Номер 39.2, страница 144 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 39. Виды теплопередачи. Глава 6. Тепловые явления - номер 39.2, страница 144.

39.2 [948] Почему нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе?

<Почему нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе?

Решение

Охлаждение нагретых деталей в различных средах, таких как вода и воздух, представляет собой процесс теплопередачи от детали к окружающей среде. Скорость этого процесса зависит от нескольких физических свойств среды и механизмов теплообмена. Нагретые детали охлаждаются в воде значительно быстрее, чем на воздухе, по нескольким основным причинам.

Во-первых, теплопроводность. Вода обладает значительно более высокой теплопроводностью, чем воздух. Коэффициент теплопроводности воды (около $0.6 \frac{Вт}{м \cdot К}$) примерно в 25 раз выше, чем у воздуха (около $0.024 \frac{Вт}{м \cdot К}$). Это означает, что вода гораздо эффективнее отводит тепло от поверхности горячей детали за счет прямого контакта (теплопроводности). Молекулы воды, соприкасаясь с деталью, быстро забирают тепло и передают его дальше в объем жидкости.

Во-вторых, удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость воды ($c_{воды} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$) более чем в 4 раза превышает удельную теплоемкость воздуха ($c_{воздуха} \approx 1000 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). Это означает, что для нагрева одного килограмма воды на один градус требуется в четыре раза больше энергии, чем для нагрева одного килограмма воздуха. Благодаря этому вода может поглотить большое количество тепла от детали, при этом ее собственная температура повышается незначительно. Это поддерживает большую разницу температур между деталью и окружающей средой, что, согласно закону теплопередачи Ньютона-Рихмана, обеспечивает высокую скорость охлаждения.

В-третьих, плотность и конвекция. Вода намного плотнее воздуха (плотность воды $\rho_{воды} \approx 1000 \frac{кг}{м^3}$, а плотность воздуха $\rho_{воздуха} \approx 1.2 \frac{кг}{м^3}$). Из-за высокой плотности с поверхностью нагретой детали в воде одновременно контактирует гораздо большее число молекул, чем в воздухе. Это интенсифицирует теплообмен. Кроме того, процесс конвекции (перенос тепла потоками жидкости или газа) в воде протекает гораздо эффективнее. Нагретые слои воды у поверхности детали становятся менее плотными и поднимаются вверх, уступая место более холодным и плотным слоям. Из-за высокой теплоемкости и плотности каждый такой конвективный поток уносит с собой значительно больше тепла, чем аналогичный поток воздуха.

В-четвертых, испарение (кипение). Если температура детали превышает температуру кипения воды (100 °C), происходит очень интенсивный процесс теплоотвода за счет парообразования. На превращение воды в пар затрачивается огромное количество энергии, называемое удельной теплотой парообразования ($L \approx 2.26 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$). Этот механизм обеспечивает чрезвычайно быстрое охлаждение, что используется, например, при закалке стали.

Таким образом, совокупность этих факторов — высокая теплопроводность, огромная теплоемкость, большая плотность и, в некоторых случаях, интенсивное парообразование — делает воду гораздо более эффективной охлаждающей средой по сравнению с воздухом.

Ответ: Нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе, потому что вода по сравнению с воздухом имеет значительно более высокую теплопроводность, удельную теплоемкость и плотность. Это обеспечивает более интенсивный отвод тепла как за счет теплопроводности, так и за счет конвекции. Если деталь очень горячая, дополнительный эффект дает испарение (кипение) воды, которое отнимает огромное количество теплоты.