1. Изучите график (см. рис. 31) и опишите процессы, происходящие с водой.
Участок AB: На этом участке происходит нагревание льда. В этом процессе температура льда увеличивается, но он все еще находится в твердом состоянии. Внутренняя энергия молекул льда возрастает из-за поглощения тепла.
Участок BC: Здесь происходит плавление льда. Температура остается постоянной (0 °C), так как вся энергия, которую получает система, используется для разрушения кристаллической решетки льда, превращая его в воду. Этот процесс называется теплотой плавления.
Участок CD: На этом участке вода, которая образовалась в результате плавления, начинает нагреваться. Температура воды растет от 0 °C до 40 °C, и молекулы воды получают дополнительную энергию.
Участок DE: Здесь происходит охлаждение воды. Температура воды снижается от 40 °C до 0 °C. Вода отдает энергию окружающей среде, и внутренние движения молекул замедляются.
Участок EF: На этом участке происходит отвердевание воды. Температура остается постоянной (0 °C), так как энергия, которая выделяется, используется для формирования кристаллической структуры льда из воды. Это называется теплотой кристаллизации.
Участок FK: Здесь происходит охлаждение льда. Температура льда снижается, и он продолжает отдавать энергию окружающей среде.
2. Какие участки графика соответствуют процессам, в которых вода получает энергию, а какие — процессам, в которых вода отдаёт энергию? Почему вы так думаете?
Получение энергии:
Участок AB (нагревание льда): Вода получает энергию в виде тепла, что приводит к повышению температуры льда. Участок BC (плавление льда): Вода поглощает тепло, чтобы перейти в жидкое состояние, не меняя температуры. Участок CD (нагревание воды): Жидкая вода получает энергию, температура которой увеличивается. Отдача энергии:
Участок DE (охлаждение воды): Вода отдает тепло окружающей среде, что приводит к снижению температуры. Участок EF (отвердевание воды): При превращении воды в лед выделяется тепло, однако температура остается постоянной. Участок FK (охлаждение льда): Лед отдает тепло окружающей среде, и его температура уменьшается.
3. Почему при плавлении льда и отвердевании воды их температура не меняется?
Температура не меняется во время плавления льда и отвердевания воды из-за особенностей фазовых переходов:
Плавление льда: При плавлении лед поглощает тепло, но это тепло не идет на повышение температуры. Вместо этого оно используется для разрушения кристаллической решетки льда. Этот процесс требует значительного количества энергии (теплоты плавления), что объясняет, почему температура остается постоянной на уровне 0 °C, пока весь лед не превратится в воду.
Отвердевание воды: В процессе отвердевания воды происходит обратный процесс. Вода выделяет тепло, но температура также остается постоянной на уровне 0 °C, пока вся вода не превратится в лед. Выделяемая при кристаллизации теплота (теплота кристаллизации) используется для формирования упорядоченной структуры кристаллов льда.
1. Объясните, какие энергетические преобразования наблюдаются при отвердевании воды.
Когда вода замерзает и переходит в твердое состояние (лед), происходит ряд энергетических преобразований:
Теплоотдача: При замерзании воды выделяется теплота, называемая теплотой кристаллизации (или отвердевания). Это связано с тем, что молекулы воды, теряя теплоту, начинают более активно взаимодействовать друг с другом и формируют стабильные связи, что приводит к образованию кристаллической структуры льда.
Снижение температуры: В процессе замерзания температура воды понижается до 0 °C, и, как только вода достигнет этой температуры, она начинает превращаться в лед. Важно отметить, что температура остается постоянной в процессе фазового перехода, даже если продолжает выделяться теплота.
2. Как показать, что стекло — тело аморфное, а поваренная соль — тело кристаллическое?
Для демонстрации различий между аморфным и кристаллическим состоянием можно использовать следующие методы:
Стекло: Стекло является аморфным телом, так как оно не имеет упорядоченной кристаллической структуры. Это можно продемонстрировать, используя методы рентгеновской дифракции. При исследовании стекла методом дифракции рентгеновских лучей не обнаруживается четкой закономерности пиков, что указывает на отсутствие кристаллической решетки.
Поваренная соль: Поваренная соль (NaCl) является кристаллическим телом. Это можно показать, например, путем кристаллизации раствора соли. В процессе кристаллизации образуются четкие кристаллы с характерной формой, которые можно наблюдать под микроскопом. Также метод рентгеновской дифракции покажет четкие пики, подтверждающие наличие упорядоченной структуры.
1. Меняется ли в процессе плавления кинетическая энергия частиц цинка; потенциальная энергия? Ответ обоснуйте.
В процессе плавления кинетическая энергия частиц цинка не изменяется, так как температура остаётся постоянной, а именно температура определяет среднюю кинетическую энергию частиц. Потенциальная энергия, наоборот, увеличивается, так как энергия расходуется на разрушение связей между частицами при плавлении.
2. Продолжите график изменения температуры олова с течением времени (рис. 32) при условии, что далее происходит кристаллизация олова и его остывание до первоначальной температуры.
Для продолжения графика нужно учесть, что при кристаллизации олова температура будет оставаться постоянной, пока всё вещество не кристаллизуется, а затем начнётся его охлаждение. Линия на графике после горизонтального участка начнёт снижаться, отражая остывание затвердевшего олова.
3. Наблюдали ли вы, что весной во время ледохода около реки холоднее, чем вдали от неё? Проанализируйте это явление, чтобы понять и объяснить превращения энергии, происходящие при плавлении.
Весной около реки холоднее из-за того, что лёд начинает таять. Процесс плавления требует энергии, которая забирается из окружающей среды, и это охлаждает воздух рядом с водой, где происходит плавление.
4*. Почему при изменении атмосферного давления изменяется температура плавления?
Температура плавления зависит от давления, так как при увеличении давления на твёрдое вещество требуется больше энергии для того, чтобы его частицы вышли из связей и перешли в жидкое состояние, и наоборот.
1*. Если в опыте с ледяным бруском стальную проволоку заменить капроновой нитью того же диаметра, лёд режется значительно хуже. Чем это можно объяснить?
Когда вместо стальной проволоки используется капроновая нить, лед режется хуже по следующим причинам:
Жесткость и прочность: Стальная проволока жестче и прочнее капроновой нити. Это позволяет стальной проволоке оказывать большее давление на лед, что способствует его разрезанию. Капроновая нить, будучи более гибкой и менее прочной, не может создать такое же давление на лед, и в результате ее режущая способность снижается.
Площадь контакта: Капроновая нить может оказывать меньшее давление на поверхность льда, так как ее форма и диаметр позволяют ей распределять силу меньше, чем стальная проволока.
2. Почему морская вода не замерзает при температуре 0 °C?
Морская вода не замерзает при 0 °C по следующим причинам:
Содержание соли: В морской воде присутствуют соли (например, NaCl), которые понижают температуру замерзания воды. Это явление называется депрессией замерзания. Соли нарушают упорядоченную структуру, необходимую для образования кристаллической решетки льда, что требует более низких температур для замерзания.
Осмотическое давление: Высокая концентрация солей в морской воде увеличивает осмотическое давление, что также препятствует замерзанию воды при обычных условиях.
Одну сосульку опустили в замерзающую воду, а другую — в раствор поваренной соли той же температуры. Через некоторое время диаметр первой сосульки заметно увеличился, а второй — уменьшился. Как это можно объяснить?
Разница в поведении сосулек в обычной воде и в растворе поваренной соли объясняется следующим образом:
Вода: Когда сосулька помещена в замерзающую воду, тепло от сосульки передается воде, что приводит к кристаллизации воды вокруг сосульки и увеличению ее диаметра. Вода продолжает замерзать и образовывать кристаллы вокруг сосульки.
Солевой раствор: В солевом растворе соли, находящейся в воде, понижает температуру замерзания. Это означает, что в этом растворе кристаллизация воды происходит медленнее, и из-за этого сосулька не может эффективно забирать тепло из окружающего раствора, что приводит к уменьшению ее диаметра, так как часть льда может таять.