Номер 3.16, страница 16 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 3. Домашние экспериментальные задания - номер 3.16, страница 16.

Условие.

3.16. Изготовьте из плотной бумаги коробку, налейте в нее воду и осторожно подвесьте коробку над пламенем горелки. Удалось ли довести до кипения воду в бумажной посуде? Объясните результат опыта. (Будьте осторожны! Если вода закипела, погасите горелку!)

Решение.

Да, воду в бумажной посуде можно довести до кипения, и бумажная коробка при этом не сгорит.

Это явление объясняется законами теплопередачи и свойствами воды и бумаги. Основные причины, по которым это возможно, следующие:

1. Разница температур. Температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет $T_{\text{кип}} = 100^\circ\text{C}$. Температура же самовоспламенения бумаги значительно выше и составляет примерно $T_{\text{воспл}} \approx 233^\circ\text{C}$.

2. Высокая теплоемкость и теплопроводность воды. Когда пламя горелки нагревает дно бумажной коробки, тепло быстро передается воде. Вода обладает очень высокой удельной теплоемкостью ($c \approx 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{К}}$), что означает, что она способна поглотить большое количество тепловой энергии, прежде чем ее температура значительно повысится. Благодаря этому вода эффективно "забирает" тепло у бумаги, охлаждая ее.

3. Процесс кипения. По мере нагревания температура воды поднимается до $100^\circ\text{C}$. После достижения этой точки вся подводимая от горелки энергия идет не на дальнейшее повышение температуры, а на процесс парообразования (кипение). Пока в коробке есть вода, температура системы "бумага-вода" не поднимется выше $100^\circ\text{C}$.

Таким образом, пока вся вода не выкипит, бумажное дно коробки, находящееся в контакте с водой, не сможет нагреться до температуры своего воспламенения. Оно будет постоянно охлаждаться водой, температура которой ограничена точкой кипения. Поэтому вода закипает, а бумага остается целой.

Ответ: Да, воду в бумажной посуде удалось довести до кипения. Это возможно потому, что температура кипения воды ($100^\circ\text{C}$) ниже температуры воспламенения бумаги (около $233^\circ\text{C}$). Вода, обладая высокой теплоемкостью, эффективно отводит тепло от бумаги, не давая ей нагреться до температуры горения, и вся подводимая энергия расходуется на нагрев и кипение самой воды.