Номер 16, страница 83, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 9. Влажность воздуха - номер 16, страница 83.

Условие.

16. Наполните пластиковую бутылку горячей водой из-под крана, переверните её вверх дном, вылейте воду и сразу же плотно завинтите крышку бутылки (крышка должна быть от этой бутылки). Опишите и объясните наблюдаемые явления, а также проиллюстрируйте их фотографиями.

Решение.

Описание наблюдаемых явлений

После того, как из пластиковой бутылки, наполненной горячей водой, вылили воду и плотно завинтили крышку, через некоторое время можно наблюдать, как бутылка начинает деформироваться. Её стенки втягиваются внутрь, и бутылка сжимается, как будто на неё действует внешняя сила. Если пластик бутылки достаточно тонкий, она может значительно уменьшиться в объеме.

Объяснение наблюдаемых явлений

Это явление объясняется изменением давления воздуха и водяного пара внутри бутылки по мере её остывания.

1. Когда мы наливаем в бутылку горячую воду, воздух внутри неё, а также внутренние стенки бутылки, нагреваются. Кроме того, горячая вода активно испаряется, и внутреннее пространство бутылки наполняется не только горячим воздухом, но и насыщенным водяным паром.
2. В момент, когда мы выливаем воду и герметично завинчиваем крышку, давление смеси газов (воздуха и водяного пара) внутри бутылки примерно равно внешнему атмосферному давлению.
3. После того как бутылка закрыта, она начинает остывать до комнатной температуры. Это приводит к двум процессам, вызывающим падение давления внутри:
   • Охлаждение воздуха: Согласно газовому закону Шарля, при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре ($P/T = \text{const}$). При остывании воздуха его давление уменьшается.
   • Конденсация водяного пара: Этот процесс вносит основной вклад в падение давления. Горячий водяной пар при остывании конденсируется, превращаясь в капельки воды на стенках бутылки. Газ (пар) переходит в жидкое состояние, объем которого пренебрежимо мал по сравнению с объемом, который он занимал в газообразном состоянии. Это приводит к резкому уменьшению количества частиц газа внутри бутылки и, как следствие, к значительному падению давления.
4. В результате этих двух процессов давление внутри бутылки становится значительно ниже, чем атмосферное давление снаружи.
5. Возникшая разница давлений ($\Delta P = P_{атм} - P_{внутр}$) создает силу, направленную перпендикулярно стенкам бутылки внутрь. Эта сила, равная произведению разницы давлений на площадь поверхности бутылки ($F = \Delta P \cdot S$), оказывается достаточно большой, чтобы смять пластиковую бутылку.

Иллюстрация фотографиями

Для иллюстрации этого опыта потребовались бы следующие фотографии:

1. Фотография обычной, недеформированной пластиковой бутылки до начала эксперимента.
2. Фотография процесса наполнения бутылки горячей водой.
3. Фотография плотно закрытой бутылки сразу после того, как из неё вылили воду. На этом этапе она еще сохраняет свою форму.
4. Финальная фотография, показывающая смятую и деформированную бутылку через несколько минут после закрытия. На внутренних стенках могут быть видны капельки сконденсировавшейся воды.

(Поскольку я являюсь текстовой моделью, я не могу предоставить реальные фотографии.)

Ответ: Наблюдаемое явление — сжатие (деформация) пластиковой бутылки. Оно объясняется тем, что после герметичного закрытия бутылки находящиеся в ней горячий воздух и водяной пар остывают. Охлаждение воздуха и, в особенности, конденсация водяного пара приводят к значительному падению давления внутри бутылки. Внешнее атмосферное давление, которое становится намного больше внутреннего, сжимает бутылку.