Номер 5, 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 5, страница 237.

Условие.

5. На рисунке 6.21 изображён прибор, называемый кипятильником Франклина. Этот прибор состоит из двух полых стеклянных шаров, соединённых трубкой. В прибор налито некоторое количество спирта и откачан воздух. Если прибор слегка наклонить, то спирт соберётся в одном (левом) шаре (см. рис. 6.21). Обхватив этот шар ладонью, мы увидим, что спирт быстро перейдёт в другой (правый) шар, хотя он расположен немного выше, и будет в нём бурлить, подобно кипящей воде. Объясните явление.

Рис. 6.21

Решение.

Решение

Описанное явление в кипятильнике Франклина объясняется сильной зависимостью температуры кипения жидкости от внешнего давления.

1. Внутри прибора откачан воздух. Пространство над спиртом заполнено только его насыщенными парами. Давление внутри кипятильника очень низкое — оно равно давлению насыщенного пара спирта при текущей комнатной температуре, что значительно ниже атмосферного давления.

2. Температура кипения жидкости — это температура, при которой давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению, действующему на её поверхность. Поскольку давление внутри прибора очень низкое, температура кипения спирта в нём также оказывается намного ниже его нормальной температуры кипения (которая составляет около 78°C при атмосферном давлении). Она может быть ниже даже температуры человеческого тела (около 36.6°C).

3. Когда мы обхватываем левый шар ладонью, тепло от руки передается спирту и его парам внутри этого шара. При нагревании жидкости её испарение усиливается, и давление насыщенного пара над ней резко возрастает. Рост давления пара при увеличении температуры можно качественно описать с помощью уравнения состояния идеального газа $PV = \nu RT$, где при увеличении температуры $\text{T}$ газа (пара) в постоянном объеме $\text{V}$ его давление $\text{P}$ также увеличивается.

4. В результате нагрева давление паров спирта в левом (теплом) шаре становится значительно выше, чем в правом (холодном) шаре, который находится при комнатной температуре. Эта разность давлений создает силу, которая выталкивает жидкий спирт из левого шара в правый через соединительную трубку. Сила давления оказывается достаточной, чтобы поднять жидкость на небольшую высоту, преодолевая силу тяжести.

5. "Бурление" жидкости в правом шаре объясняется тем, что горячие пары спирта, образовавшиеся в левом шаре, устремляются в область с более низким давлением, то есть в правый шар. Проходя через слой жидкости, эти пары образуют пузырьки, что и выглядит как кипение. Кроме того, часть нагретой жидкости, попадая в правый шар, где давление ниже, может оказаться перегретой, то есть её температура будет выше температуры кипения при этом низком давлении, что также вызовет её вскипание.

Таким образом, наблюдаемое явление — это результат кипения спирта при низкой температуре, вызванного нагревом от руки в условиях пониженного давления.

Ответ: Явление объясняется тем, что из прибора откачан воздух, и давление внутри очень низкое. Из-за этого температура кипения спирта также становится низкой (ниже температуры человеческой руки). При нагревании одного шара рукой давление паров спирта в нём резко возрастает. Создавшаяся разность давлений выталкивает жидкость в другой, более холодный шар. Поступающие из нагретого шара горячие пары, проходя через жидкость в холодном шаре, создают эффект кипения.