В каком состоянии вещества плотность повышается с температурой
Масса m любого вещества равна его объему V, умноженному на его плотность р: m = V х p. Когда вещество нагревается, его масса m не изменяется. Поэтому, когда его объем увеличивается при возрастании температуры, его плотность должна уменьшаться. Это изменение плотности неособенно заметно в твердых телах, но оно весьма важно для жидкостей и газов (текучих), поскольку является причиной возникновения конвекционных потоков. Расширение U-образной трубки не должно приниматься во внимание при рассмотрении расширения жидкости.
- осушить трубы, если это возможно;
- тщательно изолировать те из них, которые не могут быть осушены;
- возле труб, которые могут замерзнуть, держать источник тепла.
В жидкостном манометре давление внизу трубки зависит лишь от высоты столбика жидкости и ее плотности (hpg), а не от количества жидкости в трубке. Таким образом, площадь поперечного сечения трубки не имеет значения.
Исследование. Продемонстрировать изменение плотности воды при ее замерзании
Поместите колбу, заполненную водой, с термометром и расширительной трубкой в большой лабораторный стакан и заполните окружающее ее пространство охлаждающей смесью льда и соли (см. рис.).
Через определенные промежутки времени снимайте показания температуры воды и ее уровня. Мениск будет виден лучше, если воду слегка подкрасить. Хорошо также иногда встряхивать колбу, чтобы происходило перемешивание. Постройте график зависимости показаний уровня воды от температуры. По мере уменьшения температуры уменьшается и объем воды до тех пор, пока температура не станет равной 4 °С.
С этого момента объем начинает увеличиваться, и, когда температура достигает 0 °С, происходит большое увеличение объема (вода даже может вылиться из трубки). Вывод состоит в том, что вода имеет минимальный объем при 4 °С.
Аномальное расширение воды
Вода является настолько жизненно важным веществом, что знать ее поведение просто крайне необходимо. На рисунке показано, как объем воды фиксированной массы изменяется от -20 °С до 100 °С. Лед медленно расширяется, пока не достигнет 0°С, и затем тает. Объем воды при 0 °С составляет 10/11 объема льда при 0 °С, и этот объем продолжает уменьшаться, пока не достигается температура 4 °С.
После этого объем увеличивается при нагревании до температуры 100°С, но не равномерно. Однако объем воды и при 100 °С все же меньше объема льда при 0 °С. При 100 °С вода превращается в пар, и ее объем при атмосферном давлении увеличивается в 1650 раз.
Можно заметить, что вода имеет минимальный объем и максимальную плотность при 4 °С. Это устраивает и конькобежцев, и живое подо льдом. Лед, будучи менее плотным, чем вода, формируется на ее поверхности. Поскольку лед – плохой проводник, он предохраняет воду под ним. Животный и растительный мир подо льдом выигрывает, так как температура на дне глубокого водоема, скорее всего, не упадет ниже 4 °С. Как только достигается эта температура, ослабляются конвекционные потоки, связанные с охлаждением (конвекционные потоки возникают вследствие как охлаждения, так и нагревания.)
Неприятным последствием своеобразного поведения воды является разрыв водопроводных труб в большие холода. Когда вода при 0 °С превращается в лед, то объем увеличивается на 1/11. Это очень большое расширение, и возникает громадная сила, если нет пространства, которое требуется для этого расширения. В результате водопроводная труба может лопнуть или же будут разорваны соединения.
Некоторые считают, что водопроводные трубы разрываются во время оттепели. Фактически же трубы разрываются, когда вода в них замерзает, но сам разрыв незаметен явно до тех пор, пока вода не начнет вытекать из дыры во время оттепели.
Необходимо принять следующие предосторожности во время холодного периода:
Если вам рано утром в холодную погоду приносят молоко, то вы, может быть, замечали столбик застывших сливок, выступающих у горлышка бутылки, когда она наполнена доверху. Ясно, что если пробка легко не вынимается, то бутылка может лопнуть. Точно так же нужно быть осторожным, когда вы ставите в холодильник посуду с пищей, которая содержит много воды. В сосуде должно быть оставлено достаточно места для расширения замерзающей жидкости, иначе она может перелиться через край или же лопнет сам сосуд.
В природе встречаются явления, которые показывают, насколько большая сила действует при замерзании воды: под ее воздействием раскалываются камни и растрескивается почва. Когда зимой земля полита водой и она замерзает, то происходит значительное ее расширение, вследствие чего растрескивается почва. При высыхании почва крошится. Когда трещина в камне наполняется водой, то сначала она замерзает на поверхности, покрывает ее льдом. Если температура упадет достаточно низко, чтобы замерзла вся вода, то сила, возникающая при ее расширении, может заставить отколоться достаточно большой кусок камня.
Просмотров: 27038
Опубликовано: 15.01.2014
Источник
Плотность — физическая величина, характеризующая физические свойства вещества, которая равна отношению массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) можно расчитать по формуле:
[ρ] = кг/м³; [m] = кг; [V] = м³.
где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность».
Все вещества состоят из молекул, следовательно масса всякого тела складывается из масс его молекул. Это подобно тому, как масса пакета с конфетами складывается из масс всех конфет в пакете. Если все конфеты одинаковы, то массу пакета с конфетами можно было бы определить, умножив массу одной конфеты на число конфет в пакете.
Молекулы чистого вещества одинаковы. Поэтому масса капли воды равна произведению массы одной молекулы воды на число молекул в капле.
Плотность вещества показывает, чему равна масса 1 м³ этого вещества.
Плотность воды равна 1000 кг/м³, значит, масса 1 м³ воды равна 1000 кг. Это число можно получить, умножив массу одной молекулы воды на число молекул, содержащихся в 1 м³ его объёма.
Плотность льда равна 900 кг/м³, это означает, что масса 1 м³ льда равна 900 кг.
Иногда используют единицу измерения плотности г/см³, поэтому ещё можно сказать, что масса 1см³ льда равна 0,9 г.
Каждое вещество занимает некоторый объём. И может оказаться, что объёмы двух тел равны, а их массы различны. В этом случае говорят, что плотности этих веществ различны.
Также при равенстве масс двух тел их объёмы будут различны. Например, объём льда почти в 9 раз больше объёма железного бруса.
Плотность вещества зависит от его температуры.
При повышении температуры обычно плотность уменьшается. Это связано с термическим расширением, когда при неизменной массе увеличивается объём.
При уменьшении температуры плотность увеличивается. Хотя существуют вещества, плотность которых в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе. Например, вода, бронза, чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.
Источник
Решение задач
Задача №1.
Прямоугольная металлическая пластинка длиной 5 см, шириной 3 см и толщиной 5 мм имеет массу 85 г. Из какого материала она может быть иготовлена?
Анализ физической проблемы. Чтобы ответить на поставленный вопрос, необходимо определить плотность вещества, из которого изготовлена пластинка. Затем, воспользовавшись таблицей плотностей, определить – какому веществу соответствует найденое значение плотности. Эту задачу можно решить в данных единицах (т.е. без перевода в СИ).
Задача №2.
Медный шар объёмом 200 см3 имеет массу 1,6 кг. Определите, цельный этот шар или пустой. Если шар пустой, то определите объём полости.
Анализ физической проблемы. Если объём меди меньше объёма шара Vмед<Vш, то шар пустой. Понятно, что объём пустоты Vпуст = Vш – Vмед . Чтобы найти объём пустоты, выясним, какой объём занимает в шаре медь. Плотность меди найдём в таблице. В этой задаче следует массу подать в граммах, объём – в сантиметрах кубических, плотность, соответственно, – в г/см3.
Задача №3.
Канистра, которая вмещает 20 кг воды, наполнили бензином. Определите массу бензина в канистре.
Анализ физической проблемы. Для определения массы бензина в канистре нам необходимо найти плотность бензина и ёмкость канистры, которая равна объёму воды. Объём воды определим по её массе и плотности. Плотность воды и бензина найдём в таблице. Задачу лучше решать в единицах СИ.
Задача №4.
Из 800 см3 олова и 100 см3 свинца изготовили сплав. Какова его плотность? Каково отношение масс олова и свинца в сплаве?
Источник
Плотность — это интенсивность распределения одной величины по другой.
Термин объединяет несколько различных понятий, таких как: плотность вещества; оптическая плотность; плотность населения; плотность застройки; плотность огня и многие другие. Рассмотрим два понятия, касающихся неразрушающего контроля.
1. Плотность вещества.
В физике плотностью вещества называют массу этого вещества, содержащуюся в единице объёма при нормальных условиях. Тела одинакового объёма, изготовленные из различных веществ, обладают различной массой, что и характеризует их плотность. К примеру, два куба одинаковых размеров, изготовленные из чугуна и алюминия, будут отличаться весом и плотностью.
Чтобы вычислить плотность какого-либо тела, нужно точно определить его массу и разделить её на точный объём этого тела.
кг/м3
— Единицы измерения
плотности в международной
системе единиц (СИ)
г/см3
— Единицы измерения
плотности в системе СГС
Выведем формулу вычисления плотности.
Для примера определим плотность бетона. Возьмём бетонный кубик весом 2,3 кг со стороной 10 см. Подсчитаем объём кубика.
Подставляем данные в формулу.
Получаем плотность 2 300 кг/м3.
Бетонный куб со стороной 10 см
График зависимости плотности воды от температуры
От чего зависит плотность вещества
Плотность вещества зависит от температуры. Так в подавляющем большинстве случаев при снижении температуры плотность увеличивается. Исключение составляют вода, чугун, бронза и некоторые другие вещества, которые в определённом температурном диапазоне проявляют себя иначе. Вода, например, имеет максимальную плотность при 4 °C. При повышении или понижении температуры плотность будет уменьшатся.
Плотность вещества меняется и при изменении его агрегатного состояния. Она скачкообразно растёт при переходе вещества из газообразного в жидкое состояние, и далее — в твёрдое. Здесь также есть исключения: плотность воды, висмута, кремния и некоторых других веществ снижается при затвердевании.
Чем измеряется плотность вещества
Для измерения плотности различных веществ применяются специальные приборы и приспособления. Так, плотность жидкостей и концентрация растворов измеряется различными ареометрами. Несколько разновидностей пикнометров предназначены для измерения плотности твёрдых тел, жидкостей и газов.
Металлический пикнометр
2. Оптическая плотность.
В физике оптической плотностью называют способность прозрачных материалов поглощать свет, а непрозрачных — отражать его. Это понятие в большинстве случаев характеризует степень ослабления светового излучения при прохождении его через слои и плёнки различных веществ.
Оптическую плотность принято выражать десятичным логарифмом отношения падающего на объект потока излучения к потоку, прошедшему через объект или отражённому от него:
D = lg (F0/F)
Оптическая плотность=логарифм (поток излучения, падающий на объект где D – оптическая плотность; F0 – поток излучения, падающий на объект; F – поток излучения, прошедший через объект или отражённый от него).
В радиографическом методе контроля оптическая плотность является одним из основных параметров, определяющих пригодность снимков для их расшифровки. Допустимые значения этого параметра обусловлены требованиями ГОСТ 7512-82 (раздел 6 – расшифровка снимков).
Оптическая плотность измеряется в Беллах, сокращённое обозначение — «Б». Для измерения оптической плотности используется денситометр. Прибор сравнивает яркость негатоскопа и яркость точки на плёнке. По этим двум значениям прибор определяет оптическую плотность. Чем выше плотность, тем темнее изображение.
Денситометр ДП 5004
Нашли ошибку в тексте? Выделите её и нажмите Ctrl + Enter, чтобы помочь нам её исправить.
Источник
План-конспект урока «Насыщенный пар. Давление насыщенного пара.
Влажность воздуха»
10 класс
Цели
урока: познакомить учащихся с новыми понятиями – насыщенный и
ненасыщенный пар, абсолютная и относительная влажность, точка росы; со
способами измерения влажности; ознакомить с приборами для измерения влажности
воздуха.
Задачи:
1.
Образовательные:
·
сформировать представление о насыщенном и ненасыщенном паре,
абсолютной и относительной влажности воздуха, точке росы;
·
продемонстрировать способы измерения влажности воздуха при
рассмотрении приборов для ее измерения – гигрометра, психрометра;
·
организовать деятельность учащихся по приобретению новых знаний;
·
вызвать интерес учащихся к занятию, придать ему
поисково-творческий характер.
2.
Развивающие:
·
развивать у учащихся потребность в творческой деятельности, в
самовыражении через различные виды работы;
·
развивать умение анализировать информацию, пользоваться таблицами,
справочниками и другими источниками информации.
3.
Воспитательные:
·
показать важность понятия влажности воздуха в жизнедеятельности
человека;
·
сформировать умение работать в команде.
Тип
урока: комбинированный.
Оборудование:
·
компьютер и мультимедиа-проектор, презентация к уроку, презентации
учащихся, психрометрическая таблица;
·
термометр, кусочек марли, сосуд с водой комнатной температуры,
гигрометр, психрометр.
План
урока:
1.
Организационный момент.
2.
Актуализация знаний.
3.
Объяснение нового материала.
4.
Практическая работа «Определение относительной влажности в
кабинете физики».
5.
Первичное закрепление изученного материала.
6.
Подведение итогов урока.
7.
Домашние задание.
В
течение урока процессы, физические явления, формулы, графики зависимости,
таблицы, задачи, тесты, вопросы, демонстрируются с помощью презентации.
Ход урока
I. Изучение нового
материала
Водяной пар в воздухе,
несмотря на огромные поверхности рек, озер, океанов, не является насыщенным,
атмосфера – открытый сосуд. Движение воздушных масс приводит к тому, что в
одних местах в данный момент испарение воды преобладает над конденсацией, а в
других – наоборот.
Содержание водяного
пара в воздухе – его влажность – характеризуется рядом величин. Атмосферный
воздух представляет собой смесь различных газов и водяного пара.
Давление, которое
производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали, называют
парциальным давлением (или упругостью) водяного пара.
За характеристику
влажности воздуха может быть принята плотность водяного пара S,
содержащегося в воздухе. Эту величину называют абсолютной
влажностью S [г/м3].
Абсолютные влажность и
парциальное давление водяного пара связаны уравнением:
Парциальное давление
водяного пара или абсолютная влажность ничего не говорят о том, насколько
водяной пар далек от насыщения.
Для этого вводят
величину, показывающую, насколько водяной пар при данной температуре близок к
насыщению, – относительную влажность:
Р – парциальное
давление при данной температуре;
Р0 –
давление насыщенного пара при той же температуре;
S – абсолютная
влажность;
S0 –
плотность насыщенного водяного пара при данной температуре.
Давление и плотность
насыщенного пара при различных температурах можно найти, воспользовавшись
специальными таблицами.
При охлаждении влажного
воздуха при постоянном давлении его относительная влажность повышается, чем
ниже температура, тем ближе парциальное давление пара в воздухе к давлению
насыщенного пара.
Температура t, до
которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем пар достиг состояния
насыщения (при данной влажности воздуха и неизменном давлении), называется точкой
росы.
Давление насыщенного
водяного пара при температуре воздуха, равной точке росы, есть парциальное
давление водяного пара, содержащегося в атмосфере. При охлаждении воздуха до
точки росы начинается конденсация паров: появляется туман, выпадает роса. Точка
росы также характеризует влажность воздуха.
Влажность воздуха можно
определить специальными приборами.
1. Гигрометр
С его помощью
определяют точку росы. Это наиболее точный способ изменения относительной
влажности.
2. Волосяной гигрометр
Его действие основано
на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при увеличении
относительной влажности.
Применяется в тех
случаях, когда в определении влажности воздуха не требуется большой точности.
3. Психрометр
Обычно пользуются в тех
случаях, когда требуется достаточно точное и быстрое определение влажности
воздуха.
Значение влажности
воздуха для живых организмов
При температуре 20-25
°С наиболее благоприятным для жизни человека считается воздух с относительной
влажностью от 40 до 60 %. Когда окружающая среда имеет температуру более
высокую, чем температура тела человека, то происходит усиленное потоотделение.
Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма. Однако такое
потоотделение является значительной нагрузкой для человека.
Относительная влажность
ниже 40 % при нормальной температуре воздуха также вредна, так как приводит к
усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию. Особенно
низкая влажность воздуха в помещениях в зимнее время; она составляет 10-20 %. При
низкой влажности воздуха происходит быстрое испарение влаги с поверхности и
высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что может привести к
ухудшению самочувствия. Также при низкой влажности воздуха во внешней среде
дольше сохраняются патогенные микроорганизмы, а на поверхности предметов
скапливается больше статического заряда. Поэтому в зимнее время в жилых
помещениях производят увлажнение с помощью пористых увлажнителей. Хорошими
увлажнителями являются растения.
Если относительная
влажность высокая, то мы говорим, что воздух влажный и удушливый. Высокая
влажность воздуха действует угнетающе, поскольку испарение происходит очень
медленно. Концентрация паров воды в воздухе в этом случае высока, вследствие
чего молекулы из воздуха возвращаются в жидкость почти так же быстро, как и
испаряются. Если пот с тела испаряется медленно, то тело охлаждается очень
слабо, и мы чувствуем себя не совсем комфортно. При относительной влажности 100
% испарение вообще не может происходить – при таких условиях мокрая одежда или
влажная кожа никогда не высохнут.
Из курса биологии вы
знаете о разнообразных приспособлениях растений в засушливых местностях. Но
растения приспособлены и к высокой влажности воздуха. Так, родина Монстеры –
влажный экваториальный лес. Монстера при относительной влажности, близкой к 100
%, «плачет», она удаляет избытки влаги через отверстия в листьях – гидатоды.
В современных зданиях
производится кондиционирование воздуха – создание и поддержание в закрытых
помещениях воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей. При
этом автоматически регулируется температура, влажность, состав воздуха.
Исключительное значение
для образования заморозка имеет влажность воздуха. Если влажность велика и
воздух близок к насыщению парами, то при понижении температуры воздух может
стать насыщенным и начнет выпадать роса. Но при конденсации водяных паров
выделяется энергия (удельная теплота парообразования при температуре, близкой к
0 °С, равна 2490 кДж/кг). Поэтому воздух у поверхности почвы при образовании
росы не будет охлаждаться ниже точки росы и вероятность наступления заморозка
уменьшится. Вероятность заморозка зависит, во-первых, от быстроты понижения
температуры и, во-вторых, от влажности воздуха. Достаточно знать некоторые из
этих данных, чтобы более или менее точно предсказать вероятность заморозка.
IV. Повторение
изученного
1. Что понимается под
влажностью воздуха?
2. Что называют
абсолютной влажностью воздуха? Какая формула выражает смысл этого понятия? В
каких единицах ее выражают?
3. Что такое упругость
водяного пара?
4. Что называют
относительной влажностью воздуха? Какие формулы выражают смысл этого понятия в
физике и метеорологии? В каких единицах ее выражают?
5. Относительная
влажность воздуха 70 %, что это значит?
6. Что называют точкой
росы?
7. С помощью каких
приборов определяют влажность воздуха?
8. Каковы субъективные
ощущения влажности воздуха человеком?
9. Начертив рисунок,
объясните устройство и принцип работы волосяного и конденсационного гигрометров
и психрометра.
V. Решение задач
1. Плотность водяного
пара при температуре 50 °С равна 83 г/м3. Насыщенный это пар или
ненасыщенный?
Решение: Чтобы ответить
на вопрос задачи, необходимо определить давление водяного пара при данной
температуре.
Согласно уравнению
Менделеева-Клапейрона:
μ = 18 · 10-3 кг/моль
– молярная масса водяного пара, которая равна молярной массе воды Н2O.
Следовательно, при
температуре 50 °С давление насыщенного пара ≈ 12,577 кПа. Определим по таблице
давление насыщенного пара воды при температуре 50 °С. Оно равно 12,3 кПа, что
меньше давления пара, рассчитанного в задаче, следовательно, пар является
перенасыщенным.
(Ответ: Р = 12,4 кПа –
пар перенасыщенный.)
2. Давление насыщенного
пара спирта при 0 °С равно 1,6 кПа, а при 60 °С – 46,6 кПа. Сравнить значения
плотности пара при этих температурах.
Решение:
Плотность пара можно
определить из уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что плотность
С увеличением давления
и температуры плотность пара увеличивается. Найдем отношение плотности при двух
значениях давления Р и температуры Т, учитывая, что молярная масса не менялась.
T. е. при t° = 60
°С плотность паров спирта примерно в 24 раза больше плотности паров спирта при
0 °С. (Ответ: ≈ 24.)
3. При каком давлении
вода будет кипеть при 21°С? (Ответ: Вода будет кипеть при температуре 21 °С при
давлении 2,49 кПа.)
4. Может ли вода
находиться в жидком состоянии при температуре 360 °С; 380 °С? (Ответ: при
температуре 360 °С вода может находиться в жидком состоянии, а при температуре
380 “С вода находится в газообразном состоянии.)
5. В каком состоянии
вещества плотность повышается с повышением температуры и почему это происходит?
(Ответ: Плотность вещества повышается с повышением температуры в состоянии
насыщенного пара, т. к. с увеличением температуры скорость движения частиц
увеличивается, испарение происходит быстрее. Поэтому плотность насыщенного пара
начинает повышаться и динамическое равновесие между жидкостью и паром наступает
при большей плотности пара и при большей температуре.)
6. Почему в холодных
помещениях часто бывает сыро? (Ответ: При низких температурах относительная
влажность воздуха велика, а иногда достигает и 100 %, т. е. весь водяной пар,
содержащийся в воздухе, является насыщенным. Поэтому стены, пол и т. п. в
холодном помещении покрываются влагой, которая медленно испаряется.)
7. Почему зимой оконные
стекла потеют, если в комнате много людей? (Ответ: Большое скопление людей в
комнате повышает содержание водяного пара в воздухе, который близок к
насыщению. В таком состоянии достаточно небольшого охлаждения воздуха, чтобы
пар начал конденсироваться. Попадая на оконные стекла, пар конденсируется, т.
е. идет процесс перехода вещества (водяного пара) из газообразного состояния в
жидкое.)
8. Определите
абсолютную влажность воздуха, если парциальное давление пара в нем 14 кПа, а
температура 60 °С. (Ответ: с ≈ 9,1 · 10-2 кг/м3).
9. По гигрометру
обнаружено появление росы при температуре 10 °С. Какова относительная влажность
воздуха, если его температура 15 °С? (Ответ: φ = 71 %.)
10. Показания сухого
термометра в психрометре 15 °С, влажного – 12 °С. Определите относительную
влажность воздуха. (Ответ: φ = 71 %.)
Домашнее задание
Источник