Номер 3.17, страница 16 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 3. Домашние экспериментальные задания - номер 3.17, страница 16.

Условие.

3.17. Используя термометр, определите скорость выравнивания температуры воды в двух случаях:

а) когда горячую воду наливают в холодную;

б) когда холодную воду наливают в горячую.

(Объем холодной и горячей воды должен быть одинаковым.)

В чем причина разной скорости выравнивания температур?

Решение.

а) когда горячую воду наливают в холодную;

Если провести эксперимент и измерять температуру смеси с помощью термометра, можно заметить, что процесс установления единой температуры по всему объему будет идти медленно. Это происходит потому, что горячая вода имеет меньшую плотность, чем холодная. При добавлении сверху она будет оставаться в верхних слоях, а более плотная холодная вода — в нижних. Такое расслоение жидкости (стратификация) является устойчивым и препятствует естественному перемешиванию. Теплообмен в этом случае происходит в основном за счет медленного процесса теплопроводности на границе слоев, а не за счет конвекции.

Ответ: Скорость выравнивания температуры низкая.

б) когда холодную воду наливают в горячую.

В этом случае измерения термометром покажут, что итоговая температура смеси устанавливается значительно быстрее. Причина в том, что холодная вода, будучи более плотной, при попадании в горячую воду сразу же начинает опускаться на дно. Менее плотная горячая вода, в свою очередь, вытесняется и поднимается вверх. Возникает интенсивное движение жидкости — естественная конвекция. Конвекционные потоки эффективно перемешивают всю воду в сосуде, что приводит к быстрому перераспределению тепла и установлению теплового равновесия.

Ответ: Скорость выравнивания температуры высокая.

В чем причина разной скорости выравнивания температур?

Основная причина разной скорости выравнивания температур заключается в явлении естественной конвекции, интенсивность которой зависит от способа смешивания. Плотность воды уменьшается при нагревании, поэтому холодная вода плотнее горячей.
В случае б) (холодная вода в горячую), более плотные слои воды оказываются над менее плотными, что создает гравитационную неустойчивость. Эта неустойчивость приводит к возникновению сильных конвекционных потоков, которые быстро перемешивают воду.
В случае а) (горячая вода в холодную), менее плотные слои воды оказываются над более плотными. Такая система является устойчивой, что подавляет возникновение конвекции. Теплообмен происходит за счет гораздо более медленного процесса теплопроводности.

Ответ: Причина разной скорости заключается в возникновении интенсивных конвекционных потоков при наливании холодной воды в горячую и их практически полном отсутствии при наливании горячей воды в холодную.