Экспериментальные задания, страница 10 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Поставьте на стол стакан с горячей водой, взятой при температуре около $50^\circ\text{C}$, опустите туда термометр. Подождите некоторое время и записывайте показания термометра через каждые 3 минуты. Показания вашего термометра будут понижаться, но с течением времени понижение температуры будет идти все медленнее и, наконец, показания термометра больше не будут меняться. Теперь температура воды в стакане, термометра и окружающего воздуха стала одинаковой. Они находятся в тепловом равновесии.

В представленном тексте описан эксперимент, демонстрирующий процесс теплообмена и установление теплового равновесия. Проанализируем происходящие физические явления поэтапно.

Процесс теплообмена

Основная причина остывания воды заключается в самопроизвольном процессе передачи тепла, который описывается вторым началом термодинамики: тепловая энергия всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. В данном случае горячая вода (около 50°C) имеет более высокую температуру, чем окружающая среда (воздух в комнате, стол, сам стакан и термометр). Из-за этой разницы температур начинается процесс теплопередачи от воды к окружению. Этот процесс происходит тремя способами:

1. Теплопроводность: Молекулы воды передают свою кинетическую энергию непосредственно молекулам стекла и термометра при контакте. Далее тепло проводится через толщу стекла к его внешней поверхности, а оттуда — воздуху и столу.

2. Конвекция: Внутри стакана слои воды, охладившиеся у стенок и на поверхности, становятся более плотными и опускаются вниз, а их место занимают более теплые и менее плотные слои из центра и со дна. Возникают конвекционные потоки, которые перемешивают воду и ускоряют ее остывание. Аналогичные потоки возникают и в воздухе вокруг стакана: нагретый воздух поднимается, а на его место приходит холодный.

3. Излучение: Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное (тепловое) излучение. Горячая вода и поверхность стакана излучают в окружающее пространство инфракрасные волны, уносящие с собой часть энергии.

Ответ: Горячая вода в стакане остывает, потому что она отдает свое тепло более холодной окружающей среде (воздуху, столу, стакану) посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

Скорость остывания

В тексте верно подмечено, что понижение температуры со временем замедляется. Это объясняется законом охлаждения Ньютона, согласно которому скорость остывания тела (скорость потери тепла) прямо пропорциональна разности температур между этим телом и окружающей средой. Математически скорость изменения температуры можно описать так:

$ \frac{\Delta T}{\Delta t} \propto (T_{воды} - T_{окр. воздуха}) $

В начале эксперимента, когда вода самая горячая, разность температур $ (T_{воды} - T_{окр. воздуха}) $ максимальна. Поэтому теплоотдача происходит очень интенсивно, и температура падает быстро. По мере остывания воды ее температура $ T_{воды} $ приближается к температуре окружающего воздуха $ T_{окр. воздуха} $. Разность температур уменьшается, и, как следствие, скорость теплообмена (и скорость падения температуры) замедляется. Когда температура воды лишь ненамного превышает комнатную, она остывает уже очень медленно.

Ответ: Скорость остывания воды со временем уменьшается, так как она прямо пропорциональна разности температур между водой и окружающей средой. По мере остывания воды эта разность температур сокращается, что и замедляет процесс.

Тепловое равновесие

В конце концов, процесс остывания приводит к состоянию, когда температура воды, стакана и термометра становится равной температуре окружающего воздуха. В этот момент разность температур становится равной нулю $ (T_{воды} - T_{окр. воздуха} = 0) $. Согласно закону охлаждения, скорость теплообмена также становится равной нулю. Это означает, что количество тепла, которое вода отдает в окружающую среду, становится равным количеству тепла, которое она получает от нее. Прекращается направленный перенос тепла, и макроскопические параметры системы (в данном случае — температура) перестают изменяться. Такое состояние и называется состоянием теплового равновесия. Показания термометра больше не меняются, потому что система "вода-стакан-термометр-воздух" достигла единой, стабильной температуры.

Ответ: Тепловое равновесие — это состояние, при котором температуры всех контактирующих тел выравниваются, и чистый (направленный) перенос тепла между ними прекращается. В данном эксперименте это происходит, когда вода, термометр и воздух достигают одинаковой температуры, и показания термометра перестают изменяться.