Качественные задачи. Молеклярная физика. Тепловые явления.

Качественные задачи  по теме «Молекулярная физика. Тепловые явления» Почему самолет в небе оставляет белый след? Ответ:   Ответ   очевиден   −   по   той   же   причине,   по   которой   при   дыхании на   морозе появляется туман или иней. В турбинах самолета сгорает углеводородное топливо, а одним из   продуктов   горения   является   вода,   точнее   −   ее   пар,   нагретый   до   высокой   температуры. Горячие водяные пары, вылетая из сопла турбины, сразу начинают конденсироваться, образуя нитеобразное облако, состоящее из мельчайших капелек воды или кристалликов льда, так как температура на такой высоте ниже  −40 °С. Иногда воздух на высоте бывает перенасыщен влагой, которая не может конденсироваться только из­за отсутствия так называемых ядер конденсации − мельчайших частиц, например пыли. В таких случаях пролетающий самолет, оставляя   за   собой   частицы   сажи   −   продукт   неполного   сгорания   топлива,   вызывает конденсацию перенасыщенных паров атмосферы. Поэтому по интенсивности белого следа от летящего самолета можно судить о влажности воздуха в верхних слоях тропосферы, а значит, и о предстоящей погоде. Быстро исчезающий или едва заметный след говорит о том, что воздух на высоте сухой, а погода будет безоблачной. А если белый след тянется через все небо, то следует ждать ухудшения погоды. На   фотографиях,   сделанных   со   спутников,   Земля   во   многих   местах   накрыта   плотной белой сеткой следов от пролетевших самолeтов (фото с сайта fiz.1september.ru). Было показано, что в некоторых случаях следы от летящего самолета превращаются в облака площадью от  4000  до  40000  квадратных километров, оказывая влияние на климат. Поэтому, например, прекращение на три дня полетов над территорией США после трагедии 11  сентября 2001  года резко  увеличило   прозрачность  атмосферы,  и  в  результате  разница между средней дневной и ночной температурой выросла на 1 °С. Таким образом, белые следы от   самолетов   служат   одним   из   факторов   глобального   «затемнения»   планеты, противодействующего ее глобальному потеплению. Ответ: Влага из теплого воздуха конденсируется на холодной  поверхности. Из  Как избежать запотевания стекол?   таблицы зависимости давления насыщенных паров от температуры следует, что воздух с влажностью 50 %, нагретый до  20 °С, начнет конденсироваться на поверхностях, если их температура ниже 10 °С. Поэтому, когда мы входим с мороза в помещение, у нас сразу запотевают очки, а маска   для   подводного   плавания   быстро   запотевает   изнутри   при   погружении   в   воду. Автомобилисты же часто жалуются на запотевание окон внутри неразогретых еще машин. Чтобы   не   дать   образоваться   скоплению   мельчайших   капелек   на   холодном   стекле, необходимо   уменьшить   поверхностное   натяжение   воды,   из   которой   они   состоят.   Тогда капелькам   станет   энергетически   выгодно   сливаться   друг   с   другом,  образуя   пленку   воды, которая   снова   сделает   окна   (или   очки)   прозрачными.   Чтобы   понизить   величину поверхностного натяжения, можно просто натереть куском мыла поверхность стекла, а потом сделать ее опять прозрачной, растерев какой­нибудь тряпочкой. Таким же образом работают и   фирменные   антизапотеватели,   цена   которых   часто   зависит   от   фантазии   и   корысти   их производителей. Кроме того, следует помнить, что в прохладную погоду окна автомобиля изнутри не будут потеть, если воздух у внутренней поверхности стекла постоянно движется и когда стекла изнутри уже теплые. Трещины в алмазе. Искусство гранения алмазов состоит в том, чтобы разделить кристалл именно так, как это требуется. Скульптор тоже должен умело скалывать материал, с которым он работает. Если вам приходилось резать стеклянные трубки, вы, наверное, делали это так: сначала на боковой поверхности   трубки   делали   небольшую   насечку,   а   потом   надламывали   трубку;   это предотвращало   появление   рваного   края.   Чем   определяется   направление   трещин?   Почему вообще они возникают и расползаются дальше? Можно разломить кусок стекла при гораздо меньшем усилии, чем это нужно для разрыва межатомных связей, но тем не менее эти связи разрываются.   Как   удается   «оторвать»   атом   от   атома,   приложив   относительно   небольшую силу? Ответ: Трещины начинаются с микроскопических, порой незаметных дефектов, которые образуются в материале либо при изготовлении предмета, либо в процессе пользования им.   Эти трещины сильно ослабляют структуру материала, так как концентрируют напряжение в вершине трещины. В этом случае напряжения, которые сами по себе недостаточны для того, чтобы нарушить целостность материала, могут способствовать продвижению трещины в глубь (или вдоль) поверхности материала. Иногда трещины увеличиваются в результате коррозии. В трещину   могут   проникать   инородные   молекулы,   нарушающие   связи   между   молекулами вещества в вершине трещины и образующие соединения с этими молекулами.  Если  новое соединение занимает больший объем, чем первоначальное, то оно «раздвигает» трещину. Почему продукты быстро высыхают в холодильнике? Ответ: В холодильной камере самое холодное место − испаритель − находится вверху, откуда холодный и поэтому более тяжелый воздух опускается вниз. Соприкасаясь с более теплыми   продуктами   и   стенками   холодильника,   воздух   нагревается,   а   его   относительная влажность уменьшается, так как нагретый воздух в состоянии поглотить больше влаги, чем холодный. Таким образом, холодный воздух, нагревшись, сразу становится сухим и отбирает часть влаги у продуктов. Потом теплый, а значит, и более легкий воздух поднимается вверх к испарителю, где охлаждается до первоначальной температуры, но влажность его оказывается выше   из­за   воды,   отобранной   у   продуктов.   Это   повторяется   несколько   раз,   пока относительная влажность воздуха не превысит  100 %, и тогда на поверхности испарителя появляются   капельки   воды   или   кристаллики   льда.   Так   циркулирующий   по   холодильнику воздух «перевозит на себе» воду от более теплых продуктов к более холодному испарителю. При этом продукты, лишаясь воды, охлаждаются, так как они теряют тепло, необходимое для испарения влаги. Легко посчитать, например, что огурец массой  50 г, потеряв всего  0,1 г влаги,   охладится   более   чем   на   один   градус.   Поэтому   сухие   продукты   охлаждаются   в холодильнике медленнее, чем влажные. А вообще, лучше хранить продукты в холодильнике в закрытой   посуде   или   влагонепроницаемой   пленке,   хотя   остывать   они   будут,   конечно, медленнее. Чтобы ускорить циркуляцию воздуха и охлаждение продуктов, в современных моделях холодильников используют вентиляторы. Полировка Многие,   наверное,   знают,   какое   это   утомительное   занятие   начищать   металлические поверхности,   скажем   столовые   приборы.   Что   именно   происходит   в   таком   случае: микроабразивная   обработка   поверхности   или,   возможно,   при   полировке   поверхность плавится?  Или, быть может, происходит просто «смазывание» бугорков? Впервые физику этого   процесса   три   века   назад   пытался   объяснить   Исаак   Ньютон,   однако   до   недавнего времени этот вопрос так и оставался до конца невыясненным, и лишь последние исследования пролили   на   него   какой­то   свет.   Что   такое   «гладкая»   поверхность   по   сравнению   с   чем «гладкая»?   Что   должно   происходить   с   поверхностью   (на   молекулярном   уровне),   если полировка   представляет   собой   абразивную   обработку,   «смазывание»   бугорков   или расплавление поверхности? Ответ: Процесс полировки поверхности заключается не в переносе вещества с бугорков   во   впадины   и   не   в   нагреве   поверхности.   Первого   просто   не   происходит,   второе   же нежелательно, поскольку при значительном нагреве поверхность может стать волнистой. В процессе   полировки   удаляется   материал   с   бугорков   на   полируемой   поверхности.   При сильном нажиме удаляются целые кусочки материала, при слабом − отдельные молекулы. В конце концов, бугорки сравниваются с углублениями, и поверхность становится ровной на микроскопическом уровне.  Почему водопроводные трубы иногда лопаются зимой? Если вода всего лишь намерзает на внутренние стенки трубы, то труба не испытывает большой нагрузки и, казалось бы, лопаться не должна. Кроме того, труба обычно лопается не там, где намерзает лед. Так почему же разрываются трубы? Иногда во избежание разрывов открывают находящиеся на улице краны, чтобы из них непрерывно капала вода? Помогает ли это? Наконец, справедливо  ли широко распространенное убеждение,  что трубы с горячей водой   лопаются   чаще,   чем   с   холодной?   Если   вы   ответили   на   эти   вопросы,   попробуйте объяснить,   почему   трещина   в   лопнувшей   трубе  всегда   параллельна   ей.   Труба   никогда   не лопается поперек. Ответ: Вначале    лед образуется на стенках трубы и затем нарастает по радиусу внутрь до тех пор, пока ледяная пробка не перекроет трубу. Пока это не случится, избыток воды, обусловленный ее расширением при замерзании, просто выталкивается в магистраль. Но как только возникает пробка, расширение замерзающей воды в пространстве между пробкой и краном приводит к сильному повышению давления в трубе, и если кран закрыт, то труба разрывается.   Трубы   с   горячей   водой   разрываются   чаще,   так   как   при   более   высокой температуре   уменьшается   эффективность   центров   замерзания,   с   которых   начинается образование   льда.   Это   в   свою   очередь   снижает   температуру   замерзания.   Поэтому   вода   в горячей трубе переохлаждается, то есть охлаждается ниже 0 °С, а затем внезапно начинается быстрое обледенение. При этом ледяная пробка резко расширяется, захватывая больше воды в   пространстве   между   пробкой   и   закрытым   краном,   и   разрыв   трубы   становится   более вероятным.  Почему необходимо внести изменения в рецепт пирога, если его придется печь на высоте более 1000 м над уровнем моря? В этом случае, как написано на коробке с полуфабрикатом, нужно добавить больше муки и воды и выпекать пирог при более высокой температуре. Ответ: Поскольку атмосферное давление падает с высотой, то при    одной и той же температуре печи на большей высоте из пирога будет выпариваться больше воды. Поэтому в тесто нужно добавить больше воды. Кроме того, при пониженном атмосферном давлении образующийся   внутри   пирога   газ   заставит   пирог   сильнее   подниматься.   При   этом   стенки газовых   пузырьков   внутри   теста   могут   не   выдержать, Чтобы пирог не пропал, можно, например, уменьшить   и   пирог   опадет.  количество сахара в тесте − тогда   газа   будет   образовываться   меньше.   Однако   недостаточное   количество   сахара   может испортить вкус пирога, поэтому в рецепте рекомендуется не уменьшать количество сахара, а увеличивать количество муки − результат будет тот же. Еще одна сложность. На большой высоте при той же температуре печи пирог не будет хорошо подрумяниваться, так как вода   там более Чтобы   пирог   тем   не   менее   получился   румяным, кипит при   низкой температуре.   следует   повысить   температуру   печи.         Конечно,   важно,   чтобы   при   всех   этих   изменениях   в   рецепте   пирог   оставался   пышным   и мягким. Избыток муки увеличивает прочность теста на разрыв, а значит, и жесткость пирога. Однако   более   сильное   расширение   теста   и   меньшая   температура   внутри   пирога   (что замедляет свертывание белка) примерно в той же степени уменьшат жесткость пирога. Когда было закончено строительство тоннеля под Темзой в Лондоне, Тоннель под Темзой в Лондоне городские   власти   решили   отметить   это   событие   в   самом   тоннеле.   Но   там,   к   сожалению, шампанское  показалось   им  лишенным  обычной  игристости.  Зато,  когда  они  поднялись   на поверхность, вино забурлило у них в желудках, стало раздувать жилеты и едва не запенилось из   ушей.   Одного   высокопоставленного   чиновника   пришлось   срочно   спускать   обратно   для рекомпрессии. Как объяснить случившееся?  Ответ:   Вследствие   того,   что   на   дне   тоннеля   давление   выше   атмосферного,   часть углекислого   газа   оставалась   в   растворе.   Однако   когда   почетные   гости   поднялись   на поверхность, газ начал выходить из раствора, и, чтобы замедлить этот процесс, им пришлось вновь спуститься вниз. Вот до чего может довести людей пристрастие к алкоголю! Облачко над шампанским Обращали ли вы внимание на облачко тумана, которое появляется у горлышка бутылки с охлажденным лимонадом или шампанским сразу, как только ее открывают (рис.)? Чем это объясняется? Ответ: Когда открывают бутылку, сжатый газ в ней быстро адиабатически расширяется, совершая   при   этом   работу   против   сил   атмосферного   давления.   В   результате   внутренняя   энергия газа и, следовательно, его температура понижаются, и поэтому содержащийся в газе водяной пар частично конденсируется в виде тумана. Автомобиль с открывающимся верхом Хорошо, если у вашего приятеля есть автомобиль с открывающимся верхом. Как приятно в   жаркий   день   прокатиться   с   ветерком   в   таком   автомобиле!   Никакая   жара   не   страшна. Однако странно − ведь показания термометра должны быть одинаковы, с ветерком или без ветерка.  Проверьте  это. Измерьте температуру  на  заднем  сиденье,   когда  машина  стоит и когда она движется. Скорее всего, вы обнаружите, что при движении  машины термометр показывает примерно на 0,5° С меньше. Почему? Попробуйте также проверить, не понижается ли при быстрой езде температура крыши автомобиля. Ответ:   Воздушный   поток,   проходящий   над   открытым   автомобилем,   приводит   к понижению давления над ним. Воздух здесь расширяется и слегка охлаждается. Аналогичный эффект наблюдается при движении самолета: в стремительном потоке, обтекающем крыло, воздух охлаждается − это можно иногда заметить по туману, образующемуся над крылом. «Барашки» на небе Почему на небе иногда появляются облака в форме «барашков»? Почему эти «барашки» порой бывают разделены яркими просветами? Ответ: Облака­барашки возникают, когда плотный облачный слой «зависает», а затем   опускается (как нисходящий тепловой поток) в слой сухого воздуха. Исчезающие облака Когда   ранним   летним   утром   небо   бывало,   затянуто   низкими   облаками,   моя   бабушка говорила, что солнце их «сожжет» и день будет солнечным. И действительно, чуть позже облака часто исчезали. Может быть, бабушка была права и облака на самом деле «сгорали» от поглощаемого ими тепла? Верно ли это? Ответ: Большая часть видимого солнечного света, падающего на облака, проходит сквозь них   и   поглощается   землей.   По   мере   согревания   земли   ее   тепловое   (длинноволновое) излучение возрастает. Облака поглощают это излучение, и со временем разность температур между  основанием   и  вершиной   облака   становится  достаточной  для   того,  чтобы  возникли турбулентные потоки. Они и разрушают облака. Неподвижные облака Если   вам   приходилось   жить   вблизи   гор,   то   вы,   наверное,   обращали   внимание   на неподвижные облака, которые часто образуются у горных вершин. На рис. показаны два типа таких облаков. Как они образуются? Порой вблизи вершины можно также наблюдать еще более   загадочные   «волнообразные»   последовательности   облаков.   Чем   объясняется   их пространственная «периодичность»? Ответ: Двигаясь вверх по склону горы, воздух расширяется и охлаждается;  при этом часть содержащегося в нем водяного пара конденсируется. Если конденсация происходит прямо   над   вершиной   горы,   то   образуется   чечевицеобразное   облако.   При   сильном   ветре конденсация происходит и с подветренной стороны горы, в турбулентном потоке. В обоих случаях   облака   кажутся   неизменными,   на   самом   же   деле   они   все   время   распадаются   и возникают вновь. С подветренной стороны воздух, перетекающий через гору, иногда начинает волнообразно колебаться, и это приводит к образованию облаков, имеющих периодическую структуру.   Длина   волны   таких   колебаний   зависит   от   скорости   ветра   и   от   изменения плотности воздуха с высотой. Если последняя меняется слабо (то есть атмосферные условия довольно стабильны) и колебания воздуха происходят медленно, то их длина волны, а значит и расстояние между отдельными облаками, значительна. При сильных изменениях плотности воздуха   с   высотой   колебания   воздушного   потока   совершаются   быстрее   и   соответственно длина волны и расстояние между облаками невелики. Чем выше скорость ветра, тем больше расстояние между верхушками волн. Поэтому чем сильнее ветер, тем дальше облака отстоят друг от друга. «Дыры» в облаках Иногда в ровном облачном покрове можно видеть загадочные − обычно довольно большие круглые дыры. По­видимому, это не случайная игра природы. Образование этих дыр пытались объяснять   по­разному:   за   счет   сгорающих   в   атмосфере   метеоров   или   загрязнения   ее химически активными веществами. Так почему же возникают такие дыры в облаках? Ответ:   Причина   образования   «дыр»   в   облаках   до   конца   еще   не     выяснена.   Одно   из возможных объяснений таково: в слое кучевых облаков накапливаются (естественным или искусственным путем) центры кристаллизации, вызывающие внезапное образование ледяных кристаллов,   которые   в   свою   очередь   сами   служат   центрами   кристаллизации.   Растущие ледяные кристаллы выпадают из облака, в результате чего там и возникает «дыра». Туманы За   последнее   десятилетие   лондонские   туманы   стали   слабее.   Одна   из   причин   этого заключается в том, что теперь для отопления все реже пользуются угольными каминами. Как угольные камины могут влиять на туман? И что вообще вызывает туманы?  Ответ:  Туманы  в  соответствии  с  природой  их  образования  разделяют     на несколько типов. Радиационный туман образуется, когда влажный воздух  охлаждается, излучая тепло в   пространство,   и   избыток   водяного   пара   в   нем   вследствие   увеличения   относительной   влажности конденсируется. Адвекционный    туман возникает, когда теплый влажный воздух «натекает» на холодную поверхность земли  или  на холодный  водоем.  При этом влажность не обязательно должна достигать 100 %, так как в атмосфере имеется достаточно центров конденсации, благодаря которым конденсация и образование тумана могут происходить даже при влажности  60 %. Вблизи океанов центрами конденсации могут служить частицы соли, а вблизи городов ими чаще   всего   оказываются   твердые   частицы,   которые   выбрасываются   в   атмосферу промышленными предприятиями. В прошлом в Лондоне  угольные камины вносили немалый вклад в образование таких центров  конденсации.   Когда   же   открытое   сжигание   угля   сократилось,   конденсация   паров   уменьшилась,   поэтому   туманы   стали   реже.   Иногда   температурная   инверсия   (когда   слой теплого воздуха располагается над слоем холодного), удерживая промышленные загрязнения вблизи земли, порождает смог. Именно вследствие такой инверсии в декабре 1952 г. Лондон был окутан плотным черным туманом, и видимость в течение нескольких  Капли на стекле Если в холодный день подышать на оконное стекло, на нем образуются капельки. Почему? Точнее,   что   именно   заставляет   собираться   в   капельки   молекулы   воды?   Почему   капельки образуются на стекле именно в этих точках, а не в других? Чем отличаются  эти точки? Почему тарелка становится влажной после того, как на ней полежит горячий пирог? (По тем же причинам запотевают  очки и окна автомобилей.  А почему появляется иней  на степах кирпичных домов при резком потеплении? Кстати, почему запотевшее от дыхания стекло быстро высыхает, если на него подуть?  Ответ:   Когда   при   дыхании   теплый   насыщенный   влагой   воздух   попадает   на   холодное стекло, он охлаждается и избыток пара конденсируется в виде капелек. Они возникают на центрах   конденсации,   имеющихся   на   стекле   или   в   ближайших   к   нему   слоях   воздуха. Аналогичным образом горячий пирог «дышит» на холодную тарелку. Как быстрее поджарить большой кусок мяса? Можно насадить его на железный прут, как обычно делают, когда пекут картошку. Тепло тогда лучше проникает внутрь мяса, и оно готовится быстрее. Однако в США, например, продается специальное приспособление, предназначенное для этой цели. Оно представляет собой закрытую с обоих концов трубку, внутри которой проходит смоченный водой фитиль (рис.). Утверждается, что такая трубка проводит тепло в  1000 раз  лучше, чем сплошной стержень, в результате время готовки  сокращается вдвое. Но почему? Чем полая трубка может быть лучше сплошного стержня и причем тут фитиль и вода?  Ответ:   Нижний,   более   широкий   конец   приспособления   для   жаренья   мяса   согревается теплом   духовки,   и   вода,   заключенная   внутри   трубки,   нагревается   и   превращается   в   пар, потребляя при этом большое количество тепла, которое необходимо для перехода воды из жидкого состояния в газообразное. Горячий пар поднимается в верхний конец трубки, на который   насажен   относительно   холодный   кусок   мяса.   Здесь   пар   конденсируется, высвобождая тепло, которое в свое время было затрачено на переход воды в пар. Жидкая вода   стекает   по   трубке   вниз,   и   цикл   начинается   сначала.   При   использовании   такого приспособления мясо получает в 100 − 1000 раз больше тепла, чем в случае цельного стержня из того же металла, что обусловлено большой удельной теплотой парообразования. Почему при сбивании яичные белки из жидкости превращаются в густую пену? Приготавливая, например, пирожные безе, белки взбивают до тех пор, пока они не начнут «стоять»   (когда   сбивалку   вынимают   из   белка,   пена   оказывается   настолько   густой,   что буквально «стоит колом»). Каким образом взбивание делает белок таким плотным? Другой аналогичный вопрос: в результате чего яичный белок − прозрачная бесцветная жидкость − превращается в белое, почти твердое вещество, когда вы, скажем, жарите яичницу? Ответ: Молекулы  в яичном белке  запутаны, как  макароны. Когда белок  сбивают  или нагревают, молекулы расправляются и начинают сильнее притягивать друг друга, поэтому белок становится жестче. Почему тело утонувшего человека вначале погружается на дно, а через несколько дней Почему всплывает утопленник? всплывает?  Ответ: Тела утонувших всплывают потому, что их объем увеличивается под действием скопившихся в них газов. Жизнь и второе начало термодинамики. «Вы   остаетесь,   а   люди   и   вещи   кругом   прахом   идут...».   Селин. Термодинамика учит нас, что энтропия − мера беспорядка в системе − при необратимых процессах всегда увеличивается (это так называемое «второе начало термодинамики»). А как же тогда рассматривать рождение и жизнь? Не служит ли появление на Земле человека и его развитие   нарушением   этого   закона,   поскольку   в   ходе   этого   процесса   упорядоченность системы увеличивается? Не опровергается ли второе начало всей эволюцией жизни на Земле?  Ответ:   Этот   вопрос   весьма   популярен   среди   студентов­физиков,   но   в     нем   не учитывается   одно   важное   обстоятельство:   биологическая   система   (например,   человек)   не является изолированной и не находится в термодинамическом равновесии,  поскольку для своего существования она должна постоянно получать энергию извне. Поток энергии через конкретную систему может упорядочить ее, то есть уменьшить ее энтропию, однако полная энтропия   Вселенной   возрастает.   В   настоящее   время   подробный   математический   анализ уменьшения энтропии биологической системы можно найти во многих научных трудах. Симметрия снежинок. Почему снежинки имеют форму шестиугольника или шестиконечной звездочки? Почему все шесть концов снежинки совершенно одинаковы? Как в процессе роста снежинки одна сторона «узнает», что делают ее соседи?  Ответ:   Гексагональная   структура   снежинок   определяется   гексагональной   «упаковкой» молекул   воды,   образующих   снежинку.   Как   только   возникает   начальный   «зародышевый» кристалл, молекулы воды собираются в его углах и постепенно нарастают, образуя «веточки» снежинки, Форма снежинки зависит от скорости ее падения, температуры и концентрации водяных паров. Однако конкретный характер этих зависимостей  мало изучен. Симметрия снежинок   свидетельствует   о   том,   что   условия   присоединения   молекул   и   роста   ветвей   в пределах одной снежинки должны быть всюду одинаковы.