Гидростатика Жидкость и ее физические свойства (плотность, вязкость,

Скачать презентацию Гидростатика Жидкость и ее физические свойства (плотность, вязкость,

Гидростатика.ppt

Количество слайдов: 61

Гидростатика Жидкость и ее физические свойства (плотность, вязкость, соленость, температура воды). Методы измерения плотности и вязкости воды. Параметры Черного и соседних морей. Средняя плотность тела водных организмов (критические значения). Определение плотности тела. Понятие плавучести. Способы регуляции плавучести у водных организмов. Миграции.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ГИДРОСТАТИКИ В гидростатике изучается равновесие жидкостей, находящихся в состоянии относительного покоя. При этом форма объема жидкости не меняется, силы внутреннего трения отсутствуют. При решении уравнений Навье-Стокса при условии равенства нулю скоростей движения жидкости по соответствующим осям координат была получена система дифференциальных уравнений равновесия Эйлера: − dp ∂x = 0; − dp ∂ y = 0; − ρg − ∂p ∂z = 0. Давление в покоящейся жидкости изменяется только по вертикали(т. е. вдоль оси z), оставаясь одинаковым во всех точках любой горизонтальной плоскости, так как изменения давления вдоль осей x и y равны нулю. Внешнее давление на жидкость передается внутри ее во все стороны без изменения (закон Паскаля)

Поскольку гидростатическое давление жидкости на вертикальную стенку сосуда изменяется по ее высоте, то общая сила давления на нее распределяется неравномерно и будет определяться по формуле: P = p 1 +( ρ g h ) F ст , где h – расстояние от верхнего уровня жидкости до центра тяжести смоченной площади Fст стенки. Из этого выражения следует, что сила давления на вертикальную стенку равна произведению ее смоченной площади на гидростатическое давление в центре тяжести смоченной площади стенки. Точка приложения сил давления на стенку называется центром давления. Эта точка расположена всегда ниже центра тяжести смоченной площади стенки. Например, для вертикальной плоской стенки центр давления расположен от верхнего уровня жидкости на расстоянии 2 /3 H.

Зако н Архиме да: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (называемая силой Архимеда) где ρ — плотность жидкости (газа), — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). закон Архимеда является прямым следствием закона Паскаля (который Архимеду был неизвестен). Покажем это. Выделим в жидкости, плотность которой ρ, элемент объема – прямоугольный параллелепипед высотой Δh с площадью горизонтальной грани S. Его вес mg = ρ gΔ h. S; давление столба жидкости высоты h на верхнюю и нижнюю грани равно соответственно p = ρ g h p = Δp = ρ g(h+ Δh Полная сила, действующая на элемент объема по вертикали, равна F = S ⋅{(p + Δ p)− p}= S ⋅ ρgΔh = ρg. V , V = S ⋅ Δh. Обобщение на тело произвольной формы перенести просто – нужно заменить его набором достаточно малых кубиков, суммарный объем которых равен объему тела. Получим силу Архимеда: F Archimedes = g. V ρ Тело погруженное в воду - мокнет. Следствие из закона Архимеда - Тело НЕ погруженное в воду – пахнет На погруженное в сон тело действует выталкивающая сила, пропорциональная громкости будильника. Объем алкоголя, помещенного в тело, равен вытесненному из него объему воспитания

Условия плавания тел Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и силы Архимеда , которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая: тело тонет FТ > FА ρТ >ρЖ тело плавает FТ = FА ρТ =ρж тело всплывает FТ < FА ρТ <ρж

Потопляющая сила (отрицательная плавучесть) • Q 1 = P-F, q 1 = P-F/F = ρw –ρb/ρb = ρw /ρb - 1 • Density contrast g=ρb/ρw Материал Плотность, кг/м. куб. Удельная плавучесть Ель 550 0, 82 Сосна 600 0, 67 Лиственница 570 0, 75 Пробка 250 3 Кора осокоря (балбера) 320 -330 1, 86 -2 Чакан Плавучесть • Q = F-P, F- выталкивающая сила; P-сила тяжести. • Удельная плавучесть q = F-P/P = ρw –ρb/ρb 100 9 Материал Плотность, кг/м. к уб. Удельная потопл яемост ь Потеря веса в воде, % Свинец 11300 0, 91 9 Сталь 7500 0, 87 13 Чугун 7250 0, 86 14 Обожженн ая глина 2200 0, 55 45 Камни 2500 0, 60 40 Плавучесть тел неизменной плотности зависит от плотности воды

• Наибольшая плотность пресных вод будет при температуре 4°С: = 1000 кг/м 3. Она достигает максимума при температурах 4, 08, 3, 4°С и соответственно давлениях 0, 1, 0, 4, 1, 0 МПа. Морская вода с концентрацией солей 35 г/л имеет среднюю плотность 1028, 1 кг/м 3 при 0°С. Изменение солесодержания на 1 г/л изменяет плотность на 0, 8 кг/м 3. • Средняя плотность Мирового океана составляет 1025 кг/м 3. Плотность воды увеличивается от поверхности Океана от 1022 кг/м 3 ко дну и притом вначале быстро до 1027 кг/м 3 на глубине около 1500 м, а затем медленно до 1028 кг/м 3. • Почему?

Плотность воды зависит от давления, температуры и содержания растворенных солей Значения коэффициента объемного сжатия воды в зависимости от температуры и давления Коэффициенты объемного сжатия βw при давлении, Па*10 -4 Температура, °С 50 100 200 300 780 0 5, 4 5, 37 5, 31 5, 23 5, 15 5 5, 29 5, 23 5, 18 5, 08 4, 93 10 5, 23 5, 18 5, 08 4, 98 4, 81 15 5, 18 5, 1 5, 03 4, 88 4, 7 20 5, 15 5, 05 4, 95 4, 81 4, 6

Коэффициенты температурного расширения ßt воды Коэффициенты температурного расширения ßt при температуре 1/°С Давление Р , Па*105 1 -10 10 -20 40 -50 60 -70 90 -100 1 0, 000014 0, 000150 0, 000422 0, 000556 0, 000719 100 0, 000043 0, 000165 0, 000422 0, 000548 0, 000704 200 0, 000072 0, 000183 0, 000426 0, 000539 0, 000682 500 0, 000149 0, 000236 0, 000429 0, 000523 0, 000661 900 0, 000229 0, 000289 0, 000437 0, 000514 0, 000621

• Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, представляет собой объемный модуль упругости жидкости (Eж): • Еж = = , Па. • Для воды при атмосферном давлении Еж составляет около 2000 МПа.

Температурное расширение. Это свойство жидкостей изменять свой объем характеризуется коэффициентом температурного расширения (bt) представляющим собой относительное изменение объема жидкости W при изменении температуры t на 1°С и постоянном давлении: bt = о. С-1. Зная коэффициент температурного расширения bt и плотность жидкости (r) при определенной температуре (t) можно определить плотность жидкости (ri ) при другой температуре – (ti ): r i=

Зависимость плотности пресной воды от температуры

Зависимость плотности морской воды от температуры и солености

• Зависимость удельной теплоемкости от температуры С ростом температуры вещества его удельная теплоемкость, как правило, возрастает. Но вода и здесь ведет себя особо. Так, с повышением температуры от 00 до 370 С удельная теплоемкость воды падает, а в интервале от 370 до 1000 С – растет. Поэтому она одинакова, например, при температуре 250 и 450, 100 и 740.

• Основной закон вязкого течения был установлен • И. Ньютоном: • t=±m • • где τ – касательные напряжения жидкости τ = T/w, • T – тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друга, • w – площадь слоя, по которому происходит сдвиг; = – градиент скорости течения (быстрота её изменения от слоя к слою), иначе – скорость сдвига Вязкость воды Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости (m). Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Знак «плюс» или «минус» в формулах принимается в зависимости от знака градиента скорости.

• Вязкость численно равна тангенциальной силе на единицу площади (T/w), необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между которыми равно единице. Из этого определения следует, что вязкость имеет размер Н·с/м 2. Иногда вязкость измеряют в пуазах, 1 Пз = 0, 1 Н·с/м 2 =0, 1 Па*с. • Величина обратная m, называется текучестью j=. • Наряду с динамической вязкостью (m) часто рассматривают кинематическую вязкость (n): n= , • где r – плотность жидкости или газа. • Единицами кинематической вязкости служат м 2/с и см 2/с, ранее использовались стоксы, 1 Стокс=1*10 -4 м 2/с.

Динамическая вязкость воды в спуазах (10 -3 МПа×с) в зависимости от температуры и давления Температура 0 С Давление, атм 1 50 100 200 300 10 1, 307 1, 301 1, 296 1, 289, 1, 281 20 1, 002 1, 001 1, 000 0, 998 0, 995 30 0, 797 0, 798 0, 800' 40 0, 653 0, 654 0, 656 0, 658 50 0, 546 0, 547 0, 549 0, 552 0, 555 60 0, 466 0, 468 0, 469 0, 472 0, 476 70 0, 404 0, 406 0, 408 0, 411 0, 416 80 0, 355 0, 358 0, 361 0, 366 0, 372 90 0, 315 0, 319 0, 324 0, 330 0, 337 100 0, 282 0, 287 0, 293 0, 301 0, 303

p. H морской воды и буферная емкость По своему составу морская вода очень схожа с соляным составом крови человека. Во время Великой Отечественной Войны при нехватке донорской крови советские медики в качестве кровезаменителя вводили внутривенно морскую воду. p. H морской воды варьирует в узких пределах 7, 5 – 8, 4 определяющихся концентрациями семи ионов: хлора, сульфатного, гидрокарбонатного, натрия, калия, магния, кальция. Некоторые смеси солей слабых кислот или оснований или их смеси с кислотами обладают свойством удерживать значение кислот при добавлении в раствор небольших количеств кислот или оснований. Такое свойство назевают буферностью смеси растворов. Карбонатная система (или говоря грубо - карбонатный буфер) одна из наиболее важных и сложных равновесных систем в океане, включающая растворенный углекислый газ (двуокись углерода), углекислоту и продукты ее диссоциации ионы H+, HCO 3 -, CO 32 -. Сумма ионов HCO 3 -, CO 32 - образует карбонатную щелочность морской воды. Растворенный углекислый газ, реагируя с водой, превращается в угольную кислоту: CO 2 + H 2 O - H 2 CO 3. Угольная кислота, реагируя с кальцием и магнием, образует соответствующие соли карбонаты. Хорошо растворимые в воде гидрокарбонаты кальция и магния Ca(HCO 3)2 и Mg(HCO 3)2 и плохо растворимые карбонаты кальция и магния Ca. CO 3 и Mg. CO 3 Таким образом, благодаря работе карбонатной системы морская вода обладает высокой буферной емкостью и способна сохранять p. H на уровне 8, 2 -8, 4 при добавлении кислоты или щелочи.

Растворимость газов в воде Растворимость газов в жидкостях зависит от самого газа, температуры, солености, давления и способности газов взаимодействовать с растворителем. Растворимости некоторых газов в воде при температуре 180 С и давлении в 1 атмосферу: Азот - 0. 01698 Кислород - 0. 03220 Двуокись углерода - 0. 928 Хлор - 2. 40 Аммиак - 748. 80 (аммиак взаимодействует с водой, поэтому хорошо в ней растворяется)

Растворимость кислорода в пресной и морской воде Растворение кислорода в воде идет с выделением теплоты (ΔН< 0).

Калькуляторы для вычисления физических параметров воды по ее температуре и солености

Для измерения плотности воды используются: -пикнометр — прибор для измерения истинной плотности -ареометр (денсиметр, плотномер) Пикнометр — физикохимический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Пикнометр был изобретён Менделеевым Дмитрием Ивановичем в 1859 году.

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости. Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности. Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, ареометр иногда снабжают термометром для одновременного измерения температуры. Для измерения плотности жидкости сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска. Считается, что ареометр изобрела Гипатия – женщина-ученый, математик, астроном и философ, схоларх Александрийской школы неоплатонизма.

Соленость и содержание хлора в морской воде Точно определить содержание соли в морской воде затруднительно, так как при выпаривании морской воды досуха часть бикарбоната разлагается, а часть хлорида гидролизуется, поэтому было дано следующее определение понятие «солености» : Соленость - это общее содержание твердого остатка в 1 кг морской воды, определенного после того, как весь карбонат переведен в окись, бром и йод и замещены хлором, а органическое вещество полностью окислено. Кнудсен приводит следующую эмпирическую зависимость между хлорностью (Cl, %) и соленостью (S, %): S=0, 03+1, 8050 Cl, Где Cl - «общее количество хлора в граммах, содержащееся в 1 кг морской воды после. Соленость и хлорность выражаются через вес на единицу количества (1 кг) морской воды.

Современные методы измерения солености Кондуктометрия

Методы определения концентрации растворенного кислорода Метод Винклера является самым старым, но до сих пор не потерявшим своей актуальности. Стадия фиксации кислорода (щелочная среда) Mn 2+ + 2 OH- = Mn(OH)2 2 Mn(OH)2 + O 2 = 2 Mn. O 2*H 2 O Иодометрическое титрование (кислая среда) Mn. O 2*H 2 O + 4 H+ + 2 J- = Mn 2+ + J 2 +3 H 2 O J 2 + J- = J 3 J 3 - + 2 S 2 O 32 - = 3 J- + S 4 O 62 Точность 0. 1% и воспроизводимость 0. 02% на уровне 5 мг. О 2/л для варианта метода Винклера с фотометрическим титрованием. Источники принципиальных ошибок метода в чистых водах: окисление иодида кислородом воздуха улетучивание молекулярного иода содержание растворенного кислорода в добавляемых реактивах в процедуре фиксации кислорода примесь молекулярного иода в иодиде несовпадение точки конца титрования и точки эквивалентности малая устойчивость растворов тиосульфата натрия и соответственно необходимость частой стандартизации ошибки при стандартизации тиосульфата натрия трудность титрования малых количеств иода использование крахмала в качестве индикатора

Полярографический метод определения концентрации растворенного в воде кислорода (вольт- амперометрия) Метод основан на анализе кривых зависимостей силы тока от приложенного к электрохимической ячейке напряжения — так называемых полярограмм. В зависимости от формы и скорости изменения поляризующего напряжения различают постояннотоковую (классическую), переменнотоковую, высокочастотную, импульсную, осциллографическую полярографию Датчик Кларка для детектирования кислорода, разработанный в 1956 году, является примером амперометрических химических сенсоров. Принцип действия элемента Кларка основан на перемещении молекул кислорода, проходящих сквозь мембрану, к металлическому катоду через раствор электролита. В результате протекания двухступенчатой окислительно-восстановительной реакции происходит увеличение тока через катод.

Основные недостатки окислительно-восстановительных индикаторов – небольшая чувствительность (0, 1 мг/л), неустойчивость аналитических форм и не всегда достаточная избирательность. Люминесцентный метод Энергия, облучаемого вещества излучается в виде флуоресценции или фосфоресценции, угасающей в присутствии кислорода. Датчик LDO Точность – 1%. Преимущества: не требует перемешивания воды в приэлектродной области, не требует частой калибровки, не чувствителен к химическим веществам

Применение люминесцентного датчика кислорода

История формирования Черного моря Eur. Asian Ice. Cap (Ryan P. 156)

Miocene (from 5 to 7 million years ago 1 million years ago 400, 000 -500, 000 year ago

Модели изменения уровней Черного и Мраморного морей в последние 11 тыс. лет

When were the Seas connected? Agean ->? Marmara ->? Black

The Flood: a massive onslaught of water

Водообмен Черного и Мраморного морей 20 ‰ 38. 5 ‰

Водный баланс (км 3 год-1)

Зоны водосбора Черного моря

Вертикальная структура и батиметрия Черного моря ХПС

Сероводородные зоны Черного моря

Latitude QUASI-STACIONARY POSITION OF CYCLONIC (BLUE) AND ANTICYCLONIC (YELLOW) GYRES IN THE BLACK SEA (OGUZ ET AL. , 2004) Longitude

Температурная карта Черного моря

Формирование фауны Черного моря Медитерранизация

Онтогенетические миграции рыб Черного моря

Суточные вертикальные миграции планктона и рыб. ПРИЧИНЫ Вертикальные Миграции медуз Вертикальные миграции мезозоопланктона

Суточные вертикальные миграции планктонных ракообразных в Черном и Мраморном морях

Архимедова сила и живые организмы. Плотность (ρ) основных компронентов тела животных: протеины - 1. 24 – 1. 52 г см-3 углеводы - 1. 48 – 1. 61 г см-3 липиды - 0. 88 – 0. 98 г см-3 Плотность крови человека - 1, 060 - 1, 064 г см-3 Средняя плотность тела человека – 1. 036 г см-3 F = 6·π·r·η·U (уравнение Стокса); U = F/6·π·r·η; Шар: D = 0. 1 см, V = 0. 00052 см 3; ρтела /ρводы = 1. 044; F = (1. 06 -1. 015)x 0. 00052 x 981 = 0. 023 дин, η = 0. 01, U = 2, 4 см с-1 =87. 9 м час-1.

Газовые вакуоли Основная функция газовых вакуолей состоит в обеспечении плавучести водных одноклеточных организмов, которые с их помощью могут регулировать глубину, выбирая более благоприятные условия. При увеличении объема и числа газовых пузырьков плотность цитоплазмы уменьшается и клетки перемещаются в верхние слои воды. Сжатие газовых пузырьков, наоборот, приводит к погружению клеток. За несколькими исключениями, газовые вакуоли присущи безжгутиковым видам. Их, вероятно, можно рассматривать как альтернативу жгутикам для движения в вертикальной плоскости. Комбинированное изображение клетки: А - поверхностные клеточные структуры и внеклеточные образования: 1 - клеточная стенка ; 2 - капсула ; 3 - слизистые выделения; 4 - чехол ; 5 - жгутики ; 6 - ворсинки ; Б - цитоплазматические клеточные структуры: 7 - ЦПМ ; 8 - нуклеоид ; 9 - рибосомы ; 10 - цитоплазма ; 11 - хроматофоры ; 12 - хлоросомы ; 13 - пластинчатые тилакоиды ; 14 - фикобилисомы ; 15 - трубчатые тилакоиды; 16 - мезосома ; 17 - аэросомы (газовые вакуоли) ; 18 - ламеллярные структуры ; В - запасные вещества: 19 - полисахаридные гранулы; 20 - гранулы поли-Р-оксимасляной кислоты; 21 - гранулы полифосфата; 22 - цианофициновые гранулы ; 23 - карбоксисомы (полиэдральные тела) ; 24 - включения серы; 25 - жировые капли; 26 - углеводородные гранулы.

Наутилус, аргонавты, каракатицы обладают нейтральной плавучестью благодаря воздушным камерам, расположенным в раковине

Желетелые Плотность тела регулируется путем изменения обводненности и плотности внутриклеточной или внутриполостной жидкости

Широко распространенный способ снижения плотности у гидробионтов – накопление жира. Богаты им радиолярии Spumellaria, ветвистоусые и веслоногие рачки. Жировые капли имеются в пелагической икре ряда рыб. Жир вместо тяжелого крахмала в качестве запасного питательного вещества накапливается у планктонных, диатомовых и зеленых водорослей. У некоторых, рыб, таких как гигантская акула (Cetorhinus maximus), луна-рыба (Mola mola), в теле так много жира, что они почти без всяких активных движений могут держаться у поверхности воды, где питаются планктоном. Часто накопление жира сопровождается и характерными изменениями в его составе. Например, у копепод Calanus жировые отложения на 90% представлены наиболее восками.

Рыбы. Плотность потрошеной рыбы и мяса разных видов колеблется от 1, 05 до 1, 08 г/см 3. С увеличением размеров рыбы плотность снижается. У рыб одного вида плотность тушки и мяса уменьшается при увеличении содержания жира. Плотность рыбы изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Плотность тела костных живых рыб равна или лишь слегка превышает плотность воды, т. е. они обладают нейтральной или близкой к ней плавучестью. Нейтральна плавучесть осетра, судака, карпа, карася и многих других пресноводных и морских рыб. У ведущих придонный и донный образ жизни плавучесть слегка отрицательна: 0, 03 у морского чёрта, 0, 05 -0, 07 у камбал и бычков. Плавательный пузырь Это единственная часть тела рыбы, обладающая заметной сжимаемостью. Сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба меняет объем своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения. Первоначальное заполнение пузыря газом у всех рыб проходит путем заглатывания атмосферного воздуха. Малек должен подняться на поверхность и, заглатывая воздух, заполнить им плавательный пузырь, после чего проток закрывается. Если это не удается, дальнейшее развитие нарушается и малек гибнет.

• • Какова же истинная его роль? Весьма ограниченная: он лишь помогает рыбе оставаться на определенной глубине - именно на той, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба работой плавников опускается ниже этого уровня, тело ее, испытывая большое наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая пузырь; вес вытесняемого объема воды уменьшается, становится меньше веса рыбы, и рыба неудержимо падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжает оно опускаться. То же самое, только в обратном направлении, происходит тогда, когда рыба, покинув слой, где она находилась в равновесии, перемещается работой плавников в более высокие слои. Тело ее, освободившись от части наружного давления и по-прежнему распираемое изнутри плавательным пузырем (в котором давление газа находилось до этого момента в равновесии с давлением окружающей воды), увеличивается в объеме и вследствие этого всплывает выше. Чем выше рыба поднимается, тем более раздувается ее тело и тем, следовательно, стремительнее ее подъем. Помешать этому, «сжимая» пузырь, рыба не в состоянии, так как стенки ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы активно изменять его объем.