Зимой школьник решил поставить опыт: полностью заполнил две тонкие пластиковые бутылки с практически нерастяжимыми стенками горячей водой (почти кипятком), потом из одной вылил воду, сразу же обе плотно закрыл крышками и выставил бутылки на мороз на всю ночь. В результате одна бутылка лопнула, а другая сплющилась. Объясните, основываясь на известных физических законах и закономерностях, какая из бутылок лопнула и почему.
Решение:
1. В первой бутылке были насыщенные пары воды и малое количество воздуха, а во второй — только горячая вода.
2. Ночью на морозе обе бутылки за счет всех видов теплоотдачи — конвекции, теплопроводности и теплового излучения — остыли до температуры окружающего холодного воздуха.
3. Пары воды в первой бутылке сконденсировались и замерзли, сильно уменьшив свой объем, а давление в бутылке упало до очень низкого значения. Поэтому бутылка под действием наружного атмосферного давления сплющилась.
4. Во второй бутылке вода сначала охладилась до 0 °C, а потом при фазовом переходе из жидкого состояния в твердое отдала теплоту кристаллизации, замерзла и охладилась до низкой температуры окружающей среды. При этом объем воды вырос примерно на 10% (это следует из таблицы плотностей веществ), что привело к сильному росту давления в бутылке с нерастяжимыми стенками, и она лопнула.