Страница 49 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Изучите график (см. рис. 26) и опишите процессы, происходящие с водой.

1. Изучите график (см. рис. 26) и опишите процессы, происходящие с водой.

Поскольку сам график (рис. 26) не предоставлен, будем анализировать стандартную кривую нагревания и парообразования воды, которая изначально находится в твердом состоянии (лёд) при температуре ниже $0^\circ\text{C}$. Предположим, что на графике по вертикальной оси отложена температура $T$ (в градусах Цельсия), а по горизонтальной оси — количество подводимой теплоты $Q$ (в джоулях) или время $t$ (при условии, что нагрев происходит с постоянной мощностью). Такой график будет состоять из нескольких участков.

Участок AB: Нагревание льда.

На этом участке вещество находится в твердом агрегатном состоянии. При подведении теплоты температура льда равномерно повышается от некоторого начального отрицательного значения до температуры плавления, равной $0^\circ\text{C}$. Вся получаемая энергия идет на увеличение кинетической энергии движения молекул, что и проявляется в росте температуры. Количество теплоты, необходимое для этого процесса, рассчитывается по формуле: $Q_1 = c_л \cdot m \cdot (T_{пл} - T_{нач})$, где $c_л$ — удельная теплоемкость льда, $m$ — масса, $T_{пл}$ — температура плавления ($0^\circ\text{C}$), $T_{нач}$ — начальная температура льда.

Участок BC: Плавление льда.

На этом участке происходит фазовый переход — плавление. Лёд превращается в воду. Температура вещества остается постоянной и равной $0^\circ\text{C}$ до тех пор, пока весь лёд не расплавится. Подводимая энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (поэтому температура не растет), а на разрушение кристаллической решетки льда. Это приводит к увеличению потенциальной энергии взаимодействия молекул. На этом участке вещество представляет собой смесь льда и воды. Количество теплоты, необходимое для плавления, определяется формулой: $Q_2 = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда.

Участок CD: Нагревание воды.

После того как весь лёд расплавился, вещество находится в жидком состоянии. Дальнейшее подведение теплоты приводит к росту температуры воды от $0^\circ\text{C}$ до температуры кипения, равной $100^\circ\text{C}$ (при нормальном атмосферном давлении). Как и на первом участке, подводимая энергия идет на увеличение кинетической энергии молекул. Количество теплоты рассчитывается по формуле: $Q_3 = c_в \cdot m \cdot (T_{кип} - T_{пл})$, где $c_в$ — удельная теплоемкость воды, $T_{кип}$ — температура кипения ($100^\circ\text{C}$).

Участок DE: Кипение воды.

При достижении температуры $100^\circ\text{C}$ начинается процесс кипения — интенсивного парообразования. На этом участке происходит второй фазовый переход — из жидкого состояния в газообразное (пар). Температура системы "вода-пар" остается постоянной ($100^\circ\text{C}$), пока вся вода не выкипит. Подводимая энергия расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения и превращение воды в пар, то есть на увеличение потенциальной энергии молекул. Количество теплоты для парообразования находится по формуле: $Q_4 = L \cdot m$, где $L$ — удельная теплота парообразования воды.

Участок EF: Нагревание пара.

Когда вся вода превратилась в пар, дальнейшее подведение теплоты приводит к повышению температуры пара выше $100^\circ\text{C}$. Вещество находится в газообразном состоянии. Энергия снова идет на увеличение кинетической энергии молекул. Количество теплоты рассчитывается по формуле: $Q_5 = c_п \cdot m \cdot (T_{кон} - T_{кип})$, где $c_п$ — удельная теплоемкость водяного пара, $T_{кон}$ — конечная температура пара.

Ответ: График отображает последовательность процессов: нагревание льда (рост температуры), плавление льда (температура постоянна, $0^\circ\text{C}$), нагревание воды (рост температуры), кипение воды (температура постоянна, $100^\circ\text{C}$) и нагревание пара (рост температуры).

2. Какие участки графика соответствуют процессам, в которых...

Поскольку текст вопроса неполон, приведем ответы на наиболее вероятные вопросы, которые могли бы следовать далее, основываясь на описанных выше участках графика (AB, BC, CD, DE, EF).

а) ...происходит нагревание вещества без изменения его агрегатного состояния?

Этому соответствуют участки, на которых температура растет. Это участки AB (нагревание льда), CD (нагревание воды) и EF (нагревание пара).

б) ...происходит изменение агрегатного состояния вещества?

Этому соответствуют участки, на которых температура остается постоянной, несмотря на подведение тепла. Это участки BC (плавление) и DE (кипение).

в) ...внутренняя энергия вещества увеличивается за счет роста кинетической энергии его молекул?

Это происходит при нагревании, то есть на участках AB, CD и EF. Рост кинетической энергии молекул макроскопически проявляется как повышение температуры.

г) ...внутренняя энергия вещества увеличивается за счет роста потенциальной энергии взаимодействия его молекул?

Это происходит во время фазовых переходов, когда подводимая энергия тратится на разрушение связей между молекулами. Этому соответствуют участки BC и DE.

д) ...вещество находится одновременно в двух агрегатных состояниях?

Это происходит на участках фазовых переходов: BC (смесь льда и воды) и DE (смесь воды и пара).

Ответ: а) Нагревание вещества: участки AB, CD, EF. б) Изменение агрегатного состояния: участки BC, DE. в) Рост кинетической энергии молекул: участки AB, CD, EF. г) Рост потенциальной энергии молекул: участки BC, DE. д) Вещество в двух состояниях: участки BC, DE.

2. Какие участки графика соответствуют процессам, в которых вода получает энергию, а какие — процессам, в которых вода отдаёт энергию? Почему вы так думаете?

2. Поскольку конкретный график не предоставлен, рассмотрим общие принципы тепловых процессов для воды (в состояниях льда, жидкости и пара). Энергетические изменения связаны с изменением внутренней энергии вещества, которая складывается из кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Процессы, в которых вода получает энергию:

• Нагревание (льда, воды или пара). На графике зависимости температуры от полученного количества теплоты это участки, где кривая идет вверх. При нагревании сообщаемая энергия идет на увеличение средней кинетической энергии молекул, что проявляется в росте температуры тела. Количество теплоты описывается формулой $Q = cm\Delta T$.
• Плавление (переход льда в воду). На графике это горизонтальный участок при температуре плавления ($0^\circ\text{C}$ при нормальном давлении). Вся получаемая энергия ($Q = \lambda m$) идет на разрушение кристаллической решетки льда. При этом кинетическая энергия молекул не меняется (температура постоянна), но растет их потенциальная энергия.
• Парообразование (переход воды в пар). На графике это горизонтальный участок при температуре кипения ($100^\circ\text{C}$ при нормальном давлении). Вся получаемая энергия ($Q = Lm$) расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости и превращение ее в газ. Потенциальная энергия молекул значительно увеличивается, а кинетическая остается неизменной (температура постоянна).

Процессы, в которых вода отдает энергию:

• Охлаждение (пара, воды или льда). На графике зависимости температуры от времени это участки, где кривая идет вниз. При охлаждении вещество отдает энергию в окружающую среду, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается, что проявляется в понижении температуры.
• Конденсация (переход пара в воду). На графике охлаждения это горизонтальный участок при температуре конденсации. При сближении молекул газа и образовании между ними связей (превращении в жидкость) выделяется энергия, которая отводится от вещества.
• Кристаллизация (замерзание воды, переход в лед). На графике охлаждения это горизонтальный участок при температуре кристаллизации. При формировании кристаллической решетки из жидкости также выделяется энергия, так как молекулы занимают положения с меньшей потенциальной энергией.

Мы так думаем, потому что получение энергии телом приводит либо к увеличению его температуры (росту кинетической энергии молекул), либо к изменению его агрегатного состояния в сторону меньшего порядка (росту потенциальной энергии молекул). Отдача энергии, наоборот, приводит к понижению температуры или к переходу в более упорядоченное состояние.

Ответ: Вода получает энергию при нагревании, плавлении и парообразовании. На графике зависимости температуры от подведенной теплоты этому соответствуют участки с положительным наклоном (нагревание) и горизонтальные участки (плавление, кипение). Вода отдает энергию при охлаждении, конденсации и кристаллизации. На графике охлаждения этому соответствуют участки с отрицательным наклоном (охлаждение) и горизонтальные участки (конденсация, кристаллизация).

3. Вопрос, вероятно, звучит так: "Почему при плавлении температура вещества не изменяется, хотя ему сообщается энергия?".

Плавление – это процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления.

В твердом состоянии частицы (атомы, молекулы) вещества образуют упорядоченную структуру — кристаллическую решетку, и совершают колебания около положений равновесия. Чтобы расплавить твердое тело, необходимо сообщить ему энергию. Эта энергия, называемая удельной теплотой плавления ($ \lambda $), не увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц, которая и определяет температуру тела. Вместо этого вся подводимая энергия расходуется на разрушение связей в кристаллической решетке. В результате разрушения решетки частицы получают возможность перемещаться свободнее, и их потенциальная энергия взаимодействия увеличивается. Поскольку кинетическая энергия частиц в среднем не меняется, температура вещества остается постоянной на протяжении всего процесса плавления.

Процесс будет продолжаться при постоянной температуре до тех пор, пока все твердое вещество не перейдет в жидкое состояние. Только после этого дальнейшее подведение энергии приведет к росту температуры уже жидкого вещества.

Ответ: При плавлении вся подводимая к телу энергия расходуется на разрушение его кристаллической решетки, то есть на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул, а не на увеличение их средней кинетической энергии. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии молекул, она остается постоянной в течение всего процесса плавления.

3. Почему при плавлении льда и отвердевании воды их температура не меняется?

3. Почему при плавлении льда и отвердевании воды их температура не меняется?

Температура вещества является мерой средней кинетической энергии его молекул. Во время фазовых переходов, таких как плавление (переход из твердого состояния в жидкое) и отвердевание или кристаллизация (переход из жидкого состояния в твердое), температура вещества остается постоянной. Это происходит потому, что вся энергия, которая сообщается телу или отводится от него, расходуется на изменение внутренней структуры вещества, а не на изменение скорости движения его частиц.

Плавление льда

В твердом состоянии (лёд) молекулы воды находятся в строго определённых положениях, образуя кристаллическую решётку, и лишь колеблются около этих положений. Чтобы расплавить лёд, ему необходимо сообщить энергию. Когда лёд достигает своей температуры плавления (0 °C при нормальном давлении), вся поступающая извне тепловая энергия идёт на разрушение связей между молекулами в кристаллической решётке. В результате потенциальная энергия взаимодействия молекул увеличивается, а их средняя кинетическая энергия, определяющая температуру, остается неизменной. Процесс продолжается при постоянной температуре до тех пор, пока весь лёд не превратится в воду. Количество теплоты, необходимое для этого, называется теплотой плавления и рассчитывается по формуле $Q = \lambda m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления.

Отвердевание воды

Отвердевание (или кристаллизация) является обратным процессом. Когда жидкую воду охлаждают до температуры замерзания (0 °C), начинается формирование кристаллических связей между молекулами. При образовании этих связей, наоборот, выделяется энергия. Эта выделяемая энергия (теплота кристаллизации) компенсирует отвод тепла от воды в окружающую среду. В результате, пока вся вода не замерзнет, её температура будет оставаться постоянной на уровне 0 °C. Только после полного отвердевания всей массы воды температура образовавшегося льда может начать понижаться дальше.

Ответ: При плавлении льда и отвердевании воды их температура не меняется, потому что вся подводимая (при плавлении) или выделяющаяся (при отвердевании) энергия идёт на изменение потенциальной энергии взаимодействия молекул — то есть на разрушение или создание связей в кристаллической решётке. Средняя кинетическая энергия молекул, которая определяет температуру, в этих процессах остается постоянной.

Объясните, какие энергетические преобразования наблюдаются при отвердевании воды.

Отвердевание воды, также известное как кристаллизация или замерзание, — это процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твердое. Этот процесс для воды при нормальном атмосферном давлении происходит при постоянной температуре 0 °C и сопровождается выделением энергии.

Энергетические преобразования, происходящие в это время, связаны с изменением внутренней энергии воды. Внутренняя энергия любого тела состоит из двух основных компонентов: кинетической энергии теплового движения его частиц (молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Во время самого процесса отвердевания температура воды остается постоянной. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии молекул, это означает, что их средняя кинетическая энергия не изменяется.

Однако при переходе из жидкого состояния в твердое кардинально меняется структура вещества. Молекулы воды, которые в жидкости двигались хаотично, выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку льда. При этом между ними образуются прочные межмолекулярные связи. Формирование этих связей приводит к уменьшению потенциальной энергии взаимодействия молекул, так как система переходит в более энергетически выгодное, стабильное состояние.

Следовательно, общее уменьшение внутренней энергии воды происходит исключительно за счет уменьшения её потенциальной составляющей. Эта "избыточная" энергия выделяется во внешнюю среду в виде тепла. Количество этой энергии называется теплотой кристаллизации и для массы воды $m$ равно $Q = \lambda m$, где $\lambda$ — удельная теплота кристаллизации воды. Таким образом, происходит преобразование внутренней потенциальной энергии вещества в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающем пространстве.

Ответ: При отвердевании воды её внутренняя энергия уменьшается. Это уменьшение происходит за счет снижения потенциальной энергии взаимодействия молекул, которые образуют упорядоченную кристаллическую решетку. Кинетическая энергия молекул при этом не меняется, так как процесс кристаллизации идет при постоянной температуре. Уменьшение потенциальной энергии приводит к выделению тепла в окружающую среду.