Номер 69, страница 12 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение - номер 69, страница 12.

Условие.

69. Одинаковые металлические шары нагревают до температуры $80^\circ \text{C}$. В каком случае передано большее количество теплоты — когда шар лежит на поверхности (рис. 6, а) или когда шар подвешен (рис. 6, б)?

Рис. 6

Решение.

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать способы теплопередачи от нагретого шара к окружающей среде в каждом из двух случаев. Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

В обоих сценариях шары идентичны и имеют одинаковую начальную температуру (80 °С), поэтому они будут терять тепло в окружающий воздух за счет конвекции и теплового излучения. Однако условия их контакта с окружением различны, что приводит к разной интенсивности теплообмена.

а) Шар лежит на поверхности

В этом положении шар отдает тепло не только окружающему воздуху (через конвекцию и излучение со свободной части поверхности), но и непосредственно поверхности, на которой он находится, за счет теплопроводности в точке или небольшой области контакта. Контактная теплопроводность с твердым телом, особенно если оно массивное и обладает хорошей теплопроводностью, является очень эффективным каналом отвода тепла. Поверхность играет роль теплоотвода, интенсивно забирая тепло у шара.

б) Шар подвешен

В этом случае практически вся поверхность шара контактирует с воздухом и отдает тепло путем конвекции и излучения. Площадь, с которой происходит теплообмен с воздухом, в этом случае максимальна. Теплоотвод через тонкий подвес за счет теплопроводности, как правило, незначителен, и им можно пренебречь по сравнению с другими видами теплопередачи.

Сравнивая эти два случая, можно сделать вывод, что основной вклад в разницу теплопотерь вносит теплопроводность. Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности в твердое тело (случай а) значительно выше, чем интенсивность теплопередачи за счет конвекции с той же площади поверхности в воздух (случай б), так как воздух является плохим проводником тепла.

Следовательно, общая скорость теплоотдачи от шара будет выше в случае, когда он лежит на поверхности. Это означает, что за любой промежуток времени он передаст большее количество теплоты. Вопрос "передано большее количество теплоты" можно понимать и как количество теплоты, которое необходимо было сообщить шару для его нагрева до 80 °С. В этом случае ответ будет таким же, так как при нагреве шара на поверхности потери тепла в окружающую среду будут больше, и для их компенсации потребуется дополнительное количество теплоты.

Ответ: Большее количество теплоты передано в случае, когда шар лежит на поверхности (рис. 6, а). Это объясняется тем, что к процессам конвекции и излучения в воздух добавляется значительная и более интенсивная теплопередача за счет теплопроводности в опорную поверхность.