Как изменить объем жидкости

Температурное расширение жидкости

Температурное
расширение жидкости
состоит
в том, что она может изменять свой объем
при изменении температуры. Это свойство
характеризуется температурным
коэффициентом объемного расширения,
представляющим относительное изменение
объема жидкости при изменении температуры
на единицу (на 1^оC)
и при постоянном давлении:

По аналогии со
свойством сжимаемости жидкости можно
записать

или
через плотность

Изменение объёма
при изменении температуры происходит
за счёт изменения плотности.

Для большинства
жидкостей коэффициент _t
с увеличением давления уменьшается.
Коэффициент _t
с уменьшением плотности нефтепродуктов
от 920
до 700 кг/м³
увеличивается от 0,0006
до 0,0008;
для рабочих жидкостей гидросистем _t
обычно
принимают не зависящим от температуры.
Для этих жидкостей увеличение давления
от атмосферного до 60
МПа приводит
к росту _t
примерно на 10
– 20 %. При
этом, чем выше температура рабочей
жидкости, тем больше увеличение _t.
Для воды с увеличением давления при
температуре до 50
^оC
_t
растёт, а при температуре выше 50
^оC
уменьшается.

Растворение газов

Растворение газов
— способность
жидкости поглощать (растворять) газы,
находящиеся в соприкосновении с ней.
Все жидкости в той или иной степени
поглощают и растворяют газы. Это свойство
характеризуется коэффициентом
растворимости
k_р.

Если
в закрытом сосуде жидкость находится
в контакте с газом при давленииP₁,
то газ начнёт растворяться в жидкости.
Через какое-то время

произойдёт насыщение
жидкости газом и давление в сосуде
изменится. Коэффициент растворимости
связывает изменение давления в сосуде
с объёмом растворённого газа и объёмом
жидкости следующим соотношением

где
V_Г
– объём растворённого газа при нормальных
условиях,

V_ж
– объём жидкости,

P₁
и P₂
– начальное и конечное давление газа.

Коэффициент
растворимости зависит от типа жидкости,
газа и температуры.

При температуре
20 ºС и
атмосферном давлении в воде содержится
около 1,6%
растворенного воздуха по объему (k_p
= 0,016). С
увеличением температуры от 0
до 30 ºС
коэффициент растворимости воздуха в
воде уменьшается. Коэффициент растворимости
воздуха в маслах при температуре 20
ºС равен
примерно 0,08
– 0,1.
Кислород отличается более высокой
растворимостью, чем воздух, поэтому
содержание кислорода в воздухе,
растворенном в жидкости, примерно на
50%
выше, чем в атмосферном. При уменьшении
давления газ из жидкости выделяется.
Процесс выделения газа протекает
интенсивнее, чем растворение.

Кипение

Кипение
– способность жидкости переходить в
газообразное состояние. Иначе это
свойство жидкостей называютиспаряемостью.

Жидкость можно
довести до кипения повышением температуры
до значений, больших температуры кипения
при данном давлении, или понижением
давления до значений, меньших давления
насыщенных паров p_нп

жидкости
при данной температуре. Образование
пузырьков при понижении давления до
давления насыщенных паров называется
холодным кипением.

Жидкость, из которой
удален растворенный в ней газ, называется
дегазированной. В такой жидкости, кипение
не возникает и при температуре, большей
температуры кипения при данном давлении.

Соседние файлы в папке лекции ОГИТ

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Источник

Расширение воды при замерзании

Наступает зима, а вместе с ней традиционно приходят аварии на водоопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текущей воды. При этом, как известно, происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы (для справки: плотность льда – 917 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 , то есть объем увеличивается в 1.1 раза, что довольно существенно). Аналогичное явление происходит, если на зиму оставить воду в емкостях с водой (например, на даче).

Для изучения данного явления в домашних условиях используем обычную консервную банку. В данной банке изначально было концентрированное молоко, которое было вылито через два аккуратно пробитых отверстия. Затем в банку заливается вода – так, чтобы внутри не осталось воздуха. Проще всего это сделать, погрузив ее в кастрюлю с водой. Когда из банки перестанет выходить воздух, она будет полностью заполнена водой.

После этого аккуратно запаиваем отверстия и помещаем нашу банку в морозильную камеру (зимой можно на улицу). Если подождать день-два, то станет хорошо заметно, как расширившаяся вода (лед) выдавила нижнюю крышку банки.

В качестве домашнего задания предлагаю следующие вопросы:

1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю? (хорошо видно на видео)

2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить? Если повторить такую процедуру несколько раз?

• 0lympian

  16 ноября 2010, 12:41

  Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой? О_о

Ничего не получится – это уже опыт по теплопроводности и теплоемкости

> 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

Подозреваю, что в результате того, что лед легче незамерзшей воды, первые кристаллы льда всплывают, комбинируясь друг с другом и в верхней части замерзание происходит быстрее.

Стоит отметить, что с другой стороны, есть конвекция, которая будет действовать ровно наоборот, поднимая более теплую воду наверх, и препятствуя там ледообразованию. Однако мне кажется, что при медленном равномерном промерзании этот эффект нивелируется.

Ну а далее уже готовый лед, сформировавшийся в верхней части еще до сильного расширения, в некоторой степени «держит форму», не позволяя сильно деформироваться крышке.

> 2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить?

Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

Ну а при последующих циклах, пожалуй, баночка помнется еще сильнее, пока не порвется

Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой?

Согласен. Идеальное запаивание тут не получается. Так, наляпывание припоя сверху, лишь бы вода не вытекала. Кстати, в месте пайки действительно образуется водяной пар при нагреве паяльником.

Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

Если бы баночка была абсолютно герметична – тогда да, вдавилась бы боковая стенка. А так все равно воздух проникает. Поэтому после разморозки получается, что сверху появляется воздух, во время заморозки дно выдавливается еще сильнее, и так далее, пока совсем его не вырвет.

P. S. Сегодня разморозил банку, и поставил на второе замораживание. Посмотрим, что из этого получится.

Сила Архимеда

Из кодификатора по физике, 2020.

«1.3.5. … если тело и жидкость покоятся в ИСО, то

Теория

Архимедова (выталкивающая) сила равна:

где – плотность жидкости (кг/м³), g — ускорение свободного падения (м/с²),

— объем погруженной части тела (м³).

— Объем жидкости , вытесненной телом, равен объему погруженной части тела в жидкость

— Если тело находится полностью в жидкости, то объем жидкости , вытесненной телом, равен объему тела

Задачи

Задача 1. Груз массой 3 кг, подвешенный на тонкой нити, целиком по-гружен в воду и не касается дна сосуда (рис. 1). Модуль силы натяжения нити 10 Н. Найдите объём груза (в литрах).

Решение. На груз в воде действуют сила тяжести (), архимедова сила (F_A) и сила натяжения нити (Т). Ось OY направим вверх (рис. 2). Запишем второй закон Ньютона:

где — плотность воды, которую находим из таблицы «Плотность» (см. «Справочные данные»). Тогда

Задача 2. Предмет из алюминия объемом 100 см³ подвесили к пружине и опустили в бензин. Определите силу натяжения пружины.

Решение. На тело в керосине действуют сила тяжести (), архимедова сила (F_A) и сила упругости (F_упр) пружины. Ось OY направим вверх (рис. 3). Запишем второй закон Ньютона:

где — объем тела, — масса тела,

=700 кг/м³ — плотность бензина, ρ = 2700 кг/м³ — плотность алюминия, которые находим из таблицы «Плотность» (см. «Справочные данные»). Тогда

Задача 3. Стальной шарик висит на нити, привязанной к штативу. Шарик целиком погружен в керосин (рис. 4). Затем стакан с керосином заменили на стакан с водой, и шарик оказался целиком в воде (рис. 5). Как изменились при этом сила натяжения нити и сила Архимеда, действующая на шарик?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличилась; 2) уменьшилась; 3) не изменилась.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Решение. На тело в жидкости действуют сила тяжести (), архимедова сила (F_A) и сила натяжения нити (T). Ось OY направим вверх (рис. 6). Запишем второй закон Ньютона:

Архимедова сила равна

где — объем тела. Тогда

Масса бруска m и его объем V не меняются, плотность жидкости ρ_ж увеличивается (ρ_1ж = 800 кг/м3 — плотность керосина, ρ_2ж = 1000 кг/м3 — плотность воды, которые находим из таблицы «Плотность» (см. «Справочные данные»)).

Из уравнения (2) следует, что так как масса бруска m не меняется, а плотность жидкости ρ_ж увеличивается, то сила натяжения нити уменьшается. Это соответствует изменению № 2.

Из уравнения (1) следует, что так как масса бруска m и его объем V не меняются, а плотность жидкости ρ_ж увеличивается, то сила Архимеда так же увеличивается. Это соответствует изменению № 1.

Ответ: 21.

Задача 4. К динамометру подвесили тело. Показания динамометра в воздухе 12 Н, в воде — 7 Н. Определите плотность тела.

Решение. Показания динамометра — это значение силы упругости F_упр его пружины. На тело в воздухе действуют сила тяжести () и сила упругости (F_упр1) (рис. 7, а). На тело в воде действуют сила тяжести (), архимедова сила (F_A) и сила упругости (F_упр2) (рис. 7, б). Ось 0Y направим вверх. Запишем второй закон Ньютона для двух случаев:

где  — объем тела, ρ_ж = 1000 кг/м³ — плотность воды, которую находим из таблицы «Плотность» (см. «Справочные данные»), ρ — плотность тела. Тогда

Автор Сакович А.Л.