Тепловые Явления

Задание №18. Текстовая Качественная Задача

№2. Задание 18

ID: 00006949

Гейзеры

Гейзеры располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулканов.

Чтобы понять физику гейзеров, напомним, что температура кипения воды зависит от давления.

Представим себе 20-метровую гейзерную трубку, наполненную горячей водой. По мере увеличения глубины температура воды растёт. Одновременно возрастает и давление: оно складывается из атмосферного давления и давления столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды оказывается несколько ниже температуры кипения, соответствующей давлению на той или иной глубине.

Теперь предположим, что по одному из боковых протоков в трубку поступила порция пара. Пар вошёл в трубку и поднял воду до некоторого нового уровня, а часть воды вылилась из трубки в бассейн. При этом температура поднятой воды может оказаться выше температуры кипения при новом давлении, и вода немедленно закипает.

При кипении образуется пар, который ещё выше поднимает воду, заставляя её выливаться в бассейн. Давление на нижние слои воды уменьшается, так что закипает вся оставшаяся в трубке вода. В этот момент образуется большое количество пара; расширяясь, он с огромной скоростью устремляется вверх, выбрасывая остатки воды из трубки, — происходит извержение гейзера.

Но вот весь пар вышел, трубка постепенно вновь заполняется охладившейся водой. Время от времени внизу слышатся взрывы — это в трубку из боковых протоков попадают порции пара. Однако очередной выброс воды начнётся только тогда, когда вода в трубке нагреется до температуры, близкой к температуре кипения.

В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление $10^{5}$ Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.

Источник: ФИПИ

Решение

Дано:

h = 10\text{ м}

— высота столба воды над паром;

p_0 = 10^5\text{ Па}

— атмосферное давление;

T = 125\text{ °C}

— температура воды у основания столба.

Найти:

закипит ли вода при подъёме пара. ⠀

Решение:

Определим давление в точке O (у основания столба воды). Гидростатическое давление столба воды высотой

h = 10\text{ м}

p_\text{гидр} = \rho g h = 1000 \cdot 10 \cdot 10 = 10^5\text{ Па}

Полное давление в точке O:

p_O = p_0 + p_\text{гидр} = 10^5 + 10^5 = 2 \cdot 10^5\text{ Па} \approx 2\text{ атм}

По таблице зависимости температуры кипения от давления: при

p = 2\text{ атм}

вода кипит при

t_\text{кип} = 120\text{ °C}

. Поскольку температура воды

T = 125\text{ °C} \gt t_\text{кип} = 120\text{ °C}

, вода находится в перегретом состоянии и закипит при соприкосновении с паровым пузырём.

Ответ

Закипит

Видеоразбор

Другие задания по теме «Тепловые Явления» (8)