Номер 4.22, страница 20 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 4. Удельная теплоемкость. Уравнение теплового баланса - номер 4.22, страница 20.

Условие.

4.22. Железные печи быстрее нагревают комнату, чем кирпичные, но не так долго остаются теплыми. Почему?

Решение.

Решение

Это явление объясняется различиями в двух ключевых физических свойствах материалов, из которых сделаны печи, — теплопроводности и теплоёмкости.

1. Почему железные печи быстрее нагревают комнату?

Скорость нагрева помещения напрямую зависит от скорости передачи тепла от огня в печи к окружающему воздуху. За эту скорость отвечает свойство, называемое теплопроводностью.

Железо является металлом и обладает очень высокой теплопроводностью. Это означает, что оно быстро передает тепловую энергию от пламени сквозь свои стенки наружу. Наружная поверхность железной печи быстро раскаляется и начинает интенсивно отдавать тепло в комнату посредством теплового излучения и конвекции. Поэтому эффект от затопленной железной печи ощущается почти сразу.

Кирпич, в свою очередь, имеет низкую теплопроводность, он является теплоизолятором. Тепло сквозь толстые кирпичные стены проходит очень медленно. Требуется много времени, чтобы вся масса кирпичной кладки прогрелась и ее наружная поверхность стала достаточно горячей для эффективного обогрева комнаты.

2. Почему кирпичные печи дольше остаются теплыми?

Способность печи долго сохранять тепло определяется ее общей теплоёмкостью. Теплоёмкость показывает, какое количество теплоты может накопить тело. Она зависит от массы тела ($\text{m}$) и удельной теплоёмкости его материала ($\text{c}$). Количество накопленной теплоты ($\text{Q}$) можно выразить формулой: $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$.

Сравним эти параметры для двух печей:

• Удельная теплоёмкость. У кирпича ($c_{кирпича} \approx 840 \frac{Дж}{кг \cdot \text{°C}}$) она почти вдвое выше, чем у железа ($c_{железа} \approx 450 \frac{Дж}{кг \cdot \text{°C}}$). Это значит, что килограмм кирпича запасает больше тепла, чем килограмм железа при одинаковом нагреве.

• Масса. Кирпичная печь — это массивное сооружение, ее масса ($m_{кирпича}$) может достигать нескольких тонн, в то время как масса железной печи ($m_{железа}$) обычно составляет десятки или сотни килограммов. Таким образом, $m_{кирпича} \gg m_{железа}$.

Из-за обоих этих факторов общая теплоёмкость кирпичной печи ($c_{кирпича} \cdot m_{кирпича}$) оказывается во много раз больше теплоёмкости железной. Во время топки кирпичная печь медленно поглощает и накапливает (аккумулирует) огромное количество тепловой энергии. После того как дрова прогорят, эта накопленная энергия медленно и равномерно излучается в помещение в течение многих часов. Железная печь, обладая малой теплоёмкостью, запасает мало тепла и поэтому остывает очень быстро после прекращения горения.

Ответ:

Железные печи быстрее нагревают комнату из-за высокой теплопроводности железа, которая обеспечивает быструю передачу тепла. Кирпичные печи дольше остаются теплыми благодаря своей значительно большей общей теплоёмкости (обусловленной как большой массой, так и более высокой удельной теплоёмкостью кирпича), что позволяет им накопить большое количество тепла и затем медленно отдавать его.