Номер 556, страница 75 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

556. Трубка, один конец которой закрыт, наполнена водой и открытым концом погружена в сосуд с водой (рис. 65). Вода в сосуде и трубке нагрета до температуры кипения. Что будет происходить с водой в трубке?

Рис. 65

Решение

Процесс кипения жидкости начинается тогда, когда давление её насыщенного пара становится равным или превышает внешнее давление, оказываемое на жидкость.

Рассмотрим условия для воды в открытом сосуде. На её поверхность действует атмосферное давление $P_{атм}$. По условию, вода в сосуде нагрета до температуры кипения, это означает, что её температура $T_{кип}$ такова, что давление насыщенного пара воды $P_{нас. пара}$ равно атмосферному давлению: $P_{нас. пара} = P_{атм}$.

Теперь рассмотрим условия для воды в трубке. Вода в трубке находится при той же температуре $T_{кип}$, следовательно, давление её насыщенного пара также равно $P_{нас. пара} = P_{атм}$. Однако внешнее давление на воду внутри трубки отличается. Столб воды в трубке удерживается за счет атмосферного давления, действующего на поверхность воды в сосуде. Это означает, что давление внутри столба воды в трубке меньше атмосферного. На высоте $h$ над уровнем воды в сосуде давление $P_{внутри}$ будет меньше атмосферного на величину гидростатического давления столба воды высотой $h$:

$P_{внутри} = P_{атм} - \rho g h$

где $\rho$ — плотность воды, а $g$ — ускорение свободного падения.

Таким образом, для воды в трубке мы имеем ситуацию, когда давление её насыщенного пара ($P_{нас. пара} = P_{атм}$) оказывается больше, чем давление внутри самой жидкости ($P_{внутри} < P_{атм}$). Это создаёт условия для очень интенсивного, бурного кипения.

В результате этого бурного кипения будет образовываться большое количество пара. Пар, скапливаясь в верхней части трубки, создаст избыточное давление и будет выталкивать воду из трубки в сосуд. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся вода из трубки не будет вытеснена, и уровень воды в трубке не сравняется с уровнем воды в сосуде. Пространство над водой в трубке заполнится насыщенным водяным паром.

Ответ: Вода в трубке будет кипеть значительно интенсивнее, чем в сосуде. Образующийся пар вытеснит всю воду из трубки обратно в сосуд, пока уровень воды в трубке не сравняется с уровнем в сосуде.