Давление в гигантском водном шаре, плавающем в космосе - физиков.нет
Купить гитару в Москве
6 голосов
/

В этом вопросе:

Плавание в водном шаре в космосе

Кажется, они пришли к выводу, что давление внутри гигантского водяного шара впространство ноль.

Цитирую второй ответ:

В заключение вы бы плавали в пузырящейся сфере воды, совсем не чувствуя давления, с меньшими трудностями при движении руками.и ноги, так как вода была бы полна пузырьков, однако я предполагаю, что было бы труднее передвигаться по той же самой причине.

Цитируя первый ответ:

Таким образом, практический результат плавает в большом водном шаре, почти как плавание в космосе очень медленно - пока водяной шар не станет достаточно большим (2,68 км).Тогда это просто похоже на плавание в гигантском бассейне на далекой планете.Для практичности шар воды не работает, но лунный бассейн потрясающий.

Тем не менее, я все еще не понимаю одну вещь.Насколько я знаю, хотя причиной давления здесь, на поверхности Земли, может быть гравитационный вес всего воздуха над нами (а причиной более глубокого давления в океане является вес всей водынад ним) на местном уровне, давление действительно является причиной случайного движения частиц, врезаясь в частицы вокруг них и передавая их импульс.

В конце концов, именно поэтому повышение температуры вызываетдавление, чтобы подняться.

Если предположить, что этот гигантский шарик воды может удерживаться вместе из-за сплоченности, разве вы не чувствуете давление от ... ну, просто от самих молекул воды, движущихся случайно во всех направлениях?


Редактировать:

Чтобы помочь читателям и в ответ на критику со стороны человека, который ответил (критика принята любезно, вы правы, я долженуточнить. Хотя вы могли бы сказать это лучше ...) , поэтому я задаю этот вопрос:

Я пытаюсь понять давление.

Я пытаюсь понять, происходит ли это в основном из-за необходимости "поддерживать" жидкость на месте из-за гравитационных сил или из-за чего-то, присущего самой жидкости (ее случайное движение).

Хотя я знаю, что на местном уровне случайное движение частиц является причиной давления, я пытаюсь понять, вызвано ли это случайное движение чем-то другим или оно присуще самой жидкости.

Короче говоря, я хочу знать, будет ли давление без гравитации, и это лучший мысленный эксперимент, который я мог придумать, чтобы объяснить, что я имею в виду под этим.

Спасибо.

Ответы [ 4 ]

11 голосов
/

Если предположить, что этот гигантский шарик воды может удерживаться вместе из-за сплоченности , разве вы не почувствуете давление от ... ну, просто от самих молекул воды, движущихся случайным образом во всехнаправления?

Это довольно нереалистичное предположение, и показ того, что произойдет, должен помочь объяснить, как.

Связующие силы учитывают поверхностное натяжение, которое может поддерживать разницу давления междусфера воды и снаружи.Перепад давления из-за поверхностного натяжения между внутренней и внешней поверхностями жидкости и газа известен как давление Лапласа .Давление Лапласа для сферы определяется уравнением $$\Delta P = \gamma \frac 2R$$

, где $\Delta P$ - разность давлений между криволинейными поверхностями, $\gamma$ - поверхностное натяжение жидкости, а $R$ - эторадиус сферы.Мы можем предположить в вакууме пространства, что внешнее давление равно 0, поэтому значение $\Delta P$ будет представлять общее давление внутри сферы, если предположить, что действуют только силы сцепления.

Теперь, если мыпосмотрите на поверхностное натяжение воды, $\gamma_{\text{water}}=71.97 \ \frac{\text{mN}}{\text{m}}$ (я предполагаю стандартные условия, чтобы проиллюстрировать эту точку; но реально из-за причин, приведенных ниже, я не думаю, что вы можете рассчитать фактическое поверхностное натяжение жидкой воды в вакууме пространства) и уравнение давления Лапласа, мы можем видеть часть проблемы.Давайте предположим, что сфера имеет радиус 2 м, так как это, вероятно, наименьший радиус, который вы могли бы считать плавательным$$\Delta P = \frac {2}{2 \ \text{m}} \cdot71.97 \ \frac{\text{mN}}{\text{m}} = 71.97 \frac{\text{mN}}{\text{m}^2}$$

, что составляет всего $0.07197 \ \text{Pa}$.Атмосферное давление в 1,4 миллиона раз больше (и оно уменьшается только с увеличением радиуса, если не учитывать гравитацию).Таким образом, чтобы объяснить этот аспект, , если гигантский шарик воды мог бы удержаться вместе только благодаря единству, на самом деле не было бы никакого давления, чтобы плавать внутри него.

Но этовероятно, не решит все ваши проблемы, которые связаны с тем, что я упоминал в начале.Нереалистичное предположение состоит в том, что вода в этих условиях вообще останется жидкостью .Он не может удерживаться вместе из-за когезии, как жидкая вода при этих давлениях.Это будет хотеть изменить фазы, как упомянуто в другом ответе.Все это будет зависеть от термодинамического воздействия жидкости, а не от когезивных эффектов.Должно быть довольно легко увидеть, что при низком давлении (например, в вакууме пространства с минимальной силой сцепления) вы не можете даже иметь жидкую фазу воды. см. Здесь для изображения

5 голосов
/

Позвольте мне сначала обратиться к общей проблеме, которую вы поднимаете: о том, как понимать давление.

Как мы знаем, макроскопическое представление и микроскопическое представление должны подтверждать друг друга.Когда я читаю ваш вопрос, это то, что вы делаете;вы пытаетесь сопоставить макроскопическое и микроскопическое представления.

Материя состоит из атомов, что означает (как вы указываете), что передача давления через среду происходит в форме атомов (или молекул) сталкиваясь друг с другом.

Случай 1:
Вода в среде под давлением, в невесомости

Вид отснятого материала знаком: астронавт на космической станции позволяет воде вытекать из пакета для питья, ашарик воды просто плавает там.Этот шарик воды остается жидким, потому что он подвергается воздействию давления воздуха из окружающего воздуха.Среда под давлением поддерживает жидкое состояние (невесомость не является фактором, это просто визуально поразительно).

Случай 2:
Вода в среде с нулевым давлением.
Для упрощения рассмотрим очень,очень маленькая капелька воды, всего пара тысяч водных молекул.Что происходит, когда такая капля выделяется в среде с нулевым давлением?Капля мгновенно расширилась бы до водяного пара.Будет ли большая капля расширяться мгновенно тоже?Что ж, при большой капле значение инерции массы в целом возрастет.

Большое количество воды:
A шар воды, выпущенной в нольдавление среды.Площадь поверхности мгновенно расширится до водяного пара.Этот первый водяной пар создает оболочку вокруг шара с ненулевым давлением, которая временно поддерживает жидкое состояние оставшегося шара.Кроме того, жидкая вода и водяной пар станут холоднее.Водяной пар остывает, потому что он расширяется, и жидкая вода становится холоднее, потому что в процессе испарения жидкая вода все время теряет свои самые быстрые молекулы.

Сравнение:
Вы видели демонстрации?поведения $CO_2$ при давлении, когда оно легко сжижается?У вас есть стеклянная трубка, внутренний диаметр пару миллиметров, длина около 10 сантиметров или около того, чистый $CO_2$ внутри, при высокой плотности трубка герметична.Выше 31 градуса Цельсия (около 90 градусов по Фаренгейту) все $CO_2$ находится в газообразной форме.Но ниже 32 градусов Цельсия молекулы $CO_2$ достаточно медленные, чтобы образовать жидкость.Обычная установка заключается в том, что труба была заполнена до плотности $CO_2$, так что при соблюдении условий для жидкости $CO_2$ тогда примерно половина длины трубы показывает жидкость $CO_2$

Я рекомендуювы смотрите на демострации этого, и убедитесь, что понимаете это.Например, это демо сверхкритического CO2 Бена Краснова, который руководит каналом Youtube Прикладная наука

Теперь вернемся к воде:
Когда высвобождается жидкая водав среде с нулевым давлением вы действительно не должны больше думать о ней как о жидкости.В течение короткого периода времени внутренняя часть водяного шара все еще будет иметь плотность жидкой воды, но это следует отнести к инерции.Фронт испарения будет перемещаться с внешней стороны шара в центр масс с большой скоростью.(Процесс будет несколько замедляться из-за того, что поверхность шара и водяные пары становятся все холоднее.)

2 голосов
/

Заблуждение, которое, вероятно, вызывает ваше замешательство, заключается в том, что

на локальном уровне случайное движение частиц является причиной давления,

Случайное движениечастицы измеряются температурой;чем выше температура, тем интенсивнее случайное движение.

Если говорить о причинах, то причиной давления на какую-то стенку является прежде всего взаимное взаимодействие частиц и стенки.Тот факт, что частицы движутся случайно, вторичен.Правда, в газах повышение давления часто сопровождается увеличением этого случайного движения, потому что увеличение давления газа может быть сделано только за счет значительной энергии.Но в жидкостях можно существенно увеличить давление при незначительном объеме работы и, следовательно, при незначительном изменении интенсивности этого случайного движения.

Давление такой жидкости обусловлено силовым взаимодействием частиц со стенками идруг с другом, не обязательно из-за их случайного движения.Достаточно, чтобы частицы толкали или тянули друг друга.Им не нужно быстро двигаться.Вы можете иметь высокое давление в очень холодной воде или в ледяной бане при 1 К.

Когда давление жидкой воды увеличивается, скажем, путем перемещения поршня в заблокированном шприце, заполненном водой, повышение температуры водыочень маленький и обычно им пренебрегают.

Теперь к вашему вопросу - гравитация не нужна и для давления.Для повышения давления необходимо другое тело, которое будет сжимать газ или жидкость в меньший объем.На Земле это тело - Земля с гравитацией, но такое же давление достигается в закрытом сосуде, таком как Международная космическая станция, просто делая его достаточно прочным, чтобы выдерживать давление, и выталкивая достаточное количество газа.Там нет эффективной силы тяжести, но есть давление, близкое к 100 кПа, потому что стены не позволяют газу выходить.

0 голосов
/

Мы знаем, что идеальный вакуум не может быть создан.Давление в космическом пространстве порядка 10 ^ -17 Па. Как-то, как мы поместили туда шарик с водой.Мы знаем, что температура кипения, если вода уменьшается с понижением давления, так как давление сильно снижается, температура кипения сильно уменьшается.Точка кипения составляет примерно -68 градусов по Цельсию.Но температура там -273,15 градусов по Цельсию.Разница составляет около 205 градусов по Цельсию.Эта разница больше, чем разница при комнатной температуре.Это означает, что он станет более плотным.Это означает, что движение частиц воды становится меньше.Однако произойдут некоторые столкновения.Следовательно, давление не равно нулю в воде, но почти ничтожно.Существуют также сплоченные силы ...

Добро пожаловать на сайт физиков.нет, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...