Номер 38.32, страница 144 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.32, страница 144.

38.32 [940] Что является причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы?

Решение

Искусственные спутники Земли, сходя с орбиты, входят в атмосферу с огромными скоростями, близкими к первой космической скорости (около 7.9 км/с). Из-за такой высокой скорости спутник обладает колоссальной кинетической энергией, которая рассчитывается по формуле $E_k = \frac{mv^2}{2}$.

Когда спутник попадает в нижние, более плотные слои атмосферы, на него начинает действовать значительная сила сопротивления воздуха. Эта сила совершает отрицательную работу, тормозя спутник. В соответствии с законом сохранения энергии, кинетическая энергия движущегося тела не исчезает бесследно, а переходит в другие формы. В данном случае, работа силы сопротивления воздуха приводит к преобразованию кинетической энергии спутника в тепловую энергию.

Важно отметить, что основной причиной нагрева является не столько трение поверхности спутника о молекулы воздуха, сколько адиабатическое сжатие воздуха перед летящим объектом. Спутник, двигаясь с гиперзвуковой скоростью, создает перед собой мощную ударную волну. В этой волне происходит чрезвычайно быстрое и сильное сжатие воздуха. Так как процесс происходит очень быстро, теплообмен с окружающей средой практически отсутствует (это и есть адиабатический процесс). Работа, совершаемая над газом при его сжатии, приводит к резкому увеличению его внутренней энергии и, как следствие, температуры. Температура воздуха в ударной волне может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, превращая газ в раскаленную плазму.

Именно эта плазма интенсивно передает тепло спутнику, вызывая его нагревание до температур, превышающих температуры плавления материалов, из которых он сделан. В результате спутник плавится, испаряется и сгорает.

Ответ: Причиной сильного нагревания и сгорания спутников является преобразование их огромной кинетической энергии в тепловую энергию из-за работы силы сопротивления воздуха. Основной механизм этого преобразования — адиабатическое сжатие воздуха в ударной волне перед спутником, что приводит к его нагреву до тысяч градусов и образованию плазмы, которая и вызывает разрушение аппарата.