Sophia Malakhova
апрель 2016.
2495

Почему бутылка сжимается, когда человек "высасывает" жидкость, даже если вода доходит до краев бутылки (воздух не захватываем)?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
0
2 ответа
Поделиться
АВТОР ВОПРОСА ОДОБРИЛ ЭТОТ ОТВЕТ

Итак, у нас есть пластиковая (это важно) бутылка до краев наполненная водой. Снаружи у нас атмосферное давление. Пока система в равновесии ничего не происходит.

Вы начинаете всасывать воду. Ее объем в бутылке уменьшается, но так как воздух в бутылку не попадает, то на место выпитой воды приходит "ничего". Давление "ничего" меньше атмосферного и бутылка моментально сжимается до объема оставшейся в ней воды. В принципе так можно осушить бутылку почти полностью, если вашей силы всасывания будет хватать для создания разницы давлений достаточной для деформации пластика. 

Если бутылка стеклянная, то атмосферного давления уже не хватает для изменения ее формы. Так что пить таким "вакуумным способом" из нее долго не получится — вас будет очень сильно засасывать внутрь.

В космосе — где нет атмосферы, а следовательно и давления — даже пластиковая бутылка не будет сжиматься при таком "способе питья". Кстати, такой способ не будет отличатся от обычного, так как у вас что в бутылке вакуум, что снаружи... без разницы.

UPD: инженер Артем Клим заметил, что если в космосе полностью удалить газ из воды, то притяжение между молекулами воды и бутылки (а так же молекул воды между собой) сможет сжать бутылку даже в отсутсвие атмосферного давления. Это уникальное свойство жидкостей позволяет создавать в них отрицательное давление — явление делающее возможным существование деревьев на Земле.

Анна Синельниковаотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
13

Но даже в космосе если тщательно удалить газы из воды, бутылка без пузырьков будет сжиматься за счет взаимодействия молекул воды со стенками ( и между собой). Если будет хоть 1 крошечный пузырек - уже не сожмется, но без них сжимается. Именно за счет этого притяжения в жидкостях ( в отличие от газов) можно создавать отрицательное давление, чем и пользуются многие деревья.

0
Ответить

Артем, я не уверена, что вас поняла. Взаимодействие воды со стенками — это сила поверхностного натяжения. Деревья действительно ее используют (не многие — все) и это явление называется капиллярным явлением. Ключевое слово — капилляр. Но бутылка ни в каком приближении не является капилляром. Пожалуйста поясните.

0
Ответить

нет ,  капилляр тут не причем. Капилляр не может создать давление в минус 15 атмосфер  чтобы вытянуть воду на высоту в полсотни метров, не хватит  его , там другой механизм. То , о чем я говорю  относится  к понятию "растянутая жидкость" - метастабильное состояние, возможное благодаря вандервальсовым силам. без никакого поверхностного натяжения (у нас же нет воздуха и нет "открытой" поверхности воды - есть только контакт со стенкой)  молекулы жидкости  притягиваясь между собой ( и к стенкам сосуда)  не дадут образоваться пустоте даже при давлении в минус 23  МПа (около  230 атмосфер, было получено в опыте с водой), если , конечно , жидкость тщательно очищена.  По той же причине в опыте Торричелли если аккуратно поднимать трубку , то  пустоты сверху  (со стороны запаянного конца) не образуется некоторое время.

+1
Ответить
Ещё 6 комментариев

По поводу деревьев -  диаметр капилляров в них  от 20 до 200 микрометров. Если вспомнить формулу по которой можно вычислить силу поверхностного натяжения и соответственно высоту , на которую она поднимет воду в капилляре ( такие задачки даже в школе решали)  получится что метр-два для дерева - потолок. Если бы они могли создавать "абсолютный" вакуум , то подняли бы воду еще метров на 10.  Но есть деревья высотой выше 100 метров.

+1
Ответить

Артем, спасибо, это интересно. Давайте разбираться. Итак, я упомянула капиллярные явления к деревьям, в том смысле, что вода поднимается вверх. Значит мы говорим про смачивание водой материала капилляра, верно?

Что такое смачивание? Это явление при котором притяжение между молекулами жидкости и молекулами материала больше притяжения молекул жидкости друг к другу (вы об этом как раз и писали).

Что такое сила поверхностного натяжения? Это сила, которая возникает на поверхности двух фаз (в том числе между жидкостью и твердым телом), из-за того, что силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости не скомпенсированы на поверхности раздела. Проще говоря, в объеме жидкости молекула притягивается всеми молекулами вокруг (со всех сторон), а на поверхности раздела, только теми, которые находятся с одной стороны. Из-за этого на поверхность жидкости действует большая сила и жидкость стремится собраться в шарик. Как видите, если у вас есть жидкость, где бы она не была и в каких бы условиях вы ее не держали, у вас всегда будут силы поверхностного натяжения. Просто потому что есть поверхность — хоть в космосе, хоть в бутылке.

Значит смачивание может быть определено теперь так: это явление при котором сила взаимодействия материала и жидкости больше, чем сила поверхностного натяжения данной жидкости. Мысль понятна, да? Так как взаимодействие жидкости и материала происходит только на поверхности раздела, то мы можем посчитать суммарную силу взаимодействия молекул жидкости в объеме — это и есть поверхностное натяжение. Согласны?

Итого. В явлении смачивания силы поверхностного натяжения играют одну из двух ключевых ролей (вторая — это взаимодействие молекул жидкости с материалом). В капиллярных явлениях смачивание тоже играет ключевую роль. А значит для капиллярных явлений поверхностное натяжение очень важно. 

К чему это все. К тому, что я думаю, что это вот "растяжение жидкости" есть ни что иное, как капиллярное явление (в том смысле, в котором я его описала). То есть это вопрос о соотношении силы поверхностного натяжения, силы взаимодействия поверхности жидкости и поверхности сосуда и гравитации. Если гравитации нет, тогда корректнее говорить о силе смачивания, а не капиллярах — соглашусь.

В связи с этим вопрос. В оригинальном ли опыте Торричели, можно это наблюдать? Я не могу понять, как такое растяжение можно провернуть со ртутью, которая не смачивает стекло. По моему очень глубокому убеждению опыт который вы описали был с водой (тогда все ок). И расскажите тогда о другом эксперименте. Я уверена, что растяжение жидкости возможно только в случае смачивания. Я ошибаюсь?

+1
Ответить

Чтобы не было разночтений , хотел бы начать с классификации. Смачивание это вообще взаимодействие жидкости с поверхностью твердого тела, или другой жидкости ( без смешивания).

Смачивание разделяют на 2 вида. Контактное - когда присутствуют 3 фазы ( например капля воды , твердая поверхность/стенка и  воздух) , тоесть не вся поверхность твердого тела контактирует с водой. И иммерсионное, это когда вся поверхность тела контактирует с водой , только 2 фазы , без воздуха. Например полностью погруженное тело или наш пример с бутылкой внутри которой нет ни пузырька газа (вся внутренняя поверхность контактирует). Так вот различия в поведении жидкости и взаимодействии с твердым телом есть только в случае контактного смачивания, только в таком случае говорят "смачивает" либо "не смачивает" (но даже в случае "не смачивает" взаимодействие есть и оно того же знака - притягивается), отличатся будет так же угол смачивания в обоих случаях. лично мне не нравится путаница в русскоязычной терминологии : смачивает всегда, когда взаимодействует, потому что смачиванием называется само взаимодействие, даже тогда , когда " не смачивает" - тоесть взаимодействует слабее чем взаимодействуют молекулы жидкости между собой.

Под капиллярными явлениями понимают обычно явление изменения уровня жидкости в тонких трубках -  капиллярах. Это частный случай контактного смачивания и очень хорошо описан и изучен.  Естественно, в дереве есть тонкие трубки, и вода смачивает  их поверхность и потому явление это присутствует. Но только с помощью этого явления вода в капиллярах дерева может подняться не выше чем на метр, отсилы - 2. Потому ошибочно полагать , что они поднимают воду используя исключительно капиллярный эффект. Капиллярным эффектом они поднимут воду на метр , но на остальные  уже  вступят в действия другие механизмы.

На счет растяжения жидкости -  во первых , для нее не надо капилляра -  можно использовать емкость хоть сферической формы. Потому  и хоть в этом явлении присутствуют те же силы - силы взаимодействия между молекулами жидкости а также силы взаимодействия с твердой поверхностью,  это разные эффекты которые проявляются в разных условиях.  Капиллярные эффекты имеют место при контактном смачивании и проявляются в виде изменения высоты столба  в капилляре , когда как растяжение жидкости - это возможность жидкостей "иметь" отрицательное давление  при этом не должно быть газообразной фазы, тоесть смачивание никак не контактное.

И во вторых : из того ,что притяжение молекул к ртути к стеклу  меньше чем притяжение молекул ртути к ртути не следует , что молекулы ртути отталкиваются от стекла.  В случае контактного смачивания это ощутимо изменит поведение системы, изменит угол смачивания. Но если у нас ртуть занимает весь объем трубки , без  "пузырьков" и пустот,  то тот факт что ртуть не смачивает стекло не отменит тот факт что ртуть по прежнему к нему притягивается, пусть и сила эта меньше чем притяжение молекул ртути между собой, но она ненулевая и даже больше веса того столба ртути, и вакуумный разрыв при аккуратном плавном перевороте  может быть не сразу. Потому и растяжение жидкости возможно в том случае , если притяжение жидкости к стенкам  емкости больше нуля. (не обязательно  больше притяжения молекул жидкости между собой. От этого зависит только "где порвется" при увеличении воздействия)

И я так и не понял что вы хотели сказать предложением

"Если гравитации нет, тогда корректнее говорить о силе смачивания, а не капиллярах — соглашусь."

На мой взгляд, если гравитации нет но есть тонкая трубка и 3 фазы - тоже будет капиллярный эффект, как будут и силы притяжения между поверхностью и жидкостью (как воды со стеклом так и ртути со стеклом) и притяжение молекул жидкости между собой,   если трубки нет то независимо от того, есть ли гравитация, или нет ее , все притяжения молекул останутся, но эффекты будут иметь другие названия.

+1
Ответить

Артем, вынуждена с вами согласится) Спасибо. Добавлю это в свой ответ.

Я говорила приблизительно о том же, но честно сказать, не знала, что жидкости такие "прочные". Мне казалось, что такой эффект должен быть очень слабым. Раз уж вы инженер, не могли бы сказать где в технике используют растяжение жидкостей. Хочу понять какой же силы может достигать этот эффект.

0
Ответить

Вообще  да , жидкости достаточно "прочные" на растяжение но при одном условии - нет пузырьков - "зародышей", потому что  при отрицательном давлении она находится в метастабильном состоянии перегретой жидкости и если будет малейший пузырек -  она "закипит" . Поэтому обычная  вода  и большинство жидкостей "технической" чистоты сравнительно быстро закипят   при низких давлениях . Потому если воду в нашу бутылку набрать с под крана, в вакууме она начнет кипеть еще до того как мы начнем "вытягивать" из нее воду.

Кстате , если такую растянутую жидкость охладить ниже температуры замерзания (без готовых центров кристаллизации это вполне возможно ) то она будет одновременно и переохлажденной и перегретой. Как бы странно это не звучало . И при выведении из состояния неустойчивого равновесия  она будет одновременно кипеть и кристаллизоваться.

По поводу использования - я встречал упоминания 2-х измерительных приборов , в котором использовалось отрицательное давление жидкости. Но не встречал ни одного случая когда эта возможность использовалась для передачи  усилия или движения в технике.  Сам знаком с этим явлением потому что оно неразрывно связано  с одним вредным (как правило) явлением - кавитацией - с которым  порой приходится бороться инженерам.

Один из этих приборов использовался для обнаружения примесей газа в  жидкости ,  кажется , там получив отрицательное давление , с помощью электродов, вмонтированных в емкость, через жидкость пропускали ток, и если были примеси газов , получали пузырек с ними.

Второй прибор использовался для регистрации единичных атомных частиц разделенных большими временными интервалами. Попадая в камеру с растянутой жидкостью частица запускала процесс кипения, который обнулял давление в камере. 

Упоминания о таких приборах я встречал достаточно давно  и в достаточно старых книгах  как сейчас обстоят дела с практическим использованием эффекта не в курсе. В курсе только о его изучения с целью улучшения свойств жидкостей по уменьшению кавитации. Получают отрицательыне давления самыми разными способами , некоторые их них позволяют выдать около одной десятой  атмосферы  в "минус"  (-10 кПа) а некоторые доходят до 250 атмосфер для воды и 400 для ртути ( -25МПа и -40МПа )

+1
Ответить

Артем, спасибо большое за ваши подробные комментарии. 

Прибор для детектирования частиц, который вы описали, называется Пузырьковая камера (если я вас правильно понимаю). Действительно, этот метод уже давно устарел и сейчас не используется. Но с точки зрения физики он по прежнему очень интересен.

Мне кажется, это хороший пример, который показывает разницу между инженером и физиком-теоретиком :) Потому что для меня Пузырьковая камера всегда была камерой с перегретой жидкостью, а для вас камерой с растянутой жидкостью))

0
Ответить
Прокомментировать

Потому что количество содержимого уменьшилось. Уменьшилось количество воды в бутылке , а жидкости у нас очень не хотят растягиваться,  силы межмолекулярного взаимодействия не позволяют, и после глотка они же "стянут" всю воду в меньший объем (плотность останется той же - около килограма на кубометр).  И те же силы межмолекулярного взаимодействия  (между водой и бутылкой) а так же атмосферное давление не даст образоваться  вакуумным "зазорам" внутри бутылки и сдавят  ее до того объема , который занимает вода после глотка.

5
Прокомментировать
Ответить