Номер 4, страница 256 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Молекулярная физика. 9. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа. Параграф 52. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Вопросы - номер 4, страница 256.

Условие.

4. На высоте порядка сотен километров над Землёй молекулы атмосферы имеют кинетическую энергию, которой соответствует температура порядка тысяч градусов Цельсия. Почему на такой высоте не плавятся искусственные спутники Земли?

Решение.

Искусственные спутники на большой высоте не плавятся, несмотря на высокую температуру окружающей среды, из-за фундаментального различия между понятиями "температура" и "количество теплоты".

Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц (в данном случае, молекул газа). На высоте в сотни километров, в термосфере, молекулы атмосферы поглощают жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, из-за чего приобретают очень высокие скорости. Средняя кинетическая энергия одной молекулы связана с абсолютной температурой $T$ соотношением $E_k = \frac{3}{2}kT$, где $k$ – постоянная Больцмана. Именно эта высокая кинетическая энергия и соответствует температуре порядка тысяч градусов Цельсия.

Однако для того, чтобы нагреть и тем более расплавить массивный объект, такой как спутник, ему необходимо передать значительное количество теплоты. Количество теплоты зависит не только от температуры (скорости молекул), но и от их количества, то есть от плотности вещества. На высотах, где летают спутники, атмосфера чрезвычайно разрежена и представляет собой практически вакуум. Плотность газа там в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли.

Из-за крайне низкой плотности количество столкновений этих быстрых, "горячих" молекул с поверхностью спутника очень невелико. Хотя каждое отдельное столкновение и передает аппарату некоторую энергию, общая мощность теплопередачи (количество энергии в единицу времени) оказывается ничтожно малой. Этого тепла совершенно недостаточно, чтобы сколько-нибудь заметно нагреть спутник, который, в свою очередь, постоянно излучает энергию в холодное космическое пространство.

Основной тепловой баланс спутника определяется соотношением энергии, получаемой от прямого солнечного излучения, и энергии, которую он сам излучает в космос. Вклад нагрева от разреженной атмосферы в этот баланс пренебрежимо мал.

Ответ: Спутники не плавятся, потому что на большой высоте атмосфера очень разрежена. Несмотря на высокую температуру (то есть большую скорость) отдельных молекул, их концентрация настолько мала, что они передают спутнику очень малое количество тепловой энергии, недостаточное для его существенного нагрева и плавления.