Страница 31 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

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

Теплопроводность — это способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым. Разные вещества обладают разной теплопроводностью, что находит широкое применение в быту и технике.

Применение веществ с хорошей теплопроводностью

Вещества с высокой теплопроводностью (теплопроводники) хорошо проводят тепло. К ним относятся прежде всего металлы (серебро, медь, алюминий, сталь) и их сплавы. Их используют там, где требуется быстрая передача тепла.

• Кухонная посуда: кастрюли, сковороды и чайники изготавливают из металлов (нержавеющая сталь, алюминий, чугун, медь), чтобы тепло от конфорки плиты максимально быстро и равномерно передавалось готовящейся пище.

• Радиаторы отопления и охлаждения: батареи в домах и радиаторы в автомобилях делают из металлов (чугун, алюминий). Это позволяет им эффективно передавать тепло от горячей воды (или охлаждающей жидкости) окружающему воздуху, нагревая или охлаждая его.

• Теплоотводы в электронике: для охлаждения процессоров, видеокарт и других мощных электронных компонентов используются радиаторы из алюминия или меди. Они быстро отводят избыточное тепло, предотвращая перегрев и выход устройств из строя.

• Паяльники: рабочая часть (жало) паяльника изготавливается из металла с хорошей теплопроводностью (например, меди), чтобы быстро передавать тепло припою и спаиваемым деталям.

Применение веществ с плохой теплопроводностью

Вещества с низкой теплопроводностью (теплоизоляторы) плохо проводят тепло и используются для того, чтобы замедлить процесс теплопередачи, то есть для сохранения тепла или для защиты от него. К таким материалам относятся воздух, газы, дерево, пластик, стекло, резина, шерсть, пух, пенопласт, пробка.

• Теплоизоляция зданий: стены, крыши и полы домов утепляют с помощью пористых материалов, таких как минеральная вата, стекловата, пенополистирол (пенопласт). Они содержат много воздуха, который является отличным теплоизолятором, и помогают сохранять тепло в доме зимой и прохладу летом, снижая затраты на отопление и кондиционирование.

• Одежда и обувь: зимняя одежда (шерстяные свитера, пуховики) и обувь сделаны из материалов, которые удерживают между волокнами много воздуха. Слой неподвижного воздуха плохо проводит тепло, что защищает тело человека от переохлаждения.

• Ручки кухонной посуды: ручки у кастрюль, сковородок и крышек часто делают из дерева или термостойкого пластика. Эти материалы плохо проводят тепло, поэтому ручки не нагреваются, и за них можно безопасно браться голыми руками.

• Термосы: для сохранения температуры напитков в термосе между его двойными стенками создают вакуум (разреженный воздух), который практически не проводит тепло. Пробка также изготавливается из теплоизолирующего материала (пластик, пробка).

• Окна: современные оконные рамы часто изготавливают из пластика (ПВХ) или дерева. Стеклопакеты состоят из двух или трех стекол, пространство между которыми заполнено воздухом или инертным газом (аргоном), что значительно снижает теплопотери через окна.

Ответ: Вещества с хорошей теплопроводностью (металлы) применяют там, где нужен быстрый перенос тепла: радиаторы отопления, дно и стенки кухонной посуды, теплоотводы в электронике. Вещества с плохой теплопроводностью (дерево, пластик, воздух, шерсть) применяют в качестве теплоизоляторов для уменьшения теплопередачи: утеплители в строительстве, зимняя одежда, ручки у горячей посуды, термосы.

1. Греет ли ватное одеяло?

1. Греет ли ватное одеяло?

Решение

С точки зрения физики, утверждение, что ватное одеяло "греет", является неточным. Одеяло само по себе не производит тепло, то есть не является источником тепловой энергии, как, например, электрический обогреватель. Его основная функция — эффективно замедлять процесс потери тепла, которое постоянно выделяет тело человека. Работает это благодаря явлению теплоизоляции.

Ключевым фактором является структура одеяла. Вата, как и другие подобные наполнители, состоит из множества хаотично переплетенных волокон. Пространство между этими волокнами заполнено воздухом. Именно этот воздух играет главную роль.

Рассмотрим три основных механизма теплопередачи и как одеяло на них влияет:
1. Теплопроводность. Воздух является очень плохим проводником тепла (обладает низкой теплопроводностью). Одеяло удерживает большое количество воздуха в неподвижном состоянии, создавая тем самым слой с низкой теплопроводностью, который препятствует "утеканию" тепла от тела.
2. Конвекция. Тело человека нагревает прилегающий к нему слой воздуха, который затем поднимается, уступая место холодному. Этот процесс называется конвекцией. Одеяло создает физический барьер, который мешает движению воздуха и останавливает конвекционные потоки. В результате нагретый телом воздух остается на месте, формируя теплую прослойку.
3. Тепловое излучение. Любое нагретое тело, включая человеческое, теряет тепло, испуская инфракрасное излучение. Одеяло поглощает это излучение и частично отражает его обратно к телу, что также способствует снижению общих теплопотерь.

Таким образом, ощущение тепла под одеялом возникает потому, что оно сохраняет собственное тепло нашего тела, не давая ему быстро рассеиваться в окружающей среде. Если под то же самое одеяло поместить холодный предмет, оно не согреет его, а наоборот, будет изолировать от более теплого воздуха в комнате и замедлит его нагревание.

Ответ: Нет, ватное одеяло не греет, так как не является источником тепла. Оно помогает сохранить тепло, выделяемое телом человека, за счет своих высоких теплоизоляционных свойств. Главную роль в этом играет неподвижный воздух, находящийся между волокнами наполнителя, который обладает очень низкой теплопроводностью и препятствует потере тепла через конвекцию.

2. Почему пористые материалы обладают плохой теплопроводностью?

Решение

Пористые материалы обладают плохой теплопроводностью из-за своей специфической структуры, которая эффективно препятствует основным механизмам переноса тепла. Главную роль в этом играет газ (чаще всего воздух), заключенный в порах материала.

Рассмотрим, как пористая структура влияет на различные виды теплопередачи:

1. Снижение теплопроводности. Теплопроводность – это перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия частиц. В пористых материалах тепло может передаваться двумя путями: через твердый "каркас" и через газ в порах. Воздух является очень плохим проводником тепла (его коэффициент теплопроводности $ \lambda_{воздуха} \approx 0.026~Вт/(м \cdot К) $), что значительно ниже, чем у большинства твердых материалов. Поскольку основной объем пористого материала занят воздухом, а сам твердый каркас имеет небольшую площадь сечения и малое количество точек контакта между своими частицами, общий путь для переноса тепла через проводимость оказывается сильно затруднен.

2. Подавление конвекции. Конвекция – это перенос тепла потоками жидкости или газа. В сплошном объеме воздуха нагретые, менее плотные слои поднимаются вверх, а холодные и более плотные опускаются вниз, создавая конвекционные потоки, которые эффективно переносят тепло. В пористых материалах воздух заключен в очень маленьких, замкнутых или частично изолированных ячейках (порах). Такой малый объем не позволяет воздуху свободно циркулировать, и конвекционные потоки не могут возникнуть. Таким образом, перенос тепла за счет конвекции практически полностью исключается.

3. Ослабление излучения. Тепловое излучение – это перенос энергии в виде электромагнитных волн. Внутри пор тепло передается излучением от одной стенки к другой. Однако многочисленные поверхности стенок пор поглощают, рассеивают и переизлучают эту энергию во всех направлениях, что значительно замедляет ее сквозное прохождение через всю толщу материала.

В результате сочетания этих трех факторов – низкой теплопроводности воздуха в порах, отсутствия конвекции и ослабления лучистого теплообмена – пористые материалы, такие как пенопласт, минеральная вата, пробка, дерево или снег, являются отличными теплоизоляторами.

Ответ: Пористые материалы обладают плохой теплопроводностью в основном потому, что их поры заполнены воздухом, который является очень плохим теплопроводником. Кроме того, малый размер пор подавляет перенос тепла конвекцией, так как воздух внутри них не может свободно циркулировать. Теплопроводность через твердый каркас материала также ограничена из-за малой площади контактов между его волокнами или гранулами.

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

Это явление связано с различной теплопроводностью материалов, из которых сделаны ножницы и карандаш. Теплопроводность — это способность вещества передавать тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым.

Ножницы обычно изготавливаются из металла (стали), который является хорошим проводником тепла, то есть обладает высокой теплопроводностью. Карандаш сделан в основном из дерева, которое, наоборот, является плохим проводником тепла (теплоизолятором) и имеет низкую теплопроводность.

Температура человеческого тела, как правило, выше температуры окружающих предметов в комнате. Когда мы прикасаемся к какому-либо предмету, между нашей рукой и этим предметом начинается процесс теплопередачи.

• Прикоснувшись к ножницам, тепло от нашей руки начинает интенсивно и быстро передаваться металлу, так как он обладает высокой теплопроводностью. Наши кожные рецепторы фиксируют эту быструю потерю тепла, и мозг интерпретирует это ощущение как "холод".
• Прикоснувшись к карандашу, тепло от руки также передается дереву, но гораздо медленнее из-за его низкой теплопроводности. Участок карандаша, которого мы касаемся, быстро нагревается до температуры нашей кожи, а дальнейший отвод тепла вглубь предмета затруднен. Поскольку рука теряет тепло медленно, карандаш не ощущается таким холодным.

Таким образом, наше ощущение "холодного" или "теплого" при прикосновении к предмету комнатной температуры зависит не столько от его фактической температуры, сколько от скорости, с которой он отводит тепло от нашей кожи.

Ответ: Ножницы кажутся холоднее, потому что металл, из которого они сделаны, обладает значительно более высокой теплопроводностью, чем дерево карандаша. Из-за этого металл намного быстрее отводит тепло от руки, что создает ощущение холода.

1. Почему металлический чайник, стоящий на огне, брать рукой опасно, а горящую спичку можно держать, не обжигаясь?

1. Этот эффект объясняется совокупностью нескольких физических свойств: теплопроводности, массы и теплоемкости сравниваемых объектов.

Решение

Ключевую роль в ощущении ожога играет не столько температура объекта, сколько количество теплоты ($Q$), которое он способен передать нашей руке за короткое время. Рассмотрим оба случая подробнее.

Металлический чайник:
1. Высокая теплопроводность. Металлы являются прекрасными проводниками тепла. Когда чайник нагревается на огне, тепло очень быстро и эффективно распределяется по всему его корпусу. Это означает, что не только дно, но и стенки, носик и ручка (если она металлическая) будут иметь практически одинаково высокую температуру, близкую к температуре кипения воды ($100°C$).
2. Большая масса и теплоемкость. Чайник, особенно наполненный водой, имеет значительную массу ($m_{чайника}$) и, как следствие, огромную теплоемкость. Теплоемкость показывает, какое количество теплоты может накопить тело. При контакте с рукой такой массивный и горячий объект способен мгновенно отдать большое количество тепловой энергии ($Q$), что приводит к глубокому и серьезному ожогу.

Горящая спичка:
1. Низкая теплопроводность. Спичка сделана из древесины, которая является плохим проводником тепла (теплоизолятором). Пламя горит на одном конце, но тепло от него очень медленно распространяется по деревянному стержню. Поэтому тот конец спички, который мы держим в пальцах, долгое время остается холодным, даже когда другой конец полностью охвачен пламенем.
2. Малая масса и теплоемкость. Спичка очень легкая ($m_{спички} \ll m_{чайника}$), а значит, ее теплоемкость ничтожно мала. Даже та часть спички, что горит и имеет высокую температуру, содержит в себе очень малое общее количество теплоты. Поэтому при случайном касании пламени или горящего кончика руке передается незначительное количество энергии, недостаточное для серьезного ожога.

Ответ: Опасность прикосновения к металлическому чайнику обусловлена его высокой теплопроводностью (тепло быстро распространяется по всему объему) и большой теплоемкостью (из-за большой массы он накапливает и быстро отдает огромное количество тепла). Горящую спичку можно безопасно держать, потому что древесина имеет низкую теплопроводность (тепло медленно движется к пальцам), а малая масса спички означает, что она обладает очень низкой теплоемкостью и не может передать достаточное для ожога количество теплоты.

2. Почему пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем полнотелый?

Пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию по сравнению с полнотелым благодаря наличию в его структуре воздушных полостей (пустот). Ключевую роль в этом играет воздух, который является очень плохим проводником тепла.

Решение

Для понимания этого явления необходимо рассмотреть три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение.

1. Теплопроводность. В сплошном (полнотелом) кирпиче тепло передается в основном через теплопроводность самого материала. Молекулы и атомы в твердом теле плотно упакованы и эффективно передают друг другу колебательную энергию (тепло). В пустотелом кирпиче этот сплошной путь для тепла прерывается воздушными камерами. Воздух, будучи газом, имеет значительно более низкую теплопроводность, чем твердые материалы. Например, коэффициент теплопроводности воздуха составляет примерно $ \lambda_{воздуха} \approx 0.026 $ Вт/(м·К), в то время как для полнотелого керамического кирпича этот показатель равен $ \lambda_{кирпича} \approx 0.6-0.8 $ Вт/(м·К). Молекулы в газе находятся далеко друг от друга, что затрудняет передачу энергии через столкновения.

2. Конвекция. Внутри воздушных полостей тепло может передаваться также за счет конвекции — перемещения объемов воздуха. Нагретый у теплой стенки воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх, а его место занимает более холодный и плотный воздух. Однако в пустотелом кирпиче полости обычно имеют небольшой замкнутый объем. Это существенно ограничивает циркуляцию воздуха и подавляет конвекционные потоки. В результате воздух внутри полостей остается практически неподвижным, и его роль как теплоизолятора становится еще более выраженной.

3. Излучение. Некоторое количество тепла передается через полости путем теплового излучения от более теплых внутренних стенок к более холодным. Хотя этот механизм и вносит свой вклад в общую теплопередачу, его эффект значительно меньше, чем выигрыш от резкого снижения теплопроводности за счет замены сплошного материала воздухом.

Таким образом, наличие замкнутых объемов воздуха резко снижает общую (эффективную) теплопроводность кирпича. Стена, сложенная из такого кирпича, обладает более высоким термическим сопротивлением, а значит, медленнее теряет тепло зимой и медленнее нагревается летом.

Ответ: Пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, потому что воздух, заключенный в его полостях, обладает очень низкой теплопроводностью по сравнению с материалом самого кирпича. Это значительно снижает общую теплопередачу через кирпич. Кроме того, малый размер полостей препятствует эффективному переносу тепла за счет конвекции, делая неподвижный воздух отличным изолятором.

3. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми?

Наше тактильное ощущение температуры, то есть то, насколько предмет кажется нам "холодным" или "горячим", определяется не только его фактической температурой, но и скоростью теплообмена между нашей кожей и этим предметом. Эта скорость, в свою очередь, зависит от теплопроводности материала.

Металл является хорошим проводником тепла (обладает высокой теплопроводностью), а дерево — плохим проводником тепла (обладает низкой теплопроводностью).

Когда температура окружающих предметов ниже температуры нашего тела (нормальная температура тела человека ~$36,6^\circ \text{C}$), при прикосновении к ним наша рука отдает тепло. Металл быстро забирает тепло у руки, создавая ощущение холода. Дерево забирает тепло значительно медленнее, поэтому оно кажется нам теплее, чем металл, находящийся при той же температуре.

И наоборот, если температура предметов выше температуры нашего тела, они будут отдавать тепло нашей руке. Горячий металл будет передавать тепло очень быстро, ощущаясь как очень горячий и способный вызвать ожог. Дерево той же температуры будет передавать тепло медленнее и будет казаться менее горячим.

Единственная ситуация, в которой разница в теплопроводности не будет влиять на наши ощущения, — это когда теплообмен между рукой и предметом отсутствует. Теплообмен (поток тепла) происходит только при наличии разности температур. Если разности температур нет, то нет и потока тепла.

Следовательно, и металл, и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми (а точнее, ни холодными, ни горячими), когда их температура будет равна температуре поверхности нашей руки.

Ответ: Металл и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми при температуре, равной температуре человеческого тела, то есть примерно 36–37 °C.

4*¹. Половина ледяной поверхности пруда была покрыта с начала зимы толстым слоем снега, а другая половина расчищена для катания на коньках. На какой половине пруда толщина льда больше?

Решение

Нарастание льда на поверхности водоема происходит из-за потери тепла водой, которая отдает его в более холодную окружающую среду — воздух. Вода на границе со льдом имеет температуру около 0°C. Когда тепло от этой воды проходит через уже существующий слой льда и уходит в атмосферу, вода кристаллизуется (замерзает), увеличивая толщину ледяного покрова. Скорость этого процесса напрямую зависит от скорости теплопередачи.

В задаче рассматриваются две половины пруда с разными условиями на поверхности льда:

1. Половина, покрытая толстым слоем снега. Снег является очень плохим проводником тепла (хорошим теплоизолятором). Это связано с его пористой структурой, содержащей много воздуха. Слой снега на льду создает дополнительное тепловое сопротивление, замедляя отвод тепла от воды в атмосферу. Он действует как "одеяло".
2. Половина, расчищенная для катания. На этой части лед не защищен слоем снега. Тепло от воды может уходить в холодный воздух гораздо быстрее, так как лед, хоть и плохой проводник тепла, но проводит его значительно лучше, чем снег.

Поскольку на расчищенной половине пруда теплоотвод происходит значительно интенсивнее, вода под льдом замерзает быстрее. Следовательно, за одно и то же время на этой части пруда образуется более толстый слой льда.

Ответ: Толщина льда больше на той половине пруда, которая была расчищена для катания на коньках.

Возьмите две проволочки — стальную и медную или стальную и алюминиевую длиной по 5 см каждая. Отметьте время в секундах и осторожно введите одновременно обе проволочки на 1 см в один и тот же слой верхней части пламени свечи, держа проволочки за один конец двумя пальцами. Пальцы должны захватывать 1 см каждой проволочки. Когда пальцам на одной проволочке станет горячо, нужно выпустить её из рук и отметить время. Так же поступите и с другой проволочкой. Сравните результаты. Остудите обе проволочки в блюдце с холодной водой (или под краном), вытрите их насухо тряпочкой и повторите опыт, чтобы закрепить результат. Сделайте вывод.

Этот эксперимент посвящён изучению и сравнению теплопроводности различных металлов. Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, который приводит к выравниванию температуры. Скорость этого процесса характеризуется коэффициентом теплопроводности ($k$). Чем выше значение $k$ для материала, тем лучше он проводит тепло.

Для материалов, указанных в задаче, справочные значения коэффициента теплопроводности следующие:

• Медь (Cu): $k \approx 401 \text{ Вт/(м·К)}$
• Алюминий (Al): $k \approx 237 \text{ Вт/(м·К)}$
• Сталь (сплав железа с углеродом): $k \approx 50 \text{ Вт/(м·К)}$

Из этих данных следует, что $k_{Cu} > k_{Al} > k_{Fe}$. Это означает, что при прочих равных условиях (одинаковые размеры проволочек, одинаковые условия нагрева) тепло по медной проволоке будет распространяться быстрее всего, а по стальной — медленнее всего.

При выполнении опыта мы будем сравнивать время, по истечении которого мы почувствуем тепло, держа проволочки в руках. Это время будет тем меньше, чем выше теплопроводность материала.

Если взять стальную и медную проволочки, то медная проволочка обожжет пальцы значительно быстрее. Это связано с тем, что ее коэффициент теплопроводности примерно в 8 раз выше, чем у стали. Тепло от пламени свечи быстро распространится по медной проволочке, в то время как стальная будет нагреваться у конца, удерживаемого пальцами, гораздо дольше.

Если взять стальную и алюминиевую проволочки, результат будет аналогичным. Алюминиевая проволочка нагреется у пальцев быстрее стальной, так как ее теплопроводность примерно в 4-5 раз выше. Однако, если бы мы сравнивали медную и алюминиевую проволочки, то медная нагрелась бы быстрее.

Таким образом, время, которое мы зафиксируем секундомером до момента, когда станет горячо ($t$), для разных материалов будет отличаться: $t_{медь} < t_{алюминий} < t_{сталь}$.

Ответ: Пальцы, держащие медную проволочку, почувствуют тепло быстрее всего. Немного позже нагреется алюминиевая проволочка. Значительно больше времени потребуется для нагрева стальной проволочки. Время до ощущения жжения для медной проволочки будет наименьшим, а для стальной — наибольшим.

Проведенный опыт наглядно демонстрирует, что разные металлы обладают различной способностью проводить тепло. Это свойство называется теплопроводностью. Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее передается тепло по нему. Сравнение времени нагрева проволочек из разных материалов позволяет расположить их в ряд по убыванию теплопроводности: медь, алюминий, сталь. Это фундаментальное свойство материалов широко используется в технике: материалы с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) применяют для изготовления радиаторов охлаждения и теплообменников, а материалы с низкой теплопроводностью (сталь, особенно нержавеющая, различные пластики, дерево) — для изготовления ручек посуды и в качестве теплоизоляции.

Ответ: Разные материалы имеют разную теплопроводность. Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, а алюминий — большей, чем сталь. Скорость нагрева удаленного от пламени конца проволочки прямо зависит от теплопроводности ее материала.