2. Молекулярная физика.

2. Молекулярная физика.
2.1. В сосуде с водой плавает второй сосуд с водой. Можно ли,
нагревая воду во внешнем сосуде, добиться кипения воды во
внутреннем?
Для поддержания процесса кипения
нужно нагреть жидкость до температуры
кипения, а затем продолжать подводить к
жидкости
тепло,
парообразование.
которое
идёт
на
Нагревая
воду
во
внешнем сосуде, мы можем довести её
температуру до 1000 С. Выше в процессе кипения температура не
поднимется. От внешнего сосуда тепло передается воде во
внутреннем сосуде до тех пор пока существует разность температур.
В итоге вода во внутреннем сосуде нагреется до 1000С, но на этом
процесс теплопередачи от воды внешнего сосуда к воде внутреннего
прекратится - не будет разности температур. Поэтому, нагретая до
температуры кипения, вода во внутреннем сосуде не закипит - воде
не передаётся тепло, необходимое для парообразования.
Ситуация
меняется,
если
во
внешнем
сосуде
не
дистиллированная, а обычная водопроводная вода. В ней имеются
соли, по мере выкипания воды концентрация солей в воде
повышается, а это приводит к повышению температуры кипения.
Теперь вода во внешнем сосуде кипит при несколько большей
температуре, чем 1000 С. В итоге создается разность температур,
необходимая для передачи теплоты воде во внутреннем сосуде и она
закипает.
2.2. Два одинаковых шарика закреплены один в верхней, другой в
нижней точках. Каждому из них сообщили одинаковое количество
теплоты. Какой шарик нагреется до большей температуры?
Потерями тепла в окружающее пространство пренебречь.
При нагревании шарики расширяются
и центр масс первого опускается, а второго
поднимается.
У
первого
шарика
уменьшается потенциальная энергия в поле
силы тяжести, и она вместе с сообщенной
теплотой идёт на увеличение внутренней
энергии шарика. У второго шарика потенциальная энергия
увеличивается, на что расходуется часть теплоты, сообщённой
шарику. Оставшаяся часть теплоты идёт на увеличение внутренней
энергии шарика. В итоге первый шарик нагревается до большей
температуры, чем второй.
2.3. Изменится ли температура в комнате, если включить
электрохолодильник с открытой дверцей?
Температура воздуха в комнате повысится за счёт потребления
холодильником электрической энергии.
2.4. Почему теплоёмкость газа, измеренная при постоянном
давлении, больше, чем теплоёмкость того же газа, измеренная при
постоянном объёме?
Теплота, сообщённая газу при нагревании при постоянном
давлении, идёт на увеличение его внутренней энергии и на
совершение
механической
работы
против
внешних
сил
по
увеличению объёма газа. Когда газ нагревается при постоянном
объёме, механическая работа равна нулю, и всё сообщенное газу
тепло идёт на увеличение внутренней энергии газа. В связи с этим в
первом случае теплоёмкость больше, чем во втором.
2.5. Влияет ли ветер на показания термометра?
Если
температура
движущегося
воздуха
одинакова
и
термометр сухой, то ветер не будет влиять на его показания.
2.6. Не заглядывая в справочники и другие пособия, скажите каково
давление насыщенного пара воды при 1000С.
Жидкость испаряется в пузырьки воздуха, закреплённые на
дне и стенках сосуда. Пар в этих пузырьках насыщенный. Когда
давление этого пара становится равным внешнему давлению,
пузырёк всплывает - начинается кипение. Вода при нормальных
условиях имеет температуру кипения 1000С. Следовательно, при
этой
температуре
давление
насыщенного
пара
воды
равно
нормальному атмосферному давлению - 760 мм ртутного столба или
одной физической атмосфере. Таково и давление насыщенного пара
любой жидкости при температуре её кипения.
2.7. Воду закипятили в колбе, сняли с огня и закрыли колбу пробкой.
После этого на верхнюю часть колбы положили кусок льда, вода
закипела. Почему?
Жидкость кипит тогда, когда давление её насыщенного пара
равно внешнему давлению. Вода в нашей колбе имеет температуру
несколько меньшую, чем 1000С. Охлаждение верхней части колбы
приводит к конденсации части водяных паров, что снижает
парциальное давление водяного пара. Кроме того при охлаждении
воздуха снижается и его давление. В результате уменьшения
давления в верхней части колбы давление насыщенного водяного
пара в пузырьках воздуха, закрепленных на дне и стенках колбы,
становится выше внешнего давления, что вызывает кипение
жидкости.
2.8. Под колоколом воздушного насоса находится небольшой сосуд
с водой. Что произойдёт с водой, если начать откачивать из-под
колокола воздух?
Жидкость кипит при температуре, при которой давление её
насыщенного пара равно внешнему давлению. Поэтому при откачке
воздуха
и
снижении
его
давления
вода
может
закипеть.
Существенен здесь и другой процесс: при испарении (уход наиболее
быстрых молекул) температура жидкости уменьшается и она может
кристаллизироваться (превратиться в лёд). Если откачка воздуха изпод колокола идет медленно, вода замерзает раньше, чем закипит.
При
быстрой
откачке
вода
закипает,
интенсивность
её
парообразования возрастает, и она замерзает.
2.9. Почему нельзя слепить снежок при низкой температуре?
Когда лепят снежок, комок снега сжимают. Под давлением
снег растапливается (по крайней мере поверхностный слой), а затем,
замерзая, он удерживает слепленный снежок.
2.10. Придумайте метод измерения абсолютной влажности, не
требующий предварительной градуировки прибора.
Некоторую трубку, по которой можно прокачивать воздух,
заполняют солями, которые хорошо поглощают влагу. Трубку с
солями взвешивают. Прокачивают через неё определённый объём
воздуха. Вновь определяют массу трубки. Её приращение - масса
водяного пара, поглощённого из воздуха. Разделив массу на объём
прокачанного воздуха, получаем абсолютную влажность.
2.11. Как, зная точку росы, определить возможны ли в этот день
утренние заморозки?
Если точка росы выше 00 С, то при понижении температуры в
предутренние часы до точки росы начинается конденсация влаги из
воздуха. Конденсация сопровождается выделением тепла, равного
теплоте парообразования. Эта теплота подогревает воздух, и
заморозки наступить не могут. Если точка росы ниже 00 С заморозки
могут начаться раньше чем относительная влажность станет равной
100 % и начнётся конденсация влаги. Для борьбы с заморозками в
саду или огороде с вечера можно увеличить влажность и тем самым
повысить точку росы, обильно полив почву.
2.12. Как измерить медицинским термометром температуру тела
человека, если температура окружающего воздуха выше 420 С ?
Можно охладить термометр в холодильнике и быстро
поставить подмышку. Смотреть на показания термометра надо, не
вынимая его из подмышки. Если холодильника нет, можно
поступить иначе. Поставить термометр подмышку, когда ртуть в его
колбе охладится до температуры тела человека, надо вынуть
термометр и быстро его сбросить. Ртуть из столбика частично при
этом попадает в колбу и термометр покажет температуру тела
человека.
2.13. Удельная теплота парообразовния воды значительно больше,
чем эфира. Почему же эфир, налитый на руку, производит
значительно большее охлаждение, чем вода?
Температура кипения воды значительно выше температуры
кипения эфира и поэтому испарение налитого на руку эфира будет
идти гораздо интенсивнее, чем воды. За единицу времени испарится
гораздо больше эфира, чем воды, и полное тепло, которое идёт на
испарение эфира, окажется больше (несмотря на малую удельную
теплоту
парообразования
эфира
по
сравнению
с
водой).
Действительно, эфир практически мгновенно испаряется с руки, в то
время как влажной рука остаётся довольно долго.
2.14. В две одинаковые химические пипетки набирают до одного и
того же уровня воду: в одну - холодную, в другую - горячую.
Пипетки опорожняют и считают при этом капли. Из какой пипетки
упадёт больше капель?
Капля отрывается от конца пипетки в тот момент, когда сила
поверхностного натяжения уже не может уравновесить силу тяжести
капли. С ростом температуры воды коэффициент её поверхностного
натяжения,
а
значит,
и
сила
поверхностного
натяжения,
уменьшается. Причём уменьшается довольно заметно - примерно на
20% при повышении температуры от 20 до 1000 С. Таким образом,
вес горячей капли меньше, чем холодной, а число горячих капель,
наоборот, больше.
Заметим, что при нагревании происходит ещё один процесс уменьшение плотности воды. Это обстоятельство, вообще говоря,
играет противоположную роль. Но обусловленный им эффект, из-за
малого коэффициента теплового расширения воды, оказывается
гораздо слабее первого.
2.15. Какова температура воды в морях и океанах на больших
глубинах?
Жидкости при охлаждении уменьшают свой объём, а
плотность их при этом возрастает. Исключением из этого правила
является вода. Вода при охлаждении уменьшает свой объём только
до
40 С, при дальнейшем охлаждении её объём растёт.
При
понижении температуры воздуха от него охлаждается вода,
становится более плотной и опускается на дно водоёма.
Так
продолжается до 40 С. Последующее охлаждение снижает плотность
воды. Эти слои остаются на поверхности. Таким образом, вблизи
дна находятся слои воды, имеющие температуру 40 С. Если бы такой
особенности в тепловом расширении воды не было, холодные слои
опускались бы на дно вплоть до 00 С, и водоёмы начинали бы
промерзать не с поверхности, а со дна. Это привело бы к
совершенно иному ходу эволюции живых организмов.