Номер 4, страница 83 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Тепловые явления. Параграф 21. Теплопроводность. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 83.

Условие.

4. Сравните теплопроводность газов, жидкостей и твёрдых тел и объясните причину её различия.

Решение.

Теплопроводность различных веществ напрямую зависит от их агрегатного состояния, то есть от строения и характера движения составляющих их частиц.

Сравнение теплопроводности

В общем случае теплопроводность твёрдых тел значительно выше, чем у жидкостей, а теплопроводность жидкостей, в свою очередь, выше, чем у газов. Это можно представить в виде следующего соотношения для коэффициентов теплопроводности $\text{k}$:

$k_{твёрдых\ тел} > k_{жидкостей} > k_{газов}$

Например, теплопроводность меди (твёрдое тело) составляет около 400 Вт/(м·К), воды (жидкость) – около 0,6 Вт/(м·К), а воздуха (газ) – всего 0,026 Вт/(м·К).

Причина различия теплопроводности

Основная причина таких различий заключается в особенностях молекулярного строения веществ и механизмах передачи энергии в разных агрегатных состояниях.

1. Газы. Молекулы в газах находятся на больших расстояниях друг от друга по сравнению с их размерами. Они движутся хаотично и взаимодействуют в основном посредством редких столкновений. Передача энергии (тепла) происходит, когда более быстрые молекулы (из более нагретой области) сталкиваются с более медленными (из более холодной области) и передают им часть своей кинетической энергии. Из-за больших расстояний между молекулами и низкой частоты столкновений этот процесс является очень неэффективным, что и обуславливает самую низкую теплопроводность газов.

2. Жидкости. В жидкостях молекулы расположены гораздо плотнее, почти вплотную друг к другу. Они совершают колебательные движения и могут перемещаться («перескакивать») с места на место. Из-за малого расстояния между молекулами передача энергии при столкновениях и взаимодействиях происходит значительно интенсивнее, чем в газах. Поэтому теплопроводность жидкостей выше, чем у газов, но всё же ниже, чем у большинства твёрдых тел, так как частицы в жидкостях не имеют строгой упорядоченной структуры.

3. Твёрдые тела. В твёрдых телах (особенно кристаллических) атомы или ионы находятся в узлах кристаллической решётки и совершают колебания около своих положений равновесия. Энергия этих колебаний (тепловая энергия) очень эффективно передаётся от одних частиц к соседним благодаря сильным межмолекулярным связям. Этот процесс можно описать как распространение фононов (квантов колебательного движения). У металлов существует дополнительный, ещё более эффективный механизм теплопередачи — свободные электроны. Они ведут себя подобно газу, заполняющему всё пространство кристаллической решётки, и, перемещаясь с огромными скоростями, переносят энергию от горячих участков к холодным. Именно поэтому металлы обладают самой высокой теплопроводностью.

Ответ: Теплопроводность твёрдых тел, как правило, наибольшая, у жидкостей она меньше, а у газов – наименьшая. Это различие обусловлено плотностью расположения частиц (атомов, молекул) и характером их взаимодействия. В газах частицы находятся далеко друг от друга, и передача энергии при редких столкновениях неэффективна. В жидкостях частицы расположены плотно, что увеличивает частоту и эффективность передачи энергии. В твёрдых телах частицы максимально сближены и упорядочены, что обеспечивает очень быструю передачу колебательной энергии от одной частицы к другой, а в металлах этот процесс дополнительно усиливается движением свободных электронов.