ID: 00007002
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.
Закипит ли вода, находящаяся при температуре 90 °C, если внешнее давление понижается от $10^5$ Па до $5$ $·$$10^4$ Па? Ответ поясните.
Источник: ФИПИ
Вода закипает, когда давление насыщенного пара при данной температуре становится равным внешнему давлению. Температура кипения воды зависит от внешнего давления: чем меньше давление, тем ниже температура кипения.
По таблице давлений насыщенного пара воды:
При $P_1 = 10^5 \text{ Па} \approx 1 \text{ атм}$ температура кипения воды равна $100°\text{C}$.
При $P_2 = 5 \cdot 10^4 \text{ Па} \approx 0{,}5 \text{ атм}$ температура кипения воды составляет около $80°\text{C}$.
Сравниваем температуру воды и температуру кипения при новом давлении:
$$T_\text{воды} = 90°\text{C} \gt T_\text{кип}(P_2) = 80°\text{C}$$
Поскольку температура воды ($90°\text{C}$) превышает температуру кипения при давлении $5 \cdot 10^4 \text{ Па}$ ($80°\text{C}$), вода закипит.
Да