Номер 9.13, страница 49 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 9. Домашние экспериментальные задания - номер 9.13, страница 49.

Условие.

9.13. Наберите из морозильной камеры кусочки льда в кружку. Поместите туда термометр и каждую минуту фиксируйте его показания. По результатам измерений постройте график зависимости температуры от времени при плавлении льда и последующем нагревании воды.

Решение.

Решение

Данное задание представляет собой описание физического эксперимента. Хотя реальные числовые значения будут зависеть от условий проведения опыта (массы льда, температуры в морозильной камере, температуры в комнате, материала кружки), общий ход процесса и вид графика зависимости температуры от времени будут подчиняться известным физическим законам. Опишем ожидаемый результат.

Процесс можно условно разделить на три основных этапа:

1. Нагревание льда.

Лед, извлеченный из морозильной камеры, имеет температуру ниже точки плавления, то есть ниже $\text{0}$ °C (например, $-18$ °C). При помещении в кружку, находящуюся при комнатной температуре, лед начинает поглощать тепло из окружающей среды. Это тепло идет на увеличение внутренней энергии льда, что проявляется в росте его температуры. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температура всего льда не достигнет $\text{0}$ °C.

2. Плавление льда.

При достижении температуры $\text{0}$ °C лед начинает плавиться, переходя из твердого состояния в жидкое. Важнейшая особенность этого фазового перехода заключается в том, что он происходит при постоянной температуре. Пока в кружке есть хотя бы небольшой кусочек льда, температура всей смеси льда и воды будет оставаться равной $\text{0}$ °C. Вся энергия, поступающая от окружающей среды, будет расходоваться не на нагрев, а на разрушение кристаллической решетки льда. Эта энергия называется теплотой плавления. Количество теплоты, необходимое для плавления, определяется формулой $Q = \lambda \cdot m$, где $\text{m}$ — масса льда, а $\lambda$ — удельная теплота плавления льда ($\lambda_{льда} \approx 3.3 \cdot 10^5$ Дж/кг).

3. Нагревание воды.

После того как последний кусочек льда растает, в кружке останется вода при температуре $\text{0}$ °C. Она продолжит поглощать тепло из окружающей среды, и теперь ее температура будет расти. Нагревание воды будет происходить до тех пор, пока ее температура не сравняется с температурой воздуха в комнате. В этот момент наступит тепловое равновесие, и температура перестанет изменяться.

Описание графика зависимости температуры от времени.

Если отложить по горизонтальной оси время ($\text{t}$), а по вертикальной — температуру ($\text{T}$), то график будет иметь следующий вид:

Участок I (нагревание льда): Наклонная прямая, идущая из области отрицательных температур (например, от $-18$ °C) вверх до $T = 0$ °C.

Участок II (плавление льда): Горизонтальный участок (плато) на уровне $T = 0$ °C. Его длина по оси времени зависит от массы льда и скорости теплопередачи — чем больше льда, тем дольше он будет таять.

Участок III (нагревание воды): Снова наклонная кривая, идущая вверх от $T = 0$ °C. Скорость нагрева на этом участке будет ниже, чем на первом. Это связано с тем, что удельная теплоемкость воды ($c_{воды} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$) почти в два раза больше удельной теплоемкости льда ($c_{льда} \approx 2100 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). По мере приближения температуры воды к комнатной температуре скорость нагрева будет уменьшаться, поэтому линия графика будет становиться все более пологой, асимптотически приближаясь к значению комнатной температуры.

Ответ: График зависимости температуры от времени будет состоять из трех последовательных участков: 1) наклонный участок роста температуры от начальной отрицательной до 0 °C; 2) горизонтальный участок (плато) при температуре 0 °C, соответствующий плавлению льда; 3) наклонный участок роста температуры от 0 °C до комнатной температуры, причем наклон этого участка будет меньше, чем у первого.