Номер 29, страница 10 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-З. Виды теплопередачи - номер 29, страница 10.

Условие.

29. Почему в летний день температура воды в водоёмах ниже температуры песка на берегу? А как бывает ночью?

Решение.

Почему в летний день температура воды в водоёмах ниже температуры песка на берегу?

Разница в температурах воды и песка в летний день обусловлена совокупностью нескольких физических факторов, ключевым из которых является различие в удельной теплоёмкости.

1. Удельная теплоёмкость. Это основная причина. Удельная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу массой 1 кг для его нагревания на 1 °C. У воды одна из самых высоких удельных теплоёмкостей среди всех веществ: $c_{воды} \approx 4200 \, \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Удельная теплоёмкость песка (сухого) значительно ниже: $c_{песка} \approx 830 \, \frac{Дж}{кг \cdot °C}$. Это означает, что для нагрева одинаковой массы воды и песка на одинаковую температуру воде требуется почти в 5 раз больше энергии. Поскольку днём Солнце передаёт и воде, и песку примерно одинаковое количество тепловой энергии на единицу площади, песок нагревается гораздо быстрее и до более высокой температуры.

2. Перемешивание (конвекция) и прозрачность воды. Солнечные лучи проникают в толщу воды, прогревая не только поверхность, но и более глубокие слои. Кроме того, нагретые верхние слои воды постоянно перемешиваются с холодными нижними слоями благодаря ветру и течениям. В результате тепло распределяется по большому объёму, и температура поверхности повышается медленно. В то же время песок непрозрачен, и вся солнечная энергия поглощается его тонким верхним слоем, который быстро раскаляется.

3. Затраты энергии на испарение. Значительная часть солнечной энергии, поглощаемой водой, расходуется на процесс испарения. Испарение — это фазовый переход, который требует большого количества энергии (теплоты парообразования) и приводит к охлаждению поверхности воды. Этот эффект дополнительно замедляет нагрев водоёма.

Ответ: Днём температура воды в водоёмах ниже температуры песка на берегу, так как вода имеет значительно более высокую удельную теплоёмкость, что заставляет её нагреваться медленнее. Также тепло в воде распределяется по большому объёму благодаря перемешиванию, и часть энергии тратится на испарение, охлаждая поверхность.

А как бывает ночью?

Ночью, когда солнечный нагрев прекращается, наблюдается обратный процесс. И вода, и песок начинают остывать, отдавая накопленное за день тепло в окружающее пространство.

Скорость остывания также определяется удельной теплоёмкостью. Вещество с низкой удельной теплоёмкостью (песок) не только быстро нагревается, но и так же быстро остывает. Для понижения своей температуры ему нужно отдать небольшое количество тепла.

Вода же, обладая высокой теплоёмкостью, за день накопила огромное количество тепловой энергии. Поэтому она остывает очень медленно, и её температура в течение ночи падает незначительно.

В результате ночью песок на берегу становится холодным (часто даже холоднее воздуха), а вода в водоёме остаётся тёплой. Именно поэтому ночной ветерок (бриз) на побережье дует с суши на воду: холодный воздух над остывшим песком опускается и перемещается в сторону более тёплой воды, над которой нагретый воздух поднимается вверх.

Ответ: Ночью песок из-за своей низкой удельной теплоёмкости остывает намного быстрее воды. В результате вода в водоёме оказывается значительно теплее, чем песок на берегу.