Страница 148 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

39.35 [977] Почему в печах с высокими трубами тяга больше, чем в печах с низкими трубами?

Решение

Тяга в печной трубе — это направленное движение продуктов сгорания вверх по трубе, которое возникает благодаря разности давлений. Это явление объясняется законами конвекции и гидростатики.

Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в печи, имеют более высокую температуру и, следовательно, меньшую плотность, чем окружающий холодный воздух. Обозначим плотность горячего газа внутри трубы как $\rho_{гор}$, а плотность холодного атмосферного воздуха как $\rho_{хол}$. Таким образом, $\rho_{гор} < \rho_{хол}$.

Столб воздуха (или газа) высотой $h$ создает у своего основания гидростатическое давление, которое определяется по формуле $P = \rho g h$, где $g$ — ускорение свободного падения. Давление, создаваемое столбом горячего газа внутри трубы, меньше давления, создаваемого столбом холодного воздуха той же высоты снаружи.

Разность давлений $\Delta P$ у основания трубы, которая и является движущей силой тяги, равна разности давлений столбов наружного воздуха и внутреннего газа:

$\Delta P = P_{снаружи} - P_{внутри} = \rho_{хол} g h - \rho_{гор} g h = (\rho_{хол} - \rho_{гор}) g h$

Из этой формулы видно, что величина тяги (разность давлений $\Delta P$) прямо пропорциональна высоте трубы $h$. Следовательно, чем выше труба, тем больше разница в весе между столбом холодного воздуха снаружи и столбом горячего газа внутри. Эта увеличенная разница давлений и создает более сильную тягу, которая эффективнее удаляет продукты сгорания и обеспечивает приток свежего воздуха (кислорода) в топку.

Ответ: Тяга в печи возникает из-за разности давлений, создаваемой столбом горячего, менее плотного газа внутри трубы и столбом холодного, более плотного воздуха снаружи. Величина этой разности давлений прямо пропорциональна высоте трубы. Поэтому в печах с высокими трубами тяга больше.

39.36 [978] Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах?

Решение

Тяга в печной трубе — это направленное движение дымовых газов, которое возникает из-за разницы давлений между столбом горячего газа в трубе и окружающим холодным воздухом. Горячий газ имеет меньшую плотность, чем холодный воздух, и по закону Архимеда на столб горячего газа действует выталкивающая сила. Величина этой разности давлений (тяги), $ \Delta P $, приблизительно описывается формулой: $ \Delta P = (\rho_{окр} - \rho_{газа}) \cdot g \cdot h $, где $ \rho_{окр} $ — плотность окружающего воздуха, $ \rho_{газа} $ — средняя плотность горячего газа в трубе, $ g $ — ускорение свободного падения, а $ h $ — высота трубы.

Из формулы видно, что тяга тем сильнее, чем больше разница плотностей, а значит, чем выше средняя температура газа в трубе (поскольку плотность газа обратно пропорциональна его температуре).

Основное различие между металлической и кирпичной трубой заключается в их способности сохранять тепло, то есть в их теплопроводности.

1. Металлические трубы. Металл обладает высокой теплопроводностью. Это означает, что он легко и быстро передает тепло. В результате металлическая труба интенсивно отдает тепло от горячих газов в окружающую среду. Газы, поднимаясь по такой трубе, сильно остывают. Их средняя температура понижается, плотность увеличивается, а разность давлений с окружающим воздухом уменьшается, что приводит к ослаблению тяги.

2. Кирпичные трубы. Кирпич, напротив, является хорошим теплоизолятором (имеет низкую теплопроводность). Толстые кирпичные стенки хорошо удерживают тепло внутри дымохода. Газы в кирпичной трубе остывают значительно медленнее, чем в металлической, и их средняя температура по всей высоте трубы остается высокой. Более высокая температура газа означает меньшую плотность и, следовательно, большую разность давлений, что обеспечивает более сильную тягу.

Таким образом, из-за лучшей теплоизоляции кирпичные трубы поддерживают более высокую температуру дымовых газов, что и создает более сильную тягу по сравнению с металлическими трубами.

Ответ: Тяга в металлических печных трубах меньше, чем в кирпичных, потому что металл обладает высокой теплопроводностью и быстро отводит тепло от дымовых газов в окружающее пространство. В результате газы в трубе сильно остывают, их плотность увеличивается, что уменьшает разность давлений с наружным воздухом, создающую тягу. Кирпич, наоборот, является хорошим теплоизолятором и лучше сохраняет высокую температуру газов, обеспечивая тем самым более сильную и стабильную тягу.

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.

39.38 [971] В каком направлении, вверх или вниз, движется вода в радиаторе при работе двигателя трактора (см. рис. VI-9)?

Рис. VI-9

Решение

На рисунке VI-9 изображена система водяного охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Её работа основана на явлении конвекции.

1. В процессе работы двигателя (1) охлаждающая жидкость (вода) в его "рубашке охлаждения" нагревается.

2. При нагревании плотность воды уменьшается. Согласно принципу естественной конвекции, более горячие (и менее плотные) слои жидкости стремятся вверх. Этот процесс часто усиливается водяным насосом (помпой), который также направляет горячую воду вверх.

3. Из верхней части двигателя горячая вода по патрубку (b) поступает в верхний бачок радиатора (2).

4. В радиаторе вода протекает по многочисленным тонким трубкам сверху вниз. В это время вентилятор (3) создает поток воздуха, который обдувает трубки, отводя от воды тепло и охлаждая её.

5. Остывшая вода становится более плотной и тяжёлой, поэтому она опускается в нижнюю часть радиатора.

6. Из нижней части радиатора уже охлаждённая вода поступает обратно в "рубашку охлаждения" двигателя, и цикл повторяется.

Следовательно, внутри радиатора вода движется в направлении сверху вниз.

Ответ: Вода в радиаторе движется вниз.

39.39 [973] Как образуются бризы? (Бризы — местные ветры, дующие днём с моря на сушу, а ночью с суши на море.)

Решение

Бризы — это местные ветры, возникающие на побережьях морей, озер и крупных рек. Их образование объясняется физическим явлением конвекции, которое происходит из-за неравномерного нагревания и остывания суши и водной поверхности в течение суток.

Ключевым фактором является различие в удельной теплоемкости воды и суши (песка, почвы). Удельная теплоемкость воды значительно выше, чем у суши. Это означает, что для нагревания воды на один градус требуется большее количество теплоты, чем для нагревания суши. Аналогично, вода остывает медленнее, чем суша.

Дневной (морской) бриз

1. В течение дня солнце нагревает и сушу, и воду. Из-за низкой теплоемкости суша нагревается гораздо быстрее и сильнее, чем вода.

2. Воздух, находящийся над поверхностью суши, нагревается от нее, расширяется, его плотность уменьшается, и он начинает подниматься вверх. В результате над сушей формируется область пониженного атмосферного давления.

3. В это же время над более прохладной водной поверхностью воздух остается холодным и, следовательно, более плотным. Здесь образуется область повышенного давления.

4. Возникает разность давлений, и более холодный и плотный воздух с моря начинает перемещаться в сторону суши, чтобы занять место поднявшегося теплого воздуха. Этот поток воздуха, дующий с моря на сушу, и называется дневным или морским бризом.

Ночной (береговой) бриз

1. Ночью, после захода солнца, и суша, и вода начинают остывать, излучая накопленное за день тепло.

2. Суша, обладая меньшей теплоемкостью, остывает очень быстро. Воздух над ней также охлаждается, становится более плотным и тяжелым, и над сушей образуется область повышенного давления.

3. Вода, благодаря высокой теплоемкости, остывает медленно и долго остается теплой. Воздух над ней теплее, чем над сушей. Он менее плотный и поднимается вверх, создавая над водной поверхностью область пониженного давления.

4. В результате разности давлений холодный воздух с суши перемещается в сторону моря. Этот ветер, дующий ночью с суши на море, называется ночным или береговым бризом.

Ответ: Бризы возникают из-за суточных колебаний температуры и давления воздуха над сушей и морем. Днем суша нагревается быстрее воды, что создает над ней область пониженного давления; холодный воздух с моря устремляется на сушу (дневной бриз). Ночью суша остывает быстрее воды, над ней образуется область повышенного давления, и холодный воздух дует с суши в сторону моря, где давление ниже (ночной бриз). В основе этого явления лежит конвекция, вызванная разной удельной теплоемкостью воды и суши.

39.40 [974] Зачем в верхних и нижних частях корпусов бытовых и промышленных аппаратов, компьютеров, приборов и устройств, выделяющих при работе теплоту, делают отверстия?

Решение

Отверстия в верхних и нижних частях корпусов бытовых и промышленных аппаратов, компьютеров и других устройств, выделяющих тепло, предназначены для их охлаждения с помощью физического явления, называемого естественной конвекцией.

В процессе работы внутренние компоненты таких устройств (например, процессор, видеокарта, блок питания в компьютере) сильно нагреваются. Это тепло необходимо постоянно отводить, чтобы предотвратить перегрев, который может привести к сбоям в работе или даже к необратимому повреждению аппаратуры.

Процесс охлаждения с помощью конвекции происходит следующим образом. Воздух, находящийся внутри корпуса, соприкасается с горячими деталями и нагревается от них. При нагревании воздух расширяется, его плотность уменьшается, и он становится легче по сравнению с окружающим его более холодным воздухом. Под действием выталкивающей силы (силы Архимеда для газов) этот нагретый, менее плотный воздух начинает подниматься в верхнюю часть корпуса. Через отверстия, расположенные вверху, он выходит из корпуса наружу. Одновременно, чтобы занять освободившееся место, через нижние отверстия в корпус засасывается более холодный и, следовательно, более плотный воздух из окружающей среды.

Таким образом, возникает непрерывный циркулирующий поток воздуха, называемый конвекционным током. Холодный воздух входит снизу, нагревается, поднимается и выходит сверху, эффективно и постоянно унося избыточное тепло от внутренних компонентов. Эта система пассивного охлаждения очень проста, надежна, бесшумна и не требует затрат энергии.

Ответ: Отверстия в верхних и нижних частях корпусов необходимы для организации естественного потока воздуха (конвекции) с целью охлаждения. Через нижние отверстия заходит холодный воздух, он нагревается от внутренних компонентов, становится легче, поднимается вверх и выходит через верхние отверстия, унося с собой избыточное тепло.

39.41 [981] Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?

39.41 [981]

Разница в скорости таяния чистого и грязного снега в солнечную погоду объясняется их различной способностью поглощать солнечное излучение, что напрямую зависит от цвета поверхности.

Чистый снег имеет белый цвет. Белые поверхности обладают высокой отражательной способностью (альбедо) и отражают большую часть падающего на них солнечного света. Лишь небольшое количество энергии поглощается и преобразуется в тепло, поэтому процесс таяния происходит медленно.

Грязный снег содержит частицы сажи, пыли и земли, которые делают его поверхность более темной. Темные поверхности, наоборот, хорошо поглощают свет и плохо его отражают. Поглощенная солнечная энергия преобразуется в тепловую энергию, интенсивно нагревая снег до температуры плавления ($0^\circ\text{C}$) и ускоряя его таяние.

Ответ: Грязный снег тает быстрее чистого, потому что его темная поверхность поглощает значительно больше солнечной энергии по сравнению с белой поверхностью чистого снега, которая большую часть энергии отражает. Поглощенная энергия нагревает снег, вызывая его интенсивное таяние.

39.42 [982] Зачем оболочку стратостата красят серебряной краской?

Решение

Оболочку стратостата красят серебряной краской для терморегуляции, что является ключевым фактором для обеспечения стабильности и безопасности полета на больших высотах.

В стратосфере, где воздух сильно разрежен, основной способ теплообмена — это излучение. Существует две основные проблемы, связанные с температурой, которые решает серебряное покрытие.

Во-первых, в дневное время стратостат подвергается интенсивному солнечному излучению. Если бы оболочка была темной, она бы сильно нагревалась, поглощая солнечные лучи. Это привело бы к нагреву и расширению газа внутри (гелия или водорода), созданию избыточного давления и риску разрыва оболочки или неконтролируемого подъема. Серебряная поверхность имеет высокую отражательную способность, то есть она отражает большую часть солнечного света и слабо поглощает энергию. Это защищает стратостат от перегрева.

Во-вторых, в ночное время или при заходе в тень Земли стратостат начинает терять тепло, излучая его в холодное космическое пространство. Тела с темной поверхностью не только хорошо поглощают, но и хорошо излучают тепло. Такая оболочка быстро бы остыла, газ внутри сжался, и стратостат начал бы стремительно терять высоту. Серебряная поверхность, наоборот, обладает низкой излучательной способностью. Она медленно отдает тепло, что помогает предотвратить резкое охлаждение газа и сохранить подъемную силу на протяжении ночи.

Таким образом, серебряное покрытие работает как тепловой щит: днем оно отражает солнечное тепло, а ночью удерживает внутреннее тепло.

Ответ: Оболочку стратостата красят серебряной краской, чтобы минимизировать теплообмен с окружающей средой за счет излучения. Серебристая поверхность хорошо отражает солнечное излучение, предотвращая перегрев и расширение газа днем, и в то же время плохо излучает собственное тепло, что предохраняет газ от сильного охлаждения и сжатия ночью. Это помогает поддерживать более стабильную температуру и высоту полета.

39.43 [983] Какие почвы лучше прогреваются солнечными лучами: чернозёмные или подзолистые, имеющие более светлую окраску?

Решение

Способность тела нагреваться под действием солнечных лучей зависит от его поглощающей способности, которая, в свою очередь, тесно связана с цветом поверхности. Тела с тёмной поверхностью поглощают большую часть падающего на них излучения, в то время как тела со светлой поверхностью большую часть излучения отражают. Поглощённая энергия излучения переходит во внутреннюю энергию тела, что приводит к его нагреву.

Чернозёмные почвы имеют тёмный, почти чёрный цвет. Благодаря этому они обладают высокой поглощающей способностью. Они эффективно поглощают энергию солнечных лучей, что вызывает их интенсивный прогрев.

Подзолистые почвы, напротив, имеют светлую, сероватую окраску. Светлая поверхность отражает значительную долю солнечного света и поглощает меньше энергии. Следовательно, при тех же условиях освещения подзолистые почвы прогреваются значительно слабее, чем чернозёмные.

Ответ: чернозёмные почвы прогреваются солнечными лучами лучше, так как их тёмная поверхность поглощает больше солнечной энергии по сравнению со светлой поверхностью подзолистых почв, которая большую часть энергии отражает.

39.44 [984] Зачем в железнодорожных вагонах-ледниках, служащих для перевозки фруктов, мяса, рыбы и других скоропортящихся продуктов, промежутки между двойными стенками заполняют войлоком или несколькими слоями каких-либо пористых веществ, а снаружи вагоны окрашивают в белый или светло-жёлтый цвет?

Вопрос содержит две части, которые касаются способов теплоизоляции железнодорожных вагонов-ледников. Рассмотрим каждую часть отдельно.

Зачем в железнодорожных вагонах-ледниках промежутки между двойными стенками заполняют войлоком или несколькими слоями каких-либо пористых веществ

Основная задача вагона-ледника — поддерживать внутри низкую температуру, чтобы сохранить скоропортящиеся продукты. Для этого необходимо максимально уменьшить передачу тепла из тёплой внешней среды внутрь вагона. Этот процесс называется теплоизоляцией. Заполнение пространства между двойными стенками пористыми материалами (утеплителями), такими как войлок, минеральная вата или пенопласт, позволяет эффективно бороться с двумя основными механизмами теплопередачи: теплопроводностью и конвекцией.

1. Борьба с теплопроводностью и конвекцией. Пористые материалы по своей структуре содержат огромное количество мельчайших полостей, заполненных воздухом. Воздух является очень плохим проводником тепла (обладает низкой теплопроводностью). Однако, если бы пространство между стенками было просто заполнено воздухом, в нём бы возникли конвекционные потоки: воздух, нагретый у тёплой наружной стенки, поднимался бы вверх, а воздух, охлаждённый у холодной внутренней стенки, опускался бы вниз. Эта циркуляция очень эффективно переносит тепло. Пористая структура утеплителя «запирает» воздух в этих крошечных ячейках, не давая ему свободно перемещаться. Таким образом, перенос тепла за счёт конвекции практически полностью прекращается, а за счёт низкой теплопроводности неподвижного воздуха — значительно снижается.

Ответ: Промежутки между двойными стенками заполняют пористыми материалами для теплоизоляции. Эти материалы содержат много неподвижного воздуха. Воздух является плохим проводником тепла, а его неподвижность в порах материала предотвращает перенос тепла путем конвекции. Это позволяет значительно уменьшить нагрев вагона извне.

Зачем снаружи вагоны окрашивают в белый или светло-жёлтый цвет

Окраска наружной поверхности вагона связана с третьим механизмом теплопередачи — излучением. В данном случае речь идёт о поглощении и отражении солнечного излучения, которое является мощным источником тепла.

2. Борьба с тепловым излучением. Способность тела поглощать или отражать падающее на него излучение сильно зависит от цвета и состояния его поверхности. Поверхности тёмных цветов (например, чёрного) хорошо поглощают практически всё падающее на них солнечное излучение, преобразуя его энергию в тепло. Из-за этого тёмные объекты сильно нагреваются на солнце. Напротив, поверхности светлых цветов (белого, светло-жёлтого, серебристого) отражают большую часть солнечных лучей и поглощают лишь малую их долю. В результате они нагреваются на солнце значительно слабее.

Окрашивая вагон в белый или светло-жёлтый цвет, добиваются минимального поглощения солнечной энергии. Это помогает поддерживать температуру наружных стенок вагона как можно более низкой, что, в свою очередь, уменьшает общее количество тепла, которое стремится проникнуть внутрь вагона через его стенки.

Ответ: Вагоны окрашивают снаружи в белый или светло-жёлтый цвет, чтобы они меньше нагревались под действием солнечных лучей. Светлые поверхности отражают большую часть солнечного излучения и слабо поглощают его, в отличие от тёмных поверхностей. Это позволяет поддерживать наружные стенки вагона более холодными, уменьшая приток тепла внутрь.

39.45 [985] В каком платье летним днём менее жарко: в белом или в тёмном? Объясните почему.

39.45 [985]

Летним днём менее жарко будет в белом платье. Это явление объясняется различиями в поглощении и отражении солнечного излучения телами разного цвета.

1. Солнечное излучение: Основным источником тепла в солнечный день является электромагнитное излучение Солнца, которое включает в себя видимый свет и инфракрасные лучи.

2. Взаимодействие света с поверхностью: Когда солнечные лучи падают на одежду, часть энергии отражается, а часть поглощается. Поглощенная энергия преобразуется во внутреннюю энергию (тепло), что приводит к нагреву ткани.

3. Свойства белого цвета: Поверхности белого цвета обладают высокой отражательной способностью. Они отражают большую часть лучей видимого спектра и, следовательно, поглощают очень мало энергии. В результате белое платье на солнце нагревается слабо.

4. Свойства тёмного цвета: Тёмные (особенно чёрные) поверхности, напротив, поглощают большую часть падающего на них излучения, отражая лишь незначительную его долю. Из-за этого тёмная ткань интенсивно нагревается на солнце, передавая тепло телу.

Таким образом, хотя тёмная одежда лучше излучает собственное тепло тела в окружающую среду, в солнечный день количество энергии, поглощаемой от Солнца, значительно превышает количество тепла, отводимого от тела. Преобладающим фактором является нагрев от внешнего источника — Солнца. Белая одежда эффективно защищает от этого нагрева, отражая солнечные лучи.

Ответ: Менее жарко в белом платье, потому что белый цвет отражает большую часть солнечных лучей, в то время как тёмный цвет их поглощает, что приводит к сильному нагреву ткани.

39.46 [986] Объясните назначение стеклянных рам в парниках.

Решение

Назначение стеклянных рам в парниках заключается в создании и поддержании внутри них более высокой температуры, чем в окружающей среде. Этот эффект достигается благодаря двум основным физическим процессам:

1. Прозрачность для видимого света и непрозрачность для инфракрасного излучения (парниковый эффект). Солнечный свет, большая часть энергии которого находится в видимом спектре, легко проходит сквозь стекло. Этот свет поглощается почвой, растениями и другими поверхностями внутри парника, которые в результате нагреваются. Нагретые тела, в свою очередь, излучают энергию, но уже в виде длинноволнового инфракрасного (теплового) излучения. Обычное стекло для такого излучения в значительной степени непрозрачно. Оно поглощает это тепловое излучение и переизлучает его, причём значительная часть энергии возвращается обратно в парник. Таким образом, тепловая энергия оказывается "в ловушке" внутри парника.

2. Предотвращение конвекции. Стеклянные рамы создают замкнутое пространство, изолируя внутренний воздух от наружного. Воздух внутри парника, нагреваясь от тёплой почвы и растений, не может уйти вверх и смешаться с более холодным наружным воздухом. Также рамы защищают от ветра, который мог бы быстро унести тёплый воздух. Таким образом, предотвращается потеря тепла за счёт конвекции.

Благодаря этим двум факторам температура внутри парника со стеклянными рамами может быть значительно выше температуры снаружи, что позволяет выращивать теплолюбивые растения в условиях более холодного климата или в несезонное время.

Ответ: Стеклянные рамы в парниках предназначены для создания парникового эффекта: они пропускают солнечное излучение в видимом диапазоне, которое нагревает почву и растения, но задерживают тепловое (инфракрасное) излучение, испускаемое нагретыми объектами внутри. Кроме того, они препятствуют потере тепла за счёт конвекции, предотвращая уход нагретого воздуха. Всё это приводит к значительному повышению температуры внутри парника по сравнению с окружающей средой.

39.47 [987] Почему вода в открытых водоёмах нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша?

Вода в открытых водоёмах нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша, из-за совокупности нескольких физических факторов и свойств.

Высокая удельная теплоёмкость. Удельная теплоёмкость воды ($c_{воды} \approx 4200 \, \text{Дж/(кг·К)}$) является одной из самых высоких среди всех известных веществ. Удельная теплоёмкость суши (песка, почвы) значительно ниже (в среднем $c_{суши} \approx 800-1000 \, \text{Дж/(кг·К)}$). Это означает, что для нагрева 1 кг воды на 1 градус Цельсия требуется в 4-5 раз больше энергии, чем для нагрева 1 кг суши. Изменение температуры $\Delta T$ при получении количества теплоты $Q$ для массы $m$ определяется как $\Delta T = Q / (c \cdot m)$, поэтому при большем значении $c$ и одинаковом количестве полученной энергии $Q$, изменение температуры $\Delta T$ будет меньше.

Прозрачность и конвекция. Вода частично прозрачна для солнечных лучей, поэтому они проникают на глубину в несколько метров, распределяя энергию по большому объёму. Суша же непрозрачна, и почти вся солнечная энергия поглощается очень тонким поверхностным слоем, который из-за этого быстро нагревается. Кроме того, вода — это жидкость, в которой постоянно происходят процессы перемешивания (конвекция, ветровые течения). Нагретые верхние слои смешиваются с холодными нижними, что эффективно распределяет тепло по всей массе воды и замедляет рост температуры на поверхности. В твёрдой суше тепло передаётся вглубь почти исключительно за счёт медленного процесса теплопроводности.

Расход энергии на испарение. С поверхности любого открытого водоёма постоянно происходит испарение. Этот процесс (фазовый переход из жидкости в газ) требует значительных затрат энергии, известной как удельная теплота парообразования. Существенная доля солнечной энергии, поглощённой водой, расходуется не на её нагрев (повышение кинетической энергии молекул), а на разрыв межмолекулярных связей и испарение. Это эффективно отводит тепло от водной поверхности, замедляя её нагрев. Суша также теряет тепло на испарение влаги, но обычно в меньших количествах, особенно если почва сухая.

Ответ: Вода в открытых водоёмах нагревается медленнее суши по трём основным причинам: во-первых, из-за своей аномально высокой удельной теплоёмкости, требующей большего количества энергии для повышения температуры; во-вторых, из-за прозрачности и способности к перемешиванию (конвекции), что приводит к распределению тепла в большом объёме; в-третьих, из-за значительных затрат энергии на процесс испарения с её поверхности.

39.48 [988] Почему горячая вода, оставленная в термосе, со временем охлаждается?

Горячая вода, оставленная в термосе, со временем охлаждается, потому что термос не обеспечивает идеальную теплоизоляцию, а лишь значительно замедляет процесс теплообмена с окружающей средой. Теплопередача, хоть и очень медленно, но все же происходит. Рассмотрим, как устроен термос и почему он не может вечно сохранять температуру.

Термос, или сосуд Дьюара, сконструирован так, чтобы минимизировать три основных вида теплопередачи:

• Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте молекул вещества. Чтобы уменьшить теплопроводность, между внутренней колбой (в которой находится вода) и внешним корпусом термоса создают вакуум — пространство, из которого откачан воздух. В вакууме практически нет вещества, поэтому передача тепла через стенки путем теплопроводности почти прекращается.
• Конвекция. Это перенос тепла потоками жидкости или газа. Вакуум между стенками также исключает и конвекцию. Кроме того, плотно закрытая пробка препятствует конвекции воздуха над поверхностью воды и испарению воды, которое также уносит тепло.
• Тепловое излучение. Любое нагретое тело излучает невидимые инфракрасные лучи, которые переносят энергию. Чтобы уменьшить потери тепла на излучение, внутреннюю поверхность внешнего корпуса и наружную поверхность внутренней колбы делают зеркальными (посеребренными). Зеркальные поверхности отражают тепловое излучение обратно к горячей воде, не давая ему уйти.

Несмотря на все эти ухищрения, теплоизоляция термоса не является абсолютной. Существует несколько путей для утечки тепла:

1. Пробка (крышка). Это главный источник теплопотерь. Пробка находится в прямом контакте как с горячим содержимым термоса, так и с холодной внешней средой. Хотя ее изготавливают из материалов с низкой теплопроводностью (например, пластика или пробки), через нее все равно происходит медленная передача тепла за счет теплопроводности.
2. Место соединения колбы и корпуса. Внутренняя колба должна быть как-то соединена с внешним корпусом, обычно это происходит в районе горловины. Эта точка контакта является "мостиком холода", через который тепло может передаваться от горячей внутренней стенки к холодной внешней путем теплопроводности.
3. Неидеальность вакуума и отражающих поверхностей. Создать идеальный вакуум технически невозможно, поэтому между стенками всегда остается некоторое количество молекул газа, которые переносят небольшое количество тепла. Также зеркальные поверхности отражают не 100% теплового излучения, некоторая его часть все же поглощается и передается наружу.

Таким образом, из-за этих несовершенств конструкции происходит медленная, но непрерывная утечка тепла. С течением времени эти небольшие потери суммируются, и температура воды в термосе постепенно снижается, стремясь к выравниванию с температурой окружающей среды.

Ответ: Горячая вода в термосе со временем охлаждается, потому что термос не обеспечивает абсолютную теплоизоляцию. Несмотря на вакуум между стенками и зеркальные поверхности, которые значительно замедляют теплообмен, тепло все равно медленно уходит в окружающую среду, в основном через пробку и места крепления внутренней колбы к корпусу (за счет теплопроводности), а также из-за несовершенства вакуума и отражающих поверхностей (остаточная конвекция и излучение).

39.49 [н] С помощью приборов ночного видения можно увидеть в полной темноте людей, животных и даже растения. Чем объясняется такая возможность?

Решение

Возможность видеть людей, животных и даже растения в полной темноте с помощью приборов ночного видения объясняется явлением теплового излучения. Абсолютно все физические тела, температура которых выше абсолютного нуля ($0$ К или $-273,15$ °C), непрерывно испускают электромагнитные волны.

Интенсивность и спектральный состав этого излучения зависят от температуры тела. Человеческий глаз способен воспринимать лишь очень узкую часть спектра — видимый свет. При температурах, характерных для живых организмов и объектов окружающей среды, максимум их теплового излучения приходится на невидимую для глаза инфракрасную (ИК) область спектра.

Приборы ночного видения, предназначенные для работы в полной темноте (их называют тепловизорами), оснащены специальными сенсорами, чувствительными к инфракрасному излучению. Эти приборы улавливают тепло, испускаемое объектами, и преобразуют его в видимое изображение. На этом изображении разным температурам соответствуют разные уровни яркости или условные цвета, что позволяет различать объекты.

Тела людей и теплокровных животных имеют температуру (например, у человека около $36,6$ °C), которая обычно выше температуры окружающей среды, особенно в ночное время. Поэтому они являются интенсивными источниками ИК-излучения и на изображении тепловизора выглядят как яркие, контрастные фигуры на более холодном фоне.

Растения и другие объекты (земля, камни) также излучают тепло. Хотя их температура близка к температуре окружения, между ними все равно существуют небольшие температурные различия. Это связано с разной теплоемкостью, скоростью остывания и процессами жизнедеятельности (например, испарение влаги у растений). Современные чувствительные тепловизоры способны улавливать даже эти незначительные контрасты, формируя детализированное изображение местности.

Ответ: Такая возможность объясняется тем, что все тела (люди, животные, растения) испускают невидимое для глаза тепловое (инфракрасное) излучение, интенсивность которого зависит от их температуры. Приборы ночного видения (тепловизоры) улавливают это излучение и преобразуют его в видимое изображение, на котором можно различить объекты по их температурному контрасту с окружающей средой.