Страница 71 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

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. Нам понадобятся два спиртовых или электронных термометра и легкоиспаряющаяся жидкость, например, спирт или эфир (также подойдет и вода, но эффект будет менее выражен).

1. Разместим два термометра рядом и дождемся, пока они будут показывать одинаковую температуру — температуру окружающего воздуха.
2. Резервуар одного из термометров (ту часть, где находится измеряющее вещество) обернем небольшим кусочком ваты или ткани.
3. Смочим вату спиртом. Второй термометр оставим сухим в качестве контрольного прибора.
4. Будем наблюдать за показаниями обоих термометров. Мы увидим, что показания термометра с влажной ватой начнут быстро уменьшаться, то есть он будет показывать понижение температуры. Показания сухого контрольного термометра останутся без изменений.

Этот опыт наглядно доказывает, что процесс испарения жидкости с поверхности приводит к охлаждению этой поверхности и самой жидкости.

Ответ: Опыт с двумя термометрами, где резервуар одного обернут тканью, смоченной летучей жидкостью (например, спиртом), а другой остается сухим, показывает, что температура первого термометра понижается из-за интенсивного испарения жидкости с его поверхности.

2. Объясните на основе МКТ понижение температуры жидкости.

Понижение температуры жидкости при испарении объясняется на основе положений молекулярно-кинетической теории (МКТ):

• Молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом тепловом движении.
• Кинетические энергии отдельных молекул не одинаковы: в любой момент времени в жидкости есть как «быстрые» молекулы (с энергией выше средней), так и «медленные» (с энергией ниже средней).
• Температура жидкости является мерой средней кинетической энергии всех ее молекул.
• Испарение — это процесс выхода молекул с поверхности жидкости. Чтобы покинуть жидкость, молекула должна преодолеть силы межмолекулярного притяжения со стороны соседних молекул. Для этого ей необходима достаточно большая кинетическая энергия.
• Следовательно, с поверхности жидкости улетают преимущественно самые «быстрые» молекулы, кинетическая энергия которых больше энергии их связи с другими молекулами.
• Поскольку жидкость теряет молекулы с наибольшей энергией, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается.

Уменьшение средней кинетической энергии молекул и означает понижение температуры жидкости. Таким образом, испарение всегда сопровождается охлаждением.

Ответ: В процессе испарения жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, что и приводит к понижению температуры жидкости.

2. Объясните на основе МКТ понижение температуры жидкости при её испарении.

2. Объясните на основе МКТ понижение температуры жидкости при её испарении.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), молекулы в жидкости находятся в непрерывном и хаотическом движении, и их скорости (а следовательно, и кинетические энергии) различны. Температура жидкости является мерой средней кинетической энергии ($\bar{E}_k$) всех её молекул.

Испарение — это процесс, при котором молекулы покидают поверхность жидкости и переходят в газообразное состояние (пар). Для того чтобы вылететь с поверхности, молекула должна преодолеть силы межмолекулярного притяжения со стороны других молекул жидкости. Сделать это могут только те молекулы, чья кинетическая энергия достаточно велика, чтобы совершить работу против сил притяжения.

Таким образом, жидкость покидают самые быстрые, «горячие» молекулы, обладающие наибольшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается. Поскольку температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул, понижение этой энергии приводит к охлаждению жидкости.

Ответ: При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие самой большой кинетической энергией. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, что, согласно МКТ, означает понижение температуры жидкости.

3. Что происходит с молекулами жидкости

(Вопрос, по-видимому, неполный. Ниже дан ответ в предположении, что вопрос относится к процессу испарения.)

В процессе испарения молекулы жидкости, находящиеся у её поверхности, непрерывно и хаотически движутся, сталкиваясь друг с другом. В результате этих столкновений некоторые молекулы приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления сил притяжения со стороны соседних молекул. Эти «быстрые» молекулы отрываются от поверхности жидкости и улетают, превращаясь в молекулы пара. Оставшиеся в жидкости молекулы продолжают двигаться, но их средняя кинетическая энергия становится меньше, так как самые энергичные молекулы покинули жидкость.

Ответ: Во время испарения самые энергичные молекулы у поверхности жидкости преодолевают силы межмолекулярного притяжения и покидают жидкость, переходя в состояние пара.

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

3. В процессе испарения и конденсации происходят фазовые переходы вещества между жидким и газообразным состояниями, что связано с изменением кинетической и потенциальной энергии его молекул.

Испарение — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), который происходит с поверхности жидкости при любой температуре. Молекулы в жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении и обладают разной кинетической энергией. Те молекулы, которые находятся у поверхности и чья кинетическая энергия оказывается достаточной для преодоления сил межмолекулярного притяжения, вылетают из жидкости. В результате жидкость покидают самые "быстрые" молекулы, что приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул. Так как температура является мерой средней кинетической энергии молекул, жидкость при испарении охлаждается. Вылетевшие молекулы становятся молекулами пара, свободно движущимися на больших расстояниях друг от друга.

Конденсация — это обратный процесс, то есть переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Молекулы пара, хаотически двигаясь в пространстве над жидкостью, могут вернуться обратно. При столкновении с поверхностью жидкости (или любой другой поверхностью, например, стенкой сосуда) они могут быть захвачены силами межмолекулярного притяжения и снова стать частью жидкости. В ходе этого процесса молекулы отдают избыточную энергию, которую они имели в виде пара (так называемую скрытую теплоту парообразования). Эта энергия выделяется, что приводит к нагреванию поверхности, на которой происходит конденсация. Испарение и конденсация происходят одновременно. Если скорость испарения превышает скорость конденсации, то количество жидкости уменьшается. Если же скорость конденсации выше, то количество пара в пространстве над жидкостью уменьшается.

Ответ: При испарении самые быстрые молекулы покидают поверхность жидкости, преодолевая межмолекулярное притяжение, и становятся молекулами пара; при этом средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, и жидкость охлаждается. При конденсации молекулы пара, сталкиваясь с поверхностью жидкости или холодной поверхностью, теряют энергию, захватываются силами притяжения и переходят обратно в жидкое состояние, выделяя при этом энергию.

4. Примеры явлений испарения и конденсации в природе, быту и технике.

Примеры испарения: высыхание луж после дождя; высыхание мокрой одежды; испарение пота с поверхности кожи, что обеспечивает охлаждение организма; образование пара при кипении воды в чайнике; испарение воды с поверхности рек, озер и океанов, что является ключевым элементом круговорота воды в природе; распространение запаха духов или освежителя воздуха.

Примеры конденсации: образование росы на траве и листьях прохладным утром; появление капель воды на внешней стороне стакана с холодным напитком; образование тумана и облаков в атмосфере при охлаждении влажного воздуха; запотевание зеркала или окон в ванной комнате во время принятия горячего душа; выпадение дождя, когда сконденсировавшиеся в облаках капли воды становятся достаточно тяжелыми, чтобы упасть на землю.

Ответ: Примеры испарения: высыхание луж, сушка белья, охлаждение тела за счет испарения пота. Примеры конденсации: образование росы, запотевание окон, формирование облаков и тумана.

4. Приведите примеры природных явлений, которые можно объяснить испарением жидкости и конденсацией пара.

4. Испарение и конденсация — это два взаимообратных физических процесса, которые играют ключевую роль во многих явлениях природы. Испарение — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар), который происходит с поверхности жидкости. Конденсация — это обратный процесс, при котором вещество переходит из газообразного состояния в жидкое. Ниже приведены примеры природных явлений, которые объясняются этими процессами.

• Круговорот воды в природе

  Это наиболее масштабный и важный процесс, полностью основанный на испарении и конденсации.

  • Испарение: Под воздействием солнечной энергии вода с поверхности мирового океана, морей, озер, рек и почвы испаряется, превращаясь в водяной пар. Также значительное количество влаги испаряют растения (этот процесс называется транспирацией).
  • Конденсация: Легкий и теплый влажный воздух поднимается в верхние слои атмосферы, где он охлаждается. При достижении определенной температуры (называемой точкой росы) водяной пар начинает конденсироваться, образуя микроскопические капли воды или кристаллы льда. Из скоплений этих капель и кристаллов формируются облака.

  Впоследствии, когда капли или кристаллы в облаках укрупняются и становятся достаточно тяжелыми, они выпадают на землю в виде атмосферных осадков (дождя, снега, града), и цикл повторяется.

• Образование росы и инея

  В ясную ночь поверхность земли и предметы на ней (трава, листья) 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 конденсируется, образуя на поверхностях капельки воды — росу. Если температура поверхности опускается ниже 0 °C, водяной пар переходит непосредственно в твердое состояние (процесс десублимации), образуя кристаллики льда — иней.

• Образование тумана

  Туман представляет собой, по сути, облако, которое сформировалось у самой поверхности земли. Он возникает, когда приземный слой воздуха охлаждается до точки росы. В результате водяной пар, находящийся в воздухе, конденсируется в мельчайшие капельки воды, которые остаются взвешенными в воздухе, снижая видимость. Это часто происходит в низинах, вблизи водоемов или после дождя в прохладную погоду.

• Высыхание луж и почвы после дождя

  После дождя на дорогах и в почве остается влага. Постепенно она исчезает — это результат испарения. Молекулы воды на поверхности, обладающие наибольшей кинетической энергией, преодолевают силы притяжения и переходят в газообразное состояние (водяной пар), уносясь потоками воздуха. Процесс ускоряется при повышении температуры, наличии ветра и низкой влажности воздуха.

Ответ:
Примеры природных явлений, объясняемых испарением и конденсацией: круговорот воды в природе (испарение с поверхности водоемов, транспирация растений и последующая конденсация пара с образованием облаков и осадков); образование росы и инея (конденсация водяного пара на остывших за ночь поверхностях); формирование тумана (конденсация пара в приземном слое атмосферы); высыхание луж, рек и озер (испарение воды с их поверхности).

1. Если капнуть на руку одеколон, то ощущение прохлады будет сильнее, чем если капнуть воду. Как это можно объяснить?

1. Решение
Это явление объясняется разной скоростью испарения жидкостей и связанным с этим процессом охлаждением.

Когда жидкость испаряется с поверхности, она переходит из жидкого состояния в газообразное. Этот фазовый переход требует энергии, называемой удельной теплотой парообразования. Жидкость забирает эту энергию (тепло) у поверхности, с которой она контактирует, в данном случае — у кожи руки. В результате отвода тепла кожа охлаждается, что мы и воспринимаем как ощущение прохлады.

Ключевое различие между одеколоном и водой заключается в их составе и, как следствие, в скорости испарения. Одеколон в основном состоит из спирта (например, этилового), воды и ароматических соединений. Спирт является более летучим веществом по сравнению с водой. Летучесть означает способность вещества легко и быстро испаряться при данных условиях (например, при температуре тела).

Поскольку спирт в составе одеколона испаряется значительно быстрее и интенсивнее, чем вода, он забирает тепло с поверхности кожи за более короткий промежуток времени. Чем выше скорость отвода тепла, тем сильнее ощущение холода. Таким образом, из-за быстрого испарения спирта ощущение прохлады от одеколона будет значительно сильнее, чем от медленнее испаряющейся воды.

Ответ: Ощущение прохлады от одеколона сильнее, потому что он содержит спирт, который испаряется с поверхности кожи гораздо быстрее, чем вода. Процесс испарения требует поглощения теплоты, и чем интенсивнее испарение, тем быстрее отводится тепло от кожи, что и создает более сильное ощущение холода.

2. Почему конденсация пара в атмосфере в капельки дождя или снежинки ведёт к повышению температуры воздуха?

Конденсация пара — это процесс фазового перехода вещества из газообразного состояния (пар) в жидкое (капли) или твердое (кристаллы льда, снежинки). Этот процесс всегда сопровождается выделением энергии.

Молекулы водяного пара в атмосфере обладают значительно большей внутренней энергией по сравнению с молекулами в жидкой воде или кристаллах льда. Эта дополнительная энергия была затрачена на испарение воды с поверхности земли или водоемов (процесс, обратный конденсации). Она хранится в виде так называемой скрытой теплоты парообразования.

Когда условия в атмосфере меняются (например, при понижении температуры), пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Молекулы пара сближаются, образуя капли воды, или кристаллизуются, формируя снежинки. При этом они переходят в состояние с меньшей энергией, а избыточная энергия выделяется в окружающее пространство в виде тепла. Количество выделившейся теплоты ($Q$) определяется массой сконденсировавшегося пара ($m$) и удельной теплотой парообразования ($L$):

$Q = L \cdot m$

Эта выделившаяся теплота поглощается окружающим воздухом (молекулами азота, кислорода и т.д.), что приводит к увеличению их средней кинетической энергии, а следовательно, к повышению температуры воздуха.

Ответ: Конденсация пара и образование снежинок — это экзотермические процессы, то есть они происходят с выделением тепла (скрытой теплоты парообразования). Эта теплота поглощается окружающим воздухом, вызывая его нагрев.

1. Выходя из реки после купания, вы ощущаете прохладу, особенно в ветреную погоду. Почему?

1. Ощущение прохлады после выхода из воды связано с физическим явлением — испарением. Когда вы выходите из реки, ваше тело покрыто тонким слоем воды. Для того чтобы перейти из жидкого состояния в газообразное (пар), воде необходима энергия. Эту энергию, называемую теплотой парообразования, вода забирает непосредственно с поверхности вашей кожи.

Процесс отбора тепла приводит к охлаждению поверхности кожи, что и воспринимается нами как ощущение прохлады. Чем быстрее происходит испарение, тем интенсивнее отводится тепло и тем сильнее мы мерзнем.

В ветреную погоду этот эффект значительно усиливается. Ветер постоянно сдувает слой воздуха, который находится непосредственно над кожей и уже насыщен водяными парами. На его место приходит более сухой воздух, что способствует более интенсивному испарению воды с кожи. Ускоренное испарение означает более быструю потерю тепла телом, поэтому в ветреную погоду ощущение прохлады становится гораздо более выраженным.

Ответ: Ощущение прохлады возникает из-за испарения воды с поверхности тела. Этот процесс требует энергии, которую вода отбирает у кожи, тем самым охлаждая ее. Ветер ускоряет испарение, унося насыщенный влагой воздух, что приводит к более быстрой потере тепла и более сильному чувству холода.

2. В жаркий день, когда входишь в воду, кажется, что вода холоднее воздуха, а когда выходишь из воды — воздух холоднее. Почему?

Это явление объясняется различиями в теплопроводности сред и процессом испарения.

1. Почему вода кажется холоднее воздуха.
Ощущение температуры нашим телом зависит не столько от самой температуры окружающей среды, сколько от скорости теплообмена с ней. У воды теплопроводность и теплоёмкость значительно выше, чем у воздуха. В жаркий день температура нашего тела (около $36,6^{\circ}С$) выше температуры и воздуха, и воды. Когда мы находимся на воздухе, наше тело отдает тепло медленно, так как воздух — плохой проводник тепла. Погружаясь в воду, наше тело начинает отдавать тепло гораздо интенсивнее, потому что вода — хороший проводник тепла. Рецепторы на коже реагируют на эту быструю потерю тепла, и мозг интерпретирует это как ощущение холода. Таким образом, даже если температура воды такая же, как у воздуха, она будет казаться холоднее из-за более эффективной теплоотдачи.

2. Почему воздух кажется холоднее после выхода из воды.
Когда вы выходите из воды, ваше тело покрыто тонким слоем влаги. Для того чтобы эта вода испарилась (перешла из жидкого состояния в газообразное), ей необходима энергия. Эту энергию, называемую теплотой парообразования, вода забирает непосредственно с поверхности вашей кожи. Процесс испарения интенсивно охлаждает кожу. Из-за этого резкого охлаждения окружающий воздух, который до купания казался теплым, теперь ощущается как холодный. Если дует ветер, процесс испарения ускоряется, и ощущение холода становится еще сильнее.

Ответ: Вода кажется холоднее воздуха из-за своей высокой теплопроводности, которая приводит к быстрой потере тепла телом. Воздух после выхода из воды кажется холоднее из-за интенсивного охлаждения кожи в процессе испарения с неё воды.

3. В ветреный день нам становится теплее, если спрятаться от ветра, зайдя, например, за угол дома. Одинаковы ли показания термометра на ветру и за углом дома?

Ощущение холода, которое мы испытываем в ветреную погоду, связано с особенностями теплообмена человеческого тела, а не с фактической температурой воздуха, которую измеряет термометр.

Человеческое тело постоянно выделяет тепло, поддерживая температуру около $36,6$ °C. Вокруг нашей кожи образуется тонкий слой воздуха, который нагревается от тела. Этот слой действует как теплоизолятор, замедляя дальнейшую потерю тепла. Ветер (принудительная конвекция) постоянно сдувает этот тёплый слой воздуха, заменяя его более холодным воздухом из окружающей среды. В результате скорость теплоотдачи от нашего тела резко возрастает, и мы чувствуем холод. Когда мы прячемся от ветра, например, за углом дома, движение воздуха прекращается, тёплый слой воздуха у кожи сохраняется, теплопотери уменьшаются, и нам становится теплее.

Термометр, в отличие от живого организма, не производит собственное тепло. Он всего лишь измеряет температуру окружающей его среды. Его задача — прийти в тепловое равновесие с воздухом. Ветер может ускорить этот процесс (например, если вынести тёплый термометр на мороз, на ветру он быстрее покажет реальную температуру), но он не может охладить сам термометр до температуры ниже, чем температура окружающего воздуха.

Поскольку температура воздуха на открытом, ветреном пространстве и в защищённом от ветра месте за углом дома одинакова, то и показания термометра, установившегося в тепловое равновесие, будут в обоих случаях одинаковыми.

Ответ: Показания термометра на ветру и за углом дома будут одинаковыми, так как термометр измеряет фактическую температуру воздуха, которая в обоих местах одинакова. Ощущение тепла у человека возникает из-за уменьшения потерь тепла телом в безветренном месте.

4. В производстве для обеспечения чистой водой различных технологических процессов используют дистилляторы. Процесс получения дистиллированной воды основан на парообразовании и конденсации водяных паров. На рисунке 36 показан разрез простейшего дистиллятора, где 1 — нагреватель; 2 — жёлоб; 3 — кран; 4 — холодильник; 5 — дистиллируемая вода; 6 — отводная трубка. В дистиллятор через кран 3 наливают воду, предназначенную для перегонки, и нагревают её. Образующиеся водяные пары соприкасаются с конусообразным дном холодильника, в который налита холодная вода. Пар конденсируется, и дистиллированная вода стекает в жёлоб, откуда её спускают при помощи отводной трубки 6.

Какие агрегатные превращения вещества происходят в дистилляторе?

Решение

В дистилляторе, показанном на рисунке, происходят два последовательных агрегатных превращения воды. Процесс получения дистиллированной воды основан на этих превращениях.

1. Первое превращение — парообразование. Исходная вода (5), находящаяся в жидком агрегатном состоянии, подогревается нагревателем (1). При нагревании до температуры кипения вода интенсивно переходит из жидкого состояния в газообразное, то есть превращается в водяной пар. Этот фазовый переход называется парообразованием (в данном случае, кипением).

2. Второе превращение — конденсация. Горячий водяной пар, будучи легче окружающего воздуха, поднимается вверх и соприкасается с холодной поверхностью холодильника (4). При контакте с холодным дном холодильника пар отдает ему часть своей внутренней энергии, охлаждается и переходит обратно из газообразного состояния в жидкое. Этот фазовый переход называется конденсацией. Образовавшиеся капли чистой воды стекают по наклонной поверхности в желоб (2) и затем собираются в приемнике через отводную трубку (6).

Таким образом, в дистилляторе вода последовательно проходит через два фазовых перехода: жидкость → газ → жидкость.

Ответ: в дистилляторе происходят следующие агрегатные превращения вещества (воды): парообразование (переход из жидкого состояния в газообразное) и конденсация (переход из газообразного состояния в жидкое).