Номер 10.23, страница 58 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Молекулярная физика. 10. Пары, жидкости и твердые тела - номер 10.23, страница 58.

Условие.

10.23. Можно ли довести воду до кипения, не нагревая ее? Можно ли кипением довести воду до замерзания?

Решение.

Решение 2.

Можно ли довести воду до кипения, не нагревая ее?

Да, можно. Кипение — это процесс интенсивного парообразования, который начинается, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Обычно мы достигаем этого, нагревая воду: при повышении температуры давление ее насыщенного пара растет и при 100°C (при нормальном атмосферном давлении) оно сравнивается с атмосферным, и вода закипает.

Однако того же эффекта можно добиться и другим путем — уменьшая внешнее давление. Если поместить воду в герметичный сосуд (например, под колокол вакуумного насоса) и начать откачивать из него воздух, внешнее давление на поверхность воды будет падать. Когда это давление станет равным давлению насыщенного пара воды при ее текущей температуре (например, комнатной), вода закипит без всякого нагрева. Например, при температуре 20°C давление насыщенного пара воды составляет примерно 2,3 кПа. Если понизить давление над водой до этого значения, она закипит при 20°C.

Ответ: Да, можно, если понижать внешнее давление над поверхностью воды.

Можно ли кипением довести воду до замерзания?

Да, можно. Этот процесс является следствием явления, описанного в ответе на первый вопрос. Парообразование (и кипение в частности) — это эндотермический процесс, то есть он требует затрат энергии. Эту энергию называют удельной теплотой парообразования ($\text{L}$).

Когда вода кипит без подвода тепла извне (например, в условиях вакуума), энергия, необходимая для отрыва наиболее быстрых молекул от поверхности жидкости и превращения их в пар, забирается от самой оставшейся жидкости. В результате внутренняя энергия воды уменьшается, что приводит к ее охлаждению.

Если непрерывно откачивать образующийся пар, поддерживая низкое давление, кипение будет продолжаться, и вода будет все сильнее охлаждаться. Ее температура будет опускаться до тех пор, пока не достигнет точки замерзания (0°C). При дальнейшем откачивании пара вода начнет одновременно кипеть и замерзать (превращаться в лед). Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся вода не замерзнет.

Ответ: Да, можно. Интенсивное кипение при низком давлении отнимает у воды внутреннюю энергию, что приводит к ее охлаждению и последующему замерзанию.