ID: 00017566
В герметичную банку, сделанную из очень тонкой жести и снабжённую наверху завинчивающейся крышкой, налили немного воды (заполнив малую часть банки) при комнатной температуре и поставили на газовую плиту, на огонь, не закрывая крышку. Через некоторое время, когда почти вся вода выкипела, банку сняли с огня, сразу же плотно завинтили крышку и облили банку холодной водой. Опишите физические явления, которые происходили на различных этапах этого опыта, а также предскажите и объясните его результат.
Источник: ФИПИ
Главный герой задачи — давление газа внутри банки. Тонкая жесть сама почти не держит форму: её положение целиком определяется тем, что давит сильнее — газ изнутри или атмосфера снаружи. Поэтому проследим за давлением и составом газа на каждом этапе.
Вода нагревается и закипает. Кипение — это бурное парообразование во всём объёме жидкости: образуется много водяного пара. Пар, расширяясь, выгоняет из открытой банки почти весь воздух. К моменту, когда вода почти выкипела, банка заполнена в основном горячим водяным паром, а воздуха в ней почти не осталось. Давление внутри при этом примерно равно атмосферному (банка открыта).
Теперь банка герметична, и внутри — горячий пар (воздуха почти нет). Пока он горячий, его давление близко к атмосферному, и стенки в равновесии.
Стенки и пар резко остывают. Происходит конденсация: водяной пар превращается в жидкость (несколько капель), занимающую ничтожный объём. Сам пар при охлаждении становится насыщенным, а давление насыщенного пара очень быстро падает с понижением температуры — у комнатной температуры оно составляет лишь малые доли атмосферного. Воздуха, который мог бы «подпереть» стенки, в банке почти нет.
Давление газа внутри банки становится много меньше атмосферного. Снаружи на тонкие стенки давит атмосфера с прежней силой, а изнутри её почти ничто не уравновешивает. Возникшая разность давлений сминает банку: её с громким хлопком раздавливает (сминает внутрь).
Банку сомнёт (раздавит). При кипении воздух почти полностью вытесняется водяным паром. После укупоривания и обливания холодной водой пар охлаждается и конденсируется, давление внутри банки резко падает и становится много меньше атмосферного. Внешнее атмосферное давление сминает тонкие стенки банки внутрь.