Темы докладов, страница 35 - гдз по физике 7 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Строение вещества. Параграф 10. Агрегатные состояния вещества. Вопросы - страница 35.

Условие.

Решение.

Вода ($H_2O$) является одним из самых уникальных и жизненно важных веществ на нашей планете. Ее удивительные свойства в различных агрегатных состояниях — жидком, твердом и газообразном — обусловлены особенностями строения ее молекулы. Молекула воды полярна, что приводит к образованию сильных водородных связей между молекулами. Именно эти связи определяют большинство аномальных свойств воды.

Жидкое состояние (вода)

В жидком состоянии вода проявляет ряд свойств, которые делают ее идеальной средой для зарождения и поддержания жизни.

1. Аномальная зависимость плотности от температуры. В отличие от большинства веществ, которые становятся плотнее при охлаждении, плотность воды максимальна при температуре около $+4 ^{\circ}\text{C}$. При дальнейшем охлаждении до $0 ^{\circ}\text{C}$ вода начинает расширяться, и ее плотность уменьшается. Это свойство имеет колоссальное значение для жизни в водоемах. Зимой более холодные и менее плотные слои воды остаются на поверхности и замерзают, а под ледяным покровом, у дна, сохраняется более теплая вода с температурой около $+4 ^{\circ}\text{C}$, что позволяет водным организмам выживать.

2. Высокая удельная теплоемкость. Вода обладает очень высокой удельной теплоемкостью ($c \approx 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ}\text{C}}$). Это означает, что для нагревания воды на один градус требуется большое количество энергии. Благодаря этому свойству Мировой океан действует как гигантский терморегулятор планеты: летом он поглощает огромное количество тепла, а зимой медленно отдает его, сглаживая климатические колебания. Это же свойство помогает живым организмам поддерживать стабильную температуру тела.

3. Высокая теплота парообразования. Для испарения воды требуется значительно больше энергии, чем для многих других жидкостей ($L \approx 2.26 \cdot 10^6 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$). Этот процесс лежит в основе механизма охлаждения у многих живых организмов, например, через потоотделение. Испаряясь с поверхности кожи, вода забирает избыточное тепло, предотвращая перегрев.

4. Универсальный растворитель. Благодаря полярности своих молекул, вода способна растворять огромное количество полярных и ионных веществ — солей, кислот, щелочей, сахаров. Это свойство делает ее основной средой для протекания биохимических реакций в клетках живых организмов и ключевым участником геологических процессов на Земле.

5. Высокое поверхностное натяжение. Силы сцепления между молекулами воды (когезия) настолько велики, что на ее поверхности образуется подобие эластичной пленки. Благодаря этому некоторые насекомые могут передвигаться по воде, а капли воды принимают сферическую форму. Это же свойство, в сочетании со сцеплением с другими поверхностями (адгезия), обеспечивает капиллярный эффект — подъем воды по узким трубкам, что критически важно для питания растений.

Ответ: Удивительные свойства жидкой воды включают аномальную зависимость плотности от температуры (максимум при $+4 ^{\circ}\text{C}$), очень высокую удельную теплоемкость и теплоту парообразования, способность быть универсальным растворителем для полярных веществ и высокое поверхностное натяжение.

Твердое состояние (лёд)

При переходе в твердое состояние вода также демонстрирует уникальные свойства.

1. Плотность льда меньше плотности воды. Это самое известное и важное аномальное свойство воды. При замерзании молекулы воды, связанные водородными связями, выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку гексагональной структуры. Эта структура более "рыхлая" и занимает больший объем, чем хаотично расположенные молекулы в жидкой воде. В результате плотность льда ($\rho_{льда} \approx 917 \, \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$) оказывается примерно на 9% меньше плотности жидкой воды ($\rho_{воды} \approx 1000 \, \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$), поэтому лед плавает на поверхности воды. Это защищает водоемы от полного промерзания.

2. Высокая удельная теплота плавления. Для того чтобы расплавить лед, требуется передать ему значительное количество теплоты ($\lambda \approx 3.34 \cdot 10^5 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$) без изменения его температуры ($0 ^{\circ}\text{C}$). Это свойство замедляет таяние снегов и ледников весной, предотвращая катастрофические наводнения, и стабилизирует температуру окружающей среды вблизи нуля градусов.

3. Разнообразие кристаллических форм. Хотя обычный лед имеет гексагональную структуру (что объясняет шестиугольную форму снежинок), при очень высоких давлениях и различных температурах известно более 18 кристаллических модификаций льда с различными свойствами.

Ответ: Главные удивительные свойства льда — это его меньшая по сравнению с жидкой водой плотность, что заставляет его плавать, и высокая удельная теплота плавления, играющая важную роль в регулировании температуры.

Газообразное состояние (водяной пар)

Вода в газообразном состоянии также обладает важными и уникальными характеристиками.

1. Большое увеличение объема при испарении. При атмосферном давлении и температуре $100 ^{\circ}\text{C}$ вода, превращаясь в пар, увеличивает свой объем примерно в 1700 раз. Это свойство лежит в основе работы паровых машин, турбин на тепловых и атомных электростанциях, которые преобразуют тепловую энергию в механическую и электрическую.

2. Высокая энергоемкость. Водяной пар содержит огромное количество скрытой энергии (теплоты парообразования). Когда пар конденсируется, эта энергия высвобождается. Это явление играет ключевую роль в переносе тепла в атмосфере Земли от экватора к полюсам и является основой работы систем центрального отопления.

3. Парниковый эффект. Водяной пар, будучи невидимым газом, является самым значительным парниковым газом в атмосфере Земли. Он эффективно поглощает инфракрасное (тепловое) излучение, идущее от поверхности планеты, и переизлучает его обратно, не давая Земле слишком сильно остывать ночью. Без этого естественного парникового эффекта средняя температура на планете была бы отрицательной.

Ответ: Удивительные свойства водяного пара включают огромное расширение при кипении, что используется в технике, способность переносить большое количество энергии и его ключевую роль как главного парникового газа, поддерживающего тепловой баланс Земли.