Вариант 3, страница 65 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-2. Виды теплопередачи - страница 65.

Условие.

Вариант 3

1. Почему человек не чувствует прохлады на воздухе при температуре $20 ^\circ \mathrm{C}$, а в воде зябнет при температуре $25 ^\circ \mathrm{C}$?

2. Каким способом происходит теплопередача в твёрдых телах; в жидкостях? Почему? Может ли в вакууме происходить теплопередача одним из этих способов?

3. Куда следует поместить лёд, с помощью которого необходимо быстро охладить закрытый сосуд, полностью заполненный горячей жидкостью, — положить сверху на сосуд или поставить сосуд на лёд? Ответ поясните.

Решение.

1. Ощущение человеком холода или тепла зависит не столько от абсолютной температуры окружающей среды, сколько от скорости теплообмена между телом человека и средой. Температура человеческого тела составляет примерно 36,6 °C. И воздух при 20 °C, и вода при 25 °C холоднее нашего тела, поэтому в обоих случаях тело отдает тепло в окружающую среду.

Ключевое различие между водой и воздухом заключается в их теплофизических свойствах. Теплопроводность и теплоёмкость воды значительно выше, чем у воздуха. Плотность воды также примерно в 800 раз больше плотности воздуха. Из-за этого вода способна отводить тепло от поверхности тела человека гораздо интенсивнее, чем воздух. Когда человек находится в воде при 25 °C, его тело теряет тепло очень быстро, что и вызывает ощущение зябкости. На воздухе при 20 °C теплоотдача происходит гораздо медленнее, и система терморегуляции организма легко с ней справляется, поэтому человек не чувствует прохлады.

Ответ: Человек зябнет в воде при 25 °C, потому что вода обладает гораздо большей теплопроводностью и теплоёмкостью по сравнению с воздухом. Это приводит к значительно более интенсивной потере тепла телом в воде, чем на воздухе при 20 °C, что и воспринимается как ощущение холода.

2. В твёрдых телах, жидкостях и газах существуют три основных способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

В твёрдых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность. Это происходит потому, что частицы (атомы, ионы, молекулы) в твёрдых телах жёстко связаны друг с другом в кристаллической решётке и могут совершать лишь колебательные движения около своих положений равновесия. При нагревании части твёрдого тела его частицы начинают колебаться интенсивнее. Эта энергия колебательного движения передаётся соседним частицам через межмолекулярные взаимодействия, и так тепло распространяется по всему объёму тела без переноса самого вещества.

В жидкостях (а также в газах) основным способом теплопередачи является конвекция. Это процесс переноса тепла потоками самого вещества. При нагревании нижних слоёв жидкости они расширяются, их плотность уменьшается, и под действием архимедовой силы они поднимаются вверх. На их место опускаются более холодные и плотные верхние слои. Этот процесс создаёт циркуляционные потоки (конвекционные потоки), которые эффективно перемешивают жидкость и переносят тепло по всему объёму. Теплопроводность в жидкостях тоже присутствует, но её вклад в общую теплопередачу обычно значительно меньше, чем у конвекции.

В вакууме теплопередача путём теплопроводности или конвекции происходить не может. Оба этих способа требуют наличия среды (вещества), частицы которой могли бы либо передавать энергию колебаний (теплопроводность), либо перемещаться, перенося энергию (конвекция). Поскольку в вакууме нет вещества, то и эти механизмы теплопередачи невозможны.

Ответ: В твёрдых телах теплопередача происходит в основном за счёт теплопроводности, так как их частицы не могут свободно перемещаться. В жидкостях основным способом является конвекция — перенос тепла потоками самой жидкости. В вакууме ни теплопроводность, ни конвекция невозможны, так как для них требуется среда.

3. Для того чтобы быстро охладить горячую жидкость в закрытом сосуде, лёд следует положить сверху на сосуд. Это объясняется явлением конвекции.

Когда лёд находится сверху, верхние слои жидкости в сосуде начинают охлаждаться. При охлаждении жидкость сжимается, её плотность увеличивается, и она становится тяжелее. В результате эти холодные, более плотные слои опускаются на дно сосуда. На их место снизу поднимаются более тёплые и менее плотные слои жидкости. Этот процесс создаёт непрерывное движение жидкости внутри сосуда — конвекционные потоки. Благодаря интенсивному перемешиванию всей жидкости, тепло от горячих слоёв быстро передаётся к холодным верхним слоям, и вся жидкость охлаждается равномерно и быстро.

Если же поставить сосуд на лёд, то охлаждаться будут только нижние слои жидкости. Став более холодными и плотными, они так и останутся на дне. Тёплые, менее плотные слои останутся наверху. Конвекционные потоки в этом случае не возникнут. Тепло от верхних слоёв к нижним будет передаваться только за счёт значительно более медленного процесса — теплопроводности. Поэтому охлаждение всего объёма жидкости будет происходить очень медленно.

Ответ: Чтобы быстро охладить жидкость, лёд следует поместить сверху на сосуд. Это создаст в жидкости интенсивные конвекционные потоки, которые обеспечат быстрое и равномерное охлаждение всего объёма.