Feladat: 1918. fizika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Füzet: 1984/november, 419 - 420. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Úszás, Olvadás, fagyás, Pontrendszer helyzeti energiája, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1984/március: 1918. fizika feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A rendszer tömege nem változik, tehát a felvetett kérdés megválaszolásához elegendő a tömegközéppont mozgását figyelemmel kísérni. A kiindulási állapotban az edényben levő víz és a tetején úszó jég külön kezelhető, a teljes rendszer tömegközéppontjának mozgása helyett vizsgálhatjuk e részrendszerek tömegközéppontjának mozgását.
A feladat szempontjából fontos, hogyan olvad meg a jég, hiszen ehhez mindenképpen hőt kell közölnünk vele. Vizsgáljunk meg tehát két szélsőséges esetet, a valós folyamat mindenképpen e folyamatok keveredése.
a) A rendszer kívülről, az edény falán keresztül vesz fel hőt, saját hőmérséklete közben végig 0C, a víz olvadáspontja.
b) A jég és a víz hőmérséklete előre adott, a jég olvadása a környező víz lehűlésének rovására történik, kívülről semmi hőt nem közlünk a rendszerrel.
Az a) esetben nagyon egyszerű a válasz. Ehhez képzeljük el, hogy a jég olvadása során keletkező víz nem keveredik az edényben eredetileg is jelenlevő vízzel. Ez könnyen megvalósítható a folyamatot nem befolyásoló, a jeget körülvevő elhanyagolható tömegű hártya feltételezésével. A környező víz állapota nem változik, így tömegközéppontja helyben marad. Archimedes törvénye alapján tudjuk, hogy a víz felszínén úszó, a víznél kisebb, kb. 0,92kg/dm3 sűrűségű jég saját magával azonos tömegű vizet szorít ki. Így az elolvadást követően a jég "beleolvad'' az addig ott levő üregbe. Az eredeti jégdarab tömegközéppontja pedig ‐ kiemelkedése révén ‐ nyilván magasabban volt, mint a megolvadt vízé. Így a teljes rendszer helyzeti energiája az olvadást követően lecsökken.
A b) esetben nem egyértelmű a válasz, hiszen a víz a 0C és a 4C közötti tartományban a lehűlés során tágul, így a vízrész tömegközéppontja emelkedik. A fent említett hőmérséklet-tartomány két széle között a relatív térfogatnövekedés nem nagy, mintegy 0,02%. A jég térfogata megolvadása során mintegy 8%-nyit csökken.
Az előbbiek alapján láthatjuk, hogy az egységnyi tömegű jég megolvadásából adódó térfogatcsökkenést 400 egységnyi tömegű víz 4C-ról 0C-ra való lehűtésével lehetne kompenzálni (4000,02=8). Az ekkor felszabaduló hő azonban sokkal több, mint ami a jég megolvasztásához és esetleges 0C-ra melegítéséhez szükséges. Tehát ebben az esetben is csökken a rendszer helyzeti energiája.
A valós esetek ezen két tárgyalt eset keverékeként képzelhetők el, így a rendszer helyzeti energiája mindenképp kisebb a megolvadást követő állapotban, mint előtte volt.