1. Объясните механизм нагревания воды в колбе, поставленной на огонь (см. рис. 18, а).
При нагревании воды в колбе, нижний слой воды, находящийся ближе к источнику тепла, поглощает энергию и нагревается. Нагретая вода расширяется, её плотность уменьшается, и она начинает подниматься вверх. В то же время более холодная и плотная вода опускается вниз, где она нагревается и цикл повторяется. Это движение жидкости за счёт разности температур и плотностей называется конвекцией.
2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой (см. рис. 18, б).
Перемещение воздуха над нагретой лампой происходит аналогично процессу в жидкости. Воздух непосредственно над лампой нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх. Холодный воздух, имеющий большую плотность, опускается вниз, где он нагревается, создавая циркуляцию воздуха. Это также пример конвекции, но в газе.
3. Какой вид теплопередачи называют конвекцией?
Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором тепло передаётся через движение жидкости или газа. Это происходит за счёт разницы температур и плотностей внутри вещества.
4. Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?
Конвекция невозможна в твёрдых телах, потому что частицы твёрдого тела не могут свободно перемещаться друг относительно друга. В твёрдых телах возможны лишь теплопроводность и тепловое излучение.
5. Приведите примеры естественной и вынужденной конвекции в быту и технике.
Примеры естественной конвекции можно наблюдать в природе, например, при нагреве воздуха на земле и образовании ветра. Примером вынужденной конвекции является работа вентилятора или насосов, которые создают поток жидкости или газа для ускорения теплопередачи.
1. В чём различие механизмов передачи энергии при теплопроводности и конвекции?
Теплопроводность и конвекция — это два различных механизма передачи тепла:
Теплопроводность — это процесс передачи тепловой энергии через материю без перемещения частиц. Это явление связано с колебанием молекул и их взаимодействием. Тепло передаётся от более нагретых областей к менее нагретым. Например, когда одна часть металлического стержня нагревается, молекулы в этой области начинают колебаться быстрее и передают свою энергию соседним молекулам.
Конвекция — это процесс, при котором теплота передаётся с помощью движения самих веществ, чаще всего жидкостей и газов. В этом процессе менее плотные, нагретые участки поднимаются, а более холодные, плотные опускаются, что приводит к образованию конвективных потоков. Например, когда вода нагревается на плите, горячая вода поднимается к поверхности, а холодная опускается вниз.
2. Почему жидкости и газы нагревают не сверху, а снизу?
Жидкости и газы нагревают снизу из-за процессов конвекции. Когда источник тепла находится внизу (например, плита для кастрюли с водой), нижний слой жидкости или газа нагревается первым. Этот нагретый слой становится менее плотным и поднимается вверх, а холодные слои, находящиеся выше, опускаются вниз, создавая циркуляцию. Это и есть конвективные потоки, которые обеспечивают равномерное распределение температуры в жидкости или газе.
3. Из курса географии вам известно о существовании бризов — ветров, возникающих около моря. Объясните, используя знания о тепловых явлениях, образование дневного и ночного бриза.
Дневной и ночной бриз возникают из-за разницы в нагревании суши и воды.
Дневной бриз: Днём солнце нагревает землю быстрее, чем воду. В результате воздух над сушей нагревается, становится менее плотным и поднимается. Это создает область низкого давления, в которую начинает поступать более холодный и плотный воздух с моря. Этот ветер называется дневным бризом.
Ночной бриз: Ночью суша остывает быстрее, чем вода, и воздух над сушей становится более холодным и плотным, что приводит к образованию области высокого давления. Более тёплый воздух над морем начинает подниматься, и холодный воздух с суши движется к морю. Этот ветер называется ночным бризом.
УПРАЖНЕНИЕ 6
1. Почему радиаторы водяного отопления располагают под окнами?
Радиаторы располагаются под окнами для компенсации потерь тепла через стекло. В холодную погоду стекло окна охлаждается, и холодный воздух опускается вниз, создавая сквозняк. Радиатор, расположенный под окном, обогревает этот холодный воздух, поднимая его вверх и создавая циркуляцию, что способствует более равномерному распределению тепла в помещении.
2. В каком случае наполненная до краёв кастрюля с кипятком остынет быстрее: когда её поставили на лёд или когда лёд положили на крышку кастрюли?
Кастрюля с кипятком остынет быстрее, если её поставить на лёд. В этом случае тепло от кипятка передаётся льду, который поглощает это тепло, при этом температура льда увеличивается, что способствует его плавлению. Если лёд положить на крышку кастрюли, он будет только изолировать кастрюлю от окружающей среды, что замедлит процесс охлаждения.
3. Что остынет быстрее — стакан с компотом или стакан с киселём? Ответ обоснуйте.
Стакан с компотом остынет быстрее, чем стакан с киселём. Это связано с тем, что компот имеет более низкую вязкость и может лучше проводить тепло, чем кисель, который более густой и вязкий. Кроме того, компот содержит больше жидкости, что увеличивает скорость теплообмена с окружающей средой.
4. Объясните действие тяги (см. рис. 20). Когда тяга лучше — зимой или летом?
Тяга в системе отопления или камине — это движение воздуха, вызванное разницей температур и плотностей. Теплый воздух поднимается вверх, создавая область низкого давления, в которую поступает более холодный воздух.
Тяга лучше зимой, так как разница температур между горячим воздухом в камине и холодным воздухом в помещении или на улице больше, чем летом. Это приводит к более интенсивному движению воздуха и, следовательно, к более сильной тяге.
5*. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?
Свеча не будет гореть на борту космического орбитального комплекса, так как в космосе практически отсутствует атмосфера, а значит, не будет кислорода, необходимого для горения. Даже если в космическом корабле есть кислород, пламя будет вести себя иначе из-за отсутствия гравитации: оно не будет подниматься вверх и может принимать форму шара, что затрудняет его использование для освещения или обогрева.
ЗАДАНИЕ 6
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 движение воздуха через открытую дверь за счёт разности температур внутри и снаружи помещения. Когда вы помещаете зажжённую свечу в разных положениях относительно щели двери, пламя реагирует на воздушные потоки.
Если держать свечу внизу двери, пламя отклонится внутрь помещения, так как холодный воздух снаружи поступает в комнату в нижней части двери. Когда свеча будет в верхней части двери, пламя отклонится наружу, так как тёплый воздух из помещения уходит через верхнюю часть щели. В середине высоты двери движение воздуха может быть минимальным, и пламя либо останется почти неподвижным, либо будет слабо колебаться.
Вывод: тёплый воздух из помещения поднимается и выходит через верхнюю часть двери, а холодный воздух снаружи проникает внутрь снизу. Это типичный пример естественной конвекции воздуха, связанной с разностью температур.