Как обозначается вода в физике
Неправильно лежащая вода может утонуть.
Еще Фалес Милетский, древнегреческий мыслитель, родоначальник античной философии и науки обратил внимание на то, что вода – единственное вещество на Земле, которое существует в природе во всех трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном.
Вода в газообразном состоянии называется водяным паром. Водяной пар невидим. Он растворяется в воздухе, и в этом случае говорят о влажности воздуха. Растворимость водяного пара в воздухе зависит от его температуры и давления. Предельная концентрация пара называется состоянием насыщения или точкой росы. При насыщении происходит конденсация водяного пара (переход из газообразной в жидкую фазу) в виде тумана, росы и облаков. Не следует путать пар и туман.
С мельчайшими каплями воды и кристаллами льда в атмосфере связаны такие оптические явления, как радуга и гало.
Облака укрывают Землю «одеялом», создавая «парниковый эффект«, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты и не дает ей охлаждаться. По этой причине перепады между дневной и ночной температурой в пасмурную погоду заметно меньше.
Обратный процесс – переход из жидкого состояния в газообразное, называется испарением. Испарение с поверхности воды и даже льда (сублимация) также зависит от влажности воздуха, что позволяет сушить белье на морозе. Этим объясняется и то, что жара в прибрежных районах с влажным климатом переносится труднее, чем в континентальных.
Последнее время все более широкое применение находит технология консервирования на основе вакуумно-сублимационной сушки, когда из продукта удаляется влага путем испарения льда. При замачивании в воде сублимированные продукты быстро возвращаются к первоначальной форме.
Когда же интенсивный процесс испарения начинается не только с поверхности, но и внутри жидкости с бурным образованием пузырьков, поднимающихся к поверхности, то такое явление называется кипением. Температура кипения зависит от давления. Это свойство используется в «скороварке», и это же причина того, что на приготовление пищи в горах требуется больше времени.
Почему лед скользкий?
Температура замерзания воды понижается при увеличении давления примерно на 10° С на каждые 130 атм. Узкие полозья коньков создают значительное давление на лед. Так как температура плавления льда с повышением давления понижается, то при не очень сильном морозе под коньком образуется тонкая прослойка воды, которая действуя в качестве смазки, обеспечивает скольжение. По этой же причине шероховатый лед более скользкий, чем зеркально гладкий. Таянием снега под давлением объясняется возможность лепить снежки и катать комья для «снеговиков» при легком морозце.
Вода- мерило
Для измерения температуры повсеместно используется шкала, предложенная шведским физиком Андерсом Цельсием, в которой точка кипения воды при нормальном давлении обозначена 100, а точка таяния льда 0.
Вода оказалась привлекательной и для создателей метрической системы мер, когда решался вопрос об основной мере массы. За единицу массы был принят грамм – масса одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности. Так как не очень удобно уравновешивать предметы соответствующим количеством воды, был создан металлический эталон – килограмм, соответствующий тысяче граммов и с предельной точностью воспроизводящий указанное идеальное определение. 1 килограмм – это масса 1 литра или 1 кубического дециметра воды.
Для единицы измерения количества теплоты также была использована вода. Одна калория – это количество тепла, необходимое для нагревания 1 грамма воды от 14,5 до 15,5° С.
Чистая вода – прозрачная бесцветная жидкость без вкуса и запаха. По ряду физических параметров вода является уникальным веществом.
Как известно, при охлаждении все вещества сжимаются. Вода следует этому правилу до тех пор, пока ее температура не достигнет значения 4° С. В этом состоянии она обладает наибольшей плотностью. При дальнейшем понижении температуры, вода, вопреки общему правилу, начинает расширяться, а переход в твердое состояние сопровождается еще одним скачкообразным расширением. Благодаря этому лед плавает, а водоемы не промерзают.
Вода обладает способностью поглощать большое количество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. Удельная теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ, она в 10 раз выше чем у железа. Больших затрат энергии требуют процессы испарения и замерзания, которые происходят при неизменности температуры. Именно по этим причинам дневные и годовые колебания температуры не такие резкие, а в системах отопления и охлаждения используют воду.
У воды огромная сила поверхностного натяжения, которая зависит от силы сцепления между молекулами воды. Способностью смачивать – одно из таких проявлений. Этой силой формируется капля и определяется испаряемость жидкости. Вода в форме сферических капель имеет наименьшую поверхность при заданном объеме. Поверхностное натяжение зависит от температуры и наличия примесей. Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0° С. Вода с низким поверхностным натяжением легче вступает в межмолекулярные взаимодействия и более полезна для организма.
Поверхностное натяжение является необходимым условием для капиллярных процессов – основы жизнедеятельность животных и растений, химических технологий и бытовых явлений. Полотенце, белье, рыхление почвы используют этот эффект.
Тройная точка воды
Тройная точка определяется значением температуры и давления, при котором вещество может одновременно и равновесно находится в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. В этой точке сходятся линии плавления, кипения и сублимации. Для воды температура тройной точки равна 273,16 К (0, 01 °С) при давлении 609 Па (4, 58 мм рт. ст.). Это состояние выбрано в качестве начала отсчета абсолютной температуры в градусах Кельвина.
Критическая точка – сочетание значений температуры и давления, при которых исчезает различие в свойствах жидкой и газообразной фаз вещества. Критическая точка для воды достигается с большим трудом при температуре 374,2° С и давлении 21,4 МПа.
В момент достижения критической точки вода характеризуется крайне низкой вязкостью, непрозрачностью, резким падением скорости распространения звуковых волн и в три раза более низкой плотностью, чем при обычных условиях.
Сверхкритическое состояние представляют собой нечто среднее между жидкостью и газом. Вода в сверхкритическом состоянии может сжиматься, как газ, и в тоже время, способна растворять твердые вещества, что не характерно для газов.
Механическое движение воды – источник энергии речных и приливных электростанций. Для получения электроэнергии используют и разность температур между поверхностными и глубинными слоями воды. Вода – основа экологически чистой водородной энергетики, а тяжелая вода используется в термоядерной энергетике.
Вода способна к объединению большого числа своих молекул в кластеры и цепочки. Такая «полимеризованная» вода кипит при температуре на несколько градусов выше, чем обычная и имеет ряд совершенно новых физических свойств.
Кластеры представляют собой стабильные долгоживущие кристаллоподобные образования. Их конфигурация реагирует перестройкой даже на незначительные внешнее воздействия и примеси. Таким образом, в изменении структуры воды проявляются ее информационные свойства.
За счет различия в продолжительности жизни водных кластеров большинство взаимодействий приводит не к полной, а лишь к частичной реорганизации кластеров, что обеспечивает воде как короткую, так и достаточно долговременную память.
Для получения структурированной воды используют различные технологии: омагничивание, замораживание с последующим таянием, электролитическое разделение воды на «мертвую» и «живую».
Материал подготовил учитель информатики и ИКТ
ГООУ «Россошанская школа-интернат
для детей-сирот и детей, оставшихся без попечения родителей»
Воронежская обл.
• Вода содержится даже в твердых кристаллических породах. Так в 1 м 3 гранита находится примерно 26 литров воды.
• При увеличении давления вода почти не сжимается, но если бы она была совсем несжимаемой, то уровень воды в мировом океане поднялся бы на 30 м.
• Самая прозрачная вода в Саргассовом море, где можно видеть на расстояние до 66 м.
Почему шумит чайник?
Пузырьки пара, поднимаясь от горячего дна в верхние, более холодные слои, опять превращаются воду, захлопываясь с большой скоростью и образуя звуковые волны. По этой причине перед закипанием слышен шум в чайнике или кастрюле.
Кавитация – образование в жидкости пузырьков, заполненных паром. Она возникает в результате резкого понижения давления в жидкости. Перемещаясь в область с более высоким давлением, пузырек захлопывается, излучая ударную волну. Кавитация разрушает поверхность насосов гребных винтов, гидротурбин. Ее используют в ультразвуковых стиральных машинах и для бережной и эффективной очистки археологических находок.
Если два раствора с разной концентрацией разделены полупроницаемой мембраной, то наблюдается явление переноса вещества из одного раствора в другой, которое называется осмосом. Сила осмотического давления, направленная от разбавленного к концентрированному раствору, может быть очень значительной. В дереве под действием осмотического давления растительный сок поднимается от корней до самой верхушки.
Полярной ночью в сильные морозы над обледеневшей тундрой слышен звенящий шорох. Якуты называют его «нежным шепотом звезд». Причина этого явления – «перезвон» мельчайших кристалликов льда, мгновенно образующихся при выдыхании влажного воздуха.
Для мыльных пузырей лучше всего подходит мягкая вода и хозяйственное мыло. Причина того, что пузыри цветные заключается в интерференции – наложении световых волн, отраженных от внутренней и внешней поверхности тончайшей пленки мыльного пузыря.
Когда класть сахар в чай?
Скорость остывания тем больше, чем больше разность температур, а процесс растворения сахара в воде связан с поглощением тепла.
Почему молчат рыбы?
На самом деле рыбы не молчат, но при переходе из более плотной в менее плотную среду наблюдается явление полного отражения как звуковых, так и световых волн. По этой причине звуки, раздающиеся в воде, достигая поверхности, почти полностью от нее отражаются в обратном направлении. Даже нырнув воду, вы почти не будете слышать звуков, потому что в ушах остается воздушная прослойка.
хм. а как обозначается в физике удельная теплоёмкость воды?
Уде́льная теплоёмкость (обозначается как c) вещества определяется как количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один градус по Цельсию.
Единицей СИ для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм-Кельвин. Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицы массы вещества. На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C.
Формула расчёта удельной теплоёмкости: , где — удельная теплоёмкость, — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении) , — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества, — разность температур, на которую нагрели вещество.
Поверхностное натяжение
Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой.
· Обновлено 31 января 2024
Понятие и характеристики поверхностного натяжения
С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:
- капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);
- струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;
- булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
- многие насекомые могут скользить по поверхности воды.
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.
Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости примерно равна их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.
На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.
Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.
Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:
Поверхностная энергия жидкости
W = σS
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения
σ = W/S
W — поверхностная энергия жидкости [Дж]
S — площадь свободной поверхности [м 2 ]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:
- от природы жидкости;
- температуры жидкости;
- свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
- наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение.
Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.
Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Сила поверхностного натяжения
F = σl
F — сила поверхностного натяжения [Н]
l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]
σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.
Открыть диалоговое окно с формой по клику
Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом
Поверхностное натяжение, 10 −3 Н/м
Хлорид натрия (водный раствор)
Азотная кислота 70%
Серная кислота 85%
Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!
Получи больше пользы от Skysmart:
- Подготовься к ОГЭ на пятёрку.
- Подготовься к ЕГЭ по 3 предметам на 240+ баллов с гарантией.
Пример решения задачи
Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре равен 4 × 10 -2 Н/м.
Решение
На кольцо действуют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и внешняя сила, с которой отрывают кольцо от раствора.
Так как кольцо соприкасается с раствором и внешней и внутренней сторонами, то сила поверхностного натяжения удваивается:
Контур, ограничивающий поверхность жидкости, имеет форму окружности. Значит, его длина будет равна:
Подставляем в формулу силы поверхностного натяжения:
Условие отрыва кольца от поверхности раствора имеет вид второго закона Ньютона для инерциальных систем отсчета:
Подставляем силу поверхностного натяжения:
F = 0,007 × 10 + 4 × 4 × 10 -2 × 3,14 × 7,8 × 10 -2 = 0,11 Н
Ответ: Для того, чтобы оторвать кольцо от раствора, необходимо приложить силу в 0,11 Н.
Важность поверхностного натяжения
Выше мы уже показали, что поверхностное натяжение встречается в повседневной жизни достаточно часто. Но на самом деле оно встречается еще чаще!
В некоторых отраслях промышленности поверхностное натяжение используют как простой показатель загрязнения продуктов. Поскольку оно определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов вещества может привести к изменению этого показателя. То есть если мы знаем, каким должно быть поверхностное натяжение совершенно чистого вещества, то по отклонению от этой нормы мы можем установить уровень его загрязнения.
Не только человек, но и представители живой природы используют физические явления в своих целях. Например, за счет поверхностного натяжения насекомые водомерки могут перемещаться по водной глади, не промочив лапки. Конечности водомерки отталкивают воду и захватывают воздух, что позволяет насекомым продавливать поверхность воды, не нарушая ее.
За счет поверхностного натяжения возникает такое любопытное явление, как ламинарное течение. Это упорядоченный режим течения вязкой жидкости или газа, при котором соседние слои жидкости не перемешиваются. Выглядит ламинарная струя так, как будто вода застыла.
И это еще не все: поверхностное натяжение позволяет предметам плавать, благодаря ему выживают и развиваются экосистемы, и даже состав воды стабилен только за счет этого явления. Без него вода бы постоянно находилась на границе двух агрегатных состояний: испарялась и вновь конденсировалась, так как молекулы легко выскакивали бы с ее поверхности.
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Мощность
Понятие мощности школьники изучают на уроках физики в 7 классе. С этим понятием мы часто сталкиваемся в жизни, когда говорим про мощность бытовых приборов или автомобилей. Давайте разберемся, что такое мощность в физике и в механике, какой буквой она обозначается и в чем измеряется.
15 сентября 2021
· Обновлено 31 января 2024
Определение мощности
Допустим, нам необходимо убрать урожай пшеницы с поля площадью 100 га. Это можно сделать вручную или с помощью комбайна. Очевидно, что пока человек обработает 1 га площади, комбайн успеет сделать намного больше. В данном случае разница между человеком и техникой — именно то, что называют мощностью. Отсюда вытекает первое определение.
Мощность в физике — это количество работы, которая совершается за единицу времени.
Рассмотрим другой пример: между точкой А и точкой Б расстояние 15 км, которое человек проходит за 3 часа, а автомобиль может проехать всего за 10 минут. Понятно, что одно и то же количество работы они сделают за разное время. Что показывает мощность в данном случае? Как быстро или с какой скоростью выполняется некая работа.
В электромеханике эта величина имеет еще одно определение.
Мощность — это скалярная физическая величина, которая характеризует мгновенную скорость передачи энергии от системы к системе или скорость преобразования, изменения, потребления энергии.
Напомним, что скалярными величинами называются те, значение которых выражается только числом (без вектора направления).
Мощность человека в зависимости от деятельности
Вид деятельности
Мощность, Вт
Бег со скоростью 9 км/ч
Плавание со скоростью 50 м/мин
Открыть диалоговое окно с формой по клику
Как обозначается мощность: единицы измерения
В таблице выше вы увидели обозначение в ваттах, и читая инструкции к бытовой технике, можно заметить, что среди характеристик прибора обязательно указано количество ватт. Это единица измерения механической мощности, используемая в международной системе СИ. Она обозначается буквой W или Вт.
Измерение мощности в ваттах было принято в честь шотландского ученого Джеймса Уатта — изобретателя паровой машины. Он стал одним из родоначальников английской промышленной революции.
В физике принято следующее обозначение мощности: 1 Вт = 1 Дж / 1с.
Это значит, что за 1 ватт принята мощность, необходимая для совершения работы в 1 джоуль за 1 секунду.
В каких единицах еще измеряется мощность? Ученые-астрофизики измеряют ее в эргах в секунду (эрг/сек), а в автомобилестроении до сих пор можно услышать о лошадиных силах.
Интересно, что автором этой последней единицы измерения стал все тот же шотландец Джеймс Уатт. На одной из пивоварен, где он проводил свои исследования, хозяин накачивал воду для производства с помощью лошадей. И Уатт выяснил, что 1 лошадь за секунду поднимает около 75 кг воды на высоту 1 метр. Вот так и появилось измерение в лошадиных силах. Правда, сегодня такое обозначение мощности в физике считается устаревшим.
Одна лошадиная сила — это мощность, необходимая для поднятия груза в 75 кг за 1 секунду на 1 метр. ��
Единицы измерения