Номер 5, страница 319 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 67. Кристаллизация и плавление твёрдых тел. 12. Твёрдое тело. Молекулярная физика - номер 5, страница 319.

Условие.

5. Почему вода замерзает на поверхности водоёмов? (Благодаря этому не замерзают живые существа в водоёмах.)

Решение.

Вода замерзает на поверхности водоёмов благодаря своему уникальному свойству, известному как аномалия плотности. В отличие от большинства других жидкостей, которые становятся всё плотнее при охлаждении, вода достигает своей максимальной плотности при температуре около $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$.

Когда осенью и зимой воздух охлаждает поверхность водоёма, происходит следующий процесс:
1. Сначала поверхностная вода, охлаждаясь до $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$, становится плотнее и опускается на дно. На её место поднимается более тёплая вода. Такое перемешивание (конвекция) продолжается до тех пор, пока вся вода в водоёме не примет температуру $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$.
2. При дальнейшем охлаждении поверхностного слоя ниже $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$ его плотность начинает уменьшаться. Эта более холодная, но менее плотная вода остаётся на поверхности, и конвекция прекращается.
3. Наконец, при достижении $0 \,^{\circ}\mathrm{C}$ эта поверхностная вода замерзает. Образующийся лёд имеет плотность ещё меньшую, чем у воды (плотность льда $\rho_{льда} \approx 917 \text{ кг/м}^3$ против плотности воды $\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$), поэтому он плавает на поверхности.

Слой льда на поверхности водоёма играет роль теплоизолятора. Он защищает воду под ним от дальнейшего замерзания, что позволяет поддерживать на глубине температуру около $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$. Это создаёт условия, необходимые для выживания рыб и других водных организмов в зимний период.

Ответ: Вода замерзает на поверхности, потому что она обладает аномальной зависимостью плотности от температуры: максимальная плотность достигается при $+4 \,^{\circ}\mathrm{C}$, а при дальнейшем охлаждении до $0 \,^{\circ}\mathrm{C}$ вода становится менее плотной. Образующийся лёд ещё легче воды, поэтому он плавает сверху, создавая изолирующий слой, который защищает водоём от полного промерзания и позволяет живым существам выжить.