Номер 1, страница 215, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Экспериментируйте

Налейте в сосуд Дьюара (термос) кипяток. Спустя некоторое время измерьте температуру воды в термосе. Объясните, какие факторы способствуют нарушению адиабатныхусловий, о чем свидетельствуетохлаждение воды.

Решение

Адиабатными называют условия, при которых система не обменивается теплотой с окружающей средой. Для адиабатного процесса количество теплоты $\text{Q}$, полученное или отданное системой, равно нулю ($Q=0$). Сосуд Дьюара (термос) сконструирован таким образом, чтобы максимально приблизиться к этим условиям, но на практике идеальная теплоизоляция недостижима. Охлаждение воды в термосе как раз и свидетельствует о том, что происходит теплообмен с окружающей средой, то есть адиабатные условия нарушаются.

Это происходит из-за нескольких факторов, связанных с тремя основными видами теплопередачи:

1. Теплопроводность

Это передача теплоты через непосредственный контакт. В термосе теплопроводность является одним из основных каналов потерь тепла:

- Через пробку (крышку): Пробка термоса, даже если она хорошо подогнана, изготовлена из материала (например, пластика или пробки), который обладает определенной теплопроводностью. Через нее происходит значительная утечка тепла.

- Через точки крепления колб: Внутренняя и внешняя колбы термоса должны где-то соприкасаться (обычно в горловине). В этом месте существует "мостик", по которому тепло передается от горячей внутренней колбы к холодной внешней.

- Через разреженный газ: Вакуум между стенками колбы не является абсолютным. Остаточные молекулы газа переносят тепло от внутренней стенки к внешней путем теплопроводности, хотя и в очень малой степени.

2. Излучение

Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (инфракрасное излучение). Для уменьшения этого вида теплопередачи внутренние поверхности колб делают зеркальными (посеребренными). Однако:

- Неидеальность зеркальных поверхностей: Никакое покрытие не отражает 100% излучения. Часть теплового излучения от горячей воды и внутренней стенки поглощается внешней стенкой, а не отражается обратно. Это приводит к постепенной передаче тепла наружу.

3. Конвекция

Это перенос теплоты потоками жидкости или газа. В термосе этот механизм проявляется следующим образом:

- Внутри термоса: В пространстве над водой находится воздух и водяной пар. Эти газы нагреваются от воды, приходят в движение (конвекционные потоки) и передают тепло внутренней поверхности крышки, ускоряя ее нагрев и последующую потерю тепла.

- Через неплотности в крышке: Если крышка закрыта негерметично, теплый воздух и пар могут выходить наружу, а на их место поступать холодный воздух, что значительно ускоряет охлаждение.

- Снаружи термоса: Тепло, которое все же достигло внешней поверхности термоса (через пробку или стенки), уносится потоками окружающего воздуха.

Таким образом, совокупность этих трех механизмов теплопередачи приводит к постепенному охлаждению воды в термосе, что и является свидетельством нарушения адиабатных условий.

Ответ: Нарушению адиабатных условий способствуют следующие факторы (виды теплопередачи), которые не удается полностью устранить в конструкции термоса:

1. Теплопроводность через пробку (крышку) термоса, места соединения внутренней и внешней колб, а также через остаточный газ в вакуумной прослойке.

2. Тепловое излучение от внутренней стенки к внешней из-за неидеальности отражающих (посеребренных) поверхностей.

3. Конвекция воздуха и пара внутри термоса (перенос тепла к крышке), а также конвекция окружающего воздуха, уносящая тепло от внешней поверхности термоса.