, что тепловое излучение имеет непрерывный спектр. Распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры тела. При этом для всех тел с увеличением температуры максимум энергии излучения смещается в коротковолновый участок спектра, а общая энергия излучения возрастает. На рисунке представлен график интенсивности излучения некоторого тела по мере его нагревания.

Принцип работы инфракрасного термометра (пирометра) заключается в изменении интенсивности теплового излучения тела в зависимости от его температуры.

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру быстро, без непосредственного контакта с телом. Но при измерении температуры важно учитывать коэффициент излучения тела. Разные материалы в зависимости от цвета, матовой или зеркальной поверхности по-разному излучают тепло. Коэффициент излучения материала -- это соотношение энергии, излучаемой поверхностью материала к энергии излучения абсолютно чёрного объекта при равной температуре. Для абсолютно чёрных тел этот коэффициент равен 1. Для остальных же материалов этот коэффициент меньше. В пирометрах обычно стоит фиксированный коэффициент излучения, равный 0,95. Для большинства измеряемых материалов он подойдёт, но при существенно меньших коэффициентах излучения тел измерения температуры окажутся неточными.
 

Для полётов к Луне или, например, к Марсу достаточно существующих химических
ракетных двигателей, в которых для создания тяги используется энергия сгорания топлива.
Но для того чтобы лететь дальше, к внешним планетам Солнечной системы (или к ближайшим
звёздам), и не тратить на это многие десятилетия, нужны двигатели принципиально иного
типа. В новых ядерных двигателях можно использовать энергию ядерного распада тяжёлых
радиоактивных ядер. Но наибольшую энергию на сегодняшний день можно получить,
используя реакции термоядерного синтеза.

Любой ракетный двигатель создаёт тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество,
которое называют рабочим телом. Из сопла обычных ракет истекают газообразные продукты
сгорания топлива. В термоядерном двигателе рабочим телом будут служить водород или
гелий, разогретый энергией деления ядер урана или плутония. Сила тяги любого двигателя
зависит от скорости истечения, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла.
Подняв температуру, можно увеличить кинетическую энергию (и скорость) молекул. Однако
жаропрочные материалы и конструкции имеют температурные пределы, к тому же подводимая
энергия также ограниченна. Термоядерные двигатели, которые будут разогревать лёгкий
водород, имеют в этом отношении серьёзное преимущество перед химическими, продукты
сгорания которых существенно тяжелее.

Сейчас самые лучшие ракетные двигатели на химическом топливе лишь приближаются
к отметке для скорости истечения, равной 4500 м/с. Ядерные ракетные двигатели позволили
бы достичь температуры в десятки тысяч градусов и скорости истечения до 20000 м/с. Но даже
в этом случае полёт корабля до внешних планет Солнечной системы занял бы годы.

Между тем существует способ поднять скорость истечения на многие порядки. Температура
плазмы при термоядерном синтезе составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов,
а оценочная (теоретическая) скорость истечения может достигать 21500000 м/с!
В существующих проектах термоядерных двигателей поток плазмы, создающий тягу
двигателя, истекает из открытых цилиндров — магнитных ловушек. Самый простой вариант
такого двигателя —  пробкотрон (см. рисунок), состоящий из двух магнитных катушек, расположенных на некотором удалении друг от друга
и удерживающих плазму.

Кристаллические твёрдые тела характеризуются наличием строгого порядка в расположении атомов (молекул). Для большинства же знакомых нам жидкостей характерно отсутствие порядка в расположении молекул (рисунок 1).

Рисунок 1. Модельное представление о расположении молекул в кристалле и жидкости

Однако в природе встречаются вещества, обладающие одновременно основными свойствами и кристалла, и жидкости. С одной стороны, эти вещества текучи, как жидкости. С другой стороны, они характеризуются определённым порядком в расположении молекул и, соответственно, анизотропией физических свойств (зависимостью оптических, электрических и других свойств от направления в веществе). Такие вещества называются жидкими кристаллами.

Первое жидкокристаллическое соединение, холестерилбензоат, было открыто австрийским учёным Рейнитцером. Рейнитцер обнаружил, что при температуре плавления, равной 145 °C, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая затем при 179 °C становилась прозрачной. Поражённый этим необычайным явлением, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбензоата. Исследуя препараты при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной, а прозрачная – изотропной.

Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют, например, длинную нитевидную форму. Нитевидные молекулы расположены параллельно друг другу, однако беспорядочно сдвинуты, т.е. порядок, в отличие от обычных кристаллов, существует только в одном направлении (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематичное изображение расположение молекул на примере некоторых типов жидких кристаллов

Физические свойства жидкого кристалла (например, его прозрачность при прохождении светового луча) зависят от направления в кристалле. Это используется при создании жидкокристаллических экранов телевизоров.

Гейзеры располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима
теплота, — поступающая от вулканов.
Чтобы понять физику гейзеров, напомним, что температура кипения воды зависит от давления (см. рисунок).

Представим — себе 20-метровую гейзерную трубку, наполненную горячей водой. По мере увеличения глубины температура воды растёт. Одновременно возрастает и давление: оно складывается из атмосферного давления и давления
столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды оказывается несколько ниже температуры
кипения, соответствующей давлению на той или иной глубине. Теперь предположим, что по одному из боковых
протоков в трубку поступила порция пара. Пар вошёл в трубку и поднял воду до некоторого нового уровни, а часть
воды вылилась из трубки в бассейн. При этом температура поднятой воды может оказаться выше температуры
кипения при новом давлении, и вода немедленно закипает.
При кипении образуется пар, который ещё выше поднимает воду, заставляя её выливаться в бассейн. Давление на
нижние слои воды уменьшается, так что закипает вся оставшаяся в трубке вода. В этот момент образуется большое
количество пара; расширялись, он с огромной скоростью устремляется вверх, выбрасывая остатки. воды из трубки,
— происходит извержение гейзера.
Но вот весь пар вышел, трубка постепенно вновь заполняется охладившейся водой. Время от времени внизу слы-
шатся взрывы — ото в трубку из боковых протоков попадают порции пара. Однако очередной выброс воды начнётся
только тогда, когда вода в трубке нагреется до температуры, близкой к температуре кипения.