Номер 6.48, страница 33 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 6. Плавление и кристаллизация - номер 6.48, страница 33.

Условие.

6.48. Если заполнить чугунный шар водой, плотно закупорить и вынести на мороз, то замерзающая вода разорвет чугун. Откуда берется энергия, необходимая для разрушения чугуна? Ведь вода на морозе не получает, а отдает энергию!

Решение.

Действительно, при замерзании вода отдает энергию в окружающую среду в виде теплоты (удельная теплота кристаллизации). Однако, парадокс является кажущимся. Источником энергии, необходимой для разрушения чугунного шара, служит внутренняя энергия самой воды.

Рассмотрим процесс подробнее:

1. Вода обладает уникальным свойством, известным как аномалия плотности. При переходе из жидкого состояния в твердое (при замерзании) вода расширяется, то есть ее объем увеличивается примерно на 9%. В замкнутом объеме, каким является закупоренный чугунный шар, это расширение создает колоссальное давление на внутренние стенки.

2. Процесс кристаллизации (превращения воды в лед) — это фазовый переход, при котором молекулы воды перестраиваются из хаотичного жидкого состояния в упорядоченную кристаллическую решетку. Потенциальная энергия взаимодействия молекул в кристаллической решетке льда ниже, чем в жидкой воде. Следовательно, при замерзании происходит уменьшение внутренней энергии системы.

3. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) идет на совершение работы ($\text{A}$) и выделение теплоты ($\text{Q}$): $\Delta U = -Q - A$ (здесь $\text{Q}$ и $\text{A}$ – положительные величины, так как теплота отдается системой, и работа совершается системой).

Таким образом, уменьшающаяся внутренняя энергия воды при кристаллизации преобразуется в две формы:

• Большая часть выделяется в виде теплоты, которая отводится в холодную окружающую среду.
• Меньшая часть совершает механическую работу по расширению льда против сил давления стенок чугунного шара. Именно эта работа и приводит к разрушению металла.

Ответ: Энергия, необходимая для разрушения чугуна, берется из внутренней энергии воды. При переходе из жидкого состояния в твердое внутренняя энергия воды уменьшается, и часть этой высвобожденной энергии преобразуется в механическую работу по расширению, которая и разрывает шар.