Страница 60 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1*. Если в опыте с ледяным бруском стальную проволоку заменить капроновой нитью того же диаметра, лёд режется значительно хуже. Чем это можно объяснить?

Это явление объясняется различием в теплопроводности стали и капрона, а также физическим процессом, называемым режеляцией (повторным замерзанием).

Когда проволока или нить с грузами лежит на ледяном бруске, она оказывает на лёд высокое давление, так как её площадь соприкосновения со льдом очень мала. Давление определяется формулой $p = F/S$, где $F$ — сила тяжести грузов, а $S$ — площадь контакта.

Под действием этого высокого давления температура плавления льда понижается. В результате лёд под проволокой начинает таять, образуя тонкий слой воды, даже если окружающая температура равна 0 °C или немного ниже. Проволока опускается в этот слой воды. Вода, которая оказывается над проволокой, больше не испытывает высокого давления. Её давление становится равным атмосферному, и она снова замерзает.

При замерзании воды над проволокой выделяется теплота (теплота кристаллизации). Эта теплота должна быть передана льду под проволокой, чтобы он продолжал таять. Ключевую роль в этой передаче тепла играет сам материал проволоки или нити.

Стальная проволока. Сталь — это металл с очень высокой теплопроводностью. Она является отличным проводником тепла. Поэтому тепло, выделяющееся при замерзании воды сверху, быстро и эффективно передаётся через стальную проволоку ко льду снизу. Это ускоряет его таяние, и проволока относительно быстро прорезает брусок льда.

Капроновая нить. Капрон (вид нейлона) — это полимер, который является плохим проводником тепла, то есть теплоизолятором. Его теплопроводность значительно ниже, чем у стали ($k_{капрон} \ll k_{сталь}$). Из-за этого тепло от замерзающей воды над нитью передаётся ко льду под ней очень медленно. Процесс плавления льда под нитью сильно замедляется, поэтому капроновая нить режет лёд значительно хуже.

Таким образом, решающим фактором в скорости прорезания льда является способность материала (проволоки/нити) проводить тепло, необходимое для плавления.

Ответ: Разница в скорости разрезания льда объясняется тем, что сталь обладает высокой теплопроводностью и эффективно передает тепло от замерзающей воды над проволокой к тающему льду под ней, ускоряя процесс. Капрон, напротив, является плохим проводником тепла (теплоизолятором), что значительно замедляет передачу тепла и, как следствие, процесс плавления льда.

2. Почему морская вода не замерзает при температуре 0 °С?

2. Морская вода, в отличие от пресной, не замерзает при температуре 0 °C, поскольку является раствором солей. Этот эффект, известный как понижение температуры замерзания (или криоскопический эффект), является фундаментальным свойством растворов.

Основных причин две:

1. Наличие растворенных солей. На молекулярном уровне процесс замерзания воды представляет собой образование упорядоченной кристаллической решетки льда, где молекулы $H_2O$ связаны друг с другом водородными связями. Когда в воде растворены соли, такие как хлорид натрия (NaCl), они диссоциируют на ионы (Na⁺ и Cl⁻). Эти ионы распределяются между молекулами воды и физически мешают им сблизиться и выстроиться в правильную структуру кристалла. Для того чтобы преодолеть это препятствие и сформировать лед, системе требуется отдать больше энергии, что соответствует охлаждению до более низкой температуры.

Зависимость понижения температуры замерзания $ΔT_з$ от концентрации растворенного вещества описывается вторым законом Рауля: $ΔT_з = i \cdot K_з \cdot m$, где $i$ — это фактор Вант-Гоффа (количество частиц, на которые распадается вещество в растворе), $K_з$ — криоскопическая константа растворителя (для воды $1.86 \text{ °C·кг/моль}$), а $m$ — моляльная концентрация раствора. Средняя соленость Мирового океана составляет примерно 3.5%, или 35 грамм солей на килограмм воды. При такой концентрации температура замерзания морской воды опускается до -1.9 °C.

2. Особенности плотности. Плотность пресной воды максимальна при +4 °C, поэтому при дальнейшем охлаждении более холодные и менее плотные слои остаются на поверхности, что ускоряет образование льда. У соленой воды, напротив, плотность продолжает расти по мере охлаждения вплоть до точки замерзания. В результате более холодная вода у поверхности становится более плотной и опускается вниз, а ее место занимают более теплые глубинные воды. Этот процесс, называемый конвекцией, эффективно перемешивает воду и препятствует быстрому охлаждению поверхностного слоя до температуры замерзания.

Ответ: Морская вода не замерзает при 0 °C, так как растворенные в ней соли понижают температуру замерзания. Для воды со средней океанической соленостью (3.5%) температура замерзания составляет около -1.9 °C. Присутствие ионов солей мешает молекулам воды формировать кристаллическую структуру льда. Дополнительным фактором является то, что плотность морской воды увеличивается при охлаждении, что вызывает перемешивание воды и замедляет замерзание поверхности.