Страница 60 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Опишите опыт, демонстрирующий охлаждение жидкости при испарении.

1. Опишите опыт, демонстрирующий охлаждение жидкости при испарении.

Для демонстрации охлаждения жидкости при испарении можно провести следующий простой опыт. Возьмем термометр и зафиксируем его показания при комнатной температуре. Затем обернем резервуар термометра (шарик в нижней части) небольшим кусочком ваты и смочим ее легкоиспаряющейся жидкостью, например, спиртом или эфиром. Для опыта подойдет и вода, но эффект будет менее выраженным, так как вода испаряется медленнее.

Сразу после смачивания ваты начнем наблюдать за показаниями термометра. Мы увидим, что столбик термометра начнет опускаться, то есть прибор будет показывать температуру ниже исходной комнатной температуры. Понижение температуры будет происходить до тех пор, пока вся жидкость с ваты не испарится.

Этот опыт наглядно показывает, что процесс испарения требует энергии, которую жидкость забирает у себя и у окружающих тел (в данном случае, у резервуара термометра), что приводит к их охлаждению.

Ответ: Опыт заключается в измерении температуры с помощью термометра, резервуар которого обмотан ватой, смоченной летучей жидкостью (например, спиртом). По мере испарения жидкости термометр покажет понижение температуры, что доказывает охлаждение при испарении.

2. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории.

В основе объяснения лежит молекулярно-кинетическая теория (МКТ), согласно которой все тела состоят из непрерывно и хаотично движущихся частиц (молекул, атомов), а температура тела является мерой средней кинетической энергии этих частиц.

В жидкости не все молекулы движутся с одинаковой скоростью; их скорости распределены от очень малых до очень больших. Испарение – это процесс, при котором молекулы покидают поверхность жидкости и переходят в газообразное состояние. Чтобы вылететь с поверхности, молекула должна обладать достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения, удерживающие ее в жидкости.

Таким образом, с поверхности жидкости улетают в первую очередь самые быстрые, "горячие" молекулы, кинетическая энергия которых превышает среднее значение. Поскольку жидкость теряет свои наиболее энергичные молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается.

Так как температура — это мера средней кинетической энергии, уменьшение этой энергии означает понижение температуры жидкости. Следовательно, испарение всегда сопровождается охлаждением.

Ответ: При испарении с поверхности жидкости улетают наиболее быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, что, согласно молекулярно-кинетической теории, приводит к понижению температуры жидкости.

2. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории понижение температуры жидкости при её испарении.

2. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории понижение температуры жидкости при её испарении.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), вещество в жидком состоянии состоит из огромного числа молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении и взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.

Температура тела является макроскопической величиной, которая характеризует интенсивность теплового движения его частиц. Говоря точнее, температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Однако в любой момент времени скорости отдельных молекул не одинаковы. В жидкости есть как относительно "медленные" молекулы, так и очень "быстрые", чья кинетическая энергия ($E_k = \frac{mv^2}{2}$) значительно превышает среднее значение.

Испарение – это процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости. Чтобы вылететь с поверхности жидкости и стать частью пара, молекула должна преодолеть силы притяжения со стороны других молекул жидкости. Для этого ей необходимо обладать достаточной кинетической энергией, чтобы совершить работу против этих сил.

Таким образом, с поверхности жидкости улетают в первую очередь самые "быстрые", наиболее энергичные молекулы. Каждый раз, когда такая молекула покидает жидкость, она уносит с собой энергию, которая была выше средней. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается.

Поскольку температура жидкости напрямую связана со средней кинетической энергией её молекул ($E_{k_{ср}} \sim T$), уменьшение этой средней энергии и означает понижение температуры жидкости. Именно поэтому испарение сопровождается охлаждением.

Ответ: При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, что, согласно молекулярно-кинетической теории, и вызывает понижение температуры жидкости.

3. Что происходит с молекулами жидкости и пара в процессе испарения и конденсации?

2. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории понижение температуры жидкости при ее испарении.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), температура вещества является мерой средней кинетической энергии его молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. В любой момент времени в жидкости есть молекулы, движущиеся с разными скоростями.

Испарение — это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают самые "быстрые" молекулы, то есть те, чья кинетическая энергия оказывается достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, удерживающих их вместе с остальными молекулами.

Когда эти наиболее энергичные молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Поскольку температура напрямую связана со средней кинетической энергией, ее уменьшение приводит к охлаждению (понижению температуры) жидкости.

Ответ: При испарении жидкость покидают молекулы с наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, что и воспринимается как понижение ее температуры.

3. Что происходит с молекулами жидкости и пара в процессе испарения и конденсации?

В процессе испарения молекулы, находящиеся на поверхности жидкости и обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают силы межмолекулярного притяжения и вылетают из жидкости. Они переходят в газообразное состояние (пар), где расстояния между ними становятся очень большими, а силы взаимодействия — слабыми. Молекулы в паре движутся хаотично и свободно.

В процессе конденсации, который является обратным испарению, молекулы из пара, двигаясь хаотично, соприкасаются с поверхностью жидкости. Если их скорость невелика, они захватываются силами притяжения молекул жидкости и возвращаются в жидкое состояние. При этом расстояние между молекулами резко сокращается, и выделяется энергия, которую молекула имела в виде потенциальной энергии в газовом состоянии.

Ответ: При испарении молекулы переходят из жидкого состояния в газообразное, преодолевая силы притяжения и увеличивая расстояние между собой. При конденсации молекулы из газообразного состояния возвращаются в жидкое, попадая под действие сил притяжения, при этом расстояние между ними уменьшается и выделяется энергия.

4. Приведите примеры природных явлений, объясняющихся испарением и конденсацией.

Испарение и конденсация являются фундаментальными процессами, объясняющими множество природных явлений, особенно в рамках круговорота воды в природе.

К явлениям, объясняющимся испарением, относятся: высыхание водоемов, луж и почвы под действием солнечного тепла; высыхание мокрой одежды; а также биологический процесс потоотделения, при котором испарение пота с поверхности кожи охлаждает организм.

К явлениям, объясняющимся конденсацией, относятся: образование росы на траве и предметах холодными ночами, когда водяной пар из воздуха превращается в капли воды; формирование тумана и облаков, когда водяной пар в атмосфере охлаждается и конденсируется в мельчайшие капельки воды или кристаллики льда; и, как следствие, выпадение осадков — дождя или снега, когда эти капли или кристаллы в облаках укрупняются.

Ответ: Примерами природных явлений, связанных с испарением, являются высыхание водоемов и луж, а также охлаждение тел животных при потоотделении. Примерами явлений, связанных с конденсацией, являются образование облаков, тумана, росы и выпадение осадков.

4. Приведите примеры природных явлений, объясняющихся испарением жидкости и конденсацией пара.

Испарение жидкости и конденсация пара — это фундаментальные физические процессы, которые лежат в основе многих природных явлений. Вот несколько ключевых примеров:

Круговорот воды в природе и образование облаков

Это глобальный процесс, поддерживающий жизнь на планете. Под воздействием солнечной энергии вода с поверхности океанов, морей, рек, озер и почвы испаряется, превращаясь в невидимый водяной пар. Этот пар поднимается с теплыми потоками воздуха в верхние слои атмосферы. На высоте воздух охлаждается, и при достижении определенной температуры (точки росы) водяной пар начинает конденсироваться на мельчайших частицах пыли, образуя крошечные капельки воды или кристаллики льда. Скопление этих капелек и кристалликов мы видим как облака. Когда они становятся достаточно крупными и тяжелыми, они выпадают на землю в виде осадков (дождь, снег, град), замыкая цикл.

Ответ: Круговорот воды в природе представляет собой непрерывный процесс, в котором испарение воды с поверхности Земли приводит к образованию водяного пара, который затем конденсируется в атмосфере, формируя облака и выпадая в виде осадков.

Образование тумана

Туман — это по своей сути облако, которое образуется непосредственно у поверхности земли. Он возникает, когда влажный приземный воздух охлаждается до точки росы. Водяной пар, находящийся в воздухе (попавший туда в результате испарения с водоемов, влажной почвы и растений), конденсируется, образуя взвесь из мельчайших капелек воды. Эта взвесь и является туманом, который снижает видимость.

Ответ: Туман — это результат конденсации водяного пара в приземном слое воздуха, который предварительно насытился влагой из-за испарения.

Образование росы и инея

В ясные и тихие ночи поверхность земли и предметы на ней (например, трава) быстро остывают за счет излучения тепла. Воздух, соприкасающийся с этими холодными поверхностями, также охлаждается. Если его температура падает ниже точки росы, содержащийся в нем водяной пар (продукт предшествующего испарения) конденсируется прямо на этих поверхностях, образуя капельки воды — росу. Если же температура поверхности опускается ниже $0^\circ C$, водяной пар переходит сразу в твердое состояние, минуя жидкую фазу (этот процесс называется десублимацией), и образует ледяные кристаллы — иней.

Ответ: Роса и иней формируются при конденсации (или десублимации для инея) водяного пара из воздуха непосредственно на охлажденных за ночь поверхностях.

Почему конденсация пара в атмосфере в капельки дождя или снежинки ведёт к потеплению?

Решение

Конденсация водяного пара в капельки дождя или его превращение в снежинки (десублимация) — это физические процессы, представляющие собой фазовые переходы вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое. Согласно законам термодинамики, такие переходы всегда сопровождаются выделением или поглощением энергии.

Процесс, обратный конденсации, — это парообразование (испарение). Чтобы жидкость превратилась в пар, ей необходимо сообщить энергию, которая пойдет на преодоление сил межмолекулярного притяжения. Эта энергия, называемая теплотой парообразования, поглощается из окружающей среды, что приводит к ее охлаждению. Именно поэтому, когда с нашей кожи испаряется вода, мы ощущаем прохладу.

Конденсация является экзотермическим процессом, то есть процессом, идущим с выделением тепла. Когда молекулы водяного пара в атмосфере объединяются, образуя капли воды или кристаллы льда, они переходят в состояние с более низкой внутренней энергией. Энергия, которая была затрачена на испарение, высвобождается обратно в окружающую среду в виде тепла. Эта энергия называется скрытой теплотой конденсации. Количество выделившейся теплоты ($Q$) можно рассчитать по формуле: $Q = L \cdot m$, где $m$ — это масса сконденсировавшегося пара, а $L$ — удельная теплота парообразования (для воды ее значение очень велико: $L \approx 2.26 \cdot 10^6$ Дж/кг).

При образовании снежинок (прямой переход пара в лед) выделяется еще больше тепла, так как в этом случае суммируется теплота конденсации и теплота кристаллизации.

Так как в атмосферных процессах, таких как формирование облаков и выпадение осадков, участвуют огромные массы водяного пара, общее количество выделяемой энергии оказывается колоссальным. Эта энергия нагревает окружающие воздушные массы, что и приводит к локальному потеплению.

Ответ: Конденсация пара в капли дождя или снежинки ведет к потеплению, потому что это экзотермический фазовый переход. При переходе из газообразного состояния в жидкое или твердое, вещество выделяет в окружающую среду энергию, называемую скрытой теплотой конденсации (или десублимации). Эта выделяемая энергия и нагревает атмосферный воздух.