Тепловые Явления

Задание №18. Текстовая Качественная Задача

№2. Задание 18

ID: 00048822

Вулканы

Известно, что по мере спуска в недра Земли температура постепенно повышается. Это обстоятельство и сам факт извержения вулканами жидкой лавы невольно наталкивали на мысль, что на определенных глубинах вещество земного шара находится в расплавленном состоянии. Однако на самом деле все не так просто. Одновременно с повышением температуры растет давление в земных глубинах. А ведь чем больше давление, тем выше температура плавления (см. рис.).

Согласно современным представлениям большая часть земных недр сохраняет твердое состояние. Однако вещество астеносферы (оболочка Земли от 100 км до 300 км в глубину) находится в почти расплавленном состоянии. Так называют твердое состояние, которое легко переходит в жидкое (расплавленное) при небольшом повышении температуры (процесс 1) или понижении давления (процесс 2).

Источником первичных расплавов магмы является астеносфера. Если в каком-то районе снижается давление (например, при смещении участков литосферы), то твердое вещество астеносферы тотчас превращается в жидкий расплав, то есть в магму.

Но какие физические причины приводят в действие механизм извержения вулкана?

В магме наряду с парами воды содержатся различные газы (углекислый газ, хлористый и фтористый водород, оксиды серы, метан и другие). Концентрация растворенных газов соответствует внешнему давлению. В физике известен закон Генри: концентрация газа, растворенного в жидкости, пропорциональна его давлению над жидкостью. Теперь представим, что давление на глубине уменьшилось. Газы, растворенные в магме, переходят в газообразное состояние. Магма увеличивается в объеме, вспенивается и начинает подниматься вверх. По мере подъема магмы давление падает еще больше, поэтому процесс выделения газов усиливается, что, в свою очередь, приводит к ускорению подъема.

Вдыхаемый нами воздух растворяется в крови и вместе с нею попадает в ткани. Чем выше давление, тем больше воздуха растворяется в крови. Воздух состоит преимущественно из азота и кислорода. И если кислород расходуется в тканях, то азот накапливается в крови.

Можно ли быстро поднимать водолаза с глубины? Ответ поясните.

Источник: ФИПИ

Решение

Что тут происходит: водолаз долго дышит на глубине, где давление большое. Нужно понять, что случится с газом, растворённым в его крови, если его быстро поднять наверх.

Шаг 1 — сколько газа в крови на глубине. Каждые 10 м воды добавляют к атмосферному давлению примерно ещё одну атмосферу, поэтому на глубине давление в разы больше, чем у поверхности. В тексте про вулканы назван закон Генри: концентрация газа, растворённого в жидкости, пропорциональна давлению этого газа над жидкостью. Значит, на глубине в крови водолаза растворено намного больше воздуха, чем на суше.

Шаг 2 — почему важен именно азот. Кислород ткани расходуют, а азот, как сказано в условии, не расходуется и накапливается в крови. Именно этот запас придётся «отдавать» при подъёме.

Шаг 3 — что происходит при подъёме. Давление падает, и по закону Генри кровь уже не может удерживать столько азота: лишний газ выходит из раствора. В тексте так же ведёт себя магма: давление уменьшилось — растворённые газы выделяются из неё пузырями, и магма вспенивается.

Шаг 4 — почему важна скорость подъёма. Если подниматься медленно, давление падает постепенно, и лишний азот успевает переходить из крови в лёгкие и уходить с выдохом. При быстром подъёме давление падает резко, и азот выделяется пузырьками прямо в кровеносных сосудах и тканях. Пузырьки закупоривают мелкие сосуды и повреждают ткани — это кессонная болезнь.

Вывод: быстро поднимать водолаза с глубины нельзя. Обоснование — закон Генри: при уменьшении давления растворимость азота в крови уменьшается, и при резком падении давления газ выделяется пузырьками внутри организма.

Проверим себя: тот же эффект виден, когда резко открывают бутылку газированной воды, — давление над водой падает, и растворённый газ сразу выходит пузырьками по всему объёму.

Ответ

Нет, нельзя: при быстром подъёме давление резко падает, растворимость азота в крови уменьшается (закон Генри), и избыточный азот выделяется пузырьками прямо в крови и тканях — пузырьки закупоривают сосуды (кессонная болезнь). Поднимать нужно медленно, чтобы лишний азот успевал уходить через лёгкие.

Другие задания по теме «Тепловые Явления» (8)