Экспериментальные задания, страница 54 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Проведем небольшой эксперимент (рис. 13.1). Поставим на плиту сосуд с водой и начнем нагревать. Мы увидим, что через некоторое время на дне и стенках посуды начинают появляться маленькие пузырьки, образованные растворенным в воде воздухом, в котором присутствует водяной пар. При нагревании воды с ростом температуры давление насыщенных паров воды внутри пузырьков увеличивается и они растут. С увеличением объема пузырьков увеличивается и действующая на них сила Архимеда. Когда объем пузырька станет достаточно большим, под действием выталкивающей силы он отрывается от дна и поднимается вверх. Если вода еще не прогрелась достаточно по всему объему и температура ее верхних слоев ниже, чем у дна сосуда, то внутри пузырька часть пара конденсируется. Пузырьки уменьшаются в размере и опускаются вниз, где снова увеличиваются и поднимаются вверх. При этом издается знакомый нам шум закипающей воды. С увеличением температуры давление насыщенного пара внутри пузырьков увеличивается, и когда она превысит внешнее давление, пузырьки лопаются. Когда вода хорошо прогреется по всему объему, температура верхних и нижних слоев воды сравняется. При этом пузырьки, поднимаясь вверх, еще больше увеличиваются в объеме, лопаются по всему объему воды и выбрасывают наружу пар. Вода сильно бурлит, клокочет, она закипела.

Рис. 13.1

Решение

Текст на изображении описывает физический процесс кипения воды, который можно разбить на несколько последовательных стадий.

1. Начальная стадия и образование пузырьков. При нагревании воды в сосуде, на его дне и стенках начинают появляться маленькие пузырьки. Эти пузырьки образуются из воздуха, который всегда растворен в воде. Внутри этих воздушных пузырьков также находится водяной пар, так как вода испаряется с их внутренней поверхности. С повышением температуры воды испарение внутрь пузырьков усиливается. В результате давление насыщенного пара внутри пузырьков растет, что заставляет их увеличиваться в объеме.

2. Рост пузырьков и шум перед кипением. На каждый пузырек, находящийся в жидкости, действует выталкивающая сила Архимеда, которая направлена вверх. Величина этой силы прямо пропорциональна объему пузырька: $F_A = \rho_{ж} g V_{п}$, где $\rho_{ж}$ – плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, а $V_{п}$ – объем пузырька. Когда пузырек на дне сосуда вырастает до определенного размера, сила Архимеда становится достаточной, чтобы оторвать его от поверхности дна, и пузырек начинает подниматься. Однако на начальных этапах нагрева вода прогревается неравномерно: у дна она горячее, чем в верхних слоях. Попадая в более холодные верхние слои, пузырек охлаждается. Часть водяного пара внутри него конденсируется, превращаясь обратно в воду. Из-за этого объем пузырька резко уменьшается, и он опускается вниз, к горячему дну, где снова начинает расти. Этот процесс подъема и «схлопывания» множества пузырьков и создает характерный шум, который мы слышим перед тем, как вода закипит.

3. Кипение. По мере дальнейшего нагрева температура всей массы воды выравнивается и повышается. Давление насыщенного пара $p_{нп}$ внутри пузырьков продолжает расти. Кипение начинается в тот момент, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным или немного превышает внешнее давление $p_{внеш}$ (как правило, это атмосферное давление). Математически условие кипения можно записать как $p_{нп} \ge p_{внеш}$. Теперь, поднимаясь вверх, пузырьки уже не схлопываются, так как окружающая вода достаточно горячая. Напротив, по мере подъема внешнее давление на них (создаваемое столбом воды) уменьшается, и они еще больше расширяются. Достигнув поверхности, пузырьки лопаются, выбрасывая наружу накопившийся в них пар. Этот процесс бурного образования и подъема паровых пузырей по всему объему жидкости и есть кипение. Вода при этом сильно бурлит и клокочет.

Ответ: В тексте описывается процесс кипения воды. Он начинается с образования на дне и стенках сосуда пузырьков растворенного воздуха, которые по мере нагрева наполняются водяным паром и растут. Шум перед кипением возникает из-за того, что пузырьки, поднимаясь в еще холодные верхние слои, сжимаются (конденсируются) и опускаются. Собственно кипение — это интенсивный процесс парообразования по всему объему жидкости, который происходит, когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению; при этом пузырьки пара поднимаются на поверхность и лопаются.