Вариант 4, страница 65 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

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

Условие.

Вариант 4

1. Почему медицинские грелки наполняют горячей водой, а не горячим воздухом?

2. В промышленных холодильниках воздух охлаждается с помощью труб, по которым течёт охлаждённая жидкость. Где надо располагать эти трубы: вверху или внизу помещения?

3. Почему оконное стекло почти не прогревается солнечными лучами?

Решение.

1. Медицинские грелки наполняют горячей водой, а не горячим воздухом, из-за двух основных физических свойств воды: высокой удельной теплоёмкости и высокой плотности. Удельная теплоёмкость воды (около $c_{воды} = 4200$ Дж/(кг·°C)) значительно выше, чем у воздуха ($c_{воздуха} \approx 1000$ Дж/(кг·°C)). Это означает, что для нагревания 1 кг воды на 1°C требуется в 4,2 раза больше энергии, чем для нагревания 1 кг воздуха. Соответственно, при остывании вода отдает гораздо больше тепла. Кроме того, плотность воды ($\rho_{воды} \approx 1000$ кг/м³) примерно в 800 раз больше плотности воздуха ($\rho_{воздуха} \approx 1,25$ кг/м³). Таким образом, в одном и том же объеме грелки масса воды будет намного больше массы воздуха. Количество теплоты ($\text{Q}$), которое может отдать вещество, определяется формулой $Q = c m \Delta T$, где $\text{c}$ – удельная теплоёмкость, $\text{m}$ – масса, а $\Delta T$ – изменение температуры. Из-за большой теплоёмкости и плотности вода способна накопить и затем медленно отдавать значительно большее количество теплоты, чем воздух того же объема и той же температуры. Это позволяет грелке оставаться тёплой в течение длительного времени.
Ответ: Вода обладает значительно большей удельной теплоёмкостью и плотностью по сравнению с воздухом, поэтому при том же объеме и температуре она способна накопить и отдать гораздо большее количество теплоты, что обеспечивает длительное сохранение тепла в грелке.

2. Охлаждающие трубы в промышленных холодильниках следует располагать вверху помещения. Это связано с явлением конвекции. Воздух, соприкасаясь с холодными трубами вверху, охлаждается. При охлаждении плотность воздуха увеличивается, и он становится тяжелее. Этот холодный и плотный воздух опускается вниз, вытесняя более тёплый и менее плотный воздух наверх. Поднявшийся тёплый воздух, в свою очередь, достигает охлаждающих труб, охлаждается, уплотняется и снова опускается. Таким образом, в помещении возникают естественные конвекционные потоки, которые обеспечивают постоянную циркуляцию воздуха и равномерное охлаждение всего объёма холодильной камеры. Если бы трубы располагались внизу, охлаждённый плотный воздух оставался бы у пола, а тёплый — наверху, и эффективной циркуляции не происходило бы.
Ответ: Трубы надо располагать вверху помещения, чтобы обеспечить эффективное охлаждение всего объёма за счёт естественной конвекции: холодный воздух опускается вниз, а тёплый поднимается вверх к трубам.

3. Оконное стекло почти не прогревается солнечными лучами, потому что оно прозрачно для большей части спектра солнечного излучения, а именно для видимого света. Нагревание тел происходит за счёт поглощения энергии излучения. Стекло пропускает (транслирует) почти весь видимый свет сквозь себя, не поглощая его энергию. Основная часть энергии солнечного излучения, достигающего Земли, приходится именно на видимый диапазон. Хотя стекло поглощает ультрафиолетовое и часть инфракрасного излучения, их доля в солнечном спектре недостаточна, чтобы значительно нагреть само стекло. Свет, прошедший через стекло, поглощается предметами внутри помещения (пол, мебель), которые нагреваются и сами начинают излучать тепло в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Для этого вида излучения обычное стекло непрозрачно, оно его поглощает и задерживает, что приводит к нагреву воздуха в комнате (парниковый эффект), при этом само стекло нагревается уже вторично, от нагретых предметов и воздуха в комнате, а не напрямую от солнечных лучей.
Ответ: Оконное стекло прозрачно для видимого света, который несет основную часть энергии солнечного излучения. Стекло пропускает эту энергию, а не поглощает её, поэтому само почти не нагревается.