Опыт 2, страница 20 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Опыт 2. В пробирку положим небольшое количество льда, сверху разместим подходящий по диаметру пробирки круглый металлический грузик, которым прижмем лед, чтобы он не всплыл, и осторожно нальем холодной воды. Поднесем к пробирке спиртовку, как показано на рисунке 4.2, через некоторое время верхние слои воды начнут закипать, а внизу кусочки льда все еще остаются в прежнем состоянии. Это говорит о том, что вода — плохой проводник тепла.

Рис. 4.2. Теплопроводность воды

Опыт 2. Решение

В данном опыте демонстрируется свойство воды, известное как низкая теплопроводность. Рассмотрим подробно физические процессы, происходящие в пробирке.

1. Нагрев верхних слоев воды. Спиртовка нагревает верхнюю часть пробирки. Тепло от пламени передается стеклу, а от него – верхним слоям воды. Вода в этой области получает достаточно энергии, чтобы ее температура достигла точки кипения ($100^{\circ}\text{C}$), и она начинает превращаться в пар.

2. Состояние льда на дне. В то же время лед, находящийся на дне пробирки и прижатый грузиком, не тает. Это означает, что температура в нижней части пробирки остается близкой к температуре плавления льда ($0^{\circ}\text{C}$).

3. Анализ механизмов теплопередачи. Существует три основных механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. Чтобы понять, почему лед не тает, нужно проанализировать, как эти механизмы работают в данном опыте.

• Теплопроводность – это передача тепла от более нагретых частей тела к менее нагретым за счет движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул). Вода, как и большинство жидкостей (за исключением жидких металлов), является плохим проводником тепла. Молекулы воды расположены не так плотно, как в твердых телах, и их колебания слабо передаются на расстояние. Поэтому передача тепла от кипящей воды сверху ко льду внизу за счет теплопроводности происходит очень медленно.
• Конвекция – это перенос тепла потоками жидкости или газа. При нагревании вещество обычно расширяется, его плотность уменьшается, и оно поднимается вверх, уступая место более холодным и плотным слоям. Так возникают конвекционные потоки, которые эффективно перемешивают вещество и переносят тепло. Однако в данном опыте нагрев происходит сверху. Верхний слой воды, нагреваясь, становится менее плотным и остается наверху. Холодная и более плотная вода со льдом остается внизу. Таким образом, естественная конвекция, которая могла бы быстро перенести тепло вниз, не возникает. Этот опыт специально поставлен так, чтобы исключить конвекцию как основной механизм теплопередачи.
• Излучение – это перенос тепла с помощью электромагнитных волн. Нагретая вода излучает тепло во все стороны, в том числе и вниз. Однако этот вид теплопередачи в данном случае значительно менее эффективен по сравнению с конвекцией (если бы она была) и недостаточен для быстрого таяния льда.

Таким образом, эксперимент наглядно показывает, что из-за отсутствия конвекции и очень низкой теплопроводности воды тепло от верхних кипящих слоев практически не доходит до нижних слоев, где находится лед.

Ответ: Эксперимент демонстрирует, что вода является плохим проводником тепла. Это доказывается тем, что при нагревании пробирки с водой сверху, верхние слои воды закипают, в то время как лед на дне пробирки не тает. Такой результат обусловлен двумя основными причинами: во-первых, вода обладает низкой теплопроводностью, то есть медленно передает тепло от молекулы к молекуле. Во-вторых, нагрев сверху исключает возникновение конвекционных потоков, так как нагретая, менее плотная вода остается на поверхности и не опускается вниз для передачи тепла льду.