Давление - это физическая величина, которая играет особую роль в природе и жизни человека. Это незаметное глазу явление не только влияет на состояние окружающей среды, но и очень хорошо ощущается всеми. Давайте разберемся, что это такое, какие виды его существуют и как находить давление (формула) в разных средах.

Что называется давлением в физике и химии

Данным термином именуется важная термодинамическая величина, которая выражается в соотношении перпендикулярно оказываемой силы давления на площадь поверхности, на которую она воздействует. Это явление не зависит от размера системы, в которой действует, поэтому относится к интенсивным величинам.

В состоянии равновесия, по давление одинаково для всех точек системы.

В физике и химии оное обозначается с помощью буквы «Р», что является сокращением от латинского названия термина - pressūra.

Если речь идет об осмотическом давлении жидкости (равновесие между давлением внутри и снаружи клетки), используется буква «П».

Единицы давления

Согласно стандартам Международной системы СИ, рассматриваемое физическое явление измеряется в паскалях (кириллицей - Па, латиницей - Ра).

Исходя из формулы давления получается, что один Па равен одному Н (ньютон - разделенному на один квадратный метр (единица измерения площади).

Однако на практике применять паскали довольно сложно, поскольку эта единица очень мала. В связи с этим, помимо стандартов системы СИ, данная величина может измеряться по-другому.

Ниже приведены наиболее известные ее аналоги. Большинство из них широко используется на просторах бывшего СССР.

  • Бары . Один бар равен 105 Па.
  • Торры, или миллиметры ртутного столба. Приблизительно один торр соответствует 133, 3223684 Па.
  • Миллиметры водяного столба.
  • Метры водяного столба.
  • Технические атмосферы.
  • Физические атмосферы. Одна атм равна 101 325 Па и 1,033233 ат.
  • Килограмм-силы на квадратный сантиметр. Также выделяются тонна-сила и грамм-сила. Помимо этого, есть аналог фунт-сила на квадратный дюйм.

Общая формула давления (физика 7-го класса)

Из определения данной физической величины можно определить способ ее нахождения. Выглядит он таким образом, как на фото ниже.

В нем F - это сила, а S - площадь. Иными словами, формула нахождения давления - это его сила, разделенная на площадь поверхности, на которую оно воздействует.

Также она может быть записана так: Р = mg / S или Р = pVg / S. Таким образом, эта физическая величина оказывается связанной с другими термодинамическими переменными: объемом и массой.

Для давления действует следующий принцип: чем меньше пространство, на которое влияет сила - тем большее количество давящей силы на него приходится. Если, же площадь увеличивается (при той же силе) - искомая величина уменьшается.

Формула гидростатического давления

Разные агрегатные состояния веществ, предусматривают наличие у них отличных друг от друга свойств. Исходя из этого, способы определения Р в них тоже будут другими.

К примеру, формула давления воды (гидростатического) выглядит вот так: Р = pgh. Также она применима и к газам. При этом ее нельзя использовать для вычисления атмосферного давления, из-за разности высот и плотностей воздуха.

В данной формуле р - плотность, g - ускорение свободного падения, а h - высота. Исходя из этого, чем глубже погружается предмет или объект, тем выше оказываемое на него давление внутри жидкости (газа).

Рассматриваемый вариант является адаптацией классической примера Р = F / S.

Если вспомнить, что сила равна производной массы на скорость свободного падения (F= mg), а масса жидкости - это производная объема на плотность (m = pV), то формулу давление можно записать как P = pVg / S. При этом объем - это площад, умноженная на высоту (V = Sh).

Если вставить эти данные, получится, что площадь в числителе и знаменателе можно сократить и на выходе - вышеупомянутая формула: Р = pgh.

Рассматривая давление в жидкостях, стоит помнить, что, в отличие от твердых тел, в них часто возможно искривление поверхностного слоя. А это, в свою очередь, способствует образованию дополнительного давления.

Для подобных ситуаций применяется несколько другая формула давления: Р = Р 0 + 2QH. В данном случае Р 0 - давление не искривленного слоя, а Q - поверхность натяжения жидкости. Н - это средняя кривизна поверхности, которую определяют по Закону Лапласа: Н = ½ (1/R 1 + 1/R 2). Составляющие R 1 и R 2 - это радиусы главной кривизны.

Парциальное давление и его формула

Хотя способ Р = pgh применим как для жидкостей, так и для газов, давление в последних лучше вычислять несколько другим путем.

Дело в том, что в природе, как правило, не очень часто встречаются абсолютно чистые вещества, ведь в ней преобладают смеси. И это касается не только жидкостей, но и газов. А как известно, каждый из таких компонентов осуществляет разное давление, называемое парциальным.

Определить его довольно просто. Оно равно сумме давления каждого компонента рассматриваемой смеси (идеальный газ).

Из этого следует, что формула парциального давления выглядит таким образом: Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 … и так далее, согласно количеству составляющих компонентов.

Нередки случаи, когда необходимо определить давление воздуха. Однако некоторые по ошибке проводят вычисления только с кислородом по схеме Р = pgh. Вот только воздух - это смесь из разных газов. В нем встречаются азот, аргон, кислород и другие вещества. Исходя из сложившейся ситуации, формула давления воздуха - это сумма давлений всех его составляющих. А значит, следует приметь вышеупомянутую Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 …

Наиболее распространенные приборы для измерения давления

Несмотря на то что высчитать рассматриваемую термодинамическую величину по вышеупомянутым формулам не сложно, проводить вычисление иногда попросту нет времени. Ведь нужно всегда учитывать многочисленные нюансы. Поэтому для удобства за несколько столетий был разработан ряд приборов, делающих это вместо людей.

Фактически почти все аппараты такого рода являются разновидностями манометра (помогает определять давление в газах и жидкостях). При этом они отличаются по конструкции, точности и сфере применения.

  • Атмосферное давление измеряется с помощью манометра, именуемого барометром. Если необходимо определить разряжение (то есть давление ниже атмосферного) - применяются другая его разновидность, вакуумметр.
  • Для того чтобы узнать артериальное давление у человека, в ход идет сфигмоманометр. Большинству он более известен под именем неинвазивного тонометра. Таких аппаратов существуют немало разновидностей: от ртутных механических до полностью автоматических цифровых. Их точность зависит от материалов, из которых они изготавливаются и места измерения.
  • Перепады давления в окружающей среде (по-английски - pressure drop) определяются с помощью или дифнамометров (не путать с динамометрами).

Виды давления

Рассматривая давление, формулу его нахождения и ее вариации для разных веществ, стоит узнать о разновидностях этой величины. Их пять.

  • Абсолютное.
  • Барометрическое
  • Избыточное.
  • Вакуумметрическое.
  • Дифференциальное.

Абсолютное

Так называется полное давление, под которым находится вещество или объект, без учета влияния других газообразных составляющих атмосферы.

Измеряется оно в паскалях и являет собою сумму избыточного и атмосферного давлений. Также он является разностью барометрического и вакуумметрического видов.

Вычисляется оно по формуле Р = Р 2 + Р 3 или Р = Р 2 - Р 4 .

За начало отсчета для абсолютного давления в условиях планеты Земля, берется давление внутри емкости, из которой удален воздух (то есть классический вакуум).

Только такой вид давления используется в большинстве термодинамических формул.

Барометрическое

Этим термином именуется давление атмосферы (гравитации) на все предметы и объекты, находящие в ней, включая непосредственно поверхность Земли. Большинству оно также известно под именем атмосферного.

Его причисляют к а его величина меняется относительно места и времени измерения, а также погодных условий и нахождения над/ниже уровня моря.

Величина барометрического давления равна модулю силы атмосферы на площади единицу по нормали к ней.

В стабильной атмосфере величина данного физического явления равна весу столпа воздуха на основание с площадью, равной единице.

Норма барометрического давления - 101 325 Па (760 мм рт. ст. при 0 градусов Цельсия). При этом чем выше объект оказывается от поверхности Земли, тем более низким становится давление на него воздуха. Через каждый 8 км оно снижается на 100 Па.

Благодаря этому свойству в горах вода в чайниках закивает намного быстрее, чем дома на плите. Дело в том, что давление влияет на температуру кипения: с его снижением последняя уменьшается. И наоборот. На этом свойстве построена работа таких кухонных приборов, как скороварка и автоклав. Повышение давления внутри их способствуют формированию в посудинах более высоких температур, нежели в обычных кастрюлях на плите.

Используется для вычисления атмосферного давления формула барометрической высоты. Выглядит она таким образом, как на фото ниже.

Р - это искомая величина на высоте, Р 0 - плотность воздуха возле поверхности, g - свободного падения ускорение, h - высота над Землей, м - молярная масса газа, т - температура системы, r - универсальная газовая постоянная 8,3144598 Дж⁄(моль х К), а е - это число Эйклера, равное 2.71828.

Часто в представленной выше формуле давления атмосферного вместо R используется К - постоянная Больцмана. Через ее произведение на число Авогадро нередко выражается универсальная газовая постоянная. Она более удобна для расчетов, когда число частиц задано в молях.

При проведении вычислений всегда стоит брать во внимание возможность изменения температуры воздуха из-за смены метеорологической ситуации или при наборе высоты над уровнем моря, а также географическую широту.

Избыточное и вакуумметрическое

Разницу между атмосферным и измеренным давлением окружающей среды называют избыточным давлением. В зависимости от результата, меняется название величины.

Если она положительная, ее называют манометрическим давлением.

Если же полученный результат со знаком минус - его именуют вакуумметрическим. Стоит помнить, что он не может быть больше барометрического.

Дифференциальное

Данная величина является разницей давлений в различных точках измерения. Как правило, ее используют для определения падения давления на каком-либо оборудовании. Особенно это актуально в нефтедобывающей промышленности.

Разобравшись с тем, что за термодинамическая величина называется давлением и с помощью каких формул ее находят, можно сделать вывод, что это явление весьма важно, а потому знания о нем никогда не будут лишними.

37.1. Домашний эксперимент.
1. Надуйте резиновый шарик.
2. Пронумеруйте фразы в таком порядке, чтобы получился связный рассказ о проделанном эксперименте.

37.2. В сосуде под поршнем заключен газ (рис. а), объем которого меняется при постоянной температуре. На рисунке б представлен график зависимости расстояния h, на котором относительно дна находится поршень, от времени t. Заполните пропуски в тексте, используя слова: увеличивается; не меняется; уменьшается.

37.3.На рисунке показана установка для изучения зависимости давления газа в закрытом сосуде от температуры. Цифрами обозначены: 1 – пробирка с воздухом; 2 – спиртовка; 3 – резиновая пробка; 4 – стеклянная трубка; 5 – цилиндр; 6 – резиновая мембрана. Поставьте знак «+» около верных утверждений и знак «» около неверных.


37.4. Рассмотрите графики зависимости давления p от времени t, соответствующие различным процессам в газах. Вставьте недостающие слова в предложение.

С течением времени давление
в процессе 1 увеличивается ;
в процессе 2 постоянное ;
в процессе 3 уменьшается .

38.1. Домашний эксперимент.
Возьмите полиэтиленовый пакет, сделайте в нем четыре дырочки одинакового размера в разных местах нижней части пакета, используя, например, толстую иглу. Над ванной налейте в пакет воды, зажмите его сверху рукой и выдавливайте воду через дырочки. Меняйте положение руки с пакетом, наблюдая, какие изменения происходят со струйками воды. Зарисуйте опыт и опишите свои наблюдения.

38.2. Отметьте галочкой утверждения, которые отражают суть закона Паскаля.
✓ Давление, производимое на газ или жидкость, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.

38.3. Допишите текст.
Надувая резиновый шарик, мы придаем ему форму шара. При дальнейшем надувании шарик, увеличиваясь в объеме, по-прежнему сохраняет форму шара, что иллюстрирует справедливость закона Паскаля , а именно: газы передают производимое на них давление во все стороны без изменения.

38.4. На рисунке показана передача давления твердым и жидким телом, заключенным под диском в сосуде.

а) Отметьте верное утверждение.
После установки гири на диск возрастает давление … .
✓ на дно в обоих сосудах, на боковую стенку – только в сосуде 2

б) Ответьте на вопросы, записав необходимые формулы и проводя соответствующие расчеты.
С какой силой будет давить на диск площадью 100 см2 установленная на него гиря массой 200 г? F = m*g/S = 0,2*10/0,01 = 200 H
Как изменится при этом и на сколько давление:
на дно сосуда 1 200 Н ;
на дно сосуда 2 200 Н ;
на боковую стенку сосуда 1 0 Н ;
на боковую стенку сосуда 2 200 Н ?

39.1. Отметьте верное окончание фразы.

Нижнее и боковое отверстия трубки затянуты одинаковыми резиновыми мембранами. В трубку наливают воду и медленно опускают ее в широкий сосуд с водой до тех пор, пока уровень воды в трубке не совпадет с уровнем воды в сосуде. В этом положении мембраны … .
✓ обе плоские

39.2. На рисунке показан опыт с сосудом, дно которого может отпадать.

В ходе опыта были сделаны три наблюдения.
1. Дно пустой бутылки прижато, если трубка погружена в воду на некоторую глубину Н.
2. Дно по-прежнему прижато к трубке, когда в нее начинают наливать воду.
3. Дно начинает отходить от трубки в тот момент, когда уровень воды в трубке совпадет с уровнем воды в сосуде.
а) В левом столбце таблицы запишите номера наблюдений, которые позволяют прийти к выводам, обозначенным в правом столбце.

б) Запишите свои гипотезы о том, что может измениться в описанном выше опыте, если:
в сосуде будет находиться вода, а в трубку будут наливать подсолнечное масло дно трубки начнет отходить когда уровень масла будет выше уровня воды в сосуде;
в сосуде будет находиться подсолнечное масло, а в трубку будут наливать воду дно трубки начнет отходить раньше, чем совпадут уровни воды и масла.

39.3. В закрытом баллоне с площадью основания 0,03 м2 и высотой 1,2 м находится воздух плотностью 1,3 кг/м3. Определите «весовое» давление воздуха на дно баллона.

40.1. Запишите, какие из опытов, изображенных на рисунке, подтверждают, что давление в жидкости с глубиной увеличивается.

Поясните, что демонстрирует каждый из опытов.

40.2. Кубик помещен в жидкость плотностью p, налитую в открытый сосуд. Поставьте в соответствие указанным уровням жидкости формулы для вычисления давления, созданного столбом жидкости на этих уровни.

40.3. Отметьте знаком «+» верные утверждения.

Сосуды различной формы заполнили водой. При этом … .
+ давление воды на дно всех сосудов одинаково, поскольку давление жидкости на дно определяется только высотой столба жидкости.

40.4. Выберите пару слов, пропущенных в тексте. «Дном сосудов 1, 2 и 3 служит резиновая пленка, укрепленная в стойке прибора».

40.5. Чему равно давление воды на дно прямоугольного аквариума длиной 2 м, шириной 1 м и глубиной 50 см, доверху заполненного водой.

40.6. Используя рисунок, определите:

а) давление, созданное столбом керосина на поверхность воды:
pк = p*g*h = 800*10*0,5 = 4000 Па;
б) давление на дно сосуда, созданное только столбом воды:
pв = 1000*10*0,3 = 3000 Па;
в) давление на дно сосуда, созданное двумя жидкостями:
p = 4000 + 3000 = 7000 Па.

41.1. В одну из трубок сообщающихся сосудов налита вода. Что произойдет, если зажим с пластиковой трубки убрать?

Уровень воды в трубках станет одинаковым.
41.2. В одну из трубок сообщающихся сосудов налита вода, а в другую – бензин. Если зажим с пластиковой трубки убрать, то:

41.3. Впишите в текст подходящие по смыслу формулы и сделайте вывод.
Сообщающиеся сосуды заполнены одной и той же жидкостью. Давление столба жидкости

41.4. Какова высота столба воды в U-образном сосуде относительно уровня АВ, если высота столба керосина 50 см?

41.5. В сообщающиеся сосуды налиты машинное масло и вода. Рассчитайте, на сколько сантиметров уровень воды находится ниже уровня масла, если высота столба масла относительно границы раздела жидкостей Нм = 40 см.

42.1. На весах уравновесили стеклянный шар объемом 1 л. Шар закрыт пробкой, в которую вставлена резиновая трубка. Когда из шара при помощи насоса откачали воздух и зажали трубку зажимом, равновесие весов нарушилось.
а) Груз какой массы придется положить на левую чашу весов, чтобы их уравновесить? Плотность воздуха 1,3 кг/м3.

б) Каков вес воздуха, находившегося в колбе до откачивания?
Pвозд = m*g = 0,0013*10 = 0,013 H

42.2. Опишите, что произойдет, если конец резиновой трубки шара, из которого откачали воздух (см. задание 42.1), опустить в стакан с водой, а затем снять зажим. Объясните явление.
Шар заполнится водой, потому что давление внутри шара меньше атмосферного.

42.3. На асфальте начерчен квадрат со стороной 0,5 м. Рассчитайте массу и вес столба воздуха высотой 100 м, расположенного над квадратом, считая, что плотность воздуха не меняется с высотой и равна 1,3 кг/м3.

42.4. При движении поршня вверх внутри стеклянной трубки вода поднимается за ним. Отметьте правильное объяснение этого явления.

Вода поднимается за поршнем … .
✓ под давлением наружного воздуха, заполняя безвоздушное пространство, образовавшееся между поршнем и водой.

43.1. В кружках А, В, С схематично изображен воздух разной плотности. Отметьте на рисунке места, где следует расположить каждый кружок, чтобы в целом получилась картина, иллюстрирующая зависимость плотности воздуха от высоты над уровнем моря.

43.2. Выберите правильный ответ.
Для того чтобы покинуть Землю, любая молекула воздушной оболочки Земли должна обладать скоростью, большей чем … .
✓ 11,2 км/с

43.3. На Луне, масса которой примерно в 80 раз меньше массы Земли, отсутствует воздушная оболочка (атмосфера). Чем это можно объяснить? Запишите вашу гипотезу.
Молекулы воздуха слабо удерживаются Луной, в отличие от Земли. Поэтому Луна не имеет атмосферы.

44.1. Выберите правильное утверждение.
В опыте Торричелли в стеклянной трубке над поверхностью ртути … .
✓ создается безвоздушное пространство

44.2. В трех отрытых сосудах находится ртуть: в сосуде А высота столба ртути 1 м, в сосуде В – 1 дм, в сосуде С – 1 мм. Вычислите, какое давление на дно сосуда оказывает столб ртути в каждом случае.

44.3. Запишите значения давления в указанных единицах по приведенному образцу, округлив результат до целых.

44.4. Найдите давление на дно цилиндра, заполненного подсолнечным маслом, если атмосферное давление равно 750 мм рт. ст.

44.5. Какое давление испытывает аквалангист на глубине 12 м под водой, если атмосферное давление 100 кПа? Во сколько раз это давление больше атмосферного?

45.1. На рисунке показана схема устройства барометра-анероида. Отдельные детали конструкции прибора обозначены цифрами. Заполните таблицу.

45.2. Заполните пропуски в тексте.


На рисунках изображен прибор, который называется __барометр-анероид_.
Этим прибором измеряют ___атмосферное давление __.
Запишите показание каждого прибора с учетом погрешности измерения.

45.3. Заполните пропуски в тексте. «Разница атмосферного давления в разных слоях атмосферы Земли вызывает движение воздушных масс».

45.4. Запишите значения давления в указанных единицах, округляя результат до целых.

46.1. На рисунке а изображена трубка Торричелли, расположенная на уровне моря. На рисунках б и в отметьте уровень ртути в трубке, помещенной соответственно на горе и в шахте.

46.2. Заполните пропуски в тексте, используя слова, приведенные в скобках.
Измерения показывают, что давление воздуха быстро уменьшается (уменьшается, увеличивается) с увеличением высоты. Причиной тому служит не только уменьшение (уменьшение, увеличение) плотности воздуха, но и понижение (понижение, повышение) его температуры при удалении от поверхности Земли на расстояние до 10 км.

46.3. Высота Останкинской телебашни достигает 562 м. Чему равно атмосферное давление около вершины телебашни, если у ее основания атмосферное давление равно 750 мм рт. ст.? Давление выразите в мм рт. ст. и в единицах СИ, округлив оба значения до целых.

46.4. Выберите на рисунке и обведите график, который наиболее правильно отражает зависимость атмосферного давления p от высоты h над уровнем моря.

46.5. У кинескопа телевизора размеры экрана составляют l = 40 см и h = 30 см. С какой силой давит атмосфера на экран с наружной стороны (или какова сила давления), если атмосферное давление pатм = 100 кПа?

47.1. Постройте график зависимости давления p, измеряемого под водой, от глубины погружения h, заполнив предварительно таблицу. Считайте g = 10 Н/кг, pатм = 100 кПа.


47.2. На рисунке изображен открытый жидкостный манометр. Цена деления и шкалы прибора 1 см.
а) Определите, на сколько давление воздуха в левом колене манометра отличается от атмосферного. 10 мм

б) Определите давление воздуха в левом колене манометра с учетом того, что атмосферное давление 100 кПа.
р (лев) + p*g*h = p(атм) + p*g*h

47.3. На рисунке показана U-образная трубка, заполненная ртутью, правый конец которой закрыт. Чему равно атмосферное давление, если разность уровней жидкости в коленах U-образной трубки равна 765 мм, а мембрана погружена в воду на глубину 20 см?

47.4. а) Определите цену деления и показание металлического манометра (рис. а).

б) Опишите принцип действия прибора, используя цифровые обозначения деталей (рис. б).
Основная часть – согнутая в дугу металл. трубка 1, с помощью крана 4 сообщается с сосудом, в котором измеряется давление. Движение закрытого конца трубки при помощи рычага 5 и зубчатки 3 передается стрелке 2.

48.1. а) Зачеркните ненужные из выделенных слов, чтобы получилось описание работы поршневого насоса, изображенного на рисунке.

При движении рукоятки насоса вниз поршень в сосуде А движется вверх, вниз, верхний клапан открыт, закрыт, нижний клапан открыт, закрыт, вода из сосуда В не перемещается в пространство под поршнем, вода из отводящей трубы не выливается.

б) Опишите, что происходит при движении рукоятки насоса вверх.
Поршень движется вверх, вместе с ним поднимается вода из сосуда В, открывается нижний клапан и вода движется за поршнем. Вода из отводящей трубы выливается.

48.2. Поршневым насосом, схема которого приведена в задании 48.1, при нормальном атмосферном давлении можно поднять воду на высоту не более 10 м. Объясните почему.

48.3. Вставьте в текст пропущенные слова, чтобы получилось описание работы поршневого насоса с воздушной камерой.

49.1. Допишите формулы, показывающие правильные соотношения между площадями покоящихся поршней гидравлической машины и массами грузов.

49.2. Площадь малого поршня гидравлической машины равна 0,04 м2, площадь большого – 0,2 м2. С какой силой следует действовать на малый поршень, чтобы равномерно поднять груз массой 100 кг, находящийся на большом поршне?

49.3. Заполните пропуски в тексте, описывающем принцип действия гидравлического пресса, схема устройства которого показана на рисунке.

49.4. Опишите принцип действия отбойного молотка, схема устройства которого показана на рисунке.

По шлангу 3 подается сжатый воздух. Устройство 2, называемое золотником, направляет его поочередно то в верхнюю, то в нижнюю часть цилиндра. Под действием этого воздуха боек 4 начинает быстро перемещаться то в одну, то в другую сторону, периодически (с частотой 1000 – 1500 ударов в минуту), воздействуя на пику 1.

49.5. На рисунке показана схема устройства пневматического тормоза железнодорожного вагона.


а) Вставьте в текст пропущенные цифры, обозначающие соответствующие им детали на рисунке. «Когда магистраль ____ и резервуар 3 заполнены сжатым воздухом, его давление на поршень ___ тормозного цилиндра с обеих сторон одинаково, тормозные колодки при этом не касаются колес».

б) Выберите правильный порядок пропущенных цифр, обозначающих детали в тексте.
✓ 1 – 4 – 7 – 4 – 5 – 6

Лабораторная работа № 11

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Важнейший признак жидкости - существование свободной поверхности . Молекулы поверхностного слоя жидкости, имеющего толщину порядка 10 -9 м, находятся в ином состоянии, чем молекулы в толще жидкости. Поверхностный слой оказывает на жидкость давление, называемое молекулярным , что приводит к появлению сил, которые называются силами поверхностного натяжения .

Силы поверхностного натяжения в любой точке поверхности направлены по касательной к ней и по нормали к любому элементу линии, мысленно проведенной на поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения -физическая величина, показывающая силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины линии, разделяющей поверхность жидкости на части:

С другой стороны, поверхностное натяжение можно определить как величину, численно равную свободной энергии единицы поверхностного слоя жидкости. Под свободной энергией понимают ту часть энергии системы, за счет которой может быть совершена работа при изотермическом процессе.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости. Для каждой жидкости он является функцией температуры и зависит от того, какая среда находится над свободной поверхностью жидкости.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Экспериментальная установка изображена на рис. 1. Она состоит из аспиратора А, соединенного с микроманометром М и сосудом В, в котором находится исследуемая жидкость. В аспиратор наливается вода. С помощью крана К аспиратор А может отсоединяться от сосуда В и присоединяться к такому же сосуду С с другой исследуемой жидкостью. Сосуды В и С плотно закрываются резиновыми пробками, имеющими по отверстию. В каждое отверстие вставляется стеклянная трубочка, конец которой представляет собой капилляр. Капилляр погружается на очень малую глубину в жидкость (так, чтобы он только касался поверхности жидкости). Микроманометр измеряет разность давления воздуха в атмосфере и аспираторе, или, что то же самое, в капилляре и сосуде В или С.

Микроманометр состоит из двух сообщающихся сосудов, один из которых представляет собой чашку большого диаметра, а другой наклонную стеклянную трубку малого диаметра (2 - 3 мм) (рис. 2). При достаточно большом отношении площадей сечений чашки и трубки можно пренебречь изменением уровня в чашке. Тогда по уровню жидкости в трубке малого диаметра можно определить измеряемую величину разности давлений:

где - плотность манометрической жидкости; - расстояние вдоль трубки принимаемого неизменным уровня жидкости в чашке; - угол, образованный наклонной трубкой с плоскостью горизонта.

В начальный момент времени, когда давление воздуха над поверхностью жидкости в капилляре и сосуде В одинаково и равно атмосферному, уровень смачивающей жидкости в капилляре выше, чем в сосуде В, а уровень несмачивающей – ниже, так как смачивающая жидкость в капилляре образует вогнутый мениск, а несмачивающая - выпуклый.

Молекулярное давление под выпуклой поверхностью жидкости больше, а под вогнутым - меньше относительно давления под плоской поверхностью. Молекулярное давление, обусловленное кривизной поверхности, принято называть избыточным капиллярным давлением (давлением Лапласа) . Избыточное давление под выпуклой поверхностью считается положительным, под вогнутой - отрицательным. Сила этого давления всегда направлена к центру кривизны сечения поверхности. В случае сферической поверхности избыточное давление можно вычислить по формуле:

где - поверхностное натяжение, - радиус сферической поверхности.

Смачивающая капилляр жидкость поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости высотой (рис. 3) не уравновесит избыточного давления, направленного в этом случае вверх. Высота определяется из условия равновесия:

где - ускорение свободного падения, т.е.

Если, повернув кран аспиратора А, медленно выпускать из него воду, то давление воздуха в аспираторе, в соединенных с ним сосуде В и наклонном колене микроманометра, начнет уменьшаться. В капилляре же над поверхностью жидкости давление равно атмосферному. В результате увеличивающейся разности давлений мениск жидкости в капилляре будет опускаться, сохраняя кривизну, пока не опустится до нижнего конца капилляра (рис. 3в). В этот момент давление воздуха в капилляре будет равно:

где - давление воздуха в сосуде В, - глубина погружения капилляра в жидкость, - давление Лапласа. Разность давлений воздуха в капилляре и сосуде В равна:

С этого момента начинает меняться кривизна мениска. Давление воздуха в аспираторе и сосуде В продолжает уменьшаться. Так как разность давлений увеличивается, радиус кривизны мениска убывает, а кривизна возрастает. Наступает момент, когда радиус кривизны становится равным внутреннему радиусу капилляра (рис. 3в), а разность давлений становится максимальной. Затем радиус кривизны мениска снова увеличивается, и равновесие будет неустойчивым. Образуется пузырек воздуха, который отрывается от капилляра и поднимается на поверхность. Жидкость затягивает отверстие. Далее все повторяется. На рис. 4 показано, как меняется радиус кривизны мениска жидкости, начиная с момента, когда он дошел до нижнего конца капилляра.

Из сказанного выше следует, что:

, (1)

где - внутренний радиус капилляра. Эту разность можно определить с помощью микроманометра, так как

где - плотность манометрической жидкости, - максимальное смещение уровня жидкости в наклонной трубке микроманометра, - угол между наклонным коленом микроманометра и горизонталью (см. рис. 2).

Из формул (1) и (2) получим:

. (3)

Так как глубина погружения капилляра в жидкость ничтожна , то ею можно пренебречь, тогда:

или , (4)

где - внутренний диаметр капилляра.

В том случае, когда жидкость не смачивает стенки капилляра, за в формуле (4) принимают внешний диаметр капилляра. В качестве манометрической жидкости в микроманометре используется вода ( = 1×10 3 кг/м 3).

ИЗМЕРЕНИЯ. 1. Плотно закрыть резиновой пробкой капилляр, предварительно измерив его внутренний диаметр с помощью микроскопа. Капилляр вставить в отверстие пробки. Конец трубки привести в соприкосновение с жидкостью.

2. Налить в аспиратор воду до метки и закрыть его. Добиться равенства давлений в обоих коленах микроманометра, для чего на короткое время извлечь кран К. Установить его в такое положение, в котором он соединяет сосуд с аспиратором.

3. Открыть кран аспиратора настолько, чтобы изменение давления происходило достаточно медленно. Пузырьки воздуха должны отрываться примерно через каждые 10-15 с. После установления указанной частоты образования пузырьков можно проводить измерения.

ЗАДАНИЕ.

1. С помощью термометра определить и записать комнатную температуру T .

2. Девять раз определить максимальное смещение уровня жидкости в наклонном колене микроманометра. Для расчета коэффициента поверхностного натяжения взять среднее значение Н ср .

Задача 1

Турист проехал на велосипеде за один день 40 км. При этом с 9.00 до 11.20 он ехал со скоростью, которая равномерно возрастала со временем от 10 км/ч до 14 км/ч. Затем турист загорал на пляже. На оставшийся путь он потратил время с 18.30 до 20.00. Определите среднюю скорость туриста на вечернем участке поездки.

Возможное решение

С 9.00 до 11.20 турист ехал со средней скоростью (10 + 14)/2 = 12 км/ч (так как скорость возрастала равномерно со временем). Значит, за это время турист проехал расстояние

За время с 18.30 до 20.00 велосипедист проехал 40 – 28 = 12 км. Следовательно, средняя скорость туриста на вечернем участке поездки равна:

Критерии оценивания

  • Средняя скорость туриста на утреннем участке поездки (12 км/ч): 4 балла
  • Расстояние, которое проехал турист с 9.00 до 11.20 (28 км): 2 балла
  • Расстояние, которое проехал турист с 18.30 до 20.00 (12 км): 2 балла
  • Средняя скорость туриста на вечернем участке поездки (8 км/ч): 2 балла

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 2

Система, состоящая из двух однородных стержней разной плотности, находится в равновесии. Масса верхнего стержня m 1 = 1,4 кг. Трение пренебрежимо мало.

Определите, при какой массе m 2 нижнего стержня возможно такое равновесие.

Возможное решение

Так как нижний стержень подвешен за концы, находится в равновесии и его центр тяжести располагается посередине, то силы реакции нитей, действующие на него, одинаковы и равны по модулю m 2 g/2 . Запишем уравнение моментов для верхнего стержня относительно точки крепления левой (верхней) нити:

Критерии оценивания

Силы реакции нитей, действующие на нижний стержень, равны: 3 балла

Значения модулей этих сил реакций (m 2 g/2 ): 2 балла

Уравнение моментов: 4 балла

m 2 = 1,2 кг : 1 балл

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 3

В цилиндрическом сосуде с водой находится частично погружённое в воду тело, привязанное натянутой нитью ко дну сосуда. При этом тело погружено в воду на две трети своего объёма. Если перерезать нить, то тело всплывёт и будет плавать погружённым в воду наполовину. На сколько при этом изменится уровень воды в сосуде? Масса тела m = 30 г, плотность воды ρ = 1,0 г/см 3 , площадь дна сосуда S = 10 см 2 .

Возможное решение 1

Сила давления стакана на стол (после перерезания нити) не изменится, следовательно,

T = ρ·g· ∆h· S, где ܶT – сила реакции со стороны нити, ∆h – изменение уровня воды. Запишем уравнение равновесия тела в первом случае:

Mg = ρg·(1/2)·V

Из последних двух уравнений находим, что ܶT = 1/3 · mg

Окончательно получаем:

Критерии оценивания

  • Сила давления стакана на стол не изменится: 2 балла
  • Уравнение равновесия тела в первом случае: 2 балла
  • Уравнение равновесия тела во втором случае: 2 балла
  • T = 1/3 · mg: 1 балл
  • ∆h = T/(ρ·g · S): 2 балла
  • ∆h = 0,01м: 1 балл

Возможное решение 2

Уравнение равновесия тела во втором случае:

mg = ρg · ½ · V ⟹ V = 2m/ρ, где ܸV – объём тела.

Изменение объёма погружённой части тела равно:

Окончательно получаем:

Критерии оценивания

  • mg = ρg · ½ · V: 4 балла
  • ∆V = 1/6 · V : 2 балла
  • ∆h = ∆V/S: 3 балла
  • ∆h = 0,01 м: 1 балл

Максимум за задачу – 10 баллов .

Задача 4

Определите давление воздуха над поверхностью жидкости в точке А внутри закрытого участка изогнутой трубки, если ρ = 800 кг/м 3 , h = 20 см, p 0 = 101 кПа, g = 10 м/с 2 . Жидкости плотностями ρ и 2ρ друг с другом не смешиваются.

Решенные задачи из учебника ФИЗИКА. Методические указания и контрольные задания. Под редакцией А. Г. Чертова

Ниже приведены условия задач и отсканированные листы с решениями. Загрузка страницы может занять некоторое время.

209. Определить относительную молекулярную массу Mr 1) воды; 2) углекислого газа; 3) поваренной соли.

219. В сосуде объемом V = 40 л находится кислород при температуре Т = 300 К. Когда часть кислорода израсходовали, давление в баллоне понизилось на Δр=100кПа.Определить массу Δm израсходованного кислорода. Процесс считать изотермическим.

229. В азоте взвешены мельчайшие пылинки, которые движутся так, как если бы они были очень крупными молекулами. Масса каждой пылинки равна 6×10-10г. Газ находится при температуре T=400 К. Определить средние квадратичные скорости, а также средние кинетические энергии поступательного движения молекулы азота и пылинки.

239. Трехатомный газ под давлением P = 240кПа и температуре T = 20°C занимает объем V=10л. Определить теплоемкость Ср этого газа при постоянном давлении.

249. Средняя длина свободного пробега молекулы водорода при некоторых условиях равна 2 мм. Найти плотность ρ водорода при этих условиях.

259. Какая доля ω1 количества теплоты Q, подводимого к идеальному двухатомному газу при изобарном процессе, расходуется на увеличение ΔU внутренней энергии газа и какая доля ω2 на работу А расширения? Рассмотреть три случая, если газ: 1) одноатомный; 2) двухатомный; 3) трехатомный.

269. Газ, совершающий цикл Карно, получает теплоту Q1 = 84кДж. Определить работу А газа, если температура T1 теплоотдатчика в три раза выше температуры T2 теплоприемника.

279. Воздушный пузырек диаметром d = 2,2 мкм находится в воде у самой ее поверхности. Определить плотность ρ воздуха в пузырьке, если воздух над поверхностью воды находится при нормальных условиях.