Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Liceum Ogólnokształcące im. • Bogusława X w Białogardzie • ID grupy: 97/58_MF_G1 • Kompetencja: matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Woda • Semestr/rok szkolny: II / 2010/2011

3. Ciepło topnienia Przechłodzenie wody Wrzenie pod obniżonym ciśnieniem Fontanna Herona SPIS TREŚCI Spis treści • Prawo Pascala • Ciśnienie hydrostatyczne • Prawo Archimedesa • Znikanie siły wyporu • Paradoks hydrostatyczny • Zjawiska powierzchniowe w cieczy • Kulisty kształt kropli • Ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią cieczy • Siły przylegania • Rurka Venturiego • Zjawisko włoskowatości • Anomalna rozszerzalność termiczna wody • Zależność temperatury topnienia od ciśnienia • Złe przewodnictwo wody

4. Prawo Pascala • Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu. • Prawo to zostało sformułowane w połowie XVII w. przez Blaise'a Pascala, jest prawdziwe wówczas, gdy można pominąć siły grawitacji i inne siły masowe oraz ciśnienia wywołane przepływem płynu. Prawo to wynika z tego, że cząsteczki płynu mogą poruszać się w dowolnym kierunku, wywieranie nacisku z jednej strony zmienia ruch cząstek we wszystkich kierunkach. • Przykładowe zastosowania prawa Pascala: • * pompowanie dętki, materaca, układy hamulcowe, dmuchanie balonów, młot pneumatyczny, działanie urządzeń pneumatycznych (prasa pneumatyczna) • * działanie urządzeń hydraulicznych (układ hamulcowy, podnośnik hydrauliczny, prasa hydrauliczna, pompa hydrauliczna) Zasada działania prasy hydraulicznej

5. Ciśnienie hydrostatyczne • Jest to ciśnienie jakie wywiera na otaczające ciała ciecz nie będąca w ruchu. (ciśnienie te w gazie określane jest mianem ciśnienia aerostatycznego) • Ciśnienie hydrostatyczne nie zależy od wielkości i kształtu zbiornika, a zależy wyłącznie od głębokości - im większe zanurzenie, tym większe ciśnienie. Wynika to z faktu, że mechanizmem to ciśnienie wywołującym jest nacisk (ciężar) ze strony słupa płynu położonego nad punktem pomiaru - im wyższy słup, typ większy nacisk  Np. na Ziemi ciśnienie w wodzie (ciśnienie hydrostatyczne)  zwiększa się co 10 m o jedną atmosferę (1 atmosfera to ok. 100 tys. paskali).Inny wniosek z tego faktu wynikający to fakt, że ciężar słupa powietrza nad nami jest równy ciężarowi słupa wody o wysokości 10m (a jest to nie byle co, bo 10 ton wody na każdy metr kwadratowy!). • Ciśnienie te możemy obliczyć wzorem • p = ρcieczy · g· h • Znaczenie symboli:   p – ciśnienie hydrostatyczne    g – przyspieszenie grawitacyjne •    h – głębokość zanurzenia w cieczy

6. Jest to podstawowe prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu. Nazwa prawa wywodzi się od jego odkrywcy Archimedesa z Syrakuz. Na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową wszystkich sił parcia płynu na ciało. Prawo Archimedesa

7. Znikanie siły wyporu • Doświadczenie ukazujące zanik siły wyporu • Stalowy statek pływa po wodzie ponieważ ma dużą sie wyporu. W jego wnętrzu jest powietrze które go unosi nad wodą (nie całkowicie) jeżeli do jego wnętrza dostaje się woda to siła wyporu maleje i całkowicie znika a w wyniku tego statek idzie na dno.

8. Paradoks hydrostatyczny Jest to paradoks związany z mechaniką płynów, polegający na tym, że ciśnienie na dnie naczynia nie zależy wprost od ciężaru cieczy zawartej w naczyniu, a zależy od wysokości słupa cieczy nad dnem. Natomiast parcie cieczy na dno naczynia zależy od pola powierzchni dna, wysokości słupa cieczy i ciężaru właściwego cieczy. Wynika z tego, że parcie cieczy na dno w naczyniach o różnych kształtach będzie takie samo, jeżeli pole powierzchni dna każdego z tych naczyń i wysokość słupa cieczy w tych naczyniach będą równe.

9. Zjawiska powierzchniowe w cieczy • Zjawisko napięcia powierzchniowego przejawia się w istnieniu na powierzchni cieczy cienkiej błonki, która posiada, w zakresie działania niewielkich sił, własność sprężystości postaci. Istotą występowania tego zjawiska jest to, że na cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy działają siły pochodzące od otacząjacych je wokół innych cząsteczek. Ze względu na symetrię, oddziaływania te wzajemnie rownoważą się. Tej symetrii nie doznają natomiast cząsteczki znajdujące się w warstwie powierzchniowej, gdyż od góry stykają się one co najwyżej z cząsteczkami powietrza, których jest względnie mało i z którymi oddziaływanie jest dużo słabsze. Tak więc wypadkowa siła działajaca na takie cząsteczki jest różna od zera i skierowana jest do wnętrza cieczy. Tym samym powierzchnia cieczy ma własność sprężystej błonki, która dążąc do maksymalnego zmniejszenia powierzchni cieczy nadaje na przykład kropli cieczy kształt kulisty

10. Kulisty kształt kropli • Kropla – ciało ciekłe – zazwyczaj małej objętości – ograniczone w całości lub większości powierzchnią swobodną. Przykładem są krople deszczu, rosy lub tłuszczu w śmietanie. • Powstawanie : • Krople w laboratorium wytwarza się poprzez wolny wypływ cieczy z pionowej rurki o małej średnicy, gdy formująca się wisząca kropla przekroczy określoną wielkość. Zjawisko to jest stosowane w praktyce we wkraplaczach, biuretach i pipetach. • Własności fizyczne i znaczenie : • Formująca się kropla, wypływająca z pionowej rurki, jest przyciągana przez siły ciężkości, a utrzymywana przez siły napięcia powierzchniowego, jednocześnie gdy kropla rośnie powstaje przewężenie ze zmniejszającą się średnicą. Po oderwaniu się kropli siły lepkości tłumią powstałą na jej powierzchni falę, a siły napięcia powierzchniowego formują bryłę o jak najmniejszej powierzchni przy danej objętości - kulę. • Zastosowano je w zaliczanym do jednego z najpiękniejszych eksperymentów fizycznych doświadczalnym wyznaczeniu ładunku elektronu, przeprowadzonym przez R. Millikana. • Krople wody znajdujące się w atmosferze nazwane są mgłą, zamgleniem, chmurą, deszczem w zależności od wielkości kropel i ich koncentracji. Na kroplach wody tworzą się różnego rodzaju zjawiska optyczne, takie jak tęcza. Tęcza powstaje w wyniku załamania i odbicia światła w kropli wody w powietrzu, a szczególnie jest efektem zależności współczynnika załamania światła dla wody od długości fali świetlnej.

11. Ciśnienie pod zakrzywioną powierzchnią cieczy Dodatkowe ciśnienie Δp wywierane na ciecz przez siły napięcia powierzchniowego.Dla menisku wypukłego Δp > 0Dla menisku wklęsłego Δp < 0Dla powierzchni o dowolnym kształcie: R1, R2 - promienie krzywizny dwóch wzajemnie prostopadłych do siebie przekrojówR1, R2 > 0, gdy środek krzywizny znajduje się wewnątrz cieczyR1, R2 < 0, gdy środek krzywizny poza cieczą. σ - napięcie powierzchniowePrzykłady: - POWIERZCHNIA PŁASKA R1 = R2 = ∞, p = 0. - POWIERZCHNIA KULISTA Wewnątrz kulistej bańki mydlanej dodatkowe ciśnienie wynosi (dwie warstwy powierzchniowe). - POWIERZCHNIA CYLINDRYCZNA σ - napięcie powierzchniowe

12. SIŁY PRZYLEGANIA Są to siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i cząsteczkami naczynia. Powierzchnia swobodna cieczy znajdującej się w naczyniu może przyjmować kształt wklęsły lub wypukły. Zjawisko to nazywamy meniskiem Menisk wklęsły tworzy się dla cieczy zwilżających ściany naczynia. Siły spójności są mniejsze od sił przylegania. Menisk wypukły tworzy się dla cieczy nie zwilżających ścian naczynia. Siły spójności są większe od sił przylegania.

13. Rurka Venturiego • Przyrząd służący do pomiaru prędkości przepływu płynu (tj. gazu lub cieczy) na podstawie zjawiska spadku ciśnienia w cieczy wraz ze wzrostem jej prędkości. Zwężka Venturiego składa się z barometru różnicowego i rurki o zwężonym przepływie (właściwej dyszy). Jedna z końcówek barometru włączona jest przed zwężeniem, a druga w samej dyszy. • Korzystając z równania Bernoulliego i warunku ciągłości przepływu, można wykazać, że różnica ciśnień wskazywanych przez barometr jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu płynu v przed dyszą i wynosi: • (ρ/2)v2[(S2/s2) - 1], • gdzie: ρ - gęstość płynu, S - pole przekroju przed dyszą, s - pole przekroju w dyszy. Przyrząd wynalazł włoski fizyk G.B. Venturi (1746-1822).

14. Zjawisko włoskowatości • Siły istniejące między cząsteczkami cieczy i ściankami naczynia powodują powstawanie menisków w cienkich rurkach (kapilarach). Jeśli siły te są przyciągające, to ciecz zwilża ściankę i w rezultacie powstaje zakrzywienie jej powierzchni tak, jak na rysunku A (menisk wklęsły). Gdy między cieczą a ścianką występuje odpychanie, ciecz nie zwilża tej ściany i powierzchnia cieczy uwypukla się ku górze (rysunek B). • Zakrzywiona powierzchnia ma większą energię powierzchniową i dlatego dąży do zmniejszenia powierzchni. Przejawem tej tendencji jest dodatkowe ciśnienie, które jest skierowane w górę w przypadku A i w dół - w przypadku B. Wartość • tego ciśnienia dana jest wzorem: • p = • gdzie r oznacza promień krzywizny powierzchni (na ogół większy od promienia samej rurki). Ciśnienie tego rodzaju występuje również wewnątrz pęcherzyków pary, pojawiających się podczas wrzenia cieczy. Powoduje ono niewielki wzrost temperatury wrzenia.

15. Anomalna rozszerzalność termiczna wody • Zjawisko fizyczne polegające na zmniejszaniu się objętości wody w miarę wzrostu temperatury w przedziale od 0 stopni Celsjusza do 4 stopni Celsjusza. Jednocześnie wiąże się to ze wzrostem gęstości wody. • Woda, jako jedna z niewielu substancji, nie zwiększa swojej objętości monotonicznie z temperaturą w całym przedziale temperatur od 0 do 100 °C. Poniżej +3,98 °C objętość zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, co wśród ogółu substancji chemicznych jest anomalią. Anomalia spowodowana jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy. Z tego samego powodu objętość wody wzrasta również podczas krzepnięcia – dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia, kruszy spękane skały, niszczy nawierzchnię dróg itp.

16. Zależność temperatury topnienia od ciśnienia Temperatura topnienia – temperatura, w której kryształ zamienia się w ciecz. Jest to też najwyższa możliwa temperatura, w której może rozpocząć się krystalizacja tej substancji. Krystalizacja zachodzi jednak często przy niższej temperaturze niż temperatura topnienia, co zależy od wielu czynników, np. obecności zarodków krystalizacji, tempa schładzania czy ciśnienia. Temperatura topnienia zależy od ciśnienia. Im wyższe ciśnienie, tym niższa temperatura topnienia. Zależnie od tego, czy ciecz przy ochładzaniu zwiększa czy zmniejsza swoją objętość, zmiany ciśnienia mają różny wpływ. Jeżeli ciecz, tak jak woda, zwiększa swoją objętość w czasie krzepnięcia, to zwiększenie ciśnienia spowoduje obniżenie temperatury topnienia. Zmniejszenie ciśnienia spowoduje, że ciesz będzie krzepnąć wyższej temperaturze. Na przykład dla wody, temperatura topnienia zmienia się o około 0,007°C na 1 atm. Jeżeli ciecze zmniejszają swoją objętość podczas krzepnięcia, na przykład parafiny, to wzrost ciśnienia powoduje wzrost temperatury topnienia. In niższe ciśnienie, tym w niższej temperaturze topi się ciało. Dla parafiny zmiana temperatury topnienia z ciśnieniem wynosi około 0,04 stopnia na 1 atm.

17. Złe przewodnictwo wody • Czysta woda bez jakichkolwiek obcych jonów może być izolatorem. Charakteryzuje się dużym oporem właściwym. Wartość jest jeszcze większa dla lodu. Przewodnictwo wody zwiększa się, gdy mamy do czynienia z obecnością obcych jonów, które pochodzą z rozpuszczonych soli oraz gazów. Przewodnictwo wzrasta z temperaturą. Zwiększeniu ulega proces dysocjacji wody na kation H+ oraz anion OH-.

18. Ciepło topnienia • Jest to ilość energii potrzebnej do stopienia jednostki masy danej substancji. W układzie SI jednostką ciepła topnienia jest J/kg (dżul na kilogram). Zależność ciepła pobranego przez substancję od masy substancji jest wyrażona przybliżonym, doświadczalnym wzorem: • gdzie: • Q – ilość dostarczonego ciepła, • m – masa ciała, • q – ciepło topnienia. • Topnienie przeprowadzane jest zazwyczaj przy stałym ciśnieniu, dlatego odpowiada ono entalpii przemiany i jest zwane entalpią topnienia

19. Wrzenie pod obniżonym ciśnieniem • Jest to efektowne doświadczenie. Wstawiamy szklankę z wodą (ok. 1/3 objętości) o temperaturze pokojowej (ok. 20OC) pod klosz pompy próżniowej. Następnie zaczynamy wypompowywać spod klosza powietrze. Pomimo, że wody nie podgrzewamy, w pewnym momencie (przy odpowiednio niskim ciśnieniu) zaczyna ona wrzeć, czyli parować w całej  objętości. • Woda, jak każde ciało składa się z cząsteczek. W cieczach są one w ciągłym ruchu (dzięki ruchom Browna). Cząsteczki te bez przerwy się ze sobą zderzają, przekazując nawzajem swoje pędy i energie. Gdy wodę podgrzewamy (dodajemy energii na sposób ciepła) – ruchy te stają się coraz szybsze – coraz więcej cząsteczek ma energię tak dużą, że mogą opuścić objętość cieczy – przechodzą one ze stanu ciekłego w gazowy, czyli parują. W pobliżu 100OC (przy normalnym ciśnieniu) jest ich już tak dużo, że woda zaczyna parować w całej objętości.W przypadku doświadczenia z pompą próżniową, żeby spowodować wrzenie wody nie musimy dostarczać do układu dodatkowej energii. Gdy wypompujemy powietrze spod klosza, na powierzchnię cieczy nie działa ciśnienie atmosferyczne. Cząsteczki wody aby uciec z powierzchni cieczy muszą przezwyciężyć tylko  wzajemne siły spójności. Po pewnym czasie niektóre z nich zaczynają parować, aż wreszcie woda zaczyna wrzeć w całej objętości. Cząsteczki, które mają wyższe energie wyparowują, dzięki czemu energia całego układu staje się coraz niższa, co można sprawdzić mierząc temperaturę wody po wykonaniu doświadczenia jest ona niższa, niż w chwili początkowej.

20. Przechłodzenie wody • Wodę, która osiągnęła temperaturę poniżej 0°C pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym nazywamy wodą przechłodzoną. Pierwszy opis tego zjawiska podał w 1721 roku Gabriel Daniel Fahrenheit. Taki stan jest termodynamicznie nietrwały. • Dla przykładu możliwe jest przechłodzenie wody do temperatury 231 K (−42 °C), podczas gdy jej temperatura krzepnięcia wynosi 273,15 K (0 °C). • Możemy otrzymać przechłodzoną wodę wykonując następujący eksperyment: Należy użyć butelki plastikowej napełnionej, nie do pełna, wodą destylowaną. Butelka i woda muszą być idealnie czyste. Po zakręceniu butelki wstawiamy ją na kilka godzin do zamrażarki (czas ustalamy doświadczalnie), a potem delikatnie wyjmujemy (oczywiście zawartość butelki musi być w stanie ciekłym) i energicznie uderzamy butelką np. o podłogę. Jeżeli woda była w stanie przechłodzenia powinna natychmiast zamarznąć. Należy podkreślić, że ten eksperyment jest trudny do wykonania.

21. Fontanna Herona Heron z Aleksandrii by chyba najinteligentniejszym konstruktorem starożytności. Jego dziełem była m.in. fontanna składająca się z trzech naczyń: jednego otwartego A (patrz rys. poniżej), w którym znajdował się wylot wodotrysku i dwóch zamkniętych B i C, służących do zapewnienia odpowiedniego ciśnienia wody u wylotu strumienia. Fontanna działa, jeśli w naczyniu środkowym B było dostatecznie dużo wody, a sprężone powietrze z naczynia dolnego C zapewniało dostatecznie wysokie ciśnienie. Powietrze w zbiornikach C i B było oczywiście sprężone przez wodę przepływającą z otwartego zbiornika A do zbiornika dolnego C. Demonstracja działania fontanny Herona jest bardzo efektowna. Czas demonstracji zależy przede wszystkim od objętości naczyń zamkniętych B i C oraz średnicy wylotu wodotrysku.