Номер 3, страница 123, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Задания для проектно-исследовательской деятельности - номер 3, страница 123.

Условие.

3. Может ли температура смеси воды с тающим льдом быть ниже $0 \degree C$?

Цель: убедиться, что при растворении поваренной соли в смеси воды со льдом её температура становится ниже $0 \degree C$.

Приготовьте лёд в морозильной камере холодильника. Переложите лёд в металлическую кастрюлю и подождите, пока он начнёт таять, то есть пока температура содержимого кастрюли станет равной $0 \degree C$. Теперь положите под кастрюлю смоченную водой газету, сложенную в 8 или 16 слоёв.

Насыпьте в кастрюлю две столовые ложки крупной поваренной соли (рис. 4).

Рис. 4

Тщательно перемешайте смесь воды, льда и соли, закройте кастрюлю крышкой и укройте со всех сторон пледом, одеялом или махровым полотенцем.

Примерно через 10 минут снимите покрывало. Вы увидите, что нижняя часть кастрюли покрылась инеем, который представляет собой кристаллики льда. Следовательно, температура содержимого кастрюли стала ниже $0 \degree C$!

Приподнимите кастрюлю: вы увидите, что вместе с ней поднимается и подложенная под неё газета: она примёрзла к кастрюле (рис. 5)!

Рис. 5

Итак, мы убедились на опыте в том, что при растворении соли в воде её температура понижается. Это явление было известно давно и использовалось, например, для приготовления и хранения мороженого до изобретения холодильников.

Решение.

Может ли температура смеси воды с тающим льдом быть ниже 0 °С?

Да, температура смеси воды с тающим льдом может быть ниже $0~^\circ\text{С}$. Это происходит, если в смесь добавить вещество, которое понижает температуру замерзания воды, например, обычную поваренную соль ($NaCl$). Явление, которое демонстрируется в опыте, основано на физико-химических свойствах растворов.

Физическое объяснение этого процесса следующее:

Смесь чистого льда и воды при нормальном атмосферном давлении находится в состоянии термодинамического равновесия при температуре $0~^\circ\text{С}$. При этой температуре лед тает с той же скоростью, с какой вода кристаллизуется (замерзает).

Когда в воду добавляется соль, она растворяется и диссоциирует на ионы ($Na^+$ и $Cl^−$). Присутствие этих ионов в воде мешает молекулам воды выстраиваться в упорядоченную кристаллическую решетку льда. Вследствие этого температура замерзания солевого раствора становится ниже $0~^\circ\text{С}$. Чем выше концентрация соли, тем ниже температура замерзания раствора.

Лед, находящийся в смеси, все еще имеет температуру около $0~^\circ\text{С}$. Поскольку температура замерзания окружающей его соленой воды стала отрицательной, лед оказывается в условиях, когда он должен таять. Процесс таяния резко интенсифицируется.

Плавление (таяние) льда — это эндотермический процесс. Это означает, что для перехода из твердого состояния в жидкое лед должен поглощать энергию (теплоту) из окружающей среды. Эту энергию, называемую удельной теплотой плавления, лед забирает у самой смеси — у воды и растворенной в ней соли.

Интенсивное поглощение теплоты в процессе таяния приводит к быстрому и значительному понижению температуры всей смеси. Температура будет падать до тех пор, пока не достигнет новой точки равновесия (температуры замерзания раствора при данной концентрации) или пока весь лед не растает.

В эксперименте, описанном в тексте, это явление наглядно подтверждается. Образование инея на внешней стороне кастрюли (замерзание водяного пара из воздуха) и примерзание к ней мокрой газеты (замерзание воды в газете) являются прямыми доказательствами того, что температура смеси стала отрицательной.

Ответ: Да, может. При растворении поваренной соли в смеси воды и тающего льда температура смеси становится ниже $0~^\circ\text{С}$ из-за того, что таяние льда, ускоренное добавлением соли, является эндотермическим процессом, который требует поглощения большого количества теплоты из самой смеси.