Номер 9.23, страница 51 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 9. Домашние экспериментальные задания - номер 9.23, страница 51.

Условие.

9.23. Расплавьте в прозрачной баночке парафин. Опустите в расплав кусочек твердого парафина. Плавает он или тонет? Как изменяется форма поверхности парафина при его отвердевании? Объясните наблюдаемые явления.

Решение.

Плавает он или тонет?

Кусочек твердого парафина, опущенный в расплавленный (жидкий) парафин, утонет. Это происходит потому, что плотность парафина в твердом состоянии больше, чем в жидком. Тело тонет в жидкости, если его средняя плотность больше плотности жидкости ($\rho_{тела} > \rho_{жидкости}$). Для парафина это условие выполняется: $\rho_{твердого} > \rho_{жидкого}$. Плотность твердого парафина составляет примерно $900 \text{ кг/м}^3$, в то время как плотность жидкого парафина – около $800 \text{ кг/м}^3$.

Ответ: Кусочек твердого парафина утонет в расплавленном парафине.

Как изменяется форма поверхности парафина при его отвердевании?

В процессе отвердевания изначально плоская поверхность жидкого парафина станет вогнутой. В центре, где парафин застывает в последнюю очередь, образуется углубление, похожее на воронку. Это происходит потому, что парафин при переходе из жидкого состояния в твердое уменьшается в объеме. Отвердевание начинается от более холодных стенок и поверхности, и по мере застывания оставшейся жидкой массы, ее объем сокращается, что "втягивает" верхний слой внутрь.

Ответ: При отвердевании на поверхности парафина образуется вогнутая воронка (углубление).

Объясните наблюдаемые явления.

Оба наблюдаемых явления объясняются изменением физических свойств парафина при фазовом переходе из жидкого состояния в твердое (кристаллизации).
1. Затопление твердого парафина. У большинства веществ, включая парафин, плотность в твердом агрегатном состоянии выше, чем в жидком (известным исключением является вода). На кусочек твердого парафина в расплаве действуют две основные силы: направленная вниз сила тяжести $F_т = m_т \cdot g = \rho_т \cdot V_т \cdot g$ и направленная вверх выталкивающая сила Архимеда $F_А = \rho_ж \cdot g \cdot V_т$. Здесь $\rho_т$ и $\rho_ж$ – плотности твердого и жидкого парафина соответственно, а $V_т$ – объем кусочка. Поскольку $\rho_т > \rho_ж$, сила тяжести оказывается больше выталкивающей силы ($F_т > F_А$), что и заставляет кусочек тонуть.
2. Образование воронки при отвердевании. Это явление называется усадкой при кристаллизации. При переходе из жидкого состояния в твердое молекулы парафина располагаются более упорядоченно и плотно, образуя кристаллическую решетку. Межмолекулярные расстояния уменьшаются, что приводит к уменьшению общего объема вещества при сохранении его массы. Следовательно, плотность вещества увеличивается. Так как охлаждение и затвердевание происходит неравномерно (быстрее у стенок и на поверхности, медленнее в центре), в центре, который застывает в последнюю очередь, и образуется углубление из-за этого сокращения объема.

Ответ: Твердый парафин тонет, так как его плотность больше плотности жидкого парафина, из-за чего сила тяжести превышает архимедову силу. При застывании на поверхности образуется углубление из-за уменьшения объема (усадки) парафина при переходе из жидкого состояния в твердое.