Номер 7, страница 141 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 34. Тепловое расширение твёрдых тел и жидкостей. Вопросы для самопроверки - номер 7, страница 141.

Условие.

7. Каковы особенности теплового расширения воды?

Решение.

Тепловое расширение воды имеет ряд уникальных особенностей, отличающих её от большинства других веществ. Это явление называется аномалией теплового расширения воды.

1. Немонотонное изменение плотности с температурой

В отличие от большинства жидкостей, которые монотонно сжимаются при охлаждении, вода ведёт себя иначе. При охлаждении от 100 °C её плотность увеличивается, а объём уменьшается. Однако этот процесс продолжается только до температуры примерно 4 °C (точнее, 3,98 °C). При этой температуре вода достигает своей максимальной плотности ($ρ_{max} ≈ 1000 \text{ кг/м}^3$).

2. Расширение при охлаждении ниже 4 °C

При дальнейшем охлаждении воды от 4 °C до 0 °C (температуры замерзания) происходит аномальное явление: вода начинает расширяться, а её плотность — уменьшаться. То есть, вода при 0 °C имеет больший объём и меньшую плотность, чем вода при 4 °C.

3. Расширение при замерзании

При переходе из жидкого состояния в твёрдое (лёд) при 0 °C объём воды скачкообразно увеличивается примерно на 9%. По этой причине плотность льда ($ρ_{лёд} ≈ 917 \text{ кг/м}^3$) меньше плотности жидкой воды, благодаря чему лёд плавает на её поверхности.

Причины аномалии

Такое поведение связано с особенностями молекулярной структуры воды ($H_2O$) и наличием водородных связей между молекулами. В жидком состоянии молекулы воды образуют временные группы (кластеры). При понижении температуры до 4 °C и ниже молекулы начинают выстраиваться в более упорядоченную, рыхлую структуру, похожую на кристаллическую решётку льда, которая занимает больший объём. В диапазоне от 0 °C до 4 °C при нагревании эти рыхлые структуры разрушаются, позволяя молекулам упаковаться плотнее, что ведёт к уменьшению объёма и увеличению плотности. Выше 4 °C доминирует обычный механизм теплового расширения: из-за увеличения кинетической энергии молекулы начинают отталкиваться друг от друга сильнее, что приводит к увеличению объёма.

Значение для природы

Эта аномалия имеет критическое значение для поддержания жизни в водоёмах в холодном климате. Осенью поверхностные слои воды охлаждаются, становятся плотнее и опускаются на дно, а более тёплая вода поднимается. Этот процесс конвекции продолжается, пока вся вода в водоёме не достигнет температуры 4 °C. При дальнейшем охлаждении поверхностный слой воды (от 4 °C до 0 °C) становится менее плотным и остаётся наверху, где и замерзает. Слой льда покрывает водоём, играя роль теплоизолятора и предотвращая его полное промерзание, что позволяет водным обитателям выжить.

Ответ: Ключевой особенностью теплового расширения воды является её аномальное поведение в диапазоне температур от 0 °C до 4 °C: при охлаждении в этом интервале вода расширяется, а не сжимается. Максимальную плотность вода имеет при температуре около 4 °C. При замерзании вода также резко расширяется, в результате чего лёд имеет меньшую плотность и плавает на воде.