Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

W tym dziale opisaliśmy podstawowe właściwości materii w różnych stanach skupienia: ciekłym, stałym i gazowym. Pokazaliśmy związek tych właściwości z wewnętrzną, cząsteczkową budową ciał. Zdefiniowaliśmy wielkości fizyczne: gęstość, ciśnienie, ciśnienie hydrostatyczneatmosferyczne oraz opisaliśmy sposoby ich pomiaru. Sformułowaliśmy prawa fizyczne dotyczące zjawisk zachodzących w cieczach i gazach: prawo Pascalaprawo Archimedesa. Wiesz już, jak doświadczalnie sprawdzić ich prawdziwość, i umiesz wskazać ich praktyczne wykorzystanie.

Źródło: Kai Hendry (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0. Prawa fizyki rządzą nawet tak prozaicznymi czynnościami, jak pompowanie dętki rowerowej

1. Atomy i cząsteczki

Źródło: Tomorrow sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.
  1. Materia składa się z cząsteczek zbudowanych z atomów.

  2. Atomy są bardzo małe, ich rozmiary wyraża się w nanometrach, czyli miliardowych częściach metra. Atomy są niewidoczne pod zwykłymi mikroskopami.

  3. Atomy i cząsteczki znajdują się w nieustannym, chaotycznym ruchu.

  4. O cząsteczkowej budowie materii i o ruchu cząsteczek świadczą:

    • dyfuzja – samorzutne mieszanie się substancji, np. rozprzestrzenianie się zapachu w nieruchomym powietrzu;

    • kontrakcja objętości – objętość mieszaniny cieczy jest mniejsza od sumy objętości jej składników; ze zmieszania szklanki grochu i szklanki maku powstanie mieszanina o mniejszej objętości niż dwie szklanki;

    • ruchy Browna – nieustanne chaotyczne ruchy cząstek zawiesiny w cieczy lub gazie (np. cząstek tłuszczu w wodzie);

    • obrazy atomów z supernowoczesnych mikroskopów zwanych mikroskopami tunelowymi.

2. Trzy stany skupienia

Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Materia występuje w trzech podstawowych stanach skupienia:

  • gazowym – atomy i cząsteczki znajdują się w dużych odległościach od siebie, poruszają się swobodnie i zderzają się ze sobą oraz ściankami naczynia;

  • ciekłym – atomy i cząsteczki leżą blisko siebie, przyciągają się i odpychają, ale mogą się swobodnie przemieszczać (podobnie jak pasażerowie z zatłoczonym tramwaju);

  • stałym – atomy i cząsteczki leżą blisko siebie i są ze sobą mocno związane, nie mogą się przemieszczać, ale mogą wykonywać ruchy drgające.

3. Gęstość materii

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
  1. Gęstość (d) to iloraz masy i objętości: d= mV kgm3, gdzie: m – masa ciała; V – jego objętość.

  2. Gęstość jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji.

  3. Gęstość zawiera informację, jaka jest masa jednego metra (centymetra, decymetra) sześciennego danej substancji. Jeśli gęstość drewna wynosi 600 kgm3, to znaczy, że jeden metr sześcienny tego drewna ma masę 600 kg.

  4. Aby wyznaczyć gęstość ciała, musimy znać jego masę i objętość. Mierzenie objętości zależy od kształtu ciała. Gdy ma ono kształt regularny (sześcian, prostopadłościan, walec, kula), należy zmierzyć linijką wysokość, długość, szerokość lub średnicę i za pomocą wzorów matematycznych wyliczyć objętość danej bryły. Gdy ciała nie mają regularnego kształtu, ich objętość możemy wyznaczyć za pomocą menzurki z wodą (jeśli pozwalają na to wymiary badanej bryły). W celu wyznaczenia masy ciała posługujemy się wagą.

4. Właściwości ciał stałych

Źródło: Lucy Kitsunè Mj (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
  1. Ciała stałe zachowują swój kształt i swoją objętość.

  2. Zmiana kształtu ciała stałego nie wpływa na jego objętość.

  3. Ciała stałe dzielimy na:

    • sprężyste – przykłady: stal, kauczuk;

    • plastyczne – przykłady: plastelina, ołów;

    • kruche – przykłady: porcelana, lód.

Ten podział jest umowny i zależy od wielkości siły, która działa na ciało.

5. Budowa krystaliczna ciał stałych

Źródło: Didier Descouens (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

Ze względu na sposób ułożenia atomów lub cząsteczek ciała stałe dzielimy na:

  • krystaliczne – atomy, jony lub cząsteczki są rozmieszczone regularnie, tworzą pewną strukturę geometryczną, nazywaną siecią krystaliczną (przykłady: sól kuchenna, kwarc, metale);

  • amorficzne – tworzące je atomy lub cząsteczki rozłożone są chaotycznie, czyli w sposób nieuporządkowany (przykłady: szkło, smoła, parafina).

6. Właściwości cieczy

Źródło: Kenny Louie (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY 2.0.
  1. Ciecze mają określoną objętość, ale nie kształt. Przyjmują kształt naczynia, w którym są umieszczone.

  2. Na styku z innym ośrodkiem (próżnią, powietrzem, cieczą lub ścianką naczynia) ciecze tworzą określony kształt powierzchni, nazywany powierzchnią swobodną cieczy.

  3. W stanie nieważkości powierzchnia swobodna cieczy ma kształt kuli.

  4. Ciecze są nieściśliwe.

  5. Ciecze zmieniają swoją objętość pod wpływem temperatury – zjawisko to nosi nazwę rozszerzalności termicznej.

7. Napięcie powierzchniowe

Źródło: www.SuperCar-RoadTrip.fr (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
  1. Powierzchnia swobodna cieczy dąży do tego, aby mieć jak najmniejsze pole, a siły, które to powodują, nazywamy siłami napięcia powierzchniowego. Kiedy pole to wzrośnie (np. nastąpi ugięcie powierzchni), siły napięcia dążą do jego zmniejszenia.

  2. Siłami spójności (kohezji) nazywamy oddziaływania występujące między cząsteczkami tej samej substancji.

  3. Siły przylegania (adhezji) to oddziaływania występujące między cząsteczkami różnych substancji.

  4. Relacje między siłami przylegania i spójności prowadzą do powstawania odpowiednich menisków:

    • gdy siły spójności są większe od sił przylegania, powstaje menisk wypukły;

    • gdy siły przylegania są większe od sił spójności, powstaje menisk wklęsły.

8. Właściwości gazów

  1. Gazy nie mają swojego kształtu ani swojej objętości. Przybierają kształt i objętość naczynia, w którym się znajdują.

  2. Cząsteczki gazu wypełniają całą objętość naczynia – bez względu na jego kształt.

  3. Gazy są ściśliwe (w przeciwieństwie do ciał stałych i cieczy).

9. Ciśnienie

Źródło: Zimin Vas, Манометр (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
  1. Ciśnienie to wielkość fizyczna – jest miarą siły nacisku (parcia) na jednostkę powierzchni; oznaczamy je małą literą p.

  2. Aby obliczyć wartość ciśnienia, należy siłę nacisku (F ) działającą prostopadle do powierzchni podzielić przez pole powierzchni (S), na którą ta siła działa. Ciśnienie = siła nacisku (parcie) / pole powierzchni; p= FS.

  3. Jednostką podstawową ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa); p=FS=1N1m2=1 Pa.

  4. Ciśnienie gazów i cieczy mierzymy za pomocą manometrów.

10. Ciśnienie hydrostatyczne

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
  1. Ciśnienie hydrostatyczne spowodowane jest ciężarem cieczy znajdującej się w spoczynku; zależy od wysokości słupa cieczy i od jej gęstości.

  2. Ciśnienie hydrostatyczne obliczamy ze wzoru: p=d·g·h, gdzie:
    p[Pa] – ciśnienie cieczy;
    dkgm3 – gęstość cieczy;
    gms2 – przyspieszenie ziemskie;
    h[m] – wysokość słupa cieczy.

11. Ciśnienie atmosferyczne

Źródło: Jamain (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
  1. Ciśnienie atmosferyczne związane jest z ciężarem powietrza, znajdującego się powyżej poziomu, na którym je mierzymy. Im bliżej powierzchni Ziemi, tym wyższe jest ciśnienie atmosferyczne, i odwrotnie – na szczytach górskich ciśnienie atmosferyczne jest niższe niż w dolinach.

  2. Do pomiarów ciśnienia atmosferycznego służą barometry.

12. Prawo Pascala

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
Reguła: prawo Pascala

Jeżeli na ciecz lub gaz będziemy wywierać parcie z zewnątrz, to wytworzy ono w cieczy lub gazie dodatkowe ciśnienie jednakowe w całej objętości tej cieczy lub tego gazu.

Mówimy, że ciśnienie zewnętrzne wywierane na płyn rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo.

13. Zastosowanie prawa Pascala

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
  1. Prawo Pascala znalazło szerokie zastosowanie w konstrukcji pras, podnośników, pomp hydraulicznych i układów hamulcowych.

  2. Zasada działania prasy hydraulicznej wykorzystuje prawo Pascala. Zadaniem prasy jest zwielokrotnienie zewnętrznej siły nacisku i wykorzystanie jej do wykonania pracy. Prasa hydrauliczna jest najważniejszym elementem każdego siłownika.

  3. Wartość siły F2 uzyskanej za pomocą prasy jest tyle razy większa od zewnętrznej siły F1 działającej na tłok, ile razy powierzchnia S2 większego tłoka jest większa od powierzchni S1 mniejszego tłoka; p = F1S1 = F2S2.

14. Prawo Archimedesa

Źródło: Sodacan (http://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 3.0.
Reguła: prawo Archimedesa

Na każde ciało zanurzone w cieczy (gazie) działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi wypartej cieczy (gazu).

Dowód

Wartość siły wyporu Fw zależy od gęstości cieczy (gazu) oraz od objętości wypartego płynu lub gazu. Siłę wyporu oblicza się za pomocą wzoru:

Fw=d·V·g

gdzie:
d – gęstość wypartej cieczy (gazu); V – objętość wypartej cieczy (gazu); g – przyspieszenie ziemskie.

15. Pływanie ciał

Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
Warunki pływalności ciał

Ciało tonie w cieczy lub gazie

Ciało unosi się na dowolnej głębokości w cieczy bądź gazie

Ciało unosi się na powierzchni cieczy (częściowo zanurzone)

Siła ciężkości ma wartość większą od siły wyporu działającej na ciało.

Siła ciężkości ma taką samą wartość jak siła wyporu działająca na ciało.

Siła ciężkości równa jest sile wyporu.

Gęstość ciała jest większa od gęstości cieczy lub gazu.

Gęstość ciała jest równa gęstości cieczy albo gazu.

Gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy lub gazu.

16. Zadania

Polecenie 1

Kostka masła ma wymiary 10 cm x 8 cm x 3 cm, a jej masa wynosi 228 g. Oblicz gęstość masła. Wynik podaj w gcm3 oraz w kgm3.

Polecenie 2

Wypisz podobieństwa i różnice w cząsteczkowej budowie cieczy i gazów oraz cieczy i ciał stałych. Posłuż się tabelą.

Podobieństwa i różnice w cząsteczkowej budowie ciecz, gazów i ciał stałych

CIECZE I GAZY

PODOBIEŃSTWA

RÓŻNICE

   
   

CIECZE I CIAŁA STAŁE

PODOBIEŃSTWA

RÓŻNICE

   
   
Polecenie 3

Jak nazywa się zjawisko, dzięki któremu kropla atramentu wpuszczona do nieruchomej wody po pewnym czasie zabarwia ją w całości? Opisz, jak ono przebiega. Co należy zrobić, aby cała woda zabarwiła się szybciej?

Polecenie 4

Balon pasażerski unosi się w powietrzu i tkwi nieruchomo na jednej wysokości. Jak zachowa się balon, gdy pasażerowie wyrzucą z kosza część balastu? Odpowiedź uzasadnij. Użyj m.in. pojęć: używając między innymi takich pojęć jak: siła ciążenia, siła wyporu powietrza, równowaga sił.

Polecenie 5
Wartości gęstości wybranych ciał stałych, cieczy i gazów

Ciało stałe

dkgm3

drewno dębu

600–900

mosiądz

8200–8950

ołów

11 336

stal nierdzewna

8100

złoto

19 320

lód (0°C)

920

Ciecze

dkgm3

benzyna

700

eter

720

gliceryna

1260

nafta

800

oliwa

920

rtęć

13 550

woda destylowana (4°C)

1000

Gazy

dkgm3

argon

1,784

chlor

3,22

hel

0,178

powietrze

1,185

tlen

1,429

wodór

0,09

Polecenie 6

W dokumentach opisujących prawa i obowiązki pracowników transportowych napisano: „…masa przedmiotów podnoszonych i przenoszonych samodzielnie przez pracownika nie może przekraczać 30 kg przy pracy stałej oraz 50 kg przy pracy dorywczej”. Czy jeden pracownik może jednorazowo przenieść pojemnik zawierający 3 litry (dm3) rtęci? Gęstość rtęci wynosi 13 550kgm3. Czy pracownik mógłby przenosić takie pojemniki, gdyby to była jego stała praca? Wykonaj odpowiednie obliczenia.

Wskazówka

Pamiętaj o przeliczeniu litrów na metry sześcienne.

Polecenie 7

* W tablicach fizycznych można znaleźć informację, że cząsteczki powietrza w temperaturze pokojowej poruszają się z szybkością około 1000 ms. Po jakim czasie teoretycznie powinniśmy poczuć zapach perfum z opakowania otwartego w odległości 5 metrów? Dlaczego w rzeczywistości czas ten jest znacznie dłuższy?

Polecenie 8

Ciało, którego ciężar wynosi 20 N, zanurzono w cieczy. Ciężar wypartej cieczy wyniósł 23 N. Czy ciało to będzie w tej cieczy tonąć czy – pływać? Jeśli nie utonie, to będzie całkowicie zanurzone w cieczy czy tylko częściowo? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 9

Wieloryb pływa na głębokości 1000 metrów. Jaką wartość ma siła nacisku wody na skórę wieloryba? Powierzchnia ciała wieloryba wynosi 300 m2, a gęstość wody morskiej – 1030 kgm3.

17. Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10
Ćwiczenie 11
Ćwiczenie 12
Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 13.1
Źródło: Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 14.1