Номер 1, страница 22 - гдз по физике 7 класс обучающая тетрадь Шабусов, Дубина

1. Интересные физические опыты. На турнире юных физиков 2014 г. было предложено следующее задание:

Замерзающие капли.Поместите каплю воды на подложку, охлажденную примерно до $-20^{\circ}\text{C}$. При замерзании капля может принять форму конуса с острой вершиной. Исследуйте этот эффект.

Видео по ссылке

Это очень интересный и красивый эксперимент, но проходит довольно большое время, пока капля замерзнет. А что, если положить каплю на подложку, температура которой не $-20^{\circ}\text{C}$, а $-200^{\circ}\text{C}$? Подложку опустили в жидкий азот и... Перейдите по ссылке и посмотрите, что получилось.

Объясните, почему образовался купол?

Форма замерзающей капли воды зависит от скорости охлаждения и физических явлений, происходящих при этом. Различие в форме (конус при –20 °C и купол при –200 °C) объясняется двумя ключевыми факторами: аномальным расширением воды при замерзании и эффектом Лейденфроста.

1. Замерзание при –20 °C (медленное охлаждение):

При относительно медленном охлаждении капля начинает замерзать снизу, от холодной подложки. Постепенно на её поверхности образуется твердая ледяная корка. Вода внутри капли остается жидкой дольше. Поскольку вода при переходе в лед расширяется (ее плотность уменьшается примерно на 9%), этот процесс создает значительное давление внутри замкнутой ледяной оболочки. Под действием этого давления оставшаяся жидкая вода выдавливается наружу через самое тонкое или слабое место в ледяной корке, которым обычно является вершина капли. Эта выдавленная вода, в свою очередь, замерзает, формируя характерный острый кончик. Этот процесс продолжается, пока вся вода не замерзнет, в результате чего образуется ледяной конус.

2. Замерзание при –200 °C (сверхбыстрое охлаждение):

Когда капля воды попадает на подложку, охлажденную до температуры жидкого азота (–196 °C, что близко к –200 °C), происходит явление, известное как эффект Лейденфроста. Из-за огромной разницы температур нижний слой воды, контактирующий с поверхностью, мгновенно испаряется. Это создает тонкую, но устойчивую паровую подушку между каплей и подложкой.

Эта паровая прослойка выполняет две важные функции:

1. Она действует как теплоизолятор, парадоксальным образом замедляя теплопередачу непосредственно от подложки, но при этом охлаждение происходит очень интенсивно со всех сторон за счет низкой температуры окружающей среды и самого пара.
2. Она заставляет каплю левитировать, "парить" над поверхностью, не имея с ней прямого контакта.

Из-за этих факторов замораживание происходит чрезвычайно быстро и более равномерно по всему объему капли. Процесс кристаллизации настолько стремителен, что вода замерзает практически мгновенно, сохраняя свою исходную форму, определяемую силами поверхностного натяжения, то есть форму купола (или сегмента сферы). Медленный процесс выдавливания жидкости, необходимый для образования конуса, просто не успевает произойти. Капля "фиксируется" в своей куполообразной форме.

Ответ: Купол образуется из-за эффекта Лейденфроста: при контакте с чрезвычайно холодной поверхностью (–200 °C) под каплей мгновенно образуется паровая прослойка, которая изолирует её и заставляет левитировать. Это приводит к очень быстрому и относительно равномерному замерзанию всего объема капли. В результате капля затвердевает, сохраняя свою первоначальную куполообразную форму, и медленный процесс выдавливания воды с образованием конуса (как при –20 °C) не успевает произойти.