Что поменяется при охлаждении жидкости в сосуде
Почему вода расширяется при замерзании?
Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму. Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».
С беглого взгляда фраза «вода расширяется, когда она замерзает» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или очертаний и поэтому, кажется, занимает больше места. Кроме того, когда вода замерзает, она принимает четко определенную форму, которая кажется совершенно противоположной «расширению».
Действительно ли вода расширяется при замерзании?
Да, вода расширяется при замерзании. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении означает увеличение объема. Поэтому технически правильно было бы сказать так: объем воды увеличивается при замерзании.
Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается, поскольку она становится все более и более «нетронутой».
Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы представить эту зависимость графически:
Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться при понижении температуры ниже 4 градусов Цельсия.
Теперь давайте поговорим о том, почему увеличивается объем воды или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.
Почему объем воды увеличивается, когда она замерзает?
Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.
Является ли вода полярной или неполярной?
Химическая структура молекулы воды.
Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону возле атомов водорода и отрицательно заряженную сторону возле атома кислорода.
Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы. Когда это происходит в больших масштабах (т.е. с миллионами молекул воды), получается уникальная структура, которая объясняет некоторые химические свойства воды.
В жидком состоянии молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи, что объясняет неправильную форму воды (или любой другой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «уложены» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.
Расположение молекул воды в жидком состоянии.
Однако по мере снижения температуры и охлаждения воды межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее энергичными (с понижением температуры).
Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, и они приобретают более определенную форму, располагаясь в виде шестигранных решеток.
Ниже приведен упрощенный вариант расположения молекул воды в кристаллической форме во льду:
Расположение молекул воды в твердой форме.
Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, поскольку оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.
Такое расстояние между молекулами и их фиксация в таком положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.
Почему лед плавает по воде
Вода расширяется, когда становится льдом, и, поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода. По этой причине лед, вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, плавает на воде.
Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.
С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!
Что поменяется при охлаждении жидкости в сосуде
1. Начальное давление в сосуде, очевидно, равно 1 атм.
2. После нагревания воды до 100 °C давление её паров возросло до 1 атм, а давление воздуха при постоянном объёме увеличилось по закону Шарля в T2/T1 = 373/273 ≈ 1,366 раза, до примерно 1,4 атм.
3. При этом суммарное давление воздуха и паров воды при 100 °C по закону Дальтона стало равным около 2,4 атм.
4. При охлаждении сосуда в морозильнике до 0 °C давление паров воды уменьшилось до пренебрежимо малой (по условию) величины, давление воздуха сначала вернулось к исходному p = 1 атм, а затем по мере замерзания воды объём, занимаемый воздухом, уменьшался, а его давление увеличивалось вплоть до момента, когда вся вода замёрзла.
6. По этим численным данным можно построить примерный график зависимости давления p в этом сосуде от времени t, имея в виду, что на этапах изменения давления кривые — нелинейные (см. рисунок).
Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
---|---|
Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ (в данном случае: п. 3 и п. 4) и исчерпывающие верные рассуждения с прямым указанием наблюдаемых явлений и закономерностей: (в данном случае: для вычисления давлений и построения графика использованы формулы для изохорического и изотермического процессов в разреженных газах и известные особенности поведения воды при фазовых переходах) | 3 |
Дан правильный ответ, и приведено объяснение, но в решении имеются один или несколько из следующих недостатков. В объяснении не указано или не используется одно из физических явлений, свойств, определений или один из законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. (Утверждение, лежащее в основе объяснения, не подкреплено соответствующим законом, свойством, явлением, определением и т.п.) Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но в них содержится один логический недочёт. В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т.п.). В решении имеется неточность в указании на одно из физических явлений, свойств, определений, законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. | 2 |
Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев. Дан правильный ответ на вопрос задания, и приведено объяснение, но в нём не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения. Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца. Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки. Что меняется при изменении температуры воды в сосуде? Выбери правильный вариант(-ы) ответа. Объём водыОбъём сосудаДругой ответМоЧто меняется при изменении температуры воды в сосуде? Выбери правильный вариант(-ы) ответа. Объём воды Ответ: Объяснение: так как если мы будем нагревать воду, то она будет испортятся, если же мы будем её охлаждать то как минимум она заледенеед и воды станет меньше ( Ответ: Молекулы воды и Объём воды по з-ну сохранения энергии mV^2/2=mgh 1. Почему при чтении книги на очень бол� 1. Почему при чтении книги на очень большом или на очень близком расстоянии глаза быстро устают? Г) Мышцы глаза находятся долгое время в деформированном состоянии; 4. Какой глаз называется дальнозорким? Б) У которого фокус при спокойном состоянии глазной линзы лежит за сетчаткой; Термодинамика в отличие от МКТ базируется на законах сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия является функцией состояния системы. Ее изменение ∆U при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса и равно: т.е. изменение внутренней энергии ∆U пропорционально изменению температуры ∆Т. В. Количество теплоты Q – мера изменения внутренней энергии при теплопередаче, т.е. переходе энергии (теплоты) от более нагретых тел к менее нагретым. где C – теплоемкость тела. является математическим выражением первого закона (начала) термодинамики – закона сохранения и превращения энергии, распространенного на тепловые процессы. Следует иметь в виду, что величины Q и A являются алгебраическими: Q > 0, если теплота передается системе (Q 0, если газ совершает работу против внешних сил – расширение (A 0 0 Что поменяется при охлаждении жидкости в сосуде§ 33. Испарение жидкостей. ПарыПри любой температуре с поверхности жидкости вылетает часть молекул, образуя над ней пар. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, происходящее при любых температурах с открытой поверхности жидкости, называется испарением. Его скорость зависит от рода жидкости, величины ее свободной поверхности, температуры, внешнего давления и наличия над жидкостью потока воздуха, уносящего пар. Чтобы испарение жидкости происходило без изменения ее температуры, жидкости необходимо сообщать энергию. Скалярная величина, измеряемая количеством энергии, необходимой для превращения единицы массы жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования. Наименование удельной теплоты парообразования r кг /дж. Для превращения m кг массы жидкости в пар надо определенное количество энергии, в частности количество теплоты Q = rm. Допустим, что жидкость испаряется в закрытом сосуде. Часть молекул пара вследствие теплового движения, приблизившись к поверхности жидкости, возвращается в нее. В закрытом сосуде одновременно происходит и процесс испарения и процесс конденсации Если число молекул, вылетевших из жидкости, больше числа молекул, возвратившихся в нее, то пар над жидкостью называется ненасыщенным. Опыты с ненасыщенными парами показали, что они подчиняются газовым законам. В процессе испарения и конденсации наступает такой момент, начиная с которого число молекул, вылетевших из жидкости в единицу времени, окажется равным числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость, то есть наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическим равновесием со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Он может быть насыщенным не только в закрытом сосуде, но и в атмосфере. Так, при тумане пары воды в воздухе насыщены.
При температуре 20° С давление насыщенных паров этих жидкостей равно (в мм рт. ст.): Выясним, зависит ли давление насыщенного пара при постоянной температуре от его объема. Под поршнем в цилиндре, соединенном с манометром, находится жидкость и ее насыщенный пар (рис. 36). Изменяя его объем перемещением поршня вверх, а затем вниз, по показанию манометра видим, что при постоянной температуре давление насыщенного пара от объема не зависит, и оно при данной температуре для данной жидкости есть величина постоянная. Это означает, что насыщенные пары закону Бойля-Мариотта не подчиняются. Так, манометр парового котла при данной температуре показывает всегда одно и то же давление, независимо от того, какой объем занимает в нем насыщенный пар.
Объясняется это тем, что при изменении объема насыщенного пара происходит изменение его массы. Причувеличении объема масса пара увеличивается (происходит дополнительное испарение жидкости), при уменьшении объема масса пара уменьшается (часть его конденсируется). Опыты и расчеты по изменению давления насыщенного пара от нагревания показывают, что давление увеличивается во много раз больше, чем следовало бы по закону Шарля, т. е. зависимость давления от температуры не подчиняется данному закону. Объясняется это тем, что давление насыщенного пара при нагревании возрастает, во-первых, вследствие увеличения средней кинетической энергии молекул этого пара и, во-вторых, из-за увеличения концентрации молекул пара, т. е. увеличения общей массы молекул. Пока пар остается насыщенным, изменение его температуры или объема всегда сопровождается изменением массы пара, т.е. парообразованием, или конденсацией. Свойство насыщенных паров воды увеличивать свое давление с повышением температуры применяется в паровых котлах для получения пара, имеющего большое давление, например 100 ат, при температуре кипения воды 310° С. Для использования пара в паровых машинах его отводят из котла, нагревают, превращают в ненасыщенный. Такой пар называется перегретым, он обладает большим запасом внутренней энергии. Если пар не перегрет, то он содержит капельки жидкости. Получив в пробирке пары эфира, начнем охлаждать их, поместив ее в смесь льда и соли. На стенках пробирки появляется налет жидкого эфира, так как при охлаждении его пары превратились в жидкость. Существует два способа обращения пара в жидкость: увеличение давления на пар, сжатие его (см. рис.36) и понижение температуры пара, охлаждение его. Опыты показывают, что и газы можно превратить в жидкость (сжижение газов). Для этого их надо одновременно и сжимать и охлаждать, пока они не превратятся в жидкость. ЕГЭ для VIPФизика ЕГЭ. Тема № 2.5 (базовый)Материалы для подготовки к ЕГЭ. Тематический тренинг ФИЗИКА (базовый уровень) с решениями и ответами. ТЕМА № 2.5. МКТ, термодинамика (изменение физических величин в процессах; установление соответствия между графиками и физическими величинами, между физическими величинами и формулами). Задачи №№ 374-427. Указания к решению задач №№ 374, 381, 389, 395, 401, 408, 414, 417, 419, 423. ЕГЭ Физика. ТЕМА № 2.5.МКТ, термодинамика (изменение физических величин в процессах; установление соответствия между графиками и физическими величинами, между физическими величинами и формулами) № 374. В сосуде под поршнем, плотно прилегающем к стенкам сосуда, находится влажный воздух при относительной влажности воздуха 60%. Поршень медленно опускают, уменьшая объём сосуда в 2 раза и поддерживая температуру воздуха постоянной. Как при этом изменятся относительная влажность воздуха и масса водяных паров, находящихся в этом воздухе? № 375. В воздухе увеличилось содержание водяного пара, но температура не изменилась. Что произошло с относительной влажностью воздуха и давлением насыщенного водяного пара? № 376. В закрытом сосуде находятся водяной пар и некоторое количество воды. Как изменятся при изотермическом уменьшении объёма сосуда следующие величины: давление в сосуде, масса воды? № 377. Газ изобарно нагревают. Как при этом меняются масса газа и его плотность? № 378. Идеальный одноатомный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 (см. рис.). Масса газа не меняется. Как поведут себя при этом давление и объём газа? № 379. Как изменятся плотность воздуха и подъёмная сила, действующая на воздушный шар, при понижении температуры окружающего воздуха и неизменном атмосферном давлении? № 380. Газ адиабатически сжимают. Как при этом изменятся температура и внутренняя энергия газа? № 381. В сосуде под поршнем, плотно прилегающем к стенкам сосуда, находится идеальный газ. Поршень резко вдвигают внутрь сосуда. Как при этом изменятся температура газа и его внутренняя энергия? № 382. Что произойдёт с температурой идеального газа и его объёмом, если он адиабатически расширится? № 383. Температура газа в герметично закрытом сосуде возрастает. Как при этом изменяются внутренняя энергия газа и концентрация молекул газа? № 384. В процессе сжатия 1 моля разреженного гелия его внутренняя энергия всё время остаётся неизменной. Как изменяются при этом температура гелия и его давление? № 385. Температура газа в герметично закрытом сосуде возрастает. Как при этом изменяются давление газа и его плотность? № 386. В процессе сжатия 1 моля разреженного гелия его температура всё время остаётся неизменной. Как изменяются при этом внутренняя энергия гелия и его давление? № 387. Что произойдёт с внутренней энергией идеального газа и его плотностью, если он адиабатически расширится? № 388. Идеальный газ изобарно сжимают. Как при этом изменяются плотность газа и его внутренняя энергия? № 389. Пузырёк воздуха всплывает со дна водоёма на поверхность. Как изменяются давление воздуха в пузырьке и его объём, если температура в этом процессе остаётся постоянной? № 390. 1 моль идеального одноатомного газа находится в цилиндрическом сосуде под поршнем. Поршень не закреплён и может перемещаться в сосуде без трения (см. рис.). В сосуд закачивают ещё такое же количество газа при неизменной температуре. Как изменятся в результате этого давление газа и концентрация его молекул? № 391. Газ изобарно нагревают. Как при этом изменятся объём и внутренняя энергия газа? № 392. Что произойдёт с внутренней энергией идеального газа и его плотностью, если он изобарически расширится? № 393. В сосуде постоянного объёма при комнатной температуре находилась смесь двух идеальных газов, состоящая из 1 моль первого газа и 4 моль второго. Половину содержимого сосуда выпустили, после чего в сосуд добавили 2,5 моль первого газа. Как изменились в результате парциальное давление первого газа и суммарное давление газов, если в сосуде поддерживалась постоянная температура? № 394. В герметичном сосуде находится влажный воздух, температуру воздуха увеличили. Как при этом изменились относительная влажность воздуха и энергия молекул воды? № 395. Некоторое количество идеального газа находится в сосуде при атмосферном давлении. Как изменятся давление и концентрация частиц, если в сосуде проделать небольшое отверстие и при постоянной температуре медленно уменьшить его объём? № 396. Что произойдёт с внутренней энергией идеального газа и его плотностью, если его изобарически сжать? № 397. Газ изотермически сжимается. Как при этом изменятся давление газа и его внутренняя энергия? № 398. Газ изобарно нагревают. Как при этом меняются плотность газа и его внутренняя энергия? № 399. Идеальный газ адиабатически сжимают. Как при этом изменяются внутренняя энергия газа и его плотность? № 400. Температуру нагревателя тепловой машины увеличили, а температуру холодильника оставили прежней. Как при этом изменились полезная работа двигателя и количество теплоты, отдаваемое рабочему телу? № 401. 10 моль разреженного гелия находится в сосуде при давлении выше атмосферного. Как изменятся давление и внутренняя энергия газа, если в сосуде сделать небольшое отверстие и его температуру поддерживать постоянной? № 402. В герметически закрытом сосуде в помещении находится аргон. Сосуд с аргоном вынесли на улицу, где температура воздуха ниже, чем в помещении. Как при этом будут меняться давление и температура аргона? № 403. В результате технических изменений КПД плавильной печи значительно увеличился. Как при этом изменились масса топлива, потребляемая печью (для расплавления такой же массы стали, что и ранее), и удельная теплота плавления стали? № 404. В идеальном тепловом двигателе количество теплоты, которое ежесекундно передаётся от нагревателя, увеличилось, а количество теплоты, ежесекундно передаваемое холодильнику, осталось неизменным. Как при этом изменились КПД двигателя и работа, совершаемая двигателем за цикл? № 405. Одноатомный идеальный газ неизменной массы в изобарном процессе совершает работу А > 0. Как изменяются в этом процессе объём и температура газа? № 406. Лёд, взятый при 0°С, превращают в воду. Как при этом изменятся температура и потенциальная энергия взаимодействия его молекул? № 407. Над газом, находящимся под поршнем, проводят изотермический процесс. Графики А и Б представляют изменения физических величин во время изменения объёма газа под поршнем. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. № 408. На рисунке приведён график замкнутого цикла, проведённого над идеальным одноатомным газом. Установите соответствие между участками цикла и термодинамическими процессами, происходящими с газом на этих участках. № 409. Установите соответствие между изопроцессами, совершаемыми идеальным газом, и их графиками.. № 410. Установите соответствие между изопроцессами, совершаемыми идеальным газом, и их графиками. № 411. Газ совершает изобарный процесс. А и Б представляют собой физические величины, характеризующие состояние газа. Установите соответствие между величинами и графиками, которые отражают зависимости этих величин от объёма. № 412. Установите соответствие между изопроцессами и формулами, описывающими эти процессы (р – давление газа, V – объём газа, Т – его термодинамическая температура). № 413. Газ совершает изобарный процесс. А и Б представляют собой физические величины, характеризующие состояние газа. Установите соответствие между величинами и графиками, которые отражают зависимости этих величин от объёма. № 414. На рисунках представлены графики некоторой зависимости двух процессов 1–2 и 3–4, происходящих с неизменным количеством идеального газа. Графики построены в координатах p–U и р–А’, где р – давление газа, U – его внутренняя энергия, А’ – работа газа. Установите соответствие между графиками и утверждениями, характеризующими эти процессы. № 415. Идеальная тепловая машина получает от нагревателя, имеющего температуру Т1, теплоту Q1 и отдаёт холодильнику, имеющему температуру Т2, теплоту Q2. А – работа машины. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. № 416. Установите взаимосвязь между физическими величинами и единицами их измерения. № 417. На рис. 171 приведён график замкнутого цикла, проведённого над идеальным одноатомным газом. Участок DA соответствует адиабате. Установите соответствие между участками цикла и термодинамическими процессами, происходящими с газом на этих участках. № 418. Температура нагревателя идеальной тепловой машины равна Т\, а температура холодильника равна Т%. За цикл двигатель совершает работу, равную А. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. № 419. На рисунках приведены графики процессов, проведённых над идеальным одноатомным газом. Установите соответствие между графиками и термодинамическими процессами. № 420. В закрытом сосуде находится идеальный одноатомный газ. Формулы А и Б (р – давление газа, V – объём газа, n – концентрация молекул газа, E – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа) позволяют рассчитать значения физических величин, характеризующих состояние газа. Установите соответствие между формулами и физическими величинами, значение которых можно по ним рассчитать. № 421. В закрытом сосуде находится идеальный одноатомный газ. Формулы А и Б (р – давление газа, V – объём газа, n – концентрация молекул газа) позволяют рассчитать значения физических величин, характеризующих состояние газа. Установите соответствие между формулами и физическими величинами, значение которых можно по ним рассчитать. № 422. На рисунке приведён график замкнутого цикла, проведённого с 1 молем идеального газа, р – давление газа, V – его объём, Т – абсолютная температура. Установите соответствие между физическими величинами и формулами для их расчёта. А1 – работа газа в замкнутом цикле, А2 – работа газа на участке 1–2. № 423. На рисунках представлены графики зависимости двух процессов – 1–2 и 3–4, происходящих с неизменным количеством идеального газа. Установите соответствие между графиками и утверждениями, характеризующими эти процессы. Графики построены в координатах р–U и р–А’, где р – давление газа, U – его внутренняя энергия, А’ – работа газа. № 424. На графике зависимости температуры от времени (см. рис.) показаны процессы, происходящие с твёрдым телом, помещённым в плавильную печь. Установите соответствие между физическими величинами и формулами для их расчёта (с – удельная теплоёмкость вещества, λ – удельная теплота плавления, r – удельная теплота парообразования, q – удельная теплота сгорания топлива, Q – количество теплоты, m – масса вещества). № 425. Кастрюлю поставили на плиту, а через некоторое время огонь под ней выключили. На графике зависимости температуры от времени показаны процессы, происходящие с жидкостью в этой кастрюле (см. рис.). Установите соответствие между физическими величинами и формулами для их расчёта (с – удельная теплоёмкость вещества, λ – удельная теплота плавления, r – удельная теплота парообразования, Q – количество теплоты, m – масса вещества). № 426. Газ, находящийся под поршнем, который может перемещаться без трения, совершает изотермический процесс. Графики А и Б представляют зависимости физических величин от объёма газа под поршнем. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, которые эти графики могут представлять. № 427. В закрытом сосуде находится идеальный одноатомный газ. Формулы А и Б (р – давление газа, V – объём газа, m – масса газа) позволяют рассчитать значения физических величин, характеризующих состояние газа. Установите соответствие между формулами и физическими величинами, значение которых можно рассчитать по этим формулам. Материалы для подготовки к ЕГЭ. Тематический тренинг ФИЗИКА (базовый уровень) с решениями и ответами. ТЕМА № 2.5. МКТ, термодинамика (изменение физических величин в процессах; установление соответствия между графиками и физическими величинами, между физическими величинами и формулами).
|