Номер 41.11, страница 155 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 41. Плавление и отвердевание. Глава 6. Тепловые явления - номер 41.11, страница 155.

41.11 [1064] Два одинаковых сосуда из полиэтилена заполнили водой, температура которой $0 \degree \text{С}$. Один сосуд поместили в воду, другой — в измельчённый лёд, имеющие, как и окружающий воздух, температуру $0 \degree \text{С}$. Замёрзнет ли вода в каком-нибудь из этих сосудов?

Решение

Для того чтобы вода замерзла, она должна находиться при температуре кристаллизации (0 °C) и при этом отдавать энергию в окружающую среду. Эта энергия называется удельной теплотой плавления (или кристаллизации), и количество отводимой теплоты ($Q$) для массы воды ($m$) рассчитывается по формуле $Q = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления.

Передача тепла возможна только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Проанализируем оба случая с учетом этого принципа.

Сосуд, помещенный в воду

Вода в первом сосуде имеет температуру 0 °C. Она погружена в окружающую воду, которая также имеет температуру 0 °C. Поскольку температура внутри и снаружи сосуда одинакова, разность температур ($\Delta T$) равна нулю. В таких условиях направленный теплообмен невозможен. Вода в сосуде не может отдать теплоту кристаллизации, необходимую для замерзания. Следовательно, вода в этом сосуде не замерзнет, система будет находиться в состоянии теплового равновесия.

Сосуд, помещенный в измельченный лёд

Во втором случае среда, окружающая сосуд, — это не сплошное тело, а смесь кристаллов льда, воздуха в промежутках и тонкой пленки воды на поверхности льда. С этой обширной влажной поверхности происходит непрерывный процесс испарения воды. Испарение — это процесс, который требует поглощения энергии (теплоты парообразования) из окружающей среды.

Энергия для испарения забирается от самого льда, что приводит к его охлаждению. В результате температура смеси измельченного льда и воздуха становится немного ниже 0 °C. Таким образом, возникает разность температур между водой в сосуде (которая все еще при 0 °C) и более холодной окружающей средой.

Эта разность температур обеспечивает постоянный отток тепла от воды в сосуде к окружающему льду. Вода, отдавая свою удельную теплоту кристаллизации, начнет постепенно замерзать.

Ответ: Да, вода замерзнет, но только в сосуде, который помещен в измельченный лёд. В сосуде, помещенном в воду при той же температуре, замерзания не произойдет.