Вода несжимаема что значит

Можно ли сжать воду?

Откуда же у воды эта колоссальная сила?

Надавим пальцем на небольшой булыжник. На нём не образуется ни малейшей вмятины. А в воду палец погрузится без всякого нажима. Кто знаком с физикой, сможет объяснить: нашей силы оказалось недостаточно, чтобы сжать камень. Вода же и не сжималась. Она лишь раздвинулась, вытеснилась пальцем и заняла новое место; при этом её уровень в сосуде повысился.

Значит ли это, что вода «слабее» камня?

В физической лаборатории можно произвести такой опыт: камень и примерно такой же объём воды попробовать сжать в мощном прессе. Надо воду налить в очень прочный стальной стакан и давить на её поверхность поршнем.

При определённой силе давления камень начнёт сжиматься, а затем крошиться, разрушаться. С водой же ничего не случится, если даже на неё давить с силой во много раз большей. При огромном давлении — около 10 000 тысяч атмосфер — вода сожмётся лишь на одну шестую часть своего объёма.

Этим свойством воды широко пользуются в технике, например в устройствах гидравлических прессов и подъёмников.

Плотной струёй воды, выбрасываемой из особых водяных пушек — гидромониторов, дробят пласты угля и торфа, гасят пламя пожаров. Специальные суда — земснаряды, используя силу воды, размывают природные грунты (песок, глину, гравий и др.), перекачивают их по трубам и в короткий срок намывают гигантские плотины, дамбы и т.п.

Огромная сила воды проявляется и при её охлаждении. Как действует холод на большинство веществ? Они сжимаются, становятся меньше по объёму. Это явление всегда учитывается при строительстве зданий, линий электропередач и т.п.

У воды — иное свойство. Когда она превращается в лёд, то расширяется, занимает больший объём. Вода, замёрзшая в горных расщелинах, легко раскалывает прочнейшие каменные массивы. Много раз бывало, что корпуса больших кораблей, вмёрзшие в полярные льды, раздавливались, как хрупкие скорлупки.

Источник: «Природа — мудрый конструктор» К. Курденков, Ю. Юркан. 1967 г.

Источник

Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H₂O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H₂O)_x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Источник

Изучение свойств воды, текучести, несжимаемости и способов их применения в жизни человека. Создание модели гидравлического экскаватора

Дата публикации: 29.01.2018 2018-01-29

Статья просмотрена: 5124 раза

Библиографическое описание:

Кучковский, А. Е. Изучение свойств воды, текучести, несжимаемости и способов их применения в жизни человека. Создание модели гидравлического экскаватора / А. Е. Кучковский, О. Ю. Ушакова, Г. И. Спиридонова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2018. — № 1 (15). — С. 50-57. — URL: https://moluch.ru/young/archive/15/1102/ (дата обращения: 21.10.2021).

Актуальность. В первую очередь стоит сказать, что жидкости — это то с чем мы постоянно сталкиваемся в процессе нашей повседневной жизни. Даже первое восприятие окружающего мира сводится к тому, что все вокруг состоит из твердых тел и жидкостей. Мы встречаемся с одними видами жидкостей, наблюдаем другие, но при этом каждого из нас иногда посещает мысль о том какими свойствами обладает та или иная жидкость. Самой распространенной и известной жидкостью на планете является вода, она нам всем известна, но в то же время обладает многими очень интересными свойствами, на которые в обыденной жизни мы не обращаем внимания.

С древних времен человек использует различные свойства воды в своей жизни, строя каналы, водяные мельницы, водоподъемные колеса для орошения полей и многое другое.

И в наше время очень многие устройства и машины используют в своей работе эти свойства жидкости. Так что же это за свойства, жидкости, которые на протяжении многих веков помогают человеку?

Цель. В этой работе я хотел бы рассмотреть два свойства жидкости, такие как текучесть — способность неограниченное количество раз менять свою форму и не сжимаемость — способность сохранять объем при внешнем воздействии на примере воды и изучить их применение в современном мире. А также сделать модель экскаватора для наглядной демонстрации этих свойств воды.

Задачи:

Изучить теоретический материал о физических свойствах воды
Экспериментальным путем подтвердить изучаемые в данной работе свойства воды
Узнать, как в современном мире используют свойства жидкости
Самостоятельно создать модель экскаватора, работающего за счет изучаемых свойств воды

Вода — удивительное вещество

Вода — одно из самых удивительных веществ в природе.

Чистая вода прозрачна, бесцветна, не имеет вкуса и запаха. Обладает свойством текучести. Принимает форму сосуда. Воду в жидком состоянии практически невозможно сжать. Она может перейти из жидкого состояния в газообразное или твердое и наоборот.

Вода — наиболее распространенное, доступное и дешевое вещество. Именно доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине — во всех сферах человеческой деятельности. Трудно вспомнить, где вода не применяется.

Вода — это самая большая и удобная дорога. По ней день и ночь плывут суда, везут разные грузы, пассажиров. Вода ещё и кормит, являясь средой обитания промысловых животных. Вода “добывает” электрический ток, работая на гидроэлектростанциях. В медицине вода — растворитель, лекарственное средство, средство санитарии и гигиены. В сельском хозяйстве вода — «транспортное средство» питательных веществ к клеткам растений и животных, участник процесса фотосинтеза, регулятор температуры живых организмов. Объемы воды, которые затрачиваются для полива сельскохозяйственных растений, при кормлении животных, птицы, не уступают объемам, используемым промышленностью. В быту вода — средство санитарии и гигиены, участник химических реакций, протекающих при приготовлении пищи. Вода моет всех людей, машины, дороги.

Основным свойством жидкости, отличающим её от твердых тел, является способность неограниченно менять форму, даже при сколь угодно малых по силе воздействий, практически сохраняя при этом объём.

В своей работе я хочу изучить два свойства воды: текучесть и не сжимаемость.

Что же такое — текучесть?

Если открыть дома на кухне кран, из него потечет вода. Что значит — потечет? Одним из основных свойств воды является способность изменять форму, не дробясь на части, это и называется текучестью.

Проведем эксперимент, подтверждающий текучесть воды.

Для более удобного наблюдения окрасим воду пищевым красителем. Наполним стакан до половины водой. Вода принимает форму стакана.

Наклоним стакан. Мы видим, что вода изменила форму.

Для второй части эксперимента нам понадобится два разных по форме сосуда. Наполним один сосуд водой и поднимем его над вторым. Попробуем перелить воду из одного сосуда в другой.

Рис. 1. Мы видим, что вода перелилась из первого сосуда во второй и приняла форму второго сосуда

Вывод: вода обладает свойством текучести.

Данным свойством воды люди пользуются с древнейших времен. Еще в древней Римской империи, для обеспечения городов водой люди строили акведуки (от латинских слов aqua — вода и duco — веду) — большие и протяженные системы каналов, с помощью которых вода из рек поступала в город.

Несжимаемость — еще одно увлекательное свойство воды. Что значит — несжимаемость? Есть вещества, при воздействии на которые какой-то силой изменяют свой объем, эти вещества называются сжимаемыми. Вода в отличии от них как бы сильно мы на нее не воздействовали (давили) не меняет свой объем. Это свойство воды и называется несжимаемостью.

Проведем эксперимент, подтверждающий данное утверждение. Для этого нам понадобится медицинский шприц (без иголки). Выдвинем поршень шприца, и наберем полный шприц воздуха, закроем пальцем отверстие для иголки и попробуем надавить на поршень. Мы видим, что у нас получилось задвинуть поршень практически на половину. У нас получилось сжать воздух, находящийся внутри шприца. Т. е. воздух изменил свой объем на 2,5 мл, он стал занимать меньше места в шприце под воздействием силы нашего нажатия.

Теперь наберем полный шприц воды и заткнув отверстие попробуем нажать на поршень. Как бы сильно мы не давили, у нас не получается изменить объем воды. Это и есть несжимаемость. В данном эксперименте мы подтвердили еще одно удивительное свойство воды.

Использование свойств воды в современном мире

Обладая текучестью, вода легко принимает любую форму, и это позволяет транспортировать воду по трубам от источников воды до крана в доме, и используя свойства не сжимаемости при помощи гидронасосов поднимать воду на самые высокие этажи зданий. В ходе работы я узнал, как устроен гидронасос и где он применяется.

Я посетил насосную многоэтажного здания и посмотрел, как работают насосы водоснабжения и отопления. При помощи этих насосов и системы труб в здание подается питьевая вода и вода в батареи отопления. Благодаря чему в доме есть вода и тепло.

Это самые распространенные в мире способы использования текучести и несжимаемости воды.

Так же не сжимаемость и текучесть жидкости очень широко используется в современных автомобилях, от самых маленьких до больших грузовиков. Только вместо воды в них используется специальная жидкость.

В ходе изучения свойств воды я посетил автомастерскую и познакомился с использованием свойств текучести и не сжимаемости в тормозах автомобиля.

Рис. 5. Гидротормоз автомобиля

Еще один способ использования изучаемых свойств воды который применяется в современном мире — это гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции вырабатывают электрическую энергию. Вода протекает через лопасти турбины крутит их. Вращаясь лопасти турбины крутят генератор, который и вырабатывает электрический ток. Гидроэлектростанции являются самым экологически чистым способом получения большого количества электроэнергии.

Рис. 6. Как устроена гидроэлектростанция

Гидроэлектростанции широко применяются в нашей республике для выработки электроэнергии. В Казахстане 18 различных гидроэлектростанций. Гидроэлектростанции бывают большие и малые. Большие гидроэлектростанции есть в Восточно-Казахстанской области на реке Иртыш. Самая большая гидроэлектростанция — Шульбинская. Вырабатываемой ей электроэнергии хватить для целого города. В Алматинской области тоже есть гидроэлектростанции. Если вы когда-нибудь ездили на Капчагайское водохранилище, то наверняка видели большой мост через реку Или. Это и есть Капчагайская гидроэлектростанция. В городе Алматы тоже есть гидроэлектростанции. На реках Большая Алматинка и Малая Алматинка построен каскад из 11 малых гидроэлектростанций, которые вырабатывают электрическую энергию для города. Электрическая энергия, вырабатываемая этими гидроэлектростанциями, освещает в том числе и нашу школу.

Я решил создать действующую модель экскаватора, на примере которой продемонстрировать изучаемые свойства воды. Вся работа по созданию модели состояла из трех основных этапов: разработка модели на бумаге, с использование чертежей; подбор инструментов, необходимых для изготовления модели экскаватора, изучение техники безопасности при работе с ними и подготовка необходимых деталей и экскаватора; сборка и испытание модели.

Этап первый — Разработка модели на бумаге.

В процессе подготовки деталей модели на бумаге я посетил стройку и посмотрел, как работает экскаватор. Были подготовлены чертежи деталей экскаватора, которые нам понадобятся и определен список материалов и деталей для модели. Для изготовления экскаватора мне понадобились — шприцы медицинские объемом 5 и 10 миллилитров, система для капельницы медицинская, винты диаметром 3 миллиметра, гайки и шайбы к ним, доска для изготовления основания, лист пластика для изготовления стрелы экскаватора, подшипник для поворотного механизма, медная проволока толщиной 1 миллиметр, клей, лист пластика толщиной 1 миллиметр для изготовления деталей стрелы, пластиковые хомуты для крепления шприцов.

Рис. 7. Чертеж деталей стрелы экскаватора

После подготовки чертежа, детали стрелы экскаватора были вырезаны из бумаги, и я начал собирать модель из бумаги, для того что бы проверить подходят ли детали друг к другу. Сборка осуществлялась при помощи клея и скрепок.

Этап второй — Подбор инструментов, необходимых для изготовления модели экскаватора, изучение техники безопасности при работе с ними

Убедившись, что все детали стрелы экскаватора подходят к друг другу, я составил список инструментов необходимых для изготовления модели.

Список инструментов: нож канцелярский, пила, линейка, тиски настольные, дрель ручная с различными насадками, ножницы, напильник, пассатижи, клеевой «пистолет», отвёртки.

Подготовив все необходимые инструменты, я приступил к изучению техники безопасности при работе с ними.

Этап третий — Подготовка необходимых деталей экскаватора; сборка и испытание модели

После изучения техники безопасности и работы с инструментами, я приступил к сборке модели экскаватора. Первым шагом разметил места, где будет установлен подшипник для поворотного механизма, и шприцы, управляющие работой экскаватора. При помощи дрели просверлил крепежные отверстия для поворотного механизма и отверстия для крепления шприцов. Прикрепил подшипник, на котором будет вращаться стрела экскаватора к станине. Собрал поворотный механизм при помощи винтов из ранее вырезанных деталей, и прикрепил его к подшипнику. Собрал стрелу из деталей, вырезанных из пластика, и закрепил ее на собранный поворотный механизм. У меня получилась собранная модель экскаватора, стрела, закрепленная на поворотном механизме, установленном на станине.

Я приступил к следующему этапу сборки — установки гидравлической системы управления экскаватором.

На ранее размеченные места на станине я, при помощи пластиковых хомутов прикрепил четыре шприца, для управления экскаватором, один для поворота стрелы, и три бля подъема и спуска трех участков стрелы, и приступил к следующему этапу сборки — установки шприцов, опускающих и поднимающих стрелу. На каждый участок стрелы устанавливается один шприц. При помощи клея я приклеил к основанию шприца два кусочка медной проволоки при помощи которой закрепил корпус шприца к стреле. В поршне шприца просверлил отверстие для проволоки, чтобы прикрепить шприц ко второй части стрелы. После этого этапа у меня получилась собранная модель экскаватора, но шприцы управления и шприцы на стреле не соединены между собой. Для соединения шприцов между собой, я отмерил необходимую длину соединительной трубки и нарезал из медицинской капельницы соединительные трубки. При помощи соединительных трубок соединил шприцы управления со шприцами на стреле экскаватора. На этом этап сборки модели был закончен, и я приступил к следующему этапу — заполнение гидравлической системы экскаватора водой. При помощи шприца я заполнил шприцы управления, трубки и шприцы на стреле экскаватора водой и проверил работу модели. Нажимая на поршни управляющих шприцов, я убедился, что стрела экскаватора и ковш поднимаются опускаются, экскаватор поворачивается в обе стороны.

В ходе работы я изучил некоторые свойства воды, и на практике проверил как они работают. Изучил применение этих свойств человеком в повседневной жизни, познакомился с новыми для меня устройствами и инструментами.

Вода это всем известное вещество, обладающее уникальными свойствами, позволяющими использовать ее в самых различных областях. При подготовке своей работы я понял, что даже в известных мне вещах скрыты удивительные секреты.

Источник

Вода несжимаема что значит

Несжимаемая жидкость

Полезное

Смотреть что такое «Несжимаемая жидкость» в других словарях: