Номер 6, страница 33 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 2. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Параграф 8. Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость. Вопросы - номер 6, страница 33.

Условие.

6. Лужи покрываются льдом в первые утренние заморозки, однако поверхность озера остаётся незамёрзшей. Объясните наблюдаемое явление.

Решение.

6. Это явление объясняется несколькими физическими причинами, связанными с массой воды, теплоёмкостью и процессами теплообмена.

1. Масса и теплоёмкость. Вода обладает очень высокой удельной теплоёмкостью ($c \approx 4200 \ \mathrm{Дж/(кг\cdot °C)}$). Это означает, что для охлаждения или нагрева воды на 1 градус требуется большое количество энергии. Количество теплоты ($\text{Q}$), которое необходимо отвести от водоёма для его охлаждения до температуры замерзания, прямо пропорционально его массе ($\text{m}$): $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$, где $\Delta T$ — разница между начальной температурой воды и температурой замерзания (0°C). Масса воды в озере в миллионы раз больше массы воды в луже. Следовательно, для того чтобы озеро остыло и начало замерзать, из него должно выделиться огромное количество теплоты. Коротких ночных заморозков для этого недостаточно. Лужа, обладая маленькой массой, теряет необходимое для замерзания количество теплоты очень быстро.

2. Тепловая инерция. Большой объём воды в озере обладает огромной тепловой инерцией. Это означает, что озеро медленно нагревается летом и так же медленно остывает осенью, сглаживая суточные колебания температуры. Лужа же практически не обладает тепловой инерцией, и её температура быстро следует за температурой окружающего воздуха.

3. Конвекция. В глубоких водоёмах, таких как озеро, существенную роль играет перемешивание воды (конвекция). Когда верхний слой воды охлаждается, он становится плотнее и опускается вниз, а его место занимают более тёплые слои с глубины. Этот процесс продолжается, пока вся вода в озере не охладится до температуры +4°C (температура, при которой вода имеет максимальную плотность). Только после этого поверхностный слой может охладиться до 0°C и начать замерзать. Этот процесс значительно замедляет замерзание поверхности. В мелкой луже конвекция практически не играет роли из-за малой глубины, и вся масса воды остывает почти равномерно и быстро.

Ответ: Лужи замерзают быстрее озёр, так как из-за своей малой массы и объёма они обладают очень низкой теплоёмкостью и тепловой инерцией. Для их замерзания требуется отвести небольшое количество теплоты, что происходит быстро во время ночных заморозков. Озеро, напротив, содержит огромную массу воды, обладает большой теплоёмкостью и медленно остывает. Процесс охлаждения поверхности озера также замедляется за счёт конвекции (перемешивания слоёв воды).