Тепловые Явления — Задание 19 ОГЭ по физике №00040534

Что дано

• высота столба воды над паром $h=10$ м;
• температура воды на этой глубине $t=125$ °С;
• атмосферное давление $p_0=10^{5}$ Па;
• плотность воды $\rho=1000$ кг/м³, $g=10$ Н/кг.

Идея

Кипение — это когда пузырьки пара образуются во всём объёме жидкости и всплывают. Начаться оно может только тогда, когда давление пара внутри пузырька дорастёт до внешнего давления на жидкость: иначе пузырёк тут же схлопнется. Поэтому температура кипения не постоянна — она зависит от давления: чем сильнее жидкость сдавлена, тем выше нужно поднять температуру, чтобы она закипела. На вершине горы вода кипит при 90 °С, а под давлением в скороварке — при 110–120 °С.

Значит, план такой: найти давление на глубине 10 м, посмотреть, какая при нём температура кипения, и сравнить её с 125 °С.

Формула и расчёт

Давление на глубине складывается из атмосферного, давящего сверху, и гидростатического — давления самого столба воды:

$$p=p_0+\rho g h$$

$$p=10^{5}+1000\cdot 10\cdot 10=10^{5}+10^{5}=2\cdot10^{5}\ \text{Па}$$

Получилось ровно вдвое больше нормального атмосферного давления. По справочным данным при давлении $2\cdot10^{5}$ Па вода кипит примерно при 120 °С.

Сравниваем

Температура воды на этой глубине 125 °С, а кипеть при её давлении она начинает уже при ~120 °С. Вода оказалась перегретой: её температура выше температуры кипения при данном давлении, поэтому пузырьки пара смогут расти — начнётся бурное вскипание.

Вывод

Поднятая паром вода закипит. Именно так и работает гейзер: порция пара приподнимает и частично выбрасывает воду, давление на оставшуюся воду резко падает, она мгновенно вскипает и выбрасывается фонтаном.