2.2. Задачи качественного характера

Задача 9.

Сравнить опасность поражения обслуживающего персонала при разгерметизации металлических трубопроводов с водой и газопроводов (вместо газопровода можно рассмотреть баллон со сжатым газом), работающих под одним и тем же повышенным давлением. Чем обусловлена опасность разгерметизации в том и другом случае?

Напомним, что взрывом называют физический или химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объеме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

Решение: Вода обладает свойством «несжимаемости»; давление воды в трубопроводе переменного сечения зависит от площади поперечного сечения. При разгерметизации трубопровода бьющая водяная струя своей кинетической энергией может причинить определенный вред окружающим людям, но вода, благодаря своему свойству «несжимаемости», при разрыве трубы не совершает так называемую «работу сил сжатия». Например, разгерметизация батареи центрального отопления может привести к затоплению собственной квартиры и протечкам у соседей, если вовремя не перекрыть стояк с водой; вместе с тем, мы можем быть абсолютно уверены в том, что явлений с образованием осколков батареи не будет.

Разрушение газопроводов со сжатым газом имеет иную физическую модель из-за того, что газ сжимаем. При разрушении трубы происходит мгновенное падение давления до атмосферного, объем газовоздушной смеси мгновенно возрастает ( при Т= const). Совершается работа сжатых газов. Происходит воспламенение облака или его взрыв из-за поджога смеси искрами, образованными при разрыве металлического газопровода. Осколки приобретают большие начальные скорости и разлетаются на значительные расстояния, что может привести к значительным разрушениям с высокой вероятностью поражения людей.

Задача 10.

Баллоны ламп накаливания в целях безопасной эксплуатации заполняют азотом при пониженной температуре и давлении. Почему заполнение производят при таких условиях?

Решение: Условием безопасной эксплуатации ламп накаливания является равенство давления азота в лампе и атмосферного давления. При свечении лампы температура и давление азота увеличиваются и выравниваются с атмосферным. Кроме того, низкое содержание газа в лампе резко снижает испарение металла нити накаливания, что повышает продолжительность работы лампы.

Задача 11.

На складе хранятся по одному металлическому баллону одинакового объема (40 литров) с газами, которые не являются горючими: аргоном, азотом и диоксидом углерода. Газы находятся под одинаковым давлением p₀=150 атм. В соседнем со складом помещении начался пожар, возникла опасность распространения огня на склад с баллонами. Расчет показал, что есть время для безопасного выноса со склада только одного баллона. Какой баллон надо выносить в первую очередь?

Решение: В первую очередь надо выносить тот баллон, который в случае взрыва обладает наибольшей разрушительной силой (ударной волной). Определим работу адиабатического расширения для каждого газа:

,

где: 40 л – объем газа в баллоне; =1 атм – давление газа в баллоне после разрушения баллона; – показатель адиабаты для газа, находящегося под повышенным давлением в баллоне; =450…600 атм – давление газа, при котором происходит разрушение стальных баллонов (справочные данные).

Анализ формулы работы адиабатического расширения газов показывает, что при прочих равных условиях (характеристики баллонов одинаковые), многоатомный газ производит работу во много раз большую, чем одноатомный. Роль знаменателя в работе расширения газов разной атомности будет определяющим. Так, для аргона =1,67, азота =1,404 и диоксида углерода =1,3.

Проведем расчеты:

,

,

.

Делаем вывод: поскольку у нас на складе собраны одноатомный, двухатомный, трехатомный газы, выносить будем, в первую очередь, баллон с трехатомным газом - диоксидом углерода, так как последствия его разрушения будут значительнее.

Задача 12.

Смесь жидкого кислорода с опилками, сажей, нафталином или углем представляют собой взрывчатое вещество. Почему?

Решение: Условием горения является наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания. Опилки, сажа, нафталин и уголь – горючие вещества. Жидкий кислород является очень хорошим окислителем.

Задача 13.

Как известно, паровые котлы являются источниками повышенной опасности. Почему в паровых котлах перегревают пар?

Решение: Перегретый пар – пар, нагретый до температуры, превышающей температуру кипения воды при данном давлении. Перегретый пар используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД. Получение перегретого пара происходит в специальных устройствах – пароперегревателях. Если насыщенный пар продолжать нагревать в отдельном объёме, не имеющем воды, то получится перегретый пар. При этом сначала испарится влага, содержащаяся в паре, а затем начнётся повышение температуры и увеличение удельного его объёма. Таким образом, перегретый пар не переходит в жидкость при охлаждении. Это позволяет получать большее количество работы за счет расширения меньшего количества пара, а значит, и повысить КПД установки.

Задача 14.

Из сильно кипящего чайника выбрасываются клубы пара, которые проявляются не у самого выходного отверстия. Чем заполнено промежуточное пространство?

Решение: Кипение жидкости происходит в открытом сосуде. Следовательно, образующийся пар не находится в динамическом равновесии с ней. Такой пар является ненасыщенным. Вспомним, что насыщенный пар – пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Под динамическим равновесием жидкости и пара понимают такое их состояние, когда число молекул, покидающих поверхность жидкости, равно числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. При данной температуре давление ненасыщенного пара всегда меньше давления насыщенного пара. При наличии над поверхностью жидкости ненасыщенного пара процесс парообразования преобладает над процессом конденсации, и потому жидкости в сосуде с течением времени становится все меньше и меньше. Поэтому промежуточное пространство заполнено ненасыщенным паром.

Задача 15.

Почему абажур местной настольной лампы накаливания нельзя изготавливать из бумаги? Почему нельзя на настольную ламу сверху набрасывать ткань?

Решение: Бумажный абажур местной настольной лампы может стать причиной пожара, если он будет располагаться слишком близко к лампе накаливания (или по какой-то причине будет касаться ее поверхности). При соответствующей мощности источника тепла (лампы накаливания «мало светят» и «много греют») и длительности воздействия будет инициироваться горение и/или тление твердого вещества – бумаги. Даже маломощная лампа, если она контактирует с материалом, может зажечь бумагу; осветительные лампы накаливания могут создавать температуру до 267⁰С в зависимости от мощности лампы, ее расположения и длительности теплового воздействия [8]. Тепловое самовозгорание выражается в аккумуляции материалом тепла, в процессе которого происходит самонагревание материала. Температура самонагревания вещества или материала является показателем его пожароопасности. Для большинства горючих материалов этот показатель лежит в пределах от 80 до 150°С; он соответственно равен:

для бумаги – 100°С; войлока строительного – 80°С; дерматина – 40°С; древесины: сосновой – 80, дубовой – 100, еловой – 100°С; хлопка-сырца – 60°С [1]. Известно, что при длительном нагревании температура самонагревания значительно снижается [8].

Продолжительное тление до начала пламенного горения является отличительной характеристикой процессов теплового самовозгорания. Данные процессы обнаруживаются по длительному и устойчивому запаху тлеющего материала.

Задача 16.

По небрежности горячий утюг после окончания глажки поставили на неровную поверхность стола, застланную тканью, и утюг (в отсутствие человека) опрокинулся на стол. Опасна ли эта ситуация, может ли она стать причиной пожара?

Решение: Да, может. Температура тления некоторых видов тканей ниже 200⁰С, а максимальная температура поверхности утюга может быть выше этой температуры.

Продолжительное тление до начала пламенного горения является отличительной характеристикой процессов теплового самовозгорания. Данные процессы обнаруживаются по длительному и устойчивому запаху тлеющего материала.