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

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 10. Кипение - номер 1, страница 83.

Условие.

1. Прочитайте следующий текст и выполните задания к нему.

Напомним, что испарением называют парообразование, происходящее с поверхности жидкости при любой температуре: например, дождя лужи высыхают через некоторое время после того, как дождь закончился.

А что же представляет собой кипение? Напомним, что вода кипит не при любой, а при определённой температуре: например, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °С.

Будем внимательно наблюдать за водой в кастрюле, по ставленной на включённую плиту. При нагревании вода начнёт испаряться сильнее: это заметно по облачкам, образующимся над поверхностью воды. Напомним, что эти облачка — не водяной пар, потому что он так же невидим, как и окружающий нас воздух. Видимые облачка — это туман, образовавшийся вследствие конденсации водяного пара.

Рис. 10.1

Через некоторое время у дна кастрюли и у её стенок начинают появляться пузырьки: (в правой нижней части рисунка 10.1 в увеличенном виде показано, как пузырьки отрываются от дна).

Эти пузырьки наполнены в основном воздухом. Дело в том, что в воде всегда растворен воздух, которым дышат рыбы с помощью жабр. При нагревании воды растворимость воздуха в ней начинает выделяться в виде пузырьков.

Внутрь этих пузырьков начинает испаряться вода, поэтому довольно скоро содержание пузырьков будет представлять собой насыщенный водяной пар.

Можно заметить, что пузырьки отрываются от дна и стенок кастрюли и начинают всплывать.

Однако добраться до поверхности воды этим пузырькам ещё не удаётся: если вы проследите за их движением, то заметите, что при всплывании пузырьки уменьшаются и исчезают. Почему же это происходит?

Дело в том, что вода в кастрюле нагревается от горячего дна снизу, поэтому при всплывании пузырьки попадают в менее нагретые слои воды. А при понижении температуры давление насыщенного пара, как мы уже знаем, быстро уменьшается. Поэтому содержание насыщенный водяной пар пузырьки схлопываются, не достигая поверхности воды.

Чем выше температура воды, тем больше пузырьков насыщенного пара образуется у горячего дна кастрюли.

Когда вода будет уже близка к закипанию, пузырьков образуется много и все они дружно схлопываются при всплывании, попадая в более холодные слои воды. Этим и объясняется характерный шум, возникающий при нагревании воды, когда она становится достаточно горячей.

Рис. 10.2

Наконец вся вода в сосуде во всём объёме нагревается до температуры, при которой давление насыщенного пара становится равным давлению воздуха на поверхность воды. И тогда пузырьки пара уже не будут схлопываться в воде, а станут вырываться на её поверхность и лопаться уже в воздухе.

Этот процесс и есть кипение. Можно заметить, что перед самым закипанием воды шум, обусловленный схлопыванием пузырьков, исчезает.

Кипение воды удобнее наблюдать в прозрачном сосуде (рис. 10.2).

Таким образом,

кипение жидкости происходит при температуре, при которой давление насыщенного пара данной жидкости равно внешнему давлению.

a) Являются ли видимые облачка над поверхностью нагреваемой воды водяным паром?

b) Почему при нагревании воды появляются пузырьки? Чем они наполнены?

в) Почему оторвавшиеся от дна и стенок сосуда пузырьки всплывают?

г) Почему всплывающие до начала кипения пузырьки не достигают поверхности воды?

д) Чем обусловлен шум, возникающий при нагревании воды? Почему перед закипанием воды этот шум исчезает?

е) Увеличится ли температура воды в кипящей кастрюле, стоящей на газовой плите, если увеличить огонь под ней? Если нет, то к чему приведёт увеличение огня?

ж) Изобразите примерный вид графика зависимости температуры содержимого сосуда с водой от переданного ему количества теплоты. Примите, что начальная температура воды 20 °С, вода нагревается до температуры кипения и, когда вся вода выкипает, подвод тепла прекращается.

Решение.

а) Являются ли видимые облачка над поверхностью нагреваемой воды водяным паром?

Нет, видимые облачка над поверхностью нагреваемой воды не являются водяным паром. Водяной пар — это вода в газообразном состоянии, и он невидим, как и воздух. Видимые облачка представляют собой туман — скопление мельчайших капелек жидкой воды, которые образуются в результате конденсации невидимого водяного пара при его соприкосновении с более холодным воздухом над поверхностью воды.

Ответ: Нет, это не водяной пар, а туман, состоящий из сконденсировавшихся капелек воды.

б) Почему при нагревании воды у дна и стенок сосуда появляются пузырьки? Чем они наполнены?

При нагревании воды у дна и стенок сосуда появляются пузырьки, потому что в воде всегда растворен воздух. С повышением температуры растворимость газов в воде уменьшается, и «избыточный» воздух начинает выделяться в виде пузырьков. Внутрь этих воздушных пузырьков также начинает испаряться вода, поэтому со временем они наполняются смесью воздуха и насыщенного водяного пара.

Ответ: Пузырьки появляются из-за уменьшения растворимости воздуха в воде при нагревании. Изначально они наполнены воздухом, а затем — смесью воздуха и насыщенного водяного пара.

в) Почему оторвавшиеся от дна и стенок сосуда пузырьки всплывают?

Оторвавшиеся от дна и стенок сосуда пузырьки всплывают, потому что их содержимое (воздух и водяной пар) имеет гораздо меньшую плотность, чем окружающая их вода. Согласно закону Архимеда, на пузырёк действует выталкивающая сила, которая превышает силу тяжести, действующую на пузырёк. Эта результирующая сила направлена вверх и заставляет пузырёк подниматься к поверхности.

Ответ: Пузырьки всплывают из-за действия выталкивающей силы (силы Архимеда), так как их плотность значительно меньше плотности воды.

г) Почему всплывающие до начала кипения пузырьки не достигают поверхности воды?

До начала кипения вода прогревается неравномерно: у дна она горячее, а верхние слои — холоднее. Всплывая, пузырёк с насыщенным паром попадает в более холодные слои воды. При понижении температуры давление насыщенного пара внутри пузырька резко падает. Внешнее давление воды становится значительно больше внутреннего, и пузырёк схлопывается (пар в нём конденсируется), не успев достигнуть поверхности.

Ответ: Пузырьки попадают в более холодные верхние слои воды, пар внутри них конденсируется, давление падает, и внешнее давление воды их разрушает (схлопывает).

д) Чем обусловлен шум, возникающий при нагревании воды? Почему перед закипанием воды этот шум исчезает?

Шум, возникающий при нагревании воды, обусловлен массовым образованием и последующим схлопыванием (имплозией) пузырьков пара. Когда множество пузырьков одновременно разрушается в более холодных слоях воды, это создает характерный шум. Перед самым закипанием шум исчезает, потому что вся толща воды прогревается до температуры кипения. В этих условиях пузырьки пара перестают схлопываться, так как давление пара внутри них становится достаточным, чтобы противостоять давлению окружающих слоев воды. Они начинают расти и беспрепятственно достигают поверхности.

Ответ: Шум вызван схлопыванием пузырьков пара в холодных слоях воды. Он исчезает, когда вся вода прогревается до температуры кипения и пузырьки перестают схлопываться, достигая поверхности.

е) Увеличится ли температура воды в кипящей кастрюле, стоящей на газовой плите, если увеличить огонь под ней? Если нет, то к чему приведёт увеличение огня?

Нет, температура воды в кипящей кастрюле не увеличится, если увеличить огонь. Процесс кипения при постоянном внешнем давлении (например, атмосферном) происходит при строго определенной температуре, называемой температурой кипения (для воды это $100^\circ \text{C}$). Вся дополнительная энергия, получаемая от усиленного огня, пойдет не на дальнейшее нагревание воды, а на превращение большего количества воды в пар за единицу времени. То есть, кипение станет более интенсивным.

Ответ: Температура не увеличится. Увеличение огня приведёт к более интенсивному парообразованию (более бурному кипению).

ж) Изобразите примерный вид графика зависимости температуры содержимого сосуда с водой от переданного ему количества теплоты. Примите, что начальная температура воды 20 °C, вода нагревается до температуры кипения и, когда вся вода выкипает, подвод тепла прекращается.

Дано:

Начальная температура воды: $t_0 = 20^\circ \text{C}$

Температура кипения воды: $t_{кип} = 100^\circ \text{C}$

Найти:

Примерный вид графика зависимости температуры $\text{T}$ от количества теплоты $\text{Q}$, то есть $T(Q)$.

Решение:

График зависимости температуры воды от полученного количества теплоты будет состоять из двух участков. По оси ординат откладывается температура $\text{T}$ в $^\circ \text{C}$, а по оси абсцисс — количество переданной теплоты $\text{Q}$ в Джоулях.

1. Участок нагревания. Сначала вода нагревается от начальной температуры $t_0 = 20^\circ \text{C}$ до температуры кипения $t_{кип} = 100^\circ \text{C}$. Количество теплоты $Q_1$, необходимое для этого, рассчитывается по формуле: $Q_1 = c \cdot m \cdot (t_{кип} - t_0)$, где $\text{c}$ — удельная теплоемкость воды, $\text{m}$ — масса воды. На этом участке температура линейно зависит от количества теплоты. Графически это будет наклонный прямолинейный отрезок, начинающийся в точке с координатами $(Q=0; T=20^\circ \text{C})$ и заканчивающийся в точке $(Q=Q_1; T=100^\circ \text{C})$.

2. Участок кипения. После достижения температуры кипения вся подводимая теплота идет на процесс парообразования, а температура воды остается постоянной ($100^\circ \text{C}$) до тех пор, пока вся вода не выкипит. Количество теплоты $Q_2$, необходимое для полного испарения воды, рассчитывается по формуле: $Q_2 = L \cdot m$, где $\text{L}$ — удельная теплота парообразования воды. Графически это будет горизонтальный прямолинейный отрезок на уровне $T=100^\circ \text{C}$, начинающийся в точке $(Q=Q_1; T=100^\circ \text{C})$ и заканчивающийся в точке $(Q=Q_1 + Q_2; T=100^\circ \text{C})$.

Таким образом, график представляет собой ломаную линию из двух отрезков: сначала наклонный отрезок, показывающий рост температуры, а затем горизонтальный отрезок, показывающий процесс кипения при постоянной температуре.

Ответ: График состоит из двух частей: наклонной прямой, идущей от точки $(0; 20^\circ \text{C})$ до точки $(Q_1; 100^\circ \text{C})$, и горизонтальной прямой, идущей от точки $(Q_1; 100^\circ \text{C})$ до точки $(Q_1 + Q_2; 100^\circ \text{C})$, где $Q_1$ — теплота для нагрева, а $Q_2$ — теплота для кипения всей воды.