При попытке вылиться из стакана вода "сталкивается с проблемой" образующейся над ней области пониженного давления. Так как атмосферное давление на поверхность воды равно 101,3 кПа и распространяется это давление во все стороны равномерно, то оно как бы "загоняет" воду обратно в стакан, не давая ей вылиться. Приняв высоту столба жидкости в перевернутом стакане за 10 см, получим давление воды: p = ρgh = 1000*10*0,1 = 1000 (Па)
Таким образом, величина атмосферного давления практически в 100 раз превосходит величину давления воды в стакане. Поэтому вода не выльется, пока воздух не пройдет внутрь стакана и не уравновесит атмосферное давление с давлением воздуха над уровнем жидкости в перевернутом стакане.
Из уравнения теплового баланса:
Тепло, получаемое льдом идет на нагрев льда до 0оС и плавление льда:
Q1 = c1*m1*(0-(-20))+L1*m1
m1,c1,L1 - соответственно масса, удельная теплоемкость и удельная теплота плавления льда.
Тепло отдаваемое паром состоит из теплоты конденсации и тепла, отданного при остывании горячей воды до 0оС:
Q2= r2*m2+c2*m2*(100-0)
m2,r2,c2 - соответственно масса и удельная теплота кипения (конденсации) пара, а также удельная теплоемкость воды.
Q1 = Q2
c1*m1*20+L1*m1 = r2*m2+c2*m2*100
m1= (r2*m2+c2*m2*100) / (c1*20+L1)
Так как атмосферное давление на поверхность воды равно 101,3 кПа и распространяется это давление во все стороны равномерно, то оно как бы "загоняет" воду обратно в стакан, не давая ей вылиться.
Приняв высоту столба жидкости в перевернутом стакане за 10 см, получим давление воды:
p = ρgh = 1000*10*0,1 = 1000 (Па)
Таким образом, величина атмосферного давления практически в 100 раз превосходит величину давления воды в стакане. Поэтому вода не выльется, пока воздух не пройдет внутрь стакана и не уравновесит атмосферное давление с давлением воздуха над уровнем жидкости в перевернутом стакане.