Номер 15, страница 11 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-4. Количество теплоты - номер 15, страница 11.

Условие.

15. Почему железные печи быстрее нагревают комнату, чем кирпичные, но не так долго остаются тёплыми?

Решение.

Этот эффект объясняется различиями в двух ключевых физических свойствах материалов, из которых сделаны печи: теплопроводности и удельной теплоемкости.

Почему железные печи быстрее нагревают комнату?

Скорость нагрева комнаты в первую очередь зависит от теплопроводности материала печи. Теплопроводность – это способность материала передавать тепловую энергию.

Железо является металлом и обладает очень высокой теплопроводностью (около 80 Вт/(м·К)). Это означает, что тепло от горящих дров очень быстро передается через стенки печи наружу, в комнату. Стенки железной печи (часто называемой «буржуйкой») быстро раскаляются и начинают интенсивно излучать тепло и нагревать окружающий воздух посредством конвекции.

Кирпич, напротив, имеет низкую теплопроводность (около 0.7 Вт/(м·К)). Теплу требуется значительно больше времени, чтобы «пробиться» через толстые кирпичные стенки. Поэтому кирпичная печь прогревается медленно, и, соответственно, медленнее начинает отдавать тепло в помещение.

Почему железные печи не так долго остаются тёплыми?

Продолжительность сохранения тепла после прекращения топки зависит от количества накопленной (аккумулированной) тепловой энергии. Это свойство связано с теплоемкостью. Общее количество теплоты ($\text{Q}$), которое может накопить тело при нагревании, рассчитывается по формуле:

$Q = c \cdot m \cdot \Delta T$

где $\text{c}$ – удельная теплоемкость материала, $\text{m}$ – масса тела, а $\Delta T$ – разница между конечной и начальной температурами.

Сравним кирпичную и железную печи:

1. Масса и удельная теплоемкость. Кирпичная печь значительно массивнее железной ($m_{кирпича} \gg m_{железа}$), а удельная теплоемкость кирпича ($c_{кирпича} \approx 880 \frac{Дж}{кг \cdot К}$) почти в два раза выше, чем у железа ($c_{железа} \approx 450 \frac{Дж}{кг \cdot К}$). Произведение массы на удельную теплоемкость ($c \cdot m$) для кирпичной печи оказывается в десятки, а то и сотни раз больше. Это означает, что для своего нагрева кирпичная печь поглощает и накапливает гораздо большее количество тепловой энергии.

2. Скорость остывания. После того как огонь в печи гаснет, она начинает отдавать накопленное тепло. Железная печь, накопившая мало тепла и обладающая высокой теплопроводностью, остывает очень быстро, так как стремительно отдает всю свою энергию в окружающее пространство. Кирпичная печь, с ее огромным запасом тепла и низкой теплопроводностью, отдает энергию медленно и равномерно, поддерживая комфортную температуру в комнате в течение многих часов.

Ответ: Железные печи быстро нагревают комнату из-за высокой теплопроводности железа, которая обеспечивает быструю передачу тепла от огня в помещение. Однако они быстро остывают, так как имеют малую массу и сравнительно низкую удельную теплоемкость, то есть накапливают мало тепла и быстро его отдают. Кирпичные печи, наоборот, медленно нагреваются, но долго остаются теплыми, потому что они очень массивны и сделаны из материала (кирпича) с высокой удельной теплоемкостью, что позволяет им накопить большое количество тепловой энергии и затем медленно и продолжительно отдавать ее благодаря низкой теплопроводности.