Номер 4, страница 22 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

4. Объясните действие тяги (см. рис. 14). Когда тяга лучше — зимой или летом?

Объясните действие тяги

Действие тяги в печной трубе или дымоходе основано на явлении конвекции и законе Архимеда.

1. При сгорании топлива в печи воздух и продукты горения (дым) нагреваются до высокой температуры.

2. Согласно физическим законам, при нагревании газы расширяются, а их плотность уменьшается. В результате горячий газ внутри трубы становится значительно менее плотным, чем окружающий его более холодный воздух снаружи.

3. На столб менее плотного горячего газа в трубе со стороны более плотного холодного воздуха действует выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вверх.

4. Это же явление можно объяснить через разность гидростатических давлений. Столб холодного наружного воздуха создает у основания трубы давление большее, чем столб горячего газа внутри трубы той же высоты. Эта разность давлений $Δp$, которая и создает тягу, определяется формулой: $Δp = (\rho_{хол} - \rho_{гор}) \cdot g \cdot h$, где $\rho_{хол}$ – плотность холодного наружного воздуха, $\rho_{гор}$ – плотность горячего газа внутри трубы, $g$ – ускорение свободного падения, а $h$ – высота трубы.

5. Под действием этой разности давлений горячий газ устремляется вверх по трубе и выходит наружу, а на его место в топку для поддержания горения засасывается новая порция холодного воздуха, богатого кислородом. Этот непрерывный направленный поток газов и называется тягой.

Ответ: Тяга возникает из-за того, что горячий газ в дымовой трубе имеет меньшую плотность, чем холодный воздух снаружи. Вследствие этого возникает разность давлений, которая выталкивает горячий газ вверх по трубе и засасывает холодный воздух в топку для поддержания горения.

Когда тяга лучше — зимой или летом?

Сила тяги напрямую зависит от разности плотностей между наружным воздухом и горячими газами в трубе, как следует из формулы $Δp \sim (\rho_{хол} - \rho_{гор})$.

Температура, а следовательно и плотность $\rho_{гор}$ горячих газов в трубе, определяется процессом горения и является примерно одинаковой в любое время года.

В то же время температура и плотность $\rho_{хол}$ наружного воздуха сильно зависят от сезона. Зимой наружный воздух очень холодный, а значит, его плотность велика. Летом же воздух теплый, и его плотность меньше.

Таким образом, разность плотностей $(\rho_{хол} - \rho_{гор})$ зимой оказывается значительно больше, чем летом. Чем больше эта разность, тем больше создаваемая разность давлений $Δp$ и, следовательно, тем сильнее (лучше) тяга.

Ответ: Тяга лучше зимой, так как разница температур (и, соответственно, плотностей) между холодным воздухом на улице и горячим дымом в трубе максимальна, что создает наибольшую разность давлений и самый сильный поток воздуха.