Номер 81, страница 15 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение - номер 81, страница 15.

Условие.

► 81. Используя термометр, определите скорость естественного перемешивания воды в двух случаях:

а) когда горячую воду наливают в холодную;

б) когда холодную наливают в горячую.

Объёмы холодной и горячей воды следует взять одинаковыми. В чём причина различной скорости выравнивания температур?

Решение.

Для определения скорости естественного перемешивания воды необходимо провести два эксперимента с использованием двух одинаковых сосудов (например, стаканов) и термометра.

а) когда горячую воду наливают в холодную

В один стакан наливаем холодную воду и измеряем её температуру. Затем аккуратно, по стенке, вливаем в этот стакан такой же объём горячей воды. Горячая вода, имея меньшую плотность, останется в верхних слоях. Термометр, помещенный в разные части стакана (сверху, снизу, в середине), будет показывать разную температуру. Процесс выравнивания температуры по всему объёму будет происходить очень медленно. Это связано с тем, что основной механизм теплопередачи в данном случае — теплопроводность, которая в жидкостях протекает медленно. Естественная конвекция практически отсутствует, так как более легкие слои воды уже находятся наверху.

Ответ: Скорость естественного перемешивания и выравнивания температуры в этом случае будет очень низкой.

б) когда холодную наливают в горячую

В другой стакан наливаем горячую воду и измеряем её температуру. Затем так же аккуратно вливаем равный объём холодной воды. Холодная вода имеет большую плотность, поэтому, попадая в верхние слои, она под действием силы тяжести начнёт опускаться вниз, а более лёгкая горячая вода — подниматься вверх. В результате возникнут интенсивные конвекционные потоки, которые быстро перемешают всю воду. Термометр покажет, что температура по всему объёму выравнивается очень быстро.

Ответ: Скорость естественного перемешивания и выравнивания температуры в этом случае будет высокой.

В чём причина различной скорости выравнивания температур?

Причина различной скорости выравнивания температур заключается в явлении естественной конвекции, которое возникает из-за разности плотностей холодной и горячей воды. Плотность холодной воды $ \rho_{х} $ больше плотности горячей воды $ \rho_{г} $ ($ \rho_{х} > \rho_{г} $).

В случае а), когда менее плотная горячая вода находится над более плотной холодной, система находится в устойчивом состоянии. Конвекционные потоки не возникают, и тепло передаётся в основном за счёт медленной теплопроводности.

В случае б), когда более плотная холодная вода оказывается над менее плотной горячей, система неустойчива. Холодная вода опускается вниз, а горячая поднимается вверх, создавая конвекционные потоки. Эти потоки эффективно перемешивают жидкость, что приводит к быстрому выравниванию температуры во всём объёме. Конвекция является гораздо более эффективным механизмом теплопередачи и перемешивания, чем теплопроводность.

Ответ: Причина — возникновение (или отсутствие) интенсивных конвекционных потоков из-за разности плотностей горячей и холодной воды.