Номер 12, страница 40, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 4. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Виды теплопередачи - номер 12, страница 40.

Условие.

12. Объясните, почему тёплый воздух поднимается вверх.

Решение.

Подъём тёплого воздуха вверх является проявлением физического явления, называемого конвекцией, и объясняется совокупностью нескольких принципов.

1. Тепловое расширение. При нагревании любого вещества, включая воздух, его молекулы начинают двигаться с большей скоростью и на большем расстоянии друг от друга. Это приводит к тому, что объём, занимаемый той же массой воздуха, увеличивается. Этот процесс называется тепловым расширением.

2. Уменьшение плотности. Плотность вещества ($ \rho $) — это отношение его массы ($ m $) к объёму ($ V $), что выражается формулой $ \rho = \frac{m}{V} $. Когда воздух нагревается, его масса остаётся прежней, а объём увеличивается. Следовательно, его плотность уменьшается. Таким образом, тёплый воздух становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух.

3. Действие силы Архимеда. Согласно закону Архимеда, на любое тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила ($ F_A $), направленная вертикально вверх. Величина этой силы равна весу жидкости или газа, вытесненного телом. В нашем случае, объём тёплого воздуха "погружён" в более холодный и плотный воздух.

На рассматриваемый объём тёплого воздуха действуют две основные силы:

• Сила тяжести ($ F_g $), направленная вниз и равная $ m_{\text{тёпл}} \cdot g $ или $ \rho_{\text{тёпл}} \cdot V \cdot g $.

• Выталкивающая сила Архимеда ($ F_A $), направленная вверх и равная весу вытесненного холодного воздуха: $ m_{\text{хол}} \cdot g $ или $ \rho_{\text{хол}} \cdot V \cdot g $.

Поскольку тёплый воздух менее плотный, чем холодный ($ \rho_{\text{тёпл}} < \rho_{\text{хол}} $), выталкивающая сила Архимеда ($ F_A $) становится больше силы тяжести ($ F_g $). Возникающая результирующая сила направлена вверх, что и заставляет тёплый воздух подниматься. На его место опускается более тяжёлый, холодный воздух, который затем может нагреться и также подняться.

Ответ: Тёплый воздух поднимается вверх, потому что при нагревании он расширяется, его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. В результате, согласно закону Архимеда, на объём тёплого воздуха начинает действовать выталкивающая сила, которая превышает его силу тяжести, заставляя его всплывать.