Практическое занятие №8. Взаимное превращение жидкостей и газов. Твердые тела.

использовать теоретические знания при решении  экспериментальных и расчетных задач.

Теоретические сведения:

Температурный коэффициент объемного расширения: 

Коэффициент поверхностного натяжения:

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

Потенциальная энергия E_р поверхности жидкости: 

E_р = A_внеш = σS.

Избыточное давление внутри капли равно: 

Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности: 

Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании θ = 0, при полном не смачивании θ = 180° (рис.30)

      Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

На рис. 31 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ. Верхний конец капилляра                 

                                                                      открыт. Подъем жидкости в капилляре

                                                                      продолжается до тех пор, пока сила тяжести, действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей  сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра:  F_т = F_н, гдеF_т = mg = ρhπr²g, F_н = σ2πr cos θ.

Отсюда следует: 

При полном смачивании θ = 0, cos θ = 1. В этом случае 

При полном  не смачивании  θ = 180°, cos θ = –1 и, следовательно, h < 0.

Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. Ее можно характеризовать абсолютным удлинением Δl, возникающим под действием внешней силы. Связь между Δl и F зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических размеров тела (его толщины и длины).

Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине l образца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε: 

Отношение модуля внешней силы F к площади S сечения тела называется механическим напряжением: 

За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па). Механическое напряжение измеряется в единицах давления.

Зависимость между ε и σ является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения (рис.32).

Диаграмма растяжения для пластичного материала

Закон Гука: 

Коэффициент E в этом соотношении называется модулем Юнга.

Контрольные вопросы:

1.                  Какой процесс называют испарением, конденсацией?

2.                  При какой температуре молекулы могут покидать поверхность воды?

3.                  Какой пар называется насыщенным?

4.                  Дайте определение влажности воздуха.

5.                  Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

6.                  Почему и как поверхностное натяжение зависит от температуры?

7.                  В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой-с добавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.

8.                  Дайте определение и запишите формулу относительной влажности воздуха.

9.                  В каком случае тело является кристаллическим, аморфным?

10.              Дайте определение анизотропии кристаллов.

11.              Дайте определение поликристалла.

12.              Приведите примеры упругих и пластичных деформаций.

13.              Приведите примеры деформации растяжения и сдвига.

14.              Что называют механическим напряжением?

15.              Сформулируйте закон Гука.

Задание 1. Наблюдение перехода ненасыщенного водяного пара в насыщенный пар и обратно.

Цель: выяснить особенности перехода ненасыщенного водяного пара в насыщенный и обратно при измерении давления и температуры.

Оборудование: пробирка, закрытая пробкой; стакан с холодной водой; спички

Ход работы:

Переход ненасыщенного пара в насыщенный:

1.                  Налейте в пробирку воду и вылейте ее обратно в стакан.

2.                  переверните пробирку вверх дном и держите ее над пламенем спички 2-3 с для увеличения центров конденсации.

3.                  Поднесите пробирку ко рту и энергично втяните несколько раз смесь воздуха с водяным паром из пробирки.

4.                  Опишите наблюдаемое явление.

5.                  Запишите ответы на вопросы:

-                   Какой пар образовался в пробирке? По какому признаку вы это определили?

-                   Как изменялись давление, температура и внутренняя энергия водяного пара в пробирке во время опыта?

6.                  Опустите пробирку с ненасыщенным водяным паром в стакан с холодной водой на 20-30 с и, вынув ее, наблюдайте запотевание внутренней поверхности стенок пробирки в результате частичной конденсации образовавшегося насыщенного водяного пара при его охлаждении.

Переход насыщенного пара в ненасыщенный:

7.                  Налейте в пробирку немного воды и закройте пробирку пробкой.

8.                  Запишите ответы на вопросы:

-                   Какой из процессов вначале преобладает: испарение или конденсация

-                   Как изменяются масса и давление водяного пара в пробирке

-                   Какой пар образуется в пробирке?

9.                  Опустите пробирку в стакан с холодной водой на 20-30 с

10.              Выньте пробирку из воды

11.              Опишите наблюдаемое явление

12.               Запишите ответы на вопросы:

-                   Что произошло с паром в пробирке при охлаждении?

-                   Как изменялись давление, температура и внутренняя энергия водяного пара в пробирке при охлаждении?

-                   Изменилась ли масса воды и пара в пробирке при охлаждении?

Задание 2. Наблюдение упругих и пластических деформаций тел.

Цель: наблюдать различные виды деформаций и их взаимосвязь

Оборудование: резинка ученическая (ластик); брусок металлический; брусок пластилиновый

Ход работы:

1.                  Наблюдение упругих деформаций растяжения и сжатия

Возьмите ластик за концы и растяните, а затем сожмите его. По результатам наблюдения заполните таблицу:

2.                  Наблюдение деформации сдвига

Положите ластик на стол и прижмите его металлическим бруском. Перемещая брусок горизонтально, наблюдайте в ластике деформацию сдвига. По результатам наблюдения запишите:

-     Направление сил, действующих на ластик при деформации сдвига

-     Направление смещения слоев ластика относительно друг друга

-     Угол деформации сдвига при возрастании нагрузки

3.                  Наблюдение деформации изгиба

Возьмите ластик за концы и изогните его. По результатам наблюдения запишите:

-     В каких слоях ластика возникает деформация растяжения

-     В каких слоях ластика возникает деформация сжатия

4.                  Наблюдение деформации кручения

Возьмите ластик за концы и скрутите его. По результатам наблюдения запишите, из каких выше рассмотренных деформаций состоит деформация кручения

По результатам наблюдений 1 – 4 сделайте вывод о связи определенных видов деформации

5.                  Наблюдение пластической деформации

Заготовьте 5 брусочков пластилина (по количеству видов деформации). Подвергните каждый из брусочков соответствующему виду деформации.

По результатам наблюдений заполните таблицу:

Задание 3. Решите задачи.

1.                  Напряжение в проводе диаметром 2 мм равно 50Н/мм². Каково будет напряжение при той же нагрузке, если взять такой же провод, но диаметром 1 мм?

2.                  Какие силы надо приложить к концам стальной проволоки длиной 4 м и сечением 0,5мм² для удлинения на 2 мм? Модуль упругости стали равен 210ГПа.

3.                  Относительная влажность воздуха вечером при температуре 16⁰С равна 55%. Выпадет ли ночью роса, если температура воздуха понизится до 8⁰С? Давление насыщенного пара при температуре 16⁰С равно 1,8 кПа, при 8⁰С – 1,06 кПа.

4.                  Спирт поднялся в капиллярной трубке на 1,2 см. Найти радиус трубки.

5.                  Парциальное давление водяного пара в воздухе равно 1,1 кПа, а давление насыщенного пара при той же температуре составляет 2,2 кПа. Чему равна относительная влажность воздуха?

6.                  Относительная влажность воздуха вечером при температуре 20⁰С равна 65%. Выпадет ли ночью роса, если температура понизится до 7⁰С?

7.                  Напряжение в круглом алюминиевом стержне при нагрузке 2,4 кН равно 20Н/мм². Каково будет напряжение в стержне при нагрузке 4,8 кН?