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原理3140
第31章多孔材料
【故事引出】焦炭炼铁与多孔材料原理
中国的冶金历史悠久,可以追溯到商周时期的青铜器时代。
春秋末期,中国的冶铁技术有了很大突破,生铁在中国得到了日益广泛的应用。
冶铁最初的燃料是木炭,但它的燃烧温度低,火力不耐久。
后来改用煤作为冶铁燃料,我国是是世界上最早将煤炭用于冶炼生铁的国家。
煤炭温度高,火力久,但在炉内受热后容易破碎,造成炉内透气性不好,无法进一步提高温度。
后来人们发现,煤在无名火加热后,形态焦化,质地坚硬,表面形成很多气孔,成为焦炭。
使用焦炭炼铁获得的炉温更高,火力耐久。
焦炭用于炼铁高炉是冶金史上的一个重大里程碑。
一、使物体变为多孔或加入多孔物体(如多孔嵌入物或覆盖物)。
应用举例:
建筑中非承重墙使用的空心砖。
空心砖,中心空的砖。
这种砖有较好的保暖和隔音性能,用在不受压力的部分,可以减轻建筑物的重量并节约材料。
空心砖是近年内建筑行业常用的墙体主材,由于质轻、消耗原材少等优势,已经成为国家建筑部门首先推荐的产品。
二、如果物体是多孔结构,利用孔结构引入有用的物质或功能。
应用举例:
医用药棉。
医院里外科用药棉是普通棉花去掉油脂(脱脂处理)、灭菌消毒而成的。
这样,药棉就成了一些药物的浸润物,可以饱蘸药液给患者清洗伤口、消毒治病。
第32章颜色改变
【故事引出】观测火温度与改变颜色原理
中国古代冶炼技术举世瞩目,八千年前就熟练掌握的青铜器冶炼技术,春秋战国时期已有铁器制造。
冶炼技术重在掌握火候,在当时的技术条件下,靠长期的经验积累总结出依据热幅射的颜色来判断是否达到合金浇铸所需温度的方法,对合金的浇铸是有效的。
《考工记》关于从火色和火温的关系来掌握青铜合金熔炼的过程,已有比较正确的经验认识。
“凡铸金之状,金与锡。
黑浊之气竭,黄白次之,黄白之气竭,青白次之,青白之气竭,青气吹之,然后可铸也。
”
黑浊之气是青铜熔炼时,木炭、木柴燃烧的产物。
黄白之气,青白之气,青气都是和合金中各种金属的焰色有关,可用金属焰色的变化来判断合金熔炼的程度,“青气次之,然后可铸也”。
在合金熔炼时,连续加温,炉内温度不断升高,合金的焰色也不断变化,从墨浊之气、黄白之气,青白之气直到青气次之。
焰色的变化和炉内温度的升高就有了直接的联系。
一、改变物体或环境的颜色。
应用举例:
充电器指示灯。
日常生活中使用的充电电池(如照相机、手机、电动车等)充电器上都有指示灯,一般使用红色表示正在充电,绿色表示充电完毕。
二、改变物体或环境的透明度。
应用举例:
测试酸碱度的试纸。
化学离不开溶液,溶液有酸碱之分。
一般用PH试纸来检验溶液酸碱性。
这是一种现成的试纸,使用时,撕下一条,放在表面皿中,用一支干燥的玻璃棒从玻璃容器中蘸取一滴溶液,从它的颜色变化就可以知道溶液的酸碱性,十分方便。
除了化学中应用,日常生活中的矿泉水、碳酸饮料、果汁等各种饮料也可以使用PH试纸方便的进行测量。
三、在难以看清的物体使用有色添加剂或发光物质。
应用举例:
交警穿的夜间发光的衣服。
交警经常在夜间巡逻,执法时可能会走出公路,如果在黑夜里很容易被车撞倒,所以制服上加荧光粉,让机动车辆更好地识别,提高人身的安全性。
这种衣服不仅可以用于交警,道路施工工人,环卫保洁工人也经常使用,提醒机动车司机注意。
四、通过辐射加热改变物体的热辐射性。
应用举例:
太阳灶使用抛物面镜来提高能量收集。
太阳灶是利用太阳能辐射,通过聚光获取热量,进行炊事烹饪食物的一种装置。
它不烧任何燃料;没有任何污染。
太阳灶大都采用聚光式镜面设计,采用旋转抛物面的聚光原理,提高能量收集能力。
第33章同质性
【故事引出】千年木塔与同质性原理
应县木塔全名为佛宫寺释迦塔,位于山西省朔州市应县县城内西北角的佛宫寺院内,是佛宫寺的主体建筑。
建于辽清宁二年(公元1056年),它是我国现存最古老最高大的纯木结构楼阁式建筑,是世界木结构建筑的典范。
作为世界上最高、最古老的木结构佛塔,应县木塔高67.31米。
据考证,在近千年的岁月中,应县木塔除经受日夜、四季变化、风霜雨雪侵蚀外,还遭受了多次强地震袭击,木塔的结构非常科学合理,卯榫咬合,刚柔相济。
木构件之间因为材质相同,仅产生很小位移,具有和很好的能量吸附功能。
由于全部使用木质结构,不用铁钉,减少腐朽,屹立900多年而不倒。
一、存在相互作用的物体用相同材料或特性相近的材料制成。
应用举例:
包饺子时在饺子皮之间撒面粉,避免粘连。
第34章抛弃或再生
【故事引出】熔模铸造与抛弃或再生原理
“冶石为器,千炉齐设”,晋曹毗《咏冶赋》的著名诗句,真实描绘了我国古代冶铸生产的情景。
古代劳动人民通过长期生产实践,创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。
其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要,称古代三大铸造技术。
我国古代早期的大型青铜器都是用泥范法铸造的,但是这种方法有个明显缺点,就是铸成的器物在两个范连接处会有痕迹,影响美观,而且对于一些造型复杂的器件泥范法难易完成。
后来,古代工匠发明了熔模铸造法(又称失蜡法),是一种青铜等金属器物的精密铸造方法。
做法是,用蜂蜡做成铸件的模型,再用别的耐火材料填充泥芯和敷成外范。
加热烘烤后,蜡模全部熔化流失,使整个铸件模型变成空壳。
再往内浇灌溶液,便铸成器物。
以蜡制模,加热蜡失,是对抛弃或再生原理的一个极好的应用。
一、采用溶解、蒸发等手段抛弃已完成功能的零部件,或在系统运行过程中直接修改它们。
应用举例:
火箭助推器在完成其作用后立即分离。
助推器是一种动力装置,内含燃料,推动火箭、飞船升天。
根据助推器所使用的燃料的不同,可以将助推器分为液体火箭助推器和固体火箭助推器。
火箭在完成其作用后立即分离,减轻重量。
二、在工作过程中迅速补充系统或物体中消耗的部分。
应用举例:
自动铅笔。
木制铅笔为了维持书写顺利,需要时常卷削,自动铅笔的出现正顺应了人们使用方便的需要。
自动铅笔,不用卷削,能够自动或半自动出芯。
第35章物理或化学参数改变
【故事引出】冰墙退敌与物理或化学参数改变
宋真宗咸平二年(999年),契丹贵族又一次向宋朝发动大规模军事进攻,宋军节节失利。
当时杨延昭正守卫遂城(今河北徐水县东),九月初,辽军攻遂城。
但遂城城小无备,杨延昭急招城中壮丁,配发武器,登城守护,将敌屡次打退。
时当初冬,适值寒潮,气温骤降,杨延昭命城中军民汲水浇灌城墙,一夜之间城墙变得又坚固又光滑,辽军攻城不下,只好绕过遂城进攻别处。
利用低温给城墙泼水,变作“冰墙”,坚固无比。
一、改变聚集态(物态)
应用举例:
用液态天然气运输,不用气态运输以减少体积和成本。
天然气燃烧后无废渣、废水产生,相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。
用液态天然气便于贮存和运输液化,也就是说,1m3液化天然气可气化成625m3天然气,由此可见贮存和运输的方便性。
二、改变浓度或密度
应用举例:
用液态的洗手液代替固体肥皂,可以定量控制使用,减少浪费。
三、改变柔度
应用举例:
使用洗衣柔顺剂可以让洗涤过的衣服更加柔软、蓬松,还可以消除衣物静电。
衣物柔顺剂的作用就好像是为织物纤维的表面均匀地上一层保护膜,纤维表面由于吸附了柔软剂,纤维间的摩擦系数降低了、可移动性增强了,纤维固有的平滑、延伸、压缩性能也得到了恢复,所以织物变得更加柔软、蓬松、有弹性。
同样的道理,由于柔顺剂“保护膜”的作用减少了纤维间的摩擦,也就在一定程度上改善了棉、毛、蚕丝,特别是化纤织物带静电的现象。
四、改变温度
应用举例:
使用冰箱保存食物。
冰箱就是通过人造低温环境,降低食物中各种化学反应的速度,从而有利于保存食物的品质。
第36章相变
【故事引出】古代冰箱与相变原理
最早的冰箱“冰鉴”可以追溯的战国时代,虽然它使用冰块来实现冷藏的功能,但是其作用与现今的冰箱丝毫没有区别。
古籍《周礼》记载“祭祀共冰鉴”。
“鉴”其实就是个盒子,里头放冰,再将食物放在冰的中间,起到对食物防腐保鲜的作用。
可见周代当时已有原始的冰箱,利用冰溶化吸热作用,降低温度进行保鲜。
一、利用物质相变时产生的某种效应,体积改变,吸热或放热。
应用举例:
干冰清洗。
干冰(学名固体二氧化碳)清洗,是一种清洗污垢采用的方法。
已经应用到工业模具、石油化工、食品制药等许多行业。
利用干冰清洗有几大优点:
1.强大的冲击力
干冰高速撞击到被清洗表面,撞击动能的散逸和干冰粒子与清洗表面极其快速的热转移造成二氧化碳在瞬间由固态转化为气态。
2.微爆炸把污垢带离物件表面
当干冰粒钻进污垢的裂缝后,在几千分之一秒内气化,其体积瞬间膨胀近800倍,从而把污垢带离物件表面。
第37章热膨胀
【故事引出】火烧岩石与热膨胀原理
热胀冷缩是重要的热现象之一,在我国古代对它已有所研究和利用。
汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象:
把盛水铜瓮加热,直到水沸腾时密闭其口,急沉人井中,铜瓮发出雷鸣般响声。
这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂,破裂声由井内传出,这是一个典型的热胀冷缩现象。
元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验,他把带孔的物体加热以后,使另一个物体进入孔洞,从而这两个物体如“辘轳旋转,无分毫缝罅”。
他明确指出,这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。
据《华阳国志》记载,李冰父子修建都江堰时,发现用火烧巨石,然后浇水其上,就容易凿开山石。
这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验,在我国历代水利工程中不断为人们采用。
一、使用热膨胀或热收缩材料。
应用举例:
水银温度计。
利用水银受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据,用它来测量温度,不仅比较简单直观,而且还可以避免外部远传温度计的误差。
二、组合使用不同热膨胀系数的几种材。
应用举例:
热敏开关。
利用两条粘在一起的金属片,由于两片金属的热膨胀系数不同,温度变化会产生弯曲,可以用来做开关使用。
第38章加速氧化
【故事引出】沤麻方法与加速氧化原理
大麻、苎麻的韧皮纤维,是我国古代的重要纺织原料。
它们的韧皮是由植物胶质和纤维组成。
要利用纤维进行纺织,必须先把胶质除掉一部分,使工艺纤维分离出来才行。
这一加工过程叫做“脱胶”。
最早在《诗经》里就有记录我国劳动人民进行大麻和苎麻脱胶和纺织加工的诗句:
“东门之池,可以沤麻”;“东门之池,可以沤纻”。
这说的是大麻和苎麻采用池水沤渍的办法进行脱胶。
采用沤渍脱胶,对气温、水质要求都很重要,否则会费时而且使麻质过脆、发黑。
后来,在宋元时期又创造了半浸半晒的新方法。
加工过程是把用石灰水煮过的麻缕用清水洗净以后,摊在铺在水面的竹帘上,半浸半晒,日晒夜收(《农书》、《士农必用》)。
由于半浸半晒,日光紫外线和水起界面反应放出臭氧,把纤维中的杂质和色素去除,这就起到了漂白的作用。
此外,还有用硫黄熏蒸的方法来漂白葛麻织物的(宋《格物粗谈》)。
一、用富氧空气代替普通空气。
应用举例:
为持久在水下呼吸,水中呼吸器中储存浓缩空气。
二、用纯氧代替空气。
应用举例:
用乙炔—氧代替乙炔—空气切割金属,可使切割温度更高,加快切割速度。
三、将空气或氧气进行电离辐射,使用离子化氧气。
应用举例:
负离子空气清新机。
利用负离子发生器产生负离子,不仅能高效地除尘、灭菌、净化空气,同时还能够激活空气中的氧分子而形成携氧负离子,可以改善空气质量,提高人体健康。
四、用臭氧代替离子化氧气。
应用举例:
臭氧溶于水去除船体上的有机污染物。
第39章惰性或真空环境
【故事引出】“东方睡美人”与惰性或真空环境原理
1972年,湖南长沙马王堆汉墓出土的辛追尸体,时逾2100多年,形体完整,全身润泽,部分关节可以活动,软结蒂组织尚有弹性,几乎与新鲜尸体相似,震惊世界,被誉为“东方睡美人”,为世界医学界提供了无双范本。
经过科研工作者的深入研究除,辛追千年不腐充满偶然性。
除了采取得当的防腐措施之外,当时的环境一定非常干燥,有利于保存,而且棺木密封很好,和外界空气隔绝避免了细菌对尸体的侵蚀。
深埋、密封、缺氧,接近真空是不腐的主要原因。
一、用惰性环境代替通常环境。
应用举例:
用惰性气体填充灯泡,防止金属灯丝氧化。
也可以充入不同惰性气体制成霓虹灯。
真空灯管充入氙气能发出白色光,氩气能发出蓝色光,氦气能发出黄色光,氪气能发出深蓝色光……不同的气体能发出不同的色光,五颜六色,犹如天空美丽的彩虹。
霓虹灯也由此得名。
二、使用真空环境。
应用举例:
利用抽真空第来做吸尘器。
吸尘器的工作原理是利用电动机带动叶片高速旋转,在密封的壳体内产生真空,形成空气负压,吸取尘屑。
第40章复合材料
【故事引出】生漆脱胎佛像与复合材料原理
早在三千年前,我国古代在漆器制造工艺上已达很高水平。
这些漆器所用的漆就是生漆,也叫大漆,是一种多年生乔木漆树分泌的树汁。
生漆中含有水、漆酚和漆酶等。
生漆干燥固化后形成的膜坚硬、牢固、耐温、防腐,至今仍是一种高性能的涂料。
魏晋南北朝时期佛教在中国盛行,工匠们用漆器制作方法塑佛像。
他们先用泥塑好佛像,塑好以后,把麻纤维包在泥像上,再往纤维上涂生漆,干燥后表面形成坚硬的固化漆层,然后再往已经固化的漆膜上涂生漆,往漆上贴麻纤维,再往纤维上涂漆,反复几次之后,在泥像外面形成了一座生漆与纤维复合的佛像,再用水把里面的泥冲去,就得到夹紵脱胎佛像。
夹紵指生漆里夹有紵麻纤维;脱胎指脱去了里面的泥胎。
胎指制造漆器的衬底。
这种佛像轻巧、坚固、耐久。
像漆器这样,把两种或两种以上的材料按一定的方式复合起来的材料就是复合材料。
一、用复合材料代替均质材料。
应用举例:
用碳纤维复合材料制造比赛用自行车车身;用玻璃纤维制成的冲浪板,更加易于控制运动方向,更加易于制成各种形状。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维,具有强度高、耐高温、比重小等一系列性能,首先在航空航天领域得到广泛应用,近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。
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