Страница 65 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Объясните на основе молекулярно-кинетической теории, как происходит процесс кипения.

1. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), жидкость состоит из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении и связаны между собой силами межмолекулярного притяжения. При нагревании жидкости ее молекулы начинают двигаться быстрее, так как их средняя кинетическая энергия увеличивается.

Процесс кипения можно объяснить следующим образом:

1. В любой жидкости всегда есть микроскопические пузырьки растворенного газа или пара, которые служат центрами парообразования. При нагревании жидкость начинает испаряться не только со свободной поверхности, но и внутрь этих пузырьков.

2. Внутри пузырьков образуется насыщенный пар. Давление этого пара растет с повышением температуры. Пока давление пара внутри пузырька меньше, чем внешнее давление (сумма атмосферного давления и гидростатического давления столба жидкости), пузырек схлопывается и не может расти.

3. Когда температура жидкости достигает определенного значения, называемого температурой кипения, давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным внешнему давлению. С этого момента пузырьки начинают расти в размерах, так как внутреннее давление способно противостоять внешнему.

4. Увеличившиеся в объеме пузырьки пара под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) поднимаются к поверхности жидкости. Достигнув поверхности, они лопаются, и содержащийся в них пар выходит в атмосферу. Этот процесс массового образования и подъема пузырьков по всему объему жидкости и есть кипение.

Весь процесс требует постоянного подвода энергии (теплоты парообразования), которая расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами и совершение работы против внешнего давления при расширении пузырьков. Именно поэтому во время кипения температура жидкости остается постоянной до полного ее выкипания.

Ответ: На основе молекулярно-кинетической теории кипение — это процесс интенсивного парообразования, который начинается, когда кинетическая энергия молекул жидкости становится достаточной для того, чтобы давление насыщенного пара внутри пузырьков, образующихся по всему объему, сравнялось с внешним давлением, что позволяет этим пузырькам расти и подниматься на поверхность.

2. Кипением называют процесс интенсивного парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и по всему её объему. Этот процесс характеризуется образованием, ростом и подъемом на поверхность пузырьков пара. Кипение происходит при определённой для каждого вещества температуре, называемой температурой кипения, которая зависит от внешнего давления. Например, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при 100°С. Если давление уменьшить (например, в горах), вода закипит при более низкой температуре, а если увеличить — при более высокой.

Ответ: Кипение — это процесс интенсивного парообразования, происходящий во всём объёме жидкости при определённой, постоянной для данных условий температуре.

2. Какой процесс называют кипением?

Кипение — это физический процесс интенсивного парообразования (перехода вещества из жидкого состояния в газообразное), который происходит во всём объёме жидкости при достижении определённой температуры, называемой температурой кипения. Этот процесс является фазовым переходом первого рода.

Ключевые особенности кипения:

• Образование пузырьков: В отличие от испарения, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, кипение характеризуется образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости. Эти пузырьки зарождаются на так называемых центрах парообразования — микроскопических неровностях на стенках сосуда, пылинках или других неоднородностях.

• Постоянная температура: Для чистого вещества при постоянном внешнем давлении кипение происходит при строго определённой и постоянной температуре — температуре кипения. Несмотря на продолжающийся подвод тепла к жидкости, её температура не будет повышаться до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар.

• Зависимость от давления: Температура кипения существенно зависит от внешнего давления. С увеличением давления температура кипения повышается, а с уменьшением — понижается. Например, вода при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па) кипит при 100 °C. В горах, где давление ниже, вода закипит при более низкой температуре.

• Энергетические затраты: Для превращения жидкости в пар при температуре кипения требуется значительное количество энергии, называемое теплотой парообразования. Эта энергия расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости. Количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости массой $m$, взятой при температуре кипения, рассчитывается по формуле: $Q = L \cdot m$, где $L$ — удельная теплота парообразования, являющаяся характеристикой вещества.

Процесс начинается с нагрева жидкости. По мере роста температуры давление насыщенного пара внутри зародышевых пузырьков увеличивается. Когда это давление становится равным внешнему давлению (атмосферному плюс гидростатическому давлению столба жидкости), пузырьки начинают расти, всплывать на поверхность и лопаться, высвобождая пар. Это и есть кипение.

Ответ: Кипением называют процесс интенсивного парообразования, который происходит не только с поверхности, но и по всему объёму жидкости при определённой температуре, называемой температурой кипения. Этот процесс характеризуется образованием и ростом пузырьков пара.

3. Что называют температурой кипения жидкости?

Температурой кипения жидкости называют температуру, при которой происходит процесс кипения. Кипение — это интенсивный процесс парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, как при испарении, но и по всему её объёму. Визуально это проявляется в образовании и росте пузырьков пара внутри жидкости.

Ключевая особенность процесса кипения заключается в том, что при постоянном внешнем давлении температура кипящей жидкости остаётся постоянной. Вся энергия, которую сообщают жидкости после достижения температуры кипения, расходуется на фазовый переход — превращение жидкости в пар, а не на увеличение её температуры.

Температура кипения не является абсолютной константой для вещества, она существенно зависит от нескольких факторов. Во-первых, от рода вещества: каждое чистое вещество имеет свою характерную температуру кипения при определённом давлении. Например, для воды при нормальном давлении это $100^{\circ}C$, для этилового спирта — около $78.4^{\circ}C$, а для кислорода — $-183^{\circ}C$. Во-вторых, от внешнего давления: с увеличением давления над поверхностью жидкости её температура кипения возрастает, а при уменьшении — снижается. Именно поэтому в горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре меньше $100^{\circ}C$. Стандартная температура кипения вещества указывается для нормального атмосферного давления ($1$ атмосфера, или $101325$ Па). В-третьих, от наличия примесей: растворение в жидкости нелетучих веществ (например, солей) обычно приводит к повышению её температуры кипения.

С физической точки зрения, кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Это позволяет пузырькам пара образовываться и расти по всему объему жидкости.

Ответ: Температурой кипения называют температуру, при которой жидкость интенсивно переходит в газообразное состояние (кипит) по всему своему объему при постоянном внешнем давлении.

4. Сформулируйте условие кипения.

3. Что называют температурой кипения жидкости?

Температурой кипения жидкости называют постоянную температуру, при которой происходит процесс интенсивного парообразования (кипения), протекающий по всему объему жидкости при определенном внешнем давлении.

Каждое чистое вещество имеет свою уникальную температуру кипения, которая напрямую зависит от внешнего давления. Например, для воды при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па) температура кипения равна 100 °C. Особенностью процесса кипения является то, что пока вся жидкость не испарится, ее температура остается постоянной, несмотря на непрерывный подвод тепла. Вся получаемая энергия тратится не на нагрев, а на фазовый переход из жидкого состояния в газообразное.

Зависимость температуры кипения от давления очень важна: при повышении внешнего давления температура кипения увеличивается, а при его понижении — уменьшается. Именно поэтому в горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре ниже 100 °C.

Ответ: Температурой кипения называют температуру, при которой жидкость кипит при постоянном внешнем давлении.

4. Сформулируйте условие кипения.

Кипение представляет собой процесс парообразования, который в отличие от испарения происходит не только со свободной поверхности, но и по всему объёму жидкости. Это явление характеризуется образованием и ростом пузырьков пара.

Основное условие кипения заключается в следующем: жидкость начинает кипеть при достижении такой температуры, при которой давление насыщенного пара внутри образующихся пузырьков становится равным или превышает внешнее давление, действующее на поверхность жидкости.

Механизм этого процесса таков: в любой жидкости есть микроскопические пузырьки растворенного газа или пара, служащие центрами кипения. При нагревании давление насыщенного пара внутри этих пузырьков увеличивается. До тех пор пока это давление меньше внешнего (атмосферного и гидростатического), пузырьки сжимаются и исчезают. Как только давление пара внутри сравнивается с внешним давлением, пузырьки получают возможность расти, всплывать на поверхность и лопаться, высвобождая пар. Этот процесс мы и наблюдаем как кипение.

Это условие можно записать в виде формулы:

$P_{н.п.} \ge P_{внешн.}$

где $P_{н.п.}$ — это давление насыщенного пара жидкости при данной температуре, а $P_{внешн.}$ — внешнее давление.

Ответ: Условие кипения: жидкость кипит при той температуре, при которой давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению.

1. Охарактеризуйте каждый участок графика на рисунке 31.

Для ответа на ваш вопрос необходимо изображение графика (рисунок 31), которое не было предоставлено. Характеристика участков графика зависит от того, какие физические величины отложены по осям. Без графика невозможно дать конкретный ответ.

Ниже приведены общие принципы и примеры анализа для наиболее распространенных в физике типов графиков, которые помогут вам охарактеризовать участки вашего графика, как только он у вас появится.

Пример 1: Характеристика участка на графике зависимости скорости от времени $v(t)$

Условие: Предположим, на графике $v(t)$ есть прямолинейный наклонный участок, начинающийся в точке $(t_1, v_1)$ и заканчивающийся в точке $(t_2, v_2)$, причем $v_2 > v_1$.

Решение:

На данном участке скорость тела линейно возрастает со временем. Это означает, что тело движется с постоянным положительным ускорением, то есть равноускоренно. Ускорение можно рассчитать по формуле как тангенс угла наклона графика к оси времени:

$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}$

Поскольку $v_2 > v_1$, ускорение $a > 0$, что соответствует разгону. Пройденный телом путь на этом участке равен площади фигуры под графиком (в данном случае, трапеции):

$s = \frac{v_1 + v_2}{2} \cdot (t_2 - t_1)$

Ответ: На данном участке тело движется прямолинейно равноускоренно с постоянным ускорением $a = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}$.

Пример 2: Характеристика участка на графике зависимости координаты от времени $x(t)$

Условие: Предположим, на графике $x(t)$ есть горизонтальный участок от момента времени $t_1$ до $t_2$, находящийся на уровне $x_1$.

Решение:

Горизонтальный участок на графике $x(t)$ означает, что координата тела не изменяется с течением времени ($x = \text{const}$). Это соответствует состоянию покоя. Скорость тела на этом участке равна нулю, так как изменение координаты равно нулю:

$v = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{x_1 - x_1}{t_2 - t_1} = 0$

Ускорение тела также равно нулю ($a=0$).

Ответ: На данном участке тело находится в состоянии покоя в точке с координатой $x_1$.

Пример 3: Характеристика участка на графике зависимости температуры вещества от времени $T(t)$ при его нагревании

Условие: Предположим, на графике $T(t)$ есть горизонтальный участок, где температура $T_{кип}$ остается постоянной в течение промежутка времени от $t_1$ до $t_2$. До этого участка температура вещества росла.

Решение:

Горизонтальный участок на графике нагревания означает, что происходит фазовый переход при постоянной температуре. Поскольку температура перестала расти при подведении тепла, а до этого вещество уже было нагрето (вероятно, до жидкого состояния), на этом участке происходит процесс кипения. Температура $T_{кип}$ является температурой кипения данного вещества. Вся подводимая энергия в это время идет не на повышение температуры, а на превращение жидкости в пар.

Ответ: На данном участке происходит процесс кипения жидкости при постоянной температуре $T_{кип}$.

Чтобы я мог дать точный анализ для вашей задачи, пожалуйста, приложите изображение "рисунка 31".

2. В кондитерском производстве раствор сахара надо выпаривать при температуре ниже $100 \text{ °C}$ (иначе он пригорает). Как этого достичь?

Решение

Температура кипения жидкости, в данном случае воды в сахарном растворе, напрямую зависит от внешнего давления. При нормальном атмосферном давлении (около $101.3$ кПа) вода кипит при температуре $100$ °C. Чтобы выпаривать раствор при более низкой температуре и избежать пригорания сахара, необходимо снизить температуру кипения воды.

Согласно зависимости температуры кипения от давления, чем ниже давление над поверхностью жидкости, тем ниже её температура кипения. Это явление объясняется тем, что кипение начинается в тот момент, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Давление насыщенного пара, в свою очередь, растет с увеличением температуры. Следовательно, уменьшив внешнее давление, мы можем достичь равенства давлений при более низкой температуре.

В промышленных условиях, например, в кондитерском производстве, для этой цели используют вакуум-аппараты (вакуум-выпарные установки). Это герметичные емкости, из которых с помощью вакуумных насосов откачивают воздух. Создавая разрежение, то есть пониженное давление над поверхностью сахарного раствора, можно добиться его интенсивного кипения и выпаривания при температуре значительно ниже $100$ °C, например, при $60-70$ °C. Это позволяет сохранить вкусовые качества и цвет продукта, предотвращая карамелизацию и пригорание сахара.

Таким образом, для выпаривания сахарного раствора при температуре ниже $100$ °C необходимо понизить давление над его поверхностью.

Ответ: Для того чтобы выпаривать сахарный раствор при температуре ниже $100$ °C, необходимо понизить давление над поверхностью этого раствора. На производстве это достигается с помощью вакуум-аппаратов, которые создают разрежение (вакуум).

УПРАЖНЕНИЕ 16

1. Из чайника выкипела почти вся вода. В некоторый момент времени массы воды и пара в нём оказались равными. Их температура $100 \text{ °С}$. Можно ли утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы?

1. Нет, утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы, нельзя.

Внутренняя энергия ($U$) термодинамической системы состоит из двух основных частей: суммарной кинетической энергии хаотического движения всех частиц (молекул) системы и потенциальной энергии их взаимодействия.

Согласно условию, температура воды и пара одинакова и равна $100 \text{ °C}$. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул. Следовательно, средняя кинетическая энергия молекул в воде и в паре в данном случае одинакова.

Однако вода и пар находятся в разных агрегатных состояниях. Процесс превращения воды в пар при постоянной температуре (кипение) требует подвода энергии. Эта энергия, называемая теплотой парообразования, идет не на увеличение скорости движения молекул (температура не меняется), а на разрыв межмолекулярных связей в жидкости и увеличение среднего расстояния между молекулами. В результате этого потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре становится значительно больше, чем в воде.

Таким образом, при одинаковой массе и одинаковой температуре внутренняя энергия пара ($U_{пара}$) будет больше внутренней энергии воды ($U_{воды}$), так как потенциальная энергия его молекул выше.

$U_{пара} = U_{воды} + Q_{парообразования}$

где $Q_{парообразования} = L \cdot m$ — количество теплоты, необходимое для превращения массы $m$ воды в пар при температуре кипения ($L$ — удельная теплота парообразования).

Ответ: Нет, утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы, нельзя. При одинаковой массе и температуре внутренняя энергия пара больше внутренней энергии воды, так как для парообразования вода должна поглотить дополнительную энергию (теплоту парообразования), которая увеличивает потенциальную энергию взаимодействия ее молекул.

2. Почему паровые котлы испытывают на прочность водой, накачиваемой под большим давлением, а не паром?

2. Паровые котлы испытывают на прочность водой (этот процесс называется гидравлическим испытанием или опрессовкой), а не паром, по причине фундаментальных различий в физических свойствах жидкостей и газов, что напрямую влияет на безопасность испытаний. Ключевое свойство, определяющее выбор, — это сжимаемость вещества.

Вода, как и любая жидкость, является практически несжимаемой средой. Это означает, что для создания в котле высокого испытательного давления достаточно заполнить его водой и затем добавить совсем незначительный дополнительный объем. Энергия, запасенная в сжатой таким образом воде, минимальна. Если в ходе испытания целостность котла будет нарушена, например, появится трещина, давление практически мгновенно упадет до атмосферного, а вода просто вытечет наружу через образовавшееся отверстие. Такой процесс не сопровождается взрывом и является относительно безопасным для персонала и оборудования.

Пар, напротив, как и любой газ, обладает высокой сжимаемостью. Для достижения того же уровня давления, что и с водой, необходимо сжать в объеме котла большую массу пара. В этом сжатом газе аккумулируется огромное количество потенциальной энергии. В случае разрушения котла во время испытания паром вся эта накопленная энергия высвободится мгновенно и взрывообразно. Сжатый пар стремительно расширится, что эквивалентно мощному взрыву. Такой взрыв способен разбросать раскаленные обломки котла с огромной скоростью, создавая смертельную угрозу для людей и приводя к масштабным разрушениям.

Таким образом, выбор воды для испытаний продиктован исключительно соображениями безопасности. Гидравлическое испытание позволяет надежно и с минимальным риском проверить прочность котла и герметичность его соединений.

Ответ: Испытания паровых котлов проводят водой, а не паром, из соображений безопасности. Вода практически несжимаема, поэтому при разрушении котла она просто вытекает, не вызывая взрыва. Пар, в отличие от воды, сильно сжимается и накапливает большое количество энергии; при разрушении котла под давлением эта энергия высвобождается мгновенно, что приводит к мощному и опасному взрыву.