Номер 3, страница 73 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 5. Агрегатные состояния вещества. Параграф 20. Строение и свойства жидкостей. Вопросы - номер 3, страница 73.

Условие.

3. Охарактеризуйте особенности теплового расширения воды.

Решение.

3. Решение

Тепловое расширение воды представляет собой уникальное физическое явление, известное как аномалия плотности воды. В отличие от подавляющего большинства веществ, которые монотонно расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, вода ведёт себя иначе в определённом диапазоне температур.

Основные особенности теплового расширения воды:

1. В диапазоне температур от $100^\circ\text{C}$ до $4^\circ\text{C}$ вода ведёт себя "нормально": при охлаждении она сжимается, её объём уменьшается, а плотность увеличивается.

2. При температуре около $4^\circ\text{C}$ (точнее, $3.98^\circ\text{C}$) вода достигает своей максимальной плотности, которая составляет примерно $1000 \text{ кг/м}^3$. В этой точке заданный объём воды имеет минимальный объём.

3. При дальнейшем охлаждении от $4^\circ\text{C}$ до $0^\circ\text{C}$ (температуры замерзания) вода проявляет аномалию: она начинает расширяться, её объём увеличивается, а плотность, соответственно, уменьшается.

4. В момент замерзания (перехода из жидкого состояния в твёрдое) при $0^\circ\text{C}$ происходит скачкообразное и значительное расширение. Объём увеличивается примерно на 9%, а плотность льда становится существенно меньше плотности воды (плотность льда около $917 \text{ кг/м}^3$). Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды.

Причиной этого аномального поведения является структура молекул воды и водородные связи между ними. В твёрдом состоянии (лёд) молекулы воды образуют упорядоченную кристаллическую решётку с большим количеством пустот, что делает её структуру "ажурной" и менее плотной. При таянии льда (нагрев от $0^\circ\text{C}$ до $4^\circ\text{C}$) эта структура начинает разрушаться, молекулы получают возможность располагаться ближе друг к другу, "заполняя" пустоты. Этот эффект преобладает над обычным тепловым расширением, поэтому объём уменьшается, а плотность растёт. Выше $4^\circ\text{C}$ разрушение остатков ледоподобной структуры в основном завершено, и главным фактором становится увеличение кинетической энергии молекул из-за нагрева. Это приводит к увеличению среднего расстояния между ними, и вода начинает расширяться, как и большинство других веществ.

Эта аномалия имеет колоссальное значение для природы. Благодаря тому, что самая холодная вода (ниже $4^\circ\text{C}$) и лёд легче, чем более тёплая вода, водоёмы зимой не промерзают до дна. Охлаждаясь, поверхностные слои воды опускаются вниз до тех пор, пока вся толща воды не достигнет температуры $4^\circ\text{C}$. Затем поверхностный слой, охлаждаясь дальше до $0^\circ\text{C}$, становится легче и остаётся на поверхности, где и замерзает. Ледяной покров служит теплоизолятором, защищая глубинные слои от дальнейшего замерзания и позволяя водным организмам выжить зимой.

Ответ: Особенность теплового расширения воды (аномалия плотности) заключается в том, что при нагревании в диапазоне от $0^\circ\text{C}$ до $4^\circ\text{C}$ вода сжимается, а не расширяется. Свою максимальную плотность и, соответственно, минимальный объём вода имеет при температуре около $4^\circ\text{C}$. При охлаждении от $4^\circ\text{C}$ до $0^\circ\text{C}$ и при замерзании вода расширяется. Это свойство обусловлено строением молекулы воды и водородными связями и играет ключевую роль в поддержании жизни в водоёмах в холодное время года.