Номер 3, страница 89 - гдз по физике 8 класс тетрадь-тренажёр Артеменков, Белага

Приложение «Знаем и применяем» - номер 3, страница 89.

Условие.

3. Чугунная сковорода нагревается на пламени газовой горелки. Время от времени на сковороду из пипетки капают воду. Пронаблюдайте за скоростью испарения капель по мере нагревания металла. Объясните, почему при высокой температуре металла капля на его поверхности держится неожиданно долго, не испаряясь?

Помощник

■ В каком агрегатном состоянии вода обладает наименьшей теплоёмкостью?

■ Как скорость испарения зависит от температуры?

Решение.

Наблюдаемое явление, при котором капля воды на раскаленной поверхности испаряется дольше, чем на умеренно горячей, называется эффектом Лейденфроста.

Когда температура чугунной сковороды значительно превышает температуру кипения воды (100°C), например, достигает 200°C и выше, происходит следующее. Нижний слой капли, который соприкасается с раскаленным металлом, мгновенно испаряется. Этот моментально образовавшийся пар создает тонкую газовую прослойку (паровую подушку) между основной массой жидкой воды и поверхностью сковороды.

Ключевым моментом является то, что водяной пар обладает очень низкой теплопроводностью по сравнению с жидкой водой. Эта паровая прослойка действует как теплоизолятор, который резко замедляет передачу тепла от горячей сковороды к капле воды. В результате капля фактически левитирует над поверхностью на этой паровой подушке и не имеет прямого контакта с металлом. Из-за слабой теплопередачи через пар дальнейшее испарение и кипение капли происходит очень медленно. Поэтому капля "танцует" на поверхности и существует неожиданно долго.

При более низких температурах (например, чуть выше 100°C) паровая подушка не образуется, вода находится в прямом контакте с горячей поверхностью, теплопередача максимальна, и капля выкипает очень быстро с характерным шипением.

Помощник

В каком агрегатном состоянии вода обладает наименьшей теплоёмкостью?

Удельная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы вещества для нагревания его на один градус. Для воды в различных агрегатных состояниях она примерно равна:
* Лёд (твёрдое): $c_{льда} \approx 2100 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
* Жидкая вода (жидкое): $c_{воды} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
* Водяной пар (газообразное): $c_{пара} \approx 2000 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$
Сравнивая значения, можно заключить, что наименьшей удельной теплоёмкостью обладает водяной пар. Важно отметить, что в описанном явлении (эффект Лейденфроста) ключевую роль играет не столько теплоёмкость, сколько очень низкая теплопроводность пара, благодаря которой он является хорошим теплоизолятором.

Ответ: Вода обладает наименьшей теплоёмкостью в газообразном состоянии (в виде пара).

Как скорость испарения зависит от температуры?

Испарение — это процесс выхода наиболее быстрых молекул с поверхности жидкости. Чем выше температура жидкости, тем выше средняя кинетическая энергия ее молекул. Соответственно, при более высокой температуре большее число молекул обладает энергией, достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения и выхода с поверхности жидкости в виде пара. Таким образом, скорость испарения напрямую зависит от температуры: с ростом температуры скорость испарения увеличивается. Это справедливо до тех пор, пока не начинают проявляться другие эффекты, такие как эффект Лейденфроста, который изменяет механизм теплопередачи.

Ответ: Скорость испарения увеличивается с ростом температуры.