Ответьте на вопросы, страница 65 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему во время снегопада становится теплее?

2. Почему при измерении температуры наружного воздуха в холодных регионах применяются термометры со спиртом, а не с ртутью?

3. Почему для изготовления сосудов и изделий причудливой формы используют стекло?

4. Почему внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше, чем внутренняя энергия того же вещества в твердом состоянии при температуре плавления?

5. Почему кинетические энергии молекул вещества в твердом и жидком состоянии при температуре плавления одинаковые?

6. Почему плавление кристаллических тел возможно только при определенном значении температур?

7. Какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду?

8. Можно ли в алюминиевой посуде расплавить медь, свинец?

9. Почему зимой при длительных стоянках выливают воду из радиатора автомобиля?

1. Почему во время снегопада становится теплее?

Снегопад — это процесс кристаллизации водяного пара, содержащегося в атмосфере, в крошечные кристаллики льда (снежинки). Переход вещества из газообразного состояния в твердое является экзотермическим процессом, то есть он происходит с выделением энергии в окружающую среду. Эта энергия, называемая теплотой кристаллизации (или сублимации), высвобождается в виде тепла и нагревает окружающие воздушные массы. Количество выделившейся теплоты можно рассчитать по формуле $Q = Lm$, где $L$ — удельная теплота фазового перехода, а $m$ — масса образовавшегося снега. В результате температура воздуха во время снегопада часто повышается, приближаясь к $0^{\circ}C$.

Ответ: Во время снегопада происходит процесс кристаллизации водяного пара в лед (снежинки), который сопровождается выделением теплоты в окружающую среду, что приводит к повышению температуры воздуха.

2. Почему при измерении температуры наружного воздуха в холодных регионах применяются термометры со спиртом, а не с ртутью?

Основной причиной является разница в температурах замерзания этих двух жидкостей. Ртуть замерзает (переходит в твердое состояние) при температуре около $-38.8^{\circ}C$. В регионах с холодным климатом температура воздуха зимой часто опускается ниже этого значения. Если использовать ртутный термометр при такой температуре, ртуть замерзнет, и термометр перестанет работать, а его стеклянная колба может треснуть из-за изменения объема. Спирт (обычно подкрашенный этанол), используемый в термометрах, замерзает при гораздо более низкой температуре, около $-114^{\circ}C$. Это делает спиртовые термометры надежным инструментом для измерения очень низких температур.

Ответ: Температура замерзания ртути ($-38.8^{\circ}C$) выше, чем у спирта ($-114^{\circ}C$). В холодных регионах температура часто опускается ниже точки замерзания ртути, поэтому для измерения таких низких температур используют спиртовые термометры.

3. Почему для изготовления сосудов и изделий причудливой формы используют стекло?

Стекло относится к аморфным телам, которые, в отличие от кристаллических, не имеют строгой температуры плавления. При нагревании кристаллические вещества резко переходят из твердого состояния в жидкое при достижении определенной температуры. Стекло же при нагревании постепенно размягчается в широком интервале температур, переходя в пластичное, вязкотекучее состояние. В этом состоянии оно легко поддается формовке: его можно выдувать, вытягивать, прессовать, придавая ему любые, даже самые сложные и изящные формы. При последующем охлаждении стекло затвердевает, сохраняя приданную ему форму.

Ответ: Стекло — аморфное тело, которое при нагревании не плавится при определенной температуре, а постепенно размягчается. В этом пластичном состоянии ему легко придать сложную форму, которая сохраняется после остывания.

4. Почему внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше, чем внутренняя энергия того же вещества в твердом состоянии при температуре плавления?

Внутренняя энергия тела состоит из кинетической энергии движения его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Процесс плавления происходит при постоянной температуре, следовательно, средняя кинетическая энергия молекул вещества не меняется. Однако для того, чтобы разрушить упорядоченную кристаллическую решетку твердого тела, необходимо затратить энергию. Эта энергия, называемая удельной теплотой плавления ($\lambda$), подводится к телу извне и идет на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул, так как расстояние между ними увеличивается и связи ослабевают. Таким образом, внутренняя энергия жидкости при температуре плавления оказывается больше внутренней энергии твердого тела той же массы при той же температуре на величину сообщенной теплоты плавления ($Q = \lambda m$).

Ответ: При плавлении вся подводимая к телу энергия идет не на увеличение кинетической энергии молекул (температура не меняется), а на разрушение кристаллической решетки, что приводит к увеличению потенциальной энергии взаимодействия молекул. Поэтому внутренняя энергия жидкости при температуре плавления больше, чем у твердого тела при той же температуре.

5. Почему кинетические энергии молекул вещества в твердом и жидком состоянии при температуре плавления одинаковые?

Температура является макроскопической характеристикой, прямо пропорциональной средней кинетической энергии хаотического теплового движения частиц вещества (атомов, молекул). Процесс плавления кристаллического тела происходит при строго постоянной температуре, которая называется температурой плавления. Так как на протяжении всего фазового перехода (от начала до конца плавления) температура вещества не изменяется, то и средняя кинетическая энергия его молекул остается неизменной. Поэтому средняя кинетическая энергия молекул в твердой фазе при температуре плавления равна средней кинетической энергии молекул в жидкой фазе при той же температуре.

Ответ: Температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Так как процесс плавления происходит при постоянной температуре, средняя кинетическая энергия молекул в твердом и жидком состояниях при этой температуре одинакова.

6. Почему плавление кристаллических тел возможно только при определенном значении температур?

Кристаллические тела обладают упорядоченной структурой — кристаллической решеткой, в узлах которой находятся частицы (атомы, ионы или молекулы), совершающие колебательные движения. Эти частицы прочно связаны друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия. Чтобы разрушить эту упорядоченную структуру и перевести вещество в жидкое состояние, частицы должны получить достаточную энергию, чтобы преодолеть силы притяжения и покинуть свои положения в узлах решетки. Энергия колебаний частиц напрямую связана с температурой. Для каждого кристаллического вещества существует определенная температура — температура плавления, — при которой энергия колебаний частиц становится достаточной для разрушения решетки. Ниже этой температуры энергии частиц недостаточно для разрыва связей.

Ответ: Кристаллические тела имеют упорядоченную структуру (кристаллическую решетку). Для разрушения этой структуры требуется, чтобы колебания частиц в узлах решетки достигли определенной энергии, что соответствует строго определенной температуре — температуре плавления.

7. Какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду?

Чтобы заморозить воду, нужно отнять у нее тепло, охладив ее до температуры $0^{\circ}C$ и затем забрав теплоту кристаллизации. Это может сделать любой объект, температура которого ниже $0^{\circ}C$. Единственный металл, который находится в жидком (расплавленном) состоянии при температурах ниже $0^{\circ}C$, — это ртуть. Температура плавления ртути составляет $-38.8^{\circ}C$. Следовательно, в диапазоне температур от $-38.8^{\circ}C$ до $0^{\circ}C$ ртуть является жидкостью, но при этом ее температура ниже температуры замерзания воды. Если такую жидкую ртуть привести в контакт с водой (например, при $t = +5^{\circ}C$), начнется теплообмен, в результате которого вода будет отдавать тепло ртути, охладится до $0^{\circ}C$ и замерзнет.

Ответ: Ртуть. Ее температура плавления $-38.8^{\circ}C$, поэтому она может находиться в жидком (расплавленном) состоянии при температуре ниже $0^{\circ}C$ и отбирать тепло у воды, приводя к ее замерзанию.

8. Можно ли в алюминиевой посуде расплавить медь, свинец?

Чтобы расплавить металл в посуде, материал посуды должен иметь более высокую температуру плавления, чем расплавляемый металл. Сравним соответствующие температуры плавления: температура плавления алюминия ($T_{пл.Al}$) ≈ $660^{\circ}C$; свинца ($T_{пл.Pb}$) ≈ $327^{\circ}C$; меди ($T_{пл.Cu}$) ≈ $1085^{\circ}C$.

Для свинца: $T_{пл.Pb} (327^{\circ}C) < T_{пл.Al} (660^{\circ}C)$. Так как температура плавления свинца ниже температуры плавления алюминия, его можно расплавить в алюминиевой посуде.

Для меди: $T_{пл.Cu} (1085^{\circ}C) > T_{пл.Al} (660^{\circ}C)$. Так как температура плавления меди выше температуры плавления алюминия, при попытке нагреть медь до плавления алюминиевая посуда расплавится раньше. Следовательно, медь нельзя расплавить в алюминиевой посуде.

Ответ: В алюминиевой посуде можно расплавить свинец, но нельзя расплавить медь, так как температура плавления алюминия ($660^{\circ}C$) выше температуры плавления свинца ($327^{\circ}C$), но ниже температуры плавления меди ($1085^{\circ}C$).

9. Почему зимой при длительных стоянках выливают воду из радиатора автомобиля?

Вода обладает аномальным свойством: при замерзании она расширяется. При переходе из жидкого состояния в твердое (лед) ее объем увеличивается примерно на 9%. Если оставить воду в системе охлаждения автомобиля (радиаторе, патрубках, блоке цилиндров двигателя) на морозе, она замерзнет. Расширяясь, лед создает колоссальное давление на внутренние стенки системы охлаждения. Это давление может привести к разрыву радиатора, патрубков или даже к появлению трещин в блоке двигателя, что является очень серьезной поломкой. Чтобы предотвратить такие повреждения, в автомобилях, где в качестве охлаждающей жидкости используется вода, ее необходимо сливать перед длительной стоянкой при отрицательных температурах. В современных автомобилях эту проблему решают использованием специальных незамерзающих жидкостей (антифризов).

Ответ: При замерзании вода расширяется в объеме. Если оставить воду в радиаторе автомобиля на морозе, образовавшийся лед может разорвать радиатор и повредить двигатель из-за создаваемого им высокого давления.