Тепловые Явления

Задание №18. Текстовая Качественная Задача

№2. Задание 18

ID: 00048823

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.

Может ли вода кипеть при комнатной температуре? Ответ поясните.

Источник: ФИПИ

Решение

Что тут происходит: мы привыкли, что вода кипит при 100 °C. Нужно понять, обязательно ли это так и может ли закипеть вода комнатной температуры, около 20 °C.

Шаг 1 — от чего зависит температура кипения. В тексте сказано, что температура кипения воды зависит от давления, и график это показывает: чем меньше давление над водой, тем ниже температура кипения. При давлении 1 атм вода кипит при 100 °C, при 0,5 атм — уже при 80 °C.

Шаг 2 — почему так. Кипение — это парообразование по всему объёму жидкости: внутри воды растут пузырьки пара. Пузырёк может расти, только если давление пара внутри него не меньше внешнего давления, которое его сжимает. Чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре пар в пузырьках с ним справляется.

Шаг 3 — что говорит график про малые давления. Левее отметки 0,5 атм кривая продолжает круто опускаться: температуре 50 °C соответствует давление уже в несколько раз меньше атмосферного, а при ещё меньших давлениях температура кипения падает ещё ниже. Значит, найдётся давление, при котором вода кипит при комнатной температуре, — по справочным данным это около 2–3 кПа, в десятки раз меньше атмосферного.

Вывод: да, вода может кипеть при комнатной температуре, если откачать воздух и сильно понизить давление над ней. Обоснование — зависимость температуры кипения от внешнего давления: при уменьшении давления температура кипения понижается.

Проверим себя: так же в тексте закипает вода в гейзерной трубке — её не нагревают, но давление на неё падает, и температура кипения опускается ниже температуры воды.

Ответ

Да, может, если сильно понизить давление над водой: температура кипения уменьшается при уменьшении внешнего давления (см. график в тексте), и при давлении около 2–3 кПа (в десятки раз меньше атмосферного) вода кипит уже при комнатной температуре.

Другие задания по теме «Тепловые Явления» (8)