Свойства воды какая у нее текучесть
Свойства жидкостей
Подробности
Категория: Молекулярно-кинетическая теория
Опубликовано 05.11.2014 12:37
Просмотров: 13635
Жидкость — агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.
Самая распространённая жидкость на Земле — вода. Её твёрдое состояние — лёд, а газообразное — пар.
В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут. Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия. Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.
Текучесть
Основное физическое свойство жидкости — текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы. Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду. Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.
Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой. При этом они не сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации. Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.
Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.
Вязкость
Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.
Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга. Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение. Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.
Вязкость — важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.
Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах. Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании закона Пуазёйля, согласно которому проходящий в секунду объём жидкости (секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.
где Q — секундный расход жидкости, м3/с;
р1 — р2 = ∆р — перепад давлений на концах капилляра, Па;
R — радиус капилляра, м;
d — диаметр капилляра, м;
ƞ — коэффициент динамической вязкости, Па/с;
l — длина капилляра, м.
Объём
Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически. Давление, производимое на жидкость, заключённую в сосуд, передается в любую точку без изменений во всех направлениях. Так формулируется закон Паскаля. На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.
Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4о объём воды не увеличивается, а уменьшается.
Волны плотности
Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём. Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны. Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.
Поверхностное натяжение жидкости
Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.
Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность — это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром). Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены. Равнодействующая этих сил равна нулю.
А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.
Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.
Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.
Смешиваемость
Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью. Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание. Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.
Адгезия
Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.
Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается. Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое. Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio — прилипание).
Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда. Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола. Она не смачивает эту пластинку. Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.
А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.
Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания). А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов. А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.
Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности — лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др. Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой. Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.
Капиллярность
Ещё одна интересная особенность жидкости — капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.
Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик. Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.
Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки. Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага. По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага. Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.
Актуальность.В первую очередь стоит сказать, что жидкости — это то с чем мы постоянно сталкиваемся в процессе нашей повседневной жизни. Даже первое восприятие окружающего мира сводится к тому, что все вокруг состоит из твердых тел и жидкостей. Мы встречаемся с одними видами жидкостей, наблюдаем другие, но при этом каждого из нас иногда посещает мысль о том какими свойствами обладает та или иная жидкость. Самой распространенной и известной жидкостью на планете является вода, она нам всем известна, но в то же время обладает многими очень интересными свойствами, на которые в обыденной жизни мы не обращаем внимания.
С древних времен человек использует различные свойства воды в своей жизни, строя каналы, водяные мельницы, водоподъемные колеса для орошения полей и многое другое.
И в наше время очень многие устройства и машины используют в своей работе эти свойства жидкости. Так что же это за свойства, жидкости, которые на протяжении многих веков помогают человеку?
Цель. В этой работе я хотел бы рассмотреть два свойства жидкости, такие как текучесть — способность неограниченное количество раз менять свою форму и не сжимаемость — способность сохранять объем при внешнем воздействии на примере воды и изучить их применение в современном мире. А также сделать модель экскаватора для наглядной демонстрации этих свойств воды.
Задачи:
- Изучить теоретический материал о физических свойствах воды
- Экспериментальным путем подтвердить изучаемые в данной работе свойства воды
- Узнать, как в современном мире используют свойства жидкости
- Самостоятельно создать модель экскаватора, работающего за счет изучаемых свойств воды
Вода — удивительное вещество
Вода — одно из самых удивительных веществ в природе.
Чистая вода прозрачна, бесцветна, не имеет вкуса и запаха. Обладает свойством текучести. Принимает форму сосуда. Воду в жидком состоянии практически невозможно сжать. Она может перейти из жидкого состояния в газообразное или твердое и наоборот.
Вода — наиболее распространенное, доступное и дешевое вещество. Именно доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине — во всех сферах человеческой деятельности. Трудно вспомнить, где вода не применяется.
Вода — это самая большая и удобная дорога. По ней день и ночь плывут суда, везут разные грузы, пассажиров. Вода ещё и кормит, являясь средой обитания промысловых животных. Вода “добывает” электрический ток, работая на гидроэлектростанциях. В медицине вода — растворитель, лекарственное средство, средство санитарии и гигиены. В сельском хозяйстве вода — «транспортное средство» питательных веществ к клеткам растений и животных, участник процесса фотосинтеза, регулятор температуры живых организмов. Объемы воды, которые затрачиваются для полива сельскохозяйственных растений, при кормлении животных, птицы, не уступают объемам, используемым промышленностью. В быту вода — средство санитарии и гигиены, участник химических реакций, протекающих при приготовлении пищи. Вода моет всех людей, машины, дороги.
Основным свойством жидкости, отличающим её от твердых тел, является способность неограниченно менять форму, даже при сколь угодно малых по силе воздействий, практически сохраняя при этом объём.
В своей работе я хочу изучить два свойства воды: текучесть и не сжимаемость.
Что же такое — текучесть?
Если открыть дома на кухне кран, из него потечет вода. Что значит — потечет? Одним из основных свойств воды является способность изменять форму, не дробясь на части, это и называется текучестью.
Проведем эксперимент, подтверждающий текучесть воды.
Для более удобного наблюдения окрасим воду пищевым красителем. Наполним стакан до половины водой. Вода принимает форму стакана.
Наклоним стакан. Мы видим, что вода изменила форму.
Для второй части эксперимента нам понадобится два разных по форме сосуда. Наполним один сосуд водой и поднимем его над вторым. Попробуем перелить воду из одного сосуда в другой.
Рис. 1. Мы видим, что вода перелилась из первого сосуда во второй и приняла форму второго сосуда
Вывод: вода обладает свойством текучести.
Данным свойством воды люди пользуются с древнейших времен. Еще в древней Римской империи, для обеспечения городов водой люди строили акведуки (от латинских слов aqua — вода и duco — веду) — большие и протяженные системы каналов, с помощью которых вода из рек поступала в город.
Несжимаемость — еще одно увлекательное свойство воды. Что значит — несжимаемость? Есть вещества, при воздействии на которые какой-то силой изменяют свой объем, эти вещества называются сжимаемыми. Вода в отличии от них как бы сильно мы на нее не воздействовали (давили) не меняет свой объем. Это свойство воды и называется несжимаемостью.
Проведем эксперимент, подтверждающий данное утверждение. Для этого нам понадобится медицинский шприц (без иголки). Выдвинем поршень шприца, и наберем полный шприц воздуха, закроем пальцем отверстие для иголки и попробуем надавить на поршень. Мы видим, что у нас получилось задвинуть поршень практически на половину. У нас получилось сжать воздух, находящийся внутри шприца. Т. е. воздух изменил свой объем на 2,5 мл, он стал занимать меньше места в шприце под воздействием силы нашего нажатия.
Рис. 2
Теперь наберем полный шприц воды и заткнув отверстие попробуем нажать на поршень. Как бы сильно мы не давили, у нас не получается изменить объем воды. Это и есть несжимаемость. В данном эксперименте мы подтвердили еще одно удивительное свойство воды.
Рис. 3
Использование свойств воды в современном мире
Обладая текучестью, вода легко принимает любую форму, и это позволяет транспортировать воду по трубам от источников воды до крана в доме, и используя свойства не сжимаемости при помощи гидронасосов поднимать воду на самые высокие этажи зданий. В ходе работы я узнал, как устроен гидронасос и где он применяется.
Я посетил насосную многоэтажного здания и посмотрел, как работают насосы водоснабжения и отопления. При помощи этих насосов и системы труб в здание подается питьевая вода и вода в батареи отопления. Благодаря чему в доме есть вода и тепло.
Рис. 4
Это самые распространенные в мире способы использования текучести и несжимаемости воды.
Так же не сжимаемость и текучесть жидкости очень широко используется в современных автомобилях, от самых маленьких до больших грузовиков. Только вместо воды в них используется специальная жидкость.
В ходе изучения свойств воды я посетил автомастерскую и познакомился с использованием свойств текучести и не сжимаемости в тормозах автомобиля.
Рис. 5. Гидротормоз автомобиля
Еще один способ использования изучаемых свойств воды который применяется в современном мире — это гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции вырабатывают электрическую энергию. Вода протекает через лопасти турбины крутит их. Вращаясь лопасти турбины крутят генератор, который и вырабатывает электрический ток. Гидроэлектростанции являются самым экологически чистым способом получения большого количества электроэнергии.
Рис. 6. Как устроена гидроэлектростанция
Гидроэлектростанции широко применяются в нашей республике для выработки электроэнергии. В Казахстане 18 различных гидроэлектростанций. Гидроэлектростанции бывают большие и малые. Большие гидроэлектростанции есть в Восточно-Казахстанской области на реке Иртыш. Самая большая гидроэлектростанция — Шульбинская. Вырабатываемой ей электроэнергии хватить для целого города. В Алматинской области тоже есть гидроэлектростанции. Если вы когда-нибудь ездили на Капчагайское водохранилище, то наверняка видели большой мост через реку Или. Это и есть Капчагайская гидроэлектростанция. В городе Алматы тоже есть гидроэлектростанции. На реках Большая Алматинка и Малая Алматинка построен каскад из 11 малых гидроэлектростанций, которые вырабатывают электрическую энергию для города. Электрическая энергия, вырабатываемая этими гидроэлектростанциями, освещает в том числе и нашу школу.
Я решил создать действующую модель экскаватора, на примере которой продемонстрировать изучаемые свойства воды. Вся работа по созданию модели состояла из трех основных этапов: разработка модели на бумаге, с использование чертежей; подбор инструментов, необходимых для изготовления модели экскаватора, изучение техники безопасности при работе с ними и подготовка необходимых деталей и экскаватора; сборка и испытание модели.
Этап первый — Разработка модели на бумаге.
В процессе подготовки деталей модели на бумаге я посетил стройку и посмотрел, как работает экскаватор. Были подготовлены чертежи деталей экскаватора, которые нам понадобятся и определен список материалов и деталей для модели. Для изготовления экскаватора мне понадобились — шприцы медицинские объемом 5 и 10 миллилитров, система для капельницы медицинская, винты диаметром 3 миллиметра, гайки и шайбы к ним, доска для изготовления основания, лист пластика для изготовления стрелы экскаватора, подшипник для поворотного механизма, медная проволока толщиной 1 миллиметр, клей, лист пластика толщиной 1 миллиметр для изготовления деталей стрелы, пластиковые хомуты для крепления шприцов.
Рис. 7. Чертеж деталей стрелы экскаватора
После подготовки чертежа, детали стрелы экскаватора были вырезаны из бумаги, и я начал собирать модель из бумаги, для того что бы проверить подходят ли детали друг к другу. Сборка осуществлялась при помощи клея и скрепок.
Рис. 8
Этап второй — Подбор инструментов, необходимых для изготовления модели экскаватора, изучение техники безопасности при работе с ними
Убедившись, что все детали стрелы экскаватора подходят к друг другу, я составил список инструментов необходимых для изготовления модели.
Рис. 9
Список инструментов: нож канцелярский, пила, линейка, тиски настольные, дрель ручная с различными насадками, ножницы, напильник, пассатижи, клеевой «пистолет», отвёртки.
Рис. 10
Подготовив все необходимые инструменты, я приступил к изучению техники безопасности при работе с ними.
Этап третий — Подготовка необходимых деталей экскаватора; сборка и испытание модели
После изучения техники безопасности и работы с инструментами, я приступил к сборке модели экскаватора. Первым шагом разметил места, где будет установлен подшипник для поворотного механизма, и шприцы, управляющие работой экскаватора. При помощи дрели просверлил крепежные отверстия для поворотного механизма и отверстия для крепления шприцов. Прикрепил подшипник, на котором будет вращаться стрела экскаватора к станине. Собрал поворотный механизм при помощи винтов из ранее вырезанных деталей, и прикрепил его к подшипнику. Собрал стрелу из деталей, вырезанных из пластика, и закрепил ее на собранный поворотный механизм. У меня получилась собранная модель экскаватора, стрела, закрепленная на поворотном механизме, установленном на станине.
Я приступил к следующему этапу сборки — установки гидравлической системы управления экскаватором.
На ранее размеченные места на станине я, при помощи пластиковых хомутов прикрепил четыре шприца, для управления экскаватором, один для поворота стрелы, и три бля подъема и спуска трех участков стрелы, и приступил к следующему этапу сборки — установки шприцов, опускающих и поднимающих стрелу. На каждый участок стрелы устанавливается один шприц. При помощи клея я приклеил к основанию шприца два кусочка медной проволоки при помощи которой закрепил корпус шприца к стреле. В поршне шприца просверлил отверстие для проволоки, чтобы прикрепить шприц ко второй части стрелы. После этого этапа у меня получилась собранная модель экскаватора, но шприцы управления и шприцы на стреле не соединены между собой. Для соединения шприцов между собой, я отмерил необходимую длину соединительной трубки и нарезал из медицинской капельницы соединительные трубки. При помощи соединительных трубок соединил шприцы управления со шприцами на стреле экскаватора. На этом этап сборки модели был закончен, и я приступил к следующему этапу — заполнение гидравлической системы экскаватора водой. При помощи шприца я заполнил шприцы управления, трубки и шприцы на стреле экскаватора водой и проверил работу модели. Нажимая на поршни управляющих шприцов, я убедился, что стрела экскаватора и ковш поднимаются опускаются, экскаватор поворачивается в обе стороны.
Рис. 11
Рис. 12
В ходе работы я изучил некоторые свойства воды, и на практике проверил как они работают. Изучил применение этих свойств человеком в повседневной жизни, познакомился с новыми для меня устройствами и инструментами.
Вода это всем известное вещество, обладающее уникальными свойствами, позволяющими использовать ее в самых различных областях. При подготовке своей работы я понял, что даже в известных мне вещах скрыты удивительные секреты.
Литература:
- Научные эксперименты / Пер. с англ. А.Филоновой.
- Мир вокруг нас. Учебник для 3 класса начальной школы
- Окружающий мир. Учебник для 3 класса начальной школы в 2 частях.
- Энциклопедия для детей: Т.3 (География)
- Технический паспорт экскаватора Kamatsu GALEO PC 2000
- Интернет, https://ru.wikipedia.org/