Реферат: От лат cavitas пу­стота), образование в капельной жид­кости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т н. кавитац пузырьков или каверн). Кавитац

К
КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas — пу­стота), образование в капельной жид­кости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т. н. кавитац. пузырьков или каверн). Кавитац. пу­зырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже нек-рого критич. значения ркр (в ре­альной жидкости ркр прибл. равно давлению насыщ. пара этой жидкости при данной темп-ре). Если пониже­ние давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то К. наз. гидродинамической, а если вследствие прохождения звук. волн большой интенсивности — акустиче­ской.

Гидродинамическая К. Для идеальной однородной жидкости вероятность образования пузырьков за счёт разрыва жидкости становится заметной при больших растягивающих напряжениях; так, напр., теор. проч­ность на разрыв воды равна

1,5•108 Па (—1500 кгс/см2). Реальные жидкости менее прочны. Макс. рас­тяжение тщательно очищенной во­ды, достигнутое при растяжении воды при 10°С, составляет — 2,8•107 Па (— 280 кгс/см2). Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь нем­ного меньших давления насыщ. пара. Низкая прочность реальных жидко­стей связана с наличием в них т. н. кавитац. зародышей: микроскопич. га­зовых пузырьков, тв. ч-ц с трещинами, заполненными газом, и др. Мельчай­шие пузырьки газа или пара, двига­ясь с потоком и попадая в область дав­ления р<ркр, сильно расширяются в результате того, что давление содер­жащегося в них пара и газа оказы­вается больше, чем суммарное дей­ствие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давле­нием (напр., в трубе с местным суже­нием) создаётся довольно чётко огра­ниченная «кавитац. зона», заполненная движущимися пузырьками.

После перехода в зону повыш. дав­ления рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Если пу­зырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им мин. радиуса он восстанавливается и совершает неск. циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни.

Сокращение кавитац. пузырька про­исходит с большой скоростью и со­провождается звук. импульсом (своего рода гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития К. такова, что в случайные моменты вре­мени возникает и захлопывается мно­жество пузырьков, то явление сопро­вождается сильным шумом со сплош­ным спектром от неск. сотен Гц до со­тен и тысяч кГц. Если кавитац. каверна захлопывается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к т. н. кавитац. эрозии) поверхности обте­каемого тела — лопастей гидротур­бин, гребных винтов кораблей (рис.) и др. гидротехн. устройств.

236


При данной форме обтекаемого тела К. возникает при нек-ром, вполне определённом для данной точки потока, значении безразмерного параметра



где р — гпдростатич. давление набе­гающего потока, рн— давление насыщ. пара,  — плотность жидкости,



^ Участок разрушен­ной поверхности гребного винта.


v— скорость жидкости при достаточ­ном удалении от тела. Этот параметр наз. «числом кавитации», служит од­ним из критериев подобия при модели­ровании гидродинамич. течений. Уве­личение скорости потока после начала К. вызывает быстрое возрастание кол-ва кавитац. пузырьков, затем проис­ходит их обьединение в общую кави­тац. каверну, после чего течение пере­ходит в струйное (см. Струя).

Если внутрь каверны через тело, около к-рого возникает К., подвести атм. воздух или иной газ, то разме­ры каверны увеличатся. При этом установится течение, к-рое будет со­ответствовать числу кавитации, опре­деляемому уже не давлением насы­щенного водяного пара рн, а давлени­ем газа внутри каверны рк, т. е. =(p-pк)/v2. Т. к. величина рк может быть много больше рн, то в таких условиях при малых скоростях набе­гающего потока можно получать те­чения, соответствующие очень низким значениям , т. е. сильному развитию К. Так, при движении тела в воде со скоростью 6—10 м/с хар-р его обте­кания может соответствовать скоро­стям до 100 м/с. Кавитац. течения, получающиеся в результате подвода газа внутрь каверны, наз. искус­ственной К.

Гидродинамич. К. может сопровож­даться рядом физ.-хим. эффектов, напр. искрообразованием и люми­несценцией. Обнаружено влияние электрич. тока и магн. поля на К., возникающую при обтекании цилинд­ра в гидродинамич. трубе.

К. оказывает вредное влияние на работу гидротурбин, жидкостных на­сосов, гребных винтов кораблей, жид­костных систем высотных самолётов и т. д., снижает их кпд и приводит к разрушениям. К. может быть умень­шена при увеличении гидростатич. давления, напр. помещением устрой­ства на достаточной глубине по отно­шению к свободной поверхности жид­кости, а также подбором соответст­вующих форм элементов конструкции, при к-рых вредное влияние К. умень­шается. Эксперим. исследования К. проводятся в гидродинамич. трубах, оборудованных системой регулирова­ния статич. давления (т. н. кавитац. Трубы).

^ А. Д. Перник.

Акустическая К. При излу­чении в жидкость интенсивной звук. волны с амплитудой звукового давления, превосходящей нек-рую пороговую ве­личину, во время полупериодов разре­жения возникают кавитац. пузырьки на т. н. кавитац. зародышах, к-рыми чаще всего явл. газовые включе­ния, содержащиеся в жидкости и на колеблющейся поверхности акустич. излучателя. Поэтому кавитац. порог повышается по мере снижения содер­жания газа в жидкости, при уве­личении гидростатич. давления, после обжатия жидкости высоким (~103 кгс/см2=108 Па) гидростатич. давлением и при охлаждении жидко­сти, а кроме того, при увеличении частоты звука и при сокращении продолжительности озвучивания. По­рог для бегущей волны выше, чем для стоячей. Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия, созда­вая кратковременные (длительно­стью ~10-6 с) импульсы давления (до 108 Па и более), способные разру­шить даже весьма прочные материалы. Такое разрушение наблюдается на поверхности мощных акустич. излу­чателей, работающих в жидкости. Давление при захлопывании кавитац. пузырьков повышается при снижении частоты звука и при повышении гидро­статич. давления; оно выше в жид­костях с малым давлением насыщ. пара. Захлопывание пузырьков со­провождается адиабатич. нагревом га­за в пузырьках до темп-ры ~104°С, чем, по-видимому, и вызывается све­чение пузырьков при К. (т. н. звуколюминесценция). К. сопровожда­ется ионизацией газа в пузырьках. Кавитац. пузырьки группируются, об­разуя кавитац. область сложной и изменчивой формы. Интенсивность К. удобно оценивать по разрушению тон­кой алюминиевой фольги, в к-рой кавитирующие пузырьки пробивают отверстия. По кол-ву и расположе­нию этих отверстий, возникающих за определ. время, можно судить об ин­тенсивности К. и конфигурации ка­витац. области.

Если жидкость насыщена газом, то газ диффундирует в пузырьки и пол­ного захлопывания их не происходит. Всплывая, такие пузырьки уносят газ и уменьшают содержание его в жидкости. Интенсивные колебания под действием звук. волны газонаполнен­ных пузырьков как в свободной жид­кости, так и вблизи поверхности тв. тел создают микропотоки жидкости. К. оказывает вредное воздействие

на работу подводных излучателей, ог­раничивая возможность дальнейшего повышения интенсивности звука, из­лучаемого в жидкость. Акустич. К. и связанные с ней физ. явления вызы­вают, напр., разрушение и диспергирование тв. тел, эмульгирование жид­костей, и поэтому применяется для очистки поверхностей деталей. Эти эффекты обязаны своим происхожде­нием ударам при захлопывании пу­зырьков и микропотокам вблизи них. Другие эффекты (напр., иницииро­вание и ускорение хим. реакций) связаны с ионизацией газа в пузырь­ках. Благодаря этому акустич. К. всё шире используется в технол. процес­сах.

Акустич. К. используется в биоло­гии. Импульсы давления, возникаю­щие в кавитац. пузырьках, обусловли­вают мгновенные разрывы микроорга­низмов и простейших, находящихся в водной среде, подвергаемой дей­ствию УЗ. К. используют для выде­ления из животных и растит. клеток ферментов, гормонов и др. биологи­чески активных в-в.

• Перник А. Д., Проблемы кавитации, 2 изд., Л., 1966; К н э п п Р., Д е й л и Дж., Хэммит Ф., Кавитация, пер. с англ., М., 1974; Мощные ультразвуковые поля, М., 1968 (Физика и техника мощного ультразву­ка, кн. 2); Л е в к о в с к и й Ю. Л., Струк­тура кавитационных течений, Л., 1978.

^ К. А. Наугольных.

КАЛИБРОВКА (от франц. calibre — величина, размер, шаблон) мер, слож­ный вид поверки, заключающийся в определении погрешностей или по­правок совокупности мер (напр., на­бора гирь) или разл. значений одной многозначной (напр., линейной шка­лы). К. осуществляется сравнением мер между собой в разл. сочетаниях и последующим вычислением действит. значений мер, причём за основу для вычисления принимается результат сравнения одной из мер или сочета­ния мер, образующих совокупность, с образцовой мерой.

• Маликов М. Ф., Основы метрологии, ч. 1, М., 1949; Аматуни А. Н., Калиб­ровка подразделений штриховых мер, в кн.: Энциклопедия измерений, контроля и авто­матизации (ЭИКА), в. 6, М.—Л., 1966, с. 33.

К. П. Широков.

^ КАЛИБРОВОЧНАЯ СИММЕТРИЯ, общее назв. класса внутр. симметрии ур-ний теории поля (т. е. симметрии, связанных со св-вами элем. ч-ц, а не со св-вами пространства-времени), ха­рактеризуемых параметрами, зави­сящими от точки пространства-вре­мени (r, t).

В физике принято различать четы­ре типа фундам. вз-ствий: сильное, эл.-магн., слабое и гравитационное. Соотв. существуют четыре класса элем. ч-ц: адроны, к-рые участвуют во всех типах вз-ствий (они делятся на барио­ны и мезоны); лептоны, не участвую­щие только в сильном вз-ствии (из них нейтрино не участвуют и в эл.-магн. вз-ствии); фотон, участвую-

237


щий только в эл.-магн. вз-ствии; гипотетич. гравитон — переносчик гравитац. вз-ствия. Каждая группа ч-ц характеризуется своими специфич. законами сохранения. Так, с боль­шой точностью установлено сохране­ние барионного и электрич. зарядов, электронного и мюонного лептонных зарядов (по отдельности). Кроме того, в сильном вз-ствии имеются прибли­жённые законы сохранения — изотопич. спина, странности, «очарования» и т. д., к-рые нарушаются эл.-магн. и (или) слабым вз-ствиями. Каждый из законов сохранения явл. проявлением определённой внутр. симметрии ур-ний поля (ур-ний движения). Если, напр., каким-то образом удалось бы «выключить» эл.-магн. и слабое вз-ствия, то оказалось бы, что протон и нейтрон неотличимы. А т. к. протон и нейтрон — квант. объекты, описывае­мые волн. ф-циями p(r, t) и n(r, t), то невозможно различить не только эти ч-цы, но и любую их суперпози­цию, к-рую можно изобразить как поворот на нек-рый угол в т. н. изотопич. пр-ве [подобно тому как еди­ничный вектор в плоскости можно за­давать как его проекциями на оси х и у («р» и «n»), так и углом поворота  по отношению к оси х]. Это и есть внутр. симметрия ур-ний, к-рая соот­ветствует сохранению изотопич. спина (см. Изотопическая инвариантность). Допустим, что в нек-рой лаборатории протоном называют ч-цу, состояние к-рой описывается одной суперпози­цией волн, ф-ций p и n, а в др. ла­боратории — иной, т. е., что угол поворота  в изотопич. пр-ве зависит от координат в пространстве-времени: =(r, t). Такой поворот на угол (r, t) наз. калибровочным (или градиентным) преобразо­ванием. Если законы природы не зависят от такого локального произ­вола в выборе суперпозиций, то в ур-ниях движения с необходимостью появляется слагаемое, учитывающее вз-ствие ч-ц. Действительно, ур-ние движения свободного нуклона, опи­сывающее изменение волн. ф-ции со временем (см. Дирака уравнение), со­держит производные по времени, а следовательно (из требования реляти­вистской инвариантности), и по ко­ординате от волн. ф-ции (от поля). Поэтому при повороте на (r, t) ур-ния приобретут добавку, пропорц. производной  по t и r. Эта добавка при преобразованиях Лоренца изме­няется как четырёхмерный вектор (4-вектор), и, чтобы её компенсиро­вать, в ур-ния движения следует до­бавить какие-то новые векторные поля, к-рые при подобных поворотах также приобретали бы добавку, пропорц. производной от , но с обратным зна­ком. Таким образом, К. с. приводит к необходимости существования век­торных калибровочных полей, обмен квантами к-рых обус­ловливает вз-ствия ч-ц.

Не обязательно, чтобы калибро­вочные преобразования «перепуты­вали» разные ч-цы (как протон и нейтрон). В квант. электродинамике ту же роль играют веществ. и мнимая части волн. ф-ции эл-на (е), а роль изотопич. пр-ва — плоскость комплексного переменного, где по одной оси откладывается веществ. часть е, а по другой — мнимая. Комплексную ф-цию е можно пред­ставить в виде произведения модуля на фазовый множитель, тогда поворот в этом пр-ве на угол  сведётся к изме­нению фазового множителя, т. е. к умножению е на новый фазовый множитель:



где е в показателе экспоненты — заряд эл-на. При подстановке преобразован­ной ф-ции в ур-ние Дирака



(х — четырёхмерная координата с ком­понентами х0- ct, х1=х, х2=у, х3=z, — т. н. матрицы Дирака), описы­вающего движение свободного эл-на,

появляется добавка ie((д(x)/дx),

т. е. ур-ние не имеет К. с. Чтобы обе­спечить К. с. и компенсировать эту добавку, необходимо изменить ур-ние (2), приписав к его правой части ieA(x)e(x), где поле А(x) при калибровочных преобразованиях пере­ходит в А(x)+д(x)/дx. Т.о., для вы­полнения требования калибровочной инвариантности эл-н должен взаимо­действовать с нек-рым векторным по­лем А . Если же записать ур-ния для этого поля так, чтобы они сами были калибровочно-инвариантиыми, то по­лучаются Максвелла уравнения. Следо­вательно, компенсирующим (калиб­ровочным) полем для калибровочного преобразования волн. ф-ции эл-на оказывается эл.-магн. поле, а калиб­ровочной ч-цей — фотон, безмассо­вая ч-ца со спином 1. Эти два св-ва — отсутствие массы и спин 1 присущи любым калибровочным полям.

В квантовой хромодинамике, описы­вающей динамику кварков, вместо од­ного появляются три «цветных» фермиона, но все рассуждения остаются без изменения, за исключением того, что калибровочные преобразования, кроме изменения фазы, могут менять и «цвет» (т. к. при наличии полной симметрии «цвет» так же ненаблюда­ем, как и фаза):



где индексы  и  соответствуют трем возможным значениям «цвета» квар­ков. В результате вместо одной фазы

появляются восемь изменяющих «цвет» фаз (х) [девятая соответ­ствует общей фазе, (x), и сохра­нению общего барионного заряда]. Чтобы компенсировать изменение в ур-ниях движения в этом случае, приходится вводить восемь «цветных» т. н. глюонных полей (Янга — Миллса полей), квантами к-рых явл. «цветные» безмассовые глюоны. Обмен глюонами приводит к вз-ствию квар­ков. Поскольку в отличие от фотонов глюоны, как и кварки, оказываются «цветными» («заряженными»), они так­же должны взаимодействовать посред­ством испускания и поглощения глюонов, т. е. ур-ния для глюонного поля (в отличие от ур-ний Максвелла в ва­кууме) оказываются нелинейными. Ка­либровочные теории и калибровочные поля такого рода наз. н е а б е л е в ы м и.

Идея калибровочной инвариантно­сти оказалась наиб. плодотворной в единой теории слабого и эл.-магн. вз-ствий (см. ^ Слабое взаимодействие). В этой теории, наряду с фотоном, осу­ществляющим эл.-магн. вз-ствие, по­являются новые векторные бозоны— ч-цы, переносящие слабое вз-ствие. Такие промежуточные векторные бо­зоны должны быть массивными вслед­ствие того, что слабое вз-ствие про­является лишь на очень малых рас­стояниях, <10-15 см. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариант­ность ур-ний движения. Выход из этого затруднения был предложен П. Хиггсом (США, 1964) и состоит в том, что в дополнение к спинорным по­лям, без нарушения К. с., вводятся свя­занные друг с другом калибровочны­ми преобразованиями самодействую­щие скалярные поля (поля X и г г с а). Самодействие этих полей выби­рается так, чтобы калибровочно-инвариантное решение стало неустой­чивым, т. е. не соответствующим ми­нимуму потенц. энергии. Минималь­ной же энергии при этом соответству­ет непрерывная серия решений, каж­дое из к-рых не инвариантно относи­тельно калибровочных преобразова­ний, но серия в целом калибровочно инвариантна: при калибровочных пре­образованиях одно решение перехо­дит в другое. Нарушение симметрии состоит в том, что в природе реализу­ется только одно из этих решений. Это явление наз. спонтанным нарушением симметрии, или эффектом Хиггса. Оно позволяет сделать бозоны тяжёлы­ми без нарушения К. с. в самих ур-ниях движения. При этом оказыва­ется, что в число промежуточных век­торных бозонов входят как электрически заряженные (W+ и W-), так и нейтральный (Z°). Масса Z° должна быть ~90 ГэВ, a W± ~80 ГэВ; масса фотона остаётся равной нулю.

Интересной проблемой квант. тео­рии поля явл. включение в единую

238


калибровочную схему и сильного вз-ствия (т. н. «великое объединение»), Другим перспективным направлением объединения считается т. н. суперка­либровочная симметрия, или просто суперсимметрия. В отличие от обыч­ных калибровочных преобразований, «перемешивающих» ч-цы с одним и тем же спином, суперкалибровочные пре­образования «перемешивают» поля, кванты к-рых имеют разные спины, напр. бозоны со спином 1 и фермионы со спином 1/2, т. е. ч-цы, подчиня­ющиеся разным статистикам. Ана­логично электродинамике такие пре­образования также можно предста­вить в виде «поворотов», но уже в нек-ром «суперкомплексном» пр-ве суперполей Ф=b+f, где b, f — соотв. бозонное и фермионное поля, а  — нек-рая единица «фермионной части» этого пр-ва (аналог мнимой единицы i), удовлетворяющая условию =0. По­добные построения в принципе поз­воляют включить в единую схему не только сильное, но и гравитац. вз-ствие, однако известные попытки объединения всех полей на основе суперсимметрий пока не могут пре­тендовать на описание реального ми­ра (см. Суперсимметрия).

• Вайнберг С., Свет как фундаменталь­ная частица, «УФН», 1976, т. 120, в. 4, с. 677; его же, Единые теории взаимодействия эле­ментарных частиц, там же, т. 118, в. 3, с. 501; Г л э ш о у Ш., Кварки с цветом и ароматом, там же, т. 119, в. 4, с. 715; Фридман Д., Ньювенхейзен П. ван, Супергра­витация и унификация законов физики, там же, 1979, т. 128, в. 1, с. 135.

^ Л. В. Ефремов.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ ПОЛЯ (компен­сирующие поля), векторные поля, обе­спечивающие инвариантность ур-ний движения относительно калибровоч­ных преобразований (см. Калибровоч­ная симметрия). Примеры таких по­лей — эл.-магн. поле в электродина­мике, а также глюонные поля в кван­товой хромодинамике и поля промежу­точных векторных бозонов в теории слабого вз-ствия. Последние принад­лежат к классу т. н. Янга — Миллса полей.

А. В. Ефремов.

^ КАЛИБРОВОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗО­ВАНИЯ, см. в ст. Калибровочная сим­метрия.

КАЛОРИМЕТР (от лат. calor — тепло и греч. metreo — измеряю), прибор для измерения кол-ва теплоты, выде­ляющейся или поглощающейся в к.-л. физ., хим. или биол. процессе. Термин «К.» был предложен франц. учёными А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).

Совр. К. работают в диапазоне темп-р от 0,1 до 3500 К и позволяют измерять кол-во теплоты с точностью до 10-2 %. Конструкции К. весьма разнообразны и определяются . хар-ром и продолжительностью изучаемого процесса, областью темп-р, при к-рых производятся измерения, кол-вом измеряемой теплоты и требуемой точ­ностью. К., предназначенный для из­мерения суммарного кол-ва теплоты Q, выделяющейся в процессе от его начала до завершения, наз. К.-и нтегратором; К. для измерения тепловой мощности L и её изменений на раз­ных стадиях процесса — измерителем мощности или К.-осциллографом. По конст­рукции калориметрич. системы и методу измерения разли­чают жидкостные и массивные К., одинарные и двойные (дифференци­альные).

Жидкостный К.-интегратор перем. темп-ры (рис. 1) с изотермич. оболочкой применяют для измерений теплот растворения и теплот хим. реакций. Он состоит из сосуда с жид­костью (обычно водой), в к-ром на­ходятся камера для проведения иссле­дуемого процесса («калориметрич. бом­ба»), мешалка, нагреватель и термо­метр. Теплота, выделившаяся в ка­мере, распределяется затем между камерой, жидкостью и др. частями К., совокупность к-рых называют кало­риметрич. системой прибора. Изме­нение состояния (напр., темп-ры) ка­лориметрич. системы позволяет изме­рить кол-во теплоты, введённое в К. Перед проведением измерений К. гра­дуируют и получают тепловое зна­чение К., т. е. коэфф., на к-рый сле­дует умножить измеренное термомет­ром изменение темп-ры К. для опре­деления кол-ва введённой в него теплоты. Тепловое значение жидко­стного К.— это теплоёмкость С ка­лориметрич. системы. Определение Q таким К. сводится к измерению изме­нения темп-ры T калориметрич. сис­темы, вызванного исследуемым про­цессом: Q=CT.

Калориметрич. измерения позволя­ют непосредственно определить сумму теплот исследуемого процесса и разл. побочных процессов, таких, как размешивание, испарение воды, раз­бивание ампулы с в-вом и т. п., теп­лота к-рых должна быть определена опытным путём или расчётом и ис­ключена из окончат. результата. Од­ним из неизбежных побочных процес­сов явл. теплообмен К. с окружаю­щей средой посредством излучения и теплопроводности. В целях учёта по­бочных процессов, и прежде всего теплообмена, калориметрич. систему ок­ружают оболочкой, темп-ру к-рой ре­гулируют.



Рис. 1. Жидкостный кало­риметр-интегратор с изотермич. оболочкой (схема): 1 — «калориметрич. бомба»; 2 — нагреватель для возбужде­ния реакции; 3 — собствен­но калориметр (сосуд с во­дой); 4 — термометр сопро­тивления; 5 — холодильник (трубка, по к-рой пропус­кают холодный воздух); в — изотермич. оболочка, заполненная водой; 7 — на­греватель оболочки; 8 — кон­тактный термометр; 9 — контрольный термометр; 10 — мешалки с приводом.


В К. другого вида — изотермиче­ском (пост. темп-ры) — введённая теп­лота не изменяет темп-ры калоримет­рич. системы, а вызывает изменение агрегатного состояния тела, состав­ляющего часть этой системы (напр., таяние льда). Кол-во введённой теп­лоты пропорционально в этом слу­чае массе в-ва, изменившего агрегат­ное состояние, и теплоте фазового перехода.

Массивный К.-интегратор ча­ще всего применяется для определе­ния энтальпии в-в при темп-pax до 250 °С. Калориметрич. система у К. этого типа представляет собой блок из металла (обычно из Cu или Al) с выемками для сосуда (в к-ром про­исходит реакция), термометра и на­гревателя. Энтальпию в-ва рассчиты­вают как произведение теплового зна­чения К. на разность подъёмов темп-р блока, измеряемых после сбрасыва­ния в его гнездо ампулы с определ. кол-вом в-ва, а затем пустой ампулы, нагретой до той же темп-ры. Теплоём­кость газов, а иногда и жидкостей, определяют в т. н. проточных лаби­ринтных К.— по разности темп-р на входе и выходе стационарного потока жидкости или газа, по мощности по­тока и по кол-ву теплоты, выделенной электрич. нагревателем.

К., работающий как измеритель мощности, в противоположность К.-интегратору, должен обладать зна­чит. теплообменом, чтобы вводимые в него кол-ва теплоты быстро уда­лялись и состояние К. определялось мгновенным значением мощности теп­лового процесса. Тепловая мощность процесса находится из теплообмена

239


К. с оболочкой. Такие К. (рис. 2), раз­работанные франц. физиком Э. Кальве, представляют собой металлич. блок с каналами, в к-рые помещаются цилиндрич. ячейки. В ячейке прово­дится исследуемый процесс; металлич. блок играет роль оболочки (темп-ра его поддерживается постоянной с точ­ностью до 10-5—10-6 К). Разность



Рис. 2. Калориметр Э. Кальве для измерения тепловой мощности процессов (схема): 1 — калориметрич. ячейка с термопарами; 2 — блок калориметра; 3 — металлич. конусы для создания однородного поля темп-р в блоке; 4 — оболочка; 5 — нагреватель для термостатирования прибора; в — тепловые экраны; 7 — тепловая изоляция; 8 — труб­ка для введения в-ва; 9 — окно для отсчё­тов показаний гальванометра 10.


темп-р ячейки и блока измеряется термобатареей. В блок помещают чаще всего две ячейки, работающие как дифф. К. На каждой ячейке монтиру­ют обычно две термобатареи: одна позволяет скомпенсировать тепловую мощность исследуемого процесса на основе Пельтье эффекта, а другая (индикатриса) служит для измерения нескомпенсированной части теплового потока. В этом случае прибор работает как дифф. компенсационный К.

Обычные названия К.— «для хим. реакций», «бомбовый», «изотермиче­ский», «ледяной», «низкотемператур­ный» — указывают гл. обр. на способ и область использования К., не явля­ясь ни полной, ни сравнительной их хар-кой.

Общую классификацию К. можно построить на основе рассмотрения трёх главных переменных, определяю­щих методику измерений: темп-ры ка­лориметрич. системы Tс; темп-ры оболочки T0, окружающей калориметрич. систему; кол-ва теплоты L, выделяемой в К. в ед. времени (теп­ловой мощности).

К. с пост. Tс и T0 наз. изотерми­ческим; с Tс=T0—адиабатическим; К., работающий при пост. разности темп-р Tс-T0, наз. К. с пост. тепло­обменом; у К. с изотермич. оболочкой постоянна T0, а Тс явл. ф-цией L. В адиабатич. К. темп-pa оболочки регулируется так, чтобы она была всегда близка к меняющейся темп-ре калориметрич. системы. Часто это по­зволяет уменьшить теплообмен за вре­мя калориметрич. опыта до незначит. величины, к-рой можно пренебречь. В случае необходимости в результаты непосредств. измерений вводится по­правка на теплообмен, метод расчёта к-рой основан на пропорционально­сти теплового потока между К. и обо­лочкой разности их темп-р (закон теплообмена Ньютона), если эта раз­ность невелика (до 3—4°С). Для К. с изотермич. оболочкой теплоты хим. реакций могут быть определены с погрешностью до 0,01%. Если раз­меры К. малы и темп-ра его изменя­ется более чем на 2—3°С, а исследуе­мый процесс продолжителен, то при изотермич. оболочке поправка на теп­лообмен может составить 15—20% от измеряемой величины, что сущест­венно ограничивает точность изме­рений. В этих случаях целесообраз­ней применять адиабатич. оболочку. При помощи адиабатич. К. определяют теплоёмкость тв. и жидких в-в в обла­сти от 0,1 до 1000 К. При комнатной и более низких темп-pax адиабатич. К., защищённый вакуумной рубашкой, погружают в сосуд Дьюара, запол­ненный жидкими гелием или азотом (рис. 2). При повышенных темп-рах (выше 100°С) К. помещают в термоста­тированную электрич. печь. Адиаба­тич. оболочка — лёгкая металлич. ширма, снабжённая нагревателем, уменьшает теплообмен настолько, что темп-pa К. меняется лишь на неск. десятитысячных °С/мин.

• П о п о в М. М., Термометрия и калори­метрия, 2 изд., М., 1954; Скуратов С. М., К о л е с о в В. П., Воробьев А. Ф., Термохимия, ч. 1—2, М., 1964—66; Кальве Э., П р а т А., Микрокалори­метрия, пер. с франц., М., 1963.

^ В. А. Соколов.

^ КАЛОРИМЕТР ИОНИЗАЦИОН­НЫЙ, прибор для измерения энергии адронов (с энергией >1011 эВ). Энергия ч-цы поглощается в толстом слое в-ва; ч-цы высоких энергий в результате ядерных реакций рождают большое число вторичных ч-ц, в частности фо­тонов, к-рые в свою очередь образуют новые ч-цы, и т. д. В конечном итоге образуется лавина ч-ц (электронно-фотонный ливень). Если толщина слоя поглощающего в-ва достаточно велика и лавина заряж. ч-ц полностью тор­мозится в нём, то число созданных в в-ве ионов пропорц. энергии первич­ной косм. ч-цы. Для измерения полного числа ионов поглотитель из плотного в-ва (обычно Fe или Pb) разбивается

на ряд слоев толщиной в неск. см, между к-рыми размещаются детекто­ры, напр. ионизационные камеры.

К. и. применяется для изучения вз-ствий косм. ч-ц высокой энергии (1011—1013 эВ) с ат. ядрами и в эк­спериментах на ускорителях. Его обычно сочетают с приборами, поз­воляющими наблюдать результаты этого вз-ствия с ядерными фотографи­ческими эмульсиями (рис. ), с искровы­ми камерами и др.



Рис. Схема ионизац. калориметра в сочета­нии с яд. фотоэмульсиями; 1 — мишень, в к-рой происходит вз-ствие косм. ч-цы с яд­рами атомов мишени, приводящее к появле­нию -квантов высоких энергий; 2 — слои Pb, в к-рых -излучение порождает мощные лавины заряж. ч-ц; 3 — яд. фотоэмульсии, регистрирующие эти лавины; 4 — слои в-ва (Fe или Pb), тормозящего лавины заряж. ч-ц; 5 — импульсные ионизац. камеры.


Типичные габари­ты К. и.: высота 1,5—2 м, площадь поперечного сечения 1 м2, масса 10—20 т.

• Григоров Н. Л., Рапопорт И. Д., Ш е с т о п е р о в В. Я., Частицы вы­соких энергий в космических лучах, М., 1973.

^ Н. Л. Григоров.

КАЛОРИМЕТРИЯ, совокупность ме­тодов измерения тепловых эффектов (кол-в теплоты), сопровождающих раз­личные физ., хим. и биол. процессы. К. включает измерения теплоёмкостей тел, теплот фазовых переходов (плав­ления, кипения и др.), тепловых эф­фектов намагничивания, электриза­ции, растворения, сорбции, хим. ре­акций (напр., горения), реакций об­мена в-в в живых организмах и т. д. Приборы, применяемые для калори­метрич. измерений, наз. калориметра­ми. Конструкция калориметров опре­деляется условиями измерений (в пер­вую очередь температурным интерва­лом измерений) и требуемой точностью. Калориметрич. измерения при темп-рах от 400 К (граница условна) и

240


выше наз. высокотемпера­турной К., а в области темп-р жидких азота, водорода и гелия (от ~77 К и ниже) — низкотемпе­ратурной К.

Результаты калориметрич. измере­ний находят широкое применение в теплотехнике, металлургии, хим. тех­нологии. Ими пользуются при рас­чётах кол-в теплоты, требуемых для нагрева, расплавления или испаре­ния в-в в разл. технол. процессах; для вычисления границ протекания хим. реакций и условий их проведе­ния. Так, область давлений и темп-р, в к-рой получают синтетич. алмазы из графита, была определена расчётом, в значительной мере основанным на ка­лориметрич. измерениях теплоёмко­сти и теплот сгорания этих в-в. Дан­ные низкотемпературной К. широко используются при изучении механич., магн. и электрич. эффектов в тв. те­лах и жидкостях, а также для расчёта термодинамич. ф-ций (напр., энтро­пии в-в).

^ В. Л. Соколов.

КАЛОРИЯ (от лат. calor — тепло) (кал, cal), внесистемная единица кол-ва теплоты. 1 кал=4,1868 Дж; К., применявшаяся в термохимии, рав­нялась 4,1840 Дж.

КАМЕРА-ОБСКУРА (от лат. camera obscura, букв.— тёмная комната), про­стейшее оптич. приспособление, поз­воляющее получать на экране изоб­ражения предметов. К.-о. представля­ет собой тёмный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед к-рым помещают рассматриваемый предмет. Лучи света, исходящие от разл. точек предмета, проходят через это отверстие и создают на противо­положной стенке ящика (экране) дей­ствительное перевёрнутое изображе­ние предмета. Оптимально резкое изо­бражение получается, когда радиус отверстия r составляет 0,95 радиуса первой зоны Френеля: r=0,95(d), где  — длина волны света, d — расстояние от отверстия до экрана.

С 17 в. К.-о. использовалась для наблюдения солн. затмений и для полу­чения перспективных рисунков, позд­нее была вытеснена линзовой каме­рой. К.-о. иногда применяется бла­годаря след, св-вам: 1) она даёт изо­бражение, свободное от дисторсии; 2) позволяет фотографировать объек­ты в таких лучах, для к-рых нельзя подобрать линзы, напр. К.-о. исполь­зуется при диагностике плазмы, при фотографировании разрядной трубки в рентг. лучах.

КАНАЛИРОВАНИЕ заряженных ча­стиц в кристаллах, движение ч-ц вдоль «каналов», образованных па­раллельными рядами атомов. Ч-цы испытывают скользящие столкнове­ния (импульс почти не меняется) с ря­дами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис. 1). Если тра­ектория ч-цы заключена между дву­мя ат. плоскостями, то говорят о плоскостном К., в отличие от

аксиального К., при к-ром ч-ца движется между соседними ат. рядами или цепочками. К. было пред­сказано нем. физиком И. Штарком в 1912 и обнаружено лишь в 1963—65. К. тяжёлых ч-ц (протонов, поло­жит. ионов) наблюдается при их энергиях, больших неск. кэВ. При этом длина волны де Бройля ч-цы



мала по сравнению с постоянной крист. решётки, и К. может быть опи­сано законами классич. механики. Для К. необходимо, чтобы угол, обра­зуемый вектором скорости ч-цы с осью цепочки (или плоскостью канала), не превышал нек-рого критич. зна­чения к, определяемого ф-лой:

к=(Z1Z2/ξd) ,

где Z1 и Z2— заряды движущейся ч-цы и ядер атомов цепочки, ξ — энер­гия ч-цы, d — расстояние между со­седними атомами цепочки. Напр., при аксиальном К. протонов с энергией ξ=0,5 МэВ в монокристалле воль­фрама (Z2=74e, e — заряд протона, d=3•10-8 см) к=2,3°, а мин. рас­стояние к между траекторией ч-цы и осью цепочки равно: к=0,3 Å (рис. 2). Все ч-цы, падающие на цепочку под углом <к, будут зеркально отра­жаться от неё.



^ Рис. 2. Рассеяние ч-ц на цепочке атомов:  — угол падения ч-цы на цепочку; к — критич. угол.


Электронная плотность в каналах меньше, чем в среднем в кристалле, и длина пробега ч-ц значительно боль­ше, чем вне его. Ч-цы могут выходить из канала в результате рассеяния на структурных дефектах решётки.

В случае К. эл-нов существенно влияние их волн. св-в и отрицат. за­ряда. При К. релятивистских заря­женных частиц возникает интенсив­ное электромагн. излучение (в гамма- и рентгеновских диапазонах). Для электронов и позитронов оно появля­ется при энергии ~1 МэВ.

• Тулинов А. Ф., Влияние кристалли­ческой решетки на некоторые атомные и ядер­ные процессы, «УФН», 1965, т. 87, в. 4, с. 585; Линдхард Й., Влияние кристалли­ческой решетки на движение быстрых заря­женных частиц, там же, 1969, т. 99, в. 2, с. 249; Томпсон М., Каналирование ча­стиц в кристаллах, пер. с англ., там же, с. 297; Меликов Ю. В., Тулинов А. Ф., Ядерные столкновения и кристаллы, «Природа», 1974, № 10, с. 39; Б а з ы л е в В. А., Ж е в а г о Н. К., Генерация интен­сивного электромагнитного излучения ре­лятивистскими частицами, «УФН», 1982, т. 137, в. 4.

^ Ю. В. Мартыненко.

КАНДЕЛА (от лат. candela— свеча) (кд, cd), единица СИ силы света; К.— сила света, испускаемого с пло­щади 1/600000 м2 сечения полного излучателя (см. Световые эталоны) в перпендикулярном к этому сечению направлении при темп-ре излучателя, равной темп-ре затвердевания пла­тины (2042 К), и давлении 101 325 Па.

^ КАНДЕЛА НА КВАДРАТНЫЙ МЕТР (кд/м2, cd/m2), единица СИ яркости; равна яркости светящейся плоской поверхности площадью 1 м2 в пер­пендикулярном к ней направлении при силе света 1 кд. 1 кд/м2=10-4 стильб = •10-4ламберт. Прежнее наименование ед.— нит.

КАНОНИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ МЕХАНИКИ (уравнения Гамильтона), дифференциальные ур-ния движения механич. системы (выведенные ирланд. учёным У. Гамильтоном в 1834), в к-рых переменными, кроме обобщён­ных координат qi, явл. обобщённые импульсы рi, совокупность qi и рi наз. канонич. переменными. К. у. м. имеют вид:



где H(qi, рi, t) — Гамильтона функ­ция, равная (когда связи не зависят от времени, а дей­ствующие силы по т е н ц и а л ь н ы) сумме кинетич. и потенц. энергий системы, выражен­ных через канонич. переменные; s — число степеней сво­боды системы. Ин­тегрируя эту сис­тему обыкновен­ных дифф. ур-ний 1-го порядка, мож­но найти все qi и pi как ф-ции времени t и 2s постоян­ных, определяемых по нач. данным. К. у. м. обладают тем важным св-вом, что позволяют с помощью т. н. канонич. преобразований перейти от qi и рi к новым канонич. переменным Qi(qi,pi, t) и Pi(qi, pi, t). к-рые тоже удовлетворяют К. у. м., но с другой ф-цией Н(Qi, Рi, t). Так К. у. м. можно привести к виду, упрощающему процесс их интегрирования. Кроме классич. механики, К. у. м. исполь­зуются в статистич. физике, квант. механике, электродинамике и др. об­ластях физики.

С. М. Тарг.

241


^ КАНОНИЧЕСКИЙ АНСАМБЛЬ ГИББСА, статистический ансамбль для макроскопич. систем в тепловом рав­новесии с термостатом при пост. числе ч-ц в системе и пост. объёме. Такие системы можно рассматривать как малые части (подсистемы) статистич. ансамбля больших энергетически изо­лированных систем. При этом роль термостата играет вся система, кроме данной выделенной подсистемы. Вве­дён амер. физиком Дж. У. Гиббсом (J. W. Gibbs) в 1901 как одно из осн. понятий статистической физики. В К. а. Г. распределение по состояниям описывается каноническим распределе­нием Гиббса.

^ КАНОНИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕ­НИЕ ГИББСА, распределение веро­ятностей состояний статистического ансамбля систем, к-рые находятся в тепловом равновесии со средой (тер­мостатом) и могут обменивать