Номер 8, страница 238 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 6. Взаимные превращения жидкостей и газов. Параграф 6.9. Примеры решения задач. Упражнение 5 - номер 8, страница 238.

Условие.

8. Опишите, что будет происходить с веществом, если его нагревать при постоянных объёмах сосудов $V_0$, $V_\text{к}$ и $V_1$ (рис. 6.23).

Рис. 6.23

Решение.

На представленном рисунке изображена p-V диаграмма реального вещества. Куполообразная кривая (бинодаль) ограничивает область сосуществования двух фаз: жидкости и пара. Слева от кривой вещество находится в жидком состоянии, справа — в газообразном (пар). Вершина кривой — это критическая точка, в которой исчезает различие между жидкостью и паром. Ей соответствуют критические параметры: объем $V_к$, давление $p_к$ и температура $T_к$.

Нагревание вещества при постоянном объеме (изохорный процесс) на p-V диаграмме изображается вертикальной линией. Рассмотрим три случая.

Нагревание при объеме $V_0 < V_к$

Этот процесс изображается вертикальной линией, проходящей левее критической точки. Если изначально в сосуде находится смесь жидкости и насыщенного пара, то при нагревании давление и температура системы будут расти. Поскольку средний удельный объем вещества $V_0$ меньше критического $V_к$, его средняя плотность выше критической. С ростом температуры плотность жидкости уменьшается, а плотность насыщенного пара растет. Чтобы средняя плотность оставалась постоянной, масса более плотной жидкой фазы должна увеличиваться, а масса менее плотной паровой фазы — уменьшаться. Это означает, что пар будет конденсироваться. Визуально это наблюдается как подъем уровня жидкости (мениска). Когда состояние системы достигнет левой ветви бинодали, весь пар сконденсируется, и сосуд окажется полностью заполненным жидкостью. При дальнейшем подводе теплоты давление в жидкости будет очень быстро расти.

Ответ: При нагревании в объеме $V_0$ мениск, разделяющий жидкость и пар, будет подниматься, пока весь объем не заполнится жидкостью. После исчезновения пара дальнейшее нагревание приведет к резкому росту давления.

Нагревание при объеме $V_к$

Этот процесс соответствует нагреванию при критическом удельном объеме. Вертикальная линия на диаграмме проходит точно через критическую точку. При нагревании двухфазной системы в этом объеме, по мере приближения к критической точке, свойства жидкости и пара сближаются: плотность жидкости уменьшается, а плотность пара увеличивается, стремясь к общему критическому значению. Поверхностное натяжение на границе раздела фаз уменьшается, и мениск становится все более плоским и размытым. В самой критической точке плотности и все другие физические свойства жидкости и пара становятся одинаковыми, и граница раздела между ними исчезает. Вещество переходит в однородное состояние, называемое сверхкритическим флюидом. Дальнейшее нагревание происходит уже в этой однородной фазе.

Ответ: При нагревании в объеме $V_к$ граница раздела между жидкостью и паром постепенно исчезает, и в критической точке вещество переходит в однородное сверхкритическое состояние.

Нагревание при объеме $V_1 > V_к$

Этот процесс изображается вертикальной линией, проходящей правее критической точки. Средний удельный объем вещества $V_1$ больше критического $V_к$, следовательно, его средняя плотность меньше критической. При нагревании двухфазной системы жидкость будет испаряться, чтобы поддерживать постоянную среднюю плотность, так как плотность пара растет, а плотность жидкости падает. Масса пара будет увеличиваться, а масса жидкости — уменьшаться. Визуально это наблюдается как понижение уровня жидкости (мениска). Когда состояние системы достигнет правой ветви бинодали, последняя капля жидкости испарится, и весь сосуд будет заполнен насыщенным паром. При дальнейшем нагревании вещество будет находиться в однофазном газообразном состоянии (ненасыщенный пар), и его давление будет расти.

Ответ: При нагревании в объеме $V_1$ мениск, разделяющий жидкость и пар, будет опускаться, пока вся жидкость не испарится. После этого вещество полностью перейдет в газообразное состояние.