Номер 2, страница 103 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Тепловые явления. Параграф 27. Первый закон термодинамики. Темы докладов и проектов - номер 2, страница 103.

Условие.

2. Тепловые свойства воды.

Решение.

Вода обладает рядом уникальных тепловых свойств, которые отличают её от большинства других веществ и играют ключевую роль в природе, климате и жизнедеятельности организмов. Эти свойства обусловлены полярностью её молекул и наличием водородных связей между ними.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы вещества, чтобы нагреть его на один градус. Удельная теплоемкость воды аномально высока и составляет примерно $c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Это одно из самых высоких значений среди всех известных жидкостей и твердых тел. Причина такой высокой теплоемкости заключается в том, что значительная часть подводимой энергии расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (то есть, не на нагрев), а на разрыв многочисленных водородных связей между ними. Эти связи постоянно разрываются и образуются вновь, поглощая энергию.

Благодаря этому свойству вода является прекрасным терморегулятором. Мировой океан, накапливая тепло летом и медленно отдавая его зимой, смягчает климат на планете, делая его более умеренным. В живых организмах, которые в основном состоят из воды, высокая теплоемкость помогает поддерживать постоянную температуру тела, защищая от резких перепадов температуры окружающей среды.

Ответ: Вода обладает аномально высокой удельной теплоемкостью ($c \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$), что позволяет ей поглощать и отдавать большое количество теплоты при незначительном изменении собственной температуры, играя ключевую роль в регуляции климата и поддержании гомеостаза живых организмов.

Удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования (или испарения) — это количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре. Для воды это значение также очень велико и составляет около $L = 2,26 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$ при температуре кипения 100°C. Чтобы молекулы воды покинули жидкую фазу и перешли в газообразное состояние, необходимо затратить огромное количество энергии на полный разрыв всех водородных связей, удерживающих их вместе.

Это свойство имеет колоссальное значение. Например, процесс испарения пота с поверхности кожи человека и животных является эффективным механизмом охлаждения, так как при испарении уносится большое количество тепла. В глобальном масштабе испарение воды с поверхности океанов и её последующая конденсация в атмосфере являются важнейшими звеньями круговорота воды и переноса энергии на планете.

Ответ: У воды очень высокая удельная теплота парообразования ($L \approx 2,26 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$), что означает необходимость больших затрат энергии для её испарения. Это свойство лежит в основе охлаждения организмов через потоотделение и глобального переноса тепла в атмосфере.

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое нужно сообщить единице массы кристаллического вещества, чтобы полностью перевести его из твердого состояния в жидкое при температуре плавления. Удельная теплота плавления льда также высока и равна $\lambda = 3,34 \cdot 10^5 \frac{Дж}{кг}$. Эта энергия идет на разрушение упорядоченной кристаллической решетки льда.

Большая теплота плавления льда приводит к тому, что процессы таяния снега и льда весной и замерзания воды осенью происходят медленно, без резких скачков температуры. Это защищает биосферу от резких температурных колебаний вблизи 0°C.

Ответ: Вода обладает высокой удельной теплотой плавления льда ($\lambda \approx 3,34 \cdot 10^5 \frac{Дж}{кг}$), что замедляет процессы таяния и замерзания, стабилизируя температуру окружающей среды вблизи 0°C.

Аномалия плотности

Большинство веществ при охлаждении сжимаются, и их плотность монотонно растет, достигая максимума в твердом состоянии. Вода ведет себя иначе. Её плотность максимальна не при температуре замерзания (0°C), а при температуре около 4°C. При дальнейшем охлаждении от 4°C до 0°C плотность воды уменьшается. Лед, который образуется при 0°C, имеет еще меньшую плотность, чем холодная вода.

Эта аномалия связана с особенностями строения молекул воды и водородными связями. При охлаждении ниже 4°C молекулы начинают выстраиваться в упорядоченную, но более "рыхлую" гексагональную структуру, характерную для льда, что и приводит к уменьшению плотности. Из-за этого лед плавает на поверхности воды. Это имеет огромное значение для жизни в водоемах в умеренных и холодных климатических зонах. Слой льда на поверхности защищает более глубокие слои воды от дальнейшего замерзания. На дне водоема остается вода с температурой около 4°C (наиболее плотная), что позволяет водным организмам пережить зиму.

Ответ: Максимальная плотность воды наблюдается при 4°C, а плотность льда меньше плотности жидкой воды. Эта аномалия приводит к тому, что лед плавает, образуя на поверхности водоемов защитный слой, который позволяет водной жизни существовать в зимний период.

Теплопроводность

Теплопроводность — это способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым. По сравнению с другими неметаллическими жидкостями, вода обладает относительно высокой теплопроводностью. Хотя она значительно уступает металлам, ее способность проводить тепло выше, чем у большинства органических жидкостей и газов.

Это свойство способствует более равномерному распределению тепла в больших объемах воды, а также внутри живых организмов, помогая поддерживать температурный баланс.

Ответ: Теплопроводность воды выше, чем у большинства других жидкостей, что способствует эффективному переносу и распределению тепла как в природных водоемах, так и в живых организмах.