Страница 22 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

УПРАЖНЕНИЕ 5

1. Почему радиаторы водяного отопления располагают внизу, под окнами?

1. Почему радиаторы водяного отопления располагают внизу, под окнами?

Расположение радиаторов водяного отопления внизу под окнами обусловлено физическим явлением конвекции и необходимостью эффективно бороться с потерями тепла. Этот выбор места установки обеспечивает наиболее равномерный и комфортный обогрев помещения.

Процесс обогрева происходит следующим образом:

1. Радиатор, установленный внизу, нагревает прилегающие к нему слои воздуха.
2. При нагревании воздух расширяется, его плотность уменьшается, и он становится легче. Согласно закону Архимеда, теплый, менее плотный воздух поднимается вверх, к потолку.
3. На его место из верхней части комнаты опускается более холодный и, следовательно, более плотный воздух.
4. Этот опустившийся холодный воздух нагревается от радиатора, и цикл повторяется.

Таким образом, в комнате возникают естественные циркуляционные потоки воздуха — конвекционные потоки, которые переносят тепло от радиатора по всему объему помещения, обеспечивая его постепенный и равномерный прогрев.

Размещение радиатора именно под окном является ключевым моментом. Окна — это основная зона теплопотерь в любом здании. Зимой воздух у холодного оконного стекла охлаждается, становится плотнее и опускается вниз, создавая ощущение сквозняка у пола. Когда радиатор расположен прямо под окном, восходящий поток теплого воздуха от него смешивается с нисходящим потоком холодного воздуха от окна. Это создает так называемую "тепловую завесу", которая выполняет две важные функции:

• Нейтрализует холодный сквозняк, не давая ему распространиться по комнате.
• Способствует более интенсивной циркуляции воздуха и, как следствие, более быстрому и эффективному обогреву всего помещения.

Ответ: Радиаторы располагают внизу под окнами для создания эффективных конвекционных потоков, которые равномерно прогревают все помещение. Теплый воздух от радиатора поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Размещение под окном, которое является главным источником холода, позволяет создать тепловую завесу, которая блокирует поток холодного воздуха от окна и обеспечивает наиболее комфортный и равномерный обогрев комнаты.

2. В каком случае наполненная до краёв кастрюля с кипятком остынет скорее: когда её поставили на лёд или когда лёд положили на крышку кастрюли?

2. Решение

Для решения этой задачи необходимо проанализировать механизмы теплопередачи, которые будут преобладать в каждом из двух случаев. Основную роль в быстром охлаждении жидкости играет конвекция — процесс переноса тепла потоками самой жидкости.

Случай 1: Кастрюля стоит на льду.

В этом случае тепло от кастрюли отводится снизу. Нижний слой воды в кастрюле, контактируя с холодным дном, остывает. При охлаждении вода становится более плотной и, следовательно, более тяжёлой. Так как этот холодный и плотный слой воды уже находится внизу, он там и остаётся. Тёплая, менее плотная вода остаётся наверху. Перенос тепла от верхних слоёв к нижним происходит в основном за счёт теплопроводности. Вода является плохим проводником тепла, поэтому процесс остывания всего объёма будет происходить медленно. Естественная конвекция (перемешивание) в этом случае практически отсутствует.

Случай 2: Лёд лежит на крышке кастрюли.

В этом случае тепло отводится сверху. Верхний слой воды, контактируя с холодной крышкой, остывает. Становясь более плотным и тяжёлым, этот слой воды начинает опускаться на дно. Его место занимает более тёплая и менее плотная вода из нижних слоёв, которая поднимается вверх. Этот процесс создаёт непрерывные циркуляционные потоки внутри кастрюли — конвекцию. Благодаря интенсивному перемешиванию всей массы воды, тепло от всего объёма быстро переносится к верхней поверхности и отводится льдом. Такой механизм охлаждения гораздо эффективнее.

Таким образом, из-за возникновения интенсивных конвекционных потоков, кастрюля остынет значительно быстрее, если охлаждать её сверху.

Ответ: наполненная до краёв кастрюля с кипятком остынет скорее, когда лёд положили на крышку кастрюли.

3. Что остынет быстрее — стакан с компотом или стакан с киселём? Ответ обоснуйте.

Решение

Скорость остывания жидкости зависит от интенсивности процессов теплообмена. В данном случае ключевую роль играет конвекция — процесс переноса тепла потоками самой жидкости.

Компот представляет собой жидкость с низкой вязкостью, близкой к вязкости воды. Когда верхний слой компота остывает, он становится плотнее и опускается вниз, а на его место поднимаются более горячие и менее плотные нижние слои. Этот процесс создает постоянное перемешивание жидкости (конвекционные потоки), благодаря чему тепло от всего объема эффективно переносится к поверхности и отдается в окружающую среду.

Кисель, из-за содержания в нём крахмала, является гораздо более вязкой, густой жидкостью. Высокая вязкость препятствует свободному перемещению слоев жидкости, то есть подавляет или значительно замедляет процесс естественной конвекции. Перенос тепла внутри киселя происходит в основном за счет теплопроводности, которая является значительно более медленным процессом по сравнению с конвекцией. Остывший верхний слой не опускается вниз, а образует своего рода изолирующую "корку", которая мешает остыванию остальной массы киселя.

Следовательно, из-за наличия интенсивной конвекции компот будет остывать гораздо быстрее, чем вязкий кисель, в котором этот процесс практически отсутствует.

Ответ: Стакан с компотом остынет быстрее.

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.

5*¹. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?

Решение

Процесс горения свечи напрямую зависит от наличия силы тяжести и связанного с ней явления конвекции.

В земных условиях пламя свечи нагревает окружающий воздух и продукты сгорания (углекислый газ, водяной пар). Согласно закону Архимеда, на нагретый, менее плотный газ действует выталкивающая сила со стороны более холодного и плотного окружающего воздуха. В результате горячие газы поднимаются вверх, а на их место поступает холодный воздух, богатый кислородом, который необходим для поддержания горения. Этот непрерывный процесс называется естественной конвекцией. Именно конвективные потоки придают пламени свечи на Земле характерную вытянутую вверх форму.

На борту космического орбитального комплекса, который находится в состоянии свободного падения, царит невесомость ($g \approx 0$). В этих условиях явление конвекции практически отсутствует.

Если зажечь свечу в невесомости, она на короткое время вспыхнет, потребив кислород, находящийся в непосредственной близости от фитиля. Пламя будет иметь не вытянутую, а сферическую форму, так как горячие газы будут распространяться от фитиля равномерно во все стороны. Однако продукты сгорания, в основном углекислый газ, не будут подниматься вверх. Они образуют вокруг пламени сферический слой, который изолирует его от притока свежего, богатого кислородом воздуха. Единственный механизм поступления кислорода к пламени — это диффузия, но это очень медленный процесс. В результате пламя очень быстро "задохнется" в собственных продуктах сгорания и погаснет.

Ответ: Свеча на борту космического орбитального комплекса загорится, но будет гореть очень недолго (несколько секунд) и погаснет. Устойчивое горение невозможно из-за отсутствия конвекции в условиях невесомости, которая необходима для постоянного притока кислорода к пламени и отвода продуктов сгорания.

ЗАДАНИЕ

▪ Возьмите зажжённую свечу, откройте немного входную дверь так, чтобы получилась узкая щель. Помещайте свечу в трёх местах: наверху, внизу и в середине высоты двери. Следите за направлением языков пламени. Сделайте вывод. Опыт проводите под наблюдением взрослых.

Решение

Данный эксперимент демонстрирует явление конвекции. Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями и потоками самого вещества (в данном случае — воздуха). В основе явления лежит тот факт, что при нагревании вещества его плотность уменьшается. Будем считать, что температура воздуха в комнате выше, чем на улице.

наверху:

Если поднести зажжённую свечу к верхней части дверной щели, её пламя отклонится в сторону улицы (наружу). Это происходит потому, что тёплый воздух в комнате имеет меньшую плотность, чем холодный воздух снаружи. В результате тёплый воздух поднимается к потолку и выходит из помещения через верхнюю часть проёма. Именно этот поток выходящего воздуха и отклоняет пламя свечи.

внизу:

Если поместить свечу в нижней части дверной щели, у порога, её пламя отклонится внутрь комнаты. Холодный воздух с улицы, как более плотный и тяжёлый, поступает в помещение через нижнюю часть проёма, чтобы заместить вышедший тёплый воздух. Этот входящий поток холодного воздуха и отклоняет пламя свечи.

в середине высоты двери:

При размещении свечи примерно посередине высоты дверного проёма, её пламя будет гореть практически ровно, без существенных отклонений. В этой области находится условная граница между выходящим верхним и входящим нижним потоками воздуха, поэтому движение воздуха здесь минимально.

Вывод: Наблюдаемое отклонение пламени свечи в разных точках дверного проёма доказывает существование циркуляции воздуха, вызванной разницей температур. Тёплый, менее плотный воздух выходит из помещения сверху, а на его место снизу поступает холодный, более плотный воздух. Этот процесс является примером естественной конвекции.

Ответ: В верхней части дверного проёма пламя свечи отклонится наружу, так как из комнаты выходит тёплый воздух. В нижней части проёма пламя отклонится внутрь комнаты, так как с улицы поступает холодный воздух. Посередине высоты двери пламя будет гореть почти вертикально. Этот опыт демонстрирует теплообмен путём конвекции.