Номер 4, страница 73 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 5. Агрегатные состояния вещества. Параграф 20. Строение и свойства жидкостей. Вопросы - номер 4, страница 73.

Условие.

4. Почему зимой вода в водоёмах не промерзает до дна?

Решение.

3. Тепловое расширение воды обладает уникальной особенностью, называемой аномалией плотности воды. В отличие от большинства веществ, которые при охлаждении монотонно сжимаются, вода ведёт себя иначе.

При охлаждении от температуры кипения ($100^\circ \text{C}$) до $4^\circ \text{C}$ объём воды уменьшается, а плотность, соответственно, увеличивается. Это обычное поведение для жидкостей.

Однако в диапазоне температур от $4^\circ \text{C}$ до $0^\circ \text{C}$ (температуры замерзания) вода при охлаждении начинает расширяться, а её плотность — уменьшаться. Максимальную плотность (около $1000 \, \text{кг/м}^3$) вода имеет при температуре $4^\circ \text{C}$.

При переходе в твёрдое состояние (лёд) при $0^\circ \text{C}$ объём воды резко увеличивается примерно на 9%. Из-за этого плотность льда (около $917 \, \text{кг/м}^3$) оказывается меньше плотности жидкой воды, поэтому лёд плавает на её поверхности. Эта аномалия объясняется строением молекул воды и водородными связями, которые при замерзании образуют кристаллическую решётку с большим объёмом пустот, чем в жидком состоянии.

Ответ: Особенность теплового расширения воды заключается в том, что при охлаждении от $4^\circ \text{C}$ до $0^\circ \text{C}$ она расширяется, а не сжимается. Максимальную плотность вода имеет при температуре $4^\circ \text{C}$. При замерзании вода также расширяется, поэтому лёд легче воды.

4. Вода в водоёмах зимой не промерзает до дна благодаря аномальной зависимости её плотности от температуры. Этот процесс можно описать по этапам:

1. С наступлением холодов верхний слой воды в водоёме охлаждается. Становясь плотнее, он опускается вниз, а на его место поднимается более тёплая вода со дна. Этот процесс перемешивания (конвекции) продолжается до тех пор, пока вся вода в водоёме не достигнет температуры $4^\circ \text{C}$, при которой её плотность максимальна.

2. Когда температура воздуха продолжает падать, поверхностный слой воды охлаждается ниже $4^\circ \text{C}$. Из-за аномалии воды, её плотность при этом начинает уменьшаться. Эта более холодная, но менее плотная вода остаётся на поверхности и больше не опускается на дно. Конвекция прекращается.

3. Поверхностный слой продолжает охлаждаться до $0^\circ \text{C}$ и замерзает, образуя корку льда.

4. Лёд имеет плотность меньше, чем у воды, поэтому он остаётся на поверхности. Кроме того, лёд является плохим проводником тепла. Образовавшийся ледяной покров служит теплоизолятором, который защищает более глубокие слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания.

В результате на дне водоёма сохраняется положительная температура (около $4^\circ \text{C}$), что создаёт условия для выживания рыб и других водных организмов в зимний период.

Ответ: Зимой вода в водоёмах не промерзает до дна из-за аномалии плотности воды. Самая плотная вода ($4^\circ \text{C}$) опускается на дно, а более холодная и лёгкая вода (от $4^\circ \text{C}$ до $0^\circ \text{C}$) остаётся на поверхности, где замерзает. Образовавшийся слой льда является теплоизолятором и защищает нижние слои воды от замерзания.