Номер 4, страница 15 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-7. Плавление и отвердевание - номер 4, страница 15.

Условие.

4. Почему обшивка космических аппаратов разрушается, когда при возвращении на Землю они входят в плотные слои атмосферы?

Решение.

При возвращении на Землю космический аппарат движется с огромной, так называемой первой космической скоростью, которая составляет около 7.9 км/с. Его кинетическая энергия, описываемая формулой $E_k = \frac{1}{2}mv^2$, имеет колоссальное значение. Когда аппарат входит в плотные слои атмосферы, эта энергия преобразуется в тепловую, что приводит к сильному нагреву обшивки.

Существуют две основные причины этого нагрева:

1. Адиабатическое сжатие воздуха. Это основной фактор. Перед аппаратом, летящим с гиперзвуковой скоростью, образуется ударная волна. Воздух в этой волне сжимается настолько быстро, что тепло не успевает рассеяться в окружающее пространство. Согласно законам термодинамики, работа, совершаемая над газом при сжатии, идет на увеличение его внутренней энергии, что приводит к резкому повышению температуры. Температура воздуха перед аппаратом может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия (6000–8000 °C), превращая его в плазму.

2. Трение о воздух. Хотя вклад трения меньше, чем от адиабатического сжатия, трение поверхности аппарата о молекулы воздуха также генерирует значительное количество тепла.

Это огромное количество тепла передается обшивке космического аппарата. Ни один из обычных конструкционных материалов не способен выдержать такие температуры. Поэтому для защиты аппарата и экипажа (если он есть) используется специальная тепловая защита. В большинстве случаев она работает по принципу абляции — поглощения тепла путем разрушения. Внешний слой обшивки (теплозащитного экрана) плавится, испаряется и уносится потоком раскаленного газа. Таким образом, тепловая энергия уносится вместе с веществом защитного слоя, не давая ей проникнуть внутрь и повредить основную конструкцию.

Следовательно, разрушение обшивки — это не аварийный, а штатный, контролируемый процесс, предусмотренный конструкцией для защиты от перегрева во время торможения в атмосфере.

Ответ: Обшивка космических аппаратов разрушается при входе в плотные слои атмосферы из-за колоссального нагрева, вызванного в основном адиабатическим сжатием воздуха перед аппаратом и, в меньшей степени, трением. Двигаясь с огромной скоростью, аппарат сжимает перед собой воздух, что приводит к его мгновенному разогреву до тысяч градусов. Для защиты от перегрева используется специальный теплозащитный слой, который целенаправленно разрушается (плавится и испаряется), унося с собой избыточное тепло и тем самым защищая основную конструкцию аппарата.