ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА
В РАСТВОРАХ
Цель работы : определение концентрации вещества в окрашенных растворах и проверка закона Бугера-Ламберта.
Приборы и принадлежности : фотометр электрический КФК-3, набор кювет, набор прозрачных окрашенных растворов (раствор медного купороса, раствор двухромовокислого калия.)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
При прохождении света через прозрачные растворы, газы он частично поглощается. Пусть на прозрачную среду падает свет интенсивности І 0 . Интенсивность света І , прошедшего через раствор, согласно закону Бугера-Ламберта, определяется по формуле:
где α – коэффициент поглощения света; d – толщина слоя.
Поглощение света веществом обусловлено взаимодействием световой волны с атомами и молекулами вещества. Под воздействием электрического поля световой волны электроны в атомах смещаются относительно ядер, совершая гармонические колебания. Возникают вторичные волны. Падающая волна интерферирует со вторичными волнами, испускаемыми электронами атомов и порождает волну с амплитудой, не равной амплитуде воздействующего электрического поля. С энергетической точки зрения это означает, что часть энергии электромагнитной волны идет на увеличение внутренней энергии вещества, через которое проходит свет. Электромагнитная волна переносит энергию, пропорциональную квадрату амплитуды напряженности электрического поля. Среднюю энергию, переносимую через единицу площади за 1 сек, называют интенсивностью световой волны І .
Интенсивность света, прошедшего через вещество, определяется законом Бугера-Ламберта и зависит как от толщины слоя, так и от природы исвойств поглощающего вещества.
Коэффициент поглощения света α пропорционален молекулярной концентрации С
α=α 0 С , (21.2)
где α 0 – коэффициент поглощения одной молекулы растворенного вещества, не зависящий от концентрации. Подставляя (21.2) в соотношение (21.1) получим:
Формула (21.3) носит название закона Бугера-Беера и оказывается справедливой для растворов и газов малой концентрации (при этом предполагается, что растворитель практически не поглощает свет).
При прохождении монохроматической световой волны через вещество происходит затухание амплитуды волны в поглощающей среде. Затухание амплитуды характеризуется показателем затухания χ , который связан с коэффициентом поглощения α соотношением:
(21.4)
где λ 0 – длина волны в вакууме, n – показатель преломления среды.
Учитывая, что λ 0 =nλ, где λ – длина волны в среде, можно эту формулу переписать в виде:
Формулы (21.4) и (21.4 а) показывают, что коэффициент α зависит от длины волны. Эта зависимость обуславливает окрашенность растворов.
Поглощение света прозрачными растворами исследуется при помощи фотометров различной конструкции. Измеряя интенсивности падающего и прошедшего света, можно определить концентрацию поглощающего вещества.
Для экспериментального исследования поглощения света в средах вводятся следующие характеристики:
1. Светопропускание определяется коэффициентом пропускания
где τ – коэффициент светопропускания, І 0 – интенсивность падающего светового потока, І – интенсивность светового потока, прошедшего через раствор.
2. Оптическая плотность вещества определяется формулой
где D – оптическая плотность.
Связь между светопропусканием и оптической плотностью устанавливается с помощью формул (21.5) и (21.б)
(21.7)
Светопропускание раствора τ можно выразить из закона Бугера:
Отсюда определяется коэффициент поглощения α :
После соответствующих преобразований с учетом формул (21.5) и (21.6) зависимость между коэффициентом поглощения a и оптической плотностью раствора D определяется следующим образом
Поглощение света имеет резонансный характер с максимальным значением в области частот, близких к собственной частоте колебаний осциллятора ω 0 (рис. 21.1).
Резонансный вид кривой поглощения определяется структурой атомов и диапазоном частот электромагнитной волны, проходящей через вещество.
На рис. 21.1 показана кривая поглощения α=f(ω) для вещества, в котором диполи имеют одну собственную частоту колебания (АВ – ширина полосы поглощения, определяемая на уровне половины максимального поглощения).
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Фотометр фотоэлектрический КФК-3 предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и твердых образцов. Он также используется для измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворе.
Принцип действия фотометра основан на сравнении светового потока Ф 0 , прошедшего через растворитель, по отношению к которому проводится измерение, и светового потока Ф , прошедшего через исследуемый раствор. Световые потоки Ф 0 и Ф фотоприемником преобразуются в электрические сигналы U 0 , U и U т (U т – сигнал при неосвещенном приемнике), которые обрабатываются микро-ЭВМ фотометра и представляются на цифровом табло в виде коэффициентов пропускания, оптической плотности, скорости изменения оптической плотности, концентрации.
Коэффициент пропускания τ исследуемого раствора определяется как отношение электрических сигналов U – U т прошедшего к U 0 – U т падающего света
Оптическая плотность определяется следующим образом:
(21.12)
Скорость изменения оптической плотности равна
где D 2 – D 1 – разность значений оптических плотностей за временной интервал t в минутах. Например, t принимает значения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 мин.
Концентрация C=DF, где F – коэффициент факторизации, который определяется экспериментально из графика и вводится цифровой клавиатурой в пределах от 0,001 до 9999.
Фотометр КФК-3 (рис. 21.2) состоитиз корпуса 1, фотометрического блока 2, блока питания 3, кюветного отделения 4, микропроцессорной системы 5, монохроматора 6. Кюветное отделение закрывается съемной крышкой.
На боковой станине фотометра расположена ось резистора "УСТ.0" и тумблер "сеть" 8.
В фотометрический блок входят: осветитель, монохроматор, кюветное отделение, кюветодержатель, фотометрическое устройство.
Монохроматор 6 служит для получения излучения заданного спектрального состава и состоит из корпуса, узла входной щели, сферического зеркала, дифракционной решетки, узла выходной щели и синусного механизма, находящегося внутри корпуса.
Ручка 7 служит для поворота дифракционной решетки через синусный механизм и установки длины волныв нм.
В фотометрическое устройство входят фотодиод и усилитель постоянного тока.
В кюветодержатель устанавливают кюветы с растворителем и исследуемым раствором и помещают их в кюветное отделение, при этом две маленькие пружины кюветодержателя должны находиться с передней стороны. Ввод в световой поток кювет осуществляется поворотом рукоятки 8 до упора влево или вправо. При установке рукоятки до упора влево в световой пучок вводится кювета с растворителем.
Микропроцессорная система 5 состоит из двух печатных плат, соединенных между собой разъемом. К фотометру система присоединяется через разъем. На переднюю панель фотометра выведена клавиатура и цифровое табло системы.
Микропроцессорная система обеспечивает выполнение семи задач:
НУЛЬ – измерение и учет сигнала при неосвещенном фотоприемнике, Г – градуировка фотометра, Е – измерение оптической плотности, П – измерение коэффициента пропускания, С – измерение концентрации, А – измерение скорости изменения оптической плотности, F – ввод коэффициента факторизации.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Подсоединить фотометр к сети 220В и включить тумблер 7 "сеть". Дать прогреться 30 мин. при открытой крышке кюветного отделения. Нажать клавишу "ПУСК" – на цифровом табло появится символ "Г", соответствующее ему значение и значение длины волны. Затем нажать клавишу "Нуль". На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение n 0 , слева – символ "0". Значение n 0 должно быть не менее 0,005 и не более 0,200. Если n 0 не укладывается в указанные пределы, то с помощью резистора «УСТ.0» добиваются нужного значения.
УПРАЖНЕНИЕ I
Измерение коэффициентов пропускания
1. В кюветное отделение установить кюветы с растворителем и исследуемым раствором медного купороса. Кювету с растворителем установить в дальнее гнездо кюветодержателя, а с исследуемым раствором – в ближнее гнездо кюветодержателя. Закрыть крышку кюветного отделения.
2. Путем поворота рукоятки 8 (рис. 21.2) влево до упора ввести в световой поток кювету с растворителем.
3. Нажать клавишу "Г" и маховичком 7 (рис. 21.2) установить длину волны 400 нм. Длина волны высвечивается на верхнем цифровом табло.
4. Нажать клавишу "П". Слева от мигающей запятой высвечивается символ "П", а справа – соответствующее значение "100±0,2", означающее, что начальный отсчет пропускания равен 100%.
Если отсчет "100±0,2" установился с большим отклонением, то нажать клавиши «Г» и «П» повторно через 3-5 с. Затем необходимо открыть крышку кюветного отделения и нажать клавишу "НУЛЬ", закрыть крышку, нажать клавишу "П".
5. Рукояткой 8 ввести в световой пучок кювету с исследуемым раствором. По световому табло определить коэффициент пропускания раствора.
6. Путем нажатия клавиши "Г" установить маховичком 7 длины волн 450 нм, 500 нм, 550 нм, 600 нм, 650 нм, 700нм, 750 нм и снять для них коэффициент пропускания τ .
Построить график зависимости коэффициента пропускания от длины волны т.е. τ=f(λ)
7. При длине волны 550 нм определить коэффициенты пропускания других растворов медного купороса.
8. Аналогичные измерения провести для раствора двухромовокислого калия и построить график зависимости τ=f(λ) .
УПРАЖНЕНИЕ II
В общем случае значение коэффициента пропускания тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения.
Коэффициент пропускания связан с оптической плотностью соотношением:
Сумма коэффициента пропускания и коэффициентов отражения , поглощения и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии .
Вместе с понятием «коэффициент пропускания» широко используются и другие созданные на его основе понятия. Часть из них представлена ниже.
Коэффициент направленного пропускания равен отношению потока излучения, прошедшего сквозь среду, не испытав рассеяния, к потоку падающего излучения.
Коэффициент диффузного пропускания равен отношению потока излучения, прошедшего сквозь среду и рассеянного ею, к потоку падающего излучения.
В отсутствие поглощения и отражений выполняется соотношение:
Спектральный коэффициент внутреннего пропускания представляет собой коэффициент внутреннего пропускания для монохроматического света.
Интегральный коэффициент внутреннего пропускания для белого света стандартного источника A (с коррелированной цветовой температурой излучения T=2856 K) рассчитывается по формуле :
или следующей из неё:
где - спектральная плотность потока излучения, вошедшего в среду, - спектральная плотность потока излучения, дошедшего до выходной поверхности, а - относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения .
Аналогичным образом определяются интегральные коэффициенты пропускания и для других источников света.
Интегральный коэффициент внутреннего пропускания характеризует способность материала пропускать свет, воспринимаемый человеческим глазом, и является поэтому важной характеристикой оптических материалов .
Спектр пропускания - это зависимость коэффициента пропускания от длины волны или частоты (волнового числа, энергии кванта и т. д.) излучения. Применительно к свету такие спектры называют также спектрами светопропускания.
Спектры пропускания являются первичным экспериментальным материалом, получаемым при исследованиях, выполняемых методами абсорбционной спектроскопии . Такие спектры представляют и самостоятельный интерес, например, как одна из основных характеристик оптических материалов .
М .: Издательство стандартов, 1984. - 24 с.
М .: Издательство стандартов, 1999. - 16 с.
Физический энциклопедический словарь. - М: Советская энциклопедия, 1984. - С. 590.
Физическая энциклопедия. - М: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т. 4. - С. 149. - ISBN 5-85270-087-8 ..
24 го было сражение при Шевардинском редуте, 25 го не было пущено ни одного выстрела ни с той, ни с другой стороны, 26 го произошло Бородинское сражение.
Для чего и как были даны и приняты сражения при Шевардине и при Бородине? Для чего было дано Бородинское сражение? Ни для французов, ни для русских оно не имело ни малейшего смысла. Результатом ближайшим было и должно было быть – для русских то, что мы приблизились к погибели Москвы (чего мы боялись больше всего в мире), а для французов то, что они приблизились к погибели всей армии (чего они тоже боялись больше всего в мире). Результат этот был тогда же совершении очевиден, а между тем Наполеон дал, а Кутузов принял это сражение.
Ежели бы полководцы руководились разумными причинами, казалось, как ясно должно было быть для Наполеона, что, зайдя за две тысячи верст и принимая сражение с вероятной случайностью потери четверти армии, он шел на верную погибель; и столь же ясно бы должно было казаться Кутузову, что, принимая сражение и тоже рискуя потерять четверть армии, он наверное теряет Москву. Для Кутузова это было математически ясно, как ясно то, что ежели в шашках у меня меньше одной шашкой и я буду меняться, я наверное проиграю и потому не должен меняться.
Когда у противника шестнадцать шашек, а у меня четырнадцать, то я только на одну восьмую слабее его; а когда я поменяюсь тринадцатью шашками, то он будет втрое сильнее меня.
До Бородинского сражения наши силы приблизительно относились к французским как пять к шести, а после сражения как один к двум, то есть до сражения сто тысяч; ста двадцати, а после сражения пятьдесят к ста. А вместе с тем умный и опытный Кутузов принял сражение. Наполеон же, гениальный полководец, как его называют, дал сражение, теряя четверть армии и еще более растягивая свою линию. Ежели скажут, что, заняв Москву, он думал, как занятием Вены, кончить кампанию, то против этого есть много доказательств. Сами историки Наполеона рассказывают, что еще от Смоленска он хотел остановиться, знал опасность своего растянутого положения знал, что занятие Москвы не будет концом кампании, потому что от Смоленска он видел, в каком положении оставлялись ему русские города, и не получал ни одного ответа на свои неоднократные заявления о желании вести переговоры.
Давая и принимая Бородинское сражение, Кутузов и Наполеон поступили непроизвольно и бессмысленно. А историки под совершившиеся факты уже потом подвели хитросплетенные доказательства предвидения и гениальности полководцев, которые из всех непроизвольных орудий мировых событий были самыми рабскими и непроизвольными деятелями.
Древние оставили нам образцы героических поэм, в которых герои составляют весь интерес истории, и мы все еще не можем привыкнуть к тому, что для нашего человеческого времени история такого рода не имеет смысла.
На другой вопрос: как даны были Бородинское и предшествующее ему Шевардинское сражения – существует точно так же весьма определенное и всем известное, совершенно ложное представление. Все историки описывают дело следующим образом:
Русская армия будто бы в отступлении своем от Смоленска отыскивала себе наилучшую позицию для генерального сражения, и таковая позиция была найдена будто бы у Бородина.
Русские будто бы укрепили вперед эту позицию, влево от дороги (из Москвы в Смоленск), под прямым почти углом к ней, от Бородина к Утице, на том самом месте, где произошло сражение.
Впереди этой позиции будто бы был выставлен для наблюдения за неприятелем укрепленный передовой пост на Шевардинском кургане. 24 го будто бы Наполеон атаковал передовой пост и взял его; 26 го же атаковал всю русскую армию, стоявшую на позиции на Бородинском поле.
Так говорится в историях, и все это совершенно несправедливо, в чем легко убедится всякий, кто захочет вникнуть в сущность дела.
Русские не отыскивали лучшей позиции; а, напротив, в отступлении своем прошли много позиций, которые были лучше Бородинской. Они не остановились ни на одной из этих позиций: и потому, что Кутузов не хотел принять позицию, избранную не им, и потому, что требованье народного сражения еще недостаточно сильно высказалось, и потому, что не подошел еще Милорадович с ополчением, и еще по другим причинам, которые неисчислимы. Факт тот – что прежние позиции были сильнее и что Бородинская позиция (та, на которой дано сражение) не только не сильна, но вовсе не есть почему нибудь позиция более, чем всякое другое место в Российской империи, на которое, гадая, указать бы булавкой на карте.
При изложении материала предыдущего параграфа поток излучения в любом сечении световой трубки принимался постоянным. Однако при прохождении излучения через границу раздела сред и их толщу имеют место потери в виде отражения части потока на преломляющих поверхностях, поглощения части потока на отражающих поверхностях, поглощения и рассеяния в толще оптической среды.
Эти потери оцениваются коэффициентами отражения поглощения а и светорассеяния ;
где отраженный поток излучения на преломляющей поверхности (если поверхность должна действовать как отражающая, то вторичный поток при отражении); поток излучения, поступивший на вход оптической системы; а - поток излучения, поглощенный в толще оптической среды или на поверхности при ее действии как отражающей; поток излучения, рассеянный в толще среды.
Если через обозначить поток, прошедший оптическую систему, то коэффициент пропускания системы
Таким образом,
При решении практических задач коэффициенты поглощения и рассеяния (последние обычно малы) объединяют в один коэффициент поглощения а.
Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания являются оптическими характеристиками определенной среды и зависят от длины волны. Таким образом, эти коэффициенты являются спектральными и обозначаются
Интегральные значения этих коэффициентов определяются выражениями вида
где спектральная плотность потока излучения.
Для светового потока
Вычисления по формулам (206) и (207) при табличном или графическом задании множителей, входящих под знак интеграла, могут выполняться численно или графически.
Для определения коэффициента пропускания оптической системы рассмотрим потери светового потока за счет отражения и поглощения света.
Коэффициент отражения для преломляющей поверхности определяют по формуле Френеля:
где углы падения и преломления соответственно.
Если угол падения луча на поверхность мал, то формула (208) принимает вид:
где показатели преломления сред.
На рис. 93, а показана зависимость коэффициента отражения от угла падения на границе воздух стекло . Из рисунка следует, что для углов падения до 40° коэффициент отражения увеличивается незначительно, это для большинства оптических систем позволяет считать и вычислять его по формуле (209). Зависимость коэффициента отражения от показателя преломления стекла при (воздух) дана на рис. 93, б [по формуле (209)].
Если оптические детали соединяются оптическим контактом или склеиваются бальзамом то вследствие небольшой разности показателей преломления потерь света на отражение не учитываются. Например, для
т. е. 0,4%. В среднем для
Рис. 93. Зависимость коэффициента отражения: а - от угла падения; от показателя преломления
оптических стекол, граничащих с воздухом, В сложных системах потери света на отражение могут составлять примерно так как
где число границ воздух - стекло или наоборот.
Для уменьшения коэффициента отражения используют просветление преломляющих поверхностей путем нанесения на них одной или нескольких тонких пленок, обеспечивающие в результате интерференции резкое уменьшение отраженной части потока излучения. Толщину пленки определяют по формуле
где длина волны; показатель преломления пленки; угол преломления;
Число может быть любым. Для полихроматического излучения коэффициент отражения будег наименьшим при При толщина
Показатель преломления пленки при или
где показатель преломления оптической детали.
Следует заметить, что отражение от просветленных преломляющих поверхностей, а следовательно, и пропускание оптической системы являются селективными.
В соответствии с показателями преломления оптических стекол показатели преломления просветляющих пленок [см. формулу (210)] выбирают в интервале
В качестве материалов для образования пленок используют фтористый магний и криолит, наносимые испарением в вакууме (физический метод). Однако механическая прочность пленок из этих материалов недостаточна, что ограничивает их применение. Поэтому во многих случаях пленку наносят осаждением вещества,
Рис. 94. Эффект вторичных отражений
например диоксида кремня или титана, из его спиртового раствора (химический метод). При этом получается прочная пленка, но имеющая большой показатель преломления что снижает эффект просветления.
Использование двух- и трехслойного просветления преломляющих поверхностей обеспечивает уменьшение отраженного света до при хорошей механической прочности покрытия и постоянстве спектрального состава излучения.
Для отражающих поверхностей (зеркал) используются покрытия из алюминия, серебра, золота, родия и др.
Спектральный коэффициент отражения этих металлов рассчитывают по формуле где - длина волны, удельная проводимость,
Например, для алюминиевого покрытия, которое может быть получено испарением в вакууме, при С ростом длины волны отражательная способность повышается.
Преломленная часть потока излучения проходит сквозь толщу оптически однородной среды и, как уже указывалось, частично поглощается и рассеивается этой средой.
Прошедшее излучение (без учета рассеяния) оценивается по закону Бугера-Ламберта:
где коэффициент внутреннего пропускания; коэффициенты поглощения и пропускания соответственно для толщины стекла 1 см; I - толщина стекла, см.
Если пропускание оценивать с учетом потерь на отражение на двух поверхностях оптической детали, находящейся в воздухе, то общий коэффициент пропускания где
Для расчета спектральных коэффициентов внутреннего пропускания при толщине стекла, отличной от 1 см, целесообразно использовать оптическую плотность
Пусть - интенсивность входящего света,- интенсивность прошедшего света через вещество.
Проинтегрируем данное выражение, предварительно разделив переменные:
пропотенцируем это выражение:
по свойству логарифмов:
и получим:
Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Из закона видно, что натуральный показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде враз.
Натуральный показатель поглощения зависит от длины волны света , поэтому целесообразно закон Бугера записать для монохроматического света:
где -монохроматический натуральный показатель поглощения .
Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами, то можно закон поглощения связать с некоторыми характеристиками молекул.
Пусть - концентрация молекул, поглощающих кванты света;
Эффективное сечение поглощения молекулы;
Площадь сечения прямоугольного параллелепипеда (рис.1);
Тогда объём выделенного слоя , количество молекул в нём. Общая площадь эффективного сечения молекул этого слоя равна. На этот слой падает поток фотонов. Доля площади эффективного сечения молекул в общей площади сечения
Это часть попавших на слой фотонов, которые поглощаются молекулами.
Изменение интенсивности света зависит от интенсивности падающего светаи количества фотонов, поглощённых молекулами слоя вещества:,
откуда после интегрирования и потенцирования имеем
В это уравнение входит параметр молекулы .
Предположим, что молекулы вещества, поглощающие фотоны света, находятся в растворителе, который не поглощает свет.
Монохроматический натуральный показатель поглощения раствора поглощающего вещества в не поглощающем растворителе пропорционален концентрации раствора:
Эта зависимость выражает закон Бера . Закон выполняется только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах он нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества.
Коэффициент -натуральный молярный показатель поглощения .
Тогда, с учётом этого выражения, закон поглощения можно записать в следующем виде:
- закон Бугера-Ламберта-Бера .
Выясним физический смысл .
Молярная концентрация , откуда.
Преобразуем произведение :, где.
Таким образом, натуральный молярный показатель поглощения – это есть суммарное эффективное сечение поглощения всех молекул одного моля растворённого вещества.
В лабораторной практике закон Бугера-Ламберта-Бера обычно выражают через показательную функцию с основанием 10:
где -молярный показатель поглощения ;
Так как .
Обычно относят к какой-либо длине волны и называютмонохроматическим молярным показателем поглощения ().
Отношение интенсивности света, прошедшего сквозь данное тело или раствор к интенсивности света, падающего на тело, называется коэффициентом пропускания :
Коэффициент пропускания обычно выражают в процентах:
.
Десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называют оптической плотностью раствора:
Закон Бугера-Ламберта-Бера лежит в основе метода «концентрационной колориметрии». Это фотометрический метод определения концентрации вещества в окрашенных растворах. В данном методе непосредственно измеряют интенсивности светового потока, прошедшего через раствор (I l ) и падающего на раствор (I 0 ). Для этой цели используют две группы приборов: объективные (фотоэлектроколориметры) и субъективные, или визуальные (фотометры).
Фотоэлектроколориметр ФЭК служит для определения концентраций окрашенных растворов по поглощению света этими растворами.
Принципиальная схема однолучевого фотоэлектроколориметра (рис. 2):
Cветофильтр
Кювета для растворов
Фотоприёмник
Преобразователь сигнала (усилитель)
Измерительный элемент (гальванометр)
Согласно закону Хопкинса – Кранца при взрыве дух зарядов взрывчатого вещества одной формы, но разного размера (массы) в одинаковой атмосфере подобные взрывные волны будут наблюдаться на одинаковом расстоянии
R*=R(Pо/m ) , (1)
гдеR – расстояние от эпицентра взрыва, м;
Pо – давление начальное в фиксированной точке, кПа;
M – масса взрывчатого вещества, кг.
Данная формула дает возможность оценивать различные взрывы, сопоставляя их со взрывом эталонного вещества, в качестве которого обычно принимают тротил. Под тротиловым эквивалентом m тнт, кг, понимают массу такого тротилового заряда, при взрыве которого выделяется столько же энергии, сколько и при взрыве данного заряда массой m, кг, т.е.
m тнт = m Qv / Qv тнт, (2)
Где Qv , Qv тнт – энергия взрыва данного вещества и тротила, кДж/кг.
Общая энергия взрыва, к Дж, определяется как
Е= [(Р1 – Р0)/(kt -1) ]V1 ,(3)
где Р1 – начальное давление газа в сосуде, к Па;
kr - показатель адиабаты газа (kr= Ср/ Cv);
V1- объем сосуда, м.
4.2 Задание на практическую работу.
Задание 1. Определить скорости распространения фронта племени.
Задание 5. Расчет аварии, связанный с образованием «огненного шара».
Условия выполнения задания.
Задание 1. Определение скорости распространения фронта племени.
Скорость распространения фронта племени определяется по формуле
V = k ·М , (4)
где: k - константа, равная 43;
М -масса топлива, содержащегося в облаке.
Эффективный энергозапас топливовоздушной смеси рассчитываются по формуле:
Е = 2М ·q ·С /С , (5)
Безразмерное расстояние при взрыве рассчитывается по формуле:
R = R/(E/P ) , (6)
Безразмерное давление при взрыве рассчитывается по формуле:
P = (V /С ) (( - 1)/ )(0,83/R - 0,14/R ) , (7)
Задание 5. Расчет аварии, связанный с образованием «огненного шара»:
Поражающее действие «огненного шара» на человека определяется величиной тепловой энергии (импульсом теплового излучения) и временем существования «огненного шара», а на остальные объекты – интенсивностью его теплового излучения.
Исходные данные:
количество разлившегося при аварии топлива 10,6 м 3 ;
плотность жидкой фазы пропана, Г = 530 кг/м 3 ;
температура «огненного шара», = 1350 К.
Необходимо определить время существования «огненного шара» и расстояние, при котором импульс теплового излучения соответствует различным степеням ожога человека.
Порядок оценки последствий аварии по ГОСТ Р 12.3.047-98 «Пожарная безопасность технологических процессов»:
Импульс теплового излучения Q, кДж, рассчитывают по формуле:
Q = t s · q , (8)
где t s - время существования огненного шара, с;
q - интенсивность теплового излучения, кВт/м 2 .
Расчет интенсивности теплового излучения «огненного шара», проводят по формуле:
q = E f · F q · t , (9)
где E f - среднеповерхностная плотность теплового излучения, кВт/м 2 ;
F q - угловой коэффициент облученности;
t - коэффициент пропускания атмосферы.
E f определяют на основе имеющихся экспериментальных данных, допускается принимать E f равным 450 кВт/м 2 .
Угловой коэффициент облученностирассчитывают по формуле
, (10)
где Н- высота центра «огненного шара», м;
D s - эффективный диаметр «огненного шара», м;
r - расстояние от облучаемого объекта до точки на поверхности земли непосредственно под центром «огненного шара», м.
Эффективный диаметр «огненного шара» D s рассчитывают по формуле
D s =5,33 m 0,327 , (11)
где m - масса горючего вещества, кг.
H - определяют в ходе специальных исследований. Допускается принимать H равной D s /2.
Время существования «огненного шара» t s , с, рассчитывают по формуле
t s = 0,92 m 0,303 , (12)
Коэффициент пропускания атмосферы т рассчитывают по формуле
t = ехр [-7,0 · 10 -4 ( - D s / 2)] , (13)
4.3. Оформление и представление результатов.
1. Изучить теоретический курс лекционных занятий и предлагаемую учебную литературу.
3. Провести идентификацию опасных производственных объектов, используяпризнаки опасности объекта.
4. Исследовать устойчивость объектов экономики.
5. Разработать мероприятия по ПУФ ОЭ.
6. Сделать выводы по полученным исследованиям, сформулировать предложения.
7. Подготовить отчет по выполненной работе. Форма отчетности – письменная, согласно требованиям методических рекомендаций по выполнения практической работы.
8. Подготовить ответы на контрольные вопросы.
9. Осуществить самоконтроль.
10. Защитить практическую работу с первого раза в течении 15 минут.
Представление результатов.
Определения
Обозначения и сокращения
Введение
Основная часть
Заключение
Список использованных источников
Приложения
4.4 Варианты задания.
| Поряд-ковый номер | Номер варианта | Значение М(в кг) | С | R(м) | V1, (куб.м) |
| 0,14 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,12 | |||||
| 0,14 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,13 | |||||
| 0,12 |
Контрольные вопросы :
1. Дать определение взрыва?
2. Перечислить основные характеристики взрыва?
3. Описать процесс взрывных превращений?
4. Обосновать закон Хопкинса-Кранца?
5. В чем заключаются особенности детонации и дефлографии?
6. Чем характеризуется фаза высокого давления?
7. Объясните процесс взрыва ТВС?
8. Приведите последовательность действия ударной волны?
9. Пользуясь вариантом задания, дайте объяснения давления при взрыве?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безопасность жизнедеятельности / Под ред. Л.А. Михайлова. – М: Академия, 2009. – 272 c.
2. Ильин Л.А. Радиационная гигиена / Л.А. Ильин, В.Ф. Кириллов, И.П. Коренков. – М: Гэотар-Медиа, 2010. –384 c.
3. Практикум по безопасности жизнедеятельности / Под ред. А.В. Фролова. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2009. – 496 c.
4. Болтыров В.В. Опасные природные процессы / В.В. Болтыров. – М: КДУ, 2010. – 292 c.
5. Шуленина Н.С. Рабочая тетрадь по основам безопасности жизнедеятельности / Н.С. Шуленина, В.М. Ширшова, Н.А. Волобуева. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2010. – 192 c.
6. Почекаева Е.И.. Экология и безопасность жизнедеятельности / E.И. Почекаева. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2010. – 560 c.
7. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности / С.В. Белов. – М: А-Приор, – 2011. – 128 c.
8. Хван Т.А. Безопасность жизнедеятельности. Практикум / Т.А. Хван, П.А. Хван. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2010. – 320 c.
9. ГОСТ Р 22.0.01-94. БЧС, Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Основные положения.
10. ГОСТ Р 22.0.02-94. БЧС. Термины и определения основных понятий.
11. ГОСТ Р 22.0.05-94. БЧС". Техногенные чрезвычайные ситуации. Термины и определения
12. ГОСТ Р 22.0.07-95. БЧС. Источники техногенных чрезвычайных ситуаций. Классификация и номенклатура поражающих факторов и их параметров.
13. ГОСТ Р 22.3.03-94. БЧС. Защита населения. Основные положения.
14. ГОСТ Р 22.1.01-95. БЧС". Мониторинг и прогнозирование. Основные положения.
15. ГОСТ Р 22.8.01-96. БЧС". Ликвидация чрезвычайных ситуаций.
16. ГОСТ Р 22.0.06-95. БЧС. Поражающие факторы. Методика определения параметров поражающих воздействий.
Приложение 1.
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-08
