Страница 159 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

42.1 [1096] Почему температура воды в открытом стакане всегда бывает немного ниже температуры воздуха в комнате?

42.1 [1096]

Решение

Температура воды в открытом стакане оказывается немного ниже температуры окружающего воздуха из-за процесса испарения, который непрерывно происходит с открытой поверхности воды.

Этот процесс можно объяснить на молекулярном уровне. Молекулы в жидкости находятся в постоянном хаотическом движении и обладают разной кинетической энергией. Испарение — это явление, при котором молекулы с поверхности жидкости переходят в газообразное состояние (пар). Чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения и покинуть жидкость, молекула должна обладать достаточно большой кинетической энергией. Таким образом, с поверхности воды улетают в первую очередь самые «быстрые», наиболее энергичные молекулы.

Когда наиболее энергичные молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся в стакане молекул воды уменьшается. Поскольку температура тела является мерой средней кинетической энергии его частиц, уменьшение этой энергии эквивалентно понижению температуры воды. Иными словами, испарение — это процесс, сопровождающийся охлаждением жидкости.

Одновременно с этим происходит процесс теплообмена между водой и окружающей средой (воздухом и стенками стакана). Так как воздух в комнате теплее, чем охлаждающаяся вода, он передает ей тепло. В итоге устанавливается динамическое равновесие: скорость охлаждения воды из-за испарения становится равной скорости ее нагревания за счет теплообмена с окружающей средой. Равновесная температура, которая устанавливается в воде, оказывается немного ниже температуры воздуха в комнате.

Ответ: Температура воды в открытом стакане ниже температуры воздуха из-за процесса испарения. Во время испарения с поверхности воды улетают самые быстрые молекулы, унося с собой энергию. Это приводит к уменьшению средней энергии оставшихся молекул, то есть к охлаждению воды. Устанавливается равновесие, при котором охлаждение за счет испарения компенсируется нагревом от более теплого окружающего воздуха, поэтому температура воды поддерживается на уровне чуть ниже комнатной.

42.2 [1097] В один стакан налили эфир при температуре 20 °C, в другой — воду при той же температуре. В стаканы опустили термометры. Какой из них будет показывать более низкую температуру?

Дано:

Найти:

Какой из термометров будет показывать более низкую температуру?

Решение:

И вода, и эфир, находясь в открытых стаканах, будут испаряться с поверхности. Испарение — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Для этого процесса необходима энергия, которая называется теплотой парообразования. Эту энергию жидкость отбирает у самой себя и у тел, с которыми она контактирует, в данном случае — у термометра. Вследствие отбора тепла температура жидкости и термометра понижается.

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Эфир является значительно более летучей жидкостью, чем вода. Это означает, что при одинаковых условиях эфир испаряется гораздо интенсивнее. Температура кипения эфира (около $34.6 \text{ °C}$) намного ниже температуры кипения воды ($100 \text{ °C}$), что подтверждает его высокую летучесть.

Поскольку эфир испаряется интенсивнее, он отбирает теплоту у самого себя и у термометра с большей скоростью. Это приводит к более значительному охлаждению по сравнению с водой. Таким образом, температура эфира и опущенного в него термометра станет ниже, чем температура воды и соответствующего термометра.

Ответ: более низкую температуру будет показывать термометр, опущенный в стакан с эфиром.

42.3 [1098] Почему молоко в глиняном сосуде без глазури дольше сохраняет свежесть?

Решение

Способность неглазурованного глиняного сосуда дольше сохранять свежесть молока основана на физическом явлении испарительного охлаждения.

1. Пористая структура. Стенки глиняного сосуда, не покрытого глазурью, являются пористыми. Это означает, что в них есть множество мельчайших, связанных между собой пор.

2. Просачивание влаги. Молоко, как и любая жидкость на водной основе, способно проникать в эти поры под действием капиллярных сил. Таким образом, внешняя поверхность сосуда постоянно слегка увлажняется влагой, просочившейся изнутри.

3. Испарение и охлаждение. Вода, оказавшаяся на внешней поверхности сосуда, начинает испаряться. Для перехода из жидкого состояния в газообразное (пар) воде необходима энергия, называемая теплотой парообразования. Эту энергию молекулы воды забирают от стенок сосуда, с которых они испаряются.

4. Снижение температуры. В результате непрерывного процесса испарения стенки сосуда и, следовательно, находящееся в нем молоко, постоянно отдают тепло и охлаждаются. Температура молока в таком сосуде становится на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха.

5. Замедление размножения бактерий. Свежесть молока определяется скоростью размножения в нем бактерий, которые вызывают скисание. Жизнедеятельность этих микроорганизмов сильно зависит от температуры: в холодной среде она значительно замедляется. Таким образом, охлажденное за счет испарения молоко портится гораздо медленнее.

В сосудах из материалов, не обладающих пористостью (например, стекло, металл или покрытая глазурью керамика), этот эффект отсутствует. Их содержимое быстро принимает температуру окружающей среды, что создает благоприятные условия для быстрой порчи молока.

Ответ: Молоко в глиняном сосуде без глазури дольше сохраняет свежесть, так как влага из молока просачивается через пористые стенки и испаряется с их внешней поверхности. Процесс испарения требует энергии (теплоты), которая отбирается у сосуда и его содержимого, что приводит к охлаждению молока. При более низкой температуре процессы размножения бактерий, вызывающих порчу продукта, замедляются.

42.4 [1099] Почему скошенная трава быстрее высыхает в ветреную погоду, чем в тихую?

42.4 [1099]

Высыхание скошенной травы представляет собой процесс испарения воды с её поверхности. Скорость испарения зависит от нескольких факторов, включая температуру, влажность окружающего воздуха и скорость движения воздуха (ветер).

В тихую погоду, когда нет ветра, над поверхностью травы скапливается слой воздуха, который быстро насыщается водяными парами, испарившимися с травы. Когда этот приповерхностный слой воздуха становится насыщенным (его относительная влажность приближается к 100%), скорость дальнейшего испарения резко снижается. Процесс замедляется, так как количество молекул воды, покидающих траву, становится почти равным количеству молекул, возвращающихся на неё из насыщенного воздуха.

В ветреную погоду движущиеся потоки воздуха постоянно сдувают этот влажный, насыщенный водяными парами слой воздуха от поверхности травы. На его место постоянно поступает новый, более сухой воздух. Таким образом, поддерживается значительная разница между влажностью у поверхности травы и влажностью окружающего воздуха, что обеспечивает непрерывное и интенсивное испарение.

Ответ: Ветер уносит от поверхности травы влажный воздух, насыщенный водяными парами, заменяя его более сухим. Это значительно ускоряет процесс испарения, поэтому скошенная трава высыхает быстрее.

42.5 [1100] Мокрое бельё, вывешенное зимой во дворе, замерзает. Но через некоторое время оно становится сухим даже при сильных морозах. Чем это можно объяснить?

42.5 [1100]

Это явление объясняется физическим процессом, который называется сублимация (или возгонка).

Процесс высыхания белья на морозе можно разделить на два основных этапа.

Первый этап — замерзание. Когда мокрое бельё вывешивают на мороз (при температуре ниже 0 °C), вода в волокнах ткани замерзает и превращается в твёрдые кристаллики льда. Бельё становится жёстким и ломким.

Второй этап — сублимация. Это процесс перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. В данном случае, молекулы льда, находящиеся на поверхности, постепенно отрываются от кристаллической решётки и переходят в состояние водяного пара, улетучиваясь в атмосферу. Этот процесс происходит при любой отрицательной температуре, хотя и медленнее, чем испарение воды при положительных температурах.

Ускоряют процесс сублимации такие факторы, как низкая влажность воздуха (сухой морозный воздух), наличие ветра (который уносит образующийся водяной пар от поверхности белья) и солнечное излучение (которое даёт дополнительную энергию молекулам льда).

В результате, спустя некоторое время, весь лёд с белья испаряется, и оно становится полностью сухим.

Ответ: Высыхание мокрого белья на морозе объясняется сублимацией — прямым переходом воды из твёрдого состояния (лёд) в газообразное (водяной пар).

42.6 [1101] При выходе из реки после купания мы ощущаем холод. Почему?

42.6 [1101]

Ощущение холода при выходе из реки после купания объясняется физическим явлением — испарением.

Когда мы выходим на берег, наше тело покрыто слоем воды. Эта вода начинает переходить из жидкого состояния в газообразное (водяной пар). Этот процесс называется испарением.

Испарение — это эндотермический процесс, то есть для его протекания требуется поглощение энергии из окружающей среды. В данном случае, вода на нашей коже забирает энергию, необходимую для превращения в пар, непосредственно от поверхности нашего тела. Эта энергия представляет собой теплоту.

Таким образом, кожа интенсивно отдает свое тепло воде, что приводит к понижению температуры кожных покровов. Наши терморецепторы фиксируют это падение температуры и передают в мозг сигнал, который мы воспринимаем как ощущение холода.

Эффект охлаждения может быть особенно сильным в ветреную погоду, так как ветер уносит насыщенный паром воздух от поверхности кожи, способствуя более интенсивному испарению и, следовательно, более быстрой потере тепла.

Ответ: Мы ощущаем холод, потому что вода с поверхности нашего тела испаряется. Процесс испарения требует энергии (тепла), которую вода отнимает у нашей кожи, тем самым охлаждая ее.

42.7 [1102] В двух одинаковых тарелках поровну налиты жирные и постные щи. Какие щи быстрее остынут? Почему?

42.7 [1102]

Быстрее остынут постные щи. Процесс остывания горячей жидкости в открытой тарелке происходит в основном за счет двух явлений: испарения и конвекции.

В случае с постными щами, поверхность которых представляет собой в основном воду (бульон), происходит интенсивное испарение. При испарении с поверхности улетучиваются наиболее быстрые молекулы, унося с собой часть внутренней энергии жидкости, что приводит к ее охлаждению. Также в постных щах свободно протекают конвекционные потоки: более горячие, менее плотные слои жидкости поднимаются наверх, а более холодные и плотные опускаются вниз, что ускоряет теплообмен со всей массой супа и окружающей средой.

В жирных щах на поверхности образуется слой жира. Этот слой выполняет роль "одеяла" или крышки. Во-первых, он практически полностью прекращает испарение воды с поверхности, так как сам жир испаряется очень слабо. Это значительно снижает потерю тепла. Во-вторых, жировая пленка препятствует конвекции, затрудняя перемешивание слоев жидкости. Теплопроводность жира ниже, чем у воды, поэтому он действует как теплоизолятор, замедляя передачу тепла от горячего супа к воздуху.

В результате из-за резкого снижения потерь тепла за счет испарения и конвекции жирные щи остывают значительно медленнее.

Ответ: Быстрее остынут постные щи, так как в них теплоотдача за счет испарения и конвекции происходит интенсивнее. Пленка жира на поверхности жирных щей препятствует этим процессам и замедляет остывание.

42.8 [1103] Почему в доме, автобусе или трамвае на стёклах окон при сильных морозах лёд появляется с внутренней стороны?

42.8 [1103]

Это явление объясняется разницей температур и влажности воздуха внутри и снаружи помещения или транспортного средства. Воздух внутри дома, автобуса или трамвая всегда содержит водяной пар. Его источниками являются дыхание и испарения от людей, а в жилых помещениях — также приготовление пищи, испарения от растений и т.д. Поэтому воздух внутри не только теплее, но и более влажный, чем на улице в мороз.

Оконное стекло, находясь на границе двух сред с разной температурой, сильно охлаждается из-за сильного мороза снаружи. Температура внутренней поверхности стекла, хотя и выше, чем у наружной, опускается ниже точки замерзания воды, то есть ниже $0^\circ C$.

Когда теплый и влажный воздух изнутри помещения соприкасается с этой очень холодной внутренней поверхностью стекла, он резко охлаждается. Содержащийся в нем водяной пар достигает точки росы и начинает переходить в другое агрегатное состояние. Поскольку температура поверхности ниже нуля, пар либо сначала конденсируется в капельки переохлажденной воды, которые тут же замерзают, либо сразу переходит из газообразного состояния в твердое (этот процесс называется десублимацией), образуя на стекле ледяные кристаллы или узоры (иней).

Лед образуется именно с внутренней стороны, так как именно там есть источник теплого, насыщенного влагой воздуха, который контактирует с охлажденной поверхностью. Снаружи воздух холодный и обычно сухой (содержит мало водяного пара в абсолютном выражении), поэтому на внешней стороне стекла лед из воздуха не образуется.

Ответ: Лёд появляется на внутренней стороне стёкол, потому что тёплый и влажный воздух внутри помещения или транспорта (источником влаги является в основном дыхание людей) контактирует с поверхностью стекла, которая из-за сильного мороза на улице охлаждается до температуры ниже $0^\circ C$. В результате водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется и сразу замерзает на стекле, образуя ледяные узоры.

42.9 [1104] Зачем на морозе вспотевшую после бега лошадь покрывают попоной?

42.9 [1104] После интенсивной физической нагрузки, такой как бег, температура тела лошади повышается. Для охлаждения организм использует механизм потоотделения. Выделившийся пот, испаряясь с поверхности кожи, отнимает у тела большое количество теплоты, тем самым охлаждая его. Этот процесс описывается количеством теплоты, необходимым для парообразования: $Q = L \cdot m$, где $L$ — удельная теплота парообразования воды, а $m$ — масса испарившейся жидкости.

На морозе, особенно при ветре, процесс испарения происходит очень интенсивно. Большая разница температур между разгоряченным, мокрым телом лошади и холодной окружающей средой приводит к очень быстрой потере тепла. Такое резкое и сильное охлаждение крайне опасно для здоровья животного, так как может вызвать переохлаждение, мышечные спазмы, простуду или даже воспаление легких.

Попона (специальное покрывало для лошадей) выполняет роль теплоизолятора. Она замедляет сразу два процесса теплоотдачи:
1. Уменьшает конвективный теплообмен с холодным воздухом.
2. Замедляет испарение пота, создавая под собой прослойку воздуха, насыщенного влагой.

В результате лошадь остывает постепенно, а не скачкообразно, что позволяет избежать негативных последствий для её здоровья.

Ответ: Попона необходима для того, чтобы замедлить процесс испарения пота и общую теплоотдачу от тела вспотевшей лошади на морозе. Это предотвращает её слишком быстрое и опасное для здоровья переохлаждение.

42.10 [1105] Сырые дрова горят хуже, чем сухие. Почему?

Решение

Сырые дрова горят хуже сухих из-за большого количества воды, содержащейся в их структуре. Процесс горения древесины — это химическая реакция окисления, которая требует для своего начала и поддержания определённой высокой температуры (температуры воспламенения). Наличие воды в дровах создаёт несколько препятствий для этого процесса.

1. Поглощение энергии на нагрев и испарение. Прежде чем сама древесина сможет нагреться до температуры воспламенения (около 250–300°C), вся вода в ней должна сначала нагреться до температуры кипения (100°C), а затем полностью испариться, превратившись в пар. На эти процессы тратится значительное количество тепловой энергии. Количество теплоты, необходимое для нагрева и испарения воды массой $m_в$, можно описать суммой: $Q = c_в m_в (100 - t_0) + L m_в$, где $c_в$ — удельная теплоёмкость воды, $L$ — удельная теплота парообразования, а $t_0$ — начальная температура дров.

2. Высокая удельная теплота парообразования воды. Удельная теплота парообразования воды ($L$) имеет очень высокое значение, примерно $2,26 \cdot 10^6$ Дж/кг. Это означает, что для превращения 1 кг жидкой воды в пар требуется огромное количество энергии. Эта энергия отбирается непосредственно у пламени, не позволяя древесине достичь температуры, необходимой для устойчивого горения.

3. Охлаждение зоны горения. Интенсивный процесс испарения воды приводит к сильному охлаждению поверхности дров. Образующийся водяной пар, улетучиваясь, также уносит с собой тепло. В результате температура в зоне горения может упасть ниже температуры воспламенения, что приводит к неполному сгоранию (тлению), которое сопровождается выделением большого количества дыма, или вовсе к затуханию огня.

В отличие от сырых, сухие дрова содержат минимальное количество влаги. Поэтому почти вся энергия от начального источника тепла идет на разогрев самой древесины до температуры воспламенения и на поддержание эффективного горения, которое выделяет максимум тепла и света.

Ответ: Сырые дрова горят хуже, так как значительная часть тепловой энергии, выделяемой в процессе горения, расходуется на нагрев и испарение содержащейся в них воды. Испарение воды — очень энергозатратный процесс, который охлаждает древесину ниже температуры воспламенения и препятствует поддержанию стабильного огня.

42.11 [н] Почему вода меньше выкипает из кастрюли, накрытой крышкой, чем из кастрюли без крышки?

42.11 [н]

Решение

Этот эффект объясняется разницей в процессах парообразования и конденсации в открытой и закрытой системах.

В кастрюле без крышки вода при нагревании испаряется, а при кипении этот процесс становится очень интенсивным. Образующийся водяной пар свободно уходит из кастрюли в окружающую среду. Поскольку пар постоянно покидает систему, для поддержания кипения и восполнения ушедших молекул требуется непрерывный переход новых молекул воды в газообразное состояние. Это приводит к быстрому уменьшению количества воды в кастрюле.

В кастрюле, накрытой крышкой, ситуация иная. Образующийся водяной пар скапливается в замкнутом пространстве под крышкой. Его концентрация и давление растут. Одновременно с процессом испарения (переход молекул из жидкости в пар) происходит и обратный процесс — конденсация: молекулы пара, сталкиваясь с относительно холодной поверхностью крышки и с поверхностью воды, возвращаются в жидкое состояние.

Довольно быстро над поверхностью воды устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость испарения становится равной скорости конденсации. Пар в этом состоянии называется насыщенным. Хотя часть пара может уходить через неплотности между крышкой и кастрюлей, основная его масса конденсируется на крышке и стенках, стекая обратно в кастрюлю. Таким образом, крышка препятствует массовому уходу пара, и вода выкипает значительно медленнее.

Ответ: В кастрюле, накрытой крышкой, водяной пар не уходит в окружающее пространство, а накапливается под крышкой. Он конденсируется на ее внутренней, более холодной поверхности и стекает обратно в кастрюлю. В результате устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации, что значительно замедляет уменьшение количества воды.

42.12 [н] Почему кипение воды сопровождается шумом?

42.12 [H]

Шум, который мы слышим при кипении воды, возникает из-за сложных физических процессов, связанных с образованием и поведением пузырьков пара. Процесс можно разделить на несколько этапов:

1. Начальный нагрев и образование пузырьков. Нагрев обычно происходит снизу, поэтому самые горячие слои воды находятся у дна и стенок сосуда. В этих местах, на микроскопических неровностях поверхности (центрах парообразования), начинают формироваться первые пузырьки водяного пара. Температура в этих точках уже достигла или превысила температуру кипения.
2. Подъем и коллапс (схлопывание) пузырьков. Образовавшиеся у дна пузырьки пара имеют меньшую плотность, чем окружающая вода, и под действием силы Архимеда начинают всплывать. Однако верхние слои воды еще не прогрелись до температуры кипения и остаются более холодными. Когда горячий пузырек пара попадает в холодный слой воды, пар внутри него быстро конденсируется, снова превращаясь в жидкую воду.
3. Генерация звука. Процесс конденсации приводит к резкому уменьшению объема. Объем, занимаемый паром, примерно в 1700 раз больше объема того же количества вещества в жидком состоянии (при атмосферном давлении). Из-за этого пузырек не просто сжимается, а практически мгновенно схлопывается (происходит имплозия). Это резкое схлопывание создает ударную волну в окружающей воде. Множество таких микровзрывов, происходящих одновременно по всему объему воды, который еще не достиг температуры кипения, и создают характерный шипящий и потрескивающий шум.
4. Бурное кипение. Когда вся масса воды прогревается до температуры кипения, пузырьки пара перестают схлопываться на пути к поверхности. Они достигают ее, лопаются и выпускают пар в атмосферу. На этой стадии шум меняется, становясь более глухим и бурлящим. Этот звук создается уже не схлопыванием, а колебаниями и лопанием крупных пузырей на поверхности.

Таким образом, основной шум, который мы ассоциируем с закипанием, создается именно на стадии, предшествующей бурному кипению, из-за быстрой конденсации и схлопывания пузырьков пара в более холодных слоях воды.

Ответ: Шум при кипении воды возникает в основном из-за процесса схлопывания (имплозии) пузырьков водяного пара. Эти пузырьки образуются у горячего дна сосуда и, поднимаясь в более холодные верхние слои воды, резко конденсируются, превращаясь обратно в жидкость. Мгновенное уменьшение объема пузырька создает ударную волну в воде, и совокупность множества таких микровзрывов воспринимается как шум.

42.13 [н] Как объяснить процесс высушивания белья на морозе?

Решение

Процесс высушивания белья на морозе объясняется физическим явлением, которое называется сублимацией (или возгонкой). Этот процесс можно разделить на два основных этапа.

1. Замерзание воды. Когда мокрое белье вывешивают на улицу при температуре ниже 0 °C, вода, находящаяся в волокнах ткани, замерзает и превращается в мелкие кристаллики льда. В результате белье становится твердым и жестким на ощупь.

2. Сублимация льда. После замерзания начинается непосредственно процесс высыхания. Молекулы воды, находясь в твердом состоянии (лед), продолжают колебательное движение. Некоторые молекулы, расположенные на поверхности кристалликов льда, обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения в кристалле и перейти непосредственно в газообразное состояние (водяной пар), минуя жидкую фазу. Этот прямой переход вещества из твердого состояния в газообразное и называется сублимацией.

Интенсивность сублимации, а следовательно, и скорость высыхания белья, зависит от внешних условий. Процесс ускоряется при низкой влажности воздуха (что характерно для морозной погоды) и при наличии ветра. Ветер уносит молекулы водяного пара от поверхности белья, поддерживая низкую концентрацию пара вблизи ткани и способствуя дальнейшей сублимации.

Таким образом, со временем весь лед, содержавшийся в белье, испаряется, и белье становится сухим.

Ответ: Высушивание белья на морозе происходит в два этапа: сначала вода в белье замерзает, превращаясь в лед, а затем этот лед испаряется, переходя из твердого состояния сразу в газообразное (водяной пар). Этот процесс называется сублимацией.

42.14 [н] В герметически закрытой посуде (скороварке) пища готовится быстрее. Объясните причину этого эффекта. Для чего в конструкции скороварки предусмотрен клапан?

Решение

Объясните причину этого эффекта

Скорость приготовления пищи напрямую зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекают химические реакции, составляющие процесс приготовления. В обычной открытой кастрюле вода при нормальном атмосферном давлении кипит при температуре около $100^\circ\text{C}$. Пока вся вода не выкипит, температура кипящей воды и пара над ней не может подняться выше этой отметки.

Скороварка — это герметично закрытая посуда. При нагревании находящаяся в ней вода испаряется, но образующийся пар не может покинуть замкнутый объем. Вследствие этого давление внутри скороварки растет и становится значительно выше атмосферного.

Температура кипения любой жидкости зависит от внешнего давления. С увеличением давления температура кипения также возрастает. Таким образом, в скороварке вода кипит при более высокой температуре, чем $100^\circ\text{C}$, обычно достигающей $115-120^\circ\text{C}$.

Приготовление пищи при такой повышенной температуре существенно ускоряет процесс.

Ответ: Пища в скороварке готовится быстрее, потому что из-за герметичности внутри создается повышенное давление. Это приводит к увеличению температуры кипения воды выше $100^\circ\text{C}$, что значительно ускоряет химические процессы приготовления еды.

Для чего в конструкции скороварки предусмотрен клапан?

Клапан в конструкции скороварки выполняет две основные функции: регулирующую и предохранительную.

Регулирующая функция: клапан откалиброван так, чтобы поддерживать внутри скороварки постоянное рабочее давление. Когда давление достигает заданного уровня, клапан автоматически открывается и выпускает излишки пара. Это позволяет поддерживать стабильно высокую температуру на протяжении всего времени приготовления.

Предохранительная функция: это важнейшая функция для обеспечения безопасности. Если давление внутри скороварки по какой-либо причине (например, из-за засорения или чрезмерного нагрева) начнет расти до опасных значений, клапан сработает как аварийный, сбросив давление и предотвратив тем самым возможный взрыв посуды.

Ответ: Клапан необходим для регулирования и поддержания постоянного высокого давления (и, следовательно, температуры) внутри скороварки, а также для обеспечения безопасности путем стравливания избыточного пара при достижении критического давления.

42.15 [1106] На рисунке VI-19 показано, как со временем изменяется температура при нагревании и охлаждении воды. Какому состоянию воды соответствуют участки графика $AB$, $BC$, $CD$? Объясните, почему участок $BC$ параллелен оси времени.

$t,^{\circ}\text{C}$

$t, \text{мин}$

Рис. VI-19

Участок AB: На данном участке графика температура воды линейно возрастает с $20^\circ\text{С}$ до $100^\circ\text{С}$. Это соответствует процессу нагревания воды, которая находится в жидком агрегатном состоянии.

Ответ: Участок AB соответствует нагреванию воды.

Участок BC: На этом участке температура воды остается неизменной и равной $100^\circ\text{С}$. Это температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Постоянство температуры при продолжающемся процессе (время идет) указывает на фазовый переход — процесс кипения, во время которого жидкая вода превращается в пар.

Ответ: Участок BC соответствует кипению воды.

Участок CD: На этом участке температура воды линейно снижается с $100^\circ\text{С}$ до $60^\circ\text{С}$. Это означает, что вода отдает тепло в окружающую среду, то есть происходит процесс ее охлаждения.

Ответ: Участок CD соответствует охлаждению воды.

Объяснение, почему участок BC параллелен оси времени: Участок BC параллелен оси времени (оси абсцисс), так как он отображает процесс кипения. Кипение является фазовым переходом из жидкого состояния в газообразное и происходит при постоянной температуре, называемой температурой кипения. Вся энергия, сообщаемая воде в этот период, идет не на увеличение средней кинетической энергии ее молекул (что привело бы к росту температуры), а на разрыв межмолекулярных связей и превращение воды в пар. Так как температура остается постоянной ($t = \text{const}$), а время идет, график этой зависимости представляет собой горизонтальную линию, параллельную оси времени.

Ответ: Участок BC параллелен оси времени, потому что процесс кипения воды происходит при постоянной температуре ($100^\circ\text{С}$).

42.16 [1107] На рисунке VI-20 построен график нагревания воды по данным, полученным учащимися. Определите:

1) температуру воды в момент начала опыта, в середине и в конце опыта;

2) когда воду нагревали интенсивнее — в начале или в конце опыта;

$t, \, ^\circ C$

$t, \, мин$

Рис. VI-20

3) время от начала наблюдения, за которое вода нагрелась до $60°C$;

4) разницу в изменении температуры за 2 первые и 2 последние минуты наблюдения.

Дано:

График зависимости температуры воды $T$ от времени $t$.
Общее время наблюдения $t_{общ} = 8$ мин
Интервал времени для первого изменения температуры: $\Delta t_1 = 2$ мин
Интервал времени для второго изменения температуры: $\Delta t_2 = 2$ мин (с 6-й по 8-ю минуту)
Целевая температура $T_{цел} = 60$ °C

Перевод в СИ:

$t_{общ} = 8 \text{ мин} = 8 \cdot 60 \text{ с} = 480 \text{ с}$
$\Delta t_1 = 2 \text{ мин} = 2 \cdot 60 \text{ с} = 120 \text{ с}$
$\Delta t_2 = 2 \text{ мин} = 2 \cdot 60 \text{ с} = 120 \text{ с}$

Найти:

1) $T_{начало}$, $T_{середина}$, $T_{конец}$ — ?
2) В какой период нагрев интенсивнее — ?
3) $t$ при $T = 60$ °C — ?
4) $\Delta T_{первые \ 2 \ мин} - \Delta T_{последние \ 2 \ мин}$ — ?

Решение:

Все значения определяются по предоставленному графику зависимости температуры $T$ (в °C) от времени $t$ (в мин).

1) температуру воды в момент начала опыта, в середине и в конце опыта

Для определения температуры в разные моменты времени найдем на оси времени ($x$) соответствующие точки и определим для них значение температуры по оси ординат ($y$).

- Начало опыта соответствует моменту времени $t_{начало} = 0$ мин. Из графика находим, что начальная температура $T_{начало} = 20$ °C.

- Конец опыта, согласно графику, наступает в момент времени $t_{конец} = 8$ мин. Из графика находим, что конечная температура $T_{конец} = 100$ °C.

- Середина опыта соответствует моменту времени $t_{середина} = t_{конец} / 2 = 8 / 2 = 4$ мин. Из графика находим, что температура в середине опыта $T_{середина} = 80$ °C.

Ответ: в начале опыта температура воды была 20 °C, в середине – 80 °C, в конце – 100 °C.

2) когда воду нагревали интенсивнее — в начале или в конце опыта

Интенсивность нагревания характеризуется скоростью изменения температуры. На графике скорость изменения температуры соответствует наклону кривой. Чем больше наклон (чем круче идет график), тем выше скорость нагревания.

В начале опыта (вблизи $t=0$) график имеет наибольший наклон. К концу опыта (вблизи $t=8$ мин) наклон графика уменьшается, кривая становится более пологой. Это означает, что за одинаковые промежутки времени в начале опыта температура увеличивалась на большую величину, чем в конце. Следовательно, нагрев был интенсивнее в начале.

Ответ: воду нагревали интенсивнее в начале опыта.

3) время от начала наблюдения, за которое вода нагрелась до 60 °С

Чтобы найти время, за которое вода нагрелась до $60$ °C, найдем на оси температур ($y$) значение $T = 60$ °C. Проведем от этой точки горизонтальную линию до пересечения с графиком, а затем из точки пересечения опустим перпендикуляр на ось времени ($x$).

Из графика видно, что температуре $T=60$ °C соответствует время $t=2$ мин.

Ответ: вода нагрелась до 60 °C за 2 минуты.

4) разницу в изменении температуры за 2 первые и 2 последние минуты наблюдения

Найдем изменение температуры за первые 2 минуты наблюдения (с $t=0$ мин до $t=2$ мин).

- Температура в $t=0$ мин: $T_0 = 20$ °C.

- Температура в $t=2$ мин: $T_2 = 60$ °C.

Изменение температуры за первые 2 минуты: $\Delta T_1 = T_2 - T_0 = 60 \text{ °C} - 20 \text{ °C} = 40 \text{ °C}$.

Найдем изменение температуры за последние 2 минуты наблюдения (с $t=6$ мин до $t=8$ мин).

- Температура в $t=6$ мин: $T_6 = 90$ °C.

- Температура в $t=8$ мин: $T_8 = 100$ °C.

Изменение температуры за последние 2 минуты: $\Delta T_2 = T_8 - T_6 = 100 \text{ °C} - 90 \text{ °C} = 10 \text{ °C}$.

Найдем разницу в этих изменениях температуры: $\Delta T_{разница} = \Delta T_1 - \Delta T_2 = 40 \text{ °C} - 10 \text{ °C} = 30 \text{ °C}$.

Ответ: разница в изменении температуры за 2 первые и 2 последние минуты наблюдения составляет 30 °C.