Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Тема 6. Жидкое состояние. Явления на границе раздела двух сред





Изложение вопросов, связанных с особенностями жидкого состояния и явлениями на границах раздела фаз, имеет смысл начать с рассмотрения сил, действующих между молекулами, и потенциальной энергии их взаимодействия. Такой подход позволяет создать у учащихся единое представление о возможных агрегатных состояниях вещества и условиях существования твердой, жидкой и газообразной фаз. Уместно отметить при этом, что полной теории жидкого состояния до сих пор не создано, указав причины, по которым это весьма затруднительно.

Рассматривая структурные особенности жидкой фазы, следует отметить наличие в ней ближнего порядка. Важно разобрать с учащимися наиболее распространенные модели теплового движения молекул в жидкостях (модель диффузии скачком и модель непрерывной диффузии).

Далее, опираясь на повседневный опыт аудитории и экспериментальные исследования, нужно остановиться на наиболее характерных чертах и особенностях жидкого состояния - текучести, наличии свободной поверхности, очень малой сжимаемости жидкостей и значительно меньшем, по сравнению с газами, коэффициенте объемного расширения. В связи с изменением свойств жидкости при изменении температуры для расширения кругозора учащихся целесообразно рассмотреть особенности в поведении воды. Это тем более важно, поскольку вода является одной из наиболее распространенных в природе жидкостей.

Наличие у жидкости свободной поверхности создает условия для возможности процессов испарения и конденсации. Следует обсудить с учащимися энергетические вопросы, связанные с этими процессами, ввести понятие скрытой теплоты испарения и обсудить условия, при которых процессы испарения и конденсации протекают наиболее интенсивно.

Анализируя процесс испарения жидкости в закрытом сосуде, следует рассмотреть динамическое равновесие между жидкостью и ее паром, ввести представление о насыщенном паре и его количественной характеристике - упругости насыщенного пара. Безусловно, совершенно необходимо обсудить вопрос о зависимости упругости насыщенного пара от температуры. Важно отметить, что с повышением температуры давление насыщенного пара возрастает в большей мере, нежели давление идеального газа, так как рост давления обусловлен не только повышением температуры, но и увеличением плотности пара, находящегося над жидкостью.

Особое внимание следует уделить рассмотрению процесса кипения. Прежде всего, нужно отметить, что в отличие от испарения, являющегося поверхностным процессом, протекающим при любой температуре, кипение является объемным процессом, происходящим для каждого вещества при строго определенной температуре.

Далее следует выяснить условия, необходимые для образования, роста и отрыва пузырьков в процессе кипения.

Один из путей возникновения пузырька может быть, например, таким: поскольку молекулы жидкости постоянно движутся, случайно может оказаться, что плотность в некоторой макроскопической области пространства понизится до плотности насыщенного пара при данной температуре. Вот вам и пузырек. Строгая теория на это предположение дает следующий ответ: да, такое событие произойти может, однако его вероятность столько мала, что закипание чайника таким способом можно прождать миллиарды лет. Второй путь - это возникновение пузырьков, всегда имеющихся в жидкости растворенных газов, и испарение воды в такие, изначально газовые пузырьки. Это в принципе возможно. Но гораздо более эффективный механизм рождения достаточно крупных пузырьков пара связан с наличием неоднородностей дна и стенок сосуда, в котором происходит кипение, или примесей в самой жидкости. Именно они обычно становятся центрами парообразования. И уже затем, если температура жидкости такова, что выполняется условие кипения для образовавшихся пузырьков, то они, разрастаясь в объеме, всплывают на поверхность и там лопаются.

Итак, предположим, что в жидкости возник пузырек. Обращаясь к учащимся, можно спросить их, что же нужно для того, чтобы возникший пузырек не лопнул? И далее следует сделать вывод, что для того чтобы этого не произошло, необходимо, чтобы давление насыщенного пара при данной температуре внутри пузырька было не меньше внешнего давления. При этом уместно уточнить, что давление на пузырек извне определяется тремя слагаемыми - внешним давлением Р над поверхностью жидкости, гидростатическим давлением столба жидкости и дополнительным давлением под искривленной поверхностью пузырька, обусловленным поверхностным натяжением (давление Лапласа). Таким образом, условие существования пузырька пара в жидкости записывается в виде:

.

Чаще мы имеем дело с кипением воды при нормальном атмосферном давлении. Тогда . Для того, чтобы гидростатическое давление могло конкурировать с давлением Р, столб воды должен составлять хотя бы несколько метров, чего обычно, конечно, не бывает. Давление, связанное с поверхностным натяжением, существенно тогда, когда , что много меньше размеров пузырьков, которые обычно возникают при кипении воды. Так что для кипения воды в обычных условиях достаточно выполнения условия:

.

Следует обратить внимание учащихся на то, что при кипении вся передаваемая системе энергия расходуется в ходе процесса, температура же кипящей жидкости остается постоянной. Последнее объясняется тем, что при самом незначительном повышении температуры увеличивается испарение жидкости в пузырьки. При этом резко увеличивается образование и отрыв пузырьков, что в свою очередь вызывает понижение температуры до значения, соответствующего температуре насыщенного пара, при которой его давление равно внешнему давлению (фактически несколько больше - на величину гидростатического и лапласовского давления).

Естественно далее отметить, что температура кипения жидкости (точка кипения) зависит от внешнего давления, в связи с этим имеет смысл рассмотреть кривую равновесия жидкости и пара.

Анализируя изменение плотности жидкости и пара с повышением температуры, следует подвести учащихся к заключению, что при некоторой температуре плотности жидкости и пара должны сравняться. При этой температуре вещество переходит в критическое состояние.

Школьная программа по физике предполагает изучение темы "Влажность воздуха". Приступая к изучению этого раздела, нужно обратить внимание учащихся на то, что окружающий нас воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара и по этой причине называется влажным. О влажности воздуха принято судить по величине давления, производимого водяным паром, содержащимся в воздухе, или по его плотности. Далее следует ввести понятие абсолютной и относительной влажности, напомнив учащимся, что в состоянии насыщения давление и плотность насыщенного пара имеют наибольшее значение, и что относительную влажность принято выражать в процентах. Температура, при которой относительная влажность равна 100%, называется точкой росы.

Для решения конкретных задач по теме "Влажность воздуха" важно отметить следующие моменты:

  1. При изотермическом увеличении объема, занимаемого насыщенным паром, или при его изохорическом нагревании насыщенный пар переходит в ненасыщенный.
  2. При изотермическом сжатии ненасыщенного пара или при его изохорическом охлаждении ненасыщенный пар становится насыщенным.
  3. Ненасыщенный пар подчиняется всем законам идеальных газов.
  4. Параметры каждого состояния насыщенного пара связаны между собой уравнением Клапейрона-Менделеева.

Масса насыщенного пара в этом уравнении зависит от температуры и для двух различных состояний не может иметь одинакового значения. Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается поэтому более сложным законом, и для определения давления насыщенного пара при данной температуре, если не известна его плотность, или же, наоборот, для определения плотности пара, если не известно его давление, пользуются таблицами упругости насыщенного пара.

  1. Так как в двух различных состояниях насыщенный пар всегда имеет различную массу, то параметры этих состояний законам идеальных газов не подчиняются.
  2. Полезно напомнить учащимся закон Дальтона. Согласно этому закону давление воздуха, содержащего водяной пар, складывается из давления сухого воздуха (Р) и давления паров воды (РПВ). Поэтому давление атмосферы равно

  1. Отметим еще, что решение задач по данной теме практически ничем не отличается от решения задач по теме "Процессы в идеальном газе". При этом важно подчеркнуть, что если в условии задана температура насыщенного пара, то его давление или плотность могут быть определены по таблице. Приобретение навыков пользования таблицами представляется совершенно необходимым, поскольку при этом учащиеся непосредственно получают данные о зависимости давления и плотности насыщенного пара от температуры, во-первых, и, во-вторых, получают необходимые сведения о различных системах единиц.
  2. Порядок решения задач по теме можно рекомендовать следующий:
    а) установить число состояний, рассматриваемых в условии задачи, обратив особое внимание на то, дается ли чистый пар или смесь пара с сухим воздухом;
    б) для каждого состояния пара записать уравнение Клапейрона-Менделеева и формулу относительной влажности, если о ней есть данные в условии; составить уравнение Клапейрона-Менделеева для каждого состояния сухого воздуха (если дается смесь пара и воздуха);
    в) записать математически все дополнительные условия, связывающие величины, входящие в составленные ранее уравнения. Проверить число неизвестных в полученной системе уравнений и решить ее относительно искомой величины.

Наличие у жидкости свободной поверхности обусловливает действие сил поверхностного натяжения, направленных перпендикулярно контуру, ограничивающему эту поверхность. Чтобы объяснить учащимся механизм возникновения этих сил, прежде всего, следует рассмотреть особенности сил, действующих на молекулы поверхностного слоя и показать, что вследствие действия этих сил молекулы поверхностного слоя по сравнению с молекулами внутри жидкости обладают избыточной потенциальной энергией. Поэтому вещество, находящееся в жидкой фазе, стремясь к минимуму энергии, стремится сохранить свою поверхность.

Далее нужно ввести количественную характеристику сил поверхностного натяжения (коэффициент поверхностного натяжения) и проанализировать зависимость этой величины от температуры и присутствия поверхностно-активных веществ.

Очень убедительно действие сил поверхностного натяжения проявляется в экспериментах на мыльных пленках и наглядном опыте Плато. Полезно попросить и учащихся привести примеры действия сил поверхностного натяжения в быту и природе. Представляет интерес рассмотреть и энергетический подход для определения коэффициента поверхностного натяжения. Сделать это можно, рассматривая процесс образования шейки при возникновении капель, вытекающих из трубочки под действием силы тяжести. При таком подходе коэффициент поверхностного натяжения определяется работой, которую нужно совершить при изотермическом увеличении поверхностного слоя жидкости на единицу площади.

Форма поверхности жидкости, налитой в сосуд, определяется силами взаимодействия между молекулами самой жидкости и молекулами жидкости с молекулами твердого тела (стенками сосуда), а также действием силы тяжести. Наблюдения показывают, что у стенок сосуда поверхность жидкости, как правило, искривлена. Далее нужно ввести понятие мениска и краевого угла.

Действие сил поверхностного натяжения по контуру мениска приводит к существованию давления Лапласа. Учащимся следует поручить самостоятельно вывести формулу, определяющую давление Лапласа в случае симметричного выпуклого и вогнутого мениска, предварительно наметив путь решения этой задачи.

Получив формулу для давления Лапласа, можно перейти к рассмотрению капиллярных явлений и получению формулы, определяющей высоту изменения уровня жидкости в капиллярной трубочке (формула Жюрена), которая наиболее часто используется при решении задач.

Представляет интерес рассмотреть явления смачивания и несмачивания. При анализе этих явлений самое важное - объяснить учащимся, что эти явления обусловлены соотношением сил взаимодействия между молекулами самой жидкости и молекулами той среды, с которой она граничит. На практике обычно реализуется промежуточный случай - частичное смачивание.

И, наконец, в заключение, отмечая текучесть как характерное свойство жидкого состояния, с целью расширения кругозора учащихся имеет смысл рассказать о сверхтекучести гелия.

Задачи по теме "Поверхностное натяжение в жидкости" можно разделить на три типа.

  1. К первому типу относятся задачи непосредственно на вычисление коэффициента поверхностного натяжения, давления Лапласа или высоты поднятия жидкости в капиллярной трубочке. Эти простые задачи решаются с использованием соответствующих формул. Можно только заметить, что входящие в выражение для определения давления Лапласа радиусы кривизны двух сечений мениска обычно выражаются через радиус капиллярной трубочки. Эта связь устанавливается весьма просто при обычно заданных в условии задачи значениях краевого угла.
  2. К задачам второго типа следует отнести задачи, в которых определяющим является уравнение процесса, в ходе которого происходит изменение геометрических параметров, например, диаметра газового пузырька, находящегося в жидкости, что сопровождается изменением высоты водяного столба и давления Лапласа. Чаще всего считается, что изменение геометрических параметров происходит в условиях изотермического процесса, поэтому при решении задач второго типа пользуются уравнением именно этого процесса, решая которое и находят искомую величину.
  3. И, наконец, к задачам третьего типа относятся задачи, при решении которых используется формула Жюрена, определяющая высоту поднятия жидкости в капиллярной трубочке. По сути дела, задачи этого типа представляют собой частный случай задач статики. В этом случае основное уравнение, определяющее равновесие столба жидкости с учетом всех действующих на него сил, принято записывать в единицах давления. Решение этого уравнения позволяет найти искомую величину. Заметим, что входящие в уравнения значения коэффициента поверхностного натяжения и плотности жидкости определяются по таблице при заданных условиях.

 







ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.