Задание 21 ЕГЭ по физике

$1)$ Нагрев. При помещении банки на огонь через тонкую стенку в нее передавалось тепло от горящих газов, вода в банке нагревалась и, при достижении точки кипения, интенсивно испарялась. В процессе кипения пар заполнял большой объем банки и вытеснял наружный воздух, поэтому в момент сильного кипения в банке внутри осталось в основном водяной пар, а суммарное давление внутри приблизилось к атмосферному $p\approx 1\cdot10^5\text{ Па}$

$2)$ Закручивание крышки и охлаждение. Когда банку сняли с огня, плотно завинтили крышку и облили холодной водой, пар, находившийся в банке, начал остывать и конденсироваться на холодных стенках. По уравнению Менделеева — Клапейрона $pV=\nu RT$ при фиксированном объеме $V$ и понижении абсолютной температуры $T$ и/или при уменьшении числа молей пара $\nu$ давление $p$ внутри банки уменьшается. В нашем опыте основная причина резкого падения давления — конденсация пара, то есть падение $\nu.$

$3)$ Оценка степени падения давления. Давление насыщенных пар воды при $100^\circ\text{C}$ близко к $1\cdot10^5\text{ Па},$ тогда как при комнатной температуре (порядка $20^\circ\text{C}$) давление насыщенных пар примерно $2.3\cdot10^3\text{ Па}.$ Поэтому при охлаждении и конденсации паров давление внутри банки может упасть примерно в $40$ раз, и оставшееся давление внутри окажется значительно меньше наружного атмосферного.

$4)$ Механический результат. Внешнее атмосферное давление действует на внешнюю поверхность тонкой жести, внутренняя сила, поддерживающая форму банки, теперь существенно уменьшилась из-за низкого внутреннего давления. Разность давлений $\Delta p=p_{\text{атм}}-p_{\text{внутр}}$ создает суммарную силу $\Delta F=\Delta p\cdot S$ где $S$ — площадь поверхности; для тонкой жести эта нагрузка превышает прочность стенок, и банка сплющивается. Таким образом, ожидаемый результат опыта: банка резко сплющится внутрь (будет сдавлена атмосферным давлением).

Ответ: при нагреве вода выкипает и пар вытесняет воздух; после плотно закрытия и быстрого охлаждения пар конденсируется, число молекул пара в объеме падает, давление внутри уменьшается (по $pV=\nu RT$), и внешнее атмосферное давление сминает тонкую банку.