Экзаменационный (типовой) материал ОГЭ / Физика / 18 задание (25) / 04

Аномалия удельного объёма воды

 Удельным объёмом вещества называется величина, обратная плотности. Физический смысл удельного объёма очень простой – это величина, численно равная объёму, который занимает 1 г данного вещества. Как показывает опыт, удельный объём вещества, находящегося в данном агрегатном состоянии, зависит от температуры. Большинство жидкостей и твёрдых тел при охлаждении сжимаются, а при нагревании – расширяются. Следовательно, удельный объём этих тел монотонно увеличивается с ростом температуры. Однако существуют вещества, которые в некотором диапазоне температур (своём для каждого такого вещества) ведут себя иначе. Удельный объём этих веществ при нагревании сначала уменьшается и достигает при некоторой температуре минимального значения. При дальнейшем повышении температуры удельный объём начинает увеличиваться. Такая зависимость удельного объёма от температуры называется аномальной.

Одним из веществ, которое проявляет аномальную зависимость удельного объёма от температуры, является жидкая вода. На рисунке показан график зависимости удельного объёма образца воды от температуры. Видно, что при уменьшении температуры воды от +20 °C её удельный объём монотонно уменьшается, достигая минимального значения 1,0000 см3/г при температуре +4 °C. При дальнейшем охлаждении удельный объём воды возрастает, достигая значения ≈1,0002 см3/г при температуре 0 °C. Благодаря этому зимой в замёрзшем глубоком водоёме устанавливается аномальное распределение удельного объёма воды по глубине: сверху находится самая лёгкая (и потому самая холодная) вода при температуре 0 °C, а снизу – самая тяжёлая (и потому самая тёплая) вода, температура которой близка к +4 °C. Данное свойство воды оказывает важное влияние на начальный этап прогревания воды в открытых водоёмах ранней весной. Когда на улице устанавливается погода, характеризующаяся положительными значениями среднесуточной температуры, с водоёмов сходит лёд и они начинают и имеющая температуру, близкую к 0 °C, немного нагревается. При этом её удельный объём уменьшается, а плотность увеличивается, и поэтому она «тонет», вытесняя наверх более холодную воду, обладающую большим удельным объёмом. В результате в водоёме возникает конвекция, но, как это ни кажется странным, потоки тёплой воды опускаются вниз, а потоки холодной – поднимаются вверх. Такой процесс происходит до тех пор, пока вся вода не перемешается, прогревшись до температуры +4 °C. После этого конвекция в водоёме становится невозможной и дальнейшее его прогревание происходит за счёт медленного процесса теплопроводности. Поэтому глубокие водоёмы в средней полосе нашей страны прогреваются до достаточной глубины, становясь пригодными для купания, только к середине лета. В нижних, придонных слоях воды, температура в течение достаточно долгого времени лишь немного превышает +4 °C, и поэтому весной рыбы в водоёмах стараются держаться ближе к поверхности, поскольку там вода может быть значительно теплее.

В находящийся на улице глубокий открытый бассейн весной налили воду при температуре +6 °C. На улице установилась достаточно тёплая погода со среднесуточной температурой +10 °C. Как через некоторое время будет распределена по глубине температура воды в бассейне? Ответ поясните.