Страница 17 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Каков механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании? 2. В чём состоит процесс теплопроводности?

1. Механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании является сложным и включает в себя два основных процесса, происходящих одновременно:

1. Колебания кристаллической решетки. Атомы (а точнее, положительные ионы) металла расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Когда один конец стержня нагревается, ионы в этой области получают дополнительную энергию и начинают колебаться с большей амплитудой и частотой. Эти колебания передаются соседним ионам вдоль стержня через силы межатомного взаимодействия. Этот процесс распространения колебаний можно представить как движение квазичастиц, называемых фононами.
2. Движение свободных электронов. В металлах валентные электроны слабо связаны со своими атомами и образуют так называемый «электронный газ», свободно перемещаясь по всему объему кристаллической решетки. В нагретой части стержня свободные электроны приобретают большую кинетическую энергию. Благодаря своей высокой подвижности, они быстро перемещаются в более холодные области стержня. Там они сталкиваются с ионами решетки и другими электронами, передавая им часть своей энергии и тем самым нагревая эти области.

Для металлов второй механизм — перенос энергии свободными электронами — является доминирующим. Именно он объясняет, почему металлы обладают значительно более высокой теплопроводностью по сравнению с диэлектриками, в которых свободные электроны практически отсутствуют.

Ответ: Механизм передачи энергии по металлическому стержню обусловлен двумя процессами: передачей колебаний между ионами в узлах кристаллической решетки и, главным образом, переносом кинетической энергии хаотически движущимися свободными электронами от более нагретых участков к менее нагретым.

2. Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым (или между телами с разной температурой при их контакте), который происходит в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов).

Ключевой особенностью теплопроводности является то, что перенос энергии осуществляется без макроскопического переноса самого вещества. Энергия передается на микроуровне: более энергичные частицы (в более горячей области) при столкновении передают часть своей кинетической энергии соседним, менее энергичным частицам. Эта цепочка взаимодействий распространяется по всему объему тела, приводя к постепенному выравниванию температуры.

Процесс теплопроводности свойственен телам в любом агрегатном состоянии — твердом, жидком и газообразном, но его эффективность сильно зависит от строения вещества. Наилучшей теплопроводностью обладают металлы (из-за свободных электронов), худшей — газы (из-за большого расстояния между молекулами и редких столкновений).

Ответ: Процесс теплопроводности состоит в передаче энергии от одной части тела к другой посредством взаимодействия и столкновения составляющих его микрочастиц, причем этот процесс происходит без переноса вещества.

2. В чём состоит процесс теплопроводности?

Теплопроводность — это один из трёх видов теплопередачи (наряду с конвекцией и излучением), который заключается в переносе внутренней (тепловой) энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым. Этот процесс происходит за счёт непосредственного взаимодействия микрочастиц вещества (атомов, молекул, свободных электронов) и не сопровождается переносом самого вещества в пространстве.

Механизм теплопроводности различается в веществах, находящихся в разных агрегатных состояниях:

В твёрдых телах передача энергии происходит двумя основными путями. Во-первых, за счёт колебаний атомов или ионов в узлах кристаллической решётки. Частицы в более нагретой области колеблются с большей энергией и амплитудой, и эти колебания, подобно волнам, передаются соседним частицам по всей структуре. Во-вторых, в металлах, которые являются хорошими проводниками тепла, основной вклад вносит движение свободных электронов. Эти электроны, подобно газу, перемещаются по всему объёму металла, получают энергию в горячих областях и быстро переносят её в холодные, сталкиваясь с ионами решётки.

В жидкостях и газах механизм теплопроводности основан на хаотическом движении и столкновении молекул. Молекулы в более нагретых областях обладают большей кинетической энергией. При столкновениях они передают часть этой энергии более медленным молекулам из холодных областей. Поскольку в газах среднее расстояние между молекулами значительно больше, чем в жидкостях и твёрдых телах, столкновения происходят реже, поэтому газы обладают самой низкой теплопроводностью и являются хорошими теплоизоляторами.

Таким образом, теплопроводность — это микроскопический процесс переноса энергии, который стремится выровнять температуру внутри тела или между контактирующими телами.

Ответ: Процесс теплопроводности состоит в передаче тепловой энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, электронов), при котором не происходит макроскопического переноса самого вещества.

3. Объясните на основе МКТ нагревание ложки, опущенной в горячую воду.

3. Объясните на основе МКТ нагревание ложки, опущенной в горячую воду.

Нагревание ложки, опущенной в горячую воду, является примером передачи тепла путем теплопроводности, и этот процесс можно объяснить с помощью положений молекулярно-кинетической теории (МКТ).

1. Согласно МКТ, все вещества состоят из частиц (атомов, молекул), которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. Температура вещества является мерой средней кинетической энергии этих частиц. Чем выше температура, тем выше средняя кинетическая энергия и скорость движения частиц.

2. Молекулы горячей воды имеют высокую среднюю кинетическую энергию, они движутся с большими скоростями. Атомы холодной металлической ложки, наоборот, имеют значительно меньшую среднюю кинетическую энергию. Они совершают колебательные движения около своих положений равновесия в кристаллической решетке металла.

3. Когда ложку опускают в горячую воду, быстрые молекулы воды начинают сталкиваться с атомами на поверхности ложки. В ходе этих столкновений происходит передача кинетической энергии от более энергичных частиц (молекул воды) к менее энергичным (атомам ложки).

4. В результате атомы на поверхности ложки, контактирующие с водой, начинают колебаться с большей амплитудой и интенсивностью. Эти интенсивно колеблющиеся атомы, в свою очередь, сталкиваются со своими соседями в кристаллической решетке, передавая им часть своей энергии. Этот процесс распространяется последовательно от одного слоя атомов к другому, вглубь и вдоль всей ложки.

5. Таким образом, внутренняя энергия ложки увеличивается за счет передачи энергии от воды. Макроскопически это проявляется как повышение температуры ложки. Процесс передачи энергии будет продолжаться до тех пор, пока температуры воды и ложки не выровняются, то есть пока не наступит тепловое равновесие.

Ответ: Нагревание ложки в горячей воде происходит за счет процесса теплопроводности. Быстро движущиеся молекулы горячей воды сталкиваются с атомами на поверхности ложки и передают им часть своей кинетической энергии. В результате атомы ложки начинают колебаться интенсивнее и передают эту энергию соседним атомам по цепочке. Этот процесс распространяется по всему объему ложки, что приводит к увеличению ее внутренней энергии и, следовательно, к повышению ее температуры.

4. Объясните опыт (см. рис. 11), показывающий, что различные вещества обладают разной теплопроводностью.

4. Объясните опыт (см. рис. 11), показывающий, что различные вещества обладают разной теплопроводностью.

Опыт, который наглядно демонстрирует различие в теплопроводности веществ, можно провести следующим образом. Возьмём несколько стержней одинаковой длины и толщины, изготовленных из разных материалов, например: медный, стальной и стеклянный. На каждом стержне с помощью воска закрепим на равных расстояниях друг от друга маленькие гвоздики.

Далее, один конец каждого стержня поместим в источник тепла, например, над пламенем горелки или в сосуд с горячей водой, обеспечивая одновременный и одинаковый нагрев всех стержней. Тепловая энергия начнет распространяться от горячего конца к холодному по каждому стержню.

В процессе нагрева температура стержня повышается. Как только температура участка стержня достигает точки плавления воска, воск тает, и прикрепленный гвоздик падает. Мы будем наблюдать, что гвоздики падают в разное время с разных стержней. С медного стержня гвоздики начнут падать первыми и быстрее всего. Со стального стержня они будут падать медленнее, а со стеклянного — очень медленно или не упадут вовсе за время проведения опыта.

Это явление объясняется тем, что скорость передачи тепла внутри вещества у каждого материала своя. Эта способность вещества проводить теплоту называется теплопроводностью. Медь является хорошим проводником тепла (обладает высокой теплопроводностью), сталь проводит тепло хуже, а стекло является очень плохим проводником тепла (обладает низкой теплопроводностью). Таким образом, опыт доказывает, что разные вещества имеют разную теплопроводность.

Ответ: Опыт со стержнями из разных материалов (меди, стали, стекла), нагреваемыми с одного конца, показывает, что предметы, прикрепленные воском, отпадают с разной скоростью. Это происходит потому, что тепло передается по стержням с разной скоростью, что доказывает различие в их теплопроводности.

5. Приведите примеры

Различная теплопроводность материалов находит широкое применение в повседневной жизни и в технике. Материалы можно разделить на две группы: с высокой и с низкой теплопроводностью.

Примеры использования материалов с высокой теплопроводностью (хорошие проводники тепла), таких как металлы (медь, алюминий, сталь):

• Посуда для приготовления пищи (кастрюли, сковороды) делается из металлов, чтобы тепло от конфорки быстро и равномерно передавалось еде.

• Радиаторы отопления в домах и радиаторы охлаждения (теплообменники) в двигателях автомобилей и в электронных устройствах (например, в компьютерах) изготавливаются из алюминия или меди для эффективной передачи тепла окружающей среде.

Примеры использования материалов с низкой теплопроводностью (плохие проводники тепла, или теплоизоляторы), таких как дерево, пластик, воздух, шерсть, пенопласт, вакуум:

• Ручки сковородок и кастрюль часто делают из пластика или дерева, которые плохо проводят тепло, чтобы защитить руки от ожогов.

• Теплоизоляция зданий осуществляется с помощью таких материалов, как минеральная вата, стекловата или пенопласт. Эти материалы имеют пористую структуру и содержат много воздуха, который является отличным теплоизолятором, что помогает сохранять тепло зимой и прохладу летом.

• Зимняя одежда (свитера, куртки) и одеяла (пуховые, шерстяные) хорошо сохраняют тепло тела благодаря воздушным прослойкам между волокнами ткани.

• Конструкция термоса включает двойные стенки, между которыми создан вакуум. Поскольку вакуум практически не проводит тепло, напитки в термосе долго остаются горячими или холодными.

• Оконные рамы из дерева или пластика являются лучшими теплоизоляторами, чем металлические. В современных стеклопакетах пространство между стеклами заполняют воздухом или инертным газом (аргоном) для снижения теплопотерь.

Ответ: Примеры материалов с высокой теплопроводностью — металлы, из которых делают кухонную посуду и радиаторы. Примеры материалов с низкой теплопроводностью — дерево и пластик (для ручек посуды), воздух и пористые материалы (в теплоизоляции домов и зимней одежде), вакуум (в термосах).

5. Приведите примеры применения веществ, имеющих хорошую и плохую теплопроводность.

Примеры применения веществ, имеющих хорошую теплопроводность

Вещества с высокой теплопроводностью, такие как металлы (медь, алюминий, сталь, чугун), способны быстро и эффективно передавать тепло. Это свойство используется в тех случаях, когда необходим интенсивный теплообмен — быстрый нагрев или, наоборот, эффективный отвод тепла.

Ключевые примеры применения:

• Радиаторы отопления и системы охлаждения. Радиаторы в домах, автомобилях и компьютерах делают из металлов (алюминия, меди), чтобы они максимально эффективно отдавали или забирали тепло, обогревая помещение или охлаждая работающий механизм (двигатель, процессор).

• Кухонная посуда. Дно и стенки кастрюль и сковородок изготавливают из металлов для быстрой и равномерной передачи тепла от конфорки к пище, что обеспечивает качественное приготовление.

• Паяльники. Медное жало паяльника быстро нагревается и передает тепло припою, обеспечивая эффективную пайку электронных компонентов.

Ответ: Вещества с хорошей теплопроводностью (металлы) применяются для изготовления радиаторов, посуды для приготовления пищи, паяльников и других устройств, где требуется быстрый перенос тепла.

Примеры применения веществ, имеющих плохую теплопроводность

Вещества с низкой теплопроводностью, называемые теплоизоляторами (например, дерево, пластик, воздух, вакуум, шерсть, пенопласт), плохо проводят тепло. Их основная функция — предотвратить теплообмен и сохранить исходную температуру объекта, изолировав его от окружающей среды.

Ключевые примеры применения:

• Теплоизоляция в строительстве. Минеральная вата, пенополистирол (пенопласт) и другие пористые материалы используются для утепления стен и крыш зданий. Они удерживают тепло внутри помещений зимой и не пропускают жару летом.

• Одежда. Шерстяные и пуховые изделия содержат между волокнами много воздуха, который является прекрасным теплоизолятором. Это помогает сохранять тепло человеческого тела в холодную погоду.

• Ручки посуды. Ручки кастрюль, сковородок и чайников делают из пластика или дерева, чтобы они не нагревались от горячей металлической части, и их можно было безопасно брать в руки.

• Термосы. В колбе термоса (сосуде Дьюара) между двойными стенками создан вакуум, который является наилучшим теплоизолятором и сводит к минимуму передачу тепла за счет теплопроводности и конвекции.

Ответ: Вещества с плохой теплопроводностью (теплоизоляторы) используются для утепления домов (минеральная вата, пенопласт), в качестве материалов для теплой одежды (шерсть, пух), для изготовления ненагревающихся ручек посуды (пластик, дерево) и в конструкции термосов (вакуум).

1. Греет ли ватное одеяло?

1. Греет ли ватное одеяло?

Решение

Этот вопрос связан с пониманием процессов теплопередачи. На самом деле, ватное одеяло само по себе не является источником тепла, то есть оно не "греет" в прямом смысле этого слова, как, например, грелка или радиатор отопления.

Основная функция ватного одеяла — быть теплоизолятором. Тепло, которое мы ощущаем под одеялом, вырабатывается нашим собственным телом в результате процессов жизнедеятельности. Без одеяла это тепло быстро рассеивается в окружающем пространстве через процессы теплопроводности, конвекции и излучения, и мы начинаем ощущать холод.

Ватное одеяло состоит из большого количества хлопковых или синтетических волокон. Главный секрет его "согревающего" эффекта заключается в том, что между этими волокнами находится много воздуха. Воздух является очень плохим проводником тепла (обладает низкой теплопроводностью). Одеяло удерживает этот воздух в неподвижном состоянии, создавая барьер, который значительно замедляет отдачу тепла от тела человека в окружающую среду.

Таким образом, одеяло не производит тепло, а помогает сохранить то тепло, которое уже выработано нашим телом. Мы согреваем сами себя, а одеяло лишь помогает нам в этом, препятствуя потере тепла. Если бы мы накрыли одеялом холодный предмет, он бы не нагрелся, так как сам не выделяет тепло.

Ответ: Нет, ватное одеяло не греет, поскольку оно не является источником тепла. Оно обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, которые помогают сохранить тепло, выделяемое телом человека, и замедляют его передачу в окружающую среду. Ощущение тепла создается за счет сохранения собственного тепла тела.

2. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему же на ощупь ножницы кажутся холоднее?

Это явление связано с разной теплопроводностью материалов, из которых изготовлены ножницы и карандаш. Хотя оба предмета имеют одинаковую комнатную температуру, наше ощущение тепла или холода при прикосновении зависит от скорости теплообмена между нашей рукой и предметом.

Решение

Температура человеческого тела (около $36,6^\circ\text{C}$) выше температуры стола и лежащих на нем предметов. Когда мы дотрагиваемся до ножниц или карандаша, тепло от нашей более теплой руки начинает передаваться этим более холодным предметам.

Ножницы сделаны из металла. Металлы являются отличными проводниками тепла, то есть обладают высокой теплопроводностью. При контакте с рукой металл быстро и эффективно отводит от нее тепло, распределяя его по всему своему объему. Наш мозг воспринимает эту быструю потерю тепла как ощущение холода.

Карандаш же сделан из дерева и графита. Эти материалы – плохие проводники тепла (теплоизоляторы), они обладают низкой теплопроводностью. Когда мы касаемся карандаша, тепло от руки передается ему очень медленно. Место контакта быстро нагревается, и дальнейшая потеря тепла замедляется. Из-за низкой скорости отвода тепла карандаш кажется нам значительно теплее, чем ножницы.

Таким образом, наше субъективное ощущение температуры предмета определяется не самой температурой, а интенсивностью теплового потока от нашей кожи к предмету.

Ответ: Ножницы кажутся холоднее из-за того, что металл имеет высокую теплопроводность и быстро отводит тепло от руки. Карандаш, сделанный из дерева, обладает низкой теплопроводностью, поэтому отводит тепло медленнее, и ощущение холода слабее.