Погружение в физику
Занятие 2.
Истинная форма жидкости
А есть ли у жидкости собственная форма или вода всегда принимает форму сосуда?
Объяснение:
Давайте проведем опыт Плато.

Впервые этот поучительный опыт произвел бельгийский физик Плато – изобретатель стробоскопа. Правда он делал все наоборот: не в масле плавала капля спиртового раствора, а в растворе спирта плавала капля масла.
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него.

Форму шара жидкость принимает из-за притяжения молекул жидкости друг к другу. Любое тело стремиться к такому состоянию, при котором его энергия будет минимальной. Поэтому поднятые на высоту тела стремятся упасть вниз, а растянутая пружина – сжаться.

Для капли жидкости таким состоянием будет состояние, при котором все частицы как можно ближе расположены к центру этой капли (при этом площадь поверхности капли будет наименьшей). Стремясь притянуться как можно ближе к центру, молекулы жидкости образуют идеальный шар. Такую форму жидкости можно наблюдать только при отсутствии (или компенсации) сторонних сил.

Например, сила тяжести постоянно сплющивает мягкую каплю. Чем больше масса капли, тем больше на нее действует притяжение и тем больше сплющивание. Поэтому мы можем видеть шарообразными только очень маленькие капли, а большие капли или разлитая из кружки вода на столе уже станут плоскими.

При свободном падении (падающие капли дождя) сила притяжения уже не сжимает каплю (т.к. не к чему ее прижать) и вода должна падать идеальными шариками, но вспомните как изображается капля на всех рисунках? Острая с одной стороны и круглая с другой. А все благодаря сильному трению о воздух, который растягивает каплю при падении, придавая ей форму шарика с хвостом.
В отсутствие сильного трения о воздух капля будет шарообразной формы. Например на космической станции любая разлитая жидкость будет собираться в летающий шарик.
При свободном падении (падающие капли дождя) сила притяжения уже не сжимает каплю (т.к. не к чему ее прижать) и вода должна падать идеальными шариками, но вспомните как изображается капля на всех рисунках? Острая с одной стороны и круглая с другой. А все благодаря сильному трению о воздух, который растягивает каплю при падении, придавая ей форму шарика с хвостом.
Агрегатные состояния.
Мы уже поговорили с вами про агрегатные состояния тел и знаем, что жидкости занимают промежуточное состояние между газами и твердыми телами. Так, твердые тела могут сохранять и свой объем, и свою форму, газы не сохраняют ни объем, ни форму, а жидкости сохраняют только объем, именно поэтому их и называют промежуточным состоянием. Проще говоря, если вы возьмете камень, то есть твердое тело, то у него есть постоянные объем и постоянная форма. Если вы возьмете литр воды, то ее постоянный объем будет равен литру, однако этот литр воды будет принимать форму сосуда, например, кувшина, в который вы выльете эту воду. Говоря о газе, он будет принимать и форму, и объем сосуда, в который вы его поместите. При этом, молекулы газа могут разлетаться на очень большие расстояние, вода же не может растекаться вечно.
Именно поэтому форма воды меняется под механическими воздействиями, но при этом она не теряет свой объем. Это и называется текучестью - главным отличительным свойством жидкостей.
Если вы возьмете тот же литр воды и выльете его на очень большую и ровную поверхность, то она будет растекаться и растекаться, образуя своего рода большое пятно, но рано или поздно она остановится. Будто бы поверхность воды – это такая тоненькая пленка, которая удерживает молекулы жидкости внутри и не дает им потерять между собой связь. При этом, молекулы жидкости не имеют определенного положения, как в случае с твердыми телами, но и не могут свободно перемещаться, как с газами. Между молекулами жидкостей существует достаточное притяжение, которое удерживает их на близком расстоянии между собой, но не образует такую жесткую связь, в которая имеется у твердых тел.
Кто самый сильный на Земле?
Кто победит, вода или легендарная сталь АК-25, высокопрочная, бронированная, не берут ни пули, ни взрывы.
Конечно, это же вода! Давайте посмотрим на гидроабразивную резку. Это такой вид резки, при котором материал обрабатывается струей воды, испускаемой под высоким давлением и с большой скорость. С помощью такой резки можно обрабатывать практически любые материалы, в том числе сталь, бетон и камень.
Гидроабразивная резка
Вода также способна разрушать почвы, берега и даже горы в природе. Эти процессы называются эрозией (разрушение гор и почв водой) и абразией (разрушение берегов водой). Дело в том, что во время отливов и приливов или же во время движения реки вода ударяется о горные породы. Из-за несжимаемости вода сильно ударяет по породам, немножко разрушая их с каждым разом. Такой процесс продолжается год за годом, а в конечном итоге порода начинает разрушатся. Так, даже маленький ручей способен проделать дыру в горном массиве, однако, на это понадобится много времени. Кстати, по похожему принципу вода точит камни. Да, именно отсюда пошло выражение «вода камень точит» ????. Дело в том, что камни также подвергаются влиянию приливов и отливов, а морские волны ударяются об них год за годом, так вода и «вытачивает» гладкие камушки, которые мы с вами можем найти на пляже.
Речная эрозия
Абразия
Далее поговорим о такой характеристике, как сжимаемость. Сжимаемость – это изменение объема веществом, когда оно подвергается изменению давления.
Из трех типов веществ только газы обладают активной сжимаемость, которая выше сжимаемости твердых тел и жидкостей в десятки тысяч раз. Обусловлено это тем, что межмолекулярные связи у жидкостей гораздо сильнее, чем у газов, молекулы жидкостей располагаются гораздо плотнее друг к другу и обладают связью сильнее, чем у газов. У твердых тел межмолекулярная связь еще сильнее, поэтому твердые тела обладают еще меньше сжимаемостью, обычно говорят, что твердые тела и жидкости являются несжимаемыми. Кстати, одной из самых несжимаемых жидкостей на Земле является вода, ее молекулы настолько плотно располагаются друг с другом, что ее практически невозможно сжать.
Именно из-за несжимаемости жидкости существует такое явление, как гидравлический удар. Гидроудар возникает из-за быстрого изменения скорости потока жидкости, что влечет собой резкий и сильный скачок давления. С помощью гидроудара можно даже выбить рукой дно у стеклянной бутылки (не проверяйте это самостоятельно, это не эксперимент!). Происходит это из-за того, что после удара по горлышку бутылку с большой скоростью устремилась вниз, в то время как вода осталась на месте. Из-за этого между водой и бутылкой образовалась зона ничем не заполненная, где давление понижено. После этого вода начала также с большой скоростью устремляться вниз, где она встретилась со дном бутылки. Так как вода несжимаема, она снесла дно бутылки, а не «отпружинила» от него.
Опыт. Разница объемов воды и льда
Как думаете, если литр воды поместить в морозильник и подождать, когда вода станет льдом. Как изменится объем льда?
Как это можно объяснить?
Ответ: Молекулы воды не связаны друг с другом, но очень плотно прилегают одна к другой. Лед же состоит из кристаллической решетки. И при образовании кристаллической решетки в лед попадает воздух, поэтому, мы получаем в сумме больший объем.
Подсказка
Свернуть
Тепловое расширение. Примеры из жизни.
Мы уже поняли, что частицы движутся непрерывно и хаотично. И чем выше температура, тем быстрее будет их движение. Но при увеличении скорости движения частиц увеличивается и расстояние между ними, что и приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением.
Ещё одним интересным фактом про воду является то, что вода начинает расширяться начиная с температуры 4 С. От нуля до 4 С вода уменьшается в объеме. Таким образом, у воды максимальная плотность при температуре 4 С. Соленая вода имеет максимальную плотность при температуре 3 С.

Это приводит к тому, что в холодное время года в водоемах, морях и океанах вода равномерно нагревается до температуры 3-4 С. Далее уже вода начинает расширяться и наблюдаются определенные слои температур.
В жизни тепловое расширение встречается довольно часто. Каждый раз, когда вы наливаете горячий чай в стакан, он подвергается тепловому расширению. Именно поэтому посуда комнатной температуры может лопнуть, когда в нее налили кипяток. Это объясняется тем, что, при неравномерном нагревании тел, они подвергаются напряжениям, вызванным резким увеличением амплитуд движения атомов. Именно из-за этого посуда может лопнуть из-за кипятка, так как ее внутренняя часть прогреется и начнет расширяться раньше внешней, тем самым растягивая внешнюю поверхность посуды. Если бы в таком случае нагревание происходило равномерно, то и тело расширялось бы по всей поверхности не теряя формы.
Тепловое расширение является очень важным фактором в инженерном деле. Если лопающийся стакан не такая большая проблема, то вот обвал моста или разрыв сети электроснабжения – это уже серьезный вопрос. Дело в том, что напряжение, появляющееся в твердых телах, может быть очень большим, что может привести к разрушению даже массивных металлических конструкций. Если вы когда-нибудь обратите внимание на сети электроснабжения, то заметите, что они слегка провисают. Их вешают именно таким образом, чтоб провод мог свободно сжиматься зимой, так как после теплого времени года проходит эффект теплового расширения. Если бы провод вешали летом и максимально натянули его, то зимой или просто холодной ночью он просто порвался бы.
То же самое касается и такой тяжелой инженерной конструкции как мост. При строительстве мостов и иных навесных тяжелых конструкции часто используются металлические заклепки. Если такая конструкция будет построена и туго склепана в теплое время года или жарким днем без учета теплового расширения, то с наступлением зимы или ночью в заклепках могут возникнуть напряжения, которые приведут к их разрушению и краху конструкции. И такие случаи происходят в наши дни, например, в июле 2018 года в городе Сиракьюс (США) произошел обвал железнодорожного моста. Причиной обвала инженеры назвали тепловое расширение бетона и стали, вызванное самым жарким за 107 лет июлем в городе. В ходе этого происшествия обвалились две бетонные плиты, каждая из которых была 14 метров в длину и 2 метра в высоту, а также каждая весила около 30 тонн.
Отсюда наглядно видно, что тепловое расширение может разрушительно влиять не только на маленькие предметы, но и на огромные конструкции. Еще одним интересным фактом, демонстрирующим масштабы теплового расширения, можно указать провисание моста Веррацано-Нарроус. Этот мост находится в США и является одним из крупнейших висячих мостов в мире, длина центрального висячего пролета моста составляет 1298 метров, а общая длина – 4176 метров. Из-за теплового расширения, которое влияет на удерживающие висячий мост тросы, высота расположенного на мосту шоссе становится на 3,66 метра ниже летом, чем зимой.
Обвалившиеся в Сиракьюсе плиты
Особая проблема температурного расширения метала ощущается на железнодорожных путях. Но вместо устройства стыков примерно через 25 м применяют в местах соединений рельсов длиной 1000 и более метров конструктивное решение - температурный компенсатор.
Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом.
Мост Веррацано-Нарроус
Температура. Термометр.
Мы уже много говорили о температуре и о единицах измерения. Мы прекрасно понимаем, что температура характеризует степень нагретости тела. И чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Как мы узнали, это влияет ещё и на размеры тел.

Скорость молекул непосредственно связана с внутренней энергией всего тела. Получается, чем выше температура, тем больше внутренняя энергия. И наоборот, если температура невысока, то и частицы двигаются медленно, что соответствует низкой энергии.

Температура характеризует внутреннюю энергию тел.
А как измеряется температура?

Устройство и действие самого простого термометра было основано на тепловом расширении вещества. Термометр представлял собой стеклянный баллончик, соединенный с тонкой трубкой (капилляром). Баллончик заполнялся ртутью или подкрашенным спиртом. Конечно, контрольными точками брались температура кипения воды и таяния льда. Но точность такого термометра не очень хороша. Особенно если использовать воду. Нам хорошо знакомы медицинские более точные термометры, которые являются либо ртутными, либо электронными.
Проект. Термометр своими руками.
Посмотрите видео и статью о том, как можно сделать термометр своими руками. Используйте интернет и свою фантазию и придумайте самый надежный термометр. Все необходимое оборудование у вас есть.

Несколько рекомендаций от нас. Жидкости расширяются нелинейно при большой разнице температур. Если вы возьмете две точки, 0 С и 100 С, то точность у вашего термометра будет невысока. Мы же предлагаем вам сделать домашний, но точный термометр.

Вы можете взять за первую контрольную точку температуру в вашем помещении. А второй точкой температуру, которую можно измерить медицинским термометром, например 35 градусов. Контрольные точки можете брать любые свои, главное, чтобы вы были уверены в точности температуры, а разница температур была не очень велика.
Статья
Плавление, парообразование. Перегрев и переохлаждение воды
Давайте рассмотрим различные переходы между агрегатными состояниями вещества:
Как вы все знаете, вода может находиться в зависимости от температуры в разных состояниях. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества. Агрегатное состояние бывает: жидкость, газ, твердое тело.
Самое простое явление, которое вы всегда наблюдаете в жизни – плавление. Допустим, купили вы мороженое в магазине, а по приходу домой оно растаяло. Это и есть переход из твердого состояния в жидкое
Опыт с мгновенной заморозкой
Возьмем бутылку очищенной питьевой воды (подойдет бутилированная вода из магазина). Оставим бутылку при комнатной температуре на 4 часа, чтобы вода также нагрелась до комнатной температуры. Далее, положим бутылку с водой в холодильник при температуре -18 градусов. Спустя полтора часа аккуратно и не растрясывая достанем бутылку, после чего ударим по ней, после чего вода тут же начнет кристаллизоваться и становиться льдом, пока полностью не замерзнет.
Парообразование. Испарение.
Мы уже говорили, что переход жидкости из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. А переход из газообразного в жидко состояние – конденсацией.
Существует два способа парообразования: испарение и кипение.
Вспомним, что все частицы веществ находятся в постоянном непрерывном тепловом движении. Модуль и направление скоростей молекул (частиц) постоянно меняются. Соответственно, постоянно меняется кинетическая энергия молекул, то есть энергия движения.
Задумывались ли вы: почему сохнет мокрая одежда или почему высыхают лужи на улице.
Думаю, вы и так знаете, что жидкости с открытыми поверхностями испаряются. Но почему и как это происходит?
Рассмотрим испарение жидкости.
Но также часть молекул может возвращаться обратно в жидкость, то есть пар над жидкостью снова становится жидкостью. Такой процесс называется конденсацией.
Давайте подробнее поговорим про испарение.
Молекулы постоянно взаимодействуют друг с другом и их связывает определенная энергия взаимодействия. Но могут найтись молекулы, кинетическая энергия которых больше, чем энергия взаимодействия, что произойдет в таком случае? В таком случае молекула может вырваться с поверхности жидкости. Таких молекул может быть много, тогда над жидкостью образуется пар.
Такой процесс называется испарением.
В большинстве случаев оба процесса происходят одновременно, если молекулы вылетают активнее, жидкость испаряется. В обратном случае пар конденсируется.
1. Ежедневно с поверхности Земли испаряется 511 тыс. км воды. Из них 411 тыс. испаряются с поверхности океанов.
Вспомните, когда вы выходите из ванной или бассейна вам всегда холодно. Почему? На вашем теле содержаться капельки воды, которые испаряются постоянно. Если, например, на берегу моря сильный ветер, вам становится гораздо холоднее.
4. Роса.
Конденсация жидкости при смене дня на ночь и понижении температуры.
Мы помним, что для плавления льда, то есть для процесса кристаллизации необходима значительная энергия. Также и для процесса парообразования нужна энергия. А при конденсации пара выделяется энергия.
Почему больному на голову кладут мокрое холодное полотенце? Это способствует более быстрому испарению, что приводит к понижению температуры больного. По этой же причине животные высовывают язык, когда им жарко. Таким образом они ускоряют испарение и понижают собственную температуру.
2. Сушка для рук и фен.
Благодаря высокой температуре и ветру вода быстрее испаряется.
3. Запотевание окон
Пример конденсации жидкости.
5. Выпаривание. Применение в утюге или выпрямителях.
6. Баня
Расслабляет мышцы и нервную систему человека.
7. Хлеб должен содержаться в пакете либо в хлебнице, чтобы влага из него не испарялась и хлеб не засыхал раньше времени.
8. Готовка.
Во время готовки важно регулировать содержание влаги в продуктах.
Это связано с тем, что для испарения жидкости нужна энергия. Вода испаряется с поверхности вашего тела, тем самым забирая часть вашей энергии на парообразование. Если есть ветер, испарение становится более интенсивным и вам холоднее.
Кипение
Нам прекрасно знакомо кипение воды. Давайте опишем этот процесс подробнее. В самом начале процесса, когда температура далеко не 100 С на дне сосуда начинают появляться маленькие пузырьки. Далее с ростом температуры пузырьки становятся всё больше, а также растет их кол-во. Если давление внутри пузырька больше, чем давление над жидкостью, то он поднимается вверх и ломается. Пар выходит наружу. При температуре близкой к 100 С кол-во пузырьков уже очень велико, и они появляются практически по всему объему жидкости. Далее при достижении температуры 100 С вода кипит. Пузырьки выделяются интенсивно и по всему объему.
Мы разобрались, что такое и как происходит процесс испарения. Но же такое кипение? Что будет, если при испарении жидкости непрерывно сообщать ей тепло?
При кипении температура жидкости не меняется и, ещё раз, кипение происходи при определенной температуре.
Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Температура, при которой жидкость кипит, называется температурой кипения. Для каждой жидкости температура кипения своя.
Но тепло продолжает подводится к кипящей воде. На что оно расходуется? Правильно, на процесс парообразования.
На самом деле температура кипения зависит от внешнего давления. Давление насыщенного пара жидкости должно быть равно вешнему давлению.
Таким образом, если уменьшить внешнее давление, мы сможем понизить температуру кипения. Если повысить внешнее давление, конечно, температура кипения увеличится. Например, в горах вода кипит при 90 С. А в скороварках используется добавочное давление, вследствие чего вода кипит при 120 С, а еда готовится гораздо быстрее.
Кипение воды при температуре ниже 100 С
Возьмите шприц, который мы вам отправили. Налейте туда горячей воды. Зажмите одни конец шприца, а с другой стороны потяните ручку так, чтобы давление в шприце уменьшилось. Если вы потяните достаточно сильно и сможете сдвинуть поршень шприца, то вы увидите, как вода в шприце закипит, хотя до этого она и близко не кипела.
Мгновенно закипающая вода (опыт только в сопровождении родителей!)
Нам понадобиться стакан, наполненный водой из крана (не используйте питьевую воду, она пагубно влияет на микроволновые печи!), а также какой-то длинный предмет для погружения в воду (например, карандаш). Поставим стакан с водой в микроволновку. Воду необходимо довести практически до кипения, поэтому включим микроволновку и остановим при появлении малейших пузырей воздуха. Затем, предварительно надев кухонные перчатки, достаем стакан и аккуратно помещаем в него карандаш, чтобы не обжечь руки. Мы видим, что вода тут же начинает обильно кипеть при контакте с карандашом.