Страница 14 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

4.25 [78] Стеклянную пластинку, подвешенную на резиновом шнуре, опустили до соприкосновения с поверхностью воды (рис. I-20). Почему при подъёме пластинки шнур растягивается?

Рис. I-20

Решение

Когда стеклянная пластинка соприкасается с поверхностью воды, между молекулами стекла и молекулами воды начинают действовать силы межмолекулярного притяжения. Поскольку силы притяжения между молекулами воды и стекла (силы адгезии) оказываются сильнее сил притяжения между самими молекулами воды (силы когезии), происходит явление смачивания: вода "прилипает" к поверхности стеклянной пластинки.

При попытке поднять пластинку, её необходимо оторвать от поверхности воды. На пластинку, помимо её силы тяжести, начинает действовать дополнительная сила, направленная вниз. Эта сила обусловлена поверхностным натяжением воды и силами притяжения между молекулами воды и стекла. Поверхностный слой воды ведёт себя как упругая плёнка и "удерживает" пластинку, препятствуя её отрыву.

Таким образом, результирующая сила $F_{рез}$, растягивающая резиновый шнур, складывается из силы тяжести пластинки $P$ и силы межмолекулярного притяжения $F_{мол}$, действующей со стороны воды:

$F_{рез} = P + F_{мол}$

Эта суммарная сила оказывается больше, чем одна лишь сила тяжести пластинки, которая действовала на шнур до соприкосновения с водой. Увеличение растягивающей силы приводит к большему удлинению (растяжению) резинового шнура.

Ответ: При подъёме пластинки шнур растягивается из-за того, что к силе тяжести самой пластинки добавляется сила притяжения между молекулами стеклянной пластинки и молекулами воды.

4.26 [д. 3] В какой из жидкостей, налитых в стеклянные стаканы (рис. I-21), взаимное притяжение молекул больше, чем притяжение молекул жидкости и молекул стекла?

Рис. I-21

Решение

Форма свободной поверхности жидкости у стенок сосуда, называемая мениском, определяется соотношением между силами притяжения молекул жидкости друг к другу (силы когезии) и силами притяжения молекул жидкости к молекулам стенок сосуда (силы адгезии).

В стакане, изображенном на рисунке а), поверхность жидкости у стенок изогнута вверх, образуя вогнутый мениск. Такое явление называется смачиванием. Оно происходит в том случае, когда силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами стекла (адгезия) превосходят силы взаимного притяжения молекул самой жидкости (когезия). Примером такой жидкости является вода в стеклянном стакане.

В стакане, изображенном на рисунке б), поверхность жидкости у стенок изогнута вниз, образуя выпуклый мениск. Это явление называется несмачиванием. Оно наблюдается, когда силы взаимного притяжения молекул жидкости (когезия) оказываются больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами стекла (адгезия). В этом случае молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам сосуда. Примером такой жидкости является ртуть в стеклянном сосуде.

Согласно условию задачи, необходимо определить, в какой из жидкостей взаимное притяжение молекул (когезия) больше, чем притяжение молекул жидкости и молекул стекла (адгезия). Это условие соответствует случаю несмачивания, который изображен на рисунке б).

Ответ: взаимное притяжение молекул больше, чем притяжение молекул жидкости и молекул стекла, в жидкости, находящейся в стакане б).

4.27 [Д. 4] Почему кожаную демисезонную обувь рекомендуется смазывать кремом, содержащим жиры или парафин?

4.27 [д. 4]

Кожаную демисезонную обувь, которая часто подвергается воздействию влаги (дождь, слякоть), рекомендуется смазывать кремом, содержащим жиры или парафин, по двум основным причинам.

Во-первых, это защита от промокания. Кожа является пористым материалом и хорошо впитывает воду. Жиры и парафин – это гидрофобные (водоотталкивающие) вещества. При нанесении на обувь, крем создает на поверхности кожи тонкую пленку, которая заполняет поры и не позволяет молекулам воды проникать внутрь. Благодаря этому обувь не промокает, а ноги остаются сухими.

Во-вторых, это уход за материалом и сохранение его свойств. При многократном намокании и высыхании кожа теряет свои естественные жировые компоненты, становится жесткой, ломкой и со временем может потрескаться. Жиры, входящие в состав крема, пропитывают кожу, восполняют потерю естественной смазки, сохраняя ее эластичность, мягкость и продлевая срок службы обуви.

Ответ: Крем с жирами или парафином создает на поверхности кожаной обуви водоотталкивающую пленку, которая защищает ее от промокания, а также питает кожу, сохраняя ее эластичность и предохраняя от пересыхания и растрескивания.

5.1 [88] В каком состоянии при комнатной температуре находятся следующие вещества: вода, сахар, воздух, олово, спирт, лёд, кислород, алюминий, молоко, азот? Ответы впишите в таблицу, начертив её в тетради.

Состояние

твёрдоежидкоегазообразное

Решение

Для определения агрегатного состояния вещества при комнатной температуре, которую обычно принимают равной $20-25^\circ\text{C}$, необходимо знать его температуру плавления (переход из твёрдого в жидкое состояние) и температуру кипения (переход из жидкого в газообразное состояние). Проанализируем каждое вещество из списка и распределим их по соответствующим агрегатным состояниям.

твёрдое

В твёрдом состоянии при комнатной температуре находятся вещества, чья температура плавления значительно выше комнатной.
Сахар: это кристаллическое вещество, которое плавится при температуре около $186^\circ\text{C}$.
Олово: это металл, который плавится при температуре $231.9^\circ\text{C}$.
Лёд: это твёрдая фаза воды, которая существует при температуре $0^\circ\text{C}$ и ниже. Хотя при комнатной температуре он тает, по своему определению лёд является твёрдым телом.
Алюминий: это металл, плавящийся при температуре $660.3^\circ\text{C}$.
Ответ: сахар, олово, лёд, алюминий.

жидкое

В жидком состоянии находятся вещества, у которых комнатная температура находится в интервале между температурой плавления и температурой кипения.
Вода: температура плавления $0^\circ\text{C}$, температура кипения $100^\circ\text{C}$. Комнатная температура ($20-25^\circ\text{C}$) находится в этом диапазоне.
Спирт (этиловый): температура плавления $-114^\circ\text{C}$, температура кипения $78.4^\circ\text{C}$. Комнатная температура также находится в этом диапазоне.
Молоко: является в основном водной эмульсией, поэтому при комнатной температуре оно жидкое.
Ответ: вода, спирт, молоко.

газообразное

В газообразном состоянии находятся вещества, чья температура кипения значительно ниже комнатной.
Воздух: это смесь газов, в основном азота и кислорода.
Кислород: его температура кипения равна $-183^\circ\text{C}$, что намного ниже комнатной температуры.
Азот: его температура кипения равна $-195.8^\circ\text{C}$, что также намного ниже комнатной температуры.
Ответ: воздух, кислород, азот.

Итоговые ответы, внесенные в таблицу:

5.2 [85] Закрытая бутылка наполовину заполнена ртутью. Можно ли утверждать, что в верхней половине бутылки ртуть отсутствует?

Решение

Утверждать, что в верхней половине бутылки ртуть отсутствует, нельзя. Это утверждение является неверным по следующим причинам.

Ртуть, как и любая другая жидкость, обладает свойством испаряться. Процесс испарения — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное, который происходит при любой температуре выше точки замерзания. Атомы ртути с высокой кинетической энергией покидают поверхность жидкости и переходят в пространство над ней.

Поскольку бутылка закрыта, образовавшиеся пары ртути не могут выйти за ее пределы. Газ (в данном случае пар) имеет свойство расширяться и занимать весь предоставленный ему объем. Следовательно, атомы ртути в газообразном состоянии распределятся по всему свободному пространству внутри бутылки, включая всю ее верхнюю половину.

Через некоторое время в замкнутом объеме установится динамическое равновесие: скорость испарения (число атомов, покидающих жидкость) станет равна скорости конденсации (числу атомов, возвращающихся из пара в жидкость). Пространство над жидкой ртутью будет заполнено ее насыщенным паром.

Таким образом, в верхней половине бутылки ртуть будет присутствовать, но не в жидком, а в газообразном состоянии (в виде пара).

Ответ: Нет, утверждать так нельзя. В верхней половине бутылки будет находиться газообразная ртуть (пары ртути) вследствие процесса испарения.

5.3 [86] Могут ли быть в жидком состоянии кислород, азот?

Да, кислород и азот, которые при обычных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) являются газами, могут быть переведены в жидкое агрегатное состояние. Это возможно при соблюдении определённых температурных и барических (связанных с давлением) условий.

Любое вещество может существовать в трёх основных агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Переход из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Для того чтобы газ сконденсировался в жидкость, его необходимо охладить ниже определённой температуры, называемой температурой кипения (или температурой конденсации) при данном давлении.

Температуры кипения кислорода и азота при нормальном атмосферном давлении ($1 \text{ атм} \approx 101325 \text{ Па}$) очень низкие:

• Для азота ($N_2$) температура кипения составляет $T_{\text{кип}} \approx -195.8^\circ \text{C}$ (или $77.35 \text{ K}$).
• Для кислорода ($O_2$) температура кипения составляет $T_{\text{кип}} \approx -183.0^\circ \text{C}$ (или $90.15 \text{ K}$).

Важным понятием также является критическая температура ($T_{кр}$). Это температура, выше которой вещество не может существовать в жидком состоянии, каким бы высоким ни было давление. Для сжижения газа его необходимо охладить ниже его критической температуры.

• Критическая температура азота: $T_{кр} \approx -147^\circ \text{C}$ (или $126.2 \text{ K}$).
• Критическая температура кислорода: $T_{кр} \approx -118.6^\circ \text{C}$ (или $154.6 \text{ K}$).

Поскольку комнатная температура (около $20^\circ \text{C}$) значительно выше критических температур и кислорода, и азота, их невозможно сжижить одним лишь повышением давления. Требуется предварительное сильное охлаждение. Процесс сжижения газов, таких как азот и кислород, широко используется в промышленности и научных исследованиях. Полученные жидкий азот и жидкий кислород хранятся в специальных сосудах Дьюара.

Ответ: Да, кислород и азот могут быть в жидком состоянии при достаточно низких температурах (ниже их температур кипения: $-183^\circ \text{C}$ для кислорода и $-195.8^\circ \text{C}$ для азота при нормальном атмосферном давлении).

5.4 [87] Могут ли быть в газообразном состоянии ртуть, железо, свинец?

Да, любое вещество, включая металлы, такие как ртуть, железо и свинец, может находиться в газообразном состоянии. Переход вещества в газообразное состояние называется парообразованием (кипением или испарением) и происходит при достижении определенной температуры, называемой температурой кипения (при заданном давлении). Для каждого из этих веществ существуют свои температуры кипения, при которых они переходят из жидкого или твёрдого состояния в газообразное.

Ртуть

Ртуть при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) является жидкостью. Её температура кипения составляет $356,73 \text{ °C}$. При нагревании до этой температуры ртуть активно превращается в газ (пары ртути). Более того, ртуть заметно испаряется даже при комнатной температуре, поэтому разлитая ртуть представляет опасность из-за ядовитости её паров. Ответ: Да, ртуть может быть в газообразном состоянии.

Железо

Железо — это тугоплавкий металл. Его температура плавления составляет $1538 \text{ °C}$, а температура кипения — $2862 \text{ °C}$. Хотя для превращения железа в газ требуются очень высокие температуры, которые редко встречаются в бытовых условиях, в промышленных или лабораторных условиях (например, при электродуговой сварке, в доменных печах или в вакуумных установках для напыления) и в астрофизических объектах (например, в атмосферах звёзд) железо может существовать и существует в виде газа. Ответ: Да, железо может быть в газообразном состоянии.

Свинец

Свинец также является металлом, который при нормальных условиях находится в твёрдом состоянии. Его температура плавления — $327,5 \text{ °C}$, а температура кипения — $1749 \text{ °C}$. Как и в случае с железом, для перевода свинца в газообразное состояние его необходимо нагреть до очень высокой температуры. Это достижимо в промышленных условиях, например, при переработке свинцовых руд. Ответ: Да, свинец может быть в газообразном состоянии.