Номер 2.21, страница 12 - гдз по физике 8 класс задачник Артеменков, Ломаченков

II. Изменения агрегатного состояния вещества - номер 2.21, страница 12.

Условие.

2.21 Почему ожоги от водяного пара температурой $100 \text{ °С}$ сильнее, чем от кипятка той же температуры?

Решение.

Ожоги от водяного пара при температуре 100 °C сильнее, чем от кипятка той же температуры, так как при контакте с кожей пар передает ей значительно большее количество теплоты. Это происходит из-за процесса конденсации.

Рассмотрим это явление с точки зрения физики, сравнив количество теплоты, выделяемое паром и кипятком одинаковой массы.

Дано:
$t_{воды} = 100$ °C - температура кипятка.
$t_{пара} = 100$ °C - температура водяного пара.
$\text{m}$ - масса вещества (воды или пара).
$\text{c}$ - удельная теплоемкость воды, $c \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$.
$\text{L}$ - удельная теплота парообразования (конденсации) воды, $L \approx 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$.

Найти:
Сравнить количество теплоты $Q_{воды}$, отдаваемое кипятком, и $Q_{пара}$, отдаваемое паром, при остывании на коже.

Решение:
1. Когда кипяток попадает на кожу, он отдает теплоту только за счет остывания. Если предположить, что он остывает до некоторой конечной температуры $t_к$, то количество выделенной теплоты будет:
$Q_{воды} = c \cdot m \cdot (100 °C - t_к)$

2. Когда на кожу попадает пар, процесс теплоотдачи состоит из двух этапов:
а) Сначала пар конденсируется, превращаясь в воду при температуре 100 °C. При этом выделяется очень большое количество теплоты конденсации:
$Q_{конд} = L \cdot m$
б) Затем образовавшаяся горячая вода (конденсат) остывает, как и в первом случае, отдавая теплоту:
$Q_{остыв} = c \cdot m \cdot (100 °C - t_к)$

Таким образом, общее количество теплоты, отдаваемое паром, равно сумме теплоты конденсации и теплоты остывания:
$Q_{пара} = Q_{конд} + Q_{остыв} = L \cdot m + c \cdot m \cdot (100 °C - t_к)$

Сравнивая формулы, очевидно, что $Q_{пара}$ значительно больше $Q_{воды}$ на величину $L \cdot m$. Например, чтобы остудить 1 грамм кипятка на 1 °C, выделится около 4.2 Дж энергии. В то же время, при конденсации 1 грамма пара выделится около 2300 Дж энергии, что более чем в 500 раз больше. Именно эта дополнительная энергия, выделяемая при переходе пара в воду, и является причиной более сильных ожогов.

Ответ: Ожоги от водяного пара сильнее, потому что при контакте с телом пар не только остывает (как кипяток), но и конденсируется (превращается в воду), выделяя при этом огромное дополнительное количество энергии – удельную теплоту парообразования. Эта дополнительная энергия и вызывает более тяжелое повреждение тканей.