Страница 35 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Почему радиаторы водяного отопления располагают под окнами?

1. Почему радиаторы водяного отопления располагают под окнами?

Радиаторы водяного отопления располагают под окнами по нескольким причинам, которые основаны на физическом явлении конвекции — процессе переноса тепла потоками жидкости или газа.

Окна являются главным источником холода в помещении зимой, так как через них происходит наибольшая потеря тепла. Воздух у поверхности холодного стекла остывает, становится плотнее и опускается вниз, создавая нисходящий поток холодного воздуха. Этот поток распространяется по полу, вызывая ощущение сквозняка и дискомфорта.

Размещение радиатора отопления именно под окном позволяет эффективно решить эту проблему. Процесс происходит следующим образом:

1. Радиатор нагревает прилегающий к нему воздух. Нагретый воздух расширяется, его плотность уменьшается, и он начинает подниматься вверх.

2. Восходящий поток теплого воздуха от радиатора встречается с нисходящим потоком холодного воздуха от окна. Они смешиваются. В результате холодный воздух не достигает пола, а сразу нагревается. Таким образом, создается так называемая "тепловая завеса", которая блокирует холодный сквозняк.

3. Эта система потоков (теплый вверх, холодный вниз) организует эффективную циркуляцию воздуха (конвекцию) во всем помещении. Нагретый воздух поднимается к потолку, перемещается к противоположной стене, там остывает, опускается и возвращается к радиатору вдоль пола для нового нагрева. Это обеспечивает равномерное распределение тепла по всей комнате.

Кроме того, теплый воздух, поднимающийся от радиатора, обдувает и нагревает внутреннюю поверхность стекла, что препятствует образованию на нем конденсата (запотеванию).

Ответ: Радиаторы располагают под окнами для создания "тепловой завесы", которая нейтрализует поток холодного воздуха от окна, и для организации наиболее эффективной циркуляции (конвекции) воздуха, что обеспечивает равномерный и быстрый обогрев всего помещения.

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

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть механизмы теплопередачи внутри жидкости, в данном случае — воды. Основным процессом, отвечающим за быстрое охлаждение всего объема жидкости, является конвекция.

Конвекция — это вид теплообмена, при котором энергия переносится потоками самого вещества (жидкости или газа). В воде конвекция возникает из-за разницы плотностей: холодная вода плотнее и тяжелее теплой, поэтому она опускается вниз, а теплая, как более легкая, поднимается вверх.

Рассмотрим оба случая:

1. Кастрюлю поставили на лёд.
В этом случае охлаждение происходит снизу. Вода у дна кастрюли отдает тепло льду, становится холоднее и, следовательно, плотнее. Поскольку эти холодные и плотные слои воды уже находятся в самом низу, они там и остаются. Тёплая, менее плотная вода остается в верхних слоях. Естественная конвекция (перемешивание) практически не происходит. Тепло от верхних слоев к нижним передается в основном за счет теплопроводности, а вода является плохим проводником тепла. Поэтому общий процесс охлаждения всей массы воды будет идти медленно.

2. Лёд положили на крышку кастрюли.
Здесь охлаждение происходит сверху. Вода у поверхности отдает тепло льду через крышку, остывает и становится плотнее. Под действием силы тяжести эти холодные, более тяжелые слои воды начинают опускаться на дно. На их место снизу поднимаются более тёплые и легкие слои. Этот процесс создает в кастрюле непрерывные циркуляционные потоки — конвекцию. Благодаря интенсивному перемешиванию вся масса воды быстро и равномерно отдает тепло, и процесс охлаждения идет значительно быстрее.

Таким образом, из-за возникновения интенсивных конвекционных потоков, которые эффективно переносят тепло от всего объема воды к источнику холода, кастрюля остынет быстрее во втором случае.

Ответ: Кастрюля с кипятком остынет быстрее, когда лёд положили на крышку кастрюли.

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

Скорость остывания жидкости зависит от интенсивности процессов теплообмена, в первую очередь — конвекции. Конвекция — это перенос тепла потоками самой жидкости, когда более горячие, менее плотные слои поднимаются вверх, а более холодные и плотные опускаются вниз, создавая циркуляцию.

Компот по своей консистенции близок к воде, он обладает низкой вязкостью. Поэтому в стакане с компотом легко возникают конвекционные потоки. Горячая жидкость из центра и со дна стакана поднимается к поверхности, где отдает тепло окружающему воздуху (в том числе за счет испарения), остывает, становится плотнее и опускается вниз. Этот процесс перемешивания обеспечивает быстрый и равномерный перенос тепла от всего объема жидкости к поверхности, что приводит к быстрому остыванию.

Кисель — это вязкая жидкость из-за содержания крахмала. Высокая вязкость значительно затрудняет или полностью подавляет естественную конвекцию. Перемешивание слоев жидкости практически не происходит. Тепло от внутренних слоев к поверхности передается в основном за счет теплопроводности, которая для жидкостей является очень медленным процессом. Верхний слой киселя остывает, но из-за отсутствия конвекции он не опускается вниз, а образует своего рода теплоизолирующую "пленку", которая мешает остывать нижним слоям.

Таким образом, из-за интенсивной конвекции компот отдает тепло в окружающую среду гораздо быстрее, чем вязкий кисель, в котором теплопередача затруднена.

Ответ: Стакан с компотом остынет быстрее, потому что в компоте (жидкости с низкой вязкостью) происходит интенсивный перенос тепла за счет конвекции, в то время как в вязком киселе конвекция затруднена, и теплообмен происходит значительно медленнее.

4. Объясните действие тяги (см. рис. 20). Когда тяга лучше — зимой или летом?

Объясните действие тяги (см. рис. 20).

Действие тяги в дымоходе или печной трубе основано на физическом явлении конвекции. Когда в печи сгорает топливо, образуются горячие газы (дым). При нагревании воздух и газы расширяются, их плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха.

Согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. В данном случае на столб менее плотного горячего газа внутри трубы действует выталкивающая сила со стороны более плотного холодного воздуха снаружи. Эта сила направлена вверх, и она заставляет горячий дым подниматься по трубе.

Этот процесс можно также описать через разность давлений. Столб холодного атмосферного воздуха создает у основания трубы давление, которое больше, чем давление столба горячего газа внутри трубы на той же высоте. Эта разница давлений $\Delta P$ и является движущей силой тяги. Она определяется по формуле $\Delta P = (\rho_{хол} - \rho_{гор}) \cdot g \cdot h$, где $\rho_{хол}$ и $\rho_{гор}$ — плотности холодного наружного и горячего внутреннего воздуха соответственно, $h$ — высота трубы, а $g$ — ускорение свободного падения. Возникающий поток затягивает в топку свежий воздух для поддержания горения и удаляет продукты сгорания.

Ответ: Тяга — это направленное движение газов в дымоходе, которое возникает из-за того, что горячие продукты сгорания имеют меньшую плотность, чем окружающий холодный воздух, и под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) поднимаются вверх.

Когда тяга лучше — зимой или летом?

Эффективность тяги напрямую зависит от разности плотностей, а следовательно, от разности температур воздуха внутри трубы и снаружи.

Зимой наружный воздух очень холодный и, как следствие, имеет высокую плотность. Разница между высокой температурой дыма и низкой температурой уличного воздуха велика. Это создает значительную разницу плотностей $(\rho_{хол} - \rho_{гор})$, что обеспечивает сильную, устойчивую тягу.

Летом, наоборот, температура наружного воздуха высокая, и он менее плотный. Разница температур между горячим дымом и теплым наружным воздухом гораздо меньше. Это приводит к небольшой разнице плотностей, и в результате тяга ослабевает. В жаркую погоду растопить печь или камин бывает затруднительно именно из-за слабой тяги.

Ответ: Тяга лучше зимой, потому что разница температур (а значит и плотностей) между горячим газом в трубе и холодным воздухом на улице значительно больше, чем летом.

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

Для того чтобы понять, будет ли гореть свеча в космосе, нужно рассмотреть физические условия, обеспечивающие горение на Земле и их отличие от условий на борту орбитального комплекса.

Решение

Горение свечи — это химический процесс, для которого необходим постоянный приток окислителя (кислорода) к топливу (парам парафина) и отвод продуктов сгорания.

В земных условиях ключевую роль в поддержании горения играет гравитация и связанное с ней явление конвекции. Продукты горения, в основном углекислый газ и водяной пар, нагреваются пламенем, их плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. Согласно закону Архимеда, сила тяжести выталкивает эти горячие, лёгкие газы вверх. На их место снизу и с боков поступает более холодный, плотный воздух, богатый кислородом. Этот непрерывный конвекционный поток обеспечивает пламя свежим кислородом и придаёт ему привычную вытянутую, каплевидную форму.

На борту космического орбитального комплекса, находящегося в состоянии свободного падения, наблюдается невесомость (или, точнее, микрогравитация). В этих условиях вес практически отсутствует, а значит, сила Архимеда не действует. Разница в плотности между горячими продуктами горения и холодным воздухом больше не приводит к их направленному движению. Конвекционные потоки не возникают.

Поэтому, если зажечь свечу на космической станции, произойдет следующее:

1. Свеча загорится, так как рядом с фитилем есть кислород.
2. Однако продукты сгорания (горячий углекислый газ) не смогут подняться вверх. Они останутся на месте, образуя вокруг пламени сферическую оболочку.
3. Эта оболочка из углекислого газа очень быстро изолирует пламя от доступа свежего кислорода из окружающего воздуха.
4. Единственным способом доставки кислорода к пламени остаётся диффузия, но это крайне медленный процесс, неспособный поддерживать горение.
5. В результате пламя, «задохнувшись» в собственных продуктах сгорания, очень быстро погаснет.

Эксперименты, проведенные на борту космических станций, полностью подтвердили эти теоретические выводы. Пламя в невесомости получается тусклым, имеет голубоватый цвет и идеальную сферическую форму, но горит всего несколько секунд.

Ответ: Нет, свеча на борту космического орбитального комплекса гореть продолжительное время не будет. Она вспыхнет на несколько секунд, пока не израсходует весь кислород в непосредственной близости от фитиля, и погаснет. Это связано с отсутствием конвекции в условиях невесомости, из-за чего продукты сгорания образуют вокруг пламени непроницаемую для кислорода оболочку.

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

Этот опыт демонстрирует явление конвекции — один из видов теплопередачи, свойственный жидкостям и газам. Наблюдения за пламенем свечи в разных точках дверного проема будут следующими:

Наверху

Если поднести зажженную свечу к верхней части щели приоткрытой двери, ее пламя будет отклоняться наружу, из комнаты. Это происходит потому, что теплый воздух в помещении имеет меньшую плотность, чем холодный воздух снаружи. В соответствии с законом Архимеда, он поднимается к потолку и выходит наружу через верхнюю часть проема, создавая поток воздуха из комнаты.

Ответ: Пламя отклоняется наружу из комнаты.

В середине высоты двери

Когда свеча находится примерно посередине высоты дверного проема, ее пламя, скорее всего, будет гореть ровно и вертикально, без заметного отклонения. Эта область является нейтральной зоной, где скорость встречных потоков воздуха (теплого, выходящего наружу, и холодного, входящего внутрь) минимальна.

Ответ: Пламя горит ровно, без отклонений.

Внизу

У нижней части дверного проема пламя свечи будет отклоняться внутрь комнаты. Это связано с тем, что более холодный и плотный воздух снаружи тяжелее теплого комнатного воздуха. Он "затекает" в помещение через нижнюю часть щели, вытесняя теплый воздух вверх.

Ответ: Пламя отклоняется внутрь комнаты.

Вывод

Наблюдаемые отклонения пламени доказывают существование циркуляции воздуха через дверной проем, вызванной разницей температур (и, как следствие, плотностей) воздуха внутри и снаружи помещения. Это явление и называется конвекцией. Теплый, легкий воздух выходит из комнаты вверху, а на его место снизу поступает холодный, более плотный воздух. Таким образом, в помещении происходит постоянный воздухообмен.

Ответ: Наблюдаемое явление — конвекция воздуха. Из-за разницы температур возникает циркуляция: теплый воздух выходит из помещения через верхнюю часть дверной щели, а холодный воздух входит через нижнюю.