Номер 3, страница 87, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 10. Кипение - номер 3, страница 87.

Условие.

Поставим опыт

Поставим под колокол разрежающего насоса стакан с водой. Включим насос и будем наблюдать за водой в стакане.

Через некоторое время мы увидим, что в ней появляются такие же пузырьки, как в закипающем чайнике. А ещё через некоторое время вода закипит!

Впустим снова воздух под колокол, снимем его и без страха возьмём рукой стакан — вода в нём не нагрелась, а стала холоднее!

3. Почему в описанном выше опыте вода при кипении охлаждается? Она может охладиться настолько, что превратится в лёд!

Решение.

3. Почему в описанном выше опыте вода при кипении охлаждается? Она может охладиться настолько, что превратится в лёд!

Решение

Это явление объясняется двумя ключевыми физическими принципами: зависимостью температуры кипения от давления и затратами энергии на парообразование.

1. Зависимость температуры кипения от давления. Кипение жидкости начинается тогда, когда давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. При нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100 °C. В опыте, с помощью разрежающего насоса, мы откачиваем воздух из-под колокола, тем самым понижая давление над поверхностью воды. При низком давлении вода может закипеть при гораздо более низкой температуре, например, при комнатной.

2. Охлаждение при парообразовании. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) — это процесс, который требует энергии. Эта энергия называется удельной теплотой парообразования ($\text{L}$). Она расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами жидкости. Во время кипения жидкость покидают самые быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в стакане молекул уменьшается. Поскольку температура тела является мерой средней кинетической энергии его молекул, то и температура воды понижается.

В данном эксперименте нет внешнего источника тепла (как, например, огонь под чайником), поэтому всю энергию, необходимую для кипения, вода забирает у самой себя, то есть из своей внутренней энергии. Интенсивное парообразование приводит к быстрому отбору тепла, и вода охлаждается.

Если продолжать откачивать воздух и образующийся пар, вода будет охлаждаться все сильнее и может достичь температуры 0 °C. При дальнейшем отборе тепла за счет продолжающегося парообразования вода начнет замерзать. Таким образом, при очень низком давлении можно наблюдать уникальное явление, когда вода одновременно кипит и превращается в лёд.

Ответ:

Вода при кипении в описанном опыте охлаждается, потому что процесс парообразования требует энергии (теплоты парообразования). Поскольку внешнего нагрева нет, вода забирает эту энергию из своей собственной внутренней энергии. В процессе кипения жидкость покидают наиболее "горячие" (быстрые) молекулы, из-за чего средняя энергия оставшихся молекул, а следовательно, и температура воды, понижается. При достаточно интенсивном откачивании пара вода может охладиться до температуры замерзания (0 °C) и превратиться в лёд.