Страница 38 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

3. Почему снег, покрытый сажей или грязью, тает быстрее, чем чистый?

3. Решение

Это явление связано с различной способностью поверхностей разного цвета поглощать и отражать солнечное излучение.

1. Чистый снег: Чистый свежевыпавший снег имеет белый цвет. Белые тела обладают высокой отражательной способностью, известной как альбедо. Чистый снег отражает до 90% падающего на него солнечного света. Следовательно, он поглощает очень мало энергии, и для его таяния требуется больше времени или более высокая температура окружающего воздуха.

2. Снег, покрытый сажей или грязью: Сажа и грязь имеют темный (черный или коричневый) цвет. Темные тела, в отличие от светлых, обладают низкой отражательной способностью и, соответственно, высоким коэффициентом поглощения. Они поглощают большую часть падающего на них солнечного излучения (до 90-95% для сажи).

Поглощенная световая энергия преобразуется в тепловую энергию. Эта энергия интенсивно нагревает частицы сажи и грязи, которые, в свою очередь, передают тепло окружающему их снегу. В результате температура снега под слоем грязи или сажи поднимается до точки плавления ($0^\circ\text{C}$) и он начинает таять значительно быстрее, чем чистый снег в тех же условиях.

Таким образом, ключевым фактором является цвет поверхности: белый цвет отражает энергию, а темный — поглощает, что и приводит к ускоренному таянию грязного снега.

Ответ: Снег, покрытый сажей или грязью, тает быстрее чистого, потому что его темная поверхность поглощает значительно больше солнечного излучения (тепловой энергии), чем белая поверхность чистого снега, которая большую часть излучения отражает.

4. Почему спецодежда пожарных обычно серебристого цвета?

Спецодежда пожарных, в частности теплоотражательные костюмы, используемые для работы в условиях экстремально высоких температур и в непосредственной близости к огню, имеет серебристый цвет по ключевой причине – для защиты от интенсивного теплового излучения.

Работа пожарного связана с нахождением вблизи мощного источника тепла – огня. Огонь передает энергию не только через горячий воздух (конвекция), но и посредством теплового (инфракрасного) излучения. Это излучение, подобно свету, распространяется прямолинейно и может быстро нагревать предметы на своем пути.

С точки зрения физики, способность поверхности поглощать или отражать излучение зависит от ее цвета и текстуры.

• Темные и матовые поверхности (например, черная ткань) являются хорошими поглотителями теплового излучения, поэтому они быстро нагреваются.
• Светлые и блестящие, зеркальные поверхности (например, полированный металл) являются плохими поглотителями. Вместо поглощения, они отражают большую часть падающего на них излучения.

Серебристая, зеркальная поверхность костюма пожарного работает как тепловой щит. Она отражает до 90% падающего на нее инфракрасного излучения, тем самым минимизируя нагрев самого костюма и защищая пожарного от перегрева и ожогов. Внешний слой такой спецодежды обычно изготавливается из специальных жаропрочных тканей (например, на основе арамидных волокон) с алюминиевым покрытием. Именно этот слой алюминия придает костюму характерный серебристый цвет и его отражающие свойства.

Таким образом, выбор цвета в данном случае продиктован не эстетикой, а законами физики и является жизненно важным элементом обеспечения безопасности.

Ответ: Спецодежда пожарных обычно серебристого цвета, потому что блестящая серебристая поверхность очень хорошо отражает тепловое (инфракрасное) излучение, исходящее от огня. Это предотвращает сильный нагрев костюма и защищает пожарного от перегрева и ожогов.

5. Скафандры, надеваемые космонавтами, обычно окрашены в белый цвет. В то же время некоторые поверхности космического корабля чёрные. Чем объясняется выбор цвета?

Выбор цвета для внешних поверхностей в космосе напрямую связан с задачами терморегуляции. В условиях вакуума основным способом передачи тепла является излучение. Свойства тел поглощать и излучать энергию зависят от цвета и состояния их поверхности.

Скафандры космонавтов, предназначенные для выхода в открытый космос, окрашены в белый цвет. Это необходимо для защиты от перегрева. Белая поверхность обладает высоким коэффициентом отражения (альбедо) и, соответственно, низким коэффициентом поглощения. Находясь под прямыми лучами Солнца, космонавт подвергается воздействию мощного потока излучения. Белый скафандр отражает большую часть этой энергии, не давая ей нагреть внутреннее пространство скафандра и самого космонавта. Таким образом, белый цвет помогает поддерживать стабильную температуру внутри скафандра. Дополнительным преимуществом является то, что космонавт в белом скафандре хорошо виден на тёмном фоне космоса.

В то же время, некоторые поверхности космического корабля, наоборот, делают чёрными. Это касается в первую очередь радиаторов системы терморегуляции. В процессе работы бортового оборудования (электроники, систем жизнеобеспечения) выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить в окружающее пространство, чтобы избежать перегрева аппаратуры. Согласно закону излучения Кирхгофа, тело, которое хорошо поглощает излучение, так же хорошо его и излучает. Поверхность чёрного цвета является почти идеальным поглотителем и, соответственно, лучшим излучателем тепловой энергии. Поэтому радиаторы окрашивают в чёрный цвет, чтобы они максимально эффективно отдавали (излучали) избыточное тепло в космос. Обычно такие радиаторы стараются размещать в тени, чтобы они не поглощали солнечное излучение, а работали только на отдачу тепла.

Ответ: Выбор цвета определяется задачей терморегуляции. Белый цвет скафандров нужен для максимального отражения солнечного излучения и защиты космонавта от перегрева. Чёрный цвет некоторых поверхностей космического корабля (радиаторов) используется для максимально эффективного излучения в космос избыточного тепла, вырабатываемого аппаратурой, с целью её охлаждения.