Номер 4, страница 243 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 72. Давление насыщенного пара. Глава 11. Взаимные превращения жидкостей и газов - номер 4, страница 243.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Чтобы жидкость закипела, давление её насыщенного пара должно сравняться с давлением над её поверхностью. Как правило, для этого жидкость нагревают, повышая давление её пара до атмосферного. Однако того же эффекта можно достичь, не повышая температуру жидкости, а понижая внешнее давление над ней. Именно на этом принципе основан ответ на данный вопрос.

Решение

Для того чтобы заставить жидкость закипеть, охлаждая сосуд, необходимо провести следующий эксперимент:

1. Взять прочную, например, стеклянную колбу и налить в неё воды примерно на треть или половину объёма.

2. Нагреть воду в открытой колбе до бурного кипения. Образующийся водяной пар вытеснит воздух из колбы. Таким образом, пространство над водой будет заполнено почти исключительно паром.

3. Не прекращая нагрева, герметично закрыть колбу пробкой, а затем убрать её с огня. Кипение прекратится, так как температура воды начнёт опускаться ниже 100 °C.

4. Теперь следует перевернуть колбу и начать охлаждать её верхнюю часть (ту, где находится пар), поливая её холодной водой или прикладывая лёд.

В этот момент можно будет наблюдать, как вода в колбе снова бурно закипит, несмотря на то что общая температура системы понижается.

Объяснение этого явления заключается в следующем:

• Охлаждение верхней части колбы приводит к быстрой конденсации находящегося там водяного пара — он превращается в капли воды.

• Конденсация пара означает резкое уменьшение числа молекул в газовой фазе. В замкнутом объёме это приводит к значительному падению давления. Внутри колбы создаётся разрежение (давление становится намного ниже атмосферного).

• Температура кипения жидкости напрямую зависит от внешнего давления: чем ниже давление, тем ниже температура кипения. Давление в колбе падает настолько, что температура воды (которая всё ещё остаётся горячей, например, 80-90 °C) оказывается выше новой, пониженной, температуры кипения.

• Давление насыщенного пара воды $P_{нас.пара}$ при её текущей температуре становится больше, чем сильно упавшее давление над её поверхностью $P_{внешн.}$. Выполняется условие кипения: $P_{нас.пара} \ge P_{внешн.}$. В результате вода снова начинает кипеть.

Таким образом, именно охлаждение сосуда, приводящее к конденсации пара и падению давления, является причиной "холодного" кипения.

Ответ: Необходимо в герметично закрытом сосуде создать условия, когда над жидкостью находится в основном её насыщенный пар (например, прокипятив воду в колбе и закрыв её). Затем, охлаждая ту часть сосуда, где находится пар, можно вызвать его конденсацию. Это приведёт к резкому падению давления в сосуде. В результате давление насыщенного пара жидкости станет выше внешнего давления над ней, и жидкость закипит при температуре ниже её нормальной точки кипения.