Номер 3, страница 237 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов. Параграф 6.9. Примеры решения задач. Упражнение 5 - номер 3, страница 237.

Условие.

3. Два полых, герметически запаянных шара, в одном из которых вода, соединены трубкой (рис. 6.20). Воздух из шаров откачан. Если пустой шар поместить в сосуд с жидким воздухом, то вода в другом шаре быстро замёрзнет. Объясните явление.

Рис. 6.20

Решение.

Решение

Это явление объясняется процессами фазовых переходов воды при изменении давления и температуры. Устройство, описанное в задаче, известно как криофор Волластона.

1. В начальном состоянии в герметичной системе, из которой откачан воздух, находится вода и её насыщенный пар. Давление внутри шаров равно давлению насыщенного водяного пара при данной комнатной температуре. Это давление очень низкое по сравнению с атмосферным.

2. Когда пустой шар помещают в сосуд с жидким воздухом, его стенки резко охлаждаются до очень низкой температуры (около $-196$ °C).

3. Водяной пар, находящийся в объеме обоих шаров и соединительной трубки, при контакте с холодной поверхностью пустого шара начинает быстро конденсироваться и превращаться в лед (процесс десублимации).

4. Конденсация пара приводит к резкому падению давления в системе, так как количество молекул в газовой фазе уменьшается. Давление в холодном шаре становится практически равным нулю.

5. Из-за возникшей большой разницы давлений между шарами вода в первом (теплом) шаре начинает очень интенсивно испаряться. Этот процесс подобен кипению, но происходит при низкой температуре, так как температура кипения жидкости зависит от внешнего давления (чем ниже давление, тем ниже температура кипения).

6. Испарение является эндотермическим процессом, то есть для перехода воды из жидкого состояния в газообразное требуется энергия. Эта энергия, называемая теплотой парообразования ($\text{L}$), отбирается у самой воды, оставшейся в жидком состоянии.

7. Из-за интенсивного и непрерывного отвода тепла температура воды в первом шаре начинает быстро понижаться. Она опускается до $\text{0}$ °C, после чего продолжающееся испарение отбирает у воды уже теплоту кристаллизации, что приводит к ее быстрому замерзанию и превращению в лед.

Ответ: Вода в одном шаре быстро замерзает из-за интенсивного испарения (кипения при низком давлении), которое отнимает у нее большое количество теплоты. Это интенсивное испарение вызвано резким понижением давления в системе, которое происходит из-за быстрой конденсации водяного пара в другом шаре, охлаждаемом жидким воздухом.