Номер 2, страница 21 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Почему жидкости и газы нагревают не сверху, а снизу?

Решение

Жидкости и газы нагревают снизу, а не сверху, из-за физического явления, называемого конвекцией. Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками (струями) самого вещества. Эффективность этого процесса зависит от направления нагрева.

1. Нагрев снизу (правильный способ):

• Когда источник тепла находится внизу, он нагревает нижние слои жидкости или газа.
• При нагревании любое вещество (за редким исключением, как вода от 0°C до 4°C) расширяется. Его объем увеличивается, а плотность, соответственно, уменьшается. Плотность $\rho$ определяется как отношение массы $m$ к объему $V$: $\rho = m/V$.
• Согласно закону Архимеда, менее плотное вещество выталкивается вверх более плотным. Таким образом, нагретые, ставшие менее плотными нижние слои начинают подниматься вверх.
• На их место опускаются более холодные и плотные верхние слои.
• Опустившись, они тоже нагреваются, становятся легче и снова поднимаются.
• Этот процесс создает непрерывную циркуляцию вещества, называемую конвекционными потоками. Благодаря этим потокам происходит интенсивное перемешивание и, как следствие, быстрый и равномерный прогрев всего объема жидкости или газа.

2. Нагрев сверху (неэффективный способ):

• Если нагревать жидкость или газ сверху, то верхний слой станет теплее, расширится и его плотность уменьшится.
• Поскольку этот нагретый, менее плотный слой уже находится наверху, у него нет причин опускаться вниз. Под ним находятся более холодные и, следовательно, более плотные слои.
• В такой ситуации естественная циркуляция (конвекция) не возникает. Теплый слой просто "плавает" на поверхности холодных.
• Передача тепла вниз может происходить только за счет теплопроводности — прямого обмена энергией между соседними молекулами.
• Однако жидкости и особенно газы обладают очень низкой теплопроводностью. Поэтому при нагреве сверху прогрев всего объема будет происходить чрезвычайно медленно, и в основном прогреется лишь тонкий верхний слой.

Именно поэтому для эффективного нагрева чайник греют снизу, батареи отопления ставят внизу комнаты, а кондиционеры (которые охлаждают воздух) — вверху.

Ответ: Жидкости и газы нагревают снизу для создания конвекционных потоков. При нагреве снизу теплые, менее плотные слои вещества поднимаются, а холодные, более плотные, опускаются, что приводит к перемешиванию и быстрому прогреву всего объема. При нагреве сверху теплые слои остаются наверху, конвекция не возникает, и передача тепла происходит очень медленно из-за плохой теплопроводности жидкостей и газов.