Методика вивчення властивостей речовин в різних агрегатних станах

Лекція № 6–7

МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ РЕЧОВИНИ В РІЗНИХ АГРЕГАТНИХ СТАНАХ

1. Методика вивчення властивостей парів

Під час вивчення теми поглиблюються поняття випаровування, кипіння, конденсації; формуються нові поняття: насичена і ненасичена пара, динамічна рівновага, вологість повітря; пояснюються основні властивості насиченої пари з точки зору МКТ; учнів знайомлять із способами визначення вологості повітря. У зв’язку з цим тема має велике освітнє, пізнавальне і практичне значення, оскільки поняття і закони, описані в темі, використовуються у теплотехніці при розрахунку парових котлів та установок для одержання низьких температур і зрідження газів. Світоглядне значення теми визначається тим, що проявляється перехід кількісних змін у якісні.

Перехід рідини в пару називається пароутворенням. Пароутворення може відбуватись двома шляхами – випаровуванням і кипінням. Спочатку розглядають випаровування та з’ясовують його механізм. Температура рідини, як і будь-якої речовини, визначається середньою кінетичною енергією її молекул. Проте, за будь-якої температури в рідині є молекули, що мають кінетичні енергії значно більші за середню. Ці молекули за рахунок своєї кінетичної енергії достатньо для виконання роботи з виходу за межі поверхні рідини. З ростом температури інтенсивність випаровування зростає, адже середня кінетична енергія молекул пропорційна термодинамічній температурі. Оскільки при випаровуванні рідини з неї вилітають найбільш швидкі молекули, то середня кінетична енергія молекул, що залишаються в рідині, зменшується, отже температура рідини зменшується. Продемонструвати це явище можна у такому ефектному досліді. Під склянку з деякою кількістю бензину чи спирту капають декілька крапель води, потім через склянку інтенсивно продувають повітря, що викликає інтенсивне випаровування рідини і її охолодження. При правильно обраній швидкості продування повітря можна досягти такого зниження температури, при якому склянка примерзне до стола.

Охолодження рідини при випаровуванні використовується в холодильній техніці. Учнів зацікавить використання цього явища у космонавтиці. При поверненні космічних кораблів на Землю в результаті тертя з повітрям вони можуть перегрітись. Щоб запобігти перегріванню космічні апарати покривають спеціальними плитками, які випаровуються при входженні апаратів у атмосферу і оберігають їх від перегрівання.

У відкритій посудині рідина постійно випаровується, проте її температура залишається лише дещо нижчою, ніж температура оточуючого середовища. Учням ставлять завдання з’ясувати це питання. Справа в тому, що до рідини надходить весь час деяка кількість теплоти від оточуючого повітря, температура якого вища від температури рідини.

Потім з’ясовують механізм процесу конденсації пари. Молекули, які вилетіли з рідини, здійснюють хаотичний тепловий рух, тому деяка їх частина рухається до рідини, досягає її поверхні і знову стає молекулами рідини.

Після з’ясування механізму конденсації розглядають процес випаровування рідини у відкритій і закритих посудинах. У відкритій посудині молекули, які вийшли за межі рідини, поступово відходять у навколишній простір, тому кількість молекул рідини, що вилітає з неї переважає кількість тих, які повертається в рідину. За певний час рідина повність випаровується.

У закритій посудині спостерігається інша картина. Молекули, які випарувуються, залишаються над рідиною, їх концентрація і, відповідно, тиск пари поступово збільшуються. Оскільки концентрація молекул пари зростає, то зростає і кількість молекул, які повертаються в рідину. У момент, коли кількості молекул, що в середньому вилітають з рідини і повертаються до неї, зрівнюються, настає динамічна рівновага пари й рідини. У цьому випадку концентрація молекул пари не змінюється. Пара, яка перебуває у динамічній рівновазі з своєю рідиною, називається насиченою. Це означає, що при заданій температурі концентрація або кількість молекул пари досягає найбільшого значення, а, отже, і тиск пари стає найбільшим. Тиск насиченої пари – це найбільший тиск, який може мати пара при даній температурі. Для насиченої пари можна застосувати рівняння Менделєєва-Клапейрона.

Із сказаного вище випливає висновок, що тиск насиченої пари при сталій температурі не залежить від об’єму. Цей висновок, потрібно підтвердити експериментально У методичній літературі [26] описано декілька варіантів демонстраційних дослідів, що підтверджують цей висновок. На цих же установках можна показати залежність тиску насиченої пари від температури.

Тиск ідеального газу при сталому об’ємі лінійно залежить від температури, а тиск насиченої пари при підвищенні температури зростає швидше. Це пояснюється тим, що на відміну від газу при підвищенні температури концентрація молекул насиченої пари зростає.

Пароутворення може відбуватися у вигляді кипіння. Механізм кипіння добре з’ясовується в підручниках. Разом з тим потрібно дати узагальнене означення процесу кипіння: кипіння – це процес пароутворення в усьому об’ємі рідини за температури, коли тиск пари дорівнює тиску в рідині.

Температура кипіння при зменшенні тиску над рідиною зменшується, а при збільшенні тиску зростає. Показати кипіння води при зниженому тиску можна у такому досліді. Скляну круглодонну колбу заповнюють до половини підігрітою водою (для скорочення тривалості досліду), закривають гумовою пробкою, крізь яку пропущено відрізок скляної трубки. На трубку натягують гумовий шланг. Колбу закріплюють у штативі і підігрівають воду до інтенсивного кипіння, потім нагрівання припиняють. Кипіння води припиняється. До шланга приєднують розріджу вальний штуцер насоса Шінца і відкачують пару. Кипіння відновлюється, а потім припиняється. Якщо відкачування продовжувати, то кипіння знову відновиться. Дослід доцільно закінчити так. Затиснувши шланг, відключають насос і, перекинувши колбу догори дном, закріплюють її у лапці штатива. Під колбу підставляють широку посудину. Після цього колбу поливають холодною водою. Кипіння води відновлюється. Особливості виконання дослідів даються у посібнику [26].

Приклади використання залежності температури кипіння рідини від тиску наведені в підручниках.

Вивчення властивостей пари закінчують розглядом питань вологості повітря. Спочатку варто показати, що в повітрі завжди є певна кількість водяної пари, яка й зумовлює його вологість. У чисту хімічну склянку за кімнатної температури кладуть шматочки льоду або сніг. Через деякий час поверхня склянки мутніє, а потім покривається краплинами води. Після цього розповідають учням про вплив вологості на процеси, які протікають на Землі, на велике значення вологості для здоров’я людини та вплив вологості на деякі технологічні процеси.

Для кількісної характеристики вологості повітря використовують поняття абсолютної та відносної вологості. Вказують, що абсолютна вологість показує кількість водяної пари в одиниці об’єму повітря.

Відносну вологість φ визначають як відношення тиску водяної пари в повітрі до тиску насиченої пари при тій же температурі:

де р – тиск водяної пари в даних умовах;
pn – тиск насиченої пари в цих умовах.

Користуючись тим, що водяна пара в повітрі підлягає дії закону Менделєєва-Клапейрона, можна формулу для розрахунку відносної вологості повітря подати в іншому вигляді:

де ρ – густина водяної пари в даних умовах;
ρn – густина насиченої пари в цих умовах.

Зниження температури приводить до зростання відносної вологості повітря. При певній температурі водяна пара стає насиченою, починається її конденсація, з’являється роса. За відомою температурою точки роси можна визначити вологість повітря. У підручниках та збірниках задач є таблиці тисків і густини насиченої пари, які допомагають робити відповідні розрахунки. Якщо температура точки роси відома, то в таблиці можна знайти парціальний тиск пари в повітрі при цій температурі. З цієї таблиці знаходять також тиск насиченої пари при тій самій температурі та за формулою визначають відносну вологість повітря.

Прилади для визначення відносної вологості повітря – гігрометр та психрометр – досить повно описані в підручниках, тому зупинятися на них не будемо. Тут варто підкреслити, що останній прилад дає найвірогідніші результати внаслідок специфіки своєї будови.

Якщо при засвоєнні теоретичного матеріалу про вологість повітря учні не відчувають затруднення, то при розв’язуванні задач учні відчувають певні труднощі. Це пов’язане з тим, що рівняння Менделєєва-Клайперона можна застосовувати як для ненасиченої так і насиченої пари (якщо нехтувати взаємодією між молекулами). При зміні тиску, температури чи об’єму насиченої пари змінюється її маса, тому доцільніше користуватися рівнянням стану у вигляді Приступаючи до розв’язування задач потрібно перш за все з’ясувати, насичена пара чи ні.

Типові задачі

- Чи можна всмоктувальним насосом підняти воду, що кипить?
- Як змінюється абсолютна і відносна вологість повітря при його нагріванні?
- Відносна вологість повітря вечором при 16°С дорівнює 55%. Чи випаде роса, якщо температура вночі знизиться до 8°С.
- При охолодженні повітря від 20°С до 7°С з кожного його кубометра виділилось 8 г води. Визначити парціальний тиск пари та відносну вологість повітря.

2. Методика вивчення властивостей поверхні рідини

У цій темі вивчаються явища на межі рідини з газом і твердим тілом. При вивченні питань теми поглиблюються поняття про молекулярні сили, радіус їх дії, про використання та врахування міжмолекулярних сил у деяких галузях народного господарства та прикладних науках, що і визначає їх значення.

Для кращого розуміння учнями навчального матеріалу корисно повторити залежність сил молекулярної взаємодії від відстані між молекулами, а також порівняти загальні властивості рідин з відомими властивостями газів. Молекули газу від удару до удару рухаються прямолінійно, а молекули рідини здійснюють коливання навколо тимчасових положень рівноваги і час від часу переміщуються з одного місця в інше. Унаслідок цього рідини плинні і набувають форми посудини, в якій вони знаходяться. Відстані між молекулами рідини значно менші, ніж у газах, вони розміщені близько одна біля одної. Тому рідина на відміну від газу зберігає свій об’єм, а на межі з газом або парою утворює вільну поверхню, яка має особливі властивості. Деякі з цих властивостей потрібно продемонструвати.

а) Поверхневий шар рідини має властивість скорочуватись. Для підтвердження цього беруть дротяну рамку з ручкою і перекладиною, яка може вільно рухатися уздовж двох протилежних сторін рамки [26, с.96]. Рухому перекладину розміщують посередині рамки, яку опускають у мильний розчин, підтримуючи перекладину за нитку. Після цього рамку виймають і відпускають нитку. Мильна плівка скорочується і підтягує перекладину до краю рамки. Якщо потягнути нитку, то мильна плівка буде розтягуватись. Досить переконливим є дослід з поплавцем, до якого прикріплене дротяне кільце [26, с.96]. Скляну посудину наповнюють вщерть водою і опускають у неї поплавець. Дротяне кільце має знаходитись над водою на невеликій відстані. Кінцем скляної палички або піпетки натискають на кружальце, поплавець занурюється в воду так, щоб кільце було нижче рівня води. Обережно відпускають поплавець і спостерігають, що він залишається під водою.

Далі приступають до пояснення властивостей поверхневого шару рідини. Молекули всередині рідини притягуються сусідніми молекулами з усіх боків, тому молекулярні сили притягання компенсуються, рівнодійна цих сил в середньому дорівнює нулю.

У інших умовах знаходяться молекули на поверхні рідини [21]. Кожна молекула поверхневого шару притягується сусідніми молекулами вглиб рідини. Взаємодією молекул поверхневого шару рідини з молекулами газу або пари над її поверхнею нехтуємо. Під дією цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину рідини, кількість молекул на поверхні зменшується, площа поверхні рідини скорочується. Оскільки всі молекули не можуть перейти вглиб рідини, то на поверхні їх залишається стільки, що площа поверхні рідини буде мінімальною при заданому об’ємі. Рідини у вільному стані під дією тільки молекулярних сил набувають сферичної форми, за якої площа поверхні мінімальна. Сферичну форму краплин рідини, що перебувають тільки під дією молекулярних сил, демонструють у досліді Плато. Різні варіанти цього досліду описані у посібниках з демонстраційного експерименту, наприклад [26, с.99].

Оскільки на молекули поверхневого шару рідини вглиб рідини діють незрівноважені сили, то, здавалось би, густина поверхневого шару має бути більша, ніж внутрішніх шарів. Але це не так. Концентрація молекул у поверхневому шарі менша, ніж у глибині. Середня відстань між молекулами поверхневого шару більша, ніж всередині рідини. Усередині рідини молекули коливаються навколо середніх положень, зміщуючись на однакову відстань у будь-якому напрямі. Молекула ж на поверхні рідини взаємодіє з молекулами, що знаходяться від неї по суті з одного бокую, оскільки сили взаємодії молекул несиметричні, то молекули поверхневого шару, коливаючись навколо положення рівноваги, можуть відхилятися від нього і від рідини в перпендикулярному до її поверхні напрямі на більшу відстань, ніж наближатися. Це й пояснює те, що середні відстані між молекулами поверхневого шару більші, ніж всередині рідини. Для переходу молекули з глибини в поверхневий шар необхідно виконати роботу проти сил притягання. Тому молекули поверхневого шару мають більші потенціальні енергії, ніж молекули в глибині рідини.

Молекули поверхневого шару взаємодіють з усіма своїми сусідами, тому в поверхневому шарі виникають направлені вздовж поверхні рідини сили, які намагаються скоротити цю поверхню. Вони називаються силами поверхневого натягу. Для введення поняття поверхневого натягу знову звертаються до досліду з рамкою, підкреслюють, що сили поверхневого натягу перпендикулярні до перекладини. Зрозуміло, що сила поверхневого натягу пропорційна довжині перекладини. Відношення сили поверхневого натягу, що діє на перекладину з боку однієї поверхні плівки на перекладину, називають поверхневим натягом:

Поверхневий натяг вимірюється у ньютонах на метр (Н/м). Поверхневому натягу можна дати й енергетичне трактування. Молекули поверхневого натягу мають додаткову потенціальну енергію Un, яку називають поверхневою енергією. Поверхневу енергію одиниці площі поверхні називають поверхневим натягом, тобто

З учнями аналізують таблицю поверхневого натягу різних рідин та вказують на його залежність від температури. Практика показує, що часто деякі учні вважають поверхню рідини реальною пружною плівкою. Учням потрібно пояснити, що ніякої плівки на поверхні не існує. Поверхня рідини не має пружності. При розтягу гумової плівки збільшується віддаль між її молекулами і сила пружності зростає. Поверхня ж рідини збільшується внаслідок переходу в поверхневий шар нових молекул із глибини, а не внаслідок збільшення відстані між ними у поверхневому шарі. Якщо поверхня рідини скорочується, то молекули переходять з поверхневого шару всередину рідини.

При вивченні явищ змочування і незмочування потрібно спиратись на факти, які відомі учням, та на досліди, які легко поставити фронтально. Крапля води розтікається по чистій обезжиреній поверхні скляної пластинки, а на парафіновій пластинці набирає форми, близької до сферичної. Рідина, яка тонкою плівкою розтікається по поверхні твердого тіла, називається змочуючою, а якщо збирається у краплю – незмочуючою.

Для пояснення цих явищ потрібно врахувати сили притягання молекул рідини одна до одної та сили притягання між молекулами рідини і твердого тіла. Якщо сили притягання рідини між молекулами більші, ніж сили притягання молекул рідини і твердого тіла, то рідина збирається у краплю, має місце явище незмочування. Якщо ж навпаки, то рідина розтікається по поверхні твердого тіла, спостерігається явище змочування.

Змочування і незмочування проявляються у викривленні поверхні рідини біля стінок посудини. Увігнутий та опуклий меніск зображають на дошці й роблять необхідні пояснення.

Поводження рідини у вузьких трубках – капілярах залежить від того, змочує рідина тверде тіло матеріалу трубки чи ні. Спочатку демонструють явище капілярності за допомогою набору капілярних трубок, який є у фізичних кабінетах.

Техніка демонстрації описана в посібнику [26, с.105.]. Оскільки використання ртуті у школах заборонено, то прилад покривають зсередини тонким шаром парафіну і заповнюють водою. Зображення трубок проектують на екран. Учні бачать дивне для них явище, поверхня рідини в сполучених посудинах знаходиться на різних рівнях. У чистих капілярах вода підіймається вище рівня в широкій посудині, а в капілярах, покритих парафіном, опускається нижче. Пояснюють спостережувані явища та виводять формулу для розрахунку висоти підняття рідини в капілярах

У цій формулі r – радіус кривизни сферичної поверхні рідини. Якщо меніск напівсферичний, то його радіус дорівнює радіусу капіляра. Говорячи про значення капілярності у природі чи на виробництві, можна обмежитись традиційними прикладами зменшення капілярності ґрунту шляхом його розрихлення для запобігання швидкому висиханню чи навпаки, ущільнення його для прискорення сходження деяких рослин в умовах недостатнього зволоження ґрунту.

Розв’язуючи задачі на поверхневий натяг потрібно в першу чергу звертати увагу на суть явищ, про які йде мова в задачі. Якщо у задачі йде мова про тонкі плівки рідини, потрібно враховувати, що шар рідини має дві поверхні, сили поверхневого натягу діють уздовж кожної з них.

Типові задачі

- Чому волоски малярського пензлика у воді розходяться, а при вийманні з води злипаються?
- До поверхні рідини густиною ρ і з коефіцієнтом поверхневого натягу σ дотикаються вертикально розміщеним капіляром з внутрішнім радіусом r. Рідина змочує капіляр. Знайти: висоту підіймання рідини в капілярі; потенціальну енергію рідини в капілярі; роботу сил поверхневого натягу під час піднімання рідини. Пояснити, чому потенціальна енергія рідини в капілярі дорівнює роботі сил поверхневого натягу.
- Знайти коефіцієнт поверхневого натягу рідини, якщо петля із гумової нитки довжиною l і жорсткістю к, покладена на плівку цієї рідини, розтягнулась по колу радіуса R після того, як плівка була проколота всередині петлі.

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка


































© 2003-2018 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting