Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • ZSP w Białogardzie • ID grupy: 97/22_MF_G1 • Opiekun: Renata Karczewska - Siudowska • Kompetencja: • Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: ,, Woda” • Semestr/rok szkolny: III rok 2010/2011

3. SKŁAD GRUPY: • Alicja Gąsiorowska • Róża Wysocka • Dominika Paluszkiewicz • Michał Kunz • Tomasz Krepsztul • Włodzimierz Borowik • Miłosz Klepuszewski • Dawid Koprowski • Dariusz Szłyk • Tadeusz Szenichowicz OPIEKUN GRUPY: Renata Karczewska - Siudowska

4. Ogólne zagadnienia: • Parowanie. • Wrzenie. • Gejzer. • Wykres przemian fazowych. • Temperatura wrzenia różnych cieczy. • Ciepło właściwe. • Napięcie powierzchniowe. • Parcie i ciśnienie. • Prawo Pascala. • Ciśnienie atmosferyczne. • Ciśnienie hydrostatyczne. • Prawo Archimedesa. • Warunki pływania ciał.

5. Parowanie Parowaniem nazywamy proces zamiany cieczy w parę zachodzący na powierzchni cieczy w dowolnej temperaturze. Wiemy, że cząsteczki cieczy poruszają się w różnych kierunkach i zderzają się ze sobą, w wyniku czego ich prędkości ulegają zmianom. Jedne cząsteczki zyskują energię kinetyczną, inne tracą. Te cząsteczki przypowierzchniowe, które uzyskują energię wystarczającą do pokonania sił przyciągania międzycząsteczkowego, odrywają się od cieczy. Średnia energia kinetyczna cząsteczek cieczy zatem maleje, czyli maleje temperatura cieczy. Parowanie zachodzi kosztem energii wewnętrznej cieczy.

6. Wrzenie • wrzenia wynosi Gwałtowne parowanie w całej objętości cieczy, czyli wrzenie, jest przemianą fazową, jednocześnie zmianą stanu skupienia. Zachodzi ona w określonej temperaturze charakterystycznej dla danej cieczy. Dla wody przy ciśnieniu normalnym temperatura100°C. Temperatura wrzenia jest to temperatura przejścia fazowego cieczy w parę (gaz). W tej właśnie temperaturze tworzą się pęcherzyki, gdyż ciśnienie pary w nich zawartej równe jest ciśnieniu w cieczy, tzn. ciśnieniu atmosferycznemu powiększonemu o ciśnienie hydrostatyczne cieczy nad pęcherzykiem (jeśli rozważasz wrzenie wody w zlewce czy czajniku, to ciśnienie hydrostatyczne jest do zaniedbania).

7. Z • Szybkowar zamknięty jest szczelną pokrywą (rys. 2.8). Gromadząca się pod pokrywą para wywiera na ciecz coraz większe ciśnienie, po­wstrzymując proces wrzenia, dostarczane stale ciepło powoduje więc wzrost temperatury wody powyżej 100°C. Wrzenie zajdzie wówczas, gdy ciśnienie w pęcherzykach powietrza będzie odpowiednio duże, czyli w temperaturze wyższej niż 100°C. Potrawy w tak wysokiej temperaturze szybciej się gotują.

8. Gejzer • Gejzer to długi, wąski, pionowy, mający kształt U, otwór w Ziemi, do którego dopływa woda gruntowa. Woda ogrzewana jest ciepłem pochodzenia wulkanicznego do temperatury powyżej 1 00°C, ponieważ ciśnienie hydrostatyczne na dnie otworu jest bardzo duże. Wyżej położone warstwy wody mają niższą temperaturę, gdyż mała szerokość otworu uniemożliwia powstawanie prądów konwekcyjnych. Proces wrzenia zaczyna się na dnie gejzera. Pęcherzyki pary unoszą się do góry i na powierzchni następuje ich erupcja.

9. Przemiany fazowe wody Załóżmy, że mamy jeden kilogram lodu o temperaturze -10°C i chcemy go zamienić na parę o temperaturze 100°C. Oblicz, ile ciepła należy dostarczyć. Dostarczone ciepło jest pochłaniane porcjami, powodując kolejno różne skutki. Pierwsza porcja (Q1J zużyta zostaje na ogrzanie lodu od -1 0°C do temperatury topnienia 0°C. Następna porcja (Q2J powoduje stopienie lodu, a dalsze kolejno doprowadzą do wzrostu temperatury ciekłej wody do temperatury wrzenia (Q3), wyparowania wody w procesie wrzenia (Q4) i ogrzania pary do 110°C (Q5).

10. temperatura wrzenia różnych cieczy

11. Ciepło właściwe • Zapewne nie jeden raz obserwowałeś ogrzewanie wody w czajniku stojącym na kuchennej płycie lub na palniku gazowym. Jeżeli płomień palnika jest ciągle tak samo intensywny, to ilość dostarczonego ciepła jest tym większa, im dłuższy jest czas ogrzewania. Tak więc ilości pobranego ciepłaQ możemy porównać, porównując czasy ich dostarczania. Łatwo zauważyć, że czas ten będzie tym dłuższy, im większy jest przyrost temperatury∆T, który chcemy osiągnąć. Inaczej mówiąc: ilość ciepła potrzebnego do ogrzania wody jest wprost proporcjonalna do przyrostu jej temperatury. • Można to zapisać w postaci • Q ~∆ T.

12. Gdybyśmy ogrzewali wodę o dwa razy większej masie chcąc uzyskać ten sam przyrost temperatury∆T, musielibyśmy jej dostarczyć dwa razy więcej ciepła, czyliQ ~ m. • Te dwie zależności można zapisać razem: • Q ~ m · ∆ T, • co odczytujemy:Ilość ciepła potrzebna do ogrzania wody jest wprost proporcjonalna do iloczynu jej masy i przyrostu temperatury. Iloraz wielkości wprost proporcjonalnych jest stały, co zapisujemy: Q/m · ∆ T = const. Gdyby podobne doświadczenie wykonać dla innej substancji, okazałoby się, że iloraz ten jest także stały, ale ma inną wartość.

13. Ciepło właściwe informuje nas o tym, ile ciepła (energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg substancji o 1 K (lub o 1°C). • Oczywiście, jeśli taką ilość energii odbierzemy 1 kilogramowi substancji, to jej temperatura zmaleje o 1 K (1°C). • Ilość ciepła Q potrzebną do ogrzania ciała o masie m tak, aby nastąpił przyrost jego temperatury o ∆T, obliczamy za pomocą wzoru: Q = c·m·∆T

14. Napięcie powierzchniowe • Swobodna powierzchnia cieczy ma własności sprężyste, własności te zależą od temperatury i obecności w cieczy innych substancji. • Pamiętamy, że między cząsteczkami cieczy działają siły przyciągania, zwane siłami spójności. Każda cząsteczka wewnątrz cieczy (B) ulega działaniu tych sił ze wszystkich stron. Wszystkie siły wzajemnie się równoważą, co znaczy, że wypadkowa równa się zero. Cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy (A) podlegają przyciąganiu jedynie cząsteczek znajdujących się wewnątrz cieczy, zatem wypadkowe przyciąganie skierowane jest do jej wnętrza. Wynika więc z tego, że właściwości powierzchniowej warstewki, cieczy zwanej często błoną powierzchniową, różnią się od właściwości cieczy w jej głębi. Powierzchnia cieczy jest napinana i kurczy się, przybierając możliwie najmniejsze rozmiary.

15. Tę tendencję powierzchni swobodnej cieczy do kurczenia się nazywamy napięciem powierzchniowym.Napięcie powierzchniowe jest wynikiem oddziaływań międzycząsteczkowych • Dzięki istnieniu napięcia powierzchniowego małe krople wody, oleju, stopionego metalu, rtęci, przybierają kształt kulisty, gdyż ich powierzchnie mają tendencję do kurczenia się. • Bańka mydlana też ma kształt kuli. Po zaprzestaniu dmuchania bańka zmniejsza się w wyniku działania sił napięcia powierzchniowego. Właśnie powierzchnia kuli ma najmniejszą powierzchnię w porównaniu z innymi bryłami geometrycznymi mającymi tę samą objętość. Napięcie powierzchniowe powoduje zsczepianie się włosków pędzla wyciągniętego z wody.

16. parcie i ciśnienie • Ciśnienie • Siłę nacisku F ciała, która działa na powierzchnię S nazywamy parciem. Siła parcia jest zawsze prostopadła do powierzchni, na którą działa. Siłę działającą na jeden metr kwadratowy powierzchni nazywamy ciśnieniem - p. • p = F /S • Jednostką ciśnienia w układzie SI jest 1 Pa (paskal). • [p] = 1N/1m² = 1 Pa

17. prawo Pascala Ciśnienie wywierane na gaz lub ciecz rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Blaise Pascal (1623-1662), francuski fizyk i matematyk, stwierdził doświadczalnie i sformułował w 1653 roku, że ciśnienie w cieczy i gazach jest takie samo w każdym punkcie. Pascal stwierdził, że na znajdujący się w płynie (cieczy i gazie) wycinek powierzchni ∆ S działa siła (parcie) F = p ∆ S o tej samej wartości niezależnie od kierunku ustawienia tej powierzchni. Zatem ciśnienie w płynie jest jednakowe we wszystkich punktach tego płynu p = F/∆ S. Gdy dodatkowo działa siła F, na powierzchnię S,wówczas występuje przyrost ciśnienia w płynie ∆ p = F1 / S. Nacisk wywierany na płyn powoduje wzrost ciśnienia w całej objętości płynu o wartość ciśnienia zewnętrznego.

18. ciśnienie atmosferyczne • Ciśnienie atmosferyczne jest to ciśnienie panujące w powietrzu atmosferycznym otaczającym Ziemię w danym miejscu. Jego wartość zależy od wielu czynników, a w szczególności od grubości warstwy atmosfery nad tym miejscem. • Istnienie ciśnienia atmosferycznego odkrył włoski fizyk i matematyk, uczeń Galileusza Ewangelista Torricelli (1606-1647). W 1643 roku dokonał jego pomiaru. Zatopioną z jednego końca rurkę szklaną o długości 1 m, Torricelli napełnił rtęcią i zatkał. Zatkaną rurkę odwrócił do góry dnem i umieścił ją w szerokim naczyniu z rtęcią (patrz: rysunek).

19. Po otwarciu rurki pod powierzchnią rtęci poziom rtęci w rurce obniżył się do 760 mm. W górnej części rurki wytworzyła się próżnia, czyli przestrzeń bez powietrza z nielicznymi cząsteczkami par rtęci. Ciśnienie par rtęci nad powierzchnią rtęci w rurce Torricellego jest bardzo małe. Oznacza to, że ciśnienie powietrza naciskającego na rtęć w szerokim naczyniu jest takie samo, jak ciśnienie słupa rtęci o wysokości 760 mm w rurce. Torricelli był pierwszym człowiekiem, który świadomie wytworzył próżnię. • Ciśnienie atmosferyczne mierzymy barometrem; ciśnienia gazu w naczyniach zamkniętych mierzymy manometrami. • Ciśnienie powietrza maleje ze wzrostem wysokości, co stwierdził po raz pierwszy w XVII wieku Pascal. Podobnie gęstość powietrza nie jest stała - ze wzrostem wysokości maleje. • Przyczyną zmian ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością, podobnie jak przyczyną występowania ciśnienia atmosferycznego, jest siła ciężkości działająca na cząsteczki powietrza.

20. Chociaż cząsteczki gazu poruszają się z ogromnymi prędkościami około 1600 km/h i dzięki temu wznoszą się na wysokość wielu kilometrów, to dzięki grawitacji utrzymywane są w pewnym obszarze wokół Ziemi. Ciśnienie równe 760 mm H g (1013,25 h Pa) zostało nazwane ciśnieniem normalnym i jest oznaczone p0. Ciśnienie atmosferyczne wyrażane jest jeszcze w innych jednostkach: bar: 1 bar = 105 Pa milibar: 1 mbar = 1O2 Pa atmosfera: 1 atm = 1013,25 hPa barometr

21. ciśnienie hydrostatyczne Ciśnienie cieczy na warstwy niżej leżące i na dno naczynia wynikające z ciężaru cieczy nazywamy ciśnieniem hydrostatycznym. Ciśnienie hydrostatyczne jest wprost proporcjonalne do gęstości cieczy i do głębokości, na jakiej to ciśnienie rozpatrujemy. P = pgh, gdzie: p - gęstość cieczy, h - wysokość słupa cieczy, wysokość h należy traktować jako głębokość pod swobodną powierzchnią cieczy, g - przyspieszenie grawitacyjne Woda wywiera nacisk nie tylko na dno naczynia, ale również na ściany boczne tego naczynia.

22. Nacisk ten zależy od panującego na tej głębokości ciśnienia hydrostatycznego, czyli od głębokości, na której znajduje się otwór (zależy od wysokości słupa cieczy nad otworem). • Ciśnienie panujące w cieczy wynika nie tylko z jej ciężaru, ale i z nacisków wywieranych na ciecz przez atmosferę lub dodatkową siłę zewnętrzną działającą np. za pośrednictwem tłoka. • W naczyniu otwartym rolę tłoka odgrywa powietrze atmosferyczne.

23. Wynika to z tego, że nawet bez faktycznego, wykonanego z jakiegoś materiału tłoka, na ciecz w otwartym naczyniu działa „tłok atmosferyczny", który wywiera ciśnienie p0. Zatem ciśnienie na głębokości h na dno naczynia wynosi: • p = p0 + p hydr. = p0 + pgh • gdzie: p0 - zewnętrzne ciśnienie wywierane na ciecz na poziomie uznanym za zerowy (h = 0), dla zbiorników otwartych ciśnienie atmosferyczne na powierzchni cieczy (w warunkach normalnych 1013 hPa) • p hydr. -ciśnienie hydrostatyczne • p - gęstość cieczy • g - przyspieszenie ziemskie (grawitacyjne) • h -głębokość zanurzenia pod powierzchnią • swobodną cieczy

24. prawo archimedesa Każde ciało zanurzone w cieczy (gazie) podlega działaniu siły wyporu skierowanej pionowo w górę i równej ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało. Fw = pg c vc gdzie: pc - gęstość cieczy (gazu), Vc – objętość wypartej cieczy

25. Przykłady • Kamizelka ratunkowa zwiększa objętość ciała człowieka, nie zmieniając praktycznie jego ciężaru. Wzrasta zatem siła wyporu układu człowiek - kamizelka, co pozwala człowiekowi unosić się na wodzie. • Ryba dzięki zmianie objętości pęcherzyka pławnego reguluje siłę wyporu, a tym samym głębokość zanurzenia.

26. Warunki pływania ciał • Pływanie ciał po powierzchni cieczy . Ciało będzie pływało po powierzchni cieczy, jeśli jego siła wyporu przy maksymalnym zanurzeniu będzie większa niż ciężar tego ciała. Gdy ciało pływa po powierzchni wody siła ciężkości jest równoważona przez siłę wyporu (siły ciężkości i wyporu mają równe wartości, ale przeciwne zwroty). Oczywiście jeśli ciało nie jest całkowicie zanurzone, to siła wyporu ma jeszcze pewien „zapas”, dzięki któremu nawet zwiększenie ciężaru ciała nie spowoduje od razu jego zatonięcia, bo automatycznie może wzrosnąć siła wyporu. Do momentu aż zanurzy się całe.

27. Pływanie ciał całkowicie zanurzonych - Nieco inaczej wygląda sytuacja ciał całkowicie zanurzonych – łodzie podwodne, zatopione obiekty, balony, tonące przedmioty itd. • Tutaj mamy dwie główne możliwości • 1. siła wyporu jest mniejsza od siły ciężkości – ciało tonie. • 2. siła wyporu jest większa od siły ciężkości – ciało wypływa unosząc się do góry.

28. Na pograniczu tych dwóch przypadków jest jeszcze trzeci: • 3. siły wyporu i ciężkości są sobie równe – wtedy ciało pozostaje w bezruchu unosząc się w płynie Powyższy opis zachowania ciała odnosi się tylko do sytuacji, w których początkowo ciało znajdowało się w bezruchu. Jeśli wcześniej nadano mu prędkość może ono chwilowo poruszać się niezgodnie z powyższymi zasadami (do momentu, w którym tarcie płynu nie spowoduje jego zatrzymania). • Pływalność a gęstość • W przypadku ciał wykonanych z jednolitego materiału można łatwo przewidzieć czy będą one tonęły, czy wypływały na powierzchnię płynu. Zależy to od gęstości ciał i gęstości płynów w których miałyby one pływać: • jeżeli gęstość ciała jest większa niż gęstość płynu (ρ ciała > ρ płynu), • wtedy ciało będzie tonąć. • jeżeli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość płynu (ρ ciała < ρ płynu), wtedy ciało będzie wypływać na powierzchnię.

29. gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy gęstość ciała jest równa gęstości cieczy gęstość ciała jest większa od gęstości cieczy

30. koniec • DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ