Экспериментальные задания, страница 56 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Кипение воды при низком давлении.

Зальем в банку, примерно до половины, воду при комнатной температуре, и поместим ее под купол вакуумного насоса, как показано на рисунке 13.2. Откачивая воздух, будем наблюдать за состоянием воды в банке. Когда давление под куполом достигнет значения примерно 0,04 от атмосферного, вода закипит.

Рис. 13.2

На изображении описан физический эксперимент, демонстрирующий зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Поскольку явный вопрос отсутствует, задача состоит в том, чтобы подробно объяснить наблюдаемое явление и выполнить расчеты на основе предоставленных данных.

Дано:

Отношение давления под куполом к атмосферному давлению, при котором вода закипает: $k = 0,04$
Нормальное атмосферное давление: $p_{атм} = 101325$ Па

Найти:

1. Давление $p_{кип}$, при котором вода закипает в эксперименте.
2. Объяснить физическую причину кипения воды при комнатной температуре в данном опыте.

Решение:

Решение задачи состоит из двух частей: теоретического объяснения и количественного расчета.

1. Объяснение явления
Кипение — это процесс интенсивного парообразования, который происходит по всему объему жидкости. Оно начинается при достижении определенной температуры (температуры кипения), при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению на ее поверхность.

Давление насыщенного пара жидкости не является постоянной величиной и сильно зависит от ее температуры: чем выше температура, тем больше молекул имеют достаточную энергию для перехода в газообразное состояние, и, следовательно, тем выше давление пара.

В стандартных условиях (при нормальном атмосферном давлении $p_{атм} = 101325$ Па) вода кипит при 100°C, так как именно при этой температуре давление ее насыщенного пара сравнивается с атмосферным.

В описываемом эксперименте при помощи вакуумного насоса из-под купола откачивается воздух, что приводит к существенному снижению внешнего давления на поверхность воды. Вода, находящаяся при комнатной температуре, также испаряется, и ее насыщенный пар создает определенное давление. Когда внешнее давление под куполом уменьшается до значения, равного давлению насыщенного пара воды при данной комнатной температуре, вода начинает бурно кипеть. Важно отметить, что для этого процесса не требуется дополнительный нагрев. Энергия, необходимая для парообразования (скрытая теплота парообразования), забирается от самой воды, что приводит к ее охлаждению.

2. Расчет давления кипения
Согласно тексту, вода закипает, когда давление под куполом достигает значения $0,04$ от атмосферного. Рассчитаем это давление $p_{кип}$.

$p_{кип} = k \cdot p_{атм}$

Подставим числовые значения в формулу:

$p_{кип} = 0,04 \cdot 101325 \text{ Па} = 4053 \text{ Па}$

Полученное давление составляет $4053$ Па или примерно $4,05$ кПа. По справочным данным о зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры, такое давление соответствует температуре кипения воды около 29°C. Это значение хорошо согласуется с понятием "комнатная температура", что подтверждает физическую корректность описанного эксперимента.

Ответ:
В эксперименте вода закипает при давлении $p_{кип} = 4053$ Па. Физическая причина этого заключается в том, что температура кипения жидкости напрямую зависит от внешнего давления. Понижая внешнее давление вакуумным насосом до уровня давления насыщенного пара воды при комнатной температуре, можно вызвать ее кипение без дополнительного нагрева.