Страница 59 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Изучите график (см. рис. 31) и опишите процессы, происходящие с водой.

1. Изучите график (см. рис. 31) и опишите процессы, происходящие с водой.

Так как сам график не предоставлен, мы будем исходить из стандартного графика нагревания и фазовых переходов воды, где по оси ординат отложена температура (T), а по оси абсцисс — количество подведенной теплоты (Q) или время нагревания (t).

График можно разделить на пять характерных участков:

• Нагревание льда. Это первый наклонный участок графика. Изначально вещество находится в твердом состоянии (лед) при температуре ниже $0 \text{ °C}$. При сообщении ему энергии его температура растет до точки плавления, равной $0 \text{ °C}$. На этом этапе внутренняя энергия вещества увеличивается за счет роста средней кинетической энергии его молекул.

• Плавление льда. Это первый горизонтальный участок графика, находящийся на уровне $0 \text{ °C}$. Вся подводимая энергия идет на разрушение кристаллической решетки льда, то есть на фазовый переход из твердого состояния в жидкое. Температура при этом не меняется, пока весь лед не превратится в воду. Внутренняя энергия растет за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия молекул.

• Нагревание воды. Это второй наклонный участок. После того как весь лед растаял, подводимая теплота идет на нагревание жидкой воды. Её температура растет от $0 \text{ °C}$ до температуры кипения, которая при нормальном атмосферном давлении составляет $100 \text{ °C}$. Внутренняя энергия снова увеличивается за счет роста средней кинетической энергии молекул.

• Кипение воды (парообразование). Это второй горизонтальный участок на уровне $100 \text{ °C}$. Здесь происходит второй фазовый переход — превращение воды в пар. Вся поступающая энергия расходуется на этот процесс, и температура остается постоянной, пока вся вода не выкипит. Внутренняя энергия растет за счет увеличения потенциальной энергии взаимодействия молекул, так как расстояние между ними значительно увеличивается.

• Нагревание пара. Это третий наклонный участок. Когда вся вода превратилась в пар, дальнейшее подведение тепла приводит к росту температуры пара выше $100 \text{ °C}$. Внутренняя энергия вновь растет за счет увеличения кинетической энергии молекул.

Ответ: График иллюстрирует последовательные процессы: нагревание льда, плавление льда при постоянной температуре, нагревание воды, кипение воды при постоянной температуре и нагревание водяного пара.

2. Какие участки графика соответствуют процессам, в кото-

Вопрос в задании сформулирован не полностью. Если предположить, что вопрос должен был звучать так: "Какие участки графика соответствуют процессам, в которых...
а) внутренняя энергия вещества увеличивается, но его температура не меняется?
б) внутренняя энергия вещества увеличивается вместе с его температурой?" , то ответ будет следующим:

а) внутренняя энергия вещества увеличивается, но его температура не меняется?

Такие процессы соответствуют фазовым переходам, когда подводимая энергия идет на изменение структуры вещества, а не на увеличение скорости движения молекул. На графике это горизонтальные участки.

Ответ: Участок плавления льда (при $T = 0 \text{ °C}$) и участок кипения воды (при $T = 100 \text{ °C}$).

б) внутренняя энергия вещества увеличивается вместе с его температурой?

Такие процессы соответствуют нагреванию вещества в одном агрегатном состоянии. Подводимая энергия увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул, что и является мерой температуры. На графике это наклонные участки.

Ответ: Участок нагревания льда (от начальной температуры до $0 \text{ °C}$), участок нагревания воды (от $0 \text{ °C}$ до $100 \text{ °C}$) и участок нагревания пара (выше $100 \text{ °C}$).

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

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

Процессы, в которых вода получает энергию, соответствуют участкам графика, где температура вещества повышается или происходит фазовый переход из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. К таким процессам относятся:

• Нагревание льда, воды или водяного пара (на графике это наклонные участки с ростом температуры).
• Плавление льда (горизонтальный участок на графике при температуре плавления $0^\circ C$).
• Парообразование (кипение) воды (горизонтальный участок на графике при температуре кипения $100^\circ C$).

Это объясняется тем, что для увеличения внутренней энергии вещества ему необходимо сообщить некоторое количество теплоты ($Q>0$). Внутренняя энергия состоит из кинетической энергии движения молекул (которая связана с температурой) и потенциальной энергии их взаимодействия. При нагревании растет кинетическая энергия молекул, а при плавлении или парообразовании — потенциальная, так как полученная энергия расходуется на разрушение связей между молекулами (кристаллической решетки при плавлении и межмолекулярных связей при кипении).

Процессы, в которых вода отдает энергию, соответствуют участкам графика, где температура вещества понижается или происходит фазовый переход из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. К таким процессам относятся:

• Охлаждение водяного пара, воды или льда (на графике это наклонные участки с падением температуры).
• Конденсация пара (горизонтальный участок на графике при температуре кипения $100^\circ C$).
• Кристаллизация (замерзание) воды (горизонтальный участок на графике при температуре плавления $0^\circ C$).

В этих случаях вещество отдает теплоту в окружающую среду ($Q<0$), его внутренняя энергия уменьшается. При охлаждении уменьшается кинетическая энергия молекул, а при конденсации и кристаллизации уменьшается их потенциальная энергия за счет образования связей между молекулами.

Ответ: Вода получает энергию при нагревании, плавлении и парообразовании. Вода отдает энергию при охлаждении, конденсации и кристаллизации. Это связано с изменением внутренней энергии вещества (кинетической и потенциальной энергии его молекул) при теплообмене с окружающей средой.

3. Почему при плавлении...

(Предполагается, что вопрос звучит так: "Почему при плавлении температура вещества не меняется?")

При плавлении температура вещества (например, льда) не меняется, потому что вся подводимая извне тепловая энергия расходуется не на увеличение средней кинетической энергии молекул (которая и определяет температуру), а на разрушение кристаллической решетки. Молекулы в твердом теле (льде) прочно связаны друг с другом и колеблются около определенных положений равновесия. Чтобы перевести вещество в жидкое состояние, необходимо сообщить молекулам дополнительную энергию, достаточную для преодоления сил притяжения и разрушения этой упорядоченной структуры. Эта энергия увеличивает потенциальную энергию взаимодействия молекул, а не их кинетическую энергию. Пока весь лед не расплавится и не превратится в воду, его температура будет оставаться постоянной и равной температуре плавления ($0^\circ C$ для воды при нормальном атмосферном давлении). Только после завершения фазового перехода дальнейшее подведение тепла будет приводить к росту температуры уже жидкой воды.

Ответ: При плавлении вся подводимая тепловая энергия идет на разрушение кристаллической решетки, то есть на увеличение потенциальной энергии молекул, а не на увеличение их кинетической энергии, поэтому температура вещества остается постоянной до полного завершения процесса.

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

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

Решение

Температура вещества является мерой средней кинетической энергии его молекул. То есть, чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура. Однако при фазовых переходах, таких как плавление и отвердевание (кристаллизация), ситуация меняется.

В процессе плавления или отвердевания вся получаемая или отдаваемая веществом энергия идёт не на изменение скорости движения молекул, а на изменение их взаимного расположения и сил взаимодействия, то есть на изменение их потенциальной энергии.

Рассмотрим оба процесса подробнее:

1. Плавление льда.

Когда лёд, имеющий температуру 0°C, получает тепло извне, эта энергия не увеличивает скорость колебания молекул воды в кристаллической решётке. Вместо этого вся энергия расходуется на разрушение этой жёсткой кристаллической структуры. Молекулы освобождаются от прочных связей и получают возможность двигаться более свободно, что характерно для жидкого состояния. Этот процесс требует поглощения определённого количества энергии, которое называется теплотой плавления. Количество теплоты $ Q $, необходимое для плавления массы $ m $, равно $ Q = \lambda m $, где $ \lambda $ — удельная теплота плавления льда. Пока весь лёд не превратится в воду, температура смеси льда и воды будет оставаться постоянной и равной 0°C.

2. Отвердевание (кристаллизация) воды.

Это процесс, обратный плавлению. Когда жидкая вода охлаждается до 0°C, для её превращения в лёд необходимо отводить тепло. В процессе замерзания молекулы воды замедляют своё движение и начинают выстраиваться в упорядоченную кристаллическую решётку. При образовании связей между молекулами выделяется энергия — та самая, что была поглощена при плавлении. Эта энергия (теплота кристаллизации) отводится в окружающую среду. Пока вся вода не замёрзнет, её температура будет оставаться постоянной и равной 0°C, так как выделяющаяся энергия компенсирует охлаждение.

Таким образом, постоянство температуры при плавлении и отвердевании объясняется тем, что вся энергия тратится на изменение внутреннего строения вещества (фазовый переход), а не на изменение кинетической энергии его частиц.

Ответ: При плавлении и отвердевании температура не меняется, потому что вся подводимая (при плавлении) или отводимая (при отвердевании) энергия расходуется на изменение агрегатного состояния вещества — на разрушение или образование связей в кристаллической решётке, — а не на изменение средней кинетической энергии его молекул, которая и определяет температуру.

1. Объясните, какие энергетические преобразования наблюдаются при отвердевании воды.

1. Решение

Отвердевание воды, также известное как кристаллизация или замерзание, представляет собой фазовый переход вещества из жидкого агрегатного состояния в твёрдое. Этот процесс происходит при постоянной температуре (температуре кристаллизации, для воды это $0^\circ\text{C}$ при нормальном давлении) и сопровождается выделением энергии в окружающую среду.

Энергетические преобразования при этом процессе можно описать следующим образом:

1. В жидком состоянии молекулы воды обладают как кинетической энергией (энергией движения), так и потенциальной энергией (энергией взаимодействия друг с другом). Сумма этих энергий составляет внутреннюю энергию воды.

2. При охлаждении воды до температуры замерзания её внутренняя энергия уменьшается за счет снижения средней кинетической энергии молекул — они начинают двигаться медленнее.

3. В момент начала отвердевания температура перестаёт падать. Молекулы воды начинают выстраиваться в упорядоченную структуру — кристаллическую решётку льда. В этой решётке молекулы связаны друг с другом более прочными силами, чем в жидком состоянии. Формирование этих связей приводит к уменьшению потенциальной энергии системы молекул.

4. Согласно закону сохранения энергии, уменьшение потенциальной энергии молекул сопровождается выделением эквивалентного количества энергии во внешнюю среду. Эта энергия выделяется в виде тепла и называется теплотой кристаллизации. Количество выделившегося тепла $Q$ при кристаллизации массы $m$ вещества рассчитывается по формуле: $Q = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ — удельная теплота плавления (кристаллизации) воды.

Следовательно, ключевое энергетическое преобразование при отвердевании воды — это переход потенциальной энергии взаимодействия молекул во внутреннюю энергию окружающей среды (тепло). При этом средняя кинетическая энергия молекул (а значит, и температура) в ходе самого фазового перехода остаётся неизменной.

Ответ: При отвердевании воды происходит уменьшение её внутренней энергии. Конкретно, потенциальная энергия взаимодействия молекул преобразуется в тепловую энергию, которая выделяется в окружающую среду. Этот процесс происходит при постоянной температуре.

2. Как показать, что стекло — тело аморфное, а поваренная соль — тело кристаллическое?

Чтобы экспериментально доказать, что стекло является аморфным телом, а поваренная соль — кристаллическим, можно воспользоваться их фундаментальными различиями в физических свойствах, которые напрямую следуют из их внутреннего строения. Основные методы основаны на наблюдении за процессом плавления и изучении формы излома.

Способ 1: Наблюдение за процессом плавления

Ключевое различие между кристаллическими и аморфными телами заключается в их поведении при нагревании.

Кристаллические тела, такие как поваренная соль (хлорид натрия, $NaCl$), имеют строго упорядоченную внутреннюю структуру — кристаллическую решетку. Для того чтобы разрушить эту решетку и перевести вещество в жидкое состояние, требуется определенное количество энергии, которое подводится при строго определенной температуре — температуре плавления. Если нагревать поваренную соль, она будет оставаться твердой до тех пор, пока не достигнет температуры плавления $T_{пл} = 801^\circ C$. При этой температуре соль начнет плавиться, и пока весь кристалл не превратится в жидкость, температура системы «кристалл-жидкость» меняться не будет.

Аморфные тела, такие как стекло, не имеют кристаллической решетки. Их структура неупорядочена и напоминает структуру очень вязкой, застывшей жидкости. При нагревании аморфные тела не плавятся при определенной температуре. Вместо этого они постепенно размягчаются в некотором интервале температур, их вязкость уменьшается, и они переходят в жидкотекучее состояние плавно. Если нагревать стеклянную палочку, она сначала станет пластичной, ее можно будет гнуть, и лишь при дальнейшем повышении температуры она станет жидкой.

Таким образом, проведя эксперимент по нагреванию образцов соли и стекла, можно зафиксировать наличие четкой температуры плавления у соли и ее отсутствие у стекла.

Ответ: Наличие у поваренной соли строгой температуры плавления доказывает ее кристаллическое строение, в то время как постепенное размягчение стекла в широком диапазоне температур доказывает его аморфную природу.

Способ 2: Изучение формы и излома

Внутренняя структура тел проявляется также в их внешнем виде и в том, как они разрушаются.

Кристаллы поваренной соли, если рассмотреть их под увеличением, имеют характерную кубическую форму. Это проявление их внутренней кубической кристаллической решетки. Если расколоть крупный кристалл соли, он распадется на более мелкие фрагменты, которые также будут иметь плоские грани, расположенные под прямыми углами. Это свойство называется спайностью — способностью кристалла раскалываться по определенным плоскостям.

Стекло, будучи аморфным телом, изотропно, то есть его свойства одинаковы по всем направлениям. У него нет «слабых» плоскостей, по которым мог бы произойти раскол. Поэтому при разрушении куска стекла образуются осколки неправильной формы с острыми краями и характерными раковистыми (конхоидальными) изломами.

Сравнив осколки соли и стекла, можно увидеть принципиальную разницу: у соли излом плоский и упорядоченный, а у стекла — хаотичный и криволинейный.

Ответ: Правильная геометрическая форма кристаллов соли и ее способность раскалываться по плоским граням указывают на кристаллическую структуру. Неправильная форма осколков стекла с раковистым изломом свидетельствует о его аморфном строении.

1. Меняется ли в процессе плавления кинетическая энергия частиц цинка; потенциальная энергия? Ответ обоснуйте.

Кинетическая энергия

Процесс плавления кристаллического вещества, такого как цинк, происходит при постоянной температуре, которая называется температурой плавления. Средняя кинетическая энергия частиц вещества является мерой его температуры. Поскольку температура цинка в процессе плавления не меняется ($T = const$), то средняя скорость теплового движения его частиц также остается постоянной. Следовательно, средняя кинетическая энергия частиц цинка в процессе плавления не изменяется.

Ответ: в процессе плавления кинетическая энергия частиц цинка не меняется.

Потенциальная энергия

Во время плавления к телу непрерывно подводится тепловая энергия (так называемая теплота плавления). Так как температура вещества остается постоянной, эта энергия не расходуется на увеличение кинетической энергии частиц. Вместо этого вся подводимая энергия идет на разрушение кристаллической решетки, то есть на преодоление сил взаимного притяжения между частицами в твердом теле. В результате этого разрушения среднее расстояние между частицами увеличивается. Потенциальная энергия взаимодействия частиц как раз и зависит от расстояния между ними. При увеличении расстояния между частицами их потенциальная энергия возрастает. Таким образом, внутренняя энергия цинка ($U = E_k + E_p$) в процессе плавления увеличивается именно за счет роста потенциальной энергии его частиц.

Ответ: в процессе плавления потенциальная энергия частиц цинка увеличивается.

2. Продолжите график изменения температуры олова с течением времени (рис. 32) при условии, что далее происходит кристаллизация олова и его остывание до первоначальной температуры.

Решение

Представленный на рисунке 32 график показывает зависимость температуры олова от времени. Проанализируем его и продолжим в соответствии с условием задачи.

1. Нагревание твердого олова. Первый участок графика — это наклонная прямая, идущая вверх. Она показывает, что температура олова равномерно повышается с течением времени. Процесс начинается при начальной температуре $t_{нач} = 20~\text{°C}$ и продолжается до тех пор, пока температура не достигнет $t_{пл} = 232~\text{°C}$.

2. Плавление олова. Второй участок — горизонтальная линия на уровне $t = 232~\text{°C}$. Эта температура является температурой плавления олова. На этом этапе олово поглощает теплоту (энергию), но его температура не меняется, так как вся энергия идет на разрушение кристаллической решетки, то есть на переход из твердого состояния в жидкое.

Согласно условию, далее необходимо показать процессы кристаллизации и остывания.

3. Кристаллизация олова. Кристаллизация (или отвердевание) — это процесс, обратный плавлению. Для кристаллических веществ он происходит при той же температуре, что и плавление. Таким образом, жидкое олово будет отвердевать при постоянной температуре $t_{крист} = 232~\text{°C}$. В это время вещество отдает энергию в окружающую среду. На графике этот процесс будет изображен в виде горизонтального участка, продолжающего линию плавления на уровне $t = 232~\text{°C}$.

4. Остывание твердого олова. После того как все олово затвердеет, его температура начнет понижаться. По условию, олово остывает до первоначальной температуры, то есть до $t_{кон} = 20~\text{°C}$. Этот процесс на графике будет изображен в виде наклонной прямой, идущей вниз от точки, где закончилась кристаллизация (при $t = 232~\text{°C}$), до уровня $t = 20~\text{°C}$.

Ответ:

Продолжение графика будет состоять из двух участков:

1. Горизонтальная линия на уровне температуры $232~\text{°C}$, соответствующая процессу кристаллизации олова.
2. Наклонная линия, идущая вниз от $232~\text{°C}$ до $20~\text{°C}$, соответствующая процессу остывания твердого олова.

Итоговый график, включающий все четыре процесса (нагревание, плавление, кристаллизация и остывание), будет выглядеть следующим образом:

3. Наблюдали ли вы, что весной во время ледохода около реки холоднее, чем вдали от неё? Проанализируйте это явление, чтобы понять и объяснить превращения энергии, происходящие при плавлении.

Решение

Да, действительно, весной во время ледохода около реки ощутимо холоднее, чем на расстоянии от нее. Это явление напрямую связано с физическим процессом плавления льда и происходящими при этом энергетическими превращениями.

Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Для того чтобы лед начал таять, ему необходимо сообщить определенное количество теплоты. Этот процесс происходит при постоянной температуре, которая для льда составляет 0 °C (при нормальном атмосферном давлении).

Энергия, которую поглощает лед во время таяния, называется теплотой плавления. Она рассчитывается по формуле: $Q = \lambda \cdot m$, где $Q$ — количество теплоты, $\lambda$ (лямбда) — удельная теплота плавления льда (постоянная величина, равная $3,3 \cdot 10^5$ Дж/кг), а $m$ — масса плавящегося льда.

Ключевой момент заключается в том, куда расходуется эта поглощаемая энергия. Она не идет на увеличение кинетической энергии молекул воды (что привело бы к росту температуры), а полностью затрачивается на разрушение кристаллической решетки льда. В твердом состоянии (лед) молекулы воды прочно связаны друг с другом и образуют упорядоченную структуру. Поступающая извне энергия разрывает эти связи, увеличивая потенциальную энергию взаимодействия молекул. В результате молекулы получают возможность двигаться более свободно, и вещество переходит в жидкое состояние (воду), но его температура при этом не меняется, пока весь лед не растает.

Во время ледохода на реке находится огромное количество льда. Для его таяния требуется колоссальное количество тепловой энергии. Эту энергию лед забирает из окружающей среды — в основном, из более теплого весеннего воздуха. Воздух, контактирующий с поверхностью реки и льдин, отдает свое тепло на процесс плавления. В результате этого интенсивного теплообмена температура воздуха вблизи реки значительно понижается. Чем дальше от реки, тем слабее это влияние, и температура воздуха остается выше.

Таким образом, около реки становится холоднее, потому что плавящийся лед действует как гигантский "охладитель", активно поглощая тепловую энергию из прилегающих слоев атмосферы.

Ответ: Весной во время ледохода около реки холоднее, потому что процесс плавления льда является эндотермическим, то есть требует поглощения большого количества теплоты из окружающей среды. Лед забирает тепловую энергию из прилегающего воздуха, чтобы разрушить свою кристаллическую структуру и перейти в жидкое состояние. Эта энергия идет на увеличение потенциальной энергии молекул, а не на повышение температуры. В результате интенсивного поглощения тепла воздух над рекой и вблизи нее охлаждается.

4*. Почему при изменении атмосферного давления изменяется температура плавления?

Температура плавления — это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое. В этой точке твердая и жидкая фазы вещества находятся в состоянии термодинамического равновесия. Внешнее давление, в том числе и атмосферное, влияет на это равновесие. Согласно принципу Ле Шателье, при увеличении внешнего давления равновесие смещается в сторону состояния с меньшим объемом. Поэтому характер изменения температуры плавления зависит от того, как меняется объем вещества при переходе из твердого состояния в жидкое.

Можно выделить два принципиально разных случая.

Вещества, расширяющиеся при плавлении

Большинство кристаллических веществ (например, металлы, парафин, нафталин) при плавлении увеличивают свой объем. Жидкая фаза у них имеет меньшую плотность, чем твердая. Для таких веществ повышение внешнего давления затрудняет плавление, поскольку оно препятствует расширению. Чтобы преодолеть это дополнительное противодействие, веществу необходимо сообщить больше энергии, то есть нагреть его до более высокой температуры. Таким образом, у веществ, которые расширяются при плавлении, температура плавления повышается с ростом давления.

Вещества, сжимающиеся при плавлении

Некоторые вещества, наиболее известным из которых является вода, а также висмут, галлий и чугун, ведут себя иначе. При плавлении их объем уменьшается (например, лед занимает больший объем и имеет меньшую плотность, чем вода, из которой он образовался). В этом случае повышение внешнего давления, наоборот, способствует процессу плавления, так как оно "помогает" веществу перейти в состояние с меньшим объемом (в жидкую фазу). Следовательно, для плавления требуется меньше тепловой энергии. Поэтому у веществ, которые сжимаются при плавлении, температура плавления понижается с ростом давления. Например, под лезвием конька, создающим высокое давление, температура плавления льда становится ниже $0^\circ\text{C}$, что способствует скольжению.

Зависимость температуры плавления от давления количественно описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса:

$\frac{dT_{пл}}{dp} = \frac{T_{пл}(V_{ж} - V_{тв})}{L_{пл}}$

где $T_{пл}$ — температура плавления, $p$ — давление, $V_{ж}$ и $V_{тв}$ — удельные объемы вещества в жидкой и твердой фазах соответственно, а $L_{пл}$ — удельная теплота плавления. Знак производной $\frac{dT_{пл}}{dp}$ полностью определяется знаком разности объемов $(V_{ж} - V_{тв})$, что и объясняет два описанных выше случая.

Ответ: Температура плавления изменяется с изменением атмосферного давления, потому что внешнее давление влияет на фазовый переход "твердое тело - жидкость". Если вещество при плавлении расширяется (как большинство веществ), то повышение давления мешает этому процессу, и для плавления требуется более высокая температура. Если же вещество при плавлении сжимается (как вода), то повышение давления, наоборот, способствует переходу в более плотное жидкое состояние, и температура плавления понижается.