Страница 34 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Объясните механизм нагревания воды в колбе, поставленной на огонь (см. рис. 18, а).

1. Нагревание воды в колбе, поставленной на огонь, представляет собой цепочку процессов теплопередачи. Вначале пламя нагревает дно колбы посредством конвекции горячих газов и теплового излучения. Затем полученное тепло передается через стенки дна колбы к воде за счет теплопроводности. Нижний слой воды, находящийся в контакте с горячим дном, нагревается. При нагревании вода расширяется, ее плотность уменьшается. В результате, согласно закону Архимеда, более легкая теплая вода начинает подниматься вверх, уступая место более холодным и плотным слоям воды сверху, которые опускаются вниз. Этот процесс непрерывного перемещения жидкости под действием разности температур и плотностей называется естественной конвекцией. Возникающие конвекционные потоки перемешивают всю воду в колбе, обеспечивая ее постепенный и равномерный прогрев.
Ответ: Нагревание воды в колбе происходит за счет теплопроводности через дно колбы и последующего переноса тепла по всему объему воды путем конвекции.

2. Перемешивание слоев воды в колбе происходит благодаря явлению естественной конвекции. Причиной этого явления является изменение плотности воды при нагревании. Когда нижние слои воды нагреваются от дна колбы, они расширяются. Плотность воды при нагревании (выше 4°C) уменьшается. В результате нагретый, менее плотный слой воды становится легче окружающих его более холодных и плотных слоев. Под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) этот легкий теплый слой начинает подниматься вверх. Одновременно более холодные и плотные верхние слои воды под действием силы тяжести опускаются вниз, занимая место поднявшихся теплых слоев. Они, в свою очередь, нагреваются от дна, и процесс повторяется. Таким образом, в колбе возникают непрерывные циркулирующие потоки — восходящие потоки теплой воды и нисходящие потоки холодной. Именно эти конвекционные потоки и обеспечивают перемешивание всей воды в колбе.
Ответ: Перемешивание происходит за счет конвекционных потоков, которые возникают из-за того, что нагретая у дна вода становится менее плотной и поднимается вверх, а более холодная и плотная вода с верхних слоев опускается вниз.

2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой (см. рис, 18, б).

2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой (см. рис. 18, б).

Перемещение воздуха над нагретой лампой происходит из-за явления естественной конвекции. Причиной этого движения является изменение плотности воздуха при его нагревании.

Сначала слой воздуха, непосредственно прилегающий к горячей поверхности лампы, нагревается от нее. При нагревании молекулы воздуха начинают двигаться интенсивнее и расходятся на большее расстояние друг от друга. Это приводит к тепловому расширению воздуха.

Поскольку плотность ($\rho$) — это масса ($m$) в единице объема ($V$), то есть $\rho = m/V$, расширение воздуха (увеличение объема) при той же массе приводит к уменьшению его плотности. Нагретый воздух становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух.

Согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. В данном случае на объем теплого, менее плотного воздуха действует выталкивающая сила со стороны более плотного холодного воздуха. Эта сила заставляет теплый воздух подниматься вверх. Его место занимают более холодные и плотные массы воздуха, которые опускаются с боков.

Опустившийся холодный воздух, в свою очередь, нагревается от лампы, становится менее плотным и тоже устремляется вверх. Так возникает непрерывный циркуляционный процесс — конвекционный поток, в котором теплый воздух поднимается, а холодный опускается.

Ответ: Перемещение воздуха над нагретой лампой происходит потому, что воздух при нагревании расширяется, его плотность уменьшается, и под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) со стороны окружающего холодного, более плотного воздуха он поднимается вверх. На его место опускается холодный воздух, который, в свою очередь, нагревается и поднимается. Этот процесс создает непрерывные конвекционные потоки.

3. Какой вид теплопередачи иллюстрирует этот опыт?

Этот опыт иллюстрирует вид теплопередачи, который называется конвекцией. Конвекция — это процесс переноса теплоты путем перемещения потоков жидкости или газа. В данном случае тепловая энергия переносится самими движущимися массами воздуха: нагретые слои поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз, занимая их место.

Поскольку движение воздуха вызвано естественными причинами — разностью плотностей из-за неравномерного нагрева, — а не принудительно (например, вентилятором), то речь идет о естественной (или свободной) конвекции.

Ответ: Конвекция (в частности, естественная конвекция).

3. Какой вид теплопередачи называют конвекцией?

3. Какой вид теплопередачи называют конвекцией?

Конвекцией называют вид теплопередачи, который осуществляется путём переноса энергии потоками самого вещества — жидкости или газа. Процесс происходит следующим образом: нижние слои вещества, нагреваясь от источника тепла, расширяются. В результате их плотность уменьшается, и под действием архимедовой силы они выталкиваются вверх более холодными и плотными верхними слоями. В свою очередь, опустившиеся холодные слои нагреваются, и процесс повторяется. Такое циркуляционное движение вещества, называемое конвекционными потоками, приводит к переносу тепла по всему объёму.

Ответ: Конвекцией называют вид теплопередачи, осуществляемый потоками жидкости или газа.

4. Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?

Конвекция как процесс переноса тепла невозможна в твёрдых телах, поскольку её основной механизм — это перемещение масс вещества (возникновение потоков). В твёрдых телах атомы или молекулы занимают фиксированные положения в кристаллической решётке или аморфной структуре. Они могут лишь совершать колебания около своих положений равновесия, но не могут свободно перемещаться по всему объёму тела. Из-за отсутствия подвижности частиц в твёрдых телах не могут возникнуть конвекционные потоки. Передача энергии в твёрдых телах происходит в основном за счёт теплопроводности, то есть передачи колебательного движения от одних частиц к другим.

Ответ: Конвекция невозможна в твёрдых телах, потому что их частицы не могут свободно перемещаться для создания потоков, переносящих энергию.

4. Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?

4. Конвекция — это вид теплопередачи, который осуществляется путём переноса энергии потоками жидкости или газа. Суть явления заключается в том, что более нагретые слои вещества, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх под действием архимедовой силы, а на их место опускаются более холодные и плотные слои. Этот процесс создаёт непрерывную циркуляцию вещества, называемую конвекционным потоком.

В твёрдых телах частицы (атомы, молекулы или ионы) жёстко зафиксированы в узлах кристаллической решётки или в определённых положениях в аморфной структуре. Они могут совершать только колебательные движения около своих положений равновесия и не могут свободно перемещаться по всему объёму тела. Поскольку для возникновения конвекции необходимо макроскопическое движение вещества (потоков и струй), а в твёрдых телах такое движение невозможно, то и явление конвекции в них не наблюдается. Передача тепла в твёрдых телах происходит преимущественно за счёт другого механизма — теплопроводности.

Ответ: Конвекция невозможна в твёрдых телах, потому что она требует свободного перемещения масс вещества (потоков), а частицы в твёрдых телах жёстко связаны и не могут перемещаться, а лишь колеблются около своих положений равновесия.

5. Существует два основных вида конвекции: естественная (свободная) и вынужденная.

Естественная конвекция возникает самопроизвольно в поле силы тяжести при неравномерном нагреве жидкости или газа. Причиной движения являются различия в плотности, вызванные разницей температур.

Примеры естественной конвекции:

• Нагревание воды в кастрюле на плите: нижние слои воды нагреваются, становятся менее плотными и поднимаются вверх, а верхние, более холодные и плотные слои, опускаются вниз, создавая циркуляцию.
• Возникновение бриза: днём суша нагревается быстрее воды, тёплый воздух над ней поднимается, а с моря приходит более холодный воздух. Ночью процесс обратный.
• Центральное отопление в помещении: воздух нагревается от радиатора, становится легче, поднимается к потолку, а более холодный воздух опускается к полу и движется к радиатору.

Вынужденная конвекция — это процесс переноса тепла, при котором движение жидкости или газа создаётся внешним воздействием, например, с помощью насоса или вентилятора.

Примеры вынужденной конвекции:

• Использование вентилятора или фена: вентилятор создаёт направленный поток воздуха, который ускоряет теплообмен.
• Система охлаждения в компьютере: кулер (вентилятор) принудительно обдувает радиатор процессора, эффективно отводя от него тепло.
• Перемешивание горячего чая ложкой: механическое перемешивание ускоряет процесс охлаждения, заставляя горячие и холодные слои жидкости смешиваться.
• Работа автомобильного двигателя: насос (помпа) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости между двигателем и радиатором.

Ответ: Примеры естественной конвекции — нагрев воды в кастрюле, возникновение ветра, обогрев комнаты батареей. Примеры вынужденной конвекции — охлаждение компонентов компьютера кулером, перемешивание супа ложкой, использование фена для сушки волос.

5. Приведите примеры естественной и вынужденной конвекции в быту и технике.

Конвекция — это вид теплопередачи, свойственный только жидкостям и газам, при котором энергия переносится струями и потоками самого вещества. Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную.

Естественная конвекция

Естественная (или свободная) конвекция возникает самопроизвольно в неоднородно нагретой среде под действием силы тяжести. При нагревании нижние слои вещества расширяются, их плотность уменьшается, и под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) они поднимаются вверх. На их место опускаются более холодные и плотные верхние слои. Этот процесс создаёт непрерывную циркуляцию потоков, которые эффективно переносят тепло.

Примеры:

• В быту:
  • Обогрев комнаты радиатором отопления: тёплый воздух от батареи поднимается к потолку, а холодный воздух спускается к полу, создавая циркуляционные потоки.
  • Нагревание воды в кастрюле на плите: вода у дна нагревается, становится легче и поднимается, а более холодная вода сверху опускается.
  • Образование тяги в камине или печной трубе: горячие газы и дым как менее плотные устремляются вверх.
  • Возникновение бризов на побережье: днём суша нагревается быстрее воды, и тёплый воздух над ней поднимается, а на его место приходит прохладный воздух с моря (морской бриз).
• В технике:
  • Пассивное охлаждение электронных компонентов с помощью радиаторов (например, на материнских платах, в блоках питания). Тепло отводится за счёт естественного движения воздуха вдоль рёбер радиатора.
  • Работа градирен (охладительных башен) на электростанциях, где тяга создаётся естественным путём.
  • Термосифонные системы отопления, в которых циркуляция теплоносителя (воды) происходит без насоса, за счёт разности плотностей нагретой и остывшей воды.

Ответ: Примерами естественной конвекции в быту являются обогрев помещения батареей, кипячение воды, тяга в дымоходе; в технике — пассивные радиаторы охлаждения, работа градирен, термосифонные системы отопления.

Вынужденная конвекция

Вынужденная конвекция происходит, когда движение жидкости или газа создаётся внешним воздействием — работой насоса, вентилятора, мешалки и т.п. Принудительное перемешивание среды значительно ускоряет и усиливает процесс теплообмена по сравнению с естественной конвекцией.

Примеры:

• В быту:
  • Использование вентилятора для охлаждения человека или помещения в жаркую погоду.
  • Сушка волос феном, где вентилятор создаёт направленный поток горячего воздуха.
  • Духовой шкаф с режимом конвекции: встроенный вентилятор равномерно распределяет горячий воздух, ускоряя приготовление пищи.
  • Перемешивание жидкости (например, супа или чая) ложкой для её равномерного нагрева или охлаждения.
• В технике:
  • Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания автомобиля: насос (помпа) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости, а вентилятор обдувает радиатор для её быстрого охлаждения.
  • Системы кондиционирования и приточной вентиляции воздуха, где вентиляторы перемещают воздушные массы.
  • Активное охлаждение (кулеры) процессоров и видеокарт в компьютерах, где вентилятор принудительно обдувает радиатор.
  • Промышленные теплообменники, в которых потоки жидкостей или газов прокачиваются насосами для интенсификации теплопередачи.

Ответ: Примерами вынужденной конвекции в быту являются работа фена, вентилятора, духовки с обдувом; в технике — система охлаждения автомобильного двигателя, кондиционер, компьютерный кулер.

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

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

Различие между теплопроводностью и конвекцией заключается в самом механизме переноса тепловой энергии и среде, в которой он происходит.

Теплопроводность — это перенос энергии от одних частиц вещества к другим в результате их непосредственного взаимодействия (столкновений). При этом сами частицы не перемещаются по объему тела, а лишь колеблются около своих положений равновесия, передавая энергию "по цепочке". Этот механизм характерен для всех агрегатных состояний (твердых тел, жидкостей, газов), но наиболее значим для твердых тел. Например, если нагревать один конец металлического стержня, тепло постепенно распространится до другого конца именно благодаря теплопроводности.

Конвекция — это перенос энергии потоками самого вещества (жидкости или газа). Этот процесс возможен только в средах, где частицы могут свободно перемещаться, то есть в жидкостях и газах. При нагревании нижние слои флюида (жидкости или газа) расширяются, их плотность уменьшается, и они под действием выталкивающей силы Архимеда поднимаются вверх. Их место занимают более холодные и плотные верхние слои, которые опускаются вниз. Возникают циркулирующие потоки, называемые конвективными, которые и осуществляют перенос тепла. Примером служит кипение воды в чайнике или возникновение ветра в атмосфере.

Таким образом, ключевое отличие состоит в том, что при теплопроводности нет переноса вещества, а при конвекции перенос энергии происходит именно за счет перемещения масс вещества.

Ответ: Основное различие 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). Следовательно, теплопроводность может происходить в твердых телах, жидкостях и газах, а конвекция — только в жидкостях и газах.

2. Почему жидкости и газы нагревают не сверху, а снизу?

2. Жидкости и газы нагревают снизу, а не сверху, из-за физического явления, называемого конвекцией. Конвекция является основным способом передачи тепла в жидкостях и газах и основана на перемещении вещества.

Процесс нагрева снизу выглядит следующим образом:

1. Когда источник тепла находится внизу, нижние слои жидкости или газа нагреваются первыми.

2. При нагревании вещество расширяется. Это приводит к уменьшению его плотности. Таким образом, нижние слои становятся менее плотными (и, соответственно, более легкими), чем холодные верхние слои.

3. Под действием силы Архимеда (выталкивающей силы) менее плотные теплые массы жидкости или газа начинают подниматься вверх.

4. На их место опускаются более плотные и холодные верхние слои, которые, в свою очередь, нагреваются от источника тепла.

5. Этот процесс создает непрерывные циркуляционные потоки, называемые конвекционными потоками. Благодаря этому постоянному перемешиванию тепло быстро и эффективно распределяется по всему объему сосуда или помещения.

Если же нагревать жидкость или газ сверху, то нагретый верхний слой, став менее плотным, так и останется наверху. Холодные и более плотные слои будут находиться под ним, и естественного перемешивания (конвекции) не произойдет. В этом случае тепло сможет передаваться вглубь только за счет теплопроводности. Однако теплопроводность жидкостей и особенно газов очень низка, поэтому такой способ нагрева будет крайне медленным и неэффективным. Прогреется лишь самый верхний слой.

Ответ: Жидкости и газы нагревают снизу для создания конвекционных потоков. Нагретые у дна слои расширяются, их плотность уменьшается, и они поднимаются вверх, уступая место холодным и более плотным слоям. Эта циркуляция обеспечивает быстрое и равномерное распределение тепла по всему объему. При нагреве сверху конвекция не возникает, так как теплые и менее плотные слои остаются наверху, а теплопередача происходит за счет очень медленной теплопроводности.

3. Из курса географии вам известно о существовании бризов — ветров, возникающих около моря. Объясните, используя знания о тепловых явлениях, образование дневного и ночного бриза.

Бризы — это местные ветры, которые возникают на побережьях морей и больших озер. Их образование связано с неравномерным нагреванием и охлаждением суши и воды в течение суток. Ключевую роль в этом процессе играет разница в удельной теплоемкости воды и суши (песка, почвы). Удельная теплоемкость воды ($c_{воды}$) значительно выше, чем удельная теплоемкость суши ($c_{суши}$). Это означает, что для нагревания 1 кг воды на 1 градус требуется большее количество теплоты, чем для нагревания 1 кг суши. Как следствие, вода медленнее нагревается и медленнее остывает по сравнению с сушей. Это явление лежит в основе конвекционных потоков воздуха, которые мы воспринимаем как бриз.

Решение

Образование дневного бриза

Днем под действием солнечных лучей и суша, и вода нагреваются. Однако из-за низкой удельной теплоемкости суша нагревается значительно быстрее и сильнее, чем вода. Воздух над более теплой поверхностью суши также нагревается, расширяется, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх. В результате над сушей образуется область пониженного атмосферного давления. В это же время вода остается более прохладной, и воздух над ней, соответственно, тоже холоднее и плотнее. Над морем формируется область повышенного давления. Из-за разности давлений более холодные и плотные воздушные массы с моря начинают перемещаться в сторону суши, занимая место поднявшегося теплого воздуха. Этот ветер, дующий днем с моря на сушу, и называется дневным бризом.

Ответ: Дневной бриз возникает из-за того, что днем суша нагревается быстрее воды, создавая над собой область низкого давления, куда устремляется более холодный и плотный воздух со стороны моря, где давление выше.

Образование ночного бриза

Ночью, при отсутствии солнечного излучения, и суша, и вода начинают остывать, отдавая накопленное за день тепло. Суша, имея меньшую теплоемкость, остывает гораздо быстрее воды. Вода же, обладая высокой теплоемкостью, остывает медленно и остается теплой дольше. Теперь воздух над сушей становится холоднее и плотнее, чем воздух над водой. Вследствие этого над сушей образуется область повышенного давления. Над более теплой водой воздух, нагреваясь от нее, поднимается вверх, создавая область пониженного давления. Холодный воздух с суши перемещается в сторону моря, в область пониженного давления. Этот ветер, дующий ночью с суши на море, называется ночным или береговым бризом.

Ответ: Ночной бриз возникает из-за того, что ночью суша остывает быстрее воды, и над ней формируется область высокого давления. Более холодный воздух с суши перемещается в сторону более теплого моря, где давление ниже.