Номер 74, страница 13 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение - номер 74, страница 13.

Условие.

74. Возьмите горящую свечу и наклоните её. Почему пламя свечи направлено вверх? Приоткройте дверь из тёплой комнаты в холодную. Поместите свечу вверху щели, посередине, а затем внизу (рис. 10). Как объяснить опыт?

Рис. 10

Решение.

Почему пламя свечи направлено вверх?

Пламя свечи всегда направлено вверх из-за физического явления, называемого конвекцией. Во время горения выделяется тепло, которое нагревает окружающий воздух и продукты сгорания (углекислый газ, водяной пар). Согласно физическим законам, при нагревании газы расширяются, их плотность ($\rho = m/V$) уменьшается по сравнению с плотностью окружающего более холодного воздуха.

На этот объем менее плотного горячего газа со стороны более плотного холодного воздуха начинает действовать выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх. Эта сила заставляет горячие газы подниматься, создавая восходящий конвекционный поток. Поскольку пламя — это и есть видимая область раскалённых газов, оно устремляется вверх вместе с этим потоком. Именно поэтому, даже если наклонить свечу, пламя всё равно будет направлено вверх, против силы тяжести.

Ответ: Пламя свечи направлено вверх из-за конвекции: нагретые в пламени газы менее плотные, чем окружающий холодный воздух, поэтому на них действует выталкивающая архимедова сила, которая направляет их вверх.

Как объяснить опыт?

Этот опыт наглядно демонстрирует возникновение конвекционных потоков воздуха между двумя пространствами с разной температурой — тёплой комнатой и холодным пространством за дверью. Воздух в тёплой комнате имеет более высокую температуру и, следовательно, меньшую плотность, чем холодный воздух снаружи.

Свеча вверху щели. Тёплый и лёгкий воздух в комнате поднимается к потолку. Через верхнюю часть приоткрытой двери он выходит в холодное пространство. Этот направленный поток тёплого воздуха отклоняет пламя верхней свечи наружу, от тёплой комнаты.

Свеча внизу щели. Холодный воздух снаружи, будучи более плотным и тяжёлым, опускается вниз и через нижнюю часть дверного проёма заходит в тёплую комнату, чтобы заместить вышедший тёплый воздух. Этот входящий поток холодного воздуха отклоняет пламя нижней свечи внутрь комнаты.

Свеча посередине щели. Примерно посередине дверного проёма существует граница между выходящим тёплым и входящим холодным потоками. На этой высоте горизонтальное перемещение воздуха минимально, а давление по обе стороны двери практически одинаково. Поэтому пламя средней свечи не отклоняется и горит вертикально.

Ответ: Опыт объясняется конвекцией: тёплый, менее плотный воздух выходит из комнаты через верхнюю часть дверного проёма (отклоняя пламя наружу), а холодный, более плотный воздух входит в комнату через нижнюю часть (отклоняя пламя внутрь). Посередине проёма воздушные потоки отсутствуют, поэтому пламя горит ровно.