Страница 15 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

5.5 [н] Водяной пар, туман и облака мы характеризуем как газообразное состояние воды. Объясните сходство и различия между ними.

Утверждение о том, что водяной пар, туман и облака являются газообразным состоянием воды, не совсем корректно. Хотя все они тесно связаны и состоят из воды, их физическая природа и свойства существенно различаются. Разберем их сходства и различия.

• Все три явления состоят из одного и того же вещества — воды (химическая формула $H_2O$).
• Все они являются неотъемлемой частью круговорота воды в природе и находятся в атмосфере Земли.
• Туман и облака образуются из водяного пара. Таким образом, водяной пар является исходным состоянием для формирования тумана и облаков через процессы конденсации или десублимации.

• Агрегатное состояние и структура: Самое главное различие заключается в агрегатном состоянии.
  • Водяной пар — это вода в истинном газообразном состоянии. Он состоит из отдельных, невидимых глазу молекул $H_2O$.
  • Туман и облака — это не газ, а аэрозоли. Они представляют собой взвесь в воздухе мельчайших капелек жидкой воды (жидкое состояние) или кристалликов льда (твердое состояние).
• Видимость:
  • Водяной пар абсолютно невидим, так как отдельные молекулы газа не способны рассеивать свет.
  • Туман и облака видимы, потому что скопление огромного количества капелек или кристалликов эффективно рассеивает солнечный свет.
• Местоположение в атмосфере:
  • Водяной пар как газ присутствует в воздухе повсеместно, от поверхности земли до верхних слоев атмосферы.
  • Туман — это, по сути, облако, которое формируется у самой поверхности земли или на очень низкой высоте (до нескольких десятков метров), касаясь ее.
  • Облака образуются на значительной высоте в атмосфере (от сотен метров до десятков километров).

Ответ: Сходство водяного пара, тумана и облаков заключается в том, что все они состоят из воды ($H_2O$) и являются частью атмосферных явлений и круговорота воды. Основные различия лежат в их физическом состоянии, видимости и расположении. Водяной пар — это невидимый газ. Туман и облака — это видимые скопления микроскопических капель жидкой воды или кристаллов льда (аэрозоли). При этом туман образуется у поверхности земли, а облака — на высоте в атмосфере.

5.6 [89] Летним вечером над болотом образовался туман. Какое это состояние воды?

Решение

Туман представляет собой аэрозоль, состоящий из мельчайших капель воды или ледяных кристаллов, взвешенных в воздухе у поверхности земли. Процесс образования тумана над болотом летним вечером можно описать следующим образом:

1. В течение дня вода с поверхности болота испаряется, насыщая приземный слой воздуха водяным паром. Водяной пар — это вода в газообразном состоянии.

2. С наступлением вечера и ночи поверхность земли и воздух над ней остывают. Холодный воздух способен удерживать меньше водяного пара, чем теплый.

3. Когда температура воздуха достигает так называемой точки росы, водяной пар, содержащийся в воздухе, начинает конденсироваться. Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. В качестве центров конденсации выступают мельчайшие частицы пыли, соли и другие аэрозольные частицы, всегда присутствующие в воздухе.

4. В результате конденсации образуются крошечные капельки жидкой воды. Именно скопление этих капелек, взвешенных в воздухе, мы и воспринимаем как туман.

Следовательно, вода в составе тумана находится в жидком агрегатном состоянии.

Ответ: Туман — это вода в жидком состоянии (в виде взвеси мельчайших капель в воздухе).

5.7 [90] В зимний морозный день над полыньёй в реке образовался туман. Какое это состояние воды?

5.7 [90]

Решение

Образование тумана над полыньёй (участком открытой воды на замёрзшей реке) в морозный день является наглядным примером фазовых переходов воды.

Вода с открытой поверхности полыньи, температура которой выше 0°C, непрерывно испаряется. В результате этого процесса вода переходит из жидкого агрегатного состояния в газообразное — водяной пар. Водяной пар сам по себе является невидимым газом.

Тёплый воздух, насыщенный водяным паром, поднимается от поверхности воды и смешивается с окружающим холодным морозным воздухом, температура которого ниже 0°C.

При контакте с холодной воздушной массой тёплый влажный воздух резко охлаждается. В результате охлаждения водяной пар становится перенасыщенным и конденсируется. Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. В итоге образуются мельчайшие капельки жидкой воды.

Поскольку температура окружающего воздуха отрицательная, эти капельки воды могут находиться в жидком состоянии (такое состояние называется переохлаждённой жидкостью) или же замёрзнуть, превратившись в крошечные ледяные кристаллы (твёрдое состояние воды).

Таким образом, туман, который мы видим, представляет собой аэрозоль — взвесь в воздухе огромного количества этих микроскопических капелек воды или ледяных кристаллов. Следовательно, вода в тумане находится не в газообразном, а в жидком и/или твёрдом состоянии.

Ответ: Вода в тумане находится в жидком состоянии (в виде мельчайших капелек) и/или в твёрдом состоянии (в виде ледяных кристаллов).

5.8 [91] Свежий, хотя и невидимый, след (например, зайца) собака берёт. Однако со временем она его учуять не может. Объясните это явление.

5.8 [91]

Это явление объясняется физическими процессами испарения и диффузии.

След животного, например зайца, представляет собой невидимый шлейф из молекул пахучих веществ, которые остаются на земле, траве и других поверхностях, с которыми соприкасалось животное. У собак чрезвычайно развито обоняние, что позволяет им улавливать даже очень низкие концентрации этих молекул.

Когда след свежий, концентрация пахучих молекул вдоль пути животного достаточно высока, и собака легко его обнаруживает. Однако со временем происходят следующие процессы:

1. Испарение: Молекулы пахучего вещества, оставленные на поверхностях, постепенно испаряются, то есть переходят из жидкого или твердого состояния в газообразное, смешиваясь с окружающим воздухом.
2. Диффузия: Оказавшись в воздухе, молекулы запаха начинают хаотически двигаться и сталкиваться с молекулами газов, составляющих воздух (азотом, кислородом и др.). В результате этого беспорядочного теплового движения молекулы запаха распространяются из области с высокой концентрацией (вдоль следа) в область с низкой концентрацией (в окружающее пространство). Этот процесс называется диффузией.

В результате диффузии и испарения, а также под воздействием внешних факторов, таких как ветер (который уносит молекулы) и температура (которая влияет на скорость испарения и диффузии), концентрация пахучих молекул на следу со временем значительно снижается. В конце концов, она падает ниже порога чувствительности обонятельных рецепторов собаки. В этот момент собака перестает ощущать запах и, как следствие, теряет след.

Ответ: Со временем молекулы пахучего вещества, образующие след, испаряются и в результате диффузии рассеиваются в воздухе. Их концентрация падает ниже порога чувствительности обоняния собаки, поэтому она перестает учуять след.

5.9 [92] В полистироловой фляге длительное время хранился керосин. Если в эту флягу, даже очень тщательно вымытую, налить потом молоко, то в нём мы всё же будем чувствовать запах керосина. Объясните почему.

5.9 [92]

Данное явление объясняется физическим процессом, который называется диффузией.

Все вещества, как твердые, так и жидкие, состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом тепловом движении. Между молекулами любого вещества существуют промежутки. Полистирол, из которого изготовлена фляга, хоть и является твердым телом, имеет пористую структуру на микроуровне, то есть между его длинными полимерными молекулами есть свободное пространство.

Когда керосин, состоящий из более мелких и очень подвижных молекул, длительное время хранился во фляге, его молекулы постепенно проникали в поверхностный слой полистирола и распространялись вглубь материала. Этот процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества и есть диффузия.

Даже самое тщательное мытьё фляги удаляет керосин лишь с её внутренней поверхности. Молекулы керосина, которые уже успели диффундировать в толщу стенок, остаются там.

Когда в "чистую" флягу наливают молоко, начинается обратный процесс. Молекулы керосина, "застрявшие" в полистироле, начинают диффундировать из стенок фляги в новую жидкую среду — молоко.

Керосин имеет очень сильный и легко различимый запах. Поэтому даже незначительной концентрации его молекул в молоке достаточно, чтобы человеческое обоняние уловило этот запах.

Ответ: Запах керосина ощущается из-за явления диффузии. За время хранения молекулы керосина проникли вглубь стенок полистироловой фляги. При мытье они не были удалены из материала стенок. Когда во флягу налили молоко, молекулы керосина начали переходить из стенок в молоко, придавая ему характерный запах.

5.10 [45] Отличаются ли при одинаковой температуре промежутки между молекулами какого-либо вещества, находящегося в твёрдом, жидком и газообразном состояниях?

Решение

Да, промежутки между молекулами одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях кардинально различаются. Агрегатное состояние определяется именно характером расположения частиц и силами взаимодействия между ними. Хотя для одного вещества эти три состояния обычно существуют при разных температурах, можно рассмотреть и ситуацию (реализуемую при разных давлениях), когда температура одинакова.

В твёрдом теле частицы (атомы, молекулы или ионы) упакованы очень плотно и образуют упорядоченную структуру — кристаллическую решётку. Они зафиксированы в определённых точках пространства (узлах решётки) и совершают лишь небольшие колебания около них. Расстояние между частицами минимально и сравнимо с их собственными размерами.

В жидкости частицы также расположены близко друг к другу, но уже не имеют строгого порядка. Они могут перемещаться относительно друг друга, что обеспечивает текучесть. Среднее расстояние между частицами в жидкости, как правило, немного больше, чем в твёрдом теле (известное исключение — вода, у которой лёд менее плотный, чем жидкая вода при 0°C). Силы притяжения всё ещё достаточно сильны, чтобы удерживать частицы вместе и сохранять объём.

В газе расстояние между частицами во много раз превышает их размеры. Молекулы движутся хаотично и практически не взаимодействуют друг с другом. Из-за больших расстояний газ не имеет ни собственной формы, ни объёма и стремится занять всё доступное пространство.

Да, отличаются очень сильно. В твёрдом состоянии промежутки между молекулами наименьшие. В жидком состоянии они ненамного больше, чем в твёрдом. В газообразном состоянии расстояния между молекулами в десятки и сотни раз превышают размеры самих молекул и, соответственно, расстояния между ними в жидком и твёрдом состояниях.

5.11 [79] В каком состоянии — твёрдом или жидком — сила притяжения между молекулами свинца больше?

Сила притяжения между частицами вещества (молекулами или, в случае металлов, атомами) напрямую зависит от расстояния между ними. Согласно общим принципам межмолекулярного взаимодействия, чем меньше среднее расстояние между частицами, тем сильнее они притягиваются друг к другу.

В твёрдом состоянии атомы свинца упорядочены и образуют кристаллическую решётку. Они находятся на минимально возможных расстояниях друг от друга и совершают лишь небольшие колебания около своих положений равновесия. Благодаря этому близкому расположению силы притяжения между атомами в твёрдом свинце очень велики. Именно эти силы обеспечивают твёрдым телам способность сохранять свою форму и объём.

При переходе свинца в жидкое состояние (в процессе плавления) ему сообщается энергия, называемая теплотой плавления. Эта энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки. Атомы получают больше свободы, начинают перемещаться друг относительно друга, и среднее расстояние между ними увеличивается. В результате увеличения среднего межатомного расстояния силы притяжения ослабевают. Этим объясняется то, что жидкости текучи и не сохраняют свою форму.

Следовательно, сила притяжения между атомами свинца больше в том состоянии, где они расположены плотнее, то есть в твёрдом.

Ответ: Сила притяжения между молекулами (атомами) свинца больше в твёрдом состоянии.

5.12 [84] Можно ли открытый сосуд заполнить газом на $50 \%$ его вместимости?

Нет, открытый сосуд невозможно заполнить газом на 50% его вместимости, если под «заполнением» понимать занимаемый объем. Это противоречит основным свойствам газообразного состояния вещества.

Ключевое свойство любого газа заключается в том, что его молекулы находятся в постоянном хаотическом тепловом движении и между ними действуют очень слабые силы притяжения. Вследствие этого газ не имеет собственного объема и формы и всегда стремится занять весь предоставленный ему объем. Как только газ попадает в сосуд, его частицы разлетаются во все стороны, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда, и в результате равномерно распределяются по всему пространству.

Таким образом, независимо от количества газа, помещенного в сосуд, он заполнит 100% его объема. Объем, занимаемый газом, всегда будет равен объему сосуда: $V_{газа} = V_{сосуда}$. Если в сосуд поместить малое количество газа, он просто будет иметь меньшую плотность и оказывать меньшее давление на стенки, но все равно займет весь объем.

Этим газы отличаются от жидкостей, которые имеют определенный объем и под действием силы тяжести занимают нижнюю часть сосуда. Именно жидкостью можно заполнить сосуд на 50% его вместимости.

Ответ: Нет, нельзя, поскольку газ по своей природе всегда занимает весь объем сосуда, в который он помещен.

5.13 [51] Даны отношение произвольного объёма воды к сумме объёмов молекул этой же воды и отношение такого же объёма пара к сумме объёмов молекул того же пара. Какое отношение больше?

Дано:

Рассматриваются два отношения: $K_{воды} = \frac{V}{V_{сум\_молекул\_воды}}$ для воды и $K_{пара} = \frac{V}{V_{сум\_молекул\_пара}}$ для пара. Здесь $V$ — одинаковый для обоих случаев произвольный объём, а $V_{сум\_молекул}$ — суммарный объём всех молекул, находящихся в объёме $V$.

Найти:

Какое из отношений больше, $K_{воды}$ или $K_{пара}$?

Решение

Суммарный объём молекул в заданном объёме вещества $V$ можно выразить через число молекул $N$ в этом объёме и объём одной молекулы $V_0$. Объём одной молекулы H₂O ($V_0$) не зависит от агрегатного состояния вещества (жидкость или газ).

Для воды: $V_{сум\_молекул\_воды} = N_{воды} \cdot V_0$.

Для пара: $V_{сум\_молекул\_пара} = N_{пара} \cdot V_0$.

Здесь $N_{воды}$ и $N_{пара}$ — это число молекул в объёме $V$ для воды и пара соответственно. Тогда исходные отношения можно переписать в виде:

$K_{воды} = \frac{V}{N_{воды} \cdot V_0}$

$K_{пара} = \frac{V}{N_{пара} \cdot V_0}$

Чтобы сравнить эти два отношения, необходимо сравнить их знаменатели. Так как $V$ и $V_0$ — величины постоянные в рамках сравнения, задача сводится к сравнению числа молекул $N_{воды}$ и $N_{пара}$.

Число молекул в объёме $V$ связано с плотностью вещества $\rho$ формулой $N = \frac{m}{m_0} = \frac{\rho V}{m_0}$, где $m_0$ — масса одной молекулы. Поскольку объём $V$ и масса одной молекулы $m_0$ одинаковы в обоих случаях, число молекул в объёме прямо пропорционально плотности вещества.

Плотность жидкой воды ($\rho_{воды}$) значительно больше плотности водяного пара ($\rho_{пара}$) при любых условиях, когда они могут сосуществовать.

$\rho_{воды} \gg \rho_{пара}$

Следовательно, в одинаковом объёме $V$ число молекул воды намного больше числа молекул пара:

$N_{воды} \gg N_{пара}$

Это означает, что и суммарный объём молекул в воде больше, чем в паре:

$N_{воды} \cdot V_0 > N_{пара} \cdot V_0$, то есть $V_{сум\_молекул\_воды} > V_{сум\_молекул\_пара}$.

Теперь сравним исходные дроби. У них одинаковые числители ($V$), но знаменатель дроби для воды больше знаменателя дроби для пара. Из математики известно, что для положительных чисел, чем больше знаменатель, тем меньше дробь. Поэтому:

$K_{воды} < K_{пара}$

Ответ: отношение произвольного объёма пара к сумме объёмов молекул этого пара больше, чем такое же отношение для воды.

5.14 [н] Почему скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества?

Решение

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, который происходит вследствие хаотического теплового движения частиц. Скорость этого процесса напрямую зависит от агрегатного состояния вещества (газообразного, жидкого или твердого), поскольку агрегатное состояние определяет ключевые факторы, влияющие на диффузию: подвижность частиц и расстояние между ними.

В газах. Частицы (атомы или молекулы) в газах находятся на больших расстояниях друг от друга, значительно превышающих их размеры. Они движутся с высокими скоростями и почти не взаимодействуют друг с другом. Большое свободное пространство и высокая подвижность частиц приводят к тому, что диффузия в газах протекает очень быстро. Например, запах духов, выпущенных в одном углу комнаты, быстро распространяется по всему ее объему.

В жидкостях. В жидком состоянии молекулы расположены гораздо плотнее, практически вплотную. Хотя они не закреплены в определенных точках и могут перемещаться друг относительно друга, их движение сильно ограничено постоянными столкновениями с соседями. Свободного пространства для перемещения гораздо меньше, чем в газах. Поэтому для того, чтобы молекула одного вещества проникла в толщу другого, ей приходится "проталкиваться" между другими молекулами, что занимает значительно больше времени. Как следствие, скорость диффузии в жидкостях на много порядков ниже, чем в газах.

В твердых телах. В твердых телах, особенно в кристаллических, атомы или ионы жестко зафиксированы в узлах кристаллической решетки и могут совершать лишь небольшие колебания около своих положений равновесия. Перемещение частицы с одного места на другое — очень редкое событие, требующее большой энергии для преодоления сил межатомного взаимодействия и наличия свободного места (вакансии) в решетке. Из-за крайне низкой подвижности частиц диффузия в твердых телах протекает чрезвычайно медленно. Чтобы заметить ее проявления, могут потребоваться годы или даже столетия при комнатной температуре.

Таким образом, существует четкая зависимость: скорость диффузии максимальна в газах, значительно меньше в жидкостях и минимальна в твердых телах.

Ответ: Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества, потому что оно определяет свободу движения частиц и расстояние между ними. В газах частицы движутся наиболее свободно и быстро, что обеспечивает максимальную скорость диффузии. В жидкостях движение частиц затруднено из-за их плотного расположения, поэтому диффузия протекает медленнее. В твердых телах частицы практически неподвижны, их перемещение крайне ограничено, что делает скорость диффузии чрезвычайно низкой.

5.15 [93] Кусок олова нагрели, и оно перешло в жидкое состояние. Как при этом менялось движение и расположение частиц олова относительно друг друга?

При переходе олова из твёрдого агрегатного состояния в жидкое (процесс плавления) происходят кардинальные изменения как в расположении частиц (атомов) вещества, так и в характере их теплового движения.

Расположение частиц
В исходном, твёрдом состоянии, олово является кристаллическим телом. Это означает, что его атомы расположены в пространстве строго упорядоченно, образуя так называемую кристаллическую решётку. Каждый атом занимает определённое положение (узел решётки) и находится на малом расстоянии от своих соседей. При плавлении, когда вещество получает достаточное количество теплоты, эта упорядоченная структура разрушается. В жидком олове атомы теряют свои фиксированные положения и располагаются хаотично, неупорядоченно. Они по-прежнему находятся близко друг к другу, но строгий порядок в их расположении отсутствует.

Движение частиц
В твёрдом теле движение атомов олова ограничено колебаниями около своих положений равновесия в узлах кристаллической решётки. Они не могут свободно перемещаться по объёму куска. При нагревании и последующем плавлении кинетическая энергия атомов возрастает настолько, что они преодолевают силы межмолекулярного притяжения, удерживающие их в узлах решётки. В результате в жидком состоянии атомы приобретают возможность свободно перемещаться друг относительно друга. Их движение становится хаотичным и включает в себя как колебания, так и поступательные «перескоки» с одного места на другое. Именно эта подвижность частиц и определяет свойство жидкостей, такое как текучесть.

Ответ: При переходе олова в жидкое состояние упорядоченное расположение его частиц (кристаллическая решётка) разрушилось, и они стали располагаться хаотично. Движение частиц сменилось с колебаний около фиксированных положений на хаотичное поступательное и колебательное движение в пределах всего объёма жидкости.

5.16 [94] Вода испарилась и превратилась в пар. Изменились ли при этом сами молекулы воды? Как изменилось их расположение и движение?

Изменились ли при этом сами молекулы воды?

При испарении воды и ее превращении в пар происходит смена агрегатного состояния вещества, что является физическим процессом, а не химической реакцией. Сами молекулы воды, состоящие из двух атомов водорода и одного атома кислорода (химическая формула $H_2O$), при этом не изменяются. Разрываются только слабые межмолекулярные связи, которые удерживают молекулы близко друг к другу в жидком состоянии, но прочные химические связи внутри молекул остаются нетронутыми.

Ответ: Нет, сами молекулы воды при испарении не изменились.

Как изменилось их расположение и движение?

Расположение: В жидкой воде молекулы находятся вплотную друг к другу, но не имеют строгого порядка и могут перемещаться относительно друг друга. При переходе в газообразное состояние (пар) молекулы получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения. В результате среднее расстояние между молекулами резко увеличивается и становится во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы пара движутся беспорядочно и занимают весь предоставленный им объем.

Движение: В жидкости молекулы в основном совершают колебательные и вращательные движения около своих временных положений равновесия и изредка "перескакивают" с места на место. В паре, получив дополнительную энергию, молекулы начинают двигаться с гораздо большими скоростями. Их движение становится преимущественно поступательным и хаотичным — они свободно и быстро летят в пространстве до столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Таким образом, кинетическая энергия молекул в паре значительно выше, чем в жидкости при той же температуре (в процессе испарения энергия подводится к веществу).

Ответ: Расположение молекул изменилось: они стали находиться на значительно больших расстояниях друг от друга и заполнили весь доступный объем. Движение молекул также изменилось: они стали двигаться гораздо быстрее и хаотичнее.