Experimento de la presión atmosférica usando un vaso con un líquido para sostener una placa de vidrio

Question

Cuando yo estaba en la escuela secundaria, mi profesor hizo un experimento para demostrar el poder de la presión atmosférica.

Experimento: Preparar una botella de vidrio, relleno con agua, poner una placa de vidrio de la botella, asegúrese de que no hay aire en la botella, sólo agua. Mantenga la botella de vidrio y la placa, e invertir en ellos. Lentamente, la liberación de la mano que sostenga la placa. Debido a que la presión atmosférica, la placa de vidrio se va a caer.

Pregunta 1: Como sabemos, si no ponemos el agua en la botella de vidrio, acaba de aire en la botella de cristal de la placa de vidrio se va a caer. Por lo tanto, Si utilizamos otro líquido en lugar de agua, este líquido tiene menor densidad que el agua, como el alcohol, la placa va a caer. Pero, si seguimos eligió a la menor densidad del líquido hasta que el líquido tiene una densidad como el aire de la placa se va a caer. Por lo tanto, si hay un umbral de densidad de líquido a hacer de la placa entre caer y no caer?

Pregunta 2: Si ponemos la botella y la placa en agua poco a poco, cuando la placa y la parte de la botella en el agua, pero la parte de la botella todavía por encima del agua, la placa de caer?

Pregunta 3: Continuando con la pregunta 2, cuando tanto la botella y la placa están en el agua, sé que la placa se va a caer. Entonces, ¿cómo es la presión de agua y de la atmósfera de cambio?

Hay una buena descripción de este fenómeno? ¿Por qué el truco continuar el trabajo con baja densidad de líquidos y por qué la colocación de la placa en el agua caerse?

Answer 1

Hay dos efectos no relacionados en el trabajo aquí. Uno es la presión atmosférica, y la otra es la tensión superficial del agua.

Comience con usted la celebración de la placa en su lugar, y considerar lo que sucede cuando usted suelte la placa. Para la placa de caer en una de dos cosas deben suceder. El volumen de agua en el vidrio debe aumentar, para permitir que el plato se mueva hacia abajo, o el aire debe fluir en el cristal a la línea de contacto entre el vidrio y la placa.

Consideremos la primera de estas. Si usted tira hacia abajo la placa ligeramente (y no hay fugas de aire en el volumen en el interior del vaso debe aumentar. El agua tiene una alta masiva módulo que nos puede aproximar como incompresible. Se necesitaría una inmensa fuerza tirando hacia abajo sobre la placa para estirar el agua en un grado significativo. En la práctica, el agua hierve antes de su volumen aumentado considerablemente, pero aún la menor fuerza necesaria para hervir el agua es mucho mayor que el peso de la placa de vidrio.

Así que la única manera de que la placa se puede mover hacia abajo es para que el aire se filtre a través del contacto entre el vidrio y la placa. Sin embargo, esto significa la formación de pequeñas burbujas en la línea de contacto, y de pequeñas burbujas tienen una muy alta presión debido a la tensión superficial en la interfase aire/agua. Esto significa que la formación de burbujas requiere una presión mayor que el peso de la placa puede generar, por lo que la placa no se puede mover hacia abajo de esta manera.

Por cierto, el efecto de la tensión superficial explica por qué la plancha no se pegue si el vidrio/el contacto con la placa no es muy buena, o si no hay un chip en el vaso. En ambos casos hay una gran brecha donde la burbuja se puede formar, y grandes burbujas que tienen una menor presión que las pequeñas burbujas (la burbuja de la presión es inversamente proporcional al radio de la burbuja). El peso de la placa puede generar suficiente presión para formar las burbujas grandes, y la placa se cae.

Ahora podemos explicar por qué la placa se cae cuando se sumerja el vidrio y la placa en agua. Si ello no hay interfase aire/agua en el contacto entre el vidrio y la placa, por lo que no hay efecto de la tensión superficial. El agua puede filtrarse a través de incluso el más pequeño espacio entre el borde de la copa y el plato de modo que la placa se cae (aunque esto puede tomar un par de segundos, ya que el agua no fluye en forma instantánea).

El truco funcionará con la mayoría de los líquidos debido a que la mayoría de los líquidos ni ampliar ni hervir bajo el peso de la placa. Sin embargo no iba a funcionar con muy líquidos volátiles, como el éter, porque el éter hierve demasiado fácilmente y de las burbujas de vapor se forman en el vidrio. Probablemente también encontrar que no funcionaría si el aire/líquido interfaz de muy baja tensión de la superficie, debido a una baja tensión superficial permite que el aire lean entre el vidrio y la placa.

Answer 2

PREGUNTA 1: supongo que los diferentes resultados con el agua y el aire son debido a la diferencia en la compresibilidad del agua y el aire, en lugar de en sus densidades. Cuando hay agua en la botella, una pequeña deformación de la placa de vidrio puede resultar en un pequeño cambio de volumen de agua en la botella, que, sin embargo, resultará en una caída significativa de la presión del agua, por lo que la diferencia de presión entre la atmósfera y el agua en la botella será suficiente para contrarrestar el peso del agua y de la placa de vidrio. Si hay aire en la botella, pequeña deformación de la placa de vidrio se traducirá en un pequeño cambio de presión de aire, por lo que la diferencia de presión entre la atmósfera y el aire en la botella no será suficiente para contrarrestar el peso de la placa de vidrio.

Answer 3

A1: La presión en el interior es hidrostática $\rho g h$ más que la presión de agua saturada de vapor de $p_{sat}$, que es mucho menor que la presión atmosférica $p_a$ a una temperatura muy por debajo de la temperatura de ebullición de agua, 100 C, así que la negligencia $p_{sat}$. A continuación, el equilibrio de fuerzas se mantiene a h~10 m, lo que corresponde a $p_a \sim $ 100 kPa. Para bajar la densidad del líquido, la altura sería mayor si $p_{sat}$ es todavía pequeño. Pero la baja densidad de los líquidos como el alcohol tienden a evaporarse fácilmente, así que uno debe ser cuidadoso si la presión de vapor puede ser descuidado o no, depende de la temperatura.

A2: Sumergir el sistema lentamente en el agua no debe reducir la fuerza neta empujando la junta directiva de la botella, en realidad todo lo contrario - que habría que añadir la presión externa sobre el tablero de $\rho g H$. Pero en la práctica creo que la junta iba a separar rápidamente debido a que el agua fácilmente sip desde fuera.

A3: Igual que en la A2.