Страница 147 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

39.28 [968] Мальчик сделал термос (рис. VI-7). Объясните назначение мятой бумаги в крышке ящика, подушек, мятой бумаги, пересыпанной древесными опилками, в нижней части ящика.

Мятая бумага

Натянутая материя

Подушки

Рис. VI-7

Решение

Основная задача любого термоса, в том числе и самодельного, представленного на рисунке, — это максимально уменьшить теплообмен между его содержимым и окружающей средой. Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью (через прямой контакт тел), конвекцией (потоками жидкости или газа) и излучением. Все элементы конструкции, упомянутые в задаче, служат для теплоизоляции, то есть для уменьшения всех возможных видов теплопередачи.

Назначение мятой бумаги в крышке ящика
Мятая бумага используется в качестве теплоизоляционного материала. При ее сминании образуется множество небольших воздушных полостей. Воздух является очень плохим проводником тепла, то есть обладает низкой теплопроводностью. Когда воздух оказывается запертым в этих маленьких полостях, он не может свободно циркулировать, что практически исключает перенос тепла за счет конвекции. Таким образом, слой мятой бумаги в крышке термоса значительно снижает потери тепла (или его поступление извне) через верхнюю часть ящика.

Ответ: Мятая бумага в крышке ящика выполняет роль теплоизолятора. Она содержит много неподвижного воздуха, который плохо проводит тепло, и тем самым уменьшает теплообмен между внутренним пространством термоса и окружающей средой через крышку.

Назначение подушек
Подушки, на которых стоит внутренний сосуд, выполняют две основные функции. Главная из них — теплоизоляционная. Они минимизируют передачу тепла через дно ящика за счет теплопроводности. Подушки изготавливают из материалов с низкой теплопроводностью (например, пробки, войлока, пенопласта). Они создают воздушный зазор между дном сосуда и дном ящика и имеют малую площадь соприкосновения, что существенно замедляет теплообмен. Вторая функция — механическая: подушки служат опорами для внутреннего сосуда и амортизируют возможные удары.

Ответ: Подушки предназначены для того, чтобы уменьшить передачу тепла от внутреннего сосуда к внешнему ящику (или наоборот) за счет теплопроводности, так как они сделаны из материала с низкой теплопроводностью и минимизируют прямой контакт между сосудом и ящиком.

Назначение мятой бумаги, пересыпанной древесными опилками, в нижней части ящика
Эта смесь является основным теплоизолирующим слоем, который заполняет пространство между стенками внутреннего сосуда и внешнего ящика. И мятая бумага, и древесные опилки — это материалы с очень низкой теплопроводностью. Их смесь создает сложную пористую структуру, которая задерживает большое количество воздуха в малых, изолированных друг от друга объемах. Это практически полностью подавляет конвекцию (перенос тепла потоками воздуха) и значительно снижает теплопроводность через сам материал. Опилки эффективно заполняют промежутки между комками бумаги, делая изоляционный слой более плотным и однородным.

Ответ: Мятая бумага, пересыпанная древесными опилками, является основным теплоизоляционным материалом, который заполняет пространство вокруг внутреннего сосуда. Эта смесь очень плохо проводит тепло и препятствует движению воздуха (конвекции), что значительно уменьшает общие теплопотери.

Рис. VI-8

39.29 [969] Почему все пористые строительные материалы (пористый кирпич, пеностекло, пенистый бетон и др.) обладают лучшими теплоизоляционными свойствами, чем плотные стройматериалы?

Решение

Пористые строительные материалы (пористый кирпич, пеностекло, пенистый бетон и др.) обладают лучшими теплоизоляционными свойствами по сравнению с плотными материалами благодаря своей структуре. Эта структура представляет собой твердый каркас с большим количеством мелких, обычно замкнутых, пор, заполненных газом (чаще всего воздухом). Высокие теплоизоляционные характеристики обусловлены свойствами этого газа и особенностями теплопередачи в такой среде.

Главную роль в обеспечении низкой теплопроводности играет воздух, находящийся в порах. Воздух является очень плохим проводником тепла. Его коэффициент теплопроводности ($ \lambda_{воздуха} \approx 0.026 \frac{Вт}{м \cdot К} $) на порядки ниже, чем у твердых составляющих строительных материалов (например, у обычного силикатного кирпича $ \lambda_{кирпича} \approx 0.7-0.8 \frac{Вт}{м \cdot К} $).

Рассмотрим три механизма теплопередачи в пористом материале:

1. Теплопроводность. Передача тепла за счет теплопроводности в пористом материале происходит как через твердый каркас, так и через воздух в порах. Поскольку воздух обладает крайне низкой теплопроводностью, он создает значительное термическое сопротивление, замедляя перенос тепла. Тепловой поток через твердый каркас также снижается, так как поры прерывают сплошной путь для тепла, делая его более длинным и извилистым.

2. Конвекция. Конвекция — это перенос тепла за счет движения масс газа. В пористых материалах поры имеют очень малый размер, что препятствует свободному движению воздуха внутри них. В результате этого конвективные потоки, которые могли бы эффективно переносить тепло, практически не возникают. Таким образом, вклад конвекции в общую теплопередачу сводится к минимуму.

3. Излучение. Теплопередача лучистым способом (излучением) между стенками пор также имеет место, но при температурах, характерных для эксплуатации зданий, ее вклад в общий перенос тепла обычно невелик по сравнению с эффектом от подавления теплопроводности и конвекции.

Таким образом, наличие большого объема неподвижного воздуха в порах резко снижает общую (эффективную) теплопроводность материала. В плотных же материалах основной механизм теплопередачи — это теплопроводность через сплошное твердое тело, которая происходит гораздо интенсивнее.

Ответ: Пористые строительные материалы обладают лучшими теплоизоляционными свойствами, так как их структура содержит множество мелких пор, заполненных воздухом. Воздух является очень плохим теплопроводником, а малый размер пор препятствует переносу тепла за счет конвекции (движения воздуха). В результате общая теплопроводность пористого материала оказывается значительно ниже, чем у плотного, сплошного материала.

39.30 [970] Мальчик зарисовал воробья (рис. VI-8) один раз летом, а другой раз зимой. Какой из рисунков сделан зимой?

Рис. VI-8

Решение

Чтобы определить, какой из рисунков сделан зимой, необходимо обратить внимание на внешний вид воробьев и соотнести его с особенностями терморегуляции птиц в разное время года.

Птицы, как и млекопитающие, являются теплокровными животными, то есть поддерживают постоянную температуру тела независимо от температуры окружающей среды. Зимой, в условиях низких температур, основной задачей для них становится сохранение тепла. Одним из главных механизмов для этого является распушение перьев. Когда воробей распушает (хохлится), между его перьями и телом образуется толстая воздушная прослойка. Воздух обладает низкой теплопроводностью, поэтому эта прослойка действует как эффективный теплоизолятор, значительно уменьшая потери тепла. Визуально птица при этом выглядит более крупной, округлой и "пушистой". Именно такой воробей изображен на рисунке слева.

Летом, в теплую погоду, у птиц нет необходимости в дополнительной теплоизоляции. Они держат перья плотно прижатыми к телу, что придает им более "стройный" и гладкий вид. Такой воробей изображен на рисунке справа.

Таким образом, по характерному нахохлившемуся виду можно заключить, что рисунок слева был сделан зимой.

Ответ: Рисунок, сделанный зимой, — тот, что находится слева.

39.31 [980] На рисунке VI-9 изображена упрощенная схема водяного охлаждения двигателя трактора, которая состоит из рубашки двигателя 1, радиатора 2, трубопровода и вентилятора 3. Объясните, как осуществляется охлаждение цилиндров двигателя. Что произойдет, если уровень воды в системе охлаждения опустится ниже патрубка верхнего бачка радиатора (уровень $a-b$)?

Рис. VI-9

Объясните, как осуществляется охлаждение цилиндров двигателя.

Охлаждение цилиндров двигателя в представленной системе происходит за счет естественной конвекции (термосифонного эффекта) охлаждающей жидкости (воды). Процесс выглядит следующим образом:

1. Вода в рубашке охлаждения (1), окружающей горячие цилиндры двигателя, нагревается от них.
2. При нагревании плотность воды уменьшается, и она, как более легкая, поднимается в верхнюю часть рубашки двигателя.
3. Из верхней части двигателя горячая вода по соединительному патрубку поступает в верхний бачок радиатора (2).
4. В радиаторе вода, протекая по тонким трубкам с большой площадью поверхности, отдает тепло окружающему воздуху. Этот процесс интенсифицируется принудительным обдувом, который создает вентилятор (3).
5. Охлажденная вода становится более плотной (тяжелой) и опускается в нижний бачок радиатора.
6. Из нижнего бачка радиатора холодная вода по нижнему патрубку поступает обратно в нижнюю часть рубашки охлаждения двигателя, замещая поднимающуюся горячую воду.

Таким образом, возникает непрерывная циркуляция воды, которая эффективно отводит тепло от цилиндров двигателя и рассеивает его в атмосфере.

Ответ: Охлаждение происходит за счет естественной циркуляции (конвекции) воды: нагретая у цилиндров вода поднимается в радиатор, там охлаждается потоком воздуха от вентилятора и, став более плотной, опускается и возвращается обратно к двигателю.

Что произойдёт, если уровень воды в системе охлаждения опустится ниже патрубка верхнего бачка радиатора (уровень a—b)?

Если уровень воды в системе охлаждения опустится ниже уровня a—b, то есть ниже верхнего патрубка, соединяющего рубашку двигателя и радиатор, то контур циркуляции охлаждающей жидкости будет разорван. Горячая вода из рубашки двигателя (1) больше не сможет поступать в радиатор (2) для охлаждения.

В результате этого циркуляция прекратится, и теплоотвод от двигателя остановится. Вода, оставшаяся в рубашке двигателя, будет продолжать нагреваться и быстро закипит. Это приведет к резкому перегреву двигателя, что чревато серьезными поломками: деформацией головки блока цилиндров, прогаром прокладки, заклиниванием поршней и выходом двигателя из строя.

Ответ: Если уровень воды опустится ниже патрубка (уровень a—b), циркуляция воды прекратится, что приведет к быстрому перегреву и возможной поломке двигателя.

39.32* [1110*] В сосуды с одинаковой площадью дна налили равное количество воды (рис. VI-10, а и б). В каком сосуде вода закипит быстрее, если их поставить на одну и ту же электрическую плиту?

а) б)

Рис. VI-10

Дано:
Сосуд а) - коническая колба
Сосуд б) - круглодонная колба
Площадь дна сосудов одинакова: $S_а = S_б$.
Количество (масса) воды в сосудах одинаково: $m_а = m_б = m$.
Сосуды поставлены на одну и ту же электрическую плиту, т.е. подводимая к ним мощность одинакова: $P_{подв, а} = P_{подв, б} = P_{подв}$.
Начальная температура воды одинакова.

Найти:
В каком сосуде вода закипит быстрее?

Решение:
Для того чтобы довести воду до кипения, ей необходимо сообщить некоторое количество теплоты $Q$. Это количество теплоты зависит от массы воды $m$, ее удельной теплоемкости $c$ и разности между температурой кипения $t_{кип}$ и начальной температурой $t_{нач}$: $Q = c \cdot m \cdot (t_{кип} - t_{нач})$

Согласно условию задачи, масса воды в обоих сосудах одинакова ($m_а = m_б$). Следовательно, для нагревания воды до температуры кипения в обоих случаях потребуется одинаковое количество теплоты: $Q_а = Q_б = Q$.

Сосуды нагреваются на одной и той же электрической плите, что означает, что подводимая к ним мощность $P_{подв}$ одинакова. Однако, в процессе нагревания вода теряет тепло в окружающую среду. Основные потери тепла происходят с открытой поверхности воды за счет испарения и конвекции. Скорость этих потерь ($P_{потерь}$) прямо пропорциональна площади свободной поверхности воды.

Таким образом, реальная мощность, идущая на нагрев воды ($P_{полезн}$), равна разности между подводимой мощностью и мощностью потерь: $P_{полезн} = P_{подв} - P_{потерь}$

Время $\tau$, необходимое для закипания, обратно пропорционально полезной мощности: $ \tau = \frac{Q}{P_{полезн}} = \frac{Q}{P_{подв} - P_{потерь}} $

Поскольку величины $Q$ и $P_{подв}$ для обоих сосудов одинаковы, вода закипит быстрее в том сосуде, где тепловые потери $P_{потерь}$ меньше.

Сравним площади свободной поверхности воды в сосудах. Из рисунка VI-10 видно, что при одинаковом объеме воды и одинаковой площади дна, площадь свободной поверхности в конической колбе (а) заметно больше, чем в круглодонной колбе (б). Обозначим площади поверхностей как $S_{пов, а}$ и $S_{пов, б}$: $ S_{пов, а} > S_{пов, б} $

Так как мощность потерь пропорциональна площади поверхности, то для мощностей потерь справедливо соотношение: $ P_{потерь, а} > P_{потерь, б} $

Это означает, что полезная мощность нагрева для сосуда (б) будет больше, чем для сосуда (а): $ P_{полезн, б} > P_{полезн, а} $

Следовательно, время нагрева для сосуда (б) будет меньше, чем для сосуда (а): $ \tau_б < \tau_а $

Таким образом, вода быстрее достигнет температуры кипения в круглодонной колбе (б).

Ответ: вода закипит быстрее в сосуде б).

39.33 [975] В промышленных холодильниках воздух охлаждается с помощью труб, по которым течёт охлаждённая жидкость. Где надо располагать эти трубы: вверху или внизу помещения?

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть физическое явление конвекции. Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками вещества (в данном случае, воздуха). Плотность воздуха зависит от его температуры: холодный воздух плотнее и тяжелее теплого.

Рассмотрим два варианта расположения охлаждающих труб:

1. Трубы расположены вверху помещения. Воздух, находящийся в контакте с холодными трубами, охлаждается. Его плотность увеличивается, и под действием силы тяжести он опускается вниз. На его место поднимается более теплый и менее плотный воздух из нижней части помещения. Этот теплый воздух, в свою очередь, охлаждается от труб и также опускается вниз. В результате в помещении возникают естественные циркуляционные потоки (конвекция), которые эффективно и равномерно охлаждают весь объем воздуха.

2. Трубы расположены внизу помещения. Воздух, охладившись у труб, станет более плотным и тяжелым. Так как он уже находится в самой нижней части помещения, он там и останется. Теплый, менее плотный воздух будет находиться над слоем холодного воздуха, и естественного перемешивания не произойдет. В этом случае охлаждение всего объема будет происходить крайне медленно, в основном за счет теплопроводности, которая у воздуха очень мала.

Таким образом, для создания эффективной естественной конвекции и быстрого охлаждения всего помещения, охлаждающие элементы необходимо располагать в верхней части.

Ответ: Эти трубы надо располагать вверху помещения.

39.34 [976] Сильная струя воздуха, которая идёт на вас от настольного вентилятора, создаёт прохладу. Можно ли этой струёй сохранить мороженое в твёрдом виде?

Ощущение прохлады от вентилятора у человека и его воздействие на мороженое — это два разных физических процесса, хотя в обоих случаях действует один и тот же поток воздуха.

Почему человек чувствует прохладу?

Человек чувствует прохладу по двум причинам. Во-первых, струя воздуха ускоряет испарение пота с поверхности кожи. Процесс испарения требует энергии (скрытой теплоты парообразования), которая забирается от тела, вызывая его охлаждение. Во-вторых, температура тела человека (около $36.6^\circ C$) выше температуры воздуха в комнате. Тело нагревает прилегающий к нему тонкий слой воздуха. Вентилятор постоянно сдувает этот нагретый слой, заменяя его более прохладным комнатным воздухом, что усиливает конвективную теплоотдачу от тела в окружающую среду.

Что произойдёт с мороженым?

Температура мороженого, чтобы оно оставалось твёрдым, должна быть около $0^\circ C$ или ниже. Это значительно холоднее, чем воздух в комнате (например, $20-25^\circ C$). Вентилятор направляет на мороженое поток воздуха, который является для него тёплым.

Основным процессом в данном случае будет конвективный теплообмен. Сильная струя воздуха значительно увеличит скорость передачи тепла от тёплого воздуха к холодному мороженому. В результате мороженое будет нагреваться и таять гораздо быстрее, чем если бы оно просто стояло в спокойном воздухе. Небольшой охлаждающий эффект от испарения влаги с поверхности мороженого будет пренебрежимо мал по сравнению с интенсивным нагревом от потока тёплого воздуха.

Таким образом, вентилятор, создающий комфорт для человека, окажет противоположное действие на мороженое — он ускорит его таяние.

Ответ: Нет, нельзя. Поток воздуха от вентилятора имеет комнатную температуру, которая выше температуры плавления мороженого. Этот поток усилит теплообмен между воздухом и мороженым, что приведёт к его более быстрому таянию.