Номер 2, страница 122, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Задания для проектно-исследовательской деятельности - номер 2, страница 122.

Условие.

2. Зависит ли форма льда от условий замерзания воды?

Цель: научиться изменять форму льда, образовавшегося при замерзании воды в сосуде.

Приготовьте две ненужные ёмкости, например жестяные бан-ки из-под консервов. Наполните их водой, оставив примерно 5 мм до верхнего края.

Первую ёмкость поставьте в морозильную камеру холодильника непосредственно на полку. Результат замораживания воды в этом случае представлен на фотографии (рис. 2).

Рис. 2

Для второй ёмкости изготовьте теплоизолирующую подставку (можно взять, например, поролон, пенопласт или толстый ломоть чёрствого хлеба). Сделайте в подставке круглое углубление в по-ловину её толщины, в которое банка входит без зазора. Поставьте посуду с водой на подставке в морозильную камеру холодиль-ника. Результат замораживания воды в этом случае будет другим (рис. 3).

Рис. 3

Различия в форме образовавшегося льда обусловлены тем, что плотность льда меньше плотности воды, а также тем, что тепло-изоляция замедляла кристаллизацию воды.

Решение.

Да, форма льда, образующегося при замерзании воды в сосуде, напрямую зависит от условий этого замерзания. Ключевым фактором является направление отвода тепла, которое определяет, с какой стороны начинается процесс кристаллизации.

Это явление объясняется уникальным свойством воды: при переходе из жидкого состояния в твёрдое (лёд) её объём увеличивается примерно на 9%, так как плотность льда ($$\rho_{льда} \approx 917 \text{ кг/м}^3$$) меньше плотности воды ($$\rho_{воды} \approx 1000 \text{ кг/м}^3$$). Характер этого расширения и формирует итоговый рельеф поверхности льда.

Эксперимент, описанный в задаче, наглядно иллюстрирует эту зависимость.

Случай 1: Замерзание банки без теплоизоляции (рис. 2)

В этом случае банка с водой ставится непосредственно на холодную полку морозильной камеры. Охлаждение и, следовательно, отвод тепла происходят преимущественно через дно и стенки банки. Вода начинает замерзать от стенок и дна по направлению к центру и вверх. По мере замерзания образуется ледяная «чаша». Последняя порция воды, оставшаяся в центре у поверхности, при замерзании расширяется. Поскольку она зажата уже образовавшимся льдом снизу и с боков, единственное свободное направление для расширения — вверх. Это приводит к образованию ледяного бугорка на поверхности.

Случай 2: Замерзание банки на теплоизолирующей подставке (рис. 3)

Когда банка помещается на теплоизолирующую подставку, отвод тепла через дно значительно снижается. Основное охлаждение происходит через верхнюю открытую поверхность воды, контактирующую с холодным воздухом. Кристаллизация начинается сверху, образуя на поверхности плоский слой льда, который затем нарастает вглубь, ко дну. При замерзании каждого последующего слоя расширение происходит вниз и в стороны, оказывая давление на оставшуюся воду и стенки/дно банки. В результате поверхность льда остаётся плоской (или даже может стать слегка вогнутой), а избыточное давление может деформировать дно банки, выгнув его наружу.

Таким образом, меняя условия теплообмена (используя теплоизоляцию), мы меняем направление замерзания воды, что напрямую влияет на форму поверхности образовавшегося льда.

Ответ: Да, форма льда зависит от условий замерзания воды. Основным фактором является направление отвода тепла, которое определяет, где начнется и где закончится процесс кристаллизации, что в сочетании с расширением воды при замерзании приводит к формированию различной формы ледяной поверхности.