Ответьте на вопросы, страница 73 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему удельная теплота парообразования веществ больше удельной теплоты плавления?

2. Почему количество теплоты, переданное жидкости при кипении, и количество теплоты, выделенное при конденсации, имеют одинаковые значения?

3. Почему кипение сопровождается шумом и бульканьем? Какие процессы в жидкости сопровождаются этими звуками?

4. Почему температура кипения для различных веществ разная?

1. Почему удельная теплота парообразования веществ больше удельной теплоты плавления?

Удельная теплота парообразования вещества всегда больше его удельной теплоты плавления, и связано это с характером фазовых переходов на молекулярном уровне.

Плавление — это переход вещества из твердого состояния в жидкое. В твердом (кристаллическом) состоянии молекулы или атомы вещества расположены в строго определенном порядке (кристаллическая решетка) и совершают колебания около положений равновесия. При плавлении подводимая энергия расходуется на разрушение этой решетки. Молекулы получают достаточно энергии, чтобы покинуть свои фиксированные места, но они все еще остаются близко друг к другу и связаны силами межмолекулярного притяжения. Расстояние между молекулами увеличивается незначительно. Работа, совершаемая против сил притяжения, относительно мала.

Парообразование (кипение) — это переход вещества из жидкого состояния в газообразное. В жидкости молекулы уже подвижны, но все еще находятся в тесном контакте. Чтобы превратить жидкость в пар, необходимо сообщить молекулам энергию, достаточную для полного преодоления сил межмолекулярного притяжения и для совершения работы против внешнего давления, так как объем вещества при переходе в газ значительно увеличивается. В результате молекулы в газе оказываются на больших расстояниях друг от друга и движутся хаотично. Энергетические затраты на этот процесс гораздо выше, чем на простое "размягчение" кристаллической решетки при плавлении.

Таким образом, для парообразования требуется совершить значительно большую работу по разделению молекул, чем для плавления. Это и объясняет, почему удельная теплота парообразования ($L$) всегда существенно больше удельной теплоты плавления ($\lambda$).

Ответ: Удельная теплота парообразования больше удельной теплоты плавления, так как при парообразовании энергия расходуется на полное преодоление сил межмолекулярного притяжения и на работу по расширению вещества, что требует значительно больше энергии, чем простое разрушение кристаллической решетки при плавлении, где молекулы остаются близко друг к другу.

2. Почему количество теплоты, переданное жидкости при кипении, и количество теплоты, выделенное при конденсации, имеют одинаковые значения?

Равенство количества теплоты, поглощаемой при кипении и выделяемой при конденсации, является прямым следствием закона сохранения энергии и обратимости этих фазовых переходов.

Кипение — это эндотермический процесс, то есть процесс, идущий с поглощением энергии. Чтобы 1 кг жидкости при температуре кипения превратился в 1 кг пара при той же температуре, необходимо передать ей количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования ($L$). Эта энергия ($Q_{погл} = L \cdot m$) идет на увеличение внутренней энергии системы, а именно на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул, когда они удаляются друг от друга, преодолевая силы притяжения.

Конденсация — это процесс, обратный кипению, и он является экзотермическим, то есть идет с выделением энергии. Когда пар превращается в жидкость, молекулы сближаются, и между ними вновь возникают силы притяжения. При этом потенциальная энергия системы уменьшается, а избыток энергии выделяется в виде тепла. Количество выделенной теплоты ($Q_{выд} = L \cdot m$) в точности равно той энергии, которая была затрачена на разрыв этих связей при кипении.

Так как конденсация является процессом, строго обратным кипению, то по закону сохранения энергии, количество энергии, необходимое для разрыва межмолекулярных связей, должно быть равно количеству энергии, которое выделяется при их образовании для одинаковой массы вещества при одинаковых условиях (температуре и давлении).

Ответ: Кипение и конденсация — это два взаимно обратных процесса. Согласно закону сохранения энергии, количество энергии, которое вещество поглощает при переходе из жидкого состояния в газообразное (кипение), в точности равно количеству энергии, которое оно выделяет при обратном переходе из газа в жидкость (конденсация) для той же массы вещества.

3. Почему кипение сопровождается шумом и бульканьем? Какие процессы в жидкости сопровождаются этими звуками?

Шум и бульканье при кипении вызваны процессами образования, роста и движения пузырьков пара внутри жидкости.

Шум (шипение), который предшествует активному кипению, возникает, когда жидкость прогревается неравномерно. Обычно нагрев происходит снизу. У дна и стенок сосуда, где температура выше, образуются первые маленькие пузырьки пара. Эти пузырьки, будучи легче окружающей жидкости, начинают всплывать. Однако верхние слои жидкости еще не прогрелись до температуры кипения. Попадая в эти более холодные слои, пар внутри пузырьков быстро охлаждается и конденсируется обратно в жидкость. В результате пузырек резко схлопывается (происходит имплозия). Быстрое схлопывание создает в жидкости ударную волну, и множество таких микро-взрывов мы воспринимаем как характерный шум или шипение.

Бульканье начинается, когда вся масса жидкости прогревается до температуры кипения. В этом случае пузырьки пара, образующиеся у дна, при всплытии уже не схлопываются, так как окружающая жидкость имеет ту же температуру. Они, наоборот, могут увеличиваться в размерах, поднимаясь к поверхности. Достигнув поверхности, пузырьки лопаются, выпуская содержащийся в них пар в атмосферу. Этот процесс подъема и лопания большого количества пузырьков на поверхности и создает характерные булькающие звуки.

Ответ: Шум перед кипением вызван схлопыванием (конденсацией) пузырьков пара при их попадании из горячих нижних слоев жидкости в более холодные верхние. Бульканье во время активного кипения вызвано подъемом пузырьков пара через прогретую до кипения жидкость и их лопанием на поверхности.

4. Почему температура кипения для различных веществ разная?

Температура кипения — это фундаментальная физическая характеристика вещества, и ее значение определяется двумя основными факторами: силой межмолекулярного взаимодействия и внешним давлением.

Основная причина различия температур кипения для разных веществ заключается в разной природе и силе связей между их молекулами (или атомами).

Кипение начинается тогда, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. Чтобы перейти в газовую фазу, молекулы должны преодолеть силы притяжения, удерживающие их вместе в жидкости.

• У веществ с сильными межмолекулярными связями (например, у воды, где есть прочные водородные связи) молекулам требуется сообщить большую кинетическую энергию, чтобы они смогли "оторваться" друг от друга. Большая кинетическая энергия соответствует более высокой температуре. Поэтому такие вещества кипят при высоких температурах (вода при 100°C при нормальном давлении).
• У веществ со слабыми межмолекулярными связями (например, у эфира или спирта, где действуют более слабые ван-дер-ваальсовы силы или диполь-дипольные взаимодействия) молекулам требуется меньше энергии для преодоления притяжения. Поэтому их давление насыщенного пара достигает значения внешнего давления при более низких температурах (этиловый спирт кипит при ~78°C, а диэтиловый эфир при ~35°C).

Вторым фактором является внешнее давление. С его увеличением температура кипения любого вещества возрастает, а с уменьшением — понижается. Однако различие в температурах кипения между разными веществами при одинаковом давлении сохраняется и определяется именно их внутренней молекулярной структурой и силами взаимодействия.

Ответ: Температура кипения для различных веществ разная, потому что у них разная сила межмолекулярного притяжения. Веществам с более сильными связями между молекулами требуется больше энергии (а значит, более высокая температура), чтобы преодолеть эти связи и перейти в газообразное состояние.