Номер 41.3, страница 154 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 41. Плавление и отвердевание. Глава 6. Тепловые явления - номер 41.3, страница 154.

41.3 [1057] Температура плавления стали $1400 \, \text{°C}$. При сгорании пороха в канале ствола орудия температура достигает $3600 \, \text{°C}$. Почему ствол орудия не плавится при выстреле?

41.3 [1057]

Хотя температура пороховых газов ($3600^\circ\text{C}$) значительно превышает температуру плавления стали ($1400^\circ\text{C}$), ствол орудия не плавится. Это объясняется совокупностью нескольких физических факторов, главным из которых является время.

Ключевую роль играет кратковременность процесса. Выстрел — сгорание пороха, создание высокого давления и температуры, движение снаряда по каналу ствола — длится всего лишь тысячные доли секунды. Теплопередача от горячих газов к стенкам ствола — это процесс, который требует времени. За столь короткий интервал ствол просто не успевает поглотить достаточное количество теплоты, чтобы расплавиться.

Для того чтобы стальной ствол начал плавиться, необходимо не только нагреть его, но и передать ему значительное количество энергии. Процесс можно разделить на два этапа:

1. Нагрев внутреннего слоя стали до температуры плавления. Для этого требуется количество теплоты $Q_1 = c \cdot m \cdot (T_{пл} - T_{нач})$, где $c$ – удельная теплоёмкость стали, $m$ – масса нагреваемого слоя, $T_{пл}$ – температура плавления, а $T_{нач}$ – начальная температура.

2. Плавление этого слоя. После достижения температуры плавления для перехода стали из твёрдого состояния в жидкое требуется дополнительное количество теплоты, называемое теплотой плавления: $Q_2 = \lambda \cdot m$, где $\lambda$ – удельная теплота плавления стали.

Ствол орудия имеет большую массу и, следовательно, большую теплоёмкость. То небольшое количество теплоты, которое успевает передаться от газов за доли секунды, быстро распределяется по всему объёму металла, вызывая лишь незначительное общее повышение его температуры. Времени контакта недостаточно, чтобы поверхностный слой успел поглотить энергию, необходимую для нагрева до $1400^\circ\text{C}$ и последующего плавления.

Ответ: Ствол орудия не плавится, потому что выстрел происходит за очень короткое время (тысячные доли секунды). За это время ствол не успевает получить от горячих газов количество теплоты, достаточное для нагрева до температуры плавления и самого плавления.