Эксперимент в классе, страница 75 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Проведите опыт, изображенный на рисунке 47. Рекомендуется воду нагреть до 70–80 °C.

Рис. 47. Закипание воды при комнатной температуре

На изображении представлен физический опыт, демонстрирующий зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Цель опыта — показать, что вода может кипеть при температуре значительно ниже стандартной точки кипения (100 °C), если понизить давление над её поверхностью.

Описание установки и хода эксперимента

Установка состоит из стакана с водой, который помещен под герметичный стеклянный колпак (колокол). Колпак соединен шлангом с вакуумным насосом (на рисунке слева, с рукояткой).

Ход эксперимента следующий:

1. В стакан наливают воду. В условии рекомендуется предварительно нагреть воду до температуры 70–80 °C. Это не обязательно, но ускоряет демонстрацию.

2. Стакан с водой устанавливают на платформу и накрывают вакуумным колпаком.

3. Включают вакуумный насос (или начинают вращать рукоятку, если он ручной) и откачивают воздух из-под колпака.

Физическое объяснение

Кипение — это процесс интенсивного парообразования, происходящий во всем объеме жидкости. Оно начинается тогда, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению, действующему на её поверхность.

При нормальном атмосферном давлении ($p_{атм} \approx 101,3$ кПа) вода кипит при 100 °C, потому что именно при этой температуре давление её насыщенного пара достигает величины атмосферного давления.

В ходе данного эксперимента насос откачивает воздух, и давление $p$ под колпаком уменьшается. Давление насыщенного пара воды зависит от её температуры — чем выше температура, тем оно больше. Как только внешнее давление $p$ под колпаком станет равным давлению насыщенного пара воды при её текущей температуре, вода закипит.

Например:

• При температуре 80 °C давление насыщенного пара воды составляет примерно 47,4 кПа. Чтобы вода закипела, нужно понизить давление под колпаком примерно в два раза по сравнению с атмосферным.
• При комнатной температуре (20 °C) давление насыщенного пара воды составляет всего около 2,3 кПа. Чтобы заставить воду кипеть при этой температуре, нужно создать значительно более глубокий вакуум, понизив давление почти в 45 раз.

Именно поэтому для наглядности и простоты проведения опыта в школьных условиях рекомендуется предварительно нагреть воду: это позволяет наблюдать кипение при не очень сильном разрежении воздуха.

Наблюдаемый результат

По мере откачивания воздуха из-под колпака, в воде начнут появляться и подниматься к поверхности пузырьки пара — вода закипит, несмотря на то, что её температура будет значительно ниже 100 °C.

Ответ: Эксперимент демонстрирует, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. При откачивании воздуха вакуумным насосом давление под колпаком снижается. Когда это давление становится равным давлению насыщенного пара воды при её текущей температуре, вода начинает кипеть. Таким образом, понижая давление, можно заставить воду кипеть при температуре ниже 100 °C, в том числе и при комнатной. Предварительный нагрев воды до 70–80 °C ускоряет этот процесс и делает его более наглядным, так как для кипения требуется создать меньшее разрежение.