Номер 39.3, страница 145 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 39. Виды теплопередачи. Глава 6. Тепловые явления - номер 39.3, страница 145.

39.3 [950] Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?

Вертикальная форма пламени свечи в безветренную погоду объясняется явлением естественной конвекции, которое возникает из-за действия силы Архимеда в гравитационном поле Земли.

Процесс формирования пламени можно разбить на несколько этапов:

1. Нагрев воздуха. Пламя свечи — это зона горения, в которой выделяется большое количество теплоты. Эта теплота нагревает прилегающие к пламени слои воздуха и газообразные продукты сгорания.
2. Уменьшение плотности. Согласно газовым законам, при нагревании газ расширяется. Это приводит к уменьшению его плотности. Таким образом, горячий воздух и продукты сгорания вокруг пламени становятся значительно менее плотными, чем окружающий их более холодный воздух.
3. Возникновение выталкивающей силы. В соответствии с законом Архимеда, на объем газа, погруженного в окружающую газовую среду, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх. Величина этой силы равна весу вытесненного окружающего газа. Поскольку горячий газ менее плотен, чем холодный, выталкивающая сила, действующая на него ($F_A = \rho_{холодного} \cdot g \cdot V$), оказывается больше его собственной силы тяжести ($F_g = \rho_{горячего} \cdot g \cdot V$).
4. Конвекционный поток. Под действием этой результирующей подъемной силы нагретые, менее плотные газы начинают двигаться вверх. Это движение создает устойчивый восходящий поток, называемый конвекционным.
5. Формирование пламени. Пламя, состоящее из раскаленных светящихся газов, увлекается этим восходящим конвекционным потоком. Одновременно с этим на место поднявшихся газов снизу и с боков поступает более холодный, плотный и богатый кислородом воздух, который необходим для поддержания горения. Этот непрерывный процесс — подъем горячих газов и приток холодного воздуха — вытягивает пламя, придавая ему характерную вертикальную форму.

В условиях безветрия отсутствуют внешние горизонтальные потоки воздуха, которые могли бы исказить это вертикальное движение, поэтому форма пламени определяется исключительно конвекцией, обусловленной силой тяжести.

Ответ: В безветрие пламя свечи устанавливается вертикально из-за конвекции. Воздух и продукты сгорания, нагретые пламенем, становятся менее плотными, и под действием архимедовой силы на них возникает подъемная сила. Этот восходящий поток горячего газа вытягивает пламя вверх, придавая ему вертикальную форму.