Страница 72 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Что можно сказать об изменении температуры воздуха ночью, если утром выпала роса?

2. Выпадение росы является прямым свидетельством того, что температура воздуха в течение ночи понижалась. Этот процесс объясняется явлением конденсации водяного пара.

В атмосфере всегда присутствует вода в газообразном состоянии — водяной пар. Максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры: чем выше температура, тем больше влаги может удержать воздух.

Ночью, при отсутствии солнечного света, поверхность Земли и предметы на ней (например, трава, листья деревьев) начинают остывать за счет теплового излучения. Вместе с ними остывает и прилегающий к ним слой воздуха.

По мере охлаждения воздуха его способность удерживать водяной пар уменьшается, а относительная влажность, наоборот, растет. Когда температура воздуха достигает определенного значения, называемого точкой росы, воздух становится насыщенным водяным паром (относительная влажность достигает 100%).

При дальнейшем понижении температуры ниже точки росы, «излишки» водяного пара больше не могут оставаться в газообразном состоянии и переходят в жидкое — конденсируются. Этот сконденсировавшийся пар в виде мелких капелек воды оседает на охлажденных поверхностях, образуя росу.

Таким образом, наличие росы утром однозначно указывает на то, что ночная температура воздуха опускалась до точки росы или ниже этого значения.

Ответ: Если утром выпала роса, это означает, что ночью температура воздуха понижалась до тех пор, пока не достигла значения, называемого точкой росы. При этой температуре (и ниже) содержащийся в воздухе водяной пар начал конденсироваться, превращаясь в капли воды на поверхностях.

3. В каких местах — сухих или более влажных (вблизи водоёма) — чаще всего наблюдаются туманы? Почему?

Туманы чаще всего наблюдаются в более влажных местах, особенно вблизи водоёмов, таких как реки, озёра, болота или моря. В сухих местах туманы — явление крайне редкое.

Это происходит по следующей причине. Туман — это, по сути, облако, находящееся у самой поверхности земли. Он состоит из мельчайших капелек воды или кристалликов льда, взвешенных в воздухе. Образование тумана связано с процессом конденсации — переходом водяного пара, невидимого газа, в жидкое состояние (капельки воды).

Для того чтобы началась конденсация, необходимо выполнение двух основных условий:

1. Воздух должен быть насыщен водяным паром (его относительная влажность должна достигнуть 100%).
2. Воздух должен охладиться до определённой температуры, называемой «точкой росы». Точка росы — это температура, при которой пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

Рассмотрим, как эти условия выполняются в разных местах:

• Во влажных местах (вблизи водоёма): Над поверхностью воды постоянно происходит испарение, поэтому воздух здесь уже содержит большое количество водяного пара, то есть имеет высокую влажность. Ночью или в холодную погоду земля и воздух над ней быстро остывают. Когда температура влажного воздуха опускается до точки росы, «излишки» водяного пара начинают конденсироваться на микроскопических частицах пыли или соли, образуя крошечные капельки воды. Скопление этих капелек мы и видим как туман. Поскольку источник влаги (водоём) находится рядом, туман может быть густым и продолжительным.
• В сухих местах: В воздухе содержится очень мало водяного пара. Чтобы этот воздух достиг насыщения и началась конденсация, его нужно охладить до очень низкой температуры. Такое сильное похолодание случается редко. Кроме того, даже если оно произойдёт, малого количества влаги в воздухе будет недостаточно для образования плотного, заметного тумана.

Таким образом, близость к водоёму обеспечивает главный компонент для образования тумана — высокую влажность воздуха, что делает процесс конденсации при охлаждении гораздо более вероятным.

Ответ: Туманы чаще всего наблюдаются в более влажных местах, например, вблизи водоёмов. Это связано с тем, что для образования тумана необходима высокая концентрация водяного пара в воздухе. Водоёмы являются постоянным источником испарения, насыщая воздух влагой. При последующем охлаждении воздуха (например, ночью) водяной пар конденсируется в мельчайшие капли воды, образуя туман. В сухих местах влаги в воздухе недостаточно для этого процесса.

4. Какова роль росы в жизни растений?

Роса представляет собой капли воды, которые образуются на поверхности земли, растений и других предметов в результате конденсации водяного пара из воздуха. Этот процесс обычно происходит ночью, когда температура поверхности падает ниже точки росы. Для растений роса играет несколько важных ролей, как положительных, так и отрицательных.

Источник влаги

В засушливых и полузасушливых климатических зонах роса является жизненно важным дополнительным источником воды. Растения способны поглощать влагу не только через корневую систему, но и непосредственно через поверхность листьев (этот процесс называется фолиарным поглощением). Для многих видов, произрастающих в пустынях и степях, утренняя роса может быть основным источником воды, позволяющим им пережить длительные периоды без дождей. Она помогает поддерживать тургор (внутреннее давление в клетках), необходимый для нормальной жизнедеятельности.

Снижение потери воды (транспирации)

Слой росы на листьях увеличивает влажность воздуха в непосредственной близости от поверхности листа. Это снижает разницу в концентрации водяных паров между внутренней частью листа (где влажность близка к 100%) и окружающим воздухом. В результате интенсивность транспирации — испарения воды через устьица — уменьшается. Это помогает растению сохранять внутренние запасы воды, особенно в утренние часы, когда солнце начинает пригревать, а влага еще не испарилась.

Очищение поверхности листьев

Капли росы смывают с листьев пыль, мелкие частицы загрязнителей и споры микроорганизмов. Чистая поверхность листа более эффективно поглощает солнечный свет, что повышает интенсивность фотосинтеза. Кроме того, очищенные устьица обеспечивают лучший газообмен с атмосферой (поглощение углекислого газа и выделение кислорода).

Терморегуляция

Испарение росы с поверхности листьев под действием солнечных лучей требует затрат энергии, что приводит к охлаждению листа. Этот эффект может защитить растение от перегрева и теплового стресса в жаркие утренние часы.

Негативное влияние

Несмотря на многочисленные преимущества, роса может оказывать и негативное воздействие. Длительное наличие влаги на поверхности листьев создает идеальные условия для развития многих патогенных грибов и бактерий. Такие болезни, как мучнистая роса, фитофтороз, серая гниль, часто развиваются именно при высокой влажности, поддерживаемой росой.

Ответ: Роса играет многогранную роль в жизни растений: она служит дополнительным источником влаги, особенно в засушливых регионах; снижает потерю воды за счет уменьшения транспирации; очищает поверхность листьев от пыли, улучшая фотосинтез и газообмен; и участвует в терморегуляции, охлаждая листья при испарении. Однако постоянная влажность от росы может способствовать развитию грибковых и бактериальных заболеваний.

5. Почему на берегу моря выстиранное бельё сохнет дольше, чем вдали от него?

5. Процесс высыхания белья — это испарение воды с поверхности ткани в окружающий воздух. Скорость этого процесса напрямую зависит от нескольких факторов, ключевым из которых в данном случае является относительная влажность воздуха.

Относительная влажность показывает, насколько воздух насыщен водяным паром по сравнению с максимально возможным количеством при данной температуре. Чем ниже влажность, тем больше "свободного места" в воздухе для новых молекул воды и, соответственно, тем интенсивнее происходит испарение.

На берегу моря или любого другого крупного водоёма воздух всегда имеет высокую относительную влажность. Это происходит потому, что вода с огромной поверхности моря непрерывно испаряется, насыщая прибрежный воздух водяными парами. Такой влажный воздух может принять в себя лишь небольшое дополнительное количество влаги.

Вдали от моря, особенно в континентальных районах, воздух, как правило, значительно суше, то есть его относительная влажность ниже. Сухой воздух активно поглощает влагу, что значительно ускоряет процесс испарения воды с мокрого белья.

Таким образом, из-за высокой влажности воздуха на берегу моря испарение воды с поверхности выстиранного белья происходит медленнее, чем вдали от моря, где воздух суше.

Ответ: На берегу моря воздух более влажный из-за постоянного испарения воды с поверхности моря. Чем выше влажность воздуха, тем медленнее происходит процесс испарения, поэтому бельё сохнет дольше.

6. Если на мокрую рубашку в комнате направить поток воздуха от вентилятора, то она высохнет намного быстрее. Объясните механизм этого явления. Поможет ли вентилятор, если относительная влажность воздуха будет $100\%$?

Объясните механизм этого явления.

Процесс высыхания рубашки — это испарение, то есть переход молекул воды с поверхности ткани в окружающий воздух. Скорость испарения зависит от нескольких факторов, включая температуру, площадь поверхности и влажность окружающего воздуха.

В неподвижном воздухе над поверхностью мокрой рубашки быстро образуется тонкий слой воздуха, насыщенный водяным паром. В этом слое достигается динамическое равновесие: число молекул воды, покидающих ткань (испарение), становится равным числу молекул, возвращающихся из воздуха обратно на ткань (конденсация). В результате чистое испарение замедляется или практически прекращается.

Вентилятор создает принудительную конвекцию — направленный поток воздуха. Этот поток сдувает слой воздуха, насыщенный влагой, от поверхности рубашки. На его место поступает новый, менее влажный (более сухой) воздух из комнаты. Поскольку этот новый воздух не насыщен паром, он может принять в себя новые молекулы воды, и процесс испарения возобновляется с высокой скоростью. Вентилятор постоянно поддерживает этот обмен, не давая воздуху у поверхности ткани насытиться.

Таким образом, механизм ускорения высыхания заключается в постоянном удалении влажного воздуха от поверхности ткани и замене его на более сухой, что поддерживает высокий градиент концентрации водяного пара и, как следствие, высокую скорость испарения.

Ответ: Вентилятор ускоряет высыхание, так как сдувает с поверхности ткани слой воздуха, насыщенный водяным паром, и заменяет его более сухим воздухом, что поддерживает высокую скорость испарения.

Поможет ли вентилятор, если относительная влажность воздуха будет 100%?

Относительная влажность 100% означает, что воздух уже максимально насыщен водяным паром при данной температуре. В таких условиях парциальное давление водяного пара в воздухе равно давлению насыщенного пара. Это значит, что воздух больше не может принимать в себя влагу.

При 100% влажности между мокрой поверхностью и воздухом устанавливается динамическое равновесие: скорость испарения воды с рубашки равна скорости конденсации пара из воздуха на рубашку. В результате количество воды на рубашке не уменьшается, то есть она не сохнет.

Вентилятор в этой ситуации будет просто перемещать воздух, который уже насыщен влагой. Замена одного объема насыщенного воздуха на другой такой же насыщенный воздух не изменит условий для испарения. Процесс высыхания не начнется.

Ответ: Нет, вентилятор не поможет. При 100% относительной влажности воздух уже насыщен водяным паром и не может принять дополнительную влагу, поэтому испарение с поверхности рубашки происходить не будет.

7. Какова относительная влажность воздуха, если при температуре 20 °С абсолютная влажность воздуха равна $11,8 \cdot 10^{-3} \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$?

Дано:

Температура воздуха: $t = 20 \space °C$

Абсолютная влажность воздуха: $\rho = 11,8 \cdot 10^{-3} \space \frac{кг}{м^3}$

Найти:

Относительная влажность воздуха: $\phi$

Решение:

Относительная влажность воздуха $\phi$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $\rho$ (фактической плотности водяного пара) к плотности насыщенного водяного пара $\rho_0$ при данной температуре, выраженное в процентах.

Формула для расчета относительной влажности имеет вид:

$\phi = \frac{\rho}{\rho_0} \cdot 100\%$

Для нахождения относительной влажности нам необходимо знать плотность насыщенного водяного пара при температуре $20 \space °C$. Это значение является табличной величиной.

Из справочных таблиц находим, что плотность насыщенного водяного пара при температуре $t = 20 \space °C$ составляет:

$\rho_0 = 17,3 \space \frac{г}{м^3} = 17,3 \cdot 10^{-3} \space \frac{кг}{м^3}$

Теперь, имея все необходимые данные, мы можем рассчитать относительную влажность, подставив значения в формулу:

$\phi = \frac{11,8 \cdot 10^{-3} \space \frac{кг}{м^3}}{17,3 \cdot 10^{-3} \space \frac{кг}{м^3}} \cdot 100\%$

Сократим $10^{-3}$ и единицы измерения, после чего произведем вычисление:

$\phi = \frac{11,8}{17,3} \cdot 100\% \approx 0,68208 \cdot 100\% \approx 68,2\%$

Ответ: относительная влажность воздуха равна примерно $68,2\%$.

8. Чему равна относительная влажность в комнате при температуре $20^\circ\text{C}$, если показания влажного термометра психрометра равны:

a) $16 ^\circ\text{C}$;

б) $20 ^\circ\text{C}$;

в) $19^\circ\text{C}$?

Для определения относительной влажности воздуха ($\phi$) по показаниям психрометра необходимо найти разность показаний сухого термометра ($T_{сух}$), который показывает температуру в комнате, и влажного термометра ($T_{вл}$). Затем, используя психрометрическую таблицу, находят искомое значение влажности.

Дано:

Температура сухого термометра $T_{сух} = 20 \,^{\circ}\text{C}$

(Для решения данной задачи перевод в систему СИ не требуется, так как стандартные психрометрические таблицы составлены для температур в градусах Цельсия).

Найти:

Относительную влажность воздуха $\phi$ для каждого случая.

Решение:

а)

В этом случае показания влажного термометра $T_{вл} = 16 \,^{\circ}\text{C}$.

1. Сначала вычислим разность показаний сухого и влажного термометров:

$\Delta T = T_{сух} - T_{вл} = 20 \,^{\circ}\text{C} - 16 \,^{\circ}\text{C} = 4 \,^{\circ}\text{C}$

2. По психрометрической таблице находим относительную влажность на пересечении строки "Показания сухого термометра", равной 20 °C, и столбца "Разность показаний сухого и влажного термометров", равной 4 °C. Это значение составляет 64 %.

Ответ: относительная влажность в комнате равна 64 %.

б)

В этом случае показания влажного термометра $T_{вл} = 20 \,^{\circ}\text{C}$.

1. Вычислим разность показаний сухого и влажного термометров:

$\Delta T = T_{сух} - T_{вл} = 20 \,^{\circ}\text{C} - 20 \,^{\circ}\text{C} = 0 \,^{\circ}\text{C}$

2. Когда разность температур равна нулю, это означает, что испарение с влажной ткани термометра не происходит, так как воздух уже максимально насыщен водяным паром. По психрометрической таблице для $\Delta T = 0 \,^{\circ}\text{C}$ относительная влажность всегда составляет 100 % при любой температуре сухого термометра.

Ответ: относительная влажность в комнате равна 100 %.

в)

В этом случае показания влажного термометра $T_{вл} = 19 \,^{\circ}\text{C}$.

1. Вычислим разность показаний сухого и влажного термометров:

$\Delta T = T_{сух} - T_{вл} = 20 \,^{\circ}\text{C} - 19 \,^{\circ}\text{C} = 1 \,^{\circ}\text{C}$

2. По психрометрической таблице находим относительную влажность на пересечении строки, соответствующей 20 °C, и столбца, соответствующего разности в 1 °C. Это значение равно 90 %.

Ответ: относительная влажность в комнате равна 90 %.

ЗАДАНИЕ

1*. Возьмите шприц, наполненный горячей водой так, чтобы и маленького пузырька воздуха не было под поршнем (рис. 36, а). Заткните отверстие шприца пальцем и выдвигайте поршень. Что образуется в пространстве между водой и поршнем? Опишите ваши ощущения во время этого опыта. Постарайтесь запомнить, как менялась сила, с которой надо было вытаскивать поршень.

Повторите эксперимент, используя вместо воды такой же объём воздуха (рис. 36, б). Удалось ли вам обнаружить разницу в ощущениях? Попробуйте объяснить результат.

Рис. 36

Что образуется в пространстве между водой и поршнем? Опишите ваши ощущения во время этого опыта. Постарайтесь запомнить, как менялась сила, с которой надо было вытаскивать поршень.

Когда поршень шприца с горячей водой выдвигается, объем над поверхностью воды увеличивается. Это приводит к резкому падению давления в этом пространстве. Поскольку вода горячая, она имеет высокое давление насыщенного пара. Как только давление над жидкостью становится ниже давления ее насыщенного пара при данной температуре, вода начинает интенсивно испаряться (закипает при пониженном давлении). Таким образом, пространство между водой и поршнем заполняется водяным паром.

Во время опыта ощущается значительное сопротивление движению поршня. Сила, которую нужно прикладывать, чтобы выдвигать поршень, практически постоянна на всем протяжении его движения (пока в шприце есть вода). Это связано с тем, что сила сопротивления создается разностью между внешним атмосферным давлением $P_{атм}$ и давлением насыщенного пара $P_{п}$ внутри шприца. Так как при постоянной температуре $P_{п}$ является постоянной величиной, то и сила $F = (P_{атм} - P_{п}) \cdot S$ (где $S$ — площадь поршня) остается практически неизменной.

Ответ: В пространстве между водой и поршнем образуется водяной пар. При выдвижении поршня ощущается значительная, почти постоянная по величине сила сопротивления.

Повторите эксперимент, используя вместо воды такой же объём воздуха (рис. 36, б). Удалось ли вам обнаружить разницу в ощущениях? Попробуйте объяснить результат.

Да, разница в ощущениях очень заметна. В эксперименте с воздухом поршень вначале выдвигается очень легко. По мере его выдвижения сила, которую необходимо прикладывать, возрастает. В отличие от опыта с водой, где сила сопротивления была большой и постоянной с самого начала, в опыте с воздухом она нарастает постепенно.

Это объясняется различиями в свойствах жидкостей и газов.

Воздух, как и любой газ, легко сжимаем и расширяется, стремясь занять весь предоставленный ему объем. Когда мы выдвигаем поршень, объем, занимаемый воздухом, увеличивается. Согласно закону Бойля–Мариотта, при постоянной температуре произведение давления газа на его объем остается постоянным ($P \cdot V = const$). Следовательно, при увеличении объема $V$ давление воздуха $P$ внутри шприца уменьшается. Сила сопротивления $F = (P_{атм} - P) \cdot S$ растет, так как внутреннее давление $P$ падает по мере выдвижения поршня.

Вода же, как и большинство жидкостей, практически несжимаема. Она не расширяется, чтобы заполнить образующееся пространство. Это пространство заполняется ее паром, давление которого (давление насыщенного пара) постоянно при постоянной температуре. Поэтому и сила сопротивления в опыте с водой была постоянной.

Ответ: Да, разница в ощущениях существенна. С воздухом поршень тянуть вначале легко, но сопротивление нарастает. С горячей водой сопротивление большое и практически постоянное. Это объясняется тем, что воздух (газ) расширяется, и его давление падает по мере увеличения объема, а вода (жидкость) испаряется, создавая постоянное давление насыщенного пара.

2. Изготовьте волосной гигрометр. Правильнее назвать его гигроскопом.

Для этого закрепите на листе картона или фанеры с помощью булавки лёгкую стрелку из тонкого картона, как показано на рисунке 37.

Прикрепите с помощью клея или пластилина волос длиной приблизительно 10 см, предварительно протёртый одеколоном для обезжиривания, к стрелке в точке $A$ и к картону в точке $B$ (см. рис. 37). Шкала должна быть нарисована заранее. Ваш гигроскоп готов. Проверьте его действие.

Вертикально поставьте прибор над батареей около окна. Отметьте положение стрелки. Теперь включите в ванной горячий душ и через несколько минут (лучше это сделать, когда запотеет зеркало в ванной) внесите туда прибор. Отметьте перемещение стрелки. Если оно слишком мало, то чувствительность прибора можно увеличить, переместив точку крепления ближе к оси стрелки.

Рис. 37

В данном задании описывается изготовление и проверка простого прибора для измерения влажности воздуха — волосного гигроскопа (или гигрометра). Принцип его действия основан на свойстве человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от влажности окружающего воздуха.

Принцип действия и проверка гигроскопа

Человеческий волос, особенно обезжиренный, обладает гигроскопичностью — способностью поглощать водяной пар из воздуха. При увеличении относительной влажности воздуха волос впитывает влагу и его длина увеличивается. Наоборот, при уменьшении влажности волос отдает влагу и укорачивается. В предложенной конструкции это свойство используется для приведения в движение стрелки.

Проверка прибора, описанная в задании, состоит из двух этапов:

1. Измерение в сухом воздухе. Когда прибор находится над батареей отопления, воздух вокруг него теплый и, как правило, сухой (имеет низкую относительную влажность). В этих условиях волос отдает влагу и укорачивается. Стрелка занимает начальное положение, которое можно отметить на шкале как соответствующее низкой влажности.

2. Измерение во влажном воздухе. В ванной комнате с включенным горячим душем влажность воздуха значительно повышается, приближаясь к 100%. Это подтверждается конденсацией пара (запотеванием) на более холодной поверхности зеркала. Попадая в такую влажную среду, волос на приборе начинает активно поглощать влагу и удлиняется. Поскольку один конец волоса закреплен неподвижно в точке В, а другой — на стрелке в точке А, удлинение волоса заставит стрелку повернуться вокруг своей оси. Направление поворота будет соответствовать увеличению длины волоса, и стрелка укажет на другое деление шкалы, соответствующее высокой влажности.

Увеличение чувствительности прибора

Чувствительность прибора — это его способность заметно реагировать на небольшие изменения измеряемой величины (в данном случае — влажности, которая приводит к изменению длины волоса). В задании указано, что для увеличения чувствительности точку крепления волоса к стрелке (точка А) нужно переместить ближе к оси вращения стрелки.

Рассмотрим, почему это так. Стрелка представляет собой рычаг, вращающийся вокруг оси. Пусть $L$ — полная длина стрелки (от оси до кончика), а $r$ — расстояние от оси вращения до точки крепления волоса А. Изменение длины волоса на величину $\Delta l$ вызывает поворот стрелки на небольшой угол $\Delta \theta$. Связь между этими величинами можно приблизительно описать формулой для длины дуги:

$\Delta l \approx r \cdot \Delta \theta$

Отсюда угол поворота стрелки:

$\Delta \theta \approx \frac{\Delta l}{r}$

Видимое смещение кончика стрелки по шкале ($\Delta s$) равно произведению длины стрелки на угол поворота (в радианах):

$\Delta s = L \cdot \Delta \theta$

Подставив выражение для угла, получим зависимость смещения кончика стрелки от изменения длины волоса:

$\Delta s \approx L \cdot \frac{\Delta l}{r} = \frac{L}{r} \cdot \Delta l$

Из этой формулы видно, что смещение кончика стрелки $\Delta s$ прямо пропорционально изменению длины волоса $\Delta l$ и обратно пропорционально расстоянию $r$ от оси до точки крепления. Чтобы при том же изменении длины волоса $\Delta l$ получить большее смещение стрелки $\Delta s$ (то есть увеличить чувствительность), необходимо уменьшить знаменатель $r$. Таким образом, перемещение точки А ближе к оси вращения увеличивает чувствительность гигроскопа.

Ответ: При внесении прибора в ванную комнату с повышенной влажностью обезжиренный волос впитывает влагу из воздуха и удлиняется. Это приводит к тому, что волос толкает стрелку, заставляя ее поворачиваться вокруг оси и указывать на большее значение на шкале, соответствующее высокой влажности. Чувствительность прибора можно увеличить, переместив точку крепления волоса к стрелке (точка А) ближе к оси ее вращения. Это связано с принципом рычага: чем меньше расстояние $r$ от оси вращения до точки крепления волоса, тем больше будет угловое смещение стрелки $\Delta \theta$ при заданном изменении длины волоса $\Delta l$, и, следовательно, тем больше будет линейное смещение $\Delta s$ конца длинной стрелки по шкале.