Global EE

Тепловые Явления — Задание 18 ОГЭ по физике №00018578

Задание №18. Текстовая Качественная Задача

Тепловые Явления

№2. Задание 18

ID: 00018578

Получится ли описанный в тексте опыт по режеляции льда, если его проводить при температуре $-20\ ^\circ\text{C}$? Ответ поясните.

Свойства льда

Между давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость. С повышением давления до 2200 атмосфер температура плавления падает: с увеличением давления на каждую атмосферу она понижается примерно на $0{,}0075\ ^\circ\text{C}$. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 20 670 атмосфер вода замерзает при $76\ ^\circ\text{C}$ (горячий лёд).

При нормальном атмосферном давлении объём воды при замерзании внезапно возрастает примерно на 11 %. В замкнутом пространстве это приводит к избыточному давлению до 2500 атм: вода, замерзая, разрывает горные породы.

В 1850 г. английский физик М. Фарадей обнаружил, что два влажных куска льда при $0\ ^\circ\text{C}$, будучи прижаты друг к другу, прочно смерзаются. С сухими кусками льда при температуре ниже $0\ ^\circ\text{C}$ этот эффект не наблюдался. Позже он назвал явление режеляцией.

В 1871 г. Дж.-Т. Боттомли поставил на два столбика ледяной брусок и перекинул через него тонкую стальную проволоку (диаметром 0,2 мм) с грузом около 1 кг. При температуре чуть выше нуля проволока за несколько часов прорезала лёд и груз упал, но брусок остался целым: выше проволоки лёд снова смыкался монолитно, оставляя лишь тонкий слой непрозрачного льда.

Долгое время думали, что лёд под коньками тает из-за сильного давления: температура плавления понижается, и лёд плавится. Однако расчёты показывают, что человек массой 60 кг на коньках понижает температуру плавления льда под коньками примерно на $0{,}1\ ^\circ\text{C}$, чего явно недостаточно для катания, например, при $-10\ ^\circ\text{C}$.

Источник: ФИПИ

Решение

Сначала разберёмся, почему опыт Боттомли вообще получается. Проволока с грузом сильно давит на лёд. По тексту, при повышении давления температура плавления льда понижается. Опыт шёл при температуре чуть выше нуля, поэтому лёд под проволокой, оказавшись под давлением, плавился. Вода перетекала наверх, где давления уже нет, и там вновь замерзала. Так проволока проходила сквозь брусок, а брусок оставался целым.

Чтобы опыт получился при $-20\ ^\circ\text{C}$, давление проволоки должно понизить температуру плавления льда до $-20\ ^\circ\text{C}$, то есть на $20\ ^\circ\text{C}$. Проверим, возможно ли это.

По тексту, каждая атмосфера давления понижает температуру плавления примерно на $0{,}0075\ ^\circ\text{C}$. Тогда для понижения на $20\ ^\circ\text{C}$ нужно давление

$$\dfrac{20}{0{,}0075}\approx 2700\ \text{атм}$$

Но в тексте сказано, что температура плавления падает только до давления $2200$ атмосфер, а при дальнейшем увеличении давления начинает расти. Самое большое понижение, которого можно добиться:

$$2200\cdot 0{,}0075=16{,}5\ ^\circ\text{C}$$

Значит, никаким давлением нельзя заставить лёд плавиться при температуре ниже примерно $-16{,}5\ ^\circ\text{C}$. При $-20\ ^\circ\text{C}$ лёд под проволокой не расплавится, какой бы груз к ней ни подвесили.

Это согласуется и с другими фактами из текста: давление конька понижает температуру плавления всего на $0{,}1\ ^\circ\text{C}$, а сухие куски льда при температуре ниже нуля, по наблюдениям Фарадея, не смерзаются.

Ответ на вопрос: нет, при температуре $-20\ ^\circ\text{C}$ опыт не получится — лёд под проволокой плавиться не будет.

Ответ

Нет, не получится: давление проволоки понижает точку плавления льда лишь на доли градуса, а при $-20\,^\circ\!C$ нужно понизить её на $20\,^\circ\!C$ — лёд не плавится, режеляции не будет.

Другие задания по теме «Тепловые Явления» (8)