Номер 6, страница 18 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-8. Испарение и конденсация. Влажность воздуха. Кипение - номер 6, страница 18.

Условие.

6. Почему водой можно погасить костёр? Кипятком или холодной водой можно погасить костёр быстрее?

Решение.

Почему водой можно погасить костёр?

Процесс горения, такой как в костре, требует наличия трех основных компонентов, известных как "треугольник огня": горючего материала (дрова), источника тепла (для достижения температуры воспламенения) и окислителя (кислорода из воздуха). Вода эффективно гасит огонь, воздействуя сразу на два из этих компонентов: тепло и кислород.

Во-первых, вода обеспечивает мощное охлаждение. Это связано с двумя её ключевыми физическими свойствами. Первое – это высокая удельная теплоемкость ($c_{воды} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \text{°C}}$), из-за которой вода поглощает значительное количество тепла, снижая температуру дров. Второе, и самое главное, – это высокая удельная теплота парообразования ($L_{воды} \approx 2.26 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$). Превращаясь в пар, вода отбирает у огня огромное количество энергии. Когда температура горючего материала опускается ниже температуры воспламенения, горение прекращается.

Во-вторых, вода обеспечивает изоляцию от кислорода. При испарении из одного литра воды образуется около 1700 литров водяного пара. Этот пар окутывает горящие предметы и вытесняет кислород из зоны горения. Без достаточного доступа кислорода огонь не может поддерживаться и гаснет.

Таким образом, вода тушит костёр за счет мощного охлаждающего эффекта и перекрытия доступа кислорода к топливу.

Ответ: Водой можно погасить костёр, потому что она эффективно отбирает тепло у горящих предметов (за счет высокой теплоемкости и теплоты парообразования), охлаждая их ниже температуры воспламенения, и образующийся при испарении водяной пар перекрывает доступ кислорода к огню.

Кипятком или холодной водой можно погасить костёр быстрее?

Для ответа на этот вопрос нужно сравнить, какое количество теплоты может поглотить одинаковая масса холодной воды и кипятка при полном испарении. Более эффективным для тушения будет то вещество, которое поглотит больше энергии от костра.

Дано:
$\text{m}$ – масса воды
$t_1 = 20 \text{°C}$ – начальная температура холодной воды (для примера)
$t_2 = 100 \text{°C}$ – начальная температура кипятка
$t_{кип} = 100 \text{°C}$ – температура кипения воды
$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \text{°C}}$ – удельная теплоемкость воды
$L = 2.26 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$ – удельная теплота парообразования воды

Найти:

Сравнить количество теплоты $Q_1$, поглощаемое холодной водой, и $Q_2$, поглощаемое кипятком.

Решение

Процесс поглощения тепла водой из костра состоит из двух этапов: нагревание воды до температуры кипения (100°C) и последующее превращение воды в пар.

1. Рассчитаем количество теплоты $Q_1$, которое поглотит масса $\text{m}$ холодной воды. Сначала она нагреется от $t_1$ до $t_{кип}$, а затем полностью испарится.
Теплота для нагрева: $Q_{нагр1} = c \cdot m \cdot (t_{кип} - t_1)$.
Теплота для парообразования: $Q_{пар} = L \cdot m$.
Общая теплота: $Q_1 = Q_{нагр1} + Q_{пар} = c \cdot m \cdot (t_{кип} - t_1) + L \cdot m = m \cdot (c(100-20) + L) = m \cdot (80c + L)$.
Подставим числовые значения:
$Q_1 = m \cdot (80 \cdot 4200 + 2.26 \cdot 10^6) = m \cdot (336000 + 2260000) = 2596000 \cdot m$ (Дж).

2. Рассчитаем количество теплоты $Q_2$, которое поглотит масса $\text{m}$ кипятка. Кипяток уже имеет температуру 100°C, поэтому он сразу начнет испаряться, и этап нагрева отсутствует.
Общая теплота: $Q_2 = L \cdot m$.
Подставим числовые значения:
$Q_2 = m \cdot 2.26 \cdot 10^6 = 2260000 \cdot m$ (Дж).

Сравнивая полученные значения ($2596000 \cdot m > 2260000 \cdot m$), видим, что $Q_1 > Q_2$. Это означает, что одинаковая масса холодной воды способна поглотить большее количество теплоты от костра, чем такая же масса кипятка. Следовательно, охлаждающий эффект у холодной воды выше.

Хотя кипяток быстрее превращается в пар и создает "паровое облако", которое вытесняет кислород, для открытого костра этот эффект менее значим, чем охлаждение. Главная задача – остудить топливо ниже температуры горения, с чем лучше справляется холодная вода, так как она забирает больше энергии.

Ответ: Костёр быстрее можно погасить холодной водой. Несмотря на то, что кипяток быстрее образует пар, перекрывающий доступ кислорода, холодная вода поглощает значительно большее количество теплоты на единицу массы, что приводит к более эффективному и быстрому охлаждению горящих материалов ниже температуры воспламенения.