Номер 39.11, страница 145 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 39. Виды теплопередачи. Глава 6. Тепловые явления - номер 39.11, страница 145.

39.11 [947] Почему в прудах, лунках, озёрах лёд появляется вначале на поверхности?

39.11 [947]

Появление льда на поверхности водоёмов (прудов, лунок, озёр) связано с уникальным свойством воды — её аномальной зависимостью плотности от температуры. При охлаждении водоёма с поверхности, верхние слои воды становятся холоднее, их плотность увеличивается, и они опускаются вниз. На их место поднимается более тёплая вода снизу. Этот процесс перемешивания, называемый конвекцией, продолжается до тех пор, пока вся масса воды не достигнет температуры $t \approx +4\ \text{°C}$. Именно при этой температуре плотность пресной воды максимальна.

Когда вся толща воды охладилась до $+4\ \text{°C}$, процесс меняется. При дальнейшем охлаждении поверхностного слоя его температура опускается ниже $+4\ \text{°C}$. Здесь проявляется аномалия воды: в диапазоне от $+4\ \text{°C}$ до $0\ \text{°C}$ её плотность не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Это означает, что более холодная вода (например, $+3\ \text{°C}$, $+2\ \text{°C}$) становится легче, чем нижележащие слои с температурой $+4\ \text{°C}$, и поэтому остаётся на поверхности. Конвекция прекращается.

Таким образом, именно верхний, самый холодный и лёгкий слой воды первым достигает температуры замерзания ($t = 0\ \text{°C}$) и превращается в лёд. Плотность льда ($\rho_{\text{льда}} \approx 917 \text{ кг/м}^3$) значительно меньше плотности воды ($\rho_{\text{воды}} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$), поэтому образовавшийся лёд не тонет, а остаётся плавать на поверхности, формируя ледяной покров.

Ответ: Лёд появляется сначала на поверхности, потому что вода имеет максимальную плотность при температуре $+4\ \text{°C}$. При дальнейшем охлаждении поверхностные слои воды (с температурой от $+4\ \text{°C}$ до $0\ \text{°C}$) становятся менее плотными, чем более тёплые нижние слои, и остаются наверху. Достигнув $0\ \text{°C}$, эта вода замерзает. Образовавшийся лёд также имеет меньшую плотность, чем вода, и поэтому плавает на поверхности.