Номер 1.30, страница 7 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 1. Внутренняя энергия - номер 1.30, страница 7.

Условие.

1.30. Теплый воздух, как известно, поднимается вверх. Почему же на высоте 10 км постоянно держится температура $-50 °C$?

Решение.

Утверждение о том, что теплый воздух поднимается вверх, совершенно верно. Это явление, называемое конвекцией, происходит из-за того, что при нагревании воздух расширяется, его плотность уменьшается, и под действием архимедовой силы он выталкивается вверх более холодным и плотным воздухом. Однако, поднимаясь, этот воздух охлаждается, и на это есть несколько взаимосвязанных причин.

Основная причина заключается в том, что с высотой падает атмосферное давление. Давление создается весом столба воздуха, находящегося выше. Чем больше высота, тем короче столб воздуха над ней, и, следовательно, тем ниже давление. Когда порция теплого воздуха поднимается, она попадает в область с более низким давлением. Из-за этого воздух начинает расширяться.

Этот процесс расширения происходит достаточно быстро, и воздух не успевает обменяться значительным количеством тепла с окружающей средой, поэтому его можно считать адиабатическим. Согласно первому закону термодинамики, $ \Delta U = Q - W $, где $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии газа, $ Q $ — полученное количество теплоты, а $ W $ — работа, совершённая газом. При адиабатическом расширении $ Q \approx 0 $. Газ совершает работу против внешнего давления, расширяясь, то есть $ W > 0 $. В результате изменение его внутренней энергии становится отрицательным: $ \Delta U = -W < 0 $. Внутренняя энергия газа напрямую связана с его температурой. Таким образом, совершая работу по расширению, воздух тратит свою внутреннюю энергию и охлаждается. Этот эффект называется адиабатическим охлаждением.

Кроме того, следует помнить, что основной источник тепла для нижнего слоя атмосферы (тропосферы, простирающейся до высот 10–15 км) — это не прямое солнечное излучение, а поверхность Земли, нагретая Солнцем. Атмосфера в основном прозрачна для видимого света, но хорошо поглощает инфракрасное (тепловое) излучение от земной поверхности. Поэтому воздух нагревается преимущественно снизу, и чем дальше от поверхности, тем он холоднее.

Таким образом, хотя теплый воздух и поднимается от поверхности, в процессе подъема он сильно охлаждается из-за расширения в условиях падающего давления. Именно поэтому на больших высотах, таких как 10 км, температура оказывается очень низкой.

Ответ: Температура на высоте 10 км низкая, потому что поднимающийся от поверхности Земли теплый воздух расширяется из-за падения атмосферного давления. Это расширение является адиабатическим процессом, в ходе которого воздух совершает работу и охлаждается за счет уменьшения своей внутренней энергии.