Номер 8, страница 15 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-7. Плавление и отвердевание - номер 8, страница 15.

Условие.

8. а) В холодильник, в котором поддерживается температура $0~^\circ\text{C}$, поместили две бутылки — одну с водой, другую с молоком. Замёрзнет ли какое-нибудь из этих веществ? Почему?

б) Одну из бутылок с водой положили на лёд при температуре $0~^\circ\text{C}$, вторую — опустили в воду при температуре $0~^\circ\text{C}$. Замёрзнет ли вода в какой-нибудь из них?

Решение.

а) Замерзание (кристаллизация) — это фазовый переход, для которого необходимо выполнение двух условий: 1) вещество должно охладиться до своей температуры замерзания; 2) от вещества должна быть отведена удельная теплота кристаллизации.

Температура замерзания чистой воды составляет $0^\circ\text{C}$. Молоко является водным раствором с примесями (жиры, белки, соли), которые понижают его температуру замерзания. Поэтому молоко замерзает при температуре немного ниже $0^\circ\text{C}$ (около $-0.5^\circ\text{C}$).

В холодильнике, где поддерживается температура $0^\circ\text{C}$, молоко охладится до $0^\circ\text{C}$, но не достигнет своей температуры замерзания. Следовательно, молоко не замёрзнет.

Вода в другой бутылке также охладится до $0^\circ\text{C}$, то есть до своей температуры замерзания. Однако для того, чтобы она превратилась в лёд, необходимо отводить от неё тепло. Поскольку температура окружающей среды (воздуха в холодильнике) равна температуре воды ($0^\circ\text{C}$), между ними устанавливается тепловое равновесие. Отсутствие разности температур означает отсутствие теплопередачи, и, следовательно, теплота кристаллизации не будет отводиться. Поэтому вода не замёрзнет.

Ответ: Нет, ни одно из веществ не замёрзнет. Молоко не замёрзнет, потому что его температура замерзания ниже $0^\circ\text{C}$ из-за наличия примесей. Вода не замёрзнет, так как для кристаллизации требуется отвод тепла, а это невозможно при отсутствии разности температур между водой и окружающей средой.

б) Для того чтобы вода в бутылке замёрзла, она должна отдать окружающей среде некоторое количество теплоты, равное произведению её массы на удельную теплоту плавления ($Q = \lambda m$). Передача теплоты возможна только при наличии разности температур.

В первом случае бутылка с водой находится на льду при температуре $0^\circ\text{C}$. Вода в бутылке охладится до $0^\circ\text{C}$ (если её начальная температура была выше), после чего её температура сравняется с температурой окружающего льда. Тепловое равновесие будет достигнуто, разность температур исчезнет, и теплообмен прекратится. Отвода теплоты кристаллизации происходить не будет, и вода не замёрзнет.

Во втором случае бутылку поместили в воду при температуре $0^\circ\text{C}$. Ситуация полностью аналогична первой. Как только вода в бутылке охладится до $0^\circ\text{C}$, её температура станет равной температуре окружающей воды. Теплообмен прекратится, и замерзание не начнётся.

Ответ: Нет, вода не замёрзнет ни в одной из бутылок. В обоих случаях температура окружающей среды ($0^\circ\text{C}$) равна температуре замерзания воды, поэтому отсутствует необходимая для отвода теплоты кристаллизации разность температур.