Дипломная работа: Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии
8. Для изготовления листового стекла раскаленную
стеклянную ленту подают на конвейер. Лента перекатывается с одного
металлического ролика на другой, постепенно остывая. При этом не застывшая еще
стеклянная лента прогибается, на стекле образуются неровности, поэтому его
приходится долго полировать. Впервые столкнувшись с этой проблемой, инженеры
предложили сделать ролики как можно тоньше, чтобы стеклянная лента получалась
ровнее. Но чем тоньше ролики, тем сложнее изготовить из них огромный - в
десятки метров — конвейер. Если толщина ролика равна толщине спички, на каждый
метр конвейера потребуются 500 роликов и устанавливать их придется прямо-таки с
ювелирной точностью. Как усовершенствовать процесс изготовления листового
стекла?
Решение:
Попробуем опять применить принцип дробления.
Уменьшаем диаметр роликов. Минимальная толщина — один атом. Раскаленная
стеклянная лента движется по слою шариков-атомов. Отличный конвейер, идеально
ровный.
Итак, под стеклянную ленту надо насыпать
шарики-атомы. Это не могут быть атомы газа (они сразу улетучатся) или твердого
тела (они не будут свободно двигаться). Остается одна возможность —
использовать атомы жидкости. Какую жидкость взять для такого конвейера? Не
будем искать наугад, используем знания по химии (или хотя бы справочники).
Прежде всего, нужна жидкость легкоплавкая, но у нее должна быть высокая
температура кипения, иначе она легко закипит, и поверхность стекла покроется
пузырьками. Плотность жидкости должна значительно превышать плотность стекла
(2,5 г/см3), иначе стеклянная лента не будет держаться на ее
поверхности. Итак, искомое вещество имеет температуру плавления не выше
200-300°С, температуру кипения не ниже 1500 °С, плотность не менее 5-6 г/см3.
Таким сочетанием свойств обладают только металлы.
Если не брать во внимание редкие металлы, претендентов совсем мало: висмут,
олово, свинец. Висмут дорог, пары свинца ядовиты, остается олово. Итак, вместо
конвейера — длинная ванна с расплавленным оловом. Вместо роликов — атомы.
Система перешла на микроуровень, появилась
возможность дальнейшего развития. И действительно, сразу после этого изобретения
потоком пошли патенты на различные усовершенствования. Например, если через
олово пропустить ток, то с помощью магнитов можно придавать его поверхности
любую форму - только на эту тему сделано несколько сотен изобретений.
9. При выплавке чугуна в домне образуется ишак.
Шлак, имеющий температуру 1000°С, спивают в большие ковши и на железнодорожных
платформах отвозят на переработку. Расплав шлака — ценное сырье для
изготовления строительных материалов. Но затвердевший шлак перестает быть таким
сырьем. Снова расплавлять его невыгодно. В ковше сначала весь шлак жидкий,
однако при транспортировке на его поверхности образуется и быстро нарастает
твердая корка. Приходится пробивать ее с помощью специальных (довольно
громоздких) устройств. Корка удерживает часть жидкого шлака. В результате из
ковша сливают только 2/3 шлака, остальное идет на свалку. К тому же нужно
потратить немало труда, чтобы освободить ковш от затвердевшего шлака, а потом
вывезти этот шлак с территории завода. Было бы выгодно сделать ковш с хорошей
теплоизоляцией, но она займет много места, ковш станет шире, а это недопустимо
при железнодорожных перевозках. Если же сделать теплоизолирующую крышку на
ковш, который размером с комнату, то и устанавливать, и снимать ее придется с
помощью крана. Предложите решение.
Решение:
Модель задачи: есть раскаленный шлак, а над ним
холодный воздух. ИКР: холодный воздух сам не дает застыть шлаку. Применяем
прием «обратить вред в пользу»: холодный воздух должен защищать шлак от
холодного воздуха.
Какая зона воздуха не соответствует этому
требованию? Очевидно, та, которая непосредственно соприкасается с горячей
поверхностью расплавленного шлака. Теперь видно физическое противоречие: эта
зона (там сейчас слой холодного воздуха) должна быть чем-то заполнена, чтобы
задерживать тепло, и эта зона не должна быть ничем заполнена, чтобы можно было
свободно заливать и выливать шлак. В подобных случаях не вводят посторонние
вещества, а видоизменяют уже присутствующие («использовать принцип
однородности») – шлак и воздух. Возможны только три ответа.
Изменять воздух – нагревать тот слой, который
лежит у поверхности шлака. Это плохое решение: придется ставить горелки, а они
будут загрязнять атмосферу.
Изменять шлак – покрыть поверхность жидкого шлака
шариками из твердого шлака. Термоизоляция получится неплохая, но возникает
масса неудобств: надо изготавливать шарики, как-то удерживать их в ковше, когда
сливается шлак.
Использовать смесь шлака и воздуха – смешать
компоненты и получить пену. Отличный теплоизолятор. Залили шлак в ковш, сделали
слой пены, получили прекрасную теплозащитную крышку. Сливать шлак можно, не
обращая внимания на эту крышку, - жидкий шлак свободно пройдет сквозь пену.
Крышка есть, и как бы нет. Задача в принципе решена, нужно выяснить чисто
технический вопрос: как получить пену? Простейший способ – при заливке шлака
подавать одновременно немного воды. Обратите внимание на парадокс: чтобы шлак
сохранил тепло его поливают холодной водой.
10. Хороший термос долго (до 2 суток) хранит тепло, но когда жидкость
в термосе остыла, то для нагревания ее необходимо вылить из термоса, нагреть и
снова залить. А если для этого нет условий? Почему бы воду не нагреть сразу в
термосе? Но колба термоса не герметична, в простенках вакуум. Если в колбу
ставить еще один металлический цилиндр, чтобы в нем нагревать воду, вес изделия
увеличится. Это грубое решение проблемы. Изобретите термос – чайник.
Решение:
Формулируем техническое противоречие: вакуум в колбе должен быть
теплопроводным, когда вода нагревается, и не должен проводить тепло, когда
нагревание прекращено. Заменяем слово вакуум на словом вещество: вещество в
сосуде должно проводить тепло при нагревании сосуда и быть теплоизолятором при
прекращении нагревания. Лучший теплоизолятор тепла – вакуум. Уточняем: вещество
появляется при нагревании и проводит тепло; вещество исчезает при прекращении
нагревания, образуется вакуум. Для решения этой задачи более всего подходят
гидриды металлов, т.к. они обладают способностью поглощать водород при
охлаждении и выделять при нагревании. А водород хороший проводник тепла. Итак,
в термосе между стенками глубокий вакуум, а на дне - горсть гидрида. Если
немного нагреть гидрид, то выделившийся водород станет проводником тепла между
стенками. Выключим нагрев, и водород полностью поглотится гидридом,
восстановится вакуум. Внутри термоса может быть аккумулятор тепла и холода. По
энергоемкости водородные термосы в 20 раз превосходят электробатареи.
Выводы
1. Определена тематика
задач по теоретическим основам химической технологии в рамках изучения курса
прикладная химия.
2. Составлены и подобраны
задачи по выбранным темам.
3. Показано, что при
решении задач по прикладной химии студенты испытывают затруднения при
математических расчетах с использованием дифференциального и интегрального исчисления,
разложением сложного многостадийного процесса в условии задачи на отдельные
стадии и проведении расчетов по всей совокупности стадий.
4. Разработана методика
решения задач, в качестве примера представлены подробные решения типовых задач
каждого раздела и приведены задачи для самостоятельного решения.
5. Показано, что курс
прикладная химия, изучаемый на завершающем этапе подготовки будущих учителей
химии следует рассматривать как курс обобщения, повторения и систематизации
ранее приобретенных химических знаний.
Список
литературы
1. Абкин Г.Л. Методика
решения задач по химии. М.: Просвещение, 1971. – 200 с.
2. Аликберова Л.Ю.,
Хабарова Е.И. Задачи по химии с экологическим содержанием. М.: Центрхимпресс,
2001. – 70 с.
3. Андреева М.П. Овладение
студентами педагогических ВУЗов методическими приемами обучения учащихся
решению задач по химии. // Химия и методика преподавания. 2005, № 3. – С.
23-26.
4. Аранская О.С. Сборник
задач и упражнений по химической технологии и биотехнологии. Минск: Университетское,
1989. – 296с
5. Аркавенко Л.Н., Гапонцеа
В.Л., Белоусова О.А. Для чего классифицировать расчетные задачи. // Химия в
школе. 1998, № 3. – С. 60-63.
6. Артемьев В.П. Задание по
методике преподавание химии. Тесты и усложненные задачи (задачи экологического
содержания). Пенза, 2002. 122 с.
7. Архангельская О.В.,
Тюльков И.А. Трудная задача? Начнем по порядку…
// Химия в школе. 2003, №
2. – С. 51-55.
8. Ахметов М.А. Конспект
лекции по общей химии. Введение в термодинамику химических реакций. // Первое
сентября. 2005, № 15. – С. 35-37.
9. Безуевская В.А.
Химические задачи с экологическим содержанием. // Химия в школе. 2000, №2. – С.
59-61.
10. Бердоносов С.С. Конспект
лекции по общей химии. Тепловые эффекты химических реакций. // Первое сентября.
2005, №20 – С. 11-18.
11. Бердоносов С.С. Конспект
лекции по общей химии. Равновесие. // Первое сентября. 2005, №21. – С. 18-23.
12. Бондарь Д.А., Гариев
И.А. Трудная задача? Начнем по порядку… // Химия в школе. 1997, № 3. – С.
44-48.
13. Бондарь Д.А., Тюльков И.А.
Трудная задача? Начнем по порядку. // Химия в школе. 1999, №2. – С. 31-34.
14. Бондарь Д.А., Гариев
И.А. Трудная задача? Начнем по порядку… // Химия в школе. 1997, № 6. – С.
61-64.
15. Веденяпин А.В. Решение
расчетных задач по химии. М.: Просвещение, 1972. – 160 с.
16. Гаврусейко Н.П. Наш опыт
решения расчетных задач. // Химия в школе. 1981, № 1. – С. 46-50.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 |