Номер 9.24, страница 51 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 9. Домашние экспериментальные задания - номер 9.24, страница 51.

Условие.

9.24. Приготовьте охладительную смесь, смешивая одну весовую часть поваренной соли с тремя частями снега. Измерьте ее температуру. Заморозьте воду в пробирке с помощью охладительной смеси. Объясните полученный результат.

Решение.

Приготовление охладительной смеси и измерение ее температуры

При смешивании одной весовой части поваренной соли ($NaCl$) с тремя частями снега (твердая $H_2O$) происходит интенсивный процесс, приводящий к сильному понижению температуры. Снег, как правило, имеет температуру около $0 \thinspace^\circ\text{C}$ ($273.15 \thinspace\text{К}$). При контакте с солью на поверхности снежинок образуется тонкий слой жидкой воды, в котором соль начинает растворяться. Образовавшийся солевой раствор имеет температуру замерзания ниже $0 \thinspace^\circ\text{C}$. Это заставляет окружающий снег таять. Процесс таяния (плавления) является эндотермическим, то есть он требует поглощения тепла из окружающей среды. Энергия ($Q = \lambda \cdot m$) забирается из самой смеси, что и приводит к резкому падению ее температуры. При измерении термометром температура смеси может достигать $-18 \thinspace^\circ\text{C}$...$-21 \thinspace^\circ\text{C}$.

Ответ: Температура приготовленной смеси опустится значительно ниже нуля, примерно до $-20 \thinspace^\circ\text{C}$.

Замораживание воды в пробирке с помощью охладительной смеси

Помещенная в эту холодную смесь пробирка с водой начнет отдавать свое тепло. Так как температура смеси (например, $-20 \thinspace^\circ\text{C}$) намного ниже температуры замерзания чистой воды ($0 \thinspace^\circ\text{C}$), тепловой поток будет направлен от воды к смеси. Вода в пробирке сначала охладится до $0 \thinspace^\circ\text{C}$, а затем, продолжая отдавать тепло (теплоту кристаллизации), замерзнет, превратившись в лед.

Ответ: Вода в пробирке замерзнет, так как охладительная смесь эффективно отбирает у нее тепло.

Объяснение полученного результата

Наблюдаемый эффект основан на двух ключевых физических явлениях:

1. Понижение температуры замерзания (криоскопический эффект). Чистая вода замерзает при $0 \thinspace^\circ\text{C}$. Растворение в ней поваренной соли ($NaCl$) понижает ее температуру замерзания. Ионы $Na^+$ и $Cl^-$ встраиваются между молекулами воды и мешают им образовывать упорядоченную структуру кристаллической решетки льда.

2. Эндотермический процесс плавления. Переход вещества из твердого состояния в жидкое (плавление) всегда требует затрат энергии. Эту энергию, называемую теплотой плавления, лед (снег) забирает из своего же окружения.

Когда соль контактирует со снегом, она провоцирует его таяние, создавая солевой раствор с низкой температурой замерзания. Чтобы таять, снег должен поглощать тепло. Поскольку внешнего источника тепла нет, он забирает его из самой смеси (из воды, соли и оставшегося снега). Этот непрерывный отбор тепла и вызывает сильное охлаждение всей системы до новой, более низкой температуры равновесия. Для системы вода–соль ($H_2O - NaCl$) эта температура (эвтектическая точка) составляет $-21.1 \thinspace^\circ\text{C}$. Именно эта низкая температура и позволяет использовать смесь для замораживания воды в пробирке.

Ответ: Результат объясняется тем, что для таяния снега в присутствии соли требуется энергия, которая поглощается из самой смеси, вызывая ее сильное охлаждение до температуры, значительно более низкой, чем точка замерзания чистой воды.