Номер 24, страница 93, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава III. Движение и взаимодействие тел. Параграф 12. Плотность вещества - номер 24, страница 93.

Условие.

24. Прочитайте следующий текст и выполните задания к нему.

Плотность почти всех жидкостей при нагревании уменьшается. «Почти» в предыдущем предложении указывает на важнейшее исключение из общего правила: это вода, самая распространённая на Земле жидкость, покрывающая примерно $3/4$ её поверхности морями и океанами. На рисунке 12.3 изображён график зависимости плотности воды от температуры.

Рис. 12.3

Мы видим, что при нагревании от $0^{\circ}C$ до некоторой температуры плотность воды не уменьшается, а увеличивается! Эта особенность воды имеет в буквальном смысле слова жизненно важное значение для обитателей наших озёр и рек во время зимы, поскольку вода при положительной температуре, соответствующей наибольшей плотности воды, находится у дна водоёма и поэтому не замерзает даже зимой. Именно благодаря этому зимой выживают рыбы, которых тревожат любители «подлёдной» ловли.

Другой уникальной особенностью воды является то, что её плотность в твёрдом состоянии (то есть плотность льда) меньше плотности воды в жидком состоянии, в то время как плотность большинства веществ в твёрдом состоянии больше, чем в жидком. Вследствие того что плотность льда меньше плотности воды, объём льда больше объёма воды, из которой образовался данный лёд. Это одна из причин разрушения гор: попавшая в трещины скал вода замерзает и, превратившись в более объёмный лёд, расширяет трещины.

а) В чём состоят две особенности воды, отличающие её от большинства других жидкостей?

б) Какая из этих особенностей обусловливает сохранение жизни обитателей рек и озёр зимой?

в) Определите по приведённому графику зависимости плотности воды от температуры, при какой температуре данная масса воды занимает наименьший объём.

г) Объясните, почему воду нельзя использовать в жидкостных термометрах.

д) Почему у дна водоёмов зимой находится вода наибольшей плотности?

е) Почему зимой иногда лопаются водопроводные трубы, а также наполненные водой стеклянные бутылки или банки? Что нужно сделать, чтобы этого не произошло?

Решение.

а) В чём состоят две особенности плотности воды, отличающие её от большинства других жидкостей?

Первая особенность заключается в том, что плотность воды при нагревании от 0 °C до 4 °C не уменьшается, как у большинства других жидкостей, а увеличивается, достигая своего максимального значения при температуре около 4 °C. Только при дальнейшем нагревании плотность воды начинает уменьшаться.

Вторая особенность состоит в том, что плотность воды в твёрдом состоянии (льда) меньше плотности жидкой воды. У большинства других веществ твёрдое состояние плотнее жидкого.

Ответ: 1. Плотность воды максимальна при 4 °C, а не при температуре замерзания. 2. Плотность льда меньше плотности жидкой воды.

б) Какая из этих особенностей обусловливает сохранение жизни обитателей рек и озёр зимой?

Сохранение жизни обитателей рек и озёр зимой обусловлено первой особенностью: наличием максимальной плотности при 4 °C. Осенью, когда вода на поверхности водоёма остывает, она становится плотнее и опускается на дно. Этот процесс продолжается, пока вся вода не достигнет температуры 4 °C. При дальнейшем охлаждении поверхностный слой воды становится менее плотным (так как его температура опускается ниже 4 °C) и остаётся наверху. В итоге на поверхности образуется лёд, который, будучи ещё менее плотным, плавает и создаёт теплоизолирующий слой. На дне же сохраняется слой воды с температурой около 4 °C, что позволяет водным обитателям пережить зиму.

Ответ: Особенность, заключающаяся в том, что вода имеет максимальную плотность при температуре 4 °C.

в) Определите по приведённому графику зависимости плотности воды от температуры при какой температуре данная масса воды занимает наименьший объём.

Дано:

$m = \text{const}$

Найти:

$\text{t}$, при которой $V = V_{min}$

Решение:

Плотность $\rho$, масса $\text{m}$ и объём $\text{V}$ связаны формулой $\rho = \frac{m}{V}$. Из этой формулы можно выразить объём: $V = \frac{m}{\rho}$.

Так как масса воды $\text{m}$ в условии задачи постоянна, объём $\text{V}$ будет наименьшим, когда знаменатель дроби, то есть плотность $\rho$, будет наибольшим.

Обратимся к графику зависимости плотности воды от температуры (Рис. 12.3). Максимальное значение плотности (вершина кривой) наблюдается при температуре, которая, судя по графику, составляет примерно 4 °C.

Ответ: Данная масса воды занимает наименьший объём при температуре около 4 °C.

г) Объясните, почему воду нельзя использовать в жидкостных термометрах.

Жидкостные термометры работают на принципе монотонного теплового расширения жидкости: при увеличении температуры объём жидкости должен равномерно увеличиваться. Вода этому требованию не удовлетворяет. В диапазоне от 0 °C до 4 °C при нагревании объём воды не увеличивается, а уменьшается. При дальнейшем нагревании (выше 4 °C) объём начинает увеличиваться. Из-за такой немонотонной зависимости объёма от температуры одному и тому же объёму (и, следовательно, одной и той же отметке на шкале термометра) могут соответствовать два разных значения температуры (например, при 0 °C и при 8 °C плотность, а значит и объём, примерно одинаковы). Это делает невозможным однозначное определение температуры с помощью водяного термометра в этом диапазоне.

Ответ: Зависимость объёма воды от температуры не является монотонной, что не позволяет однозначно определять температуру.

д) Почему у дна водоёмов зимой находится вода наибольшей плотности?

Это объясняется явлением конвекции и гравитацией. Жидкость с большей плотностью под действием силы тяжести опускается вниз, вытесняя менее плотные слои вверх. Осенью поверхностные слои воды охлаждаются, их плотность растёт, и они опускаются на дно. Этот процесс перемешивания продолжается до тех пор, пока вся масса воды в водоёме не достигнет температуры 4 °C, при которой плотность максимальна. При дальнейшем охлаждении поверхностный слой (температура которого становится ниже 4 °C) становится менее плотным и остаётся на поверхности, не опускаясь вниз. Таким образом, на дне скапливается и остаётся на всю зиму самая плотная вода с температурой около 4 °C.

Ответ: Под действием силы тяжести более плотные слои жидкости опускаются вниз, а вода имеет наибольшую плотность при 4 °C.

е) Почему зимой иногда лопаются водопроводные трубы, а также наполненные водой стеклянные бутылки или банки? Что нужно сделать, чтобы этого не произошло?

Это происходит из-за второй аномальной особенности воды: при замерзании она расширяется. Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому при переходе в твёрдое состояние (при 0 °C) объём воды увеличивается примерно на 9%. Если вода замерзает в замкнутом пространстве, таком как водопроводная труба или стеклянная бутылка, расширяющийся лёд создаёт огромное давление на стенки. Если прочность стенок недостаточна, чтобы выдержать это давление, они разрушаются (труба или бутылка лопается).

Чтобы этого не произошло, необходимо предотвратить замерзание воды в трубах и ёмкостях. Для этого можно:

• Утеплять водопроводные трубы, находящиеся в зоне отрицательных температур.
• Сливать воду из систем водопровода на зиму, если они не используются (например, на даче).
• Не оставлять наполненные водой закрытые стеклянные или иные хрупкие ёмкости на морозе.

Ответ: При замерзании вода расширяется, создавая высокое давление на стенки сосуда. Чтобы предотвратить разрыв, нужно утеплять трубы, сливать из них воду на зиму или не оставлять ёмкости с водой на морозе.