3.4.2. Свойства газов, жидкостей, твердых тел

Тема: Газовые законы для изопроцессов.

Опыт 1. Фокус с шариком.

Для этой игрушки нужно только три предмета – воздушный шар (лучше круглый) и два легких пластиковых стаканчика. Делать ничего и не надо – просто начните надувать воздушный шар. Когда шар станет круглой формы, но еще не будет накачан достаточно сильно, прижмите к нему с обеих сторон пластиковые стаканчики. Продолжайте надувать шар, и через некоторое время отпустите стаканчики. Если сделать все правильно, то увидите, что стаканчики не падают, а держатся – как чем-то приклеенные.

Данное явление объясняется на основе закона Бойля-Мариотта [15].

Тема: Испарение и конденсация. Насыщенный и ненасыщенный пар.

А теперь мы рассмотрим интересную игрушку, которая «опровергает» важнейший физический закон о невозможности сделать вечный двигатель. Посмотрите, у меня на столе стоит «настоящий вечный двигатель». «Птичка» наклоняется и пьет, поднимается и снова наклоняется.

«Птичка Хоттабыча» представляет собой стеклянную наглухо запаянную фигурную ампулу (рис. 3.47а). Ампула наполнена легко испаряющейся жидкостью. После смачивания водой ватного чехла на голове «птички» начинается испарение, которое охлаждает верхний шарик ампулы (голову «птички»).

Тонкая стеклянная колбочка с горизонтальной осью посередине впаяна в небольшую емкость. Свободным концом колбочка почти касается ее дна. В нижнюю часть игрушки налито немного легкокипящей негорючей жидкости, а верхняя, пустая, обклеена снаружи тонким слоем бархата. Перед игрушкой ставят стаканчик с водой и наклоняют ее, заставляя «попить». Птичка начинает два-три раза в минуту наклоняться и окунать головку в стаканчик. Раз за разом, непрерывно, днем и ночью кланяется Птичка, пока в стаканчике не кончится вода. Так как же она работает?

Голова и клюв Птички покрыты бархатом или другим впитывающим влагу материалом. Когда голова Птички погружается в воду, бархат пропитывается водой. При испарении воды температура головы Птички снижается. В нижнюю часть туловища Птички налита легкокипящая жидкость, над которой находятся её пары (воздух откачан). При охлаждении головы Птички давление паров в голове Птички снижается. Но давление в нижней части остается тем же. Избыточное давление паров жидкости в нижней части поднимает её по трубочке вверх, голова Птички тяжелеет и наклоняется к стакану. Как только жидкость дотечет до конца трубочки, пары теплого эфира из нижней части попадут в верхнюю, давление паров сравняется и жидкость потечет вниз, а Птичка снова поднимет клюв, при этом смочив голову водой из стакана. Испарение воды продолжается, голова снова охлаждается и всё повторяется. Если бы вода не испарялась, то Птичка бы и не двигалась [18; 11].

Итак, вследствие охлаждения верхнего шарика (головы «птички») жидкость вытесняется из нижнего шарика превосходящим давлением паров в нижней части игрушки. Голова «птички» становится тяжелой, «птичка» начинает наклоняться (рис. 3.47б) и занимает горизонтальное положение. В этом положении происходят два независимых друг от друга процесса:

1. «Птичка» макает свой «клюв» в воду.

2. Происходит смешение паров нижнего и верхнего шариков, давление уравнивается, и жидкость под действием собственного веса течет в нижний шарик. «Птичка» поднимается и снова располагается вертикально.

Рис. 3.47

Тема: Поверхностное натяжение жидкости.

Рассмотрим мыльные пузыри.

Умеете ли вы выдувать мыльные пузыри? Это не так просто, как кажется. И нам казалось, что здесь никакая сноровка не нужна, пока мы не убедились на деле, что уменье выдувать большие и красивые пузыри – своего рода искусство, требующее упражнения. Но стоит ли заниматься таким пустым делом, как выдувание мыльных пузырей?

Действительно, волшебные переливы красок на поверхности тончайших мыльных пленок дают физику возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами, – тех сил сцепления, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли.

Те немногие опыты, которые описаны ниже, не преследуют столь серьезных задач. Это просто интересное развлечение, которое лишь познакомит нас с искусством выдувания мыльных пузырей. Английский физик Ч. Бойс в книге «Мыльные пузыри» подробно описал множество разнообразных опытов с ними.

Какие силы удерживают мыльный пузырь? Имеет ли он в точности сферическую форму? Какое давление внутри пузыря? Как он ведет себя в воздухе: поднимается вверх или опускается вниз? Есть ли на поверхности пузырька область, в которой разрыв наиболее вероятен?

Ответ. Мыльные пузыри удерживаются поверхностным натяжением. Поскольку жидкость стекает к основанию пузырька, его верхушка быстро истончается и рвется скорее всего. Давление внутри пузырька больше атмосферного, так как поверхностное натяжение пытается сжать его.

Хорошие (крепкие) пузыри можно получить из раствора простого хозяйственного мыла. Кусок такого мыла разводят осторожно в чистой холодной воде, пока не получится довольно густой раствор. Лучше всего пользоваться чистой дождевой или снеговой водой, а за неимением их – кипяченой и охлажденной водой. Чтобы пузыри держались долго, с поверхности раствора удаляют ложкой пену и пузырьки, а затем погружают в него тонкую глиняную трубочку, конец которой изнутри и извне вымазан предварительно мылом. Достигают хороших результатов и с помощью соломинок, длиной сантиметров в десять, крестообразно расщепленных на конце.

Выдувают пузырь так: окунув трубку в раствор, держа трубку отвесно, так, чтобы на конце ее образовалась пленка жидкости, осторожно дуют в нее. Так как пузырь наполняется при этом теплым воздухом наших легких, который легче окружающего комнатного воздуха, то выдутый пузырь тотчас же поднимается вверх.

Если удастся сразу выдуть пузырь сантиметров в 10 диаметром, то раствор годен; в противном случае прибавляют в жидкость еще мыла до тех пор, пока можно будет выдувать пузыри указанного размера. Но этого испытания мало. Выдув пузырь, обмакивают палец в мыльный раствор и стараются пузырь проткнуть; если он не лопнет, то можно приступить к опытам; если же пузырь не выдержит – надо прибавить еще немного мыла.

Вот несколько занимательных опытов с пузырями [3].

Мыльный пузырь вокруг цветка.

В тарелку или на поднос наливают мыльного раствора настолько, чтобы дно тарелки было покрыто слоем в 2 – 3 мм; в середину кладут цветок или вазочку и накрывают стеклянной воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дуют в ее узкую трубочку, – образуется мыльный пузырь; когда же этот пузырь достигнет достаточных размеров, наклоняют воронку, высвобождая из-под нее пузырь. Тогда цветок окажется лежащим под прозрачным полукруглым колпаком из мыльной пленки, переливающейся всеми цветами радуги.

Вместо цветка можно взять статуэтку, увенчав ее голову мыльным пузырьком (рис. 3.48). Для этого необходимо предварительно капнуть на голову статуэтки немного раствора, а затем, когда большой пузырь уже выдут, проткнуть его и выдуть внутри него маленький.

Несколько пузырей друг в друге (рис. 3.48). Из воронки, употребленной для описанного ранее опыта, выдувают, как и в том случае, большой мыльный пузырь. Затем полностью погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик ее, который придется взять в рот, остался сухим, и просовывают ее осторожно через стенку первого пузыря до центра; медленно вытягивая затем соломинку обратно, не доводя ее, однако до края, выдувают второй пузырь, заключенный в первом, в нем – третий, четвертый и т. д. [3].

Рис. 3.48