Номер 5, страница 328 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 9. Тепловое расширение твёрдых и жидких тел. Параграф 9.3. Тепловое объёмное расширение - номер 5, страница 328.

Условие.

5. Поясните «аномальное поведение» воды при изменении температуры.

Решение.

«Аномальное поведение» воды, также известное как аномалия плотности, заключается в том, что большинство веществ при охлаждении сжимаются, увеличивая свою плотность, а вода ведёт себя иначе. При охлаждении от высоких температур до +4°C вода, как и другие вещества, сжимается, и её плотность растёт. Однако при дальнейшем охлаждении от +4°C до температуры замерзания 0°C вода начинает расширяться, и её плотность уменьшается. Таким образом, максимальную плотность вода имеет при температуре +4°C.

Это уникальное свойство объясняется строением молекул воды (H₂O) и водородными связями между ними. В жидком состоянии молекулы воды находятся в постоянном хаотическом движении, и водородные связи постоянно образуются и разрываются. При охлаждении ниже +4°C тепловое движение молекул замедляется, и водородные связи становятся более стабильными, заставляя молекулы выстраиваться в упорядоченную, но более «рыхлую» структуру, похожую на кристаллическую решётку льда. Эта структура занимает больший объём по сравнению с более плотной упаковкой молекул в воде при +4°C. Поэтому при охлаждении от +4°C до 0°C объём воды увеличивается, а плотность падает.

При переходе в твёрдое состояние (лёд) при 0°C эта ажурная кристаллическая структура полностью формируется, и объём вещества увеличивается ещё больше (примерно на 9%). Вследствие этого плотность льда оказывается меньше плотности жидкой воды, что и является причиной того, почему лёд плавает на поверхности.

Эта аномалия имеет колоссальное значение для жизни на планете. Зимой поверхностные слои воды в водоёмах охлаждаются. Достигнув температуры +4°C, эта, теперь уже самая плотная, вода опускается на дно. Более холодная (от +4°C до 0°C) и менее плотная вода остаётся наверху, где и замерзает, образуя слой льда. Этот ледяной покров служит теплоизолятором, предохраняя водоём от полного промерзания и позволяя водным обитателям пережить зиму.

Ответ: Аномальное поведение воды заключается в том, что её плотность максимальна при температуре +4°C. При охлаждении от +4°C до 0°C вода расширяется и её плотность уменьшается, в отличие от большинства других веществ. Это связано с образованием упорядоченной, но рыхлой структуры молекул воды за счёт водородных связей при низких температурах. При замерзании вода также расширяется, поэтому лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и плавает на её поверхности.