Термодинамика (нет… — Задание ЕГЭ по физике №00017546

Идея

Трубка — как перевёрнутый «барометр на воде»: запаянный верх, открытый низ под водой. Что держит воду наверху и не даёт ей вытечь? Снизу через открытый конец на воду давит атмосфера, а сверху давит то, что окажется в запаянном конце, плюс вес самого столба воды. Запишем равновесие на уровне поверхности воды в тазике: там давление внутри трубки равно давлению снаружи, то есть атмосферному.

Что происходит при комнатной температуре

Сначала трубка полна воды, над водой пустоты почти нет. Атмосферное давление $\approx100$ кПа способно удержать столб воды высотой около $10$ м, а у нас всего полметра. Поэтому при комнатной температуре вода спокойно стоит — трубка остаётся полной. Баланс давлений на уровне поверхности воды в тазике: $p_{\text{атм}} = p_{\text{пар}} + \rho g h$, где $p_{\text{пар}}$ — давление насыщенного пара воды над её поверхностью в трубке (при $20\,^{\circ}$C оно совсем мало, меньше $3\%$ атмосферного), а $\rho g h$ — давление столба воды высотой $h$ над уровнем воды в тазике. Пустота у запаянного конца появилась бы только при столбе около $10$ м.

Что меняется при нагревании до кипения

Греем воду — давление насыщенного пара растёт, у запаянного конца появляется «пустота», заполненная насыщенным паром, и уровень воды в трубке опускается. Главное свойство насыщенного пара: его давление быстро растёт с температурой. А кипение — это как раз тот момент, когда давление насыщенного пара становится равным внешнему (атмосферному): $p_{\text{пар}} = p_{\text{атм}}$.

Подставим это в баланс: $p_{\text{атм}} = p_{\text{атм}} + \rho g h$, откуда $\rho g h = 0$, то есть $h = 0$. Удерживать над уровнем воды в тазике хоть какой-то столб воды стало нечем: пар сверху давит так же сильно, как атмосфера снаружи. Поэтому вода в трубке опускается ровно до уровня воды в тазике — ниже она не пойдёт, ведь тогда давление снаружи превысило бы давление пара.

Вывод

К моменту закипания уровень воды в трубке совпадает с уровнем воды в тазике, а над ним трубка заполнена насыщенным водяным паром.