Страница 81 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Объясните на основе МКТ, как происходит процесс кипения.

1. Решение

Процесс кипения можно объяснить на основе ключевых положений молекулярно-кинетической теории (МКТ), которая описывает вещество как состоящее из непрерывно и хаотично движущихся частиц (молекул, атомов), взаимодействующих друг с другом.

1. Нагревание жидкости. Согласно МКТ, температура тела является мерой средней кинетической энергии его молекул. Когда мы нагреваем жидкость, мы сообщаем ей энергию. Эта энергия поглощается молекулами, в результате чего их средняя кинетическая энергия и, следовательно, скорость движения увеличиваются.

2. Образование центров парообразования. В отличие от испарения, которое происходит с поверхности жидкости при любой температуре, кипение — это интенсивный процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости. В жидкости всегда присутствуют микроскопические пузырьки растворенного газа или воздуха, а также неровности и трещинки на стенках сосуда. Эти места становятся центрами парообразования.

3. Формирование и рост пузырьков. Наиболее быстрые молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения, начинают переходить в газообразное состояние не только на поверхности, но и внутри этих центров парообразования, формируя пузырьки насыщенного пара. Внутри такого пузырька устанавливается давление насыщенного пара, которое зависит от температуры.

4. Условие кипения. С ростом температуры жидкости растет и давление насыщенного пара внутри пузырьков. Пузырёк может существовать и расти только в том случае, если давление пара внутри него не меньше, чем давление в окружающей жидкости. Внешнее давление складывается из атмосферного давления над поверхностью жидкости и гидростатического давления столба жидкости. Кипение начинается при такой температуре (называемой температурой кипения), когда давление насыщенного пара внутри пузырьков становится равным или немного превышает внешнее давление: $P_{нас. пара} \geq P_{внешн.}$.

5. Подъем и выход пузырьков. Когда давление внутри пузырька становится достаточным, он начинает увеличиваться в размерах, так как в него продолжают испаряться молекулы из окружающего слоя жидкости. Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, поэтому под действием выталкивающей силы Архимеда пузырёк поднимается к поверхности. Достигнув поверхности, он лопается, и содержащийся в нем пар выходит наружу. Этот массовый подъем и выход пузырьков мы и наблюдаем как процесс кипения.

6. Постоянство температуры при кипении. Важной особенностью кипения является то, что температура жидкости в процессе кипения остается постоянной (при постоянном внешнем давлении). Вся подводимая к кипящей жидкости энергия (теплота парообразования) расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (т.е. не на рост температуры), а на работу по разрыву межмолекулярных связей и превращению жидкости в пар. При этом увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул.

Ответ: На основе МКТ кипение — это процесс интенсивного парообразования по всему объёму жидкости, который начинается при достижении температуры кипения. При этой температуре давление насыщенного пара внутри образующихся в жидкости пузырьков становится равным внешнему давлению. Это позволяет пузырькам расти, подниматься на поверхность под действием силы Архимеда и выпускать пар. Вся подводимая энергия при кипении тратится на разрыв межмолекулярных связей (превращение жидкости в пар), поэтому температура кипящей жидкости остается постоянной.

2. Какой процесс называют кипением?

1. Объясните на основе МКТ, как происходит процесс кипения.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), все вещества состоят из частиц (молекул, атомов), которые находятся в непрерывном хаотическом движении. Температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц.

Когда мы нагреваем жидкость, мы сообщаем ей энергию. Эта энергия поглощается молекулами, в результате чего их средняя кинетическая энергия увеличивается. Молекулы начинают двигаться быстрее, сталкиваются друг с другом чаще и с большей силой.

В отличие от испарения, которое происходит с поверхности жидкости при любой температуре, кипение — это процесс, который охватывает весь объём жидкости. Внутри жидкости всегда есть микроскопические пузырьки газа, растворенные в ней, или микронеровности на стенках сосуда, которые служат так называемыми центрами парообразования. Наиболее быстрые молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией для преодоления сил межмолекулярного притяжения, начинают скапливаться в этих центрах, образуя пузырьки насыщенного пара.

Давление насыщенного пара внутри такого пузырька зависит от температуры. Пока температура жидкости ниже определённого значения, внешнее давление (атмосферное плюс гидростатическое давление столба жидкости) сжимает эти пузырьки, и они схлопываются. Однако по мере нагревания жидкости давление насыщенного пара внутри пузырьков растёт. Когда это давление становится равным или немного превышает внешнее давление, пузырьки перестают схлопываться. Они начинают расти в размерах, так как в них продолжают испаряться новые молекулы из окружающей жидкости. Под действием силы Архимеда эти пузырьки поднимаются к поверхности и лопаются, выбрасывая пар наружу. Этот процесс массового образования и подъёма пузырьков по всему объёму и есть кипение.

Важно отметить, что во время кипения температура жидкости остается постоянной. Вся подводимая извне энергия расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (и, следовательно, температуры), а на работу по разрыву межмолекулярных связей и превращению жидкости в пар. Эта энергия называется удельной теплотой парообразования.

Ответ: С точки зрения МКТ, кипение — это процесс, при котором подводимая теплота увеличивает кинетическую энергию молекул жидкости до такой степени, что по всему объёму жидкости образуются и растут пузырьки насыщенного пара, давление внутри которых равно внешнему давлению. Эти пузырьки поднимаются на поверхность и высвобождают пар.

2. Какой процесс называют кипением?

Кипением называют процесс интенсивного парообразования, который происходит одновременно как со свободной поверхности жидкости, так и по всему её объёму. Главным внешним признаком кипения является образование и рост пузырьков пара внутри жидкости, которые затем поднимаются на поверхность. Кипение является фазовым переходом первого рода, при котором вещество переходит из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс происходит при определённой для каждого вещества температуре, которая остаётся постоянной в течение всего процесса кипения (при постоянном внешнем давлении).

Ответ: Кипением называют интенсивный процесс перехода жидкости в пар, характеризующийся образованием пузырьков пара по всему объёму жидкости и происходящий при определённой температуре.

3. Что называют температурой кипения?

Температурой кипения называют температуру, при которой происходит процесс кипения жидкости при заданном постоянном внешнем давлении. С физической точки зрения, это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению, действующему на её поверхность.

Поскольку давление насыщенного пара сильно зависит от температуры, то и температура кипения зависит от внешнего давления. Например, в горах, где атмосферное давление ниже, вода закипает при температуре меньше $100^\circ\text{C}$. И наоборот, в скороварке, где давление искусственно повышается, вода кипит при температуре выше $100^\circ\text{C}$. Стандартная температура кипения (указываемая в справочниках) измеряется при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атмосфера).

Ответ: Температура кипения — это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению, вследствие чего жидкость интенсивно переходит в газообразное состояние по всему своему объёму.

3. Что называют температурой кипения жидкости?

Какой процесс называют кипением?

Кипение — это физический процесс интенсивного парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, как при испарении, а по всему её объёму. Визуально это проявляется в виде образования и роста пузырьков пара внутри жидкости. Эти пузырьки, содержащие насыщенный пар, поднимаются к поверхности и лопаются, высвобождая пар в окружающее пространство. Кипение происходит при определённой для каждого вещества температуре, которая зависит от внешнего давления, и требует постоянного подвода энергии.

Ответ: Кипением называют процесс интенсивного парообразования, который происходит во всём объёме жидкости при определённой температуре.

3. Что называют температурой кипения жидкости?

Температурой кипения называют температуру, при которой происходит процесс кипения жидкости при постоянном внешнем давлении. Эта температура является важной физической характеристикой вещества. Например, при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па) вода кипит при 100 °C. Температура кипения напрямую зависит от внешнего давления: с увеличением давления она растёт, а с уменьшением — падает. Пока вся жидкость не превратится в пар, её температура в процессе кипения остается постоянной, так как вся подводимая тепловая энергия расходуется на фазовый переход (на парообразование), а не на увеличение кинетической энергии молекул.

Ответ: Температура кипения — это постоянная температура, при которой кипит жидкость при заданном внешнем давлении.

4. Сформулируйте условие кипения.

Основное условие начала кипения заключается в том, что давление насыщенного пара внутри пузырьков, образующихся в толще жидкости, должно стать равным или превысить внешнее давление, действующее на поверхность жидкости. Внешнее давление складывается из давления газа (обычно атмосферы) над жидкостью и гидростатического давления столба самой жидкости.

Когда жидкость нагревается, давление насыщенного пара внутри неё растёт. Как только это давление становится достаточным, чтобы преодолеть внешнее давление, пузырьки получают возможность расширяться, подниматься на поверхность и высвобождать пар. Если давление пара меньше внешнего, пузырьки схлопываются (коллапсируют), не достигая поверхности.

Это условие можно выразить математически: $p_{н.п.} \ge p_{внешн.}$ где $p_{н.п.}$ — это давление насыщенного пара жидкости при её температуре, а $p_{внешн.}$ — это внешнее давление.

Ответ: Условие кипения: давление насыщенного пара внутри пузырьков в жидкости должно быть не меньше внешнего давления на жидкость.

4. Сформулируйте условие кипения.

4. Кипение — это процесс интенсивного парообразования, который происходит по всему объему жидкости при достижении определенной температуры, называемой температурой кипения. Чтобы кипение началось и продолжалось, должны выполняться следующие условия:

1. Подвод теплоты. Для процесса кипения необходим непрерывный подвод энергии к жидкости. Эта энергия расходуется на образование и рост пузырьков пара, то есть на фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. Во время кипения температура чистой жидкости остается постоянной.

2. Наличие центров парообразования. В реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа, растворенные газы или микроскопические поры и трещинки на стенках сосуда. Эти неоднородности служат центрами, на которых начинают образовываться и расти пузырьки пара. В идеально чистой жидкости без центров парообразования ее можно перегреть выше температуры кипения без закипания.

3. Основное условие кипения (равенство давлений). Главным условием начала кипения является достижение такой температуры, при которой давление насыщенного пара внутри образующихся пузырьков становится равным или немного превышает внешнее давление на поверхность жидкости.

Пузырек пара может расти и всплывать, только если давление пара внутри него ($p_{н.п.}$) преодолеет сумму внешнего давления ($p_{внешн.}$) и гидростатического давления столба жидкости над ним ($p_{гидр.}$):

$p_{н.п.} \ge p_{внешн.} + p_{гидр.}$

Так как гидростатическое давление часто пренебрежимо мало по сравнению с атмосферным, условие кипения для простоты формулируют так: жидкость закипает при температуре, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению.

Из этого условия следует, что температура кипения вещества не является постоянной величиной, а зависит от внешнего давления. При повышении внешнего давления температура кипения увеличивается (например, в скороварке), а при понижении — уменьшается (например, высоко в горах, где атмосферное давление ниже, вода кипит при температуре меньше 100 °C).

Ответ: Условием кипения жидкости является ее нагрев до температуры, при которой давление насыщенного пара внутри пузырьков, образующихся в объеме жидкости, становится равным внешнему давлению на ее поверхность. Также для поддержания процесса кипения необходим постоянный подвод теплоты и наличие в жидкости центров парообразования.

1. Охарактеризуйте каждый участок графика на рисунке 43.

1. Охарактеризуйте каждый участок графика на рисунке 43.

Для того чтобы охарактеризовать каждый участок графика, необходимо видеть само изображение, упомянутое как "рисунок 43". К сожалению, в вашем запросе изображение отсутствует.

Однако, я могу предоставить общий алгоритм анализа для типичных графиков, встречающихся в физике (например, график зависимости координаты, скорости или проекции ускорения от времени). Характеристика участка графика — это описание физического процесса, который этот участок представляет.

Предположим, на рисунке был бы график зависимости скорости от времени $v(t)$:

• Если участок — горизонтальная прямая, не совпадающая с осью времени ($v = \text{const} \neq 0$), это означает равномерное прямолинейное движение. Ускорение на этом участке равно нулю ($a=0$).
• Если участок — горизонтальная прямая на оси времени ($v=0$), это означает, что тело находится в состоянии покоя.
• Если участок — наклонная прямая, идущая вверх, это означает равноускоренное движение с постоянным положительным ускорением ($a > 0$). Скорость тела линейно возрастает. Ускорение можно рассчитать по формуле $a = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}$, где $(t_1, v_1)$ и $(t_2, v_2)$ — координаты двух любых точек на этом участке.
• Если участок — наклонная прямая, идущая вниз, это означает равноускоренное движение с постоянным отрицательным ускорением ($a < 0$), то есть равнозамедленное движение (если скорость положительна) или движение в отрицательном направлении с возрастающей по модулю скоростью (если скорость отрицательна). Скорость тела линейно убывает.
• Если участок — кривая линия (например, парабола), это означает движение с переменным ускорением.

Пожалуйста, предоставьте "рисунок 43", и я смогу дать точную и развернутую характеристику для каждого участка вашего графика.

Ответ: Невозможно дать характеристику участков графика, так как изображение ("рисунок 43") не предоставлено.

2. В кондитерском производстве раствор сахара надо выпаривать при температуре ниже 100 °С (иначе он пригорает). Как этого достичь?

Решение

Температура кипения жидкости, в том числе и водного раствора сахара, напрямую зависит от величины давления над её поверхностью. При нормальном атмосферном давлении ($p_{атм} \approx 101.3$ кПа) вода кипит при температуре $100$ °C. При такой температуре сахар в растворе начинает карамелизоваться и пригорать.

Чтобы понизить температуру кипения воды и, соответственно, температуру всего раствора в процессе выпаривания, необходимо уменьшить давление. Зависимость температуры кипения от давления описывается диаграммой состояния вещества. Для воды эта зависимость такова, что при понижении давления температура кипения также снижается.

На практике в кондитерском производстве для этой цели используются специальные вакуум-выпарные аппараты. В этих аппаратах с помощью вакуумного насоса откачивается воздух, в результате чего давление над раствором становится значительно ниже атмосферного. В условиях разрежения (вакуума) вода интенсивно испаряется (кипит) при температуре ниже $100$ °C, например, при $60–70$ °C. Это позволяет удалить излишки влаги из раствора, не допуская перегрева и пригорания сахара.

Ответ: Необходимо выпаривать раствор при пониженном давлении (в вакууме).

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

1. Решение

Внутренняя энергия вещества ($U$) представляет собой сумму кинетической энергии теплового движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Согласно условию, температура воды и пара одинакова и составляет $100 \ ^\circ \text{C}$. Температура является мерой средней кинетической энергии частиц. Следовательно, можно утверждать, что средняя кинетическая энергия молекул в воде и в паре одинакова.

Однако вода и пар находятся в разных агрегатных состояниях: вода — жидкость, пар — газ. В жидкости молекулы расположены плотно, и между ними действуют значительные силы притяжения. В газе расстояние между молекулами намного больше, а силы взаимодействия пренебрежимо малы.

Для того чтобы превратить воду в пар при постоянной температуре кипения, необходимо затратить энергию, называемую теплотой парообразования. Эта энергия идет на преодоление сил межмолекулярного притяжения и на увеличение расстояния между молекулами. В результате потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре становится значительно больше, чем в воде.

Поскольку массы воды ($m_в$) и пара ($m_п$) равны, а их температуры одинаковы, различие в их внутренних энергиях будет определяться именно различием в потенциальных энергиях. Так как потенциальная энергия молекул пара выше, то и его общая внутренняя энергия будет больше, чем у воды той же массы. Разница во внутренних энергиях равна количеству теплоты, затраченной на парообразование: $U_{пара} - U_{воды} = L \cdot m$, где $L$ — удельная теплота парообразования, а $m$ — масса.

Таким образом, несмотря на равенство масс и температур, внутренняя энергия пара будет больше внутренней энергии воды.

Ответ: Нет, утверждать, что внутренняя энергия пара и внутренняя энергия воды одинаковы, нельзя. Внутренняя энергия пара больше, так как при переходе из жидкого состояния в газообразное при той же температуре вещество поглощает энергию (теплоту парообразования), которая увеличивает потенциальную энергию взаимодействия его молекул.

2. Где кипящая вода горячее — на уровне моря, на высокой горе или в глубокой шахте? Ответ обоснуйте.

Решение

Температура кипения жидкости напрямую зависит от внешнего атмосферного давления. Кипение — это процесс, при котором давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Чем выше внешнее давление, тем более высокую температуру необходимо сообщить жидкости, чтобы она закипела.

Рассмотрим, как меняется атмосферное давление в трех указанных местах:

На высокой горе

С набором высоты атмосферное давление падает, поскольку уменьшается высота и плотность воздушного столба, который давит на поверхность. Из-за пониженного давления на высокой горе вода достигает точки кипения при температуре ниже $100^{\circ}C$. Например, на вершине Эвереста вода кипит при температуре около $70^{\circ}C$.

На уровне моря

На уровне моря принято стандартное (нормальное) атмосферное давление, равное $1$ атмосфере или $101325$ Па. При таком давлении температура кипения воды составляет $100^{\circ}C$.

В глубокой шахте

В глубокой шахте, то есть на глубине ниже уровня моря, высота воздушного столба над поверхностью, наоборот, увеличивается. Это приводит к росту атмосферного давления. Чтобы давление насыщенного пара воды смогло сравняться с этим повышенным внешним давлением, воду необходимо нагреть до температуры, превышающей $100^{\circ}C$.

Таким образом, упорядочив температуру кипения по возрастанию, получим следующую последовательность: высокая гора < уровень моря < глубокая шахта.

Ответ: Кипящая вода будет горячее всего в глубокой шахте, так как там самое высокое атмосферное давление. Температура кипения воды прямо пропорциональна давлению: чем выше давление, тем выше температура кипения.

3. В закрытом сосуде спирт закипел при температуре 50 °С. Что можно сказать о давлении в сосуде?

Температура кипения жидкости — это температура, при которой давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Процесс кипения напрямую зависит от этого внешнего давления: чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот.

Известно, что нормальная температура кипения этилового спирта (при нормальном атмосферном давлении, $p_{норм} \approx 101,3$ кПа) составляет $T_{кип.норм.} \approx 78$ °C. Это означает, что при температуре $78$ °C давление насыщенного пара спирта достигает значения нормального атмосферного давления.

В условии задачи указано, что спирт в закрытом сосуде закипел при температуре $T_{кип} = 50$ °C. Поскольку фактическая температура кипения оказалась значительно ниже нормальной ($50 \text{ °C} < 78 \text{ °C}$), это означает, что давление в сосуде было ниже нормального атмосферного. При таком пониженном давлении давление насыщенного пара спирта смогло сравняться с давлением в сосуде уже при более низкой температуре.

Ответ:

Давление в сосуде ниже нормального атмосферного давления.