Номер ?4, страница 107, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 2. Изменения агрегатного состояния вещества. Параграф 26. Лабораторные и исследовательские работы. Вопросы для обсуждения - номер ?4, страница 107.

Условие.

Можно ли в условиях невесомости вскипятить воду в открытом сосуде?

Решение.

Решение

Вскипятить воду в открытом сосуде в условиях невесомости в привычном для нас понимании этого процесса невозможно. Процесс кипения на Земле и в невесомости кардинально отличается из-за отсутствия силы тяжести и связанных с ней явлений.

Процесс кипения на Земле:

1. Теплообмен за счет конвекции. При нагревании сосуда с водой (обычно снизу) нижние слои воды становятся горячее, их плотность уменьшается. Под действием силы Архимеда (выталкивающей силы), которая существует благодаря гравитации, эти менее плотные слои поднимаются вверх. На их место опускаются более холодные и плотные верхние слои. Этот процесс называется конвекцией. Он обеспечивает эффективное перемешивание воды и быстрый, равномерный прогрев всего объема жидкости.

2. Образование и подъем пузырьков. Когда вода достигает температуры кипения, на дне и стенках сосуда, где температура максимальна, начинают образовываться пузырьки пара. Плотность пара значительно меньше плотности воды, поэтому благодаря той же силе Архимеда пузырьки всплывают на поверхность и лопаются, выпуская пар в атмосферу. Это и есть бурное кипение.

Процесс нагревания воды в невесомости:

1. Отсутствие конвекции. В невесомости ускорение свободного падения равно нулю ($g=0$), а значит, отсутствует и выталкивающая сила Архимеда. Нагретые, менее плотные слои воды не будут подниматься вверх, а холодные — опускаться вниз. Передача тепла от нагревателя вглубь жидкости будет происходить в основном за счет теплопроводности, которая у воды очень низкая. В результате будет эффективно нагреваться только тот слой воды, который непосредственно контактирует с нагревательным элементом, в то время как остальной объем будет оставаться холодным.

2. Поведение пузырьков пара. Когда прилегающий к нагревателю слой воды всё же достигнет температуры кипения, начнут образовываться пузырьки пара. Однако из-за отсутствия выталкивающей силы они не будут всплывать. Вместо этого они останутся на поверхности нагревателя, сливаясь друг с другом и образуя один большой паровой пузырь, который окутает нагревательный элемент.

3. Прекращение теплообмена. Слой пара, образовавшийся вокруг нагревателя, является очень плохим проводником тепла (теплоизолятором). Он будет препятствовать передаче тепла остальной массе воды. В результате нагревательный элемент может перегреться и выйти из строя, а основная часть воды в сосуде так и не нагреется до температуры кипения. Процесс кипения, по сути, прекратится, не успев распространиться на весь объем.

Таким образом, хотя и можно довести до кипения и испарить небольшой слой воды у самого нагревателя, вскипятить весь объем воды в открытом сосуде в невесомости традиционным способом не получится. Для кипячения жидкостей в космосе используют специальные закрытые емкости, в которых обеспечивается принудительное перемешивание.

Ответ: Нет, вскипятить воду в открытом сосуде в условиях невесомости в привычном понимании (с бурлением и прогревом всего объема) невозможно. Из-за отсутствия гравитации не возникает конвекция для перемешивания воды и выталкивающая сила для подъема пузырьков пара. Образовавшийся у нагревателя пар создаст теплоизолирующую прослойку, которая помешает дальнейшему нагреву всего объема воды.