Погружение в физику
Занятие 3.
История про Менделеева
Дмитрий Иванович Менделеев родился 27 января 1834 года в Тобольске, Российская империя. С самого рождения жизнь великого ученого была очень необычной, ведь родился он в семье с 17, считая его самого, детьми и был самым младшим.
Дмитрию Ивановичу мама с детства прививала любовь к природе, благодаря чему у него возник интерес к науке. После окончания гимназии, молодой сибирский школьник Менделеев поступил в Главный педагогический институт в Санкт-Петербурге, где и начался его блестящий путь к большой науке.
Многие также связывают имя Менделеева сугубо с химией, однако, только лишь около 10% всех работ ученого были посвящены химии. Дмитрий Иванович преуспел также и в физике, метрологии, экономике, геологии, метеорологи, нефтяном деле и других областях (но главный и самый значимый труд ученого – периодический закон - все же был посвящён химии). Таким образом, Менделеев был поистине уникальным человеком, который вел исследования во множестве научных сфер, которые далеко не всегда пересекались межу собой.
За свои труды и огромный вклад в науку Дмитрий Иванович был удостоен множества высоких наград и премии, его работы были признаны во всем мире, и он носил почетный ордена многих европейских стран. Однако самая главная награда Дмитрия Ивановича – это его след в истории, ведь его фундаментальные открытия лежат в основе сегодняшней науки, а каждый школьник знает его фамилию и что знаменитую таблицу открыл именно он.
Одним из главных достижений ученого является открытие периодический системы химических элементов. Этот великий труд позволил в образе таблицы выразить периодический закон Менделеева, который является фундаментальным законом природы и устанавливает зависимость свойств химических элементов от их атомной массы. Ходит легенда, что Дмитрий Иванович увидел эту таблицу во сне, а проснувшись, чтобы не забыть, тут же записал ее на листке и таким образом родилось это великое открытие. Конечно, эта легенда придает интереса и романтики к деятельности Менделеева, но он сам ее опроверг. Дело в том, что эта таблица, как и все другие значимые научные открытия, результат тяжелой и требующей время работы. Так, когда Дмитрий Иванович еще при жизни услышал эту легенду, он сам на нее ответил: «Я над ней (таблицей), может быть, двадцать лет думал, а вы думаете: сидел и вдруг… готово».
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.
Волны на поверхности воды
Жидкости всегда стремятся к равновесию, именно это стремление и порождает волны, которые мы можем наблюдать на поверхности лужи, озера или океана. Если нарушается равновесие какого-либо участка жидкости, то сила поверхностного натяжения и сила тяжести стремятся возобновить равновесия, образуя при этом волны. Все мы встречали волны в своей жизни, создать волну в домашних условиях очень легко – просто наберите в сосуд воды и бросьте в него маленький шарик. Вы можете заметить, что волны не ограничиваются одним циклом. Однако такие волны очень маленькие и не могут продемонстрировать, насколько разрушительными может быть их влияние в природе. Наверняка вы хоть раз слышали о таком явлении, как цунами. Это также стремление воды к равновесию, однако, нарушается это равновесие не брошенным в сосуд шариком, а подводным землетрясением в океане или другом крупном водоеме. Дело в том, что из-за подводных землетрясений происходит резкое смещение морского дна, из-за чего колоссальные объемы воды выходят из равновесия и действие сил, стремящихся вернуть эти объемы воды в спокойное состояние, становится просто огромным. Помимо этого, при подходе волны к берегу она попадает на мелководье, где волны замедлятся, а ее высота увеличивается. В ходе цунами могут порождаться волны высотой до 60 метров, просто представьте – это высота 20-этажного дома. При этом волны от цунами движутся со скоростью 100-300 км/ч. Из-за высокой скорости движения, огромных размеров и большой массы эти волны имеют разрушительную силу, из-за чего c легкостью могут разрушать дома и города. Например, из-за сильнейшего цунами в Японии в 2011 году был практически полностью смыт город Рикудзентаката, где было затоплено около 5 тысяч домов.
Рикудзентаката после цунами
Поверхностное натяжение
Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой.
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.
С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:
капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);

струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;

булавка не тонет на поверхности воды в стакане;

многие насекомые могут скользить по поверхности воды
На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.
Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность.
Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной энергией, и тем больше поверхностная энергия.
Опыты
1. Тонет ли иголка и скрепка в воде?
2. Как нарушить поверхностное натяжение?
3. Дистанционный кораблик из бумаги своими руками
4. Сколько монет влезет в стакан?
5. Сколько капель поместится на монетку?
6. Перевернутый стакан с водой. Почему вода не выливается?
Смачивание и несмачивание
Смачивание – это физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. Существует ограниченное смачивание, полное смачивание и несмачивание. Смачивание показывает, насколько сильно молекулы воды притягиваются к молекулам твердого тела, либо же они притягиваются друг другу. Так, если капнуть ртуть на стекло, то капля будет в форме шарика и при наклоне этого стекла она будет кататься по нему в разные стороны, не оставляя никаких следов. Если же капнуть воду на стекло, то капелька будет растекаться, а при наклоне стекла – стекать по нему, оставляя за собой след. Это показывает, что при контакте поверхности ртути и стекла мы видим несмачивание, которое говорит нам о том, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее чем к молекулам стекла. А в случае с водой мы видимо ограниченное смачивание, а если капнуть воду на салфетку – мы увидим полное смачивание, характеризующееся проникновением.
В природе мы часто имеем дело со смачиваемостью. Например, утки могут плавать по воде часами, даже нырять, но при этом выйти из водоема абсолютно сухими. Все дело в том, что их перья покрыты жиром, который у них выделяется специальной железой. Жир и вода не смачиваются, из-за чего утки не промокают и спокойно держатся на воде. По такому же принципу водомерки спокойно бегают по воде, как по суше. Их лапки обрастают особыми щетинками, которые вырабатывают специальную смазку, несмачиваемую водой, из-за чего их конечности не намокают и водомерки не тонут, а слегка продавливают водную гладь и бегают по ней. В жизни мы также постоянно сталкиваемся со смачиванием. Самый простой пример – стирка, где необходимо хорошее смачивание. В то же время для изготовления водостойкой одежды, зонтов и дождевиков используются несмачивающиеся материалы, такие как полиэстер и нейлон. Также смачивание и несмачивание учитывается при строительстве, покраске, гидроизоляции и во многих других случаях.
Капли ртути на стекле
Водомерка на воде
Капли воды на зонте