Номер 4, страница 85 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Тепловые явления. Параграф 22. Конвекция. Задание 21 - номер 4, страница 85.

Условие.

4. Почему в тихую морозную погоду дым, выходящий из труб, поднимается вертикально вверх?

Решение.

4. Решение

Это явление объясняется сочетанием нескольких физических принципов, в первую очередь связанных с плотностью газов и силой Архимеда.

1. Разница температур и плотностей. Дым, выходящий из трубы, является продуктом сгорания топлива, поэтому он очень горячий. Температура окружающего воздуха в морозную погоду, наоборот, очень низкая. Согласно физическим законам, плотность газа обратно пропорциональна его температуре (при постоянном давлении). Это можно увидеть из уравнения состояния идеального газа, которое приводит к зависимости плотности $\rho$ от абсолютной температуры $\text{T}$: $\rho = \frac{pM}{RT}$. Таким образом, горячий дым имеет значительно меньшую плотность, чем окружающий его холодный морозный воздух.

2. Действие силы Архимеда. На любой объект, погруженный в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, называемая силой Архимеда. Эта сила направлена вертикально вверх и равна весу среды (в данном случае, воздуха), вытесненной объемом объекта (дыма). На столб дыма действует выталкивающая сила $F_A = \rho_{возд} \cdot g \cdot V$, где $\rho_{возд}$ – плотность холодного воздуха, а $\text{V}$ – объем дыма.

3. Подъемная сила. Одновременно на дым действует сила тяжести, направленная вниз: $F_т = \rho_{дыма} \cdot g \cdot V$. Поскольку плотность горячего дыма $\rho_{дыма}$ меньше плотности холодного воздуха $\rho_{возд}$, выталкивающая сила Архимеда оказывается больше силы тяжести. Возникает результирующая подъемная сила $F_{под} = F_A - F_т = (\rho_{возд} - \rho_{дыма}) \cdot g \cdot V$, которая направлена вверх и заставляет дым подниматься.

4. Причина вертикального движения. В условии задачи указано, что погода "тихая", то есть безветренная. При отсутствии ветра нет значительных горизонтальных сил, которые могли бы сносить дым в сторону. Поэтому дым движется в направлении действия преобладающей силы – вертикально вверх.

В морозную погоду этот эффект особенно заметен, так как разница температур между дымом и воздухом максимальна. Это создает большую разницу в плотностях и, как следствие, большую подъемную силу, из-за чего дым поднимается ровным и устойчивым столбом.

Ответ: В тихую морозную погоду дым из труб поднимается вертикально вверх, потому что он горячий и имеет меньшую плотность по сравнению с окружающим холодным воздухом. В результате на него действует выталкивающая сила (сила Архимеда), которая больше его силы тяжести. Отсутствие ветра (тихая погода) приводит к тому, что движение дыма происходит строго вертикально под действием этой подъемной силы.