1. Каков механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании?
Передача энергии по металлическому стержню при нагревании осуществляется через теплопроводность, которая основана на взаимодействии частиц, составляющих металл. Когда одна часть стержня нагревается, атомы и молекулы в этой области начинают колебаться с большей амплитудой, передавая свою энергию соседним атомам. В металлах существует свободное движение электронов, которые также способствуют переносу тепла, так как они могут быстро перемещаться и передавать энергию от горячих к холодным участкам.
2. В чём состоит процесс теплопроводности?
Процесс теплопроводности заключается в передаче внутренней энергии от более горячих участков тела к более холодным, что происходит за счет столкновений частиц и передачи энергии через свободные электроны. В твердых телах, особенно в металлах, этот процесс происходит эффективно благодаря близкому расположению атомов и высокой подвижности электронов.
3. Объясните плохую теплопроводность газов на основе МКТ.
Плохая теплопроводность газов объясняется их молекулярной структурой и низкой плотностью. Согласно молекулярно-кинетической теории, молекулы газа расположены на больших расстояниях друг от друга и движутся свободно, что уменьшает количество столкновений. Энергия, передаваемая в газах, распределяется менее эффективно, чем в твердых телах, из-за малой частоты взаимодействия молекул.
4. Объясните опыт (см. рис. 15), показывающий, что различные вещества обладают разной теплопроводностью. Медь или сталь обладает лучшей теплопроводностью?
В опыте, представленном на рисунке, показано, как различные вещества (в данном случае медь и сталь) проводят тепло. В центре опыта находится источник тепла, который нагревает одну из концов металлической прутки, изготовленных из меди и стали. По мере нагрева одного конца прутка, тепло передается через металл к другому концу.
Поскольку медь имеет более высокую теплопроводность, чем сталь, тепло будет передаваться быстрее через медный пруток. Это означает, что конец медного прутка нагреется быстрее и эффективнее, чем конец стального прутка. В результате, если на концах прутков прикреплены какие-то индикаторы (например, маленькие шарики), они упадут быстрее с медного конца, чем со стального, когда медный конец нагреется.
Таким образом, опыт показывает, что медь обладает лучшей теплопроводностью, чем сталь, что подтверждается более быстрым нагревом и передачей тепла через медный пруток.
5. Приведите примеры применения веществ, имеющих хорошую и плохую теплопроводность.
Примеры применения веществ с хорошей теплопроводностью включают медь и алюминий, которые часто используются в проводах и радиаторах для эффективного теплообмена. В то время как материалы с плохой теплопроводностью, такие как стекловата или полистирол, применяются в качестве теплоизоляции, чтобы снизить теплопотери и сохранить тепло в зданиях.
1. Греет ли ватное одеяло?
Ватное одеяло греет благодаря своим изоляционным свойствам. Вата, как пористый материал, удерживает воздух внутри своих волокон. Поскольку воздух является плохим проводником тепла, он создает барьер для потерь тепла от тела, что помогает поддерживать тепло. Таким образом, ватное одеяло сохраняет тепло, создавая комфортные условия для сна или отдыха.
2. Почему пористые материалы обладают плохой теплопроводностью?
Пористые материалы обладают плохой теплопроводностью из-за своей структуры, содержащей множество мелких пор и воздушных пространств. Эти поры задерживают воздух, который также плохо проводит тепло. При нагревании молекулы в этих материалах имеют меньшую подвижность, и энергия передается медленно, что делает пористые материалы эффективными изоляторами.
3. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему же на ощупь ножницы кажутся холоднее?
Ножницы могут казаться холоднее карандаша на ощупь, несмотря на то, что они имеют одинаковую температуру, из-за их разной теплопроводности. Металл, из которого сделаны ножницы, имеет высокую теплопроводность, что позволяет ему быстрее забирать тепло от кожи. В то время как карандаш, чаще всего сделанный из дерева, имеет низкую теплопроводность и не забирает тепло так быстро. В результате, при касании ножницы «впитывают» тепло от руки, и на ощупь кажутся холоднее, чем карандаш.
УПРАЖНЕНИЕ 5
1. Почему металлический чайник, стоящий на огне, брать рукой опасно, а горящую спичку можно держать, не обжигаясь?
Металлический чайник, стоящий на огне, опасно брать рукой, потому что металл имеет высокую теплопроводность и быстро передает тепло от огня к руке, что может вызвать ожоги. Горящую спичку можно держать, потому что её деревянная часть не проводит тепло так эффективно, а также горение происходит на концах спички, поэтому основной её корпус не нагревается до температуры, которая могла бы обжечь кожу.
2. Почему пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем полнотелый?
Пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем полнотелый, потому что в его структуре содержатся воздуховые пустоты. Воздух является плохим проводником тепла, поэтому он задерживает тепло и снижает скорость его передачи через кирпич.
3. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми?
При температуре около 0 градусов Цельсия металл и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми. Это связано с тем, что оба материала находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой и имеют одинаковую температуру, которая близка к температуре плавления льда.
4*. Половина ледяной поверхности пруда была покрыта с начала зимы толстым слоем снега, а другая половина расчищена для катания на коньках. На какой половине пруда толщина льда больше?
На половине пруда, которая была расчищена для катания на коньках, толщина льда будет больше. Это связано с тем, что снег на другой половине пруда служит изоляционным слоем, замедляя процесс замерзания воды, в то время как очищенная поверхность подвергается охлаждающему воздействию холодного воздуха, что способствует более быстрому образованию льда.
Возьмите две проволочки — стальную и медную или стальную и алюминиевую длиной по 5 см каждая. Отметьте время в секундах и осторожно введите одновременно обе проволочки на 1 см в один и тот же слой верхней части пламени свечи, держа проволочки за один конец двумя пальцами. Пальцы должны захватывать 1 см каждой проволочки. Когда пальцам на одной проволочке станет горячо, нужно выпустить её из рук и отметить время. Так же поступите и с другой проволочкой. Сравните результаты. Остудите обе проволочки в блюдце с холодной водой (или под краном), вытрите их насухо тряпочкой и повторите опыт, чтобы закрепить результат. Сделайте вывод.
Этот опыт позволяет продемонстрировать различия в теплопроводности различных металлов, таких как сталь, медь и алюминий. При проведении эксперимента с проволочками, каждая из которых имеет одинаковую длину и подвергается воздействию пламени свечи, можно наблюдать, как быстро они нагреваются и передают тепло.
Когда вы помещаете проволочки в пламя, тепло передается от пламени к проволочкам. Проволочка с более высокой теплопроводностью будет нагреваться быстрее, и ваши пальцы почувствуют тепло раньше, чем у проволочки с более низкой теплопроводностью. В данном случае медь имеет более высокую теплопроводность по сравнению со сталью и алюминием, поэтому медная проволочка должна нагреться быстрее и вызвать ощущение тепла у ваших пальцев раньше.
Если вы повторите этот эксперимент и получите те же результаты, это подтвердит, что материалы обладают различными свойствами теплопроводности.
В результате эксперимента можно сделать вывод о том, что медь, как и алюминий, проводит тепло лучше, чем сталь. Это также объясняет, почему медные и алюминиевые проводники используются в электрических системах и бытовых приборах, где требуется высокая эффективность передачи тепла и электричества.
Заполните таблицу, используя материалы учебников физики и биологии, а также дополнительную литературу.
№ п/п Название животного Место обитания Анатомические особенности для терморегулирования организма 1 Лев Африка, саванны Большие уши для рассеивания тепла, светлая шерсть, которая отражает солнечные лучи. 2 Полярный медведь Арктика Толстый слой жира и густая шерсть для теплоизоляции, черная кожа, которая поглощает солнечное тепло. 3 Верблюд Пустыни Запас жира в горбах, что позволяет избегать перегрева; способность терять воду без риска обезвоживания. 4 Кенгуру Австралия Густая шерсть, длинные конечности для охлаждения, поведение, включающее лежание в тени. 5 Ящерица Пустыни, степи Способность менять цвет кожи для терморегуляции, укрытие в тени или норы в течение жаркого времени суток. 6 Слон Африка и Азия Огромные уши для рассеивания тепла, способность купаться и распылять воду на кожу для охлаждения. 7 Птица-колибри Северная и Южная Америка Высокая скорость метаболизма, способность регулировать температуру тела с помощью частоты сердечных сокращений. 8 Бобёр Реки и пруды Толстая шкура и подкожный жир, способствующие сохранению тепла в холодной воде.