Глава 1. Тепловые явления. § 8. Конвекция — с. 35
Упражнение 6. Задача 1. Почему радиаторы водяного отопления располагают под окнами?
Решение. Через окна, которые имеют самую низкую температуру в комнате, поступает холод, и воздух возле окна охлаждается, опускаясь вниз. Радиатор, стоящий под окном, нагревает воздух у пола. Нагретый воздух расширяется, становится легче, поднимается вверх вдоль окна, а холодный воздух от окна опускается к радиатору. Возникает циркуляция (конвекция), при которой тёплый воздух вдоль окна встречает холодный воздух и вся комната равномерно прогревается; кроме того, поднимающийся тёплый воздух создаёт у окна «тепловую завесу», препятствующую проникновению холода и запотеванию стекла.
Ответ: радиатор под окном лучше всего прогревает комнату за счёт конвекции: тёплый воздух поднимается от батареи, а холодный у окна опускается к ней.
Ответ: радиатор под окном лучше всего прогревает комнату за счёт конвекции: тёплый воздух поднимается от батареи, а холодный у окна опускается к ней.
Упражнение 6. Задача 2. В каком случае наполненная до краёв кастрюля с кипятком остынет быстрее: когда её поставили на лёд или когда лёд положили на крышку кастрюли?
Решение. Остывание воды определяется тем, как быстро холод распространяется по всей воде. Жидкость охлаждается быстро, если холод поступает сверху. Если лёд положить на крышку, то слои воды у крышки охлаждаются, становятся плотнее и опускаются вниз, а более горячая вода от дна поднимается вверх. Возникает конвекция, и вся вода быстро перемешивается и остывает. Если же кастрюлю поставить на лёд, то охлаждаются нижние слои воды; они плотнее и остаются внизу, вверху остаётся горячая вода, конвекции нет. Передача энергии идёт только теплопроводностью, которая у воды очень мала, поэтому остывание идёт медленнее.
Ответ: быстрее остынет кастрюля, когда лёд положили на крышку.
Ответ: быстрее остынет кастрюля, когда лёд положили на крышку.
Упражнение 6. Задача 3. Что остынет быстрее — стакан с компотом или стакан с киселём?
Ответ обоснуйте.
Решение. Компот — жидкость малой вязкости. При остывании у стенок и поверхности охлаждённые слои опускаются, а тёплые из середины поднимаются, поэтому в компоте происходит конвекция, и энергия быстро переносится к стенкам стакана и к поверхности. Кисель — густая, вязкая масса. Потоки в нём почти невозможны, и конвекция практически отсутствует, энергия передаётся только теплопроводностью, которая у жидкостей мала. Поэтому середина киселя остаётся горячей долго.
Ответ: быстрее остынет стакан с компотом, так как в нём есть конвекция, а в густом киселе конвекция затруднена.
Ответ: быстрее остынет стакан с компотом, так как в нём есть конвекция, а в густом киселе конвекция затруднена.
Упражнение 6. Задача 4. Объясните действие тяги (см. рис. 20). Когда тяга лучше — зимой или летом?
Решение. Над пламенем (рис. 20) воздух внутри трубы нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем холодный воздух снаружи. Поэтому давление у основания трубы со стороны наружного воздуха больше, чем со стороны тёплого воздуха в трубе, и горячий воздух вместе с продуктами горения поднимается вверх по трубе. На место поднимающегося воздуха к пламени через отверстие снизу поступает свежий холодный воздух с кислородом. Так обеспечивается естественный приток воздуха, необходимый для горения в печах, котлах и каминах. Чем больше разность температур воздуха в трубе и снаружи, тем больше разность плотностей и тем сильнее тяга.
Зимой наружный воздух холоднее, чем летом, поэтому разность температур больше.
Ответ: тяга образуется из-за подъёма нагретого воздуха в трубе и притока холодного воздуха; зимой тяга лучше, чем летом.
Зимой наружный воздух холоднее, чем летом, поэтому разность температур больше.
Ответ: тяга образуется из-за подъёма нагретого воздуха в трубе и притока холодного воздуха; зимой тяга лучше, чем летом.
Упражнение 6. Задача 5*. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?
Решение. На орбитальной станции предметы находятся в состоянии невесомости: вещество практически не весит, поэтому на нагретый воздух не действует подъёмная сила (сила Архимеда не возникает), и естественная конвекция отсутствует. Горячие продукты горения (углекислый газ, водяной пар) не поднимаются вверх и не уходят от пламени, а остаются вокруг фитиля. Свежий воздух с кислородом к пламени самостоятельно не поступает: он попадает к нему только очень медленно за счёт диффузии. Поэтому пламя получает мало кислорода, теряет яркость, приобретает шарообразную форму, голубоватый цвет и вскоре гаснет. Свеча будет гореть, если создать вынужденное движение воздуха, например работой вентилятора системы жизнеобеспечения.
Ответ: в состоянии невесомости свеча сама по себе будет гореть недолго и погаснет, так как отсутствует конвекция и нет притока кислорода.
Оговорка: в экспериментах на орбите свеча горит слабым шарообразным пламенем, пока ей хватает кислорода, окружающего пламя.
Ответ: в состоянии невесомости свеча сама по себе будет гореть недолго и погаснет, так как отсутствует конвекция и нет притока кислорода.
Оговорка: в экспериментах на орбите свеча горит слабым шарообразным пламенем, пока ей хватает кислорода, окружающего пламя.
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.
Ход выполнения (при условии, что в комнате тепло, а за дверью — холодный подъезд или улица).
1. Приоткрываем дверь на 2–3 см и держим свечу в щели у верхнего края двери (на уровне 2 м от пола). Пламя уверенно отклоняется наружу, от комнаты к двери — в сторону холодного помещения.
2. Опускаем свечу на середину высоты двери (около 1 м). Пламя почти не наклоняется, горит вертикально, лишь слегка колеблется.
3. Помещаем свечу внизу у порога. Пламя отклоняется внутрь комнаты.
Объяснение. Тёплый воздух в комнате легче холодного. Он поднимается к потолку и вытекает через верхнюю часть щели наружу, а холодный тяжёлый воздух входит в комнату через нижнюю часть щели. Поэтому вверху пламя наклоняется наружу, внизу — внутрь, а в середине потоки встречаются и воздух почти не движется.
Вывод: при разной температуре воздуха по обе стороны двери возникает конвекция; тёплый воздух движется вверху наружу, а холодный внизу — внутрь. По этой причине холодно «дует по ногам» и теряется тепло из комнаты.
Оговорка: в опыте нужна заметная разность температур воздуха; при малой разности наклон пламени будет небольшим. Опыт безопасен только под наблюдением взрослых.
Объяснение. Тёплый воздух в комнате легче холодного. Он поднимается к потолку и вытекает через верхнюю часть щели наружу, а холодный тяжёлый воздух входит в комнату через нижнюю часть щели. Поэтому вверху пламя наклоняется наружу, внизу — внутрь, а в середине потоки встречаются и воздух почти не движется.
Вывод: при разной температуре воздуха по обе стороны двери возникает конвекция; тёплый воздух движется вверху наружу, а холодный внизу — внутрь. По этой причине холодно «дует по ногам» и теряется тепло из комнаты.
Оговорка: в опыте нужна заметная разность температур воздуха; при малой разности наклон пламени будет небольшим. Опыт безопасен только под наблюдением взрослых.