Изучение конвекции в жидкости, страница 70, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Строение и свойства вещества. Тепловые явления. Параграф 17. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 70.

Условие.

ИЗУЧЕНИЕ КОНВЕКЦИИ В ЖИДКОСТИ

Когда нам нужно охладить какой-либо напиток, мы помещаем в стакан кубики льда. При этом лёд плавает на поверхности. Но может быть, охлаждение происходило бы эффективнее, если опустить кубики льда ложкой на дно?

Цель работы

Изучить явление конвекции в жидкости; выяснить, в каком случае охлаждение тёплой воды в сосуде происходит быстрее: когда лёд находится вверху или внизу.

Ход работы

• В качестве оборудования можно использовать сосуд, тёплую воду, термометр, кусочек льда, кусочек льда такой же массы с замороженным в нём металлическим шариком или другим тяжёлым предметом, часы с секундной стрелкой.

• Налейте в сосуд тёплую воду и измерьте её температуру. Не вынимая термометр из сосуда с водой, опустите в него кусочек льда. Лёд будет плавать на поверхности воды, т. е. охлаждение будет происходить сверху. Измеряйте температуру воды каждую минуту, пока лёд не растает, и записывайте результаты измерений в таблицу в своей тетради.

• Повторите опыт, налив в сосуд тёплую воду примерно той же температуры. Для охлаждения воды используйте кусочек льда с замороженным в нём металлическим шариком. В этом опыте лёд опустится на дно, т. е. охлаждение будет происходить снизу.

• Для каждого опыта постройте график зависимости изменения температуры воды от времени. Сравните графики и сделайте вывод, в каком случае охлаждение воды в сосуде происходит быстрее.

Решение.

Охлаждение напитка происходит значительно эффективнее, когда кубики льда плавают на поверхности, а не опущены на дно. Это связано с физическим явлением конвекции.

Цель работы

Цель данной работы — изучить явление конвекции в жидкости (воде) и экспериментально выяснить, в каком случае охлаждение тёплой воды происходит быстрее: когда источник холода (лёд) находится на поверхности или на дне сосуда.

Ход работы

Для понимания результатов, которые будут получены в ходе работы, необходимо проанализировать физические процессы, происходящие в каждом из двух опытов.

В первом опыте, когда кусок льда опускается в тёплую воду, он остаётся плавать на поверхности, так как плотность льда меньше плотности воды. Процесс охлаждения происходит следующим образом:
1. Верхние слои воды, непосредственно контактирующие со льдом, охлаждаются.
2. Плотность воды при охлаждении (в диапазоне от 100°C до 4°C) увеличивается. Таким образом, охлаждённая вода становится тяжелее (плотнее) тёплой воды.
3. Под действием силы тяжести более холодные и плотные слои воды опускаются на дно сосуда.
4. Их место занимают более тёплые и менее плотные слои воды, которые поднимаются снизу к поверхности.
5. Этот процесс циркуляции воды, называемый конвекцией, непрерывно повторяется. Возникают конвекционные потоки, которые эффективно перемешивают всю воду в сосуде. Благодаря этому, теплообмен происходит по всему объёму жидкости, что приводит к её быстрому и равномерному охлаждению.

Во втором опыте используется кусок льда с замороженным внутри тяжёлым предметом (например, металлическим шариком), из-за чего он тонет и оказывается на дне сосуда. В этом случае процесс охлаждения будет иным:
1. Вода охлаждается в самой нижней части сосуда, в месте контакта со льдом.
2. Эти охлаждённые слои воды, как более плотные, так и остаются на дне, поскольку они уже находятся в самом низу.
3. Тёплые, менее плотные слои воды остаются наверху.
4. Естественная циркуляция (конвекция) практически не возникает, так как отсутствует основная движущая сила — разность плотностей, заставляющая слои меняться местами.
5. Передача тепла от верхних тёплых слоёв к нижним холодным происходит главным образом за счёт теплопроводности. Теплопроводность воды очень низкая, поэтому этот процесс идёт крайне медленно.
В результате, охлаждение всего объёма воды происходит значительно медленнее, чем в первом опыте.

При построении графиков зависимости температуры воды от времени для каждого опыта, можно будет наглядно увидеть разницу. График для первого опыта (лёд наверху) будет показывать резкое и быстрое снижение температуры. График для второго опыта (лёд на дне) будет гораздо более пологим, что свидетельствует о медленном процессе охлаждения.

Сравнив эти графики, можно сделать вывод, что охлаждение воды происходит намного быстрее, когда лёд находится на поверхности.

Ответ: Охлаждение воды в сосуде происходит быстрее, когда лёд находится на её поверхности. Это объясняется возникновением интенсивных конвекционных потоков, которые перемешивают воду и ускоряют процесс теплообмена во всем объёме. Если лёд находится на дне, конвекция подавляется, и охлаждение происходит значительно медленнее, в основном за счёт медленного процесса теплопроводности.