Тип Д21 C1 № 23282 
МКТ — квантовая физика, качественная задача. Квантовая физика
i
В прочный сосуд объемом V = 2 л с герметично закрывающейся крышкой налили 1,71 кг воды при температуре T = 0 °C и при нормальном атмосферном давлении p = 1 атм, завинтили крышку и поставили нагреваться на газовую плиту. Когда вода нагрелась до 100 °C, сосуд переместили в морозильник и дождались, когда вода полностью замерзнет. Какое давление при этом установится в сосуде? Нарисуйте примерный график зависимости давления p в этом сосуде, выраженного в атмосферах, от времени t. Давлением паров воды при температуре T = 0 °C по сравнению с 1 атм можно пренебречь, как и тепловым расширением воды при ее нагревании. Значения давления в характерных точках, используемых для построения графика, можно округлять до десятых долей атм. Плотность льда равна 900 кг/м3.
Решение. 
1. Начальное давление в сосуде, очевидно, равно 1 атм.
2. После нагревания воды до 100 °C давление ее паров возросло до 1 атм, а давление воздуха при постоянном объеме увеличилось по закону Шарля в T2/T1 = 373/273 ≈ 1,366 раза, до примерно 1,4 атм.
3. При этом суммарное давление воздуха и паров воды при 100 °C по закону Дальтона стало равным около 2,4 атм.
4. При охлаждении сосуда в морозильнике до 0 °C давление паров воды уменьшилось до пренебрежимо малой (по условию) величины, давление воздуха сначала вернулось к исходному p = 1 атм, а затем по мере замерзания воды объем, занимаемый воздухом, уменьшался, а его давление увеличивалось вплоть до момента, когда вся вода замерзла.
5. Плотность воды составляет 1000 кг/м3, объем 1,71 кг воды был равен 1,71 л, а плотность получившегося льда равна 900 кг/м3, и его объем равен 1,9 л, то есть объем воздуха уменьшился с V1 = 0,29 л до V2 = 0,1 л. По закону Бойля — Мариотта при постоянной температуре T = 0 °C давление воздуха стало равным p' = pV1/V2 ≈ 2,9 атм, как и суммарное давление в сосуде.
6. По этим численным данным можно построить примерный график зависимости давления p в этом сосуде от времени t, имея в виду, что на этапах изменения давления кривые — нелинейные (см. рисунок).
Спрятать критерииКритерии проверки:| Критерии оценивания выполнения задания | Баллы |
|---|
| Приведено полное правильное решение, включающее правильный ответ (в данном случае: п. 3 и п. 4) и исчерпывающие верные рассуждения с прямым указанием наблюдаемых явлений и закономерностей (в данном случае: для вычисления давлений и построения графика использованы формулы для изохорического и изотермического процессов в разреженных газах и известные особенности поведения воды при фазовых переходах). | 3 |
| Дан правильный ответ и приведено объяснение, но в решении имеются один или несколько из следующих недостатков. В объяснении не указано или не используется одно из физических явлений, свойств, определений или один из законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. (Утверждение, лежащее в основе объяснения, не подкреплено соответствующим законом, свойством, явлением, определением и т. п.) И (ИЛИ) Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но в них содержится один логический недочет. И (ИЛИ) В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачеркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.). И (ИЛИ) В решении имеется неточность в указании на одно из физических явлений, свойств, определений, законов (формул), необходимых для полного верного объяснения. | 2 |
| Представлено решение, соответствующее одному из следующих случаев. Дан правильный ответ на вопрос задания, и приведено объяснение, но в нем не указаны два явления или физических закона, необходимых для полного верного объяснения. ИЛИ Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, направленные на получение ответа на вопрос задания, не доведены до конца. ИЛИ Указаны все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеющиеся рассуждения, приводящие к ответу, содержат ошибки. ИЛИ Указаны не все необходимые для объяснения явления и законы, закономерности, но имеются верные рассуждения, направленные на решение задачи. | 1 |
| Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла. | 0 |
| Максимальный балл | 3 |
