Почему вода сохраняет объем

Чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем? Какими свойствами обладают жидкости

Жидкость представляет одно из трех состояний, в которых существует материя. Большинство физиков выделяют также четвертое состояние материи — плазму. Жидкость (наряду с газом) является текучим состоянием материи, то есть при воздействии малых внешних сил она легко меняет свою форму, однако объем ее сохраняется постоянным при том же давлении и температуре. Ответ на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем, заключается в особенностях их строения.

Отличие жидкостей от твердых тел и газов

Молекулы, составляющие жидкости и газы, не находятся в постоянных положениях. Они могут свободно перемещаться по всему объему, что отличает эти два типа материи от твердых тел, в которых каждый атом или молекула занимают строго определенное место. Благодаря свободному перемещению молекул жидкость и газ приобретают форму того сосуда, в который их помещают. Поэтому при ответе на вопрос о том, какими свойствами обладают жидкости, следует в первую очередь называть их способность изменять свою форму.

Однако газы и жидкости имеют существенное отличие между собой. Например, газы не сохраняют объем и способны заполнять его полностью в том пространстве, которое им предоставлено. Жидкости, в свою очередь, объем сохраняют. Чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем?

Вся разница между тремя состояниями материи заключается в величине сил, которые связывают молекулы и атомы. В твердых телах эти силы велики, поэтому каждая частица твердого вещества сохраняет свое положение. В жидкостях эти силы слабее, поэтому они и позволяют свободно перемещаться молекулам по всему их объему. Однако эти силы намного больше таковых для газов, в которых в ряде случаев можно пренебречь их существованием.

Какими свойствами обладают жидкости?

Жидкость, как и газ, относится к текучим телам, то есть к такому состоянию вещества, действие минимальной внешней силы на которое вызывает пространственное смещение его отдельных молекул и целых слоев относительно друг друга. Если говорить только о строении и свойствах жидкостей, то нужно назвать следующие их основные физические характеристики:

• вязкость;
• поверхностное натяжение;
• когезия и адгезия;
• капиллярность;
• плотность;
• гидростатическое давление.

Понятие вязкости

Вязкость является физической величиной, которая определяет способность жидкости сопротивляться любому смещению в ее объеме. Несмотря на то что жидкость является текучей материей, при воздействии внешней силы, которая стремится сместить молекулы жидкости, в ней появляются внутренние силы, которые препятствуют такому смещению. Эти внутренние силы называются когезионными. Они отвечают не только за существование вязкости, но и являются ответом на поставленный вопрос. Чем и объясняется способность жидкостей сохранять свой объем.

Если бы жидкость не обладала вязкостью, то она могла бы течь по любой трубе под действием собственной инерции, и не нужно было бы прикладывать разницу давлений на концах этой трубы, чтобы привести жидкость в движение.

Вязкость таких веществ зависит от температуры обратно пропорционально, то есть с ее увеличением вязкость уменьшается. Эта зависимость связана с ослаблением межмолекулярных сил при увеличении температуры жидкостей. Например, вода при температуре 0 ºC имеет вязкость 0,0018 Па*с, а при 60 ºC — уже 0,00065 Па*с.

Поверхностное натяжение

Говоря о поверхностных свойствах жидкости, в первую очередь следует назвать поверхностное натяжение. Суть этой физической величины заключается в том, что свободная поверхность вещества проявляет свойства тонкой эластичной мембраны. Подобный феномен связан с наличием сил притяжения между молекулами жидкости.

Силы притяжения, которые действуют на каждую молекулу в толще вещества, направлены во все стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Результирующая сил притяжения, воздействующая на поверхностные молекулы жидкости, направлена внутрь жидкости. Иными словами, перпендикулярно ее поверхности. Именно эта сила ответственна за образование поверхностного натяжения.

Благодаря силам поверхностного натяжения жидкость всегда стремится принять форму, отвечающую наименьшей площади поверхности при таком объеме. Такой формой является шар. Именно поэтому капли воды в невесомости имеют форму шара. Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры ввиду уменьшения когезионных сил между молекулами жидкости.

Когезия, адгезия и капиллярность

Когезия — свойство молекул одной и той же жидкости притягиваться друг к другу. Силы, действующие в результате когезии, называются когезионными. Благодаря этим силам молекулы жидкости стремятся собраться вместе. Явление когезии отвечает на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем. Для газов когезионные силы можно считать равными нулю, поэтому они занимают любой предоставленный им объем.

Адгезия — способность жидкости и твердого тела притягиваться друг к другу. Такие ситуации возникают часто, когда жидкость наливают в сосуд или разливают по поверхности. Она вступает в контакт с твердым телом. Величина адгезионной силы зависит от свойств конкретной жидкости и твердого тела.

Когезия и адгезия являются конкурирующими свойствами в физике жидкостей. Так, если когезионная сила больше адгезионной, тогда такое вещество не смачивает поверхность твердого тела, и наоборот, если адгезия проявляется сильнее, чем когезия, тогда говорят о явлении смачиваемости.

С явлениями адгезии и когезии также связано такое свойство жидкостей, как капиллярность, то есть способность жидкостей подниматься или опускаться в тонких трубках на высоту, отличную от общего уровня жидкости. Толщина трубок должна быть около 1 мм, чтобы явление капиллярности было заметным.

Плотность жидкости

Данное свойство характерно для любого состояния материи и определяется как количество этой материи или ее масса, содержащаяся в единице объема. Учитывая, что с увеличением температуры многие тела расширяются, их плотность уменьшается. Однако для некоторых веществ это правило может не действовать в определенных интервалах температур. Так, вода при 0 ºC имеет меньшую плотность, чем при 4 ºC.

Плотность, согласно ее определению, равна: ρ = m / V, отсюда можно определить, чему равен объем жидкости или чему равна ее масса, если знать две другие величины. Например, вода при 4 ºC массой 1 кг занимает объем V = m / ρ = 0,001 м 3 = 1 л.

Гидростатическое давление

Под гидростатическим давлением понимают давление, которое оказывает жидкость на погруженное в нее тело ввиду наличия собственного веса у жидкости. Это давление увеличивается с глубиной линейно. Гидростатическое давление действует во всех направлениях одинаково. Помимо глубины, оно зависит еще от плотности жидкости. Наличие этого свойства обуславливает существование выталкивающей силы, открытой Архимедом.

Отметим, что молекулы жидкости расположены достаточно близко друг к другу, кроме того, при незначительном их сближении возникают большие отталкивающие силы, поэтому увеличение внешнего давления в широких пределах практически не изменяет плотности жидкости. Этот факт является ответом на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем и не сжиматься в значительном интервале внешних давлений.

Источник

Основные агрегатные состояния вещества

О чем эта статья:

Агрегатные состояния вещества

Чтобы разобраться с тем, какими бывают агрегатные состояния, предлагаю по ходу чтения статьи заполнять таблицу.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Лед, вода и водяной пар — это все три агрегатных состояния одного вещества. Лед — твердое состояние, вода — жидкая, пар — газообразное. Для каждого вещества существует три состояния.

Твердое состояние

Его очень легко представить — это любой предмет, который мы встречаем в жизни. В этом состоянии тело сохраняет форму и объем. Расстояние между молекулами, приблизительно равно размеру самих молекул, которые, в свою очередь, расположены очень структурированно.

Такая структура называется кристаллической решеткой — из-за четкой структуры молекулам сложно двигаться, и они просто колеблются около своих положений.

Заполняем нашу табличку

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

Жидкое состояние

В этом состоянии сохраняется объем, но не сохраняется форма. Например, если перелить молоко из кувшина в стакан, то молоко, имевшее форму кувшина, примет форму стакана. Кстати, в корове у молока тоже была другая форма.

Расстояние между молекулами в жидком состоянии чуть больше, чем в твердом, но все равно невелико. При этом частицы не собраны в кристаллическую решетку, а расположены хаотично. Молекулы почти не двигаются, но при нагревании жидкости делают это более охотно.

Вспомните, что происходит, если залить чайный пакетик холодной водой — он почти не заваривается. А вот если налить кипяточку — чай точно будет готов.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

Газообразное состояние

В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около своего положения в кристаллической решетке

близко друг к другу

малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается

занимают предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

С агрегатными состояниями разобрались, ура! Но до сих пор неясно, каким образом у каждого вещества их целых три, и как одно переходит в другое. Для этого узнаем, что такое фазовые переходы.

Фазовые переходы: изменение агрегатных состояний вещества

При изменении внешних условий (например, если внутренняя энергия тела увеличивается или уменьшается в результате нагревания или охлаждения) могут происходить фазовые переходы — изменения агрегатных состояний вещества.

Фазовые переходы интересны тем, что все живое не Земле существует лишь благодаря тому, что вода умеет превращаться в лед или пар. С кристаллизацией, плавлением, парообразованием и конденсацией связаны многие процессы металлургии и микроэлектроники.

На схеме — названия всех фазовых переходов:

Переход из твердого состояния в жидкое — плавление;

Переход из жидкого состояния в твердое — кристаллизация;

Переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация;

Переход из жидкого состояния в газообразное — парообразование;

Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация;

Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

График фазовых переходов

Если взять процесс превращения льда в воду, воды — в пар, и обратные действия, то мы получим очень информативный график.

Разбираемся по шагам. Сначала взяли лед, конечно, при отрицательной температуре, потому что при нуле лед начинает плавиться. Нагрели лед до температуры плавления (до 0 градусов).

• AB — нагревание льда

После того, как лед нагрелся до температуры плавления, он начинает плавиться. Плавление происходит при постоянной температуре тем дольше длится, чем больше масса плавящегося вещества. Еще этот процесс зависит от свойств самого вещества, но об этом немного позже.

• BC — плавление льда

Расправившись вещество уже в жидком состоянии снова начинает нагреваться, и температура увеличивается, пока не достигает температуры кипения. В данном случае нагревается вода — это значит, что ее температура кипения равна 100 градусам Цельсия.

• CD — нагревание воды

При 100 градусах вода кипит, пока не выкипит целиком. В данном случае процесс аналогично плавлению происходит при постоянной температуре. Данный процесс нельзя путать с испарением, потому что парообразование происходит при конкретной температуре, а испарение — при любой.

• DE — кипение (парообразование) воды

Далее полученный пар нагревается, но путем нагревания невозможно дойти до другого фазового перехода — можно пойти только обратно.

• EF — нагревание пара

Первый шаг в обратную сторону — охлаждение до температуры кипения.

• FG — охлаждение пара

Дойдя до температуры кипения (в данном случае 100 градусов), пар начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс также происходит при постоянной температуре.

• GH — конденсация пара

Сконденсировавшись, вода охлаждается, пока не начнет замерзать.

• HI — охлаждение воды

Кристаллизуется (замерзает) вода при той же температуре, что и плавится лед — 0 градусов. Кристаллизация также происходит при постоянной температуре.

• IK — кристаллизация воды

После кристаллизации лед охлаждается.

• KL — охлаждение льда

С нагреванием и охлаждением все совсем просто — мы либо передаем теплоту телу (веществу), и оно идет на увеличение температуры, либо тело отдает тепло и охлаждается.

В остальных процессах температура не меняется. Это связано с тем, что количество теплоты не всегда зависит от температуры. Формулы для всех процессов выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Плавление

Кристаллизация

Q — количество теплоты [Дж]

λ — удельная теплота плавления вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Парообразование

Конденсация

Q — количество теплоты [Дж]

L — удельная теплота парообразования вещества [Дж/кг]

m — масса [кг]

Решение задач по фазовым переходам

С теорией разобрались — а теперь давайте практиковаться!

Задачка раз. Температура медного образца массой 100 г повысилась с 20 °С до 60 °С. Какое количество теплоты получил образец? Удельную теплоёмкость меди считать равной 380 Дж/(кг умножить на °С)

Сначала нужно перевести массу в килограммы:

Берем формулу количества теплоты для нагревания вещества:

Q = 380 * 0,1*(60-20) = 1520 Дж

Ответ: образец получил 1520 Дж

Задачка два. Какое количество теплоты необходимо для плавления 2,5 т стали, взятой при температуре плавления? Удельная теплота плавления стали λ=80кДж/кг. Теплопотерями пренебречь.

Сначала нужно перевести массу в килограммы и удельную теплоту в Дж/кг:

80 кДж/кг = 80000 Дж/кг

Берем формулу количества теплоты для плавления вещества:

Q = 80000*2500 = 200 000 000 Дж = 200 МДж

Ответ: для плавления 2,5 т стали необходимо 200 МДж теплоты.

Сублимация и десублимация

Мы уже рассказали про такие процессы, как сублимация и десублимация.

• Переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое — сублимация (возгонка);
• Переход из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое — десублимация.

Примерчики из жизни🤓

Про белье. Попробуйте повесить белье сушиться на улицу в мороз. Поскольку вода замерзает из-за низких температур, белье должно вернуться домой в виде большого айсберга, но этого не происходит — оно возвращается абсолютно сухим. В данном процессе произошла возгонка молекул воды (сублимация).

Про принтеры. Цветные принтеры (только не лазерные) печатают путем сублимации. Вот как это работает: частицы краски быстро переходят из твердого состояния в газообразное и оседают на бумаге — так получается цветная картинка.

Рисуночки на окнах. Если вы решите проехаться на автобусе в холодную погоду — увидете на стеклах чудесные узоры. Из-за огромной разницы температур между улицей и автобусом, мы можем наблюдать процесс десублимации в виде красивых рисунков на стеклах. Иней образуется похожим способом — резкое похолодание приводит к десублимации воздуха.

Влажность воздуха: испарение и конденсация

Такие процессы, как испарение и конденсация, становятся более логичными и простыми, если их рассмотреть на примере влажности воздуха.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Любое количество пара в воздух не запихнешь, поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь. Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит, что его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.

Как влажность влияет на человека

Для человека влажность очень важна, потому что мы состоим из воды на 90%. Если окружающей среде нечего испарять, она будет испарять нас. Поэтому при низкой влажности мы чувствуем сухость во рту, а при высокой — волосы впитывают влагу, разбухают и начинают виться. На этом принципе построены некоторые гигрометры — приборы для измерения влажности. Они так и называются — волосяные гигрометры. Только внутри не человеческий волос, а конский, но принцип от этого не меняется.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой, но при высокой влажности пот не может испариться. При испарении пота мы теряем избыточное тепло, а в данном случае этого не происходит.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно, а при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

Влажностью можно управлять. Существуют мешочки с шариками адсорбентами, которые кладут в коробки с обувью, чтобы впитать лишнюю влагу. Чтобы окна не запотевали, можно насыпать в рамы соль, которая также впитает влагу. А если вам наоборот нужно больше влаги — берем увлажнитель воздуха (классная вещь!): он добавляет в воздух водяной пар.

Источник