Глава 1. Тепловые явления. § 7. Теплопроводность — с. 31
§ 7. Дополнительный вопрос 1. Греет ли ватное одеяло?
Само ватное одеяло не греет, так как не является источником энергии. Оно лишь уменьшает потери тепла телом человека: вата содержит много воздуха между волокнами, а воздух обладает плохой теплопроводностью. Одеяло, как слой теплоизоляции, задерживает энергию, выделяемую нашим телом, поэтому под ним мы согреваемся. Если же завернуть в одеяло кусок льда, он будет таять медленнее, так как одеяло задерживает тепло и из окружающего воздуха.
§ 7. Дополнительный вопрос 2. Почему пористые материалы обладают плохой теплопроводностью?
Пористые материалы (пенопласт, вата, пористый кирпич, снег, мех) содержат множество мелких пор, заполненных воздухом. Воздух, как и другие газы, обладает очень плохой теплопроводностью, так как молекулы газа расположены далеко друг от друга и слабо взаимодействуют. Твёрдые перегородки между порами тонкие и передают энергию вдоль материала по длинному извилистому пути, а мелкие поры не дают воздуху свободно двигаться и переносить тепло конвекцией. Поэтому в целом пористые материалы плохо проводят тепло.
§ 7. Дополнительный вопрос 3. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему же на ощупь ножницы кажутся холоднее?
Температура ножниц и карандаша одинакова, но у металла теплопроводность намного больше, чем у дерева. Когда мы касаемся рукой ножниц, энергия быстро отводится от нашей кожи вглубь и по всему металлу, поэтому кожа заметно охлаждается, и нам кажется, что ножницы холодные. Дерево проводит тепло плохо: его поверхность быстро нагревается до температуры кожи, и энергия почти не уходит. Ощущение холода зависит не от температуры предмета, а от скорости, с которой он отбирает энергию у кожи.
Упражнение 5. Задача 1. Почему металлический чайник, стоящий на огне, брать рукой опасно, а горящую спичку можно держать, не обжигаясь?
Решение. Металл обладает хорошей теплопроводностью: энергия быстро передаётся от нагретых стенок и ручки чайника к руке, и можно получить ожог. Дерево обладает плохой теплопроводностью, поэтому при горении тепло от пламени очень медленно передаётся по спичке к противоположному концу, и пальцы остаются холодными.
Ответ: металл хорошо проводит тепло, а дерево — плохо.
Ответ: металл хорошо проводит тепло, а дерево — плохо.
Упражнение 5. Задача 2. Почему пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем полнотелый?
Решение. В пустотах пустотелого кирпича находится воздух, а воздух — плохой проводник тепла. Кроме того, в тонких замкнутых полостях воздух почти не перемещается, поэтому конвекция отсутствует. Теплоизоляция стены из такого кирпича лучше, чем из сплошного, теплопроводность которого больше.
Ответ: потому что в пустотах кирпича находится воздух, обладающий плохой теплопроводностью.
Ответ: потому что в пустотах кирпича находится воздух, обладающий плохой теплопроводностью.
Упражнение 5. Задача 3. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться на ощупь одинаково нагретыми?
Решение. Ощущение тепла или холода зависит от того, в каком направлении и как быстро передаётся энергия между телом и кожей. Если температура предмета равна температуре поверхности кожи (около 33–36 °C, температура тела человека), то теплопередача между ними не происходит, и разницы ощущений между металлом и деревом нет. Если температура предмета ниже, металл отбирает энергию быстрее и кажется холоднее; если выше, то металл быстрее нагревает кожу и кажется горячее дерева.
Ответ: при температуре, равной температуре тела человека (около 36 °C).
Ответ: при температуре, равной температуре тела человека (около 36 °C).
Упражнение 5. Задача 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?
Решение. Лёд нарастает снизу за счёт того, что вода под ним отдаёт энергию холодному воздуху через лёд и выше лежащий слой. Снег — пористый материал, между снежинками много воздуха, и он обладает плохой теплопроводностью, поэтому слой снега служит теплоизолятором и уменьшает отдачу энергии воздуху. Под снегом вода замерзает медленно, и лёд получается тонким. На расчищенной половине энергия уходит быстрее, вода замерзает активнее, и лёд нарастает толще.
Ответ: толщина льда больше на расчищенной половине пруда.
Ответ: толщина льда больше на расчищенной половине пруда.
Задание 4. 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.
Ход выполнения.
1. Берём стальную и медную проволочки длиной по 5 см, одинаковой толщины. Берём каждую за один конец двумя пальцами (захват 1 см). Включаем секундомер и одновременно вводим свободные концы проволочек на 1 см в верхнюю часть пламени свечи. Соблюдаем осторожность.
2) Пальцам на медной проволочке станет горячо первыми: типичное время около 6 с. Отпускаем её и отмечаем время t₁ ≈ 6 с. Пальцам на стальной проволочке станет горячо позже: t₂ ≈ 14 с.
3) Охлаждаем обе проволочки в блюдце с холодной водой, вытираем насухо и повторяем опыт: получаем близкие значения (медная ≈ 5–7 с, стальная ≈ 13–15 с). Конкретные числа зависят от толщины проволок и пламени.
Сравнение: t₁ < t₂, то есть энергия по медной проволоке дошла до пальцев быстрее.
Вывод: теплопроводность меди больше, чем стали (и алюминия больше, чем стали): медь передаёт тепло лучше. Разные металлы обладают разной теплопроводностью.
Оговорка: время зависит от оборудования, значения приведены ориентировочно.
2) Пальцам на медной проволочке станет горячо первыми: типичное время около 6 с. Отпускаем её и отмечаем время t₁ ≈ 6 с. Пальцам на стальной проволочке станет горячо позже: t₂ ≈ 14 с.
3) Охлаждаем обе проволочки в блюдце с холодной водой, вытираем насухо и повторяем опыт: получаем близкие значения (медная ≈ 5–7 с, стальная ≈ 13–15 с). Конкретные числа зависят от толщины проволок и пламени.
Сравнение: t₁ < t₂, то есть энергия по медной проволоке дошла до пальцев быстрее.
Вывод: теплопроводность меди больше, чем стали (и алюминия больше, чем стали): медь передаёт тепло лучше. Разные металлы обладают разной теплопроводностью.
Оговорка: время зависит от оборудования, значения приведены ориентировочно.