висмут

ВИСМУТ (Bismuthum), Bi,- хим. элемент V группы периодич. системы элементов, ат. номер 83, ат. масса 208,9804. Имеет один стабильный нуклид ²⁰⁹Bi; как члены естеств. радиоакт. рядов в природе встречаются короткоживущие ²¹⁰Bi, ²¹¹Bi, ²¹²Bi, ²¹⁴Bi, ²¹⁵Bi. Конфигурация внеш. электронных оболочек 6s²p³. Энергии последоват. ионизации соответственно равны 7,289; 16,74; 25,57; 45,3; 56,0 эВ. Металлич. радиус 0,182 нм, радиус иона Bi³⁺ 0,120 HM, иона Bi^3- 0,213 нм. Значение электроотрицательности 1,9.

В свободном виде - серебристый металл с розоватым оттенком, кристаллич. решётка ромбоэдрическая с параметрами а=0,47457 нм и =57°14' 13'', плотность 9,80 кг/дм³, t_пл=271,4°С, t_кип=1552°С. Уд. теплоёмкость 0,129 кДж/кг*К (20^оC), теплота плавления 11,38 кДж/моль, теплота испарения 179 кДж/моль, коэф. линейного расширения 13,37*10^-6, уд. теплопроводность 8,41 Вт/м*К (20^оC). Уд. сопротивление 1,068 мкОм*м (0^оC; сильно возрастает в магн. поле). Диамагнитен, магн. восприимчивость -1,34*10^-9 (самая низкая среди диамагн. металлов). При комнатной темп-ре хрупок, тв. по Бринеллю 94,2 МПа. При плавлении уменьшается в объёме на 3,27%. Сечение захвата тепловых нейтронов ²⁰⁹Bi мало (3,4*10^-30м²).

В хим. соединениях проявляет степени окисления -3, +2, +3 (наиб. типична), +5. Во влажном воздухе покрывается тонким слоем оксида.

В. используют для изготовления легкоплавких сплавов (напр., сплава Вуда с t_пл=70°). Жидкий В. может применяться в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Проволока из В. используется в приборах для измерения напряжённости магн. поля (висмутовая спираль). Из теллурида В. Bi₂Te₃ изготовляют термоэлектрогенераторы. В качестве радиоакт. меток используют радионуклиды, распад к-рых происходит по типу электронного захвата и испускания -частиц ²¹⁰Bi (Т_1/2=15,2 сут), ²⁰⁸Bi (Т_1/2=6,243 сут), ²⁰⁷Bi (T_1/2== 33,4 года). С. С. Бердоносов. ВИХРЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ - движение жидкости или газа, при к-ром мгновенная скорость вращения элементарных объёмов среды не равна всюду тождественно нулю. Количественной мерой завихренности служит вектор , где скорость жидкости;наз. вектором вихря или просто завихренностью. Эквивалентной мерой завихренности, более удобной в теоретич. построениях, является антисимметрич. часть тензора градиента скорости В декартовых координатах x₁, х₂, x₃ связь компонент вектора и тензора даётся выражениями

Движение наз. безвихревым или потенциальным, если =0, в противном случае имеет место В. д.

Векторное поле вихря удобно характеризовать нек-рыми геом. образами. Вихревой линией наз. линия, касательная к к-рой в каждой точке направлена по вектору вихря; совокупность вихревых линий, проходящих через замкнутую кривую, образует вихревую трубку. Поток вектора вихря через любое сечение вихревой трубки одинаков; он наз. интенсивностью вихревой трубки и равен циркуляции скорости Г по произвольному контуру С, однократно охватывающему вихревую трубку (рис. 1),

За редкими исключениями движение жидкости или газа почти всегда бывает вихревым. Так, вихревым является ламинарное течение в круглой трубе, когда скорость распределена по параболич. закону (рис. 2), течение в пограничном слое при плавном обтекании тела и в следе за плохообтекаемым телом, вихревой характер носит любое турбулентное течение. В этих условиях выделение класса В. д. оказывается осмысленным, благодаря тому, что при преобладании инерц. сил над вязкими (при очень больших Рейнолъдса числах Re) типична локализация завихренности в обособленных массах жидкости - вихрях или вихревых зонах. Примерами вихрей в природе являются смерчи, циклоны; в океанах, в частности, "ринги" Гольфстрима; в атмосферах планет, напр., Красное пятно Юпитера, к-рое представляет собой гигантский вихрь диам. ок. 25000 км.

Рис. 1. Вихревая трубка; 1 - вихревая линия.

Рис. 2. Вращение элемента жидкости при ламинарном движении в круглой трубе.

Согласно классич. теоремам Гельмгольца, в предельном случае движения невязкой жидкости, плотность к-рой постоянна или зависит только от давления (в предположении баротропии), в потенц. силовом поле вихревые линии вморожены в среду, т. е. в процессе движения они состоят из одних и тех же частиц жидкости - являются материальными линиями. Вихревые трубки при этом также оказываются вмороженными в среду, а их интенсивность сохраняется в процессе движения. Сохраняется также циркуляция скорости по любому контуру, состоящему из одних и тех же частиц жидкости (теорема Кельвина). В частности, если при движении область, охватываемая данным контуром, сужается, то интенсивность вращат. движения внутри него возрастает. Это важный механизм концентрации завихренности, реализующийся при вытекании жидкости из отверстия в дне сосуда ("ванны"), при образовании водоворотов вблизи нисходящих потоков в реках и определяющий образование циклонов и тайфунов в зонах пониженного атм. давления, в к-рые происходит подтекание ("конвергенция") воздушных масс.

В жидкости, находившейся в состоянии покоя или потенц. движения, вихри возникают либо из-за нарушения баротропии, напр. образование кольцевых вихрей при подъёме нагретых масс воздуха - "термиков" (рис. 3), либо из-за взаимодействия с твёрдыми телами.

Если обтекание тела происходит при больших Re, завихренность порождается в узких зонах проявления вязких эффектов - в пограничном слое, а затем сносится в осн. поток, где формирует отчётливо видимые вихри, нек-рое время эволюционирующие и сохраняющие свою индивидуальность. Особенно эффектно это проявляется в образовании за плохообтекаемым телом регулярной вихревой дорожки Кармана (рис. 4). Вихреобразование в следе за плохообтекаемым телом определяет осн. часть лобового сопротивления тела, а образование вихрей у концов крыльев летат. аппаратов вызывает дополнительное, т. н. индуктивное сопротивление.

Рис. 3. Образование кольцевого вихря при подъёме термика.

При анализе динамики вихрей и их взаимодействия с внешним безвихревым потоком часто используется модель сосредоточенных вихрей - вихревых нитей, представляющих собой вихревые трубки конечной интенсивности, но бесконечно малого диаметра. Вблизи вихревой нити жидкость движется относительно неё по окружностям, причём индуцированная скорость обратно пропорциональна расстоянию от нити, Если ось нити прямолинейна, это выражение верно для любых расстояний от нити ("потенциальный вихрь"). В сечении нормальной плоскостью это течение соответствует точечному вихрю. Система точечных вихрей образует консервативную динамич. систему с конечным числом степеней свободы, во многом аналогичную системе взаимодействующих частиц. Сколь угодно малое возмущение первоначально прямолинейных вихревых нитей приводит к их искривлению с бесконечными скоростями. Поэтому в расчётах их заменяют вихревыми трубками конечной завихренности. Узкая область завихренности, разделяющая две протяжённые области безвихревого движения, моделируется вихревой пеленой - поверхностью, выстланной вихревыми нитями бесконечно малой интенсивности, так что суммарная их интенсивность на единицу длины по нормали к ним вдоль поверхности постоянна. Вихревая поверхность представляет собой поверхность разрыва касат. компонент скорости; она неустойчива по отношению к малым возмущениям.

Рис. 4. Фотография вихревой дорожки Кармана за движущимся цилиндром.

В вязкой жидкости происходит выравнивание - "диффузия" локализов. завихренности, причём роль коэф. диффузии играет кинематич. вязкость жидкости . При этом эволюция завихренности определяется ур-нием

При больших Re движение турбулизуется, и "диффузия завихренности" определяется много большим коэф. эффективной турбулентной вязкости, не являющимся константой жидкости и сложным образом зависящим от характера движения. Ввиду того, что крупные вихри в значит. мере определяют перенос на большие расстояния примеси в атмосфере и океане, динамика турбулентных вихрей - одна из наиб. интенсивно изучаемых нерешённых задач гидродинамики.

Лит.: Кочин H. E., Кибель И. A., Pозе H. В., Теоретическая гидромеханика, 6 изд., ч. 1, M., 1963; Седов Л. И., Механика сплошной среды, т. 1-2, 4 изд., M., 1983-84; Лаврентьев M. А., Шабат Б. В., Проблемы гидродинамики и их математические модели, 2 изд., M., 1977; Бэтчелор Дж., Введение в динамику жидкости, пер. с англ., M., 1973. В. M. Ентов.

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ - то же, что Фуко токи.

   <<      Предметный указатель      >>