Номер 5, страница 18 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-8. Испарение и конденсация. Влажность воздуха. Кипение - номер 5, страница 18.

Условие.

5. a) Летом в открытых водоёмах температура воды почти всегда ниже температуры окружающего воздуха. Объясните причину этого явления.

б) Почему вода в закрытой кастрюле нагревается быстрее, чем в открытой?

Решение.

а) Температура воды в открытых водоёмах летом практически всегда ниже температуры воздуха по двум основным физическим причинам.
Во-первых, вода обладает очень высокой удельной теплоёмкостью ($c \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). Это означает, что для нагрева определённого объёма воды на один градус требуется значительно большее количество энергии, чем для нагрева такого же объёма воздуха. Поэтому под действием одинакового солнечного излучения воздух нагревается гораздо быстрее и сильнее, чем массивный объём воды в водоёме.
Во-вторых, с открытой поверхности воды непрерывно происходит процесс испарения. Испарение — это фазовый переход жидкости в пар, который требует значительных затрат энергии (так называемой скрытой теплоты парообразования). Эту энергию вода забирает из своего поверхностного слоя, что приводит к его постоянному охлаждению. Наиболее быстрые ("горячие") молекулы покидают поверхность воды, а средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается, что и воспринимается как понижение температуры. Этот охлаждающий эффект противодействует нагреву от солнца, удерживая температуру воды на более низком уровне по сравнению с воздухом.
Ответ: Температура воды ниже температуры воздуха из-за её высокой удельной теплоёмкости (вода медленно нагревается и накапливает тепло) и, что более важно, из-за постоянного охлаждения поверхности в результате процесса испарения.

б) Вода в кастрюле, закрытой крышкой, нагревается быстрее, чем в открытой, из-за существенного уменьшения потерь тепловой энергии.
При нагревании воды в открытой кастрюле происходит интенсивное испарение с её поверхности. Этот процесс, как описано выше, отнимает у воды большое количество энергии. Значительная часть тепла, подводимого от плиты, расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул воды (то есть на повышение температуры), а на их отрыв от поверхности и превращение в пар, который уносится в окружающее пространство.
Когда кастрюля накрыта крышкой, выход пара наружу затрудняется. В пространстве под крышкой быстро образуется насыщенный пар. Это приводит к установлению динамического равновесия: количество молекул, покидающих воду в единицу времени (испарение), становится равным количеству молекул, возвращающихся из пара обратно в воду (конденсация). Процесс конденсации сопровождается выделением энергии, которую пар отдает обратно воде. Таким образом, крышка практически полностью предотвращает потери тепла на испарение.
Кроме того, крышка уменьшает теплообмен с окружающим воздухом за счёт конвекции, не позволяя нагретому воздуху и пару над водой уходить и заменяться более холодным комнатным воздухом.
Ответ: Вода в закрытой кастрюле нагревается быстрее, поскольку крышка препятствует потере энергии за счёт испарения и конвекции, в результате чего почти вся подводимая теплота идет на повышение температуры воды.