Номер 8, страница 74, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 2. Строение вещества. Параграф 19. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 8, страница 74.

Условие.

• Удивительные свойства воды в различных агрегатных состояниях.

Решение.

Вода ($H_2O$) — одно из самых распространенных и в то же время самых удивительных веществ на Земле. Ее уникальные свойства в трёх агрегатных состояниях — жидком, твёрдом и газообразном — играют ключевую роль в существовании жизни и формировании климата нашей планеты.

Жидкое состояние (вода)

В жидком состоянии вода проявляет несколько аномальных свойств, обусловленных полярностью её молекул и водородными связями между ними.
• Аномалия плотности: В отличие от большинства веществ, плотность которых монотонно растёт при охлаждении, вода достигает максимальной плотности при температуре около $4^\circ C$. При дальнейшем охлаждении до $0^\circ C$ её плотность уменьшается. Это свойство имеет огромное значение для жизни в водоёмах: более холодная, но менее плотная вода (ниже $4^\circ C$) остаётся на поверхности и замерзает, образуя слой льда, который защищает более глубокие слои от промерзания и позволяет водным организмам выживать зимой.
• Высокая удельная теплоёмкость: Удельная теплоёмкость воды составляет примерно $4200 \text{ Дж/(кг} \cdot \text{°C)}$, что является одним из самых высоких значений среди всех жидкостей. Это означает, что для нагрева воды требуется большое количество энергии. Благодаря этому свойству Мировой океан действует как гигантский терморегулятор, сглаживая суточные и сезонные колебания температуры на планете. В организмах вода помогает поддерживать стабильную температуру тела.
• Высокая теплота парообразования: Для испарения воды требуется значительное количество энергии. Этот процесс лежит в основе охлаждения организмов через потоотделение и играет важную роль в переносе тепла в атмосфере.
• Универсальный растворитель: Благодаря полярности своих молекул, вода способна растворять множество ионных и полярных соединений, за что её называют «универсальным растворителем». Это свойство критически важно для всех биохимических процессов, так как вода переносит питательные вещества и выводит продукты жизнедеятельности в живых организмах.
• Высокое поверхностное натяжение: Сильные водородные связи между молекулами воды создают высокое поверхностное натяжение. Это позволяет некоторым насекомым передвигаться по поверхности воды и объясняет капиллярный эффект — способность воды подниматься по узким трубкам (капиллярам), что необходимо для питания растений.

Ответ: В жидком состоянии вода обладает уникальными тепловыми свойствами (высокая теплоёмкость), является универсальным растворителем, имеет аномальную зависимость плотности от температуры (максимум при $4^\circ C$) и высокое поверхностное натяжение, что в совокупности делает её основой жизни и климатическим регулятором.

Твёрдое состояние (лёд)

При замерзании свойства воды меняются кардинальным и удивительным образом.
• Меньшая плотность по сравнению с жидкостью: Это самое известное аномальное свойство воды. При переходе в твёрдое состояние молекулы воды образуют упорядоченную кристаллическую решётку с большим количеством пустот из-за фиксированных водородных связей. В результате объём увеличивается, а плотность льда (около $917 \, \text{кг/м}^3$) становится примерно на 9% меньше плотности жидкой воды. Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды, что, как уже упоминалось, защищает водоёмы от полного промерзания.
• Высокая удельная теплота плавления: Для того чтобы расплавить лёд, требуется большое количество энергии ($333,55 \, \text{кДж/кг}$ при $0^\circ C$). Это замедляет процессы таяния весной, предотвращая резкие наводнения, и стабилизирует температуру около $0^\circ C$, пока весь лёд не растает.

Ответ: В твёрдом состоянии (лёд) вода имеет меньшую плотность, чем в жидком, благодаря чему плавает на её поверхности. Также лёд обладает высокой удельной теплотой плавления, что замедляет процессы таяния и замерзания в природе.

Газообразное состояние (водяной пар)

Вода в газообразном состоянии также обладает важными и уникальными для планетарных процессов свойствами.
• Огромный скачок объёма при испарении: При переходе из жидкого состояния в газообразное при нормальном атмосферном давлении объём воды увеличивается примерно в 1600 раз. Это свойство лежит в основе работы паровых машин и турбин.
• Высокая скрытая теплота конденсации: Водяной пар содержит огромное количество скрытой энергии (теплоты парообразования). Когда пар конденсируется, превращаясь обратно в жидкость, эта энергия высвобождается. Этот механизм является главным двигателем переноса энергии из тропических широт в умеренные и полярные, формируя погоду и климат. Мощные атмосферные явления, такие как ураганы, питаются именно энергией, выделяемой при конденсации водяного пара.
• Парниковый эффект: Водяной пар является самым значительным естественным парниковым газом в атмосфере Земли. Он поглощает инфракрасное излучение, идущее от поверхности планеты, и переизлучает его, не давая Земле слишком сильно остывать ночью. Это поддерживает среднюю температуру планеты на уровне, пригодном для жизни.

Ответ: В газообразном состоянии (водяной пар) вода способна переносить огромные объёмы энергии за счёт высокой скрытой теплоты конденсации, что является основой глобальных климатических процессов. Также водяной пар — ключевой парниковый газ, поддерживающий тепловой баланс Земли.