Физическая викторина. Теплота и молекулярная физика. Изменение агрегатного состояния тел
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Будет ли таять лед и замерзать вода в комнате, где поддерживается температура 0° С?
2. Столовую ложку с мелкоистолченным льдом или снегом 1 поместить на стеклянную пластинку 4, под которую подложить термоизолирующую подкладку (рис.). Под ложку накапать несколько капель воды 3, а на лед или снег насыпать чайную ложку поваренной соли 2. Через несколько минут поднять ложку за черенок, к ней пристанет стеклянная пластинка. Объяснить явление.
Примечание. Надо следить, чтобы в воду, находящуюся под ложкой, не попали кристаллы соли.
3. Опыт с сухим льдом. Сухой лед представляет собой твердую углекислоту и имеет температуру -78° С. Его нельзя брать голыми руками, так как это приведет к ожогу.
Прижать металлическую ложку к куску сухого льда. Ложка издаст громкий, завывающий звук. Объяснить явление.
4. Бросить кусочек сухого льда в стакан, на две трети наполненный водой. Клубы пара, вырываясь из стакана, окутают его. Объяснить явление.
5. Зажать в лапку штатива носовой платок, облить его спиртом (или одеколоном) и поджечь. Несмотря на пламя, охватывающее платок, он не сгорит. Объяснить явление.
6*. Ускорится ли таяние льда в теплой комнате, если накрыть его шубой?
7*. Будут ли затоплены материки мировым океаном, если весь плавающий в нем лед по каким-нибудь причинам растает?
8. Колбу заткнуть пробкой, через которую проходит стеклянная трубка. Трубку опустить в стакан с подкрашенной водой (рис.). На донышко колбы налить эфир. Вода из стакана поднимется в трубку. Объяснить явление.
Примечание. При работе с эфиром вблизи не должно быть открытого пламени. После опыта проветрить комнату.
9. Для опыта используется так называемый «кипятильник Франклина», который состоит из двух стеклянных шариков, соединенных между собой трубкой. Воздух из шариков выкачан, и они частично заполнены спиртом.
Один из шариков «кипятильника Франклина» поместить в сосуд с водой, а другой — в смесь снега с солью (рис.). Через несколько минут вокруг шарика, опущенного в воду, образуется ледяное кольцо, наиболее толстое в месте, где находится уровень спирта. Объяснить явление.
10. Продемонстрировать прибор, главная часть которого — «кипятильник Франклина». Прибор закрепить на оси над кюветой, наполненной теплой водой (рис.). «Кипятильник» периодически колеблется, причем его шарики поочередно погружаются в воду. Объяснить явление.
11. В пробирку налить немного серного эфира, положить небольшой грузик (для устойчивого плавания) и плотно закрыть пробкой, сквозь которую пропустить стеклянный тройник с концами, загнутыми в виде сегнерова колеса (рис.). Если пробирку пустить плавать в сосуд с горячей водой, то она начинает вращаться. Объяснить явление.
12. Будет ли кипеть вода в кастрюле, плавающей в кастрюле большего размера, в которой кипит вода?
Ответ проверить опытом.
13. В прибор для демонстрации «фонтана в пустоте» (рис.) налить слегка подогретую воду, а затем откачать воздух насосом Комовского. Вода начинает кипеть. (Опыт надо проводить на фоне подсвечивающего экрана.) Объяснить явление.
14. Раскалить на газовой горелке алюминиевую тарелку. Вылить в нее маленькими порциями половину чайной ложки воды. Отдельные капли сольются вместе и образуют приплюснутый шарик — сфероид. Он спокойно, почти не испаряясь, лежит на раскаленном металле. Прекратить нагревание тарелки. Водяной сфероид мгновенно испарится. Объяснить явление.
Примечание. Не следует наклоняться над тарелкой.
15*. Какова причина образования наблюдающегося иногда облачного следа за высоко летящим самолетом?
16. Оба колена U-образной трубки, частично наполненной водой, закрыть пробками. Если наклонить трубку до уровни воды в коленах устанавливаются на разной высоте. Затем наклонить «кипятильник Франклина» (рис.) (см. задачу 8). Уровни в обоих коленах устанавливаются на одной высоте.
Почему эти опыты дают разный результат?
17. Изготовить сифон специального устройства (рис.). Короткое колено сифона состоит из короткой широкой трубки, закрытой с двух сторон резиновыми пробками, сквозь которые пропущены стеклянные трубки, причем нижнюю, имеющую оттянутый конец, другим концом опустить в химический стакан с водой. Второе колено сифона представляет собой резиновую метровую трубку с зажимом на конце, тоже заполненную водой.
Воду в стакане довести до кипения и убрать спиртовку. Когда кипение прекратится, открыть зажим, после чего вода в широкой трубке закипит. Объяснить явление.
18. В пробирке подогреть на небольшом пламени спиртовки воду. Когда вода закипит, в пробирку вставить пробку с пропущенной через нее стеклянной трубкой, на которую надета резиновая трубка с грушей.
При сжимании груши рукой кипение прекращается, при отпускании — вода снова закипает. Объяснить явление.
Ответы
1. Внесенный в комнату лед нагреется до 0° С. Чтобы он растаял, надо к нему подводить тепло. А так как температура окружающего воздуха 0° С, то теплообмена не будет и лед не растает. Аналогично доказывается, что вода не будет замерзать.
2. На плавление снега или льда тратится некоторое количество теплоты, которое заимствуется от самой смеси. Поэтому смесь охлаждается, что вызывает замерзание воды между ложкой и стеклянной пластинкой.
3. В том месте, которого коснулась ложка, лед нагревается и минуя жидкое состояние, превращается в углекислый газ. Газ, с силой вырываясь из-под ложки, приводит ее в колебательное движение, которое и порождает звук.
4. Вода, которая гораздо лучше, чем воздух, проводит тепло, нагревает сухой лед. Последний, испаряясь, превращается в углекислый газ, который охлаждает и конденсирует водяные пары, незримо присутствующие в воздухе. Таким образом, наблюдаемые клубы пара являются микроскопическими водяными капельками.
5. Платок предварительно надо смочить водой, а затем отжать его. Выделяющаяся при горении спирта теплота пойдет на испарение воды и не сможет зажечь ткань.
6. Шуба обладает плохой теплопроводностью, она задерживает приток тепла ко льду, и таяние его замедлится.
7. Нет. Вес льда равен весу воды, получившейся из него при таянии, следовательно (по закону плавания тел), весу воды в объеме погруженной части льда. Поэтому, если плавающий лед растает, уровень мирового океана не изменится.
8. Теплота, необходимая для испарения эфира, заимствуется от воздуха в колбе. При охлаждении этого воздуха его давление падает и атмосферный воздух загоняет воду в трубку.
9. В охлаждаемом шарике пары спирта конденсируются, что видно по увеличению количества жидкости в этом шарике. Поэтому в другом шарике жидкость усиленно испаряется с поверхности, в этом месте стенки шарика наиболее охлаждаются, и здесь образуется больше льда.
10. Тот шарик, в котором спирта больше, перевешивает и, соприкасаясь с теплой водой, нагревается. В нем возрастает давление насыщающих паров спирта, занимающих пространство над жидким спиртом. Во втором же шарике, находящемся в контакте с окружающим холодным воздухом, давление насыщающих паров будет меньше. Поэтому спирт из нижнего шарика вытесняется в верхний, последний перевешивает и погружается в воду. Затем процесс повторяется.
11. Пробирка вращается вследствие реакции вытекающей струи эфира, который под влиянием нагревания в горячей воде начинает интенсивно испаряться.
12. Когда температура воды во внутренней кастрюле будет 100° С (т. е. равна температуре воды во внешней кастрюле), теплообмен прекратится. А так как для кипения необходим приток тепла, то вода во внутренней кастрюле кипеть не будет.
13. Точка кипения воды зависит от внешнего давления. При откачивании из сосуда воздуха его давление на воду уменьшается и она закипает уже при комнатной температуре.
14. Водяной сфероид на раскаленной поверхности образует под собой плохо проводящий тепло слой пара — паровую «подушку», на которой и лежит, почти не испаряясь. При уменьшении температуры тарелки паровая опора исчезает, сфероид касается металла и мгновенно испаряется.
15. При спокойном воздухе и безоблачном небе в верхних слоях атмосферы (на высоте 3—6 км) нередко возникает такое состояние, когда количество водяного пара превышает то, которое необходимо для насыщения воздуха при данной температуре. Такое неустойчивое состояние пара называют пересыщенным. Пролетающий самолет оставляет за собой множество мельчайших частиц копоти, являющихся центрами конденсации водяного пара. При конденсации пара на этих частицах образуются капельки воды или, если температура воздуха ниже нуля, кристаллики льда, из которых и состоит след самолета.
16. При наклоне «кипятильника» насыщающие пары спирта, находящиеся в его коленах, изменяют свой объем, но их давление согласно свойству насыщающих паров остается прежним. Поэтому и уровни спирта в коленах устанавливаются на одинаковой высоте. Когда наклоняют U-образную трубку, то объем воздуха в ее коленах изменяется и давление тоже изменяется. Поэтому уровни воды в трубке располагаются на разной высоте.
17. Если открыть зажим, то вода начнет вытекать из длинного колена, давление внутри короткого колена уменьшится, поэтому вода закипит.
18. Когда сжимают грушу, давление в пробирке увеличивается, а это повышает точку кипения воды. Так как температура воды остается прежней, кипение прекращается.