Фазовые Переходы — Задание 9 ЕГЭ по физике №00028693

Смотрим, что вообще происходит с кастрюлей. Сначала она несколько часов просто стоит закрытая при комнатной температуре — вода потихоньку испаряется, и пар под крышкой копится до тех пор, пока не станет насыщенным: сколько молекул улетает с поверхности, столько же и возвращается обратно в воду. Дальше кастрюлю ставят на огонь, вода греется до $100\ ^{\circ}$C и кипит. Пар над водой всё это время остаётся насыщенным — вода-то никуда не делась, она прямо под ним. Теперь пройдём по всем пяти утверждениям по очереди.

Утверждение 1: относительная влажность воздуха под крышкой при нагревании увеличивалась. Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к «пределу» — то есть какую долю от насыщенного пара он уже набрал. Но кастрюля простояла закрытой несколько часов, и за это время пар под крышкой успел стать насыщенным: влажность там уже $100\ \%$. Когда мы начинаем греть, пар над водой остаётся насыщенным на любой температуре — воды в кастрюле полно, испаряться есть чему. Значит влажность как была $100\ \%$, так и осталась: расти ей просто некуда. Утверждение неверно.

Утверждение 2: в ходе кипения средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул воды, переходящих из жидкости в пар, оставалась постоянной. Здесь легко попасться на ловушку «температура же постоянна, значит и энергия постоянна». Постоянная температура даёт постоянную среднюю КИНЕТИЧЕСКУЮ энергию — скорости молекул при кипении в среднем не меняются. А вот огонь под кастрюлей всё это время исправно подводит тепло. Куда оно уходит, если скорости не растут? Как раз на разрыв связей: молекулы, которые вырываются из жидкости в пар, расходятся далеко друг от друга, и их энергия взаимодействия растёт (из заметно отрицательной она поднимается почти к нулю). Это и есть удельная теплота парообразования — плата за увеличение потенциальной энергии. Постоянной она не остаётся, поэтому утверждение неверно.

Утверждение 3: давление водяных паров под крышкой оставалось постоянным в ходе нагревания. Постоянным при лёгкой крышке остаётся ОБЩЕЕ давление под ней — оно всё время равно атмосферному, $760$ мм рт. ст., иначе крышку бы просто приподняло. Но под крышкой не только пар, там ещё и воздух. Давление же самого насыщенного пара жёстко привязано к температуре и с нагревом быстро растёт: у комнатной воды это всего пара десятков миллиметров ртутного столба, а к $100\ ^{\circ}$C оно дорастает ровно до $760$ мм рт. ст. — потому вода при этой температуре и закипает. Пар при этом постепенно вытесняет воздух из-под крышки. Давление пара растёт, значит утверждение неверно.

Утверждение 4: температура медного дна кастрюли при кипении немного превышала $100\ ^{\circ}$C. Тепло само по себе течёт только «с горки» — от горячего к холодному. Кипящая вода держит ровно $100\ ^{\circ}$C, и чтобы тепло от огня продолжало в неё переходить, дну обязано быть хоть чуть-чуть горячее. Если бы дно было ровно $100\ ^{\circ}$C или холоднее, поток тепла в воду прекратился бы и кипение остановилось. Медь проводит тепло отлично, поэтому перепад маленький — но он есть. Утверждение верно.

Утверждение 5: плотность насыщенных водяных паров над поверхностью воды при нагревании до кипения увеличивалась. Чем горячее вода, тем больше молекул набирают достаточно энергии, чтобы вылететь с поверхности, и тем гуще становится пар над ней, пока не установится новое равновесие. Плотность насыщенного пара — величина, которая растёт вместе с температурой, и на кипении она заметно больше, чем при комнатной. Утверждение верно.

Итого: первые три утверждения не проходят проверку, а верными оказались утверждения 4 и 5.