6.Фазовые переходы (5). Ок учебника Тема 46 ок46 70 Испарение и конденсация Насыщенный пар Свойства насыщенного пара Тема 47 ок47
 Скачать 2.09 Mb.
|
|
кг м 𝟑 т.е. плотность водяного пара приданной температуре. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 13 Относительная влажность По парциальному давлению водяного пара еще нельзя судить о том, насколько водяной пар далек от насыщения. Поэтому вводят величину, показывающую насколько водяной пар далек от насыщения -относительную влажность. Относительной влажностью воздуха называется величина, равная отношению парциального давления Р водяного пара, приданной температуре, к давлению Рн насыщенного пара при той же температуре, выраженному в %. 𝝋 = 𝑷 н Если 𝑃 то 𝑃 = 𝜌 𝑅𝑇 𝑀 ; 𝑃 Н = 𝜌 н 𝑅𝑇 𝑀 → 𝜑 н 100% 𝝋 н те. относительная влажность это отношение плотности водяного пара приданной температуре к плотности насыщенного пара при той же температуре. Точка росы Охлаждение пара при постоянном давление рано или поздно превратит его в насыщенный. Температуру, при которой водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы. При охлаждении воздуха до точки росы начинается конденсация паров появляется туман, роса. Точка росы характеризует влажность воздуха, т.к. она позволяет определить парциальное давление и относительную влажность. Если точка росы р известна, тотем самым известно парциальное давление (см.график P 1 ). Его можно найти с помощью таблицы. Давление насыщенного пара (см.график Ро)соответствующее температуре t 1 , можно определить по таблице. Например 𝜑 = 1,22 ∗ 10 Па ∗ 10 Па 100% = 40% воздуха = 25 С P 0 =3,17*10 3 Па (по табл) росы = 10 С P 1 = 1,22*10 3 Па (по табл) Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 14 Приборы для определения влажности воздуха. а.волосной гигрометр. Основная часть прибора - обезжиренный человеческий волос (В, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос (В) навит на ролик (Р) и держится в натянутом состоянии грузиком М. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик вращается и движет стрелку (С. б.гигрометр Ламбрехта. Основной частью является металлический сосуд в форме цилиндра, ось которого занимает горизонтальное положение. Одна сторона цилиндра сделано снаружи блестящей. Внутрь цилиндра входит трубка, которая присоединяется к какому-либо воздухонадувному устройству, например, к резиновой груше. Внутрь цилиндра наливают эфир. Продувая через эфир воздух, ускоряют процесс испарения. Испаряясь, эфир охлаждается и охлаждает цилиндр. Когда температура цилиндра становится равной температуре точки росы, его поверхность "запотевает" Для измерения температуры внутрь цилиндра вставляют термометр. в.психрометр (от греческого "психриа"-холод) Психрометр состоит из двух термометров, шарик одного из них обмотан тканью, нижний концы которой опущены в сосуд с дистиллированной водой. Сухой термометр регистрирует температуру воздуха, а влажный температуру испаряющейся воды. Чем суше воздух (т.е.меньше относительная влажность, тем интенсивнее испаряется вода. Разность показаний сухого и влажного термометров зависит от относительной влажности воздуха. Зная эту разность определяют относительную влажность по психрометрической таблице. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 15 Значение влажности а.для хорошего самочувствия и здоровья необходимо, чтобы относительная влажность была в пределах от 40 до 60%. Однако в наших домах и школах в зимние месяцы относительная влажность часто не превышает 10 или 20%. Такие условия вызывают быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что приводит к простудными другим заболеваниям. Поэтому в зимнее время необходимо увлажнять воздух в жилых помещениях с помощью специальных приспособлений (например, с помощью пористых увлажнителей. б.большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. Хотя количество водяного пара в атмосфере невелико, роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков. При этом выделяется большое количество теплоты. Испарение воды сопровождается, наоборот, поглощением теплоты. в.в ткацком, кондитерском и других производствах для нормального течения процесса необходима определенная влажность. г.хранение произведений искусства и книг требует поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. Поэтому на стенах в этих помещениях можно увидеть психрометры. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 16 Дополнительный материал Поверхность жидкости Поверхностный слой Сила поверхностного натяжения Работа силы поверхностного натяжения Собственная форма жидкости Смачивание Значение смачивание Капиллярные явления Учет смачивания в природе и технике Поверхность жидкости Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Дох годов нашего столетия считалось, что жидкости по своей структуре подобны газами отличаются от них лишь меньшими расстояниями между частицами и большими силами взаимодействия. Наиболее характерным свойством жидкого состояния является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и ее пар. Поверхностный слой представляет собой переход от жидкости к пару. Он отличается особыми свойствами. Дети хорошо знают, что "куличики" можно построить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Не пристают друг к другу песчинки, целиком погруженные вводу. Когда вовремя купанья человек окунется с головой вводу, его волосы расходятся вводе вовсе стороны, но стоит высунуть голову из воды, как волосы тотчас лягут на голове слипшимися слоями. Поверхностный слой На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения к окружающим ее молекулам, удаленным от нее на расстояние порядка 10 нм. Рассмотрим молекулу M 1 , расположенную внутри М жидкости. Со всех сторон эту молекулу окружают такие же молекулы и силы притяжения уравновешиваются. Рассмотрим молекулу М, находящую на поверхности жидкости. Результирующая сила притяжения этой молекулы к молекулам пара меньше результирующей силы еѐ притяжения к молекулам жидкости. Благодаря этому появляется равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости, те. молекула стремится уйти внутрь жидкости. М Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 17 Поверхностный слой жидкости напоминает растянутую упругую пленку. Причиной такого свойства - является то, что молекулы в поверхностном слое жидкости обладают дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Если лезвие бритвы аккуратно положить на воду, то поверхностный слой прогнется, ноне потонет. А если вспомнить, как прыгают водомерки по поверхности воды. Стремление жидкости уменьшить свою свободную поверхность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах. 1. Прежде всего, об этом говорит шарообразная форма, которую принимают маленькие капли жидкости. а.капельки ртути на горизонтальной поверхности, б.капли воды на раскаленной плите, в.капли воды на пыльной дороге. Если на стеклянной трубке при разламывании образовался острый зубец, то его легко можно оплавить, те. сделать круглым, размягчив стекло на пламени. Сила поверхностного натяжения Свойство жидкости сокращаться, можно объяснить наличием сил, стремящихся сократить эту поверхность. Силы, действующие в горизонтальной плоскости, как бы стягивают поверхность жидкости. Эти силы действуют вдоль поверхности жидкости и стремятся сократить поверхность жидкости до минимума. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.Рассмотрим один из способов измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, изображенный на рис, то вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону АВ этой рамки вниз, то пленка 𝐹 растянется, а если подвижную сторону отпустить, А В то пленка сократится. А В Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет слой жидкости и имеет две свободные поверхности (рис.справа) Обозначим силу, действующую на подвижную сторону каркаса со стороны поверхностного слоя, через F. Тогда общая сила поверхностного натяжения обоих поверхностных слоев будет равна 2F. Еѐ можно уравновесить силой упругости F 1 пружины динамометра. 2𝐹 = −𝐹 1 → 𝐹 Если взять проволоку в два раза больше длины, то значение силы поверхностного натяжения окажется вдвое больше. Отношение н к длине есть величина постоянная. 2 𝑭 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 18 Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения. 𝝈 = 𝑭 нат. 𝒍 − Н м Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей и зависит от температуры. Обычно коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с возрастанием температуры и обращается в нуль при критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и ее насыщенным паром. Опыт показывает, что сила поверхностного натяжения, несмотря на увеличение поверхности, остается постоянной. Сила F нат. одна и та же при любом значении перемещения перекладины. Этим поверхность жидкости отличается от упругих, например, резиновых пленок, по мере растяжения которых увеличивается расстояние между молекулами вдоль поверхности и упругая сила возрастает. Поверхностный слой не обладает упругими свойствами. Работа, совершаемая силой поверхностного натяжения Вернемся к рисунку. Сила поверхностного натяжения, направленная вверх, равна 𝐹 = 𝜍 2 𝑙 (𝑙 − ширина рамки – берется потому, что силы поверхностного натяжения действуют с обеих сторон пленки. При сокращении пленки совершается работа ∆𝐴 = 𝐹∆ℎ, но 𝐹 = 𝜍2𝑙, тогда 𝐴 = 𝐹2𝑙∆ℎ, но 2𝑙∆ℎ = ∆𝑆 − изменение площади поверхностного натяжения следовательно 𝑨 = или 𝜍 = ∆𝐴 ∆𝑆 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 19 Собственная форма жидкости Почему жидкость принимает форму шара Рассмотрим движение жидкости под действием только силы тяжести. Все частицы жидкости движутся с одинаковым ускорением, а следовательно с одинаковой скоростью. Поэтому расстояния между частицами жидкости не меняются, и жидкость находится в недеформированном состоянии. Те, если на жидкость действует одна лишь сила тяжести, то она на форму жидкости не влияет. Действие же молекулярных сил приводит к сокращению поверхности, и свободнопадающая жидкость принимает форму шара. Такую форму жидкости наблюдали космонавты. Шаровая форма-это и есть собственная форма жидкости, которую она принимает под действием межмолекулярных сил. Почему жидкость всегда принимает форму сосуда На жидкость в сосуде, кроме силы тяжести действует сила реакции опоры. Каждый слой жидкости является опорой для вышележащего слоя, поэтому он действует с силой реакции на вышележащий слой, т.е.создает давление на него. Таким образом, внутри жидкости создается давление (гидростатическое, максимальное у нижнего слоя. По закону Паскаля давление в жидкости на данной высоте одинаково во всех точках, а значит, по всем направлениям. Почему жидкость на опоре растекается Силы гидростатического давления, действующие в горизонтальном направлении, приводят к ее растеканию. По этой причине жидкость на опоре не имеет сферической формы. Если капля маленькая, сила тяжести мала. Поэтому мала и сила реакции опоры, и гидростатическое давление в капле. Значит, малы и силы давления, вызывающие ее растекание. Поэтому капли росы, ртути, практически сферичны. Каков же минимальный радиус капли Потенциальная энергия капли равна 𝐸 1 = 𝑚𝑔ℎ = 𝜌𝑉𝑔𝑟, где V – объем шара, 𝛒 – плотность жидкости, h = r – высота центра тяжести капли над опорой. 𝑉 = 4 3 𝜋 𝑟 3 или Поверхностная энергия этой капли равна 𝐸 2 = 𝜍𝑆, 𝑆 = 4𝜋𝑟 2 , 𝐸 2 = Рассчитаем радиус капли, при котором вклад обоих видов энергии одинаков 𝐸 1 = 𝐸 2 , или 4 к 4𝜋𝜍𝑟 к 2 𝒓 к = 𝟑𝝈 𝝆𝒈 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 20 Мы видим, что к зависит от свойств самой жидкости и от ускорения свободного падения. Рассчитаем значение радиуса для капли воды, находящейся на опоре в земных условиях 𝑔 = мс = 7,3 ∗ 10 −2 Дж м 2 , 𝜌 = 10 3 кг м 3 𝒓 к = 𝟒, 𝟕 ∗ 𝟏𝟎 −𝟑 м ≈ 𝟓 мм Капли, у которых радиус меньше 5 мм, будут иметь форму, близкую к сферической, и тем точнее, чем радиус капли меньше. Капля, имеющая радиус равный 5 мм будет несколько сплющена, так как при этом вклад обоих видов энергии одинаков. Смачивание Рассмотрим ряд явлений в поверхностном слое жидкости на границе с твердым телом. Повседневный опыт убеждает, что капля воды растекается по чистой поверхности стола, ноне растекается на жирной поверхности, а имеет форму почти правильного шара. В первом случае говорят, что вода смачивает поверхность, а во втором - не смачивает. Смачивание - явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела. Форма поверхности зависит оттого, какие силы притяжения больше между молекулами жидкости и твердого тела или между молекулами самой жидкости. В первом случае жидкость смачивающая, во втором - жидкость не смачивает твердую поверхность. (Сплющенность капельки жидкости - результат действия сил тяжести и взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела. Мерой смачивания является угол между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости. Этот угол называют углом смачивания. Если 𝜃 - острый - смачивание, если 𝜃 - тупой – несмачивание, если 𝜃 = 0 0 - полное смачивание, если 𝜃 =180 0 полное несмачивание. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 21 Значение смачивания Явление смачивание и несмачивания имеет важное значение в быту и технике. Хорошее смачивание необходимо при крашении, стирке, обработке фотоматериалов. Если бы вода не смачивала поверхность нашего тела, был бы бесполезен душ, купание, а процесс умывания был бы возможен только в присутствии моющих средств. Склеивание деревянных, кожаных, резиновых и др. материалов. Со свойством смачивания связана пайка. Чтобы расплавленный припой хорошо растекался на поверхности металлических предметов и прилипал к ним, надо эти поверхности очистить от жира, пыли. 5. Оловянным припоем хорошо паять детали из меди, латуни и др. Но алюминий не смачивается этим припоем. Поэтому для пайки алюминиевых изделий применяют припой из алюминия и кремния. Капиллярные явления Искривленную поверхность жидкости вблизи границы ее соприкосновения с твердым телом называют мениском (от греческого слова "менискос"- полумесяц. Особенно хорошо наблюдается искривление мениска жидкости в тонких трубках, называемых капиллярами ("капилляр"-волос). Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках-капиллярах. Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. При этом, чем меньше радиус трубки, темна большую высоту она поднимается. В капиллярах изогнутую поверхность жидкости при полном несмачивании можно принять за полусферу, радиус которой r. Вдоль границы поверхностного слоя, имеющей форму окружности, на стенки трубки действует сила поверхностного натяжения направленная вниз. По III - закону Ньютона такая же сила по модулю действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх. Эта сила и заставляет жидкость подниматься. 𝐹 = 𝜍𝑙, 𝑙 = 2𝜋𝑟 ; 𝐹 = Поднятие жидкости прекращается, когда сила уравновеситься силой тяжести. 𝑚𝑔 = 𝜌𝑔𝑟 = 𝜌𝑔𝜋𝑟 2 2𝜍𝜋𝑟 = 𝜌𝑔ℎ𝜋𝑟 2 𝒉 = 𝟐𝝈 𝝆𝒈𝒓 Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 22 Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (напр.ртуть) опускается ниже уровня жидкости. Глубина опускания определяется той же формулой. Если поверхность жидкости неплоская, а искривленная, то силы поверхностного натяжения создают дополнительное давление на жидкость, которое прибавляется к давлению, с которым поверхностный слой действует на остальную массу жидкости. Добавочное давление, вызванное кривизной поверхности жидкости, определяется формулой Лапласа. ∆𝒑 = где R 1 и R 2 – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости (знак «+» - для выпуклого мениска, знак «-» для вогнутого мениска. А F F ∆P ∆P F F A / P P Суммарное давление в точках Аи А равно соответственно 𝑃 𝐴 = П+ ∆𝑃; 𝑃 𝐴 / = П где ∆P – лапласовское или капиллярное давление П – давление поверхностного слоя В том случае, когда R 1 = R 2 = R (сферическая поверхность) ∆𝑃 Для тонкостенной полой сферы (пузыря) ∆𝑃 = 2 2𝜍 𝑅 = 4𝜍 𝑅 т.к. полая сфера имеет две поверхности – внешнюю и внутреннюю. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 23 Значение капиллярности Тела, пронизанные большим числом тонких каналов, активно впитывают в себя воду и другие жидкости - только необходимо, чтобы жидкость смачивала поверхности этих тел. Проникновение влаги из почвы в растения, стебли и листья обусловлено капиллярностью. По капиллярам почвы поднимается вода из глубины слоев в поверхностный слой. Уменьшая диаметр почвенных капилляров путем уплотнения почвы можно усилить приток воды к поверхности почвы, и этим ускорить высушивание почвы. Наоборот, разрыхляя поверхность почвы и разрушая тем самым систему почвенных капилляров, можно задержать приток воды к зоне испарения и замедлить высушивание почвы. Процесс кровообращения также связан с капиллярностью. Кровеносные сосуды являются капиллярами. На явление капиллярности основано использование промокательной бумаги, полотенца. |