Страница 21 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Объясните, механизм нагревания воды в колбе, поставленной на огонь.

1. Механизм нагревания воды в колбе, поставленной на огонь, включает в себя два основных вида теплопередачи: теплопроводность и конвекцию.

Сначала тепло от пламени передается дну колбы. Затем тепловая энергия распространяется сквозь материал дна колбы (например, стекло) за счет теплопроводности. При этом частицы стекла, получив энергию, начинают колебаться интенсивнее и передают эту энергию соседним частицам, пока тепло не достигнет внутренней поверхности дна колбы.

Далее, от горячего дна колбы нагревается прилегающий к нему нижний слой воды, также за счет теплопроводности. Однако вода, как и большинство жидкостей, является плохим проводником тепла, поэтому для нагрева всего объема жидкости основной механизм — это конвекция.

Процесс конвекции происходит следующим образом:

• Нижний слой воды, нагревшись, расширяется. При расширении его объем увеличивается, а плотность, соответственно, уменьшается.
• Согласно закону Архимеда, менее плотная нагретая вода выталкивается вверх более холодной и плотной водой, которая находится сверху.
• Таким образом, теплые потоки воды поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз, к дну колбы.
• У дна холодная вода нагревается, ее плотность уменьшается, и она снова поднимается вверх.

Этот непрерывный циклический процесс перемешивания слоев воды называется конвекционным потоком. Именно благодаря конвекции тепло равномерно распределяется по всему объему жидкости, и вся вода в колбе постепенно нагревается.

Ответ: Нагревание воды в колбе происходит за счет теплопроводности через дно колбы и, главным образом, за счет конвекции внутри самой жидкости, когда теплые, менее плотные слои воды поднимаются вверх, а холодные, более плотные, опускаются вниз.

2. (Ответ на наиболее вероятное полное содержание вопроса: "Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха в отапливаемом помещении.")

Перемещение воздуха в отапливаемом помещении, например, в комнате с радиатором отопления, происходит благодаря явлению конвекции. Причина этого движения заключается в изменении плотности воздуха при его нагревании и охлаждении под действием силы тяжести.

Процесс выглядит так:

• Воздух, находящийся в непосредственной близости от источника тепла (например, радиатора), нагревается.
• При нагревании воздух расширяется, его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха.
• Как и в случае с водой, на этот более легкий теплый воздух начинает действовать выталкивающая сила (сила Архимеда), и он поднимается вверх, к потолку.
• Достигнув потолка, теплый воздух начинает отдавать свое тепло потолку и верхним частям стен, постепенно остывая.
• Остывая, воздух сжимается, его плотность увеличивается, и он становится тяжелее.
• Этот более тяжелый и холодный воздух опускается вниз, обычно у противоположной от радиатора стены, где часто находится окно, способствующее дополнительному охлаждению.
• Внизу холодный воздух перемещается по полу обратно к радиатору, где он снова нагревается, и цикл повторяется.

Таким образом, в комнате возникают устойчивые циркуляционные потоки воздуха — конвекционные потоки, которые обеспечивают перемешивание воздуха и равномерное распределение тепла по всему объему помещения.

Ответ: Перемещение воздуха происходит из-за конвекции. Воздух у источника тепла нагревается, становится менее плотным и поднимается вверх. У потолка он остывает, становится плотнее и опускается вниз, создавая циркуляцию, которая переносит тепло по всему помещению.

2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

Перемещение воздуха над нагретой лампой происходит вследствие явления, которое называется естественной конвекцией. Этот процесс можно объяснить в несколько шагов.

Как это происходит: Воздух, находящийся в непосредственной близости к горячей поверхности лампы, нагревается. Нагревшись, этот воздух начинает подниматься вверх. Его место немедленно занимает более холодный воздух из окружающего пространства. Этот новый, более холодный воздух, в свою очередь, нагревается от лампы и также устремляется вверх. В результате образуется непрерывный восходящий поток теплого воздуха над лампой, который называется конвекционным потоком.

Почему это происходит: Причина этого движения заключается в изменении физических свойств воздуха при нагревании.

1. Когда воздух нагревается, его молекулы начинают двигаться с большей скоростью и на большем расстоянии друг от друга. Это приводит к расширению воздуха.

2. При расширении плотность воздуха уменьшается. Плотность $\rho$ определяется как отношение массы $m$ к объему $V$ ($\rho = m/V$). Поскольку масса воздуха остается прежней, а объем увеличивается, плотность падает.

3. На менее плотный теплый воздух, окруженный более плотным холодным воздухом, начинает действовать выталкивающая сила (сила Архимеда), которая направлена вверх. Эта сила превышает силу тяжести, действующую на порцию теплого воздуха, и заставляет его подниматься.

4. Более холодный и плотный воздух под действием силы тяжести опускается вниз, занимая освободившееся пространство.

Этот непрерывный цикл подъема теплого воздуха и опускания холодного создает постоянную циркуляцию, которая эффективно переносит тепло от лампы вверх.

Ответ: Перемещение воздуха над нагретой лампой происходит из-за конвекции. Воздух у поверхности лампы нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх под действием выталкивающей архимедовой силы. На его место опускается более холодный и плотный воздух, который также нагревается и поднимается, создавая непрерывный конвекционный поток, переносящий тепло.

3. Какой вид теплопередачи называют ...

Исходя из контекста предыдущего вопроса, можно предположить, что вопрос касается определения конвекции. Конвекция — это один из трех видов теплопередачи (наряду с теплопроводностью и излучением).

Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями и потоками самого вещества — жидкости или газа. Ключевой особенностью конвекции является то, что перенос тепла происходит вместе с переносом самого вещества. Теплые слои вещества, будучи менее плотными, поднимаются, а холодные, более плотные, опускаются, создавая циркуляционные потоки. Этот механизм невозможен в твердых телах, поскольку их частицы не могут свободно перемещаться.

Ответ: Конвекцией называют вид теплопередачи, который осуществляется путем переноса вещества в потоках жидкости или газа.

3. Какой вид теплопередачи называют конвекцией?

3. Какой вид теплопередачи называют конвекцией?

Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками самого вещества (жидкости или газа). Этот процесс характерен только для текучих сред и невозможен в твёрдых телах.

Механизм конвекции заключается в следующем: при нагревании нижних слоёв жидкости или газа они расширяются, их плотность уменьшается. Вследствие этого под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) более лёгкие, нагретые слои поднимаются вверх, а на их место опускаются более холодные и плотные верхние слои. Опустившиеся слои, в свою очередь, нагреваются, а поднявшиеся — остывают, отдавая тепло. Этот процесс непрерывного перемешивания вещества, называемый конвекционным потоком, и приводит к переносу теплоты по всему объёму.

Различают естественную (свободную) конвекцию, возникающую из-за разности температур и плотностей, и вынужденную, при которой перемешивание вещества осуществляется с помощью внешних устройств (например, насоса или вентилятора).

Ответ: Конвекция — это вид теплопередачи, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа.

4. Почему конвекцию невозможно наблюдать в твёрдых телах?

Конвекцию невозможно наблюдать в твёрдых телах, потому что основной механизм конвекции — это перенос тепла за счёт перемещения масс вещества, то есть потоков жидкости или газа.

В твёрдых телах частицы (атомы, ионы или молекулы) жёстко связаны друг с другом в кристаллической решётке или аморфной структуре. Они не могут свободно перемещаться по всему объёму тела, а могут лишь совершать колебательные движения около своих положений равновесия. Поскольку для возникновения конвекционных потоков необходимо свободное перемещение частиц, способных образовывать восходящие и нисходящие потоки, этот вид теплопередачи в твёрдых телах невозможен.

Перенос тепла в твёрдых телах происходит преимущественно за счёт другого механизма — теплопроводности. При теплопроводности энергия передаётся от более нагретых частиц к менее нагретым через их взаимодействие (столкновения и передачу колебательной энергии) без переноса самого вещества.

Ответ: В твёрдых телах частицы не могут свободно перемещаться и создавать потоки вещества, что является необходимым условием для возникновения конвекции.

4. Почему конвекцию невозможно наблюдать в твёрдых телах?

4. Почему конвекцию невозможно наблюдать в твёрдых телах?

Конвекция — это вид теплопередачи, который осуществляется путём переноса самого вещества, то есть потоками жидкости или газа. Для возникновения конвекционных потоков необходимо, чтобы частицы вещества (атомы или молекулы) могли свободно перемещаться друг относительно друга.

В жидкостях и газах (флюидах) частицы не связаны жестко и обладают подвижностью. При нагревании, например, нижних слоёв жидкости или газа, они расширяются, их плотность уменьшается, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы они поднимаются вверх. На их место опускаются более холодные и, следовательно, более плотные верхние слои. Этот непрерывный процесс перемешивания вещества и есть конвекция, которая эффективно переносит тепловую энергию по всему объёму.

В твёрдых телах, в отличие от жидкостей и газов, атомы или ионы жёстко зафиксированы в определённых положениях, образуя кристаллическую решётку. Они могут лишь совершать колебательные движения около этих положений равновесия, но не могут свободно перемещаться по всему объёму тела. Поскольку отсутствует возможность перемещения масс вещества, то и механизм конвекции в твёрдых телах невозможен. Передача тепла в них происходит в основном за счёт теплопроводности — передачи энергии колебательного движения от одних частиц к другим по цепочке.

Ответ: Конвекция невозможна в твёрдых телах, потому что она представляет собой перенос энергии потоками самого вещества, а в твёрдых телах частицы лишены свободы передвижения, будучи зафиксированными в узлах кристаллической решётки.

5. Приведите примеры использования конвекции в быту и технике.

Конвекционные явления лежат в основе работы многих бытовых и технических устройств. Вот несколько примеров:

• Отопление помещений. Радиаторы центрального отопления обычно располагают внизу, под окнами. Они нагревают прилегающий к ним воздух. Тёплый воздух как менее плотный поднимается вверх, а его место занимает более холодный и плотный воздух, опускающийся сверху. Эта циркуляция (конвекционный поток) постепенно прогревает всё помещение.
• Кипячение воды. В чайнике или кастрюле нагрев происходит снизу. Нижние слои воды, нагреваясь, становятся легче и поднимаются, а верхние, более холодные и тяжёлые, опускаются на их место. Благодаря такому перемешиванию вся вода прогревается быстро и равномерно.
• Работа дымохода в печи или камине. Горячие продукты сгорания (дым) имеют значительно меньшую плотность, чем окружающий холодный воздух. За счёт этой разницы возникает естественная тяга — мощный восходящий конвекционный поток, который выводит дым наружу через трубу.
• Охлаждение в холодильнике. Охлаждающий элемент (морозильная камера) чаще всего расположен в верхней части. Воздух рядом с ним охлаждается, становится плотнее и опускается вниз. Тёплый воздух от продуктов, наоборот, поднимается вверх, где охлаждается. Так создаётся естественная циркуляция воздуха, поддерживающая низкую температуру во всём объёме холодильника.
• Технические системы охлаждения. В компьютерах используются кулеры — радиаторы с вентиляторами. Вентилятор создаёт принудительный поток воздуха (принудительная конвекция), который эффективно отводит тепло от горячих компонентов (процессора, видеокарты). В системе охлаждения двигателя автомобиля насос (помпа) заставляет циркулировать охлаждающую жидкость, которая забирает тепло от двигателя и отдаёт его в радиаторе, обдуваемом потоком воздуха.

Ответ: Примерами использования конвекции являются отопление комнат, кипячение воды, работа дымоходов, принцип действия холодильника, а также системы охлаждения в компьютерной технике и автомобильных двигателях.

5. Приведите примеры использования конвекции в быту и технике.

Конвекция — это вид теплопередачи, свойственный только жидкостям и газам, при котором перенос энергии осуществляется самими потоками вещества. Механизм конвекции основан на том, что при нагревании вещество расширяется, его плотность уменьшается, и под действием силы Архимеда оно поднимается вверх. На его место опускаются более холодные и плотные слои. Этот процесс создает циркуляционные потоки (конвекционные потоки), которые эффективно переносят тепло по всему объему.

Примеры использования конвекции в быту:

• Отопление помещений. Батареи центрального отопления устанавливаются внизу, как правило, под окнами. Воздух, соприкасаясь с горячей батареей, нагревается, становится менее плотным и поднимается к потолку. Остывший у потолка и окон воздух, как более плотный, опускается вниз к батарее. За счет таких конвекционных потоков происходит постепенный и равномерный прогрев всего воздуха в комнате.

• Кипячение воды. При нагревании кастрюли или чайника на плите сначала нагреваются нижние слои воды. Они расширяются и устремляются вверх, а их место занимают верхние, более холодные и плотные слои. Этот процесс перемешивания обеспечивает быстрый и равномерный нагрев всего объема жидкости.

• Работа холодильника. Охлаждающий элемент (морозильная камера) обычно находится в верхней части холодильника. Воздух возле него охлаждается, сжимается (становится плотнее) и опускается вниз. Теплый воздух от продуктов, находящийся внизу, как менее плотный, поднимается вверх, где охлаждается. Такая естественная циркуляция воздуха поддерживает низкую температуру во всей камере.

• Тяга в дымоходе. В печи или камине горячие продукты сгорания имеют высокую температуру и, следовательно, значительно меньшую плотность, чем окружающий холодный воздух. Из-за этой разницы давлений и плотностей возникает тяга — устойчивый поток горячего газа вверх по дымовой трубе.

Примеры использования конвекции в технике:

• Система охлаждения двигателя автомобиля. В двигателях внутреннего сгорания для отвода тепла используется жидкость (антифриз). Насос заставляет жидкость циркулировать по специальным каналам в блоке цилиндров, где она забирает тепло. Затем горячая жидкость поступает в радиатор, где она охлаждается потоком воздуха (часто с помощью вентилятора). Это пример принудительной конвекции.

• Конвекционная печь. В таких печах (духовых шкафах) установлен вентилятор, который создает принудительную циркуляцию горячего воздуха. Постоянное движение горячих потоков обеспечивает более быстрое и равномерное приготовление пищи по сравнению с обычными печами, где преобладает естественная конвекция.

• Охлаждение электроники. Процессоры и видеокарты в компьютерах выделяют много тепла. Для их охлаждения используются кулеры — радиаторы с вентиляторами. Вентилятор создает направленный поток воздуха (принудительная конвекция), который обдувает ребра радиатора и эффективно уносит тепло, предотвращая перегрев устройства.

• Тепловые электростанции. В котлах ТЭЦ сжигается топливо, и раскаленные газы поднимаются вверх, омывая трубы с водой (парогенератор). Благодаря конвекции тепло от газов эффективно передается воде, превращая ее в пар. Пар под высоким давлением вращает турбину, которая приводит в движение электрогенератор.

Ответ: Примеры использования конвекции в быту включают отопление помещений радиаторами, кипячение воды в чайнике, работу холодильника и создание тяги в дымоходе. В технике конвекция применяется в системах охлаждения двигателей и компьютерных компонентов, в конвекционных печах для равномерного приготовления пищи, а также в работе котлов на тепловых электростанциях для производства пара.

1. В чём различие механизмов передачи энергии при теплопроводности и конвекции?

1. Теплопроводность и конвекция — это два различных механизма передачи тепловой энергии. Их главное отличие заключается в способе переноса этой энергии.

При теплопроводности передача энергии происходит на микроскопическом уровне за счет взаимодействия частиц вещества (атомов, молекул, ионов, свободных электронов). Более энергичные частицы в нагретой области передают часть своей энергии соседним, менее энергичным частицам через столкновения. При этом не происходит макроскопического переноса самого вещества. Частицы остаются примерно на своих местах, лишь совершая колебательные или поступательные движения. Теплопроводность возможна в твердых телах, жидкостях и газах.

При конвекции, напротив, перенос энергии осуществляется за счет перемещения макроскопических объемов самого вещества — потоков или струй жидкости или газа. Когда часть флюида (жидкости или газа) нагревается, она обычно расширяется, ее плотность уменьшается, и она начинает подниматься вверх под действием выталкивающей силы (силы Архимеда). Ее место занимают более холодные и плотные слои, которые опускаются вниз. Этот процесс создает циркуляционные потоки, которые эффективно переносят тепло. Таким образом, при конвекции происходит перенос и энергии, и вещества. Конвекция не может происходить в твердых телах, так как в них невозможны такие потоки.

Ответ: Основное различие механизмов теплопроводности и конвекции заключается в том, что при теплопроводности энергия передается от частицы к частице без переноса самого вещества, в то время как при конвекции энергия переносится потоками самого вещества (жидкости или газа).

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.