Номер 39.37, страница 148 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 39. Виды теплопередачи. Глава 6. Тепловые явления - номер 39.37, страница 148.

39.37* [979*] Возможны ли конвекционные потоки в жидкостях или газах в искусственном спутнике Земли в состоянии невесомости? (Объясните почему.)

Решение

Естественная конвекция в жидкостях и газах представляет собой процесс переноса тепла путем перемещения объемов самого вещества. Этот процесс обусловлен двумя основными факторами: изменением плотности вещества при нагревании или охлаждении и наличием силы тяжести.

Рассмотрим, как это происходит в условиях гравитационного поля Земли. Когда некоторый объем жидкости или газа нагревается (например, от источника тепла снизу), он расширяется. Расширение приводит к уменьшению его плотности по сравнению с окружающими, более холодными слоями. В соответствии с законом Архимеда, на этот менее плотный объем начинает действовать выталкивающая сила, которая превышает его силу тяжести. В результате нагретый, менее плотный объем поднимается вверх. Его место занимают более холодные и, следовательно, более плотные слои, которые опускаются вниз. Этот циклический процесс перемещения вещества и называется конвекционным потоком.

Ключевым элементом в этом механизме является выталкивающая сила (сила Архимеда). Она возникает из-за разности давлений в жидкости или газе на разных высотах, что является прямым следствием действия силы тяжести. Величина выталкивающей силы $F_A$ пропорциональна ускорению свободного падения $g$: $F_A = \rho_{окр} \cdot g \cdot V$, где $\rho_{окр}$ — плотность окружающей среды, а $V$ — объем тела (в данном случае, нагретого участка жидкости или газа).

В искусственном спутнике Земли, движущемся по орбите, все тела находятся в состоянии невесомости. Это не означает, что гравитация отсутствует, но ее действие полностью компенсируется центростремительным ускорением. В системе отсчета, связанной со спутником, вес тел равен нулю, то есть эффективное ускорение свободного падения $g \approx 0$.

Поскольку в условиях невесомости $g \approx 0$, выталкивающая сила Архимеда также становится равной нулю ($F_A \approx 0$). Следовательно, даже если часть жидкости или газа нагреется и ее плотность уменьшится, не будет никакой силы, которая заставила бы ее подняться. Аналогично, более холодные и плотные слои не будут опускаться. Движущая сила для естественной конвекции исчезает. Перенос тепла в таких условиях будет происходить в основном за счет теплопроводности — значительно более медленного процесса для жидкостей и газов.

Ответ: Нет, конвекционные потоки в жидкостях или газах в состоянии невесомости невозможны. Причина заключается в том, что для возникновения естественной конвекции необходима сила тяжести, создающая выталкивающую силу (силу Архимеда). Эта сила заставляет нагретые, менее плотные слои вещества подниматься, а холодные, более плотные — опускаться. В условиях невесомости на борту искусственного спутника ($g \approx 0$) выталкивающая сила отсутствует, и, следовательно, механизм конвекции не работает.