Механические тепловые электрические световые это явления: Явления природы. Физические явления, их разнообразие

Явления природы. Физические явления, их разнообразие

Все, что создала природа или человек, ученые называют физическими телами. С течением времени тела меняются. Например, из маленького желудя вырастает могучий дуб. Из его ствола столяр производит мебель. Гончар из глины делает посуду. Под действием ветра, воды и солнечных лучей разрушаются горы. Водяной пар, находящийся в воздухе, возвращается на землю в виде дождя и снега. И таких примеров можно привести очень много.

Мир явлений

Изменения, происходящие с телами, получили название явления. Различают биологические, физические, химические и некоторые другие явления.

К биологическим явлениям относятся явления в живой природе, например забота о новорожденных малышах, прилет птиц весной, объединение волков в стаю, размножение, рост и развитие организмов.

Рост растения — пример биологического явления

Физическим явлениям свойственны изменения агрегатного состояния вещества, размеров и формы тела, положение тел друг относительно друга. При этом новые вещества не образуются.

Физические явления

Превращение воды в лед и ее испарение, изготовление из гранита памятника, измельчения сахара в сахарную пудру — все это примеры физических явлений. Они очень разные, но при этом ни одно вещество не разрушилось и новые вещества не образовались.

В отличие от физических явлений, при химических явлениях одни вещества превращаются в другие. Например, дрова в костре превратились в кучку пепла, на железной цепи образовалась ржавчина, подсолнечное масло превратили в маргарин.

В природе одни явления сопровождаются другими. К примеру, рост организма является биологическим явлением. Однако оно сопровождается физическим явлением — увеличением линейных размеров тела. Чтобы расти, организмы должны питаться, а значит, во время роста в организмах происходят и химические явления. Еще пример: химическое явление горения сопровождается выделением света и тепла, которые являются физическими явлениями.

Повторяемость явлений в природе

Явления природы время от времени сменяют друг друга, то есть способны чередоваться или повторяться. С начальной школы ты знаем о чередовании времен года, дня и ночи. Повторяются цвета радуги, независимо от того, в каком месте нашей планеты она появилась.

В мире живой природы также много примеров повторяющихся явлений. С детенышами происходят те же биологические явления, и с родителями (рис. 36). Они рождаются, растут, развиваются, питаются, оставляют потомство, погибают. Благодаря такой повторяемости явлений существует жизнь на Земле.

Как можно описывать явления

Чтобы твои наблюдения за явлениями в природе были упорядоченными, их следует описывать по определенному плану. Для этого следует определить цель наблюдения и фиксировать ход событий. Например, записывать изменения, которые происходят:

1. Изменение формы тела.
2. Изменение линейных размеров.
3. Изменение цвета.
4. Изменение запаха.
5. Изменение агрегатного состояния.
6. Изменение положения тела.
7. Исчезли одни вещества и образовались другие?

Разнообразие физических явлений

Ознакомься с рисунком с названиями основных физических явлений.

Явления, связанные с движением тел, называют механическими. При этом тела меняют свое положение относительно других тел. Например, полет птицы, движение автомобиля, падение капель дождя.

Тепловые явления связаны с нагревом и охлаждением тел. Примером тепловых явлений является нагрев днем и охлаждение ночью поверхности Земли.

К звуковым явлениям относятся явления, связанные с возникновением и распространением звука. Пение птицы, жужжание крылышек комара, раскаты грома — это звуки. Их мы воспринимаем ухом как колебания воздуха звуковыми волнами.

Световые явления связаны с распространением световых лучей. Свет излучают Солнце, молния, включенная электрическая лампочка, горящая свеча и тому подобное.

Магнитные явления — это явления притяжения тел магнитом. Например, показания стрелки компаса, привлечение магнитом железных гвоздей.

Явления, обусловленные электризацией тел, называют электрическими. Благодаря им работает множество современных бытовых и осветительных приборов (холодильник, пылесос, люстра и т.д.). Даже мобильный телефон ты не сможешь зарядить без использования электрического явления.

Электрические явления встречаются и в природе. Во время грозы можно наблюдать молнию. Она является разновидностью мощного электрического тока. Откуда берутся заряженные частицы, которые вызывают молнию? Грозы в основном бывают летом или поздней весной, когда теплый воздух поднимается высоко вверх. Вследствие трения в облаках слоев воздуха и капель воды они электризуются. Во время грозы наэлектризованные облака могут сблизиться настолько, что от этого возникает электрическое явление — молния. Она сопровождается громким звуком — громом. Во время грозы молния также может возникнуть между облаком и землей. Это очень опасно, потому что от молнии случаются пожары и поражения людей током.

Поэтому во время грозы нужно соблюдать определенные правила поведения: избегать контакта с металлическими телами. Если гроза застала тебя на открытой местности, нужно сесть на землю и переждать ее. И на рисунке правильно поступил тот мальчик, который спрятался в углубление в земле, а не встал под одиночным деревом.

Правильное (а) и неправильное (б) поведение на открытой местности во время грозы

Чтобы предотвратить попадание молнии, на дома и другие сооружения устанавливают молниеотводы.

Заключение

Любые изменения, происходящие в природе, называют явлениями. Различают биологические, физические и химические явления.

Биологические явления является основой жизнедеятельности организмов.

Во время физических явлений не происходит превращение одних веществ в другие, а во время химических — из одних веществ образуются другие.

Явления природы описывают по определенному плану.

В природе многие явления сменяют друг друга, способны чередоваться, повторяться.

Механические и тепловые физические явления

Явления, связанные с движением тел, — это механические явления, а изменение положения одного тела относительно другого получило название механическое движение. На рисунке изображены механические явления: ползет гусеница, падает снег, течет река, катится мяч, летит птица, мчится автомобиль, взлетает ракета. Двигаясь, все они меняют свое положение относительно других тел.

Механическое движение описывают с помощью таких характеристик, как путь, время, скорость.

Иногда можно увидеть след движения автомобиля — черную полосу на дороге, образовалась во время торможения, или след черепахи на песке, или след от лыж на снегу. Это линии, по которым двигались тела. Такие линии называют траекториями движения тел. Каждая из планет или любое небесное тело тоже движется по своей траектории.

Путь, время и скорость — основные характеристики движения тела

Путь — это длина траектории, расстояние, которое тело преодолевает при механического движения. Путь измеряют преимущественно метрами (м) и километрами (км). Для механического движения важно также знать время, в течение которого тело, движущееся, преодолевает определенный путь. Например, чтобы из Санкт-Петербурга попасть в Москву, нужно преодолеть путь около 600 км. Человек, проходя в день 20 км, преодолеет это расстояние за 30 дней, автобус это расстояние преодолеет за 10 часов, а самолет — меньше чем за час.

В приведенном примере человек, автобус, самолет преодолевают одинаковое расстояние, но за разное время. Почему? Потому что они движутся с разными скоростями. Чтобы вычислить скорость движения тела, нужно разделить пройденный им путь на время, за которое этот путь пройден. Так же как путь и время, скорость принадлежит к основным характеристикам движения тел. Эти характеристики ты будешь использовать при изучении небесных тел, выполнение различных практических работ.

Ознакомление с тепловыми явлениями

Получая тепло, тело нагревается, и его температура повышается. Например, зимой тепло в помещении обеспечивают различные обогреватели. Через воздух тепло от них передается телу человека. Летом в солнечный день песок на берегу реки нагревается так, что горячо наступить босиком, хотя утром он казался прохладным.

Явления, связанные с нагревом и охлаждением тел, называют тепловыми.

Понятие «тепло» и «свет» мы непременно связываем с Солнцем. Это крупнейший источник тепла и света для всего живого на земном шаре. Оно каждую секунду дает Земле столько тепла, сколько его бы выделилось при сгорании 40000000 тонн угля. Однако Солнце согревает нас днем ​​и не греет ночью, зимой согревает меньше, чем летом. Поэтому люди всегда искали другие источники тепла. Для этого они сжигают дрова, уголь, торф, нефть, газ и т.д.

Термометры — приборы для измерения температуры

Меру нагрева тел ученые назвали температурой. Температуру воздуха в помещении и на улице, воды в реках, прудах и бассейнах, тела человека и животных измеряют термометрами. Пользоваться ими человек начал более 400 лет назад. В основном термометры имеют шкалу. На ней есть деления и цифры, как в ученической линейке.

Чаще всего цена деления составляет один градус, хотя термометр для измерения температуры тела человека имеет шкалу, цена деления которой в 10 раз меньше.

Если термометр имеет запаянную стеклянную трубку с подкрашенной жидкостью, то, к которой отметке шкалы поднимется столбик жидкости, такая и есть температура, которую измеряют.

Как тела и вещества проводят тепло

Тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Различные тела и вещества проводят тепло неодинаково. Это зависит от того, из каких веществ состоит тело. Лучше проводят тепло металлы. Поэтому батареи отопления, радиаторы автомобилей изготавливают именно из металлов, а не из дерева или пластмассы.

Хуже проводят тепло газы. Это свойство газов люди издавна используют для сохранения тепла. Например, стекла в окнах делают двойными. Между ними всегда есть прослойка воздуха, который препятствует выходу тепла из комнаты на улицу.

Благодаря способности воздуха плохо проводить тепло наша планета защищена воздушной оболочкой днем от перегрева, а ночью — от переохлаждения.

Некоторые животные приспособились к сохранению постоянной температуры тела также с помощью воздуха. Так, перья птиц, мех зверей на зиму становится гуще и толще. Между ворсинками находится воздух и надежно защищает животное от мороза.

Механические явления — явления, связанные с движением тел. Основными характеристиками механического движения тела путь, скорость, время.
Явления, связанные с нагревом и охлаждением тел, называют тепловыми. Тепло всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Различные тела и вещества проводят тепло неодинаково. Температуру измеряют термометрами.

Что изучает физика — урок. Физика, 7 класс.

Материя — это всё то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания.

Физика как наука зародилась очень давно. Попытки объяснить явления природы были в Китае, в Древней Греции и Индии. Первоначально физикой занимались философы, богословы, астрономы, мореплаватели, врачи. В \(IV\) веке до н. э. Аристотель ввёл понятие «ФИЗИКА» (от греческого слова «фюзис» — природа).

В русском языке слово «физика» появилось в \(XVIII\) веке благодаря Михаилу Васильевичу Ломоносову — учёному-энциклопедисту, основоположнику отечественной науки, философу-материалисту, поэту, заложившему основы современного русского языка, выдающемуся деятелю просвещения, который перевёл с немецкого первый учебник по физике. Именно тогда в России и стали серьёзно заниматься этой наукой.

Физика изучает мир, в котором мы живём, явления, в нём происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики — познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку.

Вещество — это один из видов материи, из которого состоят все физические тела.

В физике каждое из окружающих нас тел принято называть физическим телом. Измерить какую-нибудь физическую величину — это значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу.

Установив фундаментальные законы природы, человек использует их в процессе своей деятельности. Мы широко пользуемся электрическими приборами: плитами, чайниками, утюгами, пылесосами, холодильниками. Создание этих приборов стало возможным благодаря изучению электрических явлений и свойств различных материалов. Трудно представить нашу жизнь без радио и телевидения, компьютеров и сотовых телефонов, изобретением которых мы также обязаны физике.

Итак, физика изучает явления природы.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с различными изменениями, которые происходят в окружающем нас мире.
     

В физике эти изменения принято называть физическими явлениями. Источником физических знаний являются наблюдения и опыты.

Задача физики состоит в том, чтобы открывать различные закономерности, которые позволяют объяснить и объединить разные физические явления.

Каждый вид физических явлений изучает отдельный раздел физики (механика, электродинамика, оптика, термодинамика, акустика и другие). Но эти разделы тесно взаимосвязаны и образуют единую стройную физическую науку, которая позволяет описать и объяснить причины самых разнообразных явлений природы — от образования галактик до процессов внутри атомов — кирпичиков, из которых состоит всё, что мы видим вокруг себя, включая нас самих.

Явления делятся следующим образом.

1. Механические явления.

2. Электрические явления.

3. Магнитные явления.

4. Световые (оптические) явления.

5. Тепловые явления.

6. Звуковые явления.

Источники:

Пёрышкин А. В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2010.

Механические явления | Презентация к уроку по физике (7 класс):

Слайд 1

Механические явления урок физики в 7 классе Автор учитель физики ГБОУ школа № 109 г.Санкт-Петербург В.В.Пряхин

Слайд 2

Содержание : Физические явления Механические явления Основная задача физики Закрепление изученного Тест Используемые источники ГБОУ школа № 109

Слайд 3

Любые превращения вещества или проявления его свойств, происходящие без изменения состава вещества – физические явления . Механические Звуковые Световые Тепловые электрические Магнитные ГБОУ школа № 109

Слайд 4

Механические явления Движение ракеты Падение снежинок Движение воды в океане ГБОУ школа № 109

Слайд 5

Механические явления Движение велосипедиста Движение медузы Движение метеорита ГБОУ школа № 109

Слайд 6

Механические явления Движение планет Движение трактора Падение яблока ГБОУ школа № 109

Слайд 7

Задача физики Физика позволяет выводить общие законы на основании изучения простых явлений. На примере падения стального шарика, можно установить законы падения для других тел разной формы и массы. Установив фундаментальные законы природы, человек использует их в процессе своей жизнедеятельности – механике, строительстве, энергетике, военном деле, мореплавании и других областях. ГБОУ школа № 109

Слайд 8

Закрепление изученного Механические Звуковые Тепловые Электрические Световые Заполни таблицу, распределив явления в соответствующие колонки: шар катится, синец плавится, холодает, слышны раскаты грома, снег тает, звёзды мерцают, вода кипит, наступает рассвет, эхо, плывёт бревно, маятник часов колеблется, облака движутся, гроза, летит голубь, сверкает молния, шелестит листва, горит электрическая лампочка ГБОУ школа № 109

Слайд 9

Проверь себя 1 . Какие явления НЕ изучает физика? a. механические b. тепловые c. электрические d. общественные 2. Какое явление НЕ является примером физического явления? a. таяние льда b. эпидемия гриппа c. кипение воды d. падение камня 3. Какое явление относится к механическим? a. шар катится b. свинец плавится c. холодает d. слышны раскаты грома 4. Какое явление относится к магнитным? a. сверкает молния b. компас показывает направление c. горит электрическая лампа d. гром 5. Какое явление относится к световым? a. снегопад b. звёзды мерцают c. кипение d. Выстрел 6 . Какое явление относится к тепловым ? a. снег тает b. звёзды мерцают c. наступает рассвет d. эхо 7 . Какое явление относится к звуковым ? a. вода кипит b. плывёт бревно c. маятник часов колеблется d. слышны раскаты грома ГБОУ школа № 109

Слайд 10

Используемые источники: А.В.Перышкин « Физика 7 класс» А.В.Перышкин «Сборник задач по физике 7-9 классы» В.А.Волков «Разработки уроков по физике» https://yandex.ru/images/ ГБОУ школа № 109

Тест по физике | Учимся дома 1-11 классы

Предлагаю вам тест по физике: физические тела, явления, вещества. Тест был опубликован вчера на Яндекс-Дзен канале «Домобуч». Физика у моих подписчиков не такой популярный предмет, как русский язык, поэтому ответили всего 30 человек. Многие ответили верно, но есть и запутавшиеся. Вы тоже можете пройти этот тест, а под картинкой посмотреть ответы и комментарии.

Тест по физике

Картиночка)

Ответы и пояснения

Вопрос № 1

Ответ: физическое тело — это любой предмет.

Физическая величина описывает физическое тело. Не каждое физическое тело можно взять в руки, например, Луну.

Вопрос № 2

Ответ: физическую величину можно измерить или вычислить, выразить в соответствующих единицах. Физическая величина описывает свойства физических тел и явлений.

Вопрос № 3

Ответ: вертолёт, ножницы, Луна.

• Алюминий и спирт — это вещества.
• Снегопад, метель, гром — физические явления.

Вопрос № 4

Ответ: ртуть, спирт, алюминий.

• Вертолёт и Луна — это физические тела.
• Снегопад, метель, гром — физические явления.

Вопрос № 5

Ответ: снегопад, кипение, метель, гром.

• Алюминий и ртуть — это вещества.
• Луна и вертолёт — физические тела.

Вопрос № 6

Ответ: катится шар, колеблется маятник часов, летит птица.

• Шелест листвы, раскат грома — это звуковые явления.
• Плавится свинец, тает снег — это тепловые явления.
• Сверкает молния, мерцают звёзды — это световые явления.
• Гроза — это электрическое явление.

Вопрос № 7

Ответ: кипит вода, тает снег, плавится свинец.

• Мерцают звёзды, сверкает молния — это световые явления.
• Катится шар, летит птица — это механические явления.
• Раскат грома, шелестит листва — это звуковые явления.
• Гроза — это электрическое явление.

Вопрос № 8

Ответ: раскат грома, шелестит листва, пение птиц.

• Гроза — это электрическое явление.
• Сверкает молния, мерцают звёзды — световые явления.
• Кипит вода, плавится свинец — тепловые явления.
• Катится шар, летит птица — механические явления.

Вопрос № 9

Ответ. Электрические явления: включился электрочайник, гроза.

• Сверкает молния, мерцают звёзды — это световые явления.
• Плавится свинец, кипит вода — тепловые явления.
• Катится шар, летит птица — механические явления.
• Пение птиц, шелестит листва — звуковые явления.

Вопрос № 10

Ответ: сверкает молния, мерцают звёзды..

• Гроза — электрическое явление.
• Летит птица, катится шар — механические явления.
• Кипит вода, плавится свинец — тепловые явления.
• Пение птиц, шелестит листва — звуковые явления.

Второй тест по физике ТУТ.

Тепловые явления — виды, признаки и примеры в физике

Общие сведения

В обычной жизни человечество постоянно становится свидетелем тепловых явлений, происходящих в природе. Например, выпадение снега, дождя, образование росы. Все эти процессы связаны с температурой, а именно изменением тепловых движений. Любое вещество состоит из молекул или атомов, взаимодействующих между собой. Эти частицы находятся в постоянном беспорядочном колебании и движении. Характеризуется этот процесс кинетической энергией, которая содержится внутри тела.

Как показали исследования, насколько уменьшается механическая энергия, настолько увеличивается внутренняя. Это правило назвали законом сохранения. То есть значение существующей энергии в природе — всегда постоянная величина. Именно поэтому тепловые колебания никогда не прекращаются. Количество внутренней энергии зависит от многих факторов, но особо значимым из них является температура. Если её значение изменяется без совершения работы, то говорят о прохождении теплопередачи.

Существует несколько типов процессов, сопровождающихся изменением температуры или переходом из одного агрегатного состояния в другое. В зависимости от происходящего действия к тепловым явлениям относятся:

1. Нагревание. Процесс повышения температуры.
2. Охлаждение. Явление, при котором температура тела уменьшается.
3. Парообразование. Переход вещества из текучего состояния в газообразное.
4. Кипение. Частный случай парообразования, происходящий с высокой интенсивностью.
5. Испарение. Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное.
6. Кристаллизация. Процесс образования твёрдого вещества из газов или расплавов.
7. Плавление. Явление перехода материала из твёрдого состояния в текучее.
8. Конденсация. Переход жидкого или твёрдого вещества в газообразное.
9. Сгорание. Химический процесс превращения веществ в газ.
10. Сублимация. Переход материала из твёрдого состояния в газообразное без стадии плавления.

Эти явления могут изучаться не только на уроках физики, но и на химии, металловедении. Они используются при разработке различных устройств, учитываются при проведении строительных работ. Так, при прокладке трубопроводов делается изгиб п-образной формы. Это позволяет избежать деформации и разрушения. Рельсы устанавливаются с зазором, а провода на столбах навешивают так, чтобы они свисали. Все эти мероприятия позволяют бороться с тепловыми явлениями, которые обязательно необходимо знать и учитывать.

Тепловой баланс

Равновесие — это термин, довольно часто используемый в физике. Под ним понимают состояние, в котором тело может находиться сколь угодно долгое время при условии, что на него не воздействуют внешние силы. Чтобы разобраться в тепловом равновесии, нужно рассмотреть пример.

Пусть есть два бруска, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Один из них нагрет, а второй, наоборот — охлаждён. Эти два тела можно привести в соприкосновение. При этом будет происходить одновременно два явления:

• нагрев холодного тела;
• остывание горячего бруска.

Через некоторое время под действием этих явлений установится устойчивое состояние. Горячий и холодный объектыпримут одинаковую температуру, то есть станут тёплым. Это состояние может сохраняться в замкнутой системе продолжительное время. Другими словами, наступит явление теплового равенства. Это один из важнейших законов природы, определение которого звучит так: в состоянии равновесия физическая система имеет одинаковую температуру в любой точке.

Степень нагрева или охлаждения характеризуется температурой. Определить её можно различными способами. Самый простой из них — использовать тактильные ощущения. Но это приблизительный метод — субъективный. При изменении температуры происходит хаотичное движение молекул, которое в конце концов приводит к диффузии.

При взаимном проникновении молекул веществ происходит заполнение ими промежутков в структуре тела. Можно провести простой эксперимент. Например, взять колбу и налить на её дно подкрашенную воду, а сверху — чистую. Через некоторое время граница между средами станет размытой. Это и есть простой пример произошедшей диффузии. Теперь если эту колбу нагреть или охладить, то можно будет заметить, что процесс смешивания происходит с разной скоростью. Так, при низкой температуре скорость движения молекул становится меньше по сравнению с высокой. Другими словами, снижается энергия движения.

Следовательно, чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия (СКЭ) хаотичного перемещения его молекул. Таким образом, чтобы определить нагрев или охлаждение, нужно измерить СКЭ. Сделать это на опыте невозможно. Но как оказалось, от температуры зависят многих характеристики вещества. Одна из них — объём. На этом явлении и основана работа термометра, устройства, способного количественно определить температуру вещества.

Расширение тел, газов, жидкостей

Явление, характеризующее изменение геометрических размеров тела или объёма, получило название тепловое расширение. Большинство веществ при нагревании увеличивают свои размеры, но встречаются и исключения. Например, вода при температуре от 0 до 4 градусов Цельсия уменьшает свой объём. Как оказалось, тепловому расширению подвержены тела, находящиеся в любом агрегатном состоянии:

• твёрдом;
• жидком;
• газообразном.

Твёрдые тела относятся к веществам, у которых явление расширения или сжатия имеет небольшую степень. Для того чтобы зарегистрировать изменения длины, используют специальный прибор. Но наглядно увидеть эффект можно и самостоятельно. Например, пусть имеется медная трубка, закреплённая одним концом в тиски, а второй лежит на подставке. Чтобы наблюдать изменение длины при нагреве, можно положить на подставку стекло, а на него — иголку. Если при нагревании трубка будет удлиняться, то игла начнёт катиться. Это и произойдёт при опыте.

Почему это происходит, объяснить довольно просто. Стержень удлиняется из-за увеличения расстояния между молекулами. То есть сначала частицы колеблются в состоянии равновесия с установившейся амплитудой. Когда происходит нагрев, то размах увеличивается. При этом размеры молекул остаются неизменным. Следовательно, возрастает расстояние между частицами — твёрдое тело удлиняется.

Увидеть, как будет изменяться от температуры жидкость, можно, поместив колбу с водой в кипящий раствор. При этом водяной столб сначала опустится на некоторую величину, а потом будет набирать высоту. Происходит это явление из-за того, что первоначально нагрелась колба, а затем уже вода. В результате сначала объём сосуда увеличился, и вода как бы провалилась. Затем начинает прогреваться жидкость, и водяной столб возрастает. Из эксперимента можно сделать важный вывод — текучие вещества расширяются сильнее, чем твёрдые.

Аналогичный опыт можно провести для колбы, наполненной газом. Внизу неё налита подкрашенная жидкость, в которую вставлена трубочка, выходящая наружу через пробку. Если сосуд начать нагревать, то станет довольно заметно, как под влиянием тепла будет подниматься жидкость. То есть под действием увеличивающего давления газа происходит вытеснение воды из-за расширения.

Количественное описание расширения

Изменение линейных размеров тела с учётом температурной зависимости характеризуется коэффициентом теплового расширения. Это физическая величина, показывающая, как меняется объём при росте температуры на один градус по кельвину. При этом давление должно оставаться неизменным.

Каждое вещество в зависимости от своего строения характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения. Обозначают его с помощью буквы α, а для вычисления его значения используют формулу: α = ΔL / L * ΔT, где: ΔT — увеличение температуры, ΔL — изменение длины вещества, L — первоначальный размер. Это табличная величина.

Таким образом, если необходимо узнать, какое значение примет линейное расширение, нужно воспользоваться выражением: ΔL = α * L * ΔT. Аналогичные формулы используют и для расчёта изменения объёма или площади тела. В простом случае, при котором коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, материал будет равномерно расширяться во все стороны.

Но, как показывает практика, не все вещества, особенно твёрдые тела, равномерно расширяются по всем направлениям. Причём не все материалы удлиняются одинаково. Самый яркий пример — вода. В интервале от 0 °C до +4 °C коэффициент α принимает отрицательное значение. Из-за этого природного эффекта моря и океаны никогда не промерзают до дна. Ещё одно аномальное свойство воды в том, что при превращении в лёд её удельная плотность уменьшается.

Изучаемые в 8 классе на физике тепловые явления жизненно важны для человечества. Так, любой инженер, составляя проект металлоконструкций, не может не учитывать возможного перепада температур в течение года. Например, при постройке мостов используется секционное строительство со специальными буферными зонами. Иначе зимой его может просто разорвать, а летом — вздыбить.

MELTS M- Механический E- Электрический L- Легкий T- Тепловой S- Звук

Презентация на тему: «MELTS M- Механическое E- Электрическое L- Световое T- Тепловое S- Звук» — Стенограмма презентации:

1

MELTS M- Механический E- Электрический L- Свет T- Тепловой S- Звук
Движение Пример: Вращение колеса, движение велосипеда E- Электрический Движение электронов по цепи Пример: Свет в классе, фонарики, которые находятся на L-световой энергии, которая может перемещаться в космосе, она вырабатывается солнцем, огнем, батареями или в результате полной электрической цепи. Помните: свет отражается = отражается, свет преломляется = изгибается. T-тепловое тепло, оно производится Солнцем и электрическими токами Пример: Духовки, печи, фонари S- Звук путешествует через материю и производится вибрациями Помните: Звук = Вибрация Пример: Гитара, барабаны

2

Природные силы Земли
Сила — толчок или притяжение. Гравитация — всегда притяжение.Тянет между двумя объектами. Чем больше масса объектов, тем сильнее сила тяжести. Это влияет на все во вселенной. Трение — Всегда толчок. Трение или скольжение между двумя состояниями материи. Создает тепловую или тепловую энергию. Магнетизм — толчок и тяга. Противоположные стороны притягиваются, а одинаковые стороны отталкиваются N —-> <---- S <---- NN ----> S —-> <---- N <---- SS - ---->

3

Световая энергия Световая энергия движется в лучах через пространство по прямой линии. Взаимодействие Света Отражение = Отражение Отражение = Сгибание Выпуклое Вогнутое

4

Звуковая энергия Звуковая энергия распространяется волнами через все вещества: твердые тела, жидкости и газ. Звук создается вибрациями.

Границы | Композитные пленки нанопластин целлюлозы (CNW) / графеновых нанопластинок (GN) с одновременно улучшенными тепловыми, электрическими и механическими свойствами

Введение

Целлюлоза — один из наиболее широко используемых полимеров в природе с годовым производством приблизительно 5 × 10 ¹¹ тонн на Земле (Юань и др., 2015). Нановискеры целлюлозы (CNW) обычно извлекаются из материалов на основе натуральной целлюлозы, включая растения, бактерии и морских существ, с использованием методов гидролиза. Его размеры составляют от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров в диаметре и от нескольких сотен нанометров в длину. УНС обладают высоким модулем упругости, большим аспектным отношением и площадью поверхности и обычно считаются идеальными армирующими наполнителями в полимерных композитах. УНС, являясь природным наноразмерным полимером, могут быть изготовлены из различных многофункциональных композитных материалов.Ввиду широкого применения УНВ было продемонстрировано, что УНВ считаются одним из наиболее важных компонентов при очистке сточных вод (Carpenter et al., 2015; Karim et al., 2016), доставке лекарств (Jackson et al. al., 2011), электронные устройства (Li and Lee, 2017), накопители энергии (Xing et al., 2019), упаковка для пищевых продуктов (Li F. et al., 2015) и т. д. Jiang et al. (2015) сообщили, что соотношение УФ-блокирования прозрачных композитных пленок наноцеллюлоза / 6 мас.% ZnO достигло 97,8% и 99,1% при длинах волн 300 и 225 нм соответственно.Zhan et al. (2018) успешно подготовили УФ-индуцированные и самоочищающиеся композитные мембраны наноцеллюлоза / TiO ₂ , обладающие эффективным разделением для различных эмульсий, стабилизированных поверхностно-активными веществами, с высоким показателем нефтеотдачи более 99,5%. Садасивуни и др. (2016) продемонстрировали сверхгибкость и высокую чувствительность к NO ₂ композитов из оксида железа и нанокристаллов целлюлозы (CNC). С другой стороны, Meulendijks et al. (2017) и Дрогат и др. (2011) доказали, что композиты CNW / Ag обладают хорошей электропроводностью и антибактериальными свойствами.Что касается экологически чистых материалов и экологической устойчивости, CNW постепенно набирают все большую популярность в разработке функциональных наноматериалов.

Целлюлозные пленки хорошо известны как потенциальный субстрат / матрица для проводящих материалов из-за их возобновляемости, биоразлагаемости и гибкости (Du et al., 2017; Agate et al., 2018). Поскольку CNW обладают превосходной способностью к формированию пленки и сродством к проводящим полимерам, они широко используются в качестве проводящих чернил на основе CNW (Latonen et al., 2017), сенсоры (Mahadeva et al., 2011; Esmaeili et al., 2015) и конденсаторы (Liew et al., 2013; Jose et al., 2019) при включении в проводящие полимеры (He et al., 2019) . Наноматериалы на основе углерода представляют собой функциональные нанонаполнители, такие как углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, которые могут использоваться для целлюлозных материалов с учетом их исключительных свойств материала, включая, помимо прочего, электрическую проводимость, механическую прочность и модуль, эффективность и емкость электромагнитного экранирования.Ямакава и др. (2017) сообщили о высокой электропроводности 1,05 См / м, хороших механических свойствах, таких как высокий модуль Юнга 10,1 ГПа и предел прочности на разрыв 173,4 МПа, а также низкий коэффициент теплового расширения (КТР) при 7 ppm / K. Pang et al. (2015) изготовили многофункциональную бумагу из композита целлюлоза / УНТ, используя метод фильтрации. При содержании УНТ 10–71 мас.% В диапазоне частот 175–1600 МГц было обнаружено, что такие бумаги дают удельную электропроводность 9,9–216.3 См / м наряду с хорошей эффективностью экранирования (SE) от электромагнитных помех (EMI) на уровне 15–45 дБ. Кроме того, эти композитные бумаги с включением 50 мас.% УНТ обладали емкостью 46 Ф / г при скорости сканирования 5 мВ / с, емкостью обратимого разряда 474,0 мАч / г, когда их использовали в качестве анодных токосъемников для литий-ионный аккумулятор (Pang et al., 2015). Dichiara et al. (2017) указали, что добавление гидроксил-функционализированных УНТ с предварительно абсорбированным щелочным лигнином привело к улучшению прочности целлюлозных волокон в сухом и влажном состоянии наряду с хорошей чувствительностью к влажности.С другой стороны, Ko et al. (2019) использовали метод литья из раствора для изготовления композитной бумаги метилцеллюлоза / 50 мас.% УНТ с гораздо более высокой электропроводностью 15,9 См / см и лучшей прочностью на изгиб по сравнению с графеном и оксидом индия и олова (ITO). Gnanaseelan et al. (2018) предположили, что композитные пленки целлюлоза / однослойные УНТ (ОСУНТ) следует рассматривать как перспективный термоэлектрический материал из-за их относительно высоких коэффициентов мощности по сравнению с другими композитами изолирующий полимер / УНТ.По сравнению с волоконно-подобными УНТ, 2D-графеновые листы могут быть лучшей альтернативой нанонаполнителю, о чем свидетельствует значительно улучшенная на 93% прочность на разрыв и значительно увеличенная в 10 раз электрическая проводимость в бумаге из бактериального композита целлюлоза / графен (Luo et al., 2019 ). Совсем недавно Zhan et al. (2019) получили высокопроводящие нанофибриллы целлюлозы / 20 вес.% Композитных пленок из расслоенного графена с замечательной электропроводностью 568 См / м наряду с превосходными механическими свойствами, включая предел прочности при растяжении 389 МПа, модуль упругости 8.0 ГПа и относительное удлинение при разрыве примерно 20%. Соответствующие многофункциональные свойства целлюлозных композитов приведены в таблице 1 соответственно.

Таблица 1 . Многофункциональные свойства целлюлозных композитов.

Композиты наноцеллюлоза / графен считаются идеальными электродными материалами для гибких суперконденсаторов (Xing et al., 2019). Потенциальное использование наноматериалов на основе целлюлозы проливает свет на широкое применение в проводимости материалов, накоплении энергии, электронных устройствах и т. Д.Превосходные свойства целлюлозы и УНТ или графена зависят от их связей посредством нековалентных взаимодействий с хорошо сохраняемыми внутренними свойствами обоих наноматериалов. Было доказано, что УНС являются эффективным диспергатором на водной основе для материалов с двумерными нанолистами благодаря своим уникальным характеристикам наноразмерного размера, поверхностного заряда и структур молекулярных цепочек (Li F. et al., 2015; Ma et al., 2017). Полиуретановые губки с супергидрофобностью и суперамфифильностью были получены с помощью простого метода нанесения покрытия погружением, который был получен в результате тесного взаимодействия между УНС и графеном (Zhang et al., 2017, 2018). Такое взаимодействие можно подтвердить не только по морфологии материала, структурным изменениям, но и по характерным пикам при термическом анализе. Термическое поведение может указывать на взаимодействие между полимерными молекулярными цепями и армирующими наполнителями. Как правило, температура стеклования ( T _g ), температура плавления ( T _m ), начальная температура разложения ( T _id ) могут быть значительно изменены с их сильным взаимодействие.

Композиты наноцеллюлоза / GN были тщательно изучены на предмет их механических и электрических свойств. Тем не менее термические свойства пленок CNW и их композитов могут быть недостаточно изучены. В нашей первоначальной работе (Ma et al., 2017; Zhang et al., 2017, 2018) основное внимание уделялось взаимодействию между CNW и GN, и было обнаружено, что небольшая добавка GN может значительно повысить температуру плавления и температуру разложения пленок CNW, что было объяснено морфологическим поглощением и повышенными физическими параметрами при нагревании.Цель исследования и новизна этого исследования заключаются в успешной разработке и целостной оценке композитных пленок CNW / GN в отношении роли GN как жестких наполнителей, а также взаимодействия наполнителя и матрицы для одновременного улучшения их тепловых, электрических и механических свойств, которые может быть трудно достичь в обычных нанокомпозитных материалах, поэтому ожидается, что композитные пленки CNW / GN будут потенциально эффективными многофункциональными материалами для приложений электронной упаковки.

Экспериментальная работа

Материалы

Промышленное льняное белье в качестве сырья было закуплено у Xuyi Textile Material Co.Ltd (Нинбо, Китай) по добыче CNW. Нанопластинки графена (GN) были поставлены в виде порошка компанией Sichuan Jinlu Group Co., Ltd, Deyang, Китай. ГН состоят из 5–8 слоев на основе одного листа графена. Их латеральный размер составляет около 10–20 мкм, а атомное соотношение между элементами C и O составляет 80–100. Все другие используемые химические вещества, включая уранилацетат, гидроксид натрия, концентрированную серную кислоту, ледяную уксусную кислоту, толуол, этанол и перекись водорода, были получены от компании Shenyang Dongbao (Шэньян, Китай) без модификации.

Подготовка CNW

CNW были выделены из беленой льняной пряжи с использованием сернокислотного метода, как сообщалось ранее (Liu et al., 2010). Нити нагревали в 60 мас.% Серной кислоте в течение 1 ч при 55 ° C, после чего следовали последовательные процессы разбавления и промывки многократно в центрифужной пробирке до тех пор, пока супернатант не стал нейтральным. Водную суспензию УНС хранили в холодильнике для дальнейшего экспериментального использования.

Приготовление композитных пленок CNW / GN

GN добавлено в суспензии 0.5 мас.% УНС при содержании ГН 0,1, 0,25 и 0,5 мас.%. Гомогенная водная дисперсия смеси GN / CNW была получена ультразвуковой обработкой (KH-1600TDE, Kunshan, China) графеновых порошков и CNW в деионизированной воде при частоте 80 кГц и электрической мощности 1600 Вт до получения однородной дисперсии. Агрегаты GN были разбиты на листы GN и стабилизировались в суспензиях CNW. Композитные пленки CNW / GN были успешно получены путем заливки смеси на пластиковую чашку Петри с последующим испарением воды при температуре окружающей среды.Готовые композитные пленки отслаивались от чашки Петри после сушки в условиях окружающей среды, что было обозначено как «CNW / 0,1 GN», «CNW / 0,25GNs» и «CNW / 0,5GNs» при содержании GN 0,1, 0,25 и 0,5 мас.% Соответственно в следующем разделе результатов.

Методы характеризации

Морфологию УНС охарактеризовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ, Philips CM 12, Голландия) с ускоряющим напряжением 100 кВ. Водную суспензию CNW разбавляли до 0.1 г / л. Капля такой суспензии падала на медную сетку, покрытую углеродной пленкой. Затем образцы окрашивали 2,0 мас.% Раствором уранилацетата в течение 1 мин перед наблюдением с помощью ПЭМ.

Морфология композитных пленок CNW / GN наблюдалась на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе (JSM-6301F) при ускоряющем напряжении 10 кВ. Образцы были покрыты напылением золотом толщиной около 10–20 нм перед наблюдением с помощью СЭМ. С другой стороны, фотографии композитных пленок CNW / GN были записаны с помощью цифровой камеры.

Электропроводность измеряли с помощью электрометра Keithley, модель 2000 (США). В качестве электродов использовались два круглых медных диска, а их поверхности были отполированы и покрыты серебряной пастой, чтобы гарантировать хороший контакт с тестируемыми пленками. Объемное сопротивление ( R ) было измерено и удельное сопротивление ρ рассчитано следующим образом:

, где t — толщина пленки в см, S — круговая площадь пленки в см. ² , и впоследствии соответствующая электрическая проводимость σ в См / м была рассчитана согласно уравнению (2).

Температурное поведение пленок исследовали с помощью термогравиметрического анализа (TGA Q500, TA instruments, США) и дифференциальной сканирующей калориметрии TA (DSC Q20, TA instruments, США). Каждый образец весом приблизительно 5 мг нагревали от 50 до 800 ° C со скоростью нагрева 20 ° C / мин для ТГА и нагревали от 50 до 400 ° C со скоростью нагрева 10 ° C / мин для DSC. Оба термических анализа были проведены в атмосфере азота, чтобы предотвратить любое термоокислительное разложение.

Широкоугольные измерения дифракции рентгеновских лучей были выполнены с использованием дифрактометра Rigaku D / max 2500PC, оснащенного Cu Kα-излучением (длина волны λ = 1.54 Å) при 50 кВ и 300 мА в диапазоне 2θ от 5 до 50 ° с шагом шага 0,02 ° для изучения влияния ГН на кристаллическую структуру УНС.

Рамановское спектроскопическое измерение (спектрометр JY Labram HR 800) было выполнено для характеристики характеристических пиков ГН на длине волны 632,8 нм при мощности лазера 2,5 мВт с 6 накоплениями.

Результаты и обсуждение

Морфологические структуры

Морфология CNW

CNW, использованные в данном исследовании, были гидролизованы серной кислотой.На рис. 1 показано ПЭМ-изображение УНС вместе с их водными суспензиями при концентрациях УНС 0,2 г / л (слева) и 2 г / л (справа). Хорошо видно, что УНС можно отнести к категории наноразмерных полимеров стержневой формы с диаметром и длиной примерно 30 и 500 нм соответственно. При низкой концентрации CNW около 0,2 г / л их водные суспензии кажутся прозрачными, как вода. В то время как с увеличением концентрации CNW постепенно становятся заметными суспензии молочного цвета.Дисперсия CNW в воде очень стабильна из-за их гидрофильности и отрицательно заряженных поверхностей с сульфатными группами. Таким образом, CNW потенциально могут использоваться в качестве диспергатора для других наноматериалов. Поверхностные заряды можно оценить с помощью дзета-потенциала, что означает, что чем выше потенциал, тем более стабильна дисперсия. Это один из наиболее важных факторов для диспергирования агрегатов графена (Ma et al., 2017). Пленки CNW обладают высокой прозрачностью, о чем свидетельствуют буквы, образующие «пленку CNW» под такими пленками, что хорошо видно на Рисунке 1.Фактически, Ямакава и др. (2017) подтвердили, что прозрачные пленки CNW можно рассматривать как зеленую матрицу для электродов.

Рисунок 1 . ПЭМ-изображения диспергированных УНС при концентрации 0,2 г / л (вставка: водные суспензии УНС при концентрациях УНС 0,2 и 2 г / л вверху слева и справа, соответственно, и прозрачная пленка внизу справа).

Морфология композитов CNW / GN

Изображения поперечного сечения композитов CNW / GN после разрушения поверхности наблюдались под растровым электронным микроскопом, как показано на Рисунке 2.Такие композитные пленки плотно упакованы в направлении толщины пленки, и на поверхностях излома не обнаруживается явных зазоров, несмотря на отсутствие приложенного давления в процессе изготовления пленок. По-видимому, все композитные пленки, по-видимому, в основном содержат случайно ориентированные УНС, которые плотно упакованы вместе из-за водородных связей, образующих типичные слоистые структуры. Многие яркие точки на изображениях, полученных с помощью SEM, видны и могут рассматриваться как кончики отдельных CNW. Между тем, некоторые листовые структуры оболочки становятся весьма очевидными, что указывает на хорошее сцепление, имеющееся только между CNW.

Рисунок 2 . СЭМ-изображения поперечного сечения композитных пленок CNW / GN при различном содержании GN: (A) 0,1 мас.%, (B) 0,25 мас.%, (C) 0,5 мас.% И (D) 0,5 мас. % (указывает на тонкие листы GN, прикрепленные к поверхностям поперечного сечения).

Нелегко идентифицировать GN, особенно в композитах CNW / GN при содержании GN 0,1 и 0,25 мас.%, Показанных на рисунках 2A, B, соответственно, что может быть приписано очень однородной дисперсии GN в матрицах CNW с хорошей межфазной адгезией.Когда содержание GN увеличивается до 0,5 мас.%, Агрегаты GN в композитах CNW / GN кажутся более заметными, что отмечено красными пунктирными рамками на рисунках 2C, D. Поперечный размер диспергированных ГН оценивается в 2–5 мкм, что относительно мало по сравнению с размером порошков ГН в исходном состоянии, возможно, из-за эффекта дезинтеграции во время обработки ультразвуком при подготовке материала. Стоит отметить, что тонкие графеновые листы, отмеченные пунктирными треугольными и прямоугольными рамками на рисунке 2D, могут выпадать на поверхности поперечного сечения композитов в процессе разрушения поверхности.

Прозрачность чистых пленок CNW, показанная на рисунке 1, может быть связана с меньшими размерами нановискеров, чем длина волны видимого диапазона. С увеличением содержания GN цвет композитных пленок становится намного темнее, как и ожидалось, несмотря на то, что они все еще имеют хорошую прозрачность даже для композитных пленок, армированных 0,5 мас.% GN. Прозрачность ГН зависит в первую очередь от их слоистой структуры. По данным Zhu et al. (2014), монослойный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), может достигать очень высокого светопропускания 97.4% при нормальном падении, когда используется длина волны света 550 нм. Кроме того, чем больше слоев, тем ниже коэффициент пропускания (Zhu et al., 2014). Эта работа убедительно доказывает, что добавление небольших количеств GN может улучшить свойства материала CNW, не снижая прозрачности их пленки.

Тепловые свойства

УНВ

хорошо известны как полукристаллический полимер со степенью кристалличности в диапазоне 54–88% (Moon et al., 2011). Кривые ДСК в отношении пленок CNW и композитных пленок CNW / GN показаны на рисунке 3A.Область плавления УНС довольно узкая и острая, что предполагает их идеальную кристаллическую структуру и узкий диапазон молекулярной массы. Было определено, что T _m CNW составляет 209,6 ° C, что, по-видимому, намного ниже, чем у микрокристаллической целлюлозы (MCC) при 358 ° C в других местах (Trache et al., 2014). Такая гораздо более низкая температура плавления CNW объясняется их небольшим размером и снижением молекулярной массы в результате процесса гидролиза.Как показано на рисунке 3A, при увеличении содержания GN с 0,1 до 0,25 мас.% Значения T _m композитных пленок увеличиваются с 232,8 до 238,9 ° C, несмотря на небольшое снижение до 235,9 ° C в дальнейшем. увеличение содержания GN на 0,5 мас.%, что все еще выше, чем у чистых пленок CNW при 209,6 ° C. О значительном увеличении T _m более чем на 20 ° C сообщалось в других композитах полимер / графен лишь с незначительным увеличением T _m (O’Neil et al., 2014). Такой значительно повышенный уровень T _m может напрямую извлекать выгоду из сильного взаимодействия между CNW и хорошо диспергированными жесткими GN, которые могут ограничивать подвижность молекулярных цепей CNW.

Рисунок 3 . Термограммы пленок CNW и композитных пленок CNW / GN: (A) кривых DSC, (B) кривых TGA, (C) увеличенных участков кривой TGA внутри блока пунктирной линии в (B) , и (Д) ДТГ кривые.

В дополнение к значительному увеличению T _m , типичная температура разложения CNW также может быть увеличена за счет добавления GN, если она характеризуется термической стабильностью, обычно применяемой к различным полимерам в практических приложениях. Экстрагированные CNW с использованием серной кислоты обычно демонстрируют низкую начальную температуру разложения ( T _id ) при объединении с сульфатными группами (Roman and Winter, 2004).Как видно на рисунках 3B, C, CNW обладают температурой T _id всего 148,3 ° C, что намного ниже, чем у механически разрушенных нановолокон целлюлозы в диапазоне 270–295 ° C (Okahisa et al., 2018). Для сравнения, при увеличении содержания GN с 0,1, 0,25 до 0,5 мас.% Значения T _id композитов CNW / GN существенно увеличиваются на 66,4, 78,6 и 87,4 ° C, соответственно. Этот феномен является результатом типичного замедляющего действия GN на расщепление гликозидных связей целлюлозы.Это также подтверждает существующие сильные взаимодействия между CNW и GN, которые еще не были идентифицированы в других композитах полимер / графен. Что еще более удивительно, остаточная масса CNW превышает таковую у всех композитов CNW / GN при 800 ° C, что можно приписать большому количеству свободных концевых цепей в процессе кислотного гидролиза (Sofla et al., 2016). Было доказано, что такие концевые цепи разлагаются при более низкой температуре (Staggs, 2006), что приводит к увеличению выхода полукокса ЧПУ (Piskorz et al., 1989). Более того, сульфатные группы на поверхностях CNW в процессе кислотного гидролиза могут действовать как антипирены (Roman and Winter, 2004). Кроме того, Shimizu et al. (2019) также сообщили, что температура термического разложения пленок нановолокон окисленной целлюлозы, опосредованных 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксильным радикалом (TEMPO), снизилась с 220 ° C до 182–202 ° C с увеличением длины алкильной цепи. четвертичного алкиламмония (ЧК).

Максимальная скорость потери веса Вт _rmax как функция температуры может быть определена на кривых дифференциальной термогравиметрии (DTG) композитных пленок CNW / GN (Рисунок 3D).В композитных пленках обнаруживаются три типичных характерных пика ДТГ. По-видимому, температура максимальной скорости потери массы T _r смещается к более высоким уровням температуры от 162,5 до 273,4 ° C при увеличении содержания GN от 0 до 0,5 мас.%. Две другие T _r композитных пленок могут быть расположены в диапазонах температур 220–270 ° C и 330–370 ° C, что имеет аналогичную тенденцию к повышению температуры с увеличением содержания GN.Тем не менее, значения W _rmax для композитных пленок находятся в диапазоне 0,8–1,0% / ° C, что превышает значение для чистых пленок CNW при 0,56% / ° C, что приводит к снижению веса остатков при конечной температуре. 800 ° С.

Относительно низкий W _rmax , идентифицированный в чистых пленках CNW, связан с их более высоким выходом полукокса в этом случае (Piskorz et al., 1989). Соответственно, такие результаты хорошо согласуются с измерениями ТГА.В целом, типичные термические параметры, определенные в этом исследовании, перечислены в Таблице 2. Наличие сульфата в боковых цепях, по-видимому, сильно влияет на тепловое поведение CNW, как свидетельствуют Ma et al. (2017) предполагают, что значения ХНВ при сульфатированной обработке имели значения T _m и T _id , увеличившиеся более чем на 46 и 48 ° C, соответственно.

Таблица 2 . Тепловые параметры, деформация растяжения при разрыве (ε), предел прочности (σ _t ) и электропроводность (σ) пленок CNW и композитных пленок CNW / GN.

Наблюдается значительное увеличение тепловых параметров композитов CNW / GN при очень низком содержании GN 0,1, 0,25 и 0,5 мас.% В результате сильного взаимодействия между наполнителями GN и матрицами CNW, что подтверждается другими исследованиями 2D-материалов, таких как в виде нитрида бора (BN) и графеновых нанолистов (Li Y. et al., 2015). Под наблюдением SEM, показанным на рисунке 4, можно ясно увидеть поглощение CNW на листах GN в композитах CNW / GN при содержании GN 0,5 мас.%. Поскольку целлюлоза является амфифильным полимером, присутствие полярной группы –ОН позволяет вызвать гидрофильность, в то время как воздействие фрагментов –СН вместо этого приводит к ее гидрофобности.Таким образом, CNW могут тесно взаимодействовать с GN с двойным гидрофобно-гидрофобным эффектом (Li F. et al., 2015). Также было высказано предположение, что связь между УНТ и карбоксиметилцеллюлозой может быть обусловлена ​​π-π взаимодействиями (Son and Park, 2018).

Рисунок 4 . СЭМ-изображения адсорбции CNW на листах GN в композитных пленках CNW / GN при содержании GN 0,5 мас.%: (A) при малом увеличении 20,000 × и (B) при большом увеличении 60,000 ×.

Электропроводность и свойства при растяжении

Прозрачные и гибкие пленки CNW обладают низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет использовать их в качестве упаковочных пленок или подложек для гибкой электроники (Yamakawa et al., 2017). Добавление GN в пленки CNW увеличивает электрическую проводимость и прочность на разрыв, как показано на рис. 5. Чистые пленки CNW в качестве изоляционных материалов испытывают трудности с измерением электропроводности с использованием нашего оборудования, поэтому их значение не сообщается в этом исследовании. Электропроводность нанофибриллы целлюлозы, окисленной TEMPO (TOCN), по данным Zhan et al. (2019) составило 4,8 × 10 ⁻¹² См / м, что указывает на типичную изоляционную природу целлюлозных пленок. Однако было обнаружено, что электрическая проводимость увеличивается в диапазоне от 2.5 × 10 ⁻⁸ до 4,0 × 10 ⁻⁵ См / м с увеличением содержания GN с 0,1 до 0,5 мас.%, Показанных на фиг. 5A, что удовлетворяет требованиям антистатических свойств (Steinert and Dean, 2009 г.). Антистатические свойства обычно характеризуются поверхностями проводящих материалов для уменьшения статического заряда, создаваемого внутренними изоляционными структурами материалов. Наши результаты близки к результатам для композитов бактериальная целлюлоза (BC) / восстановленный оксид графена (RGO) при уровне электропроводности приблизительно 1.1 × 10 ^-4 См / м, когда содержание RGO достигает 1,0 мас.%, Что на два порядка выше, чем у композитных мембран целлюлозного нановолокна / 1,0 мас.% MWCNT при 10 ⁻⁶ См / м (Feng et al. ., 2012; Zhang et al., 2019). Луонг и др. (2011) сообщили о еще более высоком значении проводимости 4,8 × 10 ^-4 См / м для модифицированной амином нанофибриллированной целлюлозы / 0,3 мас.% Нанокомпозитной бумаги RGO. Все эти результаты показывают эффективное улучшение электропроводности целлюлозных нанокомпозитов.

Рисунок 5 . Влияние содержания GN на электрическую проводимость (A) и прочность на разрыв и деформацию растяжения (B) при разрыве композитных пленок CNW / GN.

Предел прочности на разрыв композитных пленок увеличивается до 105,1 и 129,4 МПа при низком содержании GN 0,1 и 0,25 мас.%, Соответственно, по сравнению с 96,8 МПа для чистых пленок CNW, как показано на рисунке 5B. Напротив, предел прочности композитов на разрыв снижается до 98,2 МПа при включении 0.5 мас.% GN в результате неоднородности дисперсии GN и типичной агрегации GN при относительно высоких уровнях содержания наполнителя. Деформация растяжения при разрыве пленок CNW оказалась очень низкой — 1,4%. При увеличении содержания ГН до 0,5 мас.% Соответствующие деформации для их композитов можно было бы умеренно снизить до 0,8% монотонным образом из-за их более хрупкой природы с включением ГН в качестве жестких наполнителей. Соответствующие данные относительно прочности на разрыв, деформации при разрыве и электропроводности композитных пленок также приведены в таблице 2.Усиливающий эффект GO и RGO может быть более выражен из-за их большого количества функциональных групп (Phiri et al., 2018). Очень высокая прочность на разрыв композитов нанофибриллированной целлюлозы (NFC) / 1,25 мас.% Графена была получена при 351 МПа посредством расслоения графита на месте на графеновые листы в растворах NFC с помощью методов фильтрации (Malho et al., 2012 ).

Структурный анализ

Кристаллические структуры пленок CNW и композитных пленок CNW / GN характеризуются методами XRD и рамановской спектроскопии, как показано на рисунке 6.Высокая кристаллическая характеристика УНС очевидна, поскольку их аморфные компоненты разрушаются концентрированной кислотой в процессе гидролиза. Характерные дифракционные пики композитных пленок, расположенных под углом примерно 22,6 °, соответствующих отражению от кристаллической плоскости (200), довольно широкие из-за меньших размеров кристаллов УНС. На рисунке 6А не наблюдается явной дифракции графена в композитных пленках CNW / GN при содержании GN 0,1 и 0,25 мас.%, Что, как полагают, связано с небольшим количеством однородно диспергированных GN, встроенных в матрицы CNW (Son and Park, 2018).Крошечный пик, расположенный под 26,8 °, можно наблюдать на рентгенограмме композитов CNW / GN при содержании GN 0,5 мас.%, Что соответствует межслоевому расстоянию 0,34 нм по отношению к плоскости кристалла (002). Это показывает явный признак агрегации GN в матрицах CNW в хорошем соответствии с морфологическими структурами, наблюдаемыми ранее. Что касается спектров комбинационного рассеяния света, характерный пик целлюлозы расположен при 1095 см, ^-1 , что согласуется с данными Bulota et al. (2012). Характерные пики GNs могут быть легко обнаружены в спектрах комбинационного рассеяния света в основном с тремя полосами, а именно полосой G при 1578 см ^-1 , полосой D при 1334 см ^-1 и полосой 2D при 2679 см ^-1 , как показано на рисунке 6B.Колебание sp ² атомов углерода приводит к появлению полосы G как основной характеристической полосы графена. Разупорядоченный колебательный пик графена обычно рассматривается как наличие D-полосы, которая используется для характеристики структурных дефектов в образцах графена с достаточно низкой интенсивностью в спектрах ГН. Ясно указано, что GN менее дефектны в этом исследовании. Подобно результатам XRD, типичный пик GN также не виден, пока содержание GN не достигнет 0.5 мас.% Снова из-за включения очень небольшого количества GN от 0,1 до 0,25 мас.%.

Рисунок 6 . Структурный анализ пленок CNW и композитных пленок CNW / GN: (A) рентгенограмм и (B) спектров комбинационного рассеяния.

Выводы

Композитные пленки

CNW / GN с небольшим содержанием GN 0,1, 0,25 и 0,5 мас.% Были успешно получены с использованием литья из раствора, что привело к их высокой прозрачности, улучшенным тепловым, электрическим и механическим свойствам.Однородная дисперсия GN в матрицах CNW в композитных пленках была обнаружена при более низком содержании GN 0,1 и 0,25 мас.%, В отличие от типичной агрегации GN при более высоком уровне содержания 0,5 мас.%, Что приводит к снижению прочности композитов на разрыв. Первый случай приводит к повышению прочности композитных пленок на разрыв с 96,8 до 129,4 МПа при увеличении содержания ГН с 0 до 0,25 мас.% За счет упомянутой ранее однородной дисперсии ГН. GN в качестве жестких наполнителей могут сильно ограничивать подвижность молекулярных цепей CNW, тем самым улучшая термические свойства композитных пленок CNW / GN, о чем свидетельствуют значительно улучшенные T _m и T _id .Более того, электропроводность композитных пленок увеличивается на три порядка с увеличением содержания GN с 0,1 до 0,5 мас.%. В частности, при содержании ГН 0,5 мас.% Их электропроводность достигает 4,0 · 10 ⁻⁵ См / м с уникальными антистатическими свойствами. Такие композитные пленки CNW / GN с хорошей прозрачностью, высокой механической прочностью и гибкостью, отличными тепловыми и электрическими свойствами могут быть многообещающими многофункциональными материалами, особенно для электронных приложений.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в рукописные / дополнительные файлы.

Авторские взносы

DL спланировал эксперименты и подготовил рукопись. YL подготовила образцы материалов и провела рентгеноструктурный и рамановский анализ. Компания NM выполнила термический анализ (т.е. ДСК и ТГА) и механические испытания. DL проводил структурный анализ и измерения электропроводности. YD и GS участвовали в обсуждении результатов и редактировании рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Агат, С., Джойс, М., Люсия, Л., и Пал, Л. (2018). Гибко-гибридная печатная электроника и токопроводящие композиты на основе целлюлозы и наноцеллюлозы — обзор. Carbohydr. Polym. 198, 249–260. DOI: 10.1016 / j.carbpol.2018.06.045

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Булота, М., Крейцманн, К., Хьюз, М., и Палтакари, Дж. (2012). Ацетилированная микрофибриллированная целлюлоза в качестве упрочняющего агента в поли (молочной кислоте). J. Appl. Polym. Sci. 126, E449 – E458. DOI: 10.1002 / app.36787

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карпентер, А.В., де Ланнуа, К.Ф. и Ви

Тепловой КПД — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Тепловой КПД (ηth {\ displaystyle \ eta _ {th} \,}) — безразмерная производительность измерение теплового устройства, например, двигателя внутреннего сгорания, котла или печи.

Вход Qin {\ displaystyle Q_ {in} \,} в устройство — это тепло или теплосодержание потребляемого топлива. Желаемый результат — это механическая работа, Wout {\ displaystyle W_ {out} \,}, или тепло, Qout {\ displaystyle Q_ {out} \,}, или, возможно, оба. Поскольку входящее тепло обычно имеет реальные финансовые затраты, запоминающееся общее определение термического КПД: ^[1]

ηth≡OutputInput. {\ Displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {\ text {Output }}{\ввод текста}}}.}

Согласно первому и второму законам термодинамики, выход не может превышать входной, поэтому

0≤ηth≤1.0. {\ Displaystyle 0 \ leq \ eta _ {th} \ leq 1.0.}

Термический КПД, выраженный в процентах, должен находиться в пределах от 0% до 100%. Из-за неэффективности, такой как трение, потеря тепла и других факторов, термический КПД обычно намного меньше 100%. Например, типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД около 25%, а большая угольная электростанция достигает пика около 36%. Тепловой КПД электростанции с комбинированным циклом приближается к 60%.

При преобразовании тепловой энергии в механическую, тепловой КПД тепловой машины — это процент энергии, преобразованной в работу.Термический КПД определяется как

ηth≡WoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {W_ {out}} {Q_ {in}}}},

или через первый закон термодинамики, чтобы заменить отвод отработанного тепла для произведенной работы,

ηth = 1 − QoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} = 1 — {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}}.

Например, когда 1000 джоулей тепловой энергии преобразуется в 300 джоулей механической энергии (а оставшиеся 700 джоулей рассеиваются как отходящее тепло), тепловой КПД составляет 30%.

Для устройства преобразования энергии, такого как котел или печь, тепловой КПД равен

ηth≡QoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}}.

Итак, для котла, который производит 210 кВт (или 700 000 БТЕ / ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ / ч) вводимого теплового эквивалента, его тепловой КПД составляет 210/300 = 0,70, или 70%. Это означает, что 30% энергии теряется в окружающей среде.

Электрический резистивный нагреватель имеет тепловой КПД около 100% или очень близко, поэтому, например, 1500 Вт тепла вырабатывается на 1500 Вт входной электроэнергии.При сравнении нагревательных элементов, таких как электрический резистивный нагреватель с КПД 100% и печью, работающей на природном газе, КПД 80%, необходимо сравнить цены на энергию, чтобы найти более низкую стоимость.

Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры, например, перемещают тепло, а не преобразуют его, поэтому для описания их тепловых характеристик необходимы другие меры. Общими показателями являются коэффициент полезного действия (COP), коэффициент энергоэффективности (EER) и сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER).

КПД теплового насоса (HP) и холодильников (R) *:

EHP = | QH || W | {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {| Q_ {H} |} {| W |}}}

ER = | QL || W | {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {| Q_ {L} |} {| W |}}}

EHP − ER = 1 {\ displaystyle \ displaystyle E_ {HP} -E_ {R} = 1}

Если температуры на обоих концах теплового насоса или холодильника постоянны, а их процессы обратимы:

EHP = THTH-TL {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

ER = TLTH-TL {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

 * H = высокая (температура / источник тепла), L = низкая (температура / источник тепла)
 

«Тепловой КПД» иногда называют энергоэффективностью .В Соединенных Штатах при повседневном использовании SEER является наиболее распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов в режиме нагрева.