Новейшая книга фактов. Том 3. Физика, химия и техника. История и археология. Разное - [8]

Как измеряют твердость материалов?

Твердость материала проявляется в его сопротивлении вдавливанию или царапанию. Твердость не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения. Для измерения твердости металлов чаще всего пользуются методом вдавливания. При этом величина твердости равна нагрузке, отнесенной к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закаленной стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твердости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова – Герберта – Ребиндера). Получил распространение также метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, в основе которого лежит измерение реакции колебательной системы (изменения ее собственной частоты) на твердость испытуемого металла. Выбор метода определения твердости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и других факторов. В минералогии твердость оценивают по шкале Мооса, при этом используют 10 эталонов твердости: тальк – 1, гипс – 2, кальцит – 3, флюорит – 4, апатит – 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд – 9, алмаз – 10. Относительная твердость определяется путем царапания поверхности испытываемого объекта эталоном шкалы. Если эталон с твердостью 5 царапает исследуемый образец, а последний оставляет след на поверхности эталона с твердостью 4, то твердость минерала приблизительно равна 4,5.

Сколько агрегатных состояний вещества известно в настоящее время?

Агрегатными состояниями вещества называют состояния (фазы) одного и того же вещества в различных интервалах температур и давлений. Обычно рассматривают газообразное, жидкое и твердое агрегатные состояния, переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии, энтропии, плотности и других физических характеристик вещества. С увеличением температуры газов при фиксированном давлении они превращаются в ионизированную плазму, которую также принято считать агрегатным состоянием. В 1995 году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман и немецкий физик Вольфганг Кеттерле получили пятое агрегатное состояние вещества – бозе-эйнштейновский конденсат. В 2004 году международной группой физиков открыто шестое агрегатное состояние вещества – фермионный конденсат.

Почему мы говорим «водяной пар», а не «водяной газ»?

Еще на заре науки было известно, что многие вещества могут существовать в виде газа, жидкости или в твердом состоянии – в зависимости от температуры. Наиболее известный пример – вода: если ее достаточно охладить, она замерзает, а если подогреть, превращается в пар. Никакой принципиальной разницы между газом и паром нет. Однако голландский естествоиспытатель Ян Баптист Гельмонт (1579–1644), введший в науку термин «газ», разделял вещества на те, которые имеют газообразный вид при обычной температуре, такие как двуокись углерода, и те, которыенаподобие водяного пара становятся газами лишь при достаточном нагреве. Последние вещества он назвал парами, и мы до сих пор говорим «водяной пар», а не «водяной газ».

При какой температуре закипает вода на высочайшей вершине мира – Джомолунгме?

Температура кипения – фазового перехода из жидкого в газообразное состояние (и наоборот) – воды, как и любого другого вещества, возрастает с увеличением внешнего давления. При стандартном атмосферном давлении на уровне моря (101,3 килопаскаля) температура кипения воды составляет 100 градусов Цельсия. На высочайшей вершине мира – Джомолунгме, где стандартное атмосферное давление составляет 31,5 килопаскаля, температура кипения воды равна 69,7 градуса Цельсия. При давлении, равном давлению воды на глубине 1 километр (9807 кило-паскалей), вода закипает при температуре 309,5 градуса Цельсия.

При какой температуре вода имеет максимальную плотность?

Еще из школьного курса физики мы знаем, что при нагревании все вещества – твердые, жидкие и газообразные – расшираются. Вода является одним из немногих исключений из этого правила, она имеет максимум плотности (минимум удельного объема) при температуре + 3,98 градуса Цельсия. Вода расширяется как при нагревании выше этой температуры, так и при охлаждении ниже ее.

При какой температуре замерзает вода?

Ответ на этот вопрос представляется очевидным – при 0 градусов Цельсия, – однако он не совсем корректен. Если подвергнуть медленному охлаждению очень чистую (лучше всего дистиллированную) воду, то она может оставаться жидкой и при температуре в несколько градусов ниже нуля. Однако, если в эту переохлажденную воду бросить маленький кусочек льда, щепотку снега или просто пыли, вода мгновенно замерзнет, прорастая по всему объему длинными кристаллами. Столь странное поведение воды объясняется особенностями процесса кристаллизации. Превращение жидкости в кристалл происходит в первую очередь на примесях и неоднородностях – частичках пыли, пузырьках воздуха, царапинах на стенках сосуда. Чистая вода центров кристаллизации практически лишена, поэтому она может переохлаждаться (и довольно сильно), оставаясь жидкой. Известен случай, когда содержимое хорошо охлажденной в морозильнике бутылки нарзана, открытой жарким летним днем, мгновенно превратилось в кусок льда. В лабораторных условиях температуру воды, правда, в очень малых объемах, удавалось довести до – 70 градусов Цельсия.