Номер 5, страница 316 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 8. Твёрдые тела и их превращение в жидкости. Параграф 8.10. Примеры решения задач. Упражнение 7 - номер 5, страница 316.

Условие.

5. Вода в стакане замерзает при $0 \text{ }^\circ\text{С}$. Если же эту воду расчленить на маленькие капельки, то вода в них может быть переохлаждена до $-40 \text{ }^\circ\text{С}$. Так, например, капельки воды, из которых состоят облака, обычно начинают замерзать при температуре ниже $-17 \text{ }^\circ\text{С}$. Как объяснить этот факт?

Решение.

Это явление объясняется процессом кристаллизации и ключевой ролью в нём центров кристаллизации (или ядер зародышеобразования). Для того чтобы вода превратилась в лед, её молекулам нужно выстроиться в упорядоченную кристаллическую решетку. Этот процесс запускается в определенных точках — на центрах кристаллизации, которыми могут служить мельчайшие посторонние частицы (пылинки), пузырьки газа или неровности на стенках сосуда.

В случае с водой в стакане, в ней всегда содержится большое количество таких центров. Поэтому, как только температура достигает $0\,^{\circ}\text{C}$, вокруг них сразу же начинают расти кристаллы льда, и весь объем воды быстро замерзает. Этот тип кристаллизации, инициированный посторонними частицами, называется гетерогенной нуклеацией.

Когда же вода расчленяется на маленькие капельки (как в облаках), то имевшиеся в ней примеси распределяются между ними. В результате многие капли оказываются практически идеально чистыми, то есть лишенными центров кристаллизации. В отсутствие "затравок" для начала замерзания молекулам воды необходимо самопроизвольно образовать устойчивый зародыш кристалла. Это энергетически более сложный процесс (гомогенная нуклеация), который требует значительно более низкой температуры. Вода в таких чистых каплях может оставаться жидкой и при отрицательных температурах — это состояние называется переохлажденным. Теоретический предел переохлаждения, когда начинается гомогенная нуклеация, составляет около $-40\,^{\circ}\text{C}$.

Замерзание воды в облаках при температуре ниже $-17\,^{\circ}\text{C}$ объясняется тем, что в атмосфере есть особые аэрозольные частицы (например, частицы минеральной пыли), которые становятся эффективными центрами кристаллизации именно при таких промежуточных температурах. Капли, в которых таких частиц нет, продолжают существовать в переохлажденном жидком виде до еще более низких температур.

Ответ: Разница в температуре замерзания обусловлена наличием или отсутствием центров кристаллизации. В стакане воды всегда есть примеси, которые инициируют замерзание при $0\,^{\circ}\text{C}$. При разделении на множество мелких капель, многие из них оказываются очень чистыми. В отсутствие центров кристаллизации вода может сильно переохлаждаться, оставаясь жидкой при температурах значительно ниже $0\,^{\circ}\text{C}$, и замерзает при гораздо более низких температурах.