Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Transkrypt

1 Statyka Cieczy i Gazów Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał 1. Podstawowe założenia teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał: Ciała zbudowane są z cząsteczek. Pomiędzy cząsteczkami występują wzajemne oddziaływania. Cząsteczki poruszają się bezładnie, a charakter ich ruchu jest zależny od wzajemnych oddziaływań cząsteczek i zmienia się przy zmianie stanu skupienia danego ciała. Średnia prędkość cząsteczek zależy od temperatury ciała Na energię całkowitą ciała składa się jego energia kinetyczna i potencjalna oraz energia wewnętrzne. 2. Trzy stany skupienia Biorąc pod uwagę właściwości mechaniczne, substancje można podzielić na dwie grupy : ciała stałe; płyny (ciecze i ciała lotne). Biorąc pod uwagę właściwości termodynamiczne substancji dzieli się je na trzy stany skupienia (stany fazowe substancji): 1

2 ciała stałe- mają własny kształt i objętość (sprężystość postaci i objętości); Rodzaje ciał stałych : a) kryształy - położenie cząsteczek jest uporządkowane, b) ciała bezpostaciowe ( amorficzne) - położenie cząsteczek nie jest uporządkowane Rodzaje kryształów : a) monokryształy gdy ciało tworzy je jeden kryształ b) polikryształy gdy ciało zbudowane jest z wielu kryształów ciecze - mają tylko własną objętość, - nie mają własnego kształtu- przyjmują kształt naczynia w którym się znajdują (tzn ich sprężystość postaci wynosi zero ) - prawie nie można zmienić ich objętości tzn posiadają sprężystość objętości ciała lotne (pary i gazy) - przyjmują kształt naczynia w którym się znajdują, - są ściśliwe i rozprężliwe tzn bardzo łatwo można zmienić ich objętość - zamknięte w naczyniu wypełniają je całkowicie (sprężystość objętości ) 3. Właściwości sprężyste ciał: sprężystość objętości - działanie siły powoduje zmianę objętości ciała; kiedy siła przestaje działać, objętość powraca do poprzedniej wartości; sprężystość postaci - działanie siły powoduje zmianę kształtu dala; kiedy siła przestaje działać, odkształcenie znika 4. Gęstością ρ nazywamy stosunek masy ciała m do jego objętości V. m V Jednostką gęstości jest 1 kg/m 3. 2

3 Temat : Prawo Pascala 1. Ciśnieniem nazywamy skalarną wielkość fizyczną równą stosunkowi wartości siły prostopadłej do powierzchni, na która ona działa, do wielkości tej powierzchni: p F S p - ciśnienie; F -siła; S - powierzchnia. Jednostką ciśnienia jest paskal (Pa) 2. Definicja jednostki ciśnienia - jeden paskal to takie ciśnienie, jakie wywiera siła 1N na powierzchnię 1 m 2. 1Pa= 1N/m 2 3. Prawo Pascala ( dla cieczy ) Jeżeli na ciecz będącą w równowadze wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to rozkłada się ono równomiernie w całej objętości cieczy. Siła parcia wywołana ciśnieniem zewnętrznym jest zawsze prostopadła do powierzchni, na którą działa. 4. Ciśnienie hydrostatyczne Ciśnieniem hydrostatycznym nazywamy ciśnienie wywierane przez nieruchomą ciecz, wywołane przez jej ciężar. Jest ono wprost proporcjonalne do wysokości słupa cieczy i jej gęstości ρ : p g h p - ciśnienie hydrostatyczne; ρ - gęstość cieczy; g - przyspieszenie ziemskie; h - wysokość słupa cieczy. Ciśnienie hydrostatyczne na danej głębokości zależy jedynie od grubości warstwy cieczy i od jej gęstości, nie zależy natomiast od całkowitej masy tej cieczy ani od kształtu naczynia. 3

4 5. Naczynia połączone Naczyniami połączonymi nazywa się układ dwu lub więcej naczyń połączonych ze sobą tak, by ciecz mogła swobodnie między nimi przepływać Poziom cieczy jednorodnej w naczyniach połączonych jest we wszystkich ramionach naczynia jednakowy. Wynika to z faktu, że dla cieczy o stałej gęstości w całej masie, ciśnienie jest stałe w płaszczyźnie poziomej, równolegle] do powierzchni swobodnej cieczy (równowaga cieczy w naczyniach połączonych wynika z równości ciśnień na dowolnie wybranym poziomie, nie z równości ciężarów. Jeżeli w naczyniach połączonych znajdują się dwie różne ciecze (nie mieszające się ciecze o różnych gęstościach), to ich poziomy w każdym z ramion są różne, tak aby na poziomie granicy pomiędzy cieczami, a więc i na każdym poziomie poniżej tej granicy, ciśnienie hydrostatyczne w obu ramionach było jednakowe. 4

5 Ostatnia zależność jest warunkiem równowagi dwóch nie mieszających się cieczy w naczyniach połączonych. Temat : Prawo Archimedesa 1. Prawo Archimedesa Na każde cioto zanurzone w cieczy działa siła wyporu zwrócona pionowo do góry i równa co do wartości ciężarowi wypartej przez to ciało cieczy (prawo Archimedesa w analogicznej postaci obowiązuje również dla gazów). F w = ρ g V F w - siła wyporu; V - objętość zanurzonego ciała; ρ - gęstość cieczy; g - przyspieszenie ziemskie. 2. Pływanie ciał : Ciało tonie, jeżeli jego gęstość jest większa od gęstości cieczy, w której zostało ono zanurzone. Ciało pływa całkowicie zanurzone, jeżeli jego gęstość jest równa gęstości cieczy. Ciało wypływa, jeżeli jego gęstość jest mniejsza od gęstości cieczy. Po wypłynięciu ciało takie pływa częściowo zanurzone, przy czym stosunek objętości zanurzonej części ciała do całej jego objętości jest równy stosunkowi gęstości ciała do gęstości cieczy. 3. Siły spójności - to siły wzajemnego oddziaływania pomiędzy cząsteczkami danego ciała. 4. Siły przylegania - to siły wzajemnego oddziaływania cząsteczek dwu różnych ciał. 5. Napięcie powierzchniowe W cieczy siły spójności działające na dowolną cząsteczkę są wywierane przez cząsteczki z jej najbliższego otoczenia. 5

6 W przypadku cząsteczek znajdujących się wewnątrz cieczy siły spójności działające na nie równoważą się. Na cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy działają siły spójności tylko ze strony cieczy. Siły te nie równoważą się - na każdą taką cząsteczkę działa siła wypadkowa F wyp skierowana do wnętrza cieczy, co prowadzi do napięcia powierzchni tej cieczy. Zjawisko to nazywa się napięciem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe sprawia, że ciecz ma zawsze najmniejszą powierzchnię możliwą w danych warunkach (np. kulisty kształt kropli. Sprężyste fale poprzeczne mogą rozchodzić się po powierzchni cieczy również dzięki napięciu powierzchniowemu. 6. Menisk Meniskiem - nazywamy zakrzywienie powierzchni cieczy przy ściankach naczynia, spowodowane różnicą wartości sił spójności i sil przylegania. Menisk wklęsły - powstaje wtedy, gdy siły spójności (pomiędzy cząsteczkami cieczy) są mniejsze niż siły przylegania (pomiędzy cząsteczkami cieczy i ciała stałego - naczynia), ciecz zwilża wówczas ścianki naczynia, np. woda w naczyniu szklanym. Menisk wypukły - powstaje wtedy, gdy siły spójności są większe niż siły przylegania (ciecz nie zwilża naczynia ) np. rtęć w naczyniu szklanym. 6

7 Temat : Rozszerzalność cieplna ciał 1. Rozszerzalnością cieplną ciał - nazywamy zjawisko zmiany objętości tych ciał podczas ich ogrzewania lub oziębiania. 2. Rozszerzalność objętościowa ciał stałych i cieczy Wraz ze zmianą temperatury zmienia się również objętość- ciał. Przyrost objętości spowodowany ogrzewaniem (lub ogólnie zmiana objętości spowodowana zmianą temperatury) jest wprost proporcjonalny do objętości początkowej oraz do przyrostu temperatury, zależy ponadto od rodzaju ogrzewanej substancji. V V0 1 T V objętość końcowa V 0 objętość początkowa ΔV przyrost objętości α współczynnik rozszerzalności objętościowej ΔT przyrost temperatury 3. Współczynnik rozszerzalności objętościowej Współczynnikiem rozszerzalności objętościowej ciała - nazywamy stosunek zmiany objętości ciała do objętości początkowej i zmiany temperatury: V 0 V T Jednostką współczynnika rozszerzalności objętościowej ciał w układzie SI jest 1/K. 7

8 4. Rozszerzalność liniowa ciał Jeżeli jeden wymiar ciała znacznie przewyższa dwa pozostałe (np. długość ciała stałego jest znacznie większa niż jego szerokość i wysokość, wówczas rozpatruje się rozszerzalność liniową (zaniedbuje się rozszerzalność w pozostałych wymiarach). Zmiana długości ciała, spowodowana zmianą temperatury, jest : wprost proporcjonalna do jego długości początkowej oraz przyrostu temperatury, zależy ponadto od rodzaju materiału l l0 1 T Δl - zmiana długości; l 0 - długość początkowa; l - długość końcowa; λ- współczynnik rozszerzalności liniowej; ΔT -przyrost temperatury. 5. Współczynnikiem rozszerzalności liniowej ciała - nazywamy stosunek zmiany długości ciała do jego długości początkowej i zmiany temperatury. l 0 l T Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej w układzie SI jest 1/K. Z dużą dokładnością można przyjąć, że pomiędzy wspólczynnikiem rozszerzalności liniowej α, a współczynnikiem rozszerzalności objętościowej λ zachodzi zależność: α = 3 λ 8

9 6. Anomalna rozszerzalność wody Woda w zakresie temperatur od 0 C do +4 C kurczy się podczas ogrzewania i rozszerza podczas oziębiania. W temperaturze +4 C woda zajmuje najmniejszą objętość (ma wówczas największą gęstość). Zjawisko to zwane jest anomalną rozszerzalnością wody. 9