Вода сохраняет постоянный 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

«Вода, вода, кругом вода»

Разделы: Физика

Цель: Расширить знания учащихся о воде и её свойствах. Показать учащимся, что вода удивительная и замечательная жидкость.

Сегодня на уроке мы еще раз убедимся, что вода удивительная и замечательная жидкость, без которой на земле жить просто не возможно. Земля — это единственная планета в нашей солнечной системе, на которой вода находится в жидком состоянии, по своим свойством она резко отличается от других жидкостей.

Что мы знаем о воде из жизни, географии, химии, физики и других областей наук? Демонстрация слайда: КМ школа — Химия — 8 класс — Вода и растворы – Слайд 1.

Назовите свойства воды, которые вы знаете.

• Три состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное.
• Вода имеет объем, но не имеет формы.
• Наличие давления внутри жидкости.
• Жидкость плохо сжимаема.
• Вес тела в жидкости меньше чем весь тела в воздухе.
• Тела могут плавать в воде, тонуть, и находиться внутри жидкости.
• Свойство натяжения.
• Вода расширяется при охлаждении.
• Вода расширяется при нагревании.
• Вода долго сохраняет тепло.
• Вода может кристаллизоваться и испарятся.
• Жидкость в твёрдом состоянии (лёд) не тонет в воде.
• Вода может обладать кислотными и щелочными свойствами.
• Под действием постоянного электрического тока или высокой температуры 200ºС вода разлагается на водород и кислород.
• И много других свойств которые уже известны и изучаются.

Вода – это чистая, бесцветная жидкость без цвета и запаха. Кипит при температуре 100ºС при давлении 101,3 кПа, замерзает при 0ºС, её максимальная плотность при +4ºС равна 1 г/см 3 , при большей или меньшей температуре плотность изменяется. Вода может находиться в трёх различных агрегатных состояниях: жидком, твёрдом, газообразном. Демонстрация анимации: С1 образование — Физика – Молекулярная физика и термодинамика – Поведение молекул в жидкости, газе и твёрдом теле.

Проведём некоторые опыты подтверждающие эти свойства.

1. Вода имеет объем, но не имеет формы.

Демонстрация опыта с одинаковыми по объёму сосудами, но различной формы.

2. Жидкость плохо сжимаема.

Если взять свинцовый шар, внутри которого находится вода и ударить по нему молотком, то капельки воды выступят наружу, т.к. расстояние между частицами очень маленькое. Демонстрация слайда: КМ школа — Физика — 10 класс — Строение жидкостей – Слайд 2.

3. Поговорим немного о естественной форме жидкости. Естественная форма жидкости – это шар.

Обычно сила тяжести мешает жидкости принять эту форму, и жидкости либо растекаются тонким слоем, или принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса жидкость по закону Архимеда F_a = ρgV, теряет свой вес. Она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную форму, т. е. шарообразную. Падающие капельки дождя имеют форму шариков. Дробинки не что иное, как застывшие капли расплавленного свинца, которые при заводском способе изготовления заставляют падать каплями с большой высоты в холодную воду.

4. К воде применён закон Паскаля. Производимое на жидкость давление передается без изменения по всем направлениям.

Демонстрация опыта с шаром Паскаля: Поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем уплотняясь, передают давление другим слоям находящимся глубже. Т.о. давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар. В результате часть воды выталкивается из шара в виде струек из отверстий.

Демонстрация опыта «Рыбка»: Взять пустое куриное яйцо с небольшими отверстиями с двух сторон. Опустить его в воду. Когда надо погрузиться, у настоящей рыбки мускулы сжимаются, сдавливают пузырь, объем уменьшается и рыбка всплывает. Тоже самое происходит и с нашей рыбкой. Воздух сжимается и нажимает на воду, от этого несколько капель воды вливается через отверстие в яйцо. Объем воздуха в яйце уменьшается, рыбка становится тяжелее и ныряет. Если опустить перепонку рыбка всплывает.

5. Вы знаете, что вес тела в жидкости меньше веса тела в воздухе, т.к. действует Архимедова сила F_a = ρgV.

Демонстрируется опыт вес тела в воздухе и воде.

Сила, выталкивающая целиком, погруженное в жидкость тело равна весу жидкости в объеме этого тела. Если кит очутится во время отлива на мели, то последствия окажутся роковыми. Его раздавит собственный вес. Выталкивающая сила жидкости спасает китов от силы тяжести.

6. Плавание тел.

На тело находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести F_т и Архимедова сила F_a. Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. Возможны три случая.

1. Железный. F_т > F_a
2. Восковой. F_т = F_a
3. Пластмассовый. F_т ρл. Это единственное вещество, у которого плотность в жидком состоянии больше плотности в твердом состоянии.

Айсберг

Демонстрация опыта: стакан с водой и льдом.

Рассказ о ледоколах.

Если лед незначительной толщины, то ЛЕДОЗЕРЫ непрерывным давлением носовой части разрезают лед на ходу. Если толщина льда не превышает 0,5 м, то ледокол надвигает на поверхность льда свою носовую часть, которая сильно скошена над водой. Оказавшись вне воды нос корабля, приобретает полный вес, для усиления действия в носовые цистерны накачивают воду — жидкий балласт. Более мощный лед – побеждают ударным действием судна. Судно превращается в снаряд небольшой скорости, за то огромной массы.

18. Задача с сосулькой.

В какую погоду образуются сосульки: в оттепель или в мороз?

Если в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше 0ºС? Если в мороз, то откуда вода на крыше? Для этого нужно иметь две температуры: для таяния больше 0ºС, для замерзания ниже 0ºС.На самом деле так и есть: снег на склоне крыши тает, т.к. солнечные лучи нагревают его до температуры выше 0ºС, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, т.к. температура ниже 0ºС. Косые лучи солнца не нагревают землю на столько чтобы снег таял. На крышу лучи падают не полого, а под углом 80, 90. Освещение и нагревание лучами тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью, на которую они падают. Действие лучей пропорционально sin этого угла. Снег на крыше получает тепла в 2,5 раз больше, чем ровная поверхность, т.к. sin 60 > sin 20 в 2,5 раз. Оттаявшая вода стекает и каплями свисает с края крыш. Но под крышей температура меньше 0ºС, и капля охлаждаемая испарением, замерзает, а замерзшую каплю натекает следующая и т.д. Так возникают сосульки.

Оказывается вода имеет, наибольшую плотность при t=4ºС. При более низкой температуре плотность воды меньше. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит до тех пор, пока ее температура не понизилась до t = 4ºС. Из за этого под слоем льда, покрывающем водоем живут в воде рыбы.

Рассмотрим еще одно явление природы — снег. Снежинки, какое это состояние вещества? Конечно твердое. Формы снежинок разнообразны. Существуют коллекции фотографий, насчитывающие более 5000 снимков различных снежинок, отличающихся по форме друг от друга.

Вода удивительная жидкость, но мы не умеем беречь ее и пользоваться ею. Давайте проверим воду которую мы пьем. брызнем ею на стекло. Подождем пока оно высохнет. Остался след. Значит вода грязная, с примесями. Наша с вами задача предохранить водоемы от загрязнения. В нашей стране выделяются большие средства для строительства водоочистительных сооружений. Воды очищаются, лабораторным способом – обеззараживают хлорированием. Чтобы решить проблему очистки воды, нам необходимо перейти на оборотное водоснабжение. Оно заключается в многократном использовании промышленных вод после очистки по замкнутому циклу, без сброса в реки.

Вода, которая подается к нам из городского водопровода, в принципе, соответствует ГОСТ 2874-82 на питьевую воду иначе, мы не имели бы права пользоваться ею. Самым простым и доступным для всех методом очистки питьевой воды является отстаивание водопроводной воды. Следующим по простоте и доступности является метод очистки питьевой воды с помощью кипячения, метод вымораживания воды, методы фильтрации и физической сорбции. При использовании ионообменных мембран в процессе прохождения воды через слой материала, электрохимические установки, мембраны обратного осмоса.

В настоящее время в мире развивается два подхода к решению задачи очистки водных сред от микробиологических загрязнений с помощью фильтрации. Первый подход основан на применении мембранных технологий. Эта технология имеет один недостаток: при уменьшении размера удаляемых частиц размер пор также должен быть снижен. А это приводит к увеличению гидравлического сопротивления фильтра и снижению скорости фильтрации.

Второй подход, который только сейчас начинает развиваться, предлагает использовать для ультратонкой очистки водных растворов при помощи адсорбционных фильтров на основе заряженных наночастиц. В апреле 2006 г. томская научно-производственная фирма «ФиБрА» приступила к внедрению технологии получения сорбента FilLis, разработанной и запатентованного томской научной группой под руководством профессора В.Н. Лисецкого.

Фильтровальный материал FilLis в зависимости от вида модификатора поверхности обладает уникальной способностью сорбировать содержащиеся в воде и водных растворах патогенные микроорганизмы, вирусы, токсины и ионы тяжелых металлов, размер которых меньше среднего расстояния между волокнами материала. Он эффективно работает не только в нейтральной и кислой средах, но и в щелочной среде при рН до 9,5.

Загрязнение и оскудение рек и других открытых водоемов, неизбежно сказывается на растительности, животном мире и условиях жизни людей.

А знаете ли вы, что ¾ всей атмосферы занимает вода. Все живые организмы от 50 –90 % состоят из воды. Человек до 65 %, ребенок до 90 %. Потребности человека в чистой воде уже сейчас достигает 160 л в день. За жизнь человек потребляет до 25 тон воды. Итак, вода может находиться в трех различных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Причина аномалии воды, отличающей ее от других веществ до конца еще не выяснено. Изучение продолжается.

Вода – удивительная, замечательная жидкость. Ее восхваляли в стихах и песнях, писали картины и музыку.

Источник