Страница 30 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Каков механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании?

1. Каков механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании?

Механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании обусловлен его внутренним строением. Металлы состоят из ионов, образующих кристаллическую решётку, и свободных электронов ("электронного газа"), которые хаотично движутся между ионами. Передача энергии происходит двумя путями:

1. Передача энергии колебаниями кристаллической решётки. Когда один конец стержня нагревается, ионы в этой области получают энергию и начинают колебаться с большей амплитудой. За счёт сил межатомного взаимодействия эти колебания передаются соседним ионам вдоль стержня. Так энергия распространяется от горячей части к холодной. Этот механизм есть во всех твёрдых телах.
2. Перенос энергии свободными электронами. Это главный механизм, объясняющий, почему металлы являются очень хорошими проводниками тепла. Свободные электроны в нагретой части стержня приобретают большую кинетическую энергию. Они быстро движутся по всему объёму металла и, сталкиваясь с ионами и другими электронами в более холодных областях, передают им часть своей энергии. Этот процесс происходит гораздо быстрее, чем передача энергии через колебания решётки, поэтому вклад свободных электронов в теплопроводность металлов является определяющим.

Ответ: Передача энергии по металлическому стержню происходит за счёт двух механизмов: 1) передачи колебаний от одних ионов кристаллической решётки к другим и 2) переноса энергии свободными электронами, которые, двигаясь от горячего конца к холодному, передают энергию ионам при столкновениях. Второй механизм является доминирующим и обуславливает высокую теплопроводность металлов.

2. В чём состоит процесс теплопроводности?

Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится от более нагретых частей тела (или от более нагретых тел) к менее нагретым (или к менее нагретым телам) в результате хаотического движения и взаимодействия частиц, из которых состоят тела (атомов, молекул, ионов, электронов).

Ключевые особенности процесса теплопроводности:

• Он происходит непосредственно внутри вещества или при контакте двух тел.
• При теплопроводности не происходит переноса самого вещества в целом, передаётся только энергия.
• Скорость процесса зависит от разности температур между участками тела и от способности вещества проводить тепло (его коэффициента теплопроводности).

В разных агрегатных состояниях механизм теплопроводности имеет свои особенности:

• В твёрдых телах (неметаллах) энергия передаётся в основном за счёт колебаний атомов или ионов в узлах кристаллической решётки.
• В металлах к колебаниям решётки добавляется гораздо более эффективный перенос энергии свободными электронами.
• В жидкостях и газах энергия передаётся при столкновениях и диффузии молекул. Так как частицы в них расположены дальше друг от друга, чем в твёрдых телах, теплопроводность жидкостей и особенно газов, как правило, значительно ниже.

Ответ: Процесс теплопроводности состоит в переносе энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате хаотичного движения и взаимодействия составляющих его частиц (атомов, молекул, электронов) без переноса самого вещества.

2. В чём состоит процесс теплопроводности?

2. В чём состоит процесс теплопроводности?

Теплопроводность — это один из видов теплопередачи, который заключается в переносе внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым. Этот процесс происходит за счёт взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов, электронов) и приводит к постепенному выравниванию температуры по всему объёму тела или между соприкасающимися телами. Важнейшей особенностью теплопроводности является то, что перенос энергии происходит без макроскопического переноса самого вещества.

Механизм теплопроводности различается для веществ в разных агрегатных состояниях:

В твёрдых телах энергия передаётся двумя основными способами. Во-первых, за счёт колебаний атомов или ионов в узлах кристаллической решётки. Частицы в более горячей области колеблются с большей амплитудой и, взаимодействуя с соседними, передают им часть своей энергии, заставляя их колебаться интенсивнее. Во-вторых, в металлах, которые являются хорошими проводниками тепла, основной вклад вносит движение свободных электронов. Электроны в нагретой части металла обладают большей кинетической энергией и, свободно перемещаясь по всему объёму, сталкиваются с ионами в более холодных областях, эффективно передавая им энергию.

В жидкостях и газах частицы не закреплены в жёсткой структуре, а находятся в состоянии хаотического теплового движения. Передача энергии происходит в результате их непосредственных столкновений. Более быстрые молекулы (из более нагретой области) при столкновении передают часть своей кинетической энергии более медленным молекулам (из холодной области). Теплопроводность газов, как правило, значительно ниже, чем у жидкостей и твёрдых тел, так как среднее расстояние между молекулами в газах больше, и столкновения происходят реже.

Таким образом, суть процесса теплопроводности на микроуровне — это передача кинетической энергии от одних частиц вещества к другим при их непосредственном взаимодействии.

Ответ: Процесс теплопроводности заключается в переносе внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт взаимодействия (колебаний и столкновений) составляющих его частиц (атомов, молекул, электронов) без макроскопического переноса вещества.

3. Объясните плохую теплопроводность газов на основе МКТ.

3. Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), вещество состоит из мельчайших частиц (молекул, атомов), которые находятся в непрерывном хаотическом движении. Внутренняя энергия тела связана с кинетической энергией движения этих частиц. Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым происходит в результате непосредственного взаимодействия и столкновения частиц вещества.

Плохая теплопроводность газов объясняется ключевыми положениями МКТ об их строении:

1. Большие расстояния между молекулами. Основная особенность газообразного состояния заключается в том, что среднее расстояние между молекулами газа значительно превышает их собственные размеры. Это приводит к очень низкой плотности и концентрации частиц в единице объема по сравнению с жидкостями и твердыми телами.
2. Низкая частота столкновений. Передача энергии в процессе теплопроводности происходит именно при столкновениях частиц. Молекула из более горячей области, обладающая большей кинетической энергией, должна столкнуться с молекулой из более холодной области, чтобы передать ей часть своей энергии. Поскольку молекулы в газе находятся далеко друг от друга, такие столкновения происходят относительно редко.

Таким образом, процесс переноса энергии через газ является очень медленным и неэффективным. "Горячей" молекуле нужно пролететь большое расстояние (длину свободного пробега), прежде чем она передаст свою энергию дальше. В отличие от газов, в твердых телах атомы расположены близко друг к другу в узлах кристаллической решетки, и энергия быстро передается по цепочке через их колебания. В жидкостях частицы также находятся близко, что обеспечивает гораздо более частые столкновения, чем в газах.

Именно это свойство газов — плохая теплопроводность — делает их отличными теплоизоляторами, что используется в двойных стеклопакетах, пористых строительных материалах (например, пенопласте) и теплой одежде, где слои воздуха препятствуют потере тепла.

Ответ: Плохая теплопроводность газов на основе МКТ объясняется тем, что молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга. Вследствие этого столкновения между ними, в ходе которых происходит передача кинетической энергии (теплоты), случаются редко. Это делает процесс переноса энергии в газах очень медленным и неэффективным.

4. Объясните опыт (см. рис. 15), показывающий, что различные вещества обладают разной теплопроводностью. Медь или сталь обладает лучшей теплопроводностью?

4. Объясните опыт (см. рис. 15), показывающий, что различные вещества обладают разной теплопроводностью. Медь или сталь обладает лучшей теплопроводностью?

Опыт, который демонстрирует различие в теплопроводности веществ, можно провести следующим образом. Берут несколько стержней одинаковой длины и толщины, изготовленных из разных материалов, например, из меди, стали и стекла. К каждому стержню на одинаковом расстоянии друг от друга с помощью воска прикрепляют небольшие предметы, например, гвоздики. Затем один конец каждого стержня одновременно начинают нагревать в пламени горелки или в горячей воде.

Тепло от нагреваемого конца распространяется вдоль стержня. По мере того как температура участка стержня достигает температуры плавления воска, воск тает, и гвоздик отпадает. Наблюдая за стержнями, мы увидим, что гвоздики отпадают с разной скоростью. Быстрее всего они отпадут с медного стержня, затем — со стального, и медленнее всего (или вовсе не отпадут за время опыта) — со стеклянного. Этот результат показывает, что тепловая энергия передается по разным веществам с разной скоростью. Способность вещества проводить тепло называется теплопроводностью. Таким образом, опыт доказывает, что различные вещества обладают разной теплопроводностью.

Сравнивая медь и сталь, можно с уверенностью сказать, что медь обладает лучшей теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности меди составляет около $400 \text{ Вт/(м·К)}$, в то время как у стали он значительно ниже — в среднем около $50 \text{ Вт/(м·К)}$. Поэтому в описанном опыте тепло по медному стержню будет распространяться гораздо быстрее, чем по стальному.

Ответ: Опыт с одновременным нагреванием стержней из разных материалов, к которым прикреплены на воске гвоздики, показывает, что гвоздики отпадают с разной скоростью. Это доказывает, что вещества обладают разной теплопроводностью. Медь обладает лучшей теплопроводностью, чем сталь.

5. Приведите примеры применения веществ с различной теплопроводностью.

Вещества с различной теплопроводностью находят широкое применение в быту и технике в зависимости от того, требуется ли эффективно передавать тепло или, наоборот, препятствовать его распространению.

Материалы с высокой теплопроводностью (хорошие проводники тепла), такие как медь, алюминий, серебро и сталь, используются там, где необходима быстрая передача тепловой энергии. Примерами могут служить: рабочие части посуды для приготовления пищи (кастрюли, сковороды); радиаторы систем отопления и охлаждения двигателей автомобилей; теплоотводы (радиаторы) для охлаждения электронных компонентов, например, процессоров в компьютерах.

Материалы с низкой теплопроводностью (теплоизоляторы), такие как дерево, пластик, воздух, шерсть, пробка, пенополистирол (пенопласт), применяются для защиты от нагрева или для сохранения тепла. Например, ручки кастрюль и сковородок делают из пластика или дерева, чтобы они сильно не нагревались. В строительстве для утепления стен зданий используют минеральную вату и пенопласт. Зимняя одежда, благодаря своей волокнистой структуре и удерживаемому внутри воздуху, плохо проводит тепло и помогает сохранить теплоту тела. В термосах используется вакуумная прослойка между двойными стенками, которая является превосходным теплоизолятором.

Ответ: Вещества с высокой теплопроводностью (металлы) применяются для изготовления посуды для приготовления пищи, радиаторов отопления и охлаждения. Вещества с низкой теплопроводностью (дерево, пластик, воздух, шерсть, пенопласт) используют в качестве ручек для горячей посуды, для теплоизоляции в строительстве и в зимней одежде.