Как найти давление воздуха над поверхностью жидкости. Решение типовых задач. Определить абсолютное давление ро на свободной поверхности воды в нижнем сосуде, если в верхнем сосуде жидкость керосин Т–1. Наиболее распространенные приборы для измерения давле

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.

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, действующей 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 принимаемого неизменным уровня жидкости в чашке до уровня в трубке по наклону трубки; - 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 (давление Лапласа) . Избыточное давление под выпуклой поверхностью считается положительным, под вогнутой - отрицательным. Оно всегда направлено к центру кривизны сечения поверхности, т.е. в сторону ее вогнутости. В случае сферической поверхности избыточное давление можно вычислить по формуле:

где - коэффициент поверхностного натяжения, - радиус сферической поверхности.

Смачивающая капилляр жидкость поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости высотой (рис. 3а) не уравновесит избыточного давления, направленного в этом случае вверх. Высота 0 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. 3б). 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:

+ р = р изб + ρ g h = 2σ / r + ρ g h

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. Обязуется 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. 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.

2. 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 .

3. Аналогично определить коэффициент поверхностное натяжение этилового спирта.

4. Найти предельные абсолютную и относительную погрешности при определении поверхностного натяжения каждой жидкости. Записать для каждой жидкости окончательные результаты измерений с учетом их точности по формуле.

Давление воздуха - сила, с которой воздух давит на земную поверхность. Измеряется в миллиметрах ртутного столба, миллибарах. В среднем она составляет 1,033 г. на 1 см. кв.

Причина, вызывающая образования ветра - разница атмосферного давления. Ветер дует из области более высокого атмосферного давления, в область с более низким. Чем больше разница в атмосферном давлении, тем сильнее ветер. Распределение атмосферного давления на Земле определяет направление ветров, господствующих в тропосфере на разных широтах.

Образуются при конденсации водяного пара в поднимающемся воздухе вследствие его охлаждения.
. Вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая на земную поверхность, называется атмосферными осадками.

По происхождению выделяют два вида осадков:

выпадающие из облаков (дождь, снег, крупа, град);
образующиеся у поверхности Земли ( , роса, изморозь).
Измеряются осадки слоем воды (в мм.), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм. осадков.

Распределение осадков . Атмосферные осадки распределены по земной поверхности очень неравномерно. Одни территории страдают от избытка влаги, другие от её недостатка. Особенно мало получают осадков территории, расположенные вдоль северного и южного тропиков, где воздуха высоки и потребность в осадках особенно велика.

Главная причина такой неравномерности - размещение поясов атмосферного давления. Так, в области экватора в поясе низкого давления постоянно нагретый воздух содержит много влаги, он поднимается вверх, охлаждается и становится насыщенным. Поэтому в области экватора образуется много облаков, и идут обильные дожди. Немало осадков и в других областях земной поверхности, где низкое давление.

В поясах высокого давления преобладают нисходящие воздушные потоки. Холодный воздух, опускаясь, содержит мало влаги. При опускании он сжимается и нагревается, благодаря чему удаляется от точки насыщения, становится суше. Поэтому в областях повышенного давления над тропиками и у полюсов выпадает мало осадков.

По количеству выпадающих осадков ещё нельзя судить об обеспеченности территории влагой. Необходимо учитывать возможное испарение - испаряемость. Она зависит от количества солнечного тепла: чем больше его, тем больше влаги может испариться, если она есть. Испаряемость может быть большой, а испарение маленьким. Например, в испаряемость (сколько влаги может испариться при данной температуре) 4500 мм/год, а испарение (сколько действительно испаряется) всего 100 мм/год. По соотношению испаряемости и испарения судят об увлажненности территории. Для определения увлажнения пользуются коэффициентом увлажнения. Коэффициент увлажнения – отношение годового количества осадков к испаряемости за один и тот же промежуток времени. Он выражается дробью в процентах. Если коэффициент равен 1 - увлажнение достаточное, если меньше 1, увлажнение недостаточное, а если больше 1, то увлажнение избыточное. По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области.

Как вы думаете, рыба, плавая в океане, замечает, что вокруг неё вода? А собака ощущает, что ходит по дну воздушного океана? Привычка притупляет наблюдательность. Рыба, которая родилась в воде и провела в ней всю свою жизнь, без сомнения, не замечает воды и не ощущает давления, вызванного её весом. Так же, как пес, конечно же, не обращает внимания на воздух вокруг себя и не чувствует его давления на свое тело. Мы тоже не заметили бы этого, если только не услышали бы от кого-нибудь или не прочитали в книгах. Что-то должно произойти, чтобы мы обратили внимание на воздух. Или он начинает быстро двигаться, и ветер дует нам в лицо, или в нем образуется хорошо видимое облако. Но самый наглядный способ убедиться в наличии воздуха - увидеть, как он давит на находящиеся в нем предметы.

Возьмите пластмассовый стакан или другой сосуд и полностью погрузите его в воду в ванне. Подождем, пока стакан заполнится водой и перевернем его вверх дном. Медленно начнем вытаскивать его из воды. Смотрите! Вода поднимается вместе со стаканом, и уровень ее намного выше, чем уровень воды в ванной. Казалось бы, воду в стакане ничто не поддерживает. Но это, конечно, не так, иначе бы она упала. Что же это за сила, поднимающая воду? На несколько сотен километров вверх простирается над нами океан воздуха. Хотя воздух нам кажется совершенно невесомым, он оказывает значительное давление на поверхности Земли на каждый квадратный сантиметр. Ваша ванна, конечно, не исключение, воздух давит на поверхность воды в ней так же, как и на всё остальное вокруг.

Когда мы начинаем вытаскивать перевернутый вверх дном стакан, вода в нем стремится опуститься под действием силы притяжения земли. Однако опуститься она не сможет. Почему?

Чтобы разобраться в этом, представьте, что вода действительно немного опустилась, как показано на рисунке. Что будет в пространстве над штриховой линией А? Естественно, воздуха здесь нет, а значит, и его давления тоже. Другими словами, в стакане на уровне А атмосферное давление на поверхность воды не действует. Теперь посмотрим на стрелки В и С. Они показывают, как действует атмосферное давление на поверхность воды в ванне. Воздух давит на воду, она сжата этим воздухом, а значит, стремится заполнить образовавшееся пустое пространство. В результате, как только вода начинает выливаться из стакана, давление будет гнать ее обратно в пространство над уровнем А, как показано на рисунке стрелками D и Е.

Атмосферного давления нет.

На самом деле вода в стакане никогда не опускается настолько, чтобы это стало заметно, атмосферное давление немедленно возвращает её обратно в стакан и удерживает там, пока мы вытаскиваем его.

Но если вода удерживается атмосферным давлением в стакане высотой 15 см, будет ли она так же удерживаться в сосуде высотой 30 см? А в 60-сантиметровом? 3-метровом? 5-метровом? Если дома у вас отыщется соответствующая посуда, вы убедитесь, что вода удерживается в них. Однако есть предел высоты водяного столба, который может быть удержан таким способом. Вода имеет массу намного большую, чем масса воздуха, если сравнить равные их объёмы. Вода в 800 раз тяжелее, чем воздух такого же объёма. Вода, как и воздух, давит на находящиеся в ней тела. Значит давление столба воды высотой 10 м (а точнее 10 м 33 см) как раз уравновесит атмосферное давление, которое, удерживает воду в сосуде. Таким образом, вы видите, что высота столба воды не может заметно превышать 10 метров.

Представим себе высокий 15-метровый «стакан» (вернее - трубу), перевёрнутый вверх дном, который мы вытаскиваем из воды, как показано на рисунке. Когда закрытая часть «стакана» достигает высоты около 10 м над уровнем воды, жидкость в «стакане» перестанет подниматься. Мы продолжаем поднимать «стакан», но вода внутри него стоит на прежнем уровне. При этом в сосуде выше уровня воды образуется пустое пространство.

Что случится с водой в сосуде, если атмосферное давление в силу каких-либо причин уменьшится? Новое атмосферное давление сможет удержать уже меньший столб воды, уровень воды в «стакане» понизится. А если внешнее давление воздуха увеличится? Оно сможет удержать высоту столба, большую чем 10 м, и вода в сосуде начинает подниматься.

В сущности, мы с вами разобрали принцип действия прибора - барометра, с помощью которого измеряют атмосферное давление. В нашем случае атмосферное давление уравновешивается столбиком воды определенной высоты. Давление воздуха может быть измерено высотой водяного столба, который он в состоянии удержать.

Водяной барометр такого типа был изобретен Отто фон Герике несколько столетий назад. В качестве «стакана» он использовал стеклянную трубу, закрытую в верхнем конце, которую наполнил водой и установил возле своего дома. Труба была опущена в резервуар с водой. Герике поставил барометр так, что уровень верхней части трубы был виден отовсюду жителям городка, и те могли наблюдать, как поплавок на поверхности воды в трубе, отмечавший ее уровень, поднимался и опускался соответственно с изменениями атмосферного давления. Если поплавок в барометре резко падал, горожане уже знали, что давление воздуха падает, и, скорее всего, близится ненастье, а когда поплавок поднимался в трубке, это означало, что хорошая погода скоро придет в городок.

Почему изменение атмосферного давления означает вероятное изменение погоды? Оказывается, теплый влажный воздух, который обычно приносит пасмурную погоду, легче холодного и сухого - предвестника ясной и хорошей погоды, значит, при ухудшении погоды давление должно падать, а при улучшении - повышаться. Барометр - широко используемый прибор. Правда, труба высотой 10 метров, да еще наполненная водой, очевидно, очень неудобна для применения.

Можно значительно укоротить трубу, если вместо воды использовать ртуть - жидкий металл, который в 13.6 раза тяжелее воды. В ртутном барометре давление, уравнивающее атмосферное, создается столбом жидкости высотой лишь 1033/13.6 = 76 (см). Это, конечно, намного удобнее, чем 10 с лишним метров, поэтому в барометрах вместо воды лучше, использовать ртуть. Такой прибор по своей конструкции ничем не отличается от водяного, только он намного меньше, и трубу необязательно придерживать рукой - она закрепляется в необходимом положении, каким-нибудь более удобным способом.

Ткань можно проткнуть иголкой, но не карандашом (если приложить такое же усилие). Карандаш и игла имеют разную форму и поэтому оказывают на ткань неодинаковое давление. Давление вездесуще. Оно приводит в действие механизмы (см. статью « «). Оно влияет на . оказывают давление на поверхности, с которыми соприкасаются. Атмосферное давление влияет на погоду прибор для измерения атмосферного давления – .

Что такое давление

Когда на тело перпендикулярно к его поверхности действует , то тело оказывается под давлением. Давление зависит от того, насколько велика сила, и от площади поверхности, на которую сила действует. Например, если выйти на снег в обычной обуви, можно провалиться; по этого не произойдет, если мы наденем лыжи. Вес тела один и тот же, но во втором случае давление распределится по большей поверхности. Чем больше поверхность, тем меньше давление. У северного оленя широкие копыта - ведь он ходит на снегу, и давление копыта на снег должно быть как можно меньше. Если нож острый, сила прикладывается к поверхности небольшой площади. Тупой нож распределяет силу по большей поверхности, поэтому и режет хуже. Единица давления - паскаль (Па) - названа в честь французского ученого Блеза Паскаля (1623 - 1662), сделавшего немало открытий в области атмосферного давления.

Давление жидкостей и газов

Жидкости и газы принимают форму сосуда, в котором они содержатся. В отличие от твердых тел, жидкости и газы давят на все стенки со­суда. Давление жидкостей и газов направлено во все сто­роны. давит не только на дно, но и на стенки аквариума. Сам аквариум давит только вниз. давит изнутри на футбольный мяч во всех направлениях, и поэтому мяч круглый.

Гидравлические механизмы

Действие гидравлических механизмов основано на давлении жидкости. Жид­кость не сжимается, поэтому если к ней приложить силу, она будет вынуждена сдвинуться с места. И тормоза работают на гидравлическом принципе. Уменьшение оборотов колее достигается с помощью давления тормозной жидкости. Водитель нажимает на педаль, поршень прокачивает тормозную жидкость через цилиндр, дальше она по трубке поступает в два других цилиндра и давит на поршни. Поршни прижимают тормозные колодки к диску колеса. Возникающее замедляет вращение колеса.

Пневматические механизмы

Пневматические механизмы действуют благодаря давлению газов - как правило, воздуха. В отличие от жид­костей, воздух может сжиматься, и тогда давление его возрастает. Действие отбойного молотка основано на том, что поршень сжимает воздух внутри его до очень большого давления. В отбойном молотке сжатый воздух давит на резец с такой силой, что можно бурить даже камень.

Пеногонный огнетушитель - это пневматическое устройство, работающее на сжатом углекислом газе. Сжав рукоятку, вы высвобождаете находящийся в канистре сжатый углекислый газ. Газ с огромной силой давит вниз, на специальный раствор, вытесняет его в трубку и шланг. Из шланга вырывается струя воды и пены.

Атмосферное давление

Атмосферное давление создастся весом воздуха над поверхностью . На каждый квадратный метр воздух давит с силой большей, чем вес слона. Вблизи поверхности Земли давление выше, чем высоко в небе. На высоте 10 000 метров там, где летают реактивные самолеты, давление невелико, так как сверху давит незначительная воздушная масса. В салоне самолёта поддерживается нормальное атмосферное давление, чтобы люди могли свободно дышать на большой высоте. Но даже в герметичном салоне самолёта у людей закладывает уши, когда давление становится ниже, чем давление внутри ушной раковины.

Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Когда меняется давление, меняется и . Низкое давление означает, что предсто­ит ухудшение погоды. Высокое давле­ние приносит ясную погоду. Нормальное давление на уровне моря – 760 мм (101 300 Па). В дни ураганов оно может упасть до 683 мм (910 Па).