Feladat: 3544. fizika feladat Korcsoport: - Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Engedy Balázs 
Füzet: 2003/február, 109. oldal  PDF file
Témakör(ök): Olvadás, fagyás, Párolgás, forrás, lecsapódás, Szublimálás, kondenzáció, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2002/szeptember: 3544. fizika feladat

Az ábrán látható edényből kiszivattyúzták a levegőt. A felső gömbben víz van. Ha az alsó gömböt cseppfolyós nitrogénnel hűtik, akkor a felső gömbben levő víz egy idő után megfagy. Mivel magyarázható a jelenség? Lehetséges-e, hogy a víz forrás közben fagy meg?
 
 


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

Megoldás. Mivel az edényből kiszivattyúzták a levegőt (vagy legalábbis annak jelentős részét), abban tehát gyakorlatilag csak vízgőz van. Ha az alsó gömböt cseppfolyós nitrogénbe merítik, a benne levő vízgőz rögtön lecsapódik (hószerű fehér bevonat képződik az alsó gömb belső falán). Az edényben tehát lecsökken a nyomás (a felső és az alsó részben egyaránt, hiszen a nyomáskülönbségek nagyon hamar kiegyenlítődnek), a víz tehát a felső gömbből erősen párologni kezd. A víz telített gőzének nyomása nagyobb lesz, mint a külső (vagyis az edényben lévő) nyomás, emiatt a párolgás nem csupán a víz felületén, hanem a belsejében is megindul: a víz forrni kezd. A párolgás (forrás) hőt von el a folyadéktól, a víz hőmérséklete tehát (ha a felső gömb hőszigetelése elég jó) fokozatosan csökken, és előbb-utóbb a víz megfagy.

(Engedy Balázs (Eger, Dobó I. Gimn., 9. o.t.)

 

Megjegyzés. A víz párolgáshője 100 és 0 C között 2256 és 2500 kJ/kg között változik, a fajhője pedig 4,2kJ/(kg  C), ezért a mindenkori vízmennyiség nem egész 0,2%-ának az elpárolgása a maradék hőmérsékletét 1 C-kal csökkenti. Ha tehát a felső edény elég jó hőszigetelő, a víz a felső tartályban előbb-utóbb 0 C-ra hűl. A víz fagyáshője 333,7 kJ/kg, így a 0 C-os víz kb. 12%-ának elpárolgása von el annyi hőt, amennyi a maradék fagyáshője. Jó hőszigetelés esetén tehát a felső tartályban lévő (maradék) víz biztosan megfagy.
() (W. F.)