Экзаменационный (типовой) материал ОГЭ / Физика / 18 задание (25) / 03

Аномалия удельного объёма воды

 Как показывает опыт, плотность вещества, находящегося в данном агрегатном состоянии, зависит от температуры. Большинство жидкостей и твёрдых тел при охлаждении сжимаются, а при нагревании – расширяются. Следовательно, плотность этих тел монотонно уменьшается с ростом температуры. Однако существуют вещества, которые в некотором диапазоне температур (своём для каждого такого вещества) ведут себя иначе. Плотность этих веществ при нагревании сначала увеличивается и достигает при некоторой температуре максимального значения. При дальнейшем повышении температуры плотность начинает уменьшаться. Такая зависимость плотности от температуры называется аномальной.

Одним из веществ, которое проявляет аномальную зависимость плотности от температуры, является жидкая вода. На рисунке показан график зависимости плотности образца воды от температуры. Видно, что при температуре 0 °C плотность воды равна ≈999,875 кг/м³. При повышении температуры плотность воды возрастает и при температуре +4 °C достигает максимального значения 1000 кг/м³. При дальнейшем росте температуры плотность воды монотонно уменьшается.
         Данное свойство воды препятствует быстрому промерзанию открытых водоёмов в холодное время года. Когда на улице устанавливается погода, характеризующаяся отрицательными значениями среднесуточной температуры, водоёмы начинают интенсивно охлаждаться. При этом вода, температура которой близка к +4 °C, обладая максимальной плотностью, «тонет» и оказывается вблизи дна водоёма. В свою очередь, вода, температура которой близка к 0 °C, наоборот, имеет меньшую плотность, и по этой причине «всплывает», оказываясь на поверхности водоёма. В результате в водоёме устанавливается аномальное распределение плотности воды по глубине: сверху находится самая лёгкая (и потому самая холодная) вода, а снизу – самая тяжёлая (и потому самая тёплая) вода. Сверху вода замерзает и превращается в лёд, который легче жидкой воды и не тонет в ней. Дальнейшее охлаждение воды в водоёме, сопровождающееся постепенным увеличением толщины слоя льда на поверхности, происходит благодаря медленному процессу теплопроводности. Поэтому глубокие водоёмы даже за несколько месяцев, пока в средних широтах нашей страны длится зима, не успевают промёрзнуть до дна, хотя вода возле дна постепенно охлаждается. В нижних, придонных слоях воды, при температуре +4 °C (или немного ниже) зимуют рыбы. Если бы вода не обладала аномалией плотности, жизнь рыб в водоёмах зимой была бы невозможна.

В находящийся на улице глубокий открытый бассейн зимой налили воду при температуре +2 °C. На улице установилась морозная погода со среднесуточной температурой −5 °C. Как через достаточно большое время будет распределена по глубине температура воды в бассейне? Ответ поясните.