Номер 82, страница 15 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость - номер 82, страница 15.

Условие.

82. Для придания необходимых физических свойств инструменты (резцы, зубила, свёрла) нагревают до высокой температуры (700—1300 °С) и затем охлаждают (закаливают) в воде, машинном масле или воздухе. В какой среде охлаждение происходит наиболее быстро? Почему?

Решение.

Наиболее быстрое охлаждение инструмента происходит в воде, медленнее — в масле, и самое медленное — в воздухе.

Скорость охлаждения тела зависит от интенсивности процесса теплопередачи между ним и окружающей средой. Сравним эффективность отвода тепла в указанных средах.

1. Вода: Обеспечивает самую высокую скорость охлаждения. Это обусловлено двумя её ключевыми физическими свойствами:
- Высокая удельная теплоёмкость ($c_{воды} \approx 4200 \, \frac{Дж}{кг \cdot °C}$). Это означает, что вода способна поглотить большое количество теплоты, незначительно повышая при этом свою температуру.
- Очень высокая удельная теплота парообразования ($L_{воды} \approx 2.3 \cdot 10^6 \, \frac{Дж}{кг}$). При погружении раскалённого инструмента (температура 700–1300 °C) в воду, она у его поверхности мгновенно закипает. На испарение воды (превращение в пар) затрачивается огромное количество энергии, которая интенсивно отбирается от инструмента. Этот процесс, вместе с активной конвекцией, создаваемой пузырьками пара, обеспечивает максимально быстрый отвод тепла.

2. Машинное масло: Охлаждает значительно медленнее воды, но быстрее воздуха. Удельная теплоёмкость и удельная теплота парообразования у масла существенно ниже, чем у воды. Поэтому, хотя масло также кипит при контакте с горячим металлом, количество отводимой теплоты в единицу времени меньше.

3. Воздух: Является наименее эффективной охлаждающей средой. Воздух — это газ, обладающий низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Теплопередача от инструмента к воздуху происходит в основном за счёт конвекции и теплового излучения, что является значительно более медленным процессом по сравнению с теплообменом при кипении жидкости.

Ответ: Наиболее быстро охлаждение происходит в воде. Причина заключается в её уникальных теплофизических свойствах — высокой удельной теплоёмкости и, в особенности, очень большой удельной теплоте парообразования. При погружении раскалённого инструмента вода бурно кипит, что приводит к интенсивному отбору тепла и, как следствие, к самому быстрому охлаждению по сравнению с маслом и воздухом.