Номер 445, страница 62, часть 1 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Парфентьева

Часть 1. 10 класс. Молекулярная физика. Тепловые явления. Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность - номер 445, страница 62.

Условие.

445. [374] Почему для ускорения процесса охлаждения горячей жидкости на неё дуют?

Решение.

Охлаждение горячей жидкости происходит за счет передачи тепла окружающей среде. Ключевую роль в этом процессе играют испарение и конвекция. Когда человек дует на поверхность горячей жидкости, он значительно ускоряет оба этих процесса.

С поверхности любой жидкости, особенно горячей, непрерывно происходит испарение. Наиболее быстрые молекулы, обладающие достаточной кинетической энергией, преодолевают силы межмолекулярного притяжения и покидают жидкость, превращаясь в пар. Этот процесс требует энергии (скрытой теплоты парообразования), которая отбирается у оставшейся жидкости, что и приводит к её охлаждению. Над поверхностью горячей жидкости быстро образуется тонкий пограничный слой воздуха, который нагревается и насыщается водяным паром. Этот слой с высокой температурой и влажностью замедляет дальнейшее испарение и теплоотдачу, создавая своего рода теплоизолирующую "подушку".

Когда мы дуем на поверхность, мы сдуваем этот насыщенный паром и нагретый слой воздуха. Его место немедленно занимает более холодный и, что особенно важно, более сухой окружающий воздух. Это приводит к нескольким последствиям:

1. Резко увеличивается скорость испарения. Сухой воздух может принять в себя гораздо больше водяного пара, чем уже насыщенный. Из-за этого молекулы начинают покидать жидкость с гораздо большей скоростью. Так как испарение — это очень энергозатратный процесс, его интенсификация приводит к быстрому отбору тепла у жидкости и, следовательно, к её ускоренному охлаждению. Это основной фактор.

2. Усиливается конвективный теплообмен. Создаваемый поток воздуха — это принудительная конвекция. Она намного эффективнее отводит тепло от поверхности, чем естественная конвекция (когда нагретый воздух медленно поднимается сам по себе из-за меньшей плотности). Постоянная замена горячего воздуха у поверхности на холодный увеличивает градиент температур и ускоряет передачу тепла от жидкости к воздуху.

Таким образом, обдув одновременно интенсифицирует и испарение, и конвекцию, что и вызывает быстрое охлаждение жидкости.

Ответ: На горячую жидкость дуют для ускорения её охлаждения, потому что поток воздуха сдувает с её поверхности слой горячего и насыщенного водяным паром воздуха. Это, во-первых, резко интенсифицирует процесс испарения, который отнимает у жидкости большое количество тепла (основная причина). Во-вторых, создается принудительная конвекция, которая эффективнее отводит тепло от поверхности жидкости по сравнению с естественной конвекцией. Совместное действие этих двух факторов приводит к быстрому снижению температуры жидкости.