-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 7. Ïîâåðõíîñòíîå íàòÿæåíèå â æèäêîñòÿõ § 7.6. Äàâëåíèå ïîä èñêðèâëåííîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè
Âëèÿíèå êðèâèçíû ïîâåðõíîñòè íà äàâëåíèå âíóòðè æèäêîñòè ñóùåñòâîâàíèè ýòîãî âëèÿíèÿ ìîæíî óáåäèòüñÿ íà ïðîñòîì îïûòå. Âîçüìåì ñòåêëÿííóþ âîðîíêó ñ èçîãíóòîé ïîä ïðÿìûì óãëîì òðóáêîé. Íàïðàâèì êîíåö âîðîíêè ñ âûäóòûì ìûëüíûì ïóçûðåì íà ïëàìÿ ñâå÷è (ðèñ. 7.21). Ìû çàìåòèì, ÷òî ïëàìÿ ñâå÷è îòêëîíÿåòñÿ. Ýòî ãîâîðèò î òîì, ÷òî èç âîðîíêè âîçäóõ âûòåêàåò, çíà÷èò, äàâëåíèå âîçäóõà â ïóçûðå áîëüøå àòìîñôåðíîãî.
Ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ è òàêîé îïûò. Ñîåäèíèì øèðîêèé ñîñóä À ïðè ïîìîùè ðåçèíîâîé òðóáêè ñ óçêîé ñòåêëÿííîé òðóáêîé. Íàïîëíèì ýòè ñîîáùàþùèåñÿ ñîñóäû âîäîé. Ñíà÷àëà óñòàíîâèì êîíåö òðóáêè  íà óðîâíå æèäêîñòè â ñîñóäå À.  ýòîì ñëó÷àå ïîâåðõíîñòü âîäû â òðóáêå Â, êàê è â ñîñóäå À, ÿâëÿåòñÿ ïëîñêîé (ðèñ. 7.22, à). Òàê êàê âîäà â îáîèõ ñîñóäàõ íàõîäèòñÿ íà îäíîì ãîðèçîíòàëüíîì óðîâíå, òî äàâëåíèå íåïîñðåäñòâåííî ïîä ïëîñêîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè â îáîèõ ñîñóäàõ îäèíàêîâî è ðàâíî àòìîñôåðíîìó. Ñòàíåì ìåäëåííî îïóñêàòü òðóáêó Â. Ìû çàìåòèì, ÷òî ïîâåðõíîñòü âîäû â íåé ïðèîáðåëà âûïóêëóþ ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó (ðèñ. 7.22,6). Òåïåðü âîäà â ñîñóäå À è òðóáêå  íàõîäèòñÿ íå íà îäíîì óðîâíå. Äàâëåíèå âîäû â ñîñóäå À íà óðîâíå êîíöà òðóáêè  áîëüøå àòìîñôåðíîãî íà âåëè÷èíó ρgh, ãäå ρ — ïëîòíîñòü âîäû, h — ðàçíîñòü óðîâíåé âîäû â ñîñóäàõ À è Â. Òàê êàê æèäêîñòü â ñîîáùàþùèõñÿ ñîñóäàõ À è  íàõîäèòñÿ â ðàâíîâåñèè, òî ó êîíöà  íåïîñðåäñòâåííî ïîä âûïóêëîé ïîâåðõíîñòüþ äàâëåíèå òîæå áîëüøå àòìîñôåðíîãî.
Ïðîäîëæèì îïûò, îñòîðîæíî îïóñêàÿ òðóáêó  åùå íèæå. Âñëåäñòâèå ýòîãî êðèâèçíà ïîâåðõíîñòè âîäû â òðóáêå  óâåëè÷èòñÿ (ðàäèóñ ñôåðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè âîäû óìåíüøèòñÿ). Óâåëè÷èòñÿ è ðàçíîñòü óðîâíåé âîäû â ñîñóäå À è òðóáêå Â. Ýòî çíà÷èò, ÷òî äîáàâî÷íîå äàâëåíèå ïîä âûïóêëîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè òåì áîëüøå, ÷åì ìåíüøå ðàäèóñ êðèâèçíû ýòîé ïîâåðõíîñòè. Åñëè êîíåö òðóáêè  ïîäíÿòü âûøå óðîâíÿ âîäû â ñîñóäå À (ðèñ. 7.22, â), òî ïîâåðõíîñòü âîäû â òðóáêå  ñòàíåò âîãíóòîé (âîäà ñìà÷èâàåò ñòåêëî) è óðîâåíü âîäû â òðóáêå  áóäåò âûøå óðîâíÿ âîäû â ñîñóäå À. À ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîä èñêðèâëåííîé (âîãíóòîé) ïîâåðõíîñòüþ âîäû â òðóáêå  äàâëåíèå ìåíüøå àòìîñôåðíîãî. Îòñþäà ñëåäóåò âûâîä: äàâëåíèå íåïîñðåäñòâåííî ïîä âûïóêëîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè áîëüøå äàâëåíèÿ ïîä ïëîñêîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè, à äàâëåíèå ïîä âîãíóòîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè ìåíüøå äàâëåíèÿ ïîä ïëîñêîé ïîâåðõíîñòüþ. Èçáûòî÷íîå äàâëåíèå ïîä ñôåðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòüþ æèäêîñòè
Ïðîùå âñåãî íàéòè èçáûòî÷íîå äàâëåíèå äëÿ ïîâåðõíîñòè, èìåþùåé ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó, èñïîëüçóÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Áóäåì óâåëè÷èâàòü ñôåðè÷åñêóþ êàïëþ, âïðûñêèâàÿ âíóòðü íåå æèäêîñòü ñ ïîìîùüþ î÷åíü òîíêîãî øïðèöà (ðèñ. 7.23). Ïóñòü ïðè ýòîì îáúåì êàïëè óâåëè÷èâàåòñÿ îò çíà÷åíèÿ V1 äî çíà÷åíèÿ V2, ïðè÷åì ïðèðàùåíèå îáúåìà î÷åíü ìàëî. Ïðè î÷åíü ìàëîì óâåëè÷åíèè îáúåìà äàâëåíèå ìîæíî ñ÷èòàòü ïîñòîÿííûì, òîãäà ðàáîòà ñèë äàâëåíèÿ ïðè èçìåíåíèè îáúåìà íà ΔV, ðàâíàÿ pΔV (ñì. § 5.1), â äàííîì ñëó÷àå áóäåò À = -ðèΔV, (7.6.1) ãäå ðè — èçáûòî÷íîå äàâëåíèå. Ðàáîòà À îòðèöàòåëüíà, òàê êàê ñèëà èçáûòî÷íîãî äàâëåíèÿ, äåéñòâóþùàÿ íà ýëåìåíò ïîâåðõíîñòè, íàïðàâëåíà â ñòîðîíó, ïðîòèâîïîëîæíóþ íàïðàâëåíèþ ïåðåìåùåíèÿ ýëåìåíòà ïîâåðõíîñòè. Ýòà ðàáîòà ðàâíà èçìåíåíèþ ïîòåíöèàëüíîé (ïîâåðõíîñòíîé) ýíåðãèè, âçÿòîìó ñ ïðîòèâîïîëîæíûì çíàêîì: À = -ΔUï = -σ(S2 - S1) = -σΔS, (7.6.2) ãäå S1 è S2 — íà÷àëüíàÿ è êîíå÷íàÿ ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè êàïëè. Ñëåäîâàòåëüíî, pèΔV = σΔS. (7.6.3) Íàéäåì èçìåíåíèå îáúåìà øàðà ΔV è èçìåíåíèå ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè øàðà ΔS ïðè ìàëîì óâåëè÷åíèè Δr åãî ðàäèóñà:
(Çäåñü ìû ïðåíåáðåãëè ÷ëåíàìè, ïðîïîðöèîíàëüíûìè Δr2 è Δr3 ââèäó èõ ìàëîñòè.) Ïîäñòàâèâ âûðàæåíèÿ (7.6.4) è (7.6.5) â ñîîòíîøåíèå (7.6.8), ïîëó÷èì
Ôîðìóëà (7.6.6) ïðèìåíèìà íå òîëüêî äëÿ ñôåðè÷åñêîé êàïëè æèäêîñòè, íî è äëÿ ëþáûõ èñêðèâëåííûõ ïîâåðõíîñòåé, èìåþùèõ ôîðìó ÷àñòè ñôåðû, íàïðèìåð äëÿ òàêèõ, êàêèå èçîáðàæåíû íà ðèñóíêàõ 7.17, â, 7.18, 7.22, á, â. Ïîä âûïóêëîé ïîâåðõíîñòüþ äàâëåíèå áîëüøå âíåøíåãî äàâëåíèÿ, à ïîä âîãíóòîé ìåíüøå (ðèñ. 7.24).
|
|
|