ГДЗ по физике, 8 класс, Перышкин, номер 8.2: Конвекция

План решения:

• Описать механизм конвекции в воздухе над лампой: нагревание, изменение плотности и движение потоков.
• Объяснить принцип нагрева жидкостей и газов снизу через призму того же механизма конвекции.

Вычисление (логическое обоснование):

1. Перемещение воздуха над нагретой лампой.

Воздух, находящийся непосредственно над раскалённой нитью лампы или её корпусом, получает тепловую энергию и сильно нагревается. При нагревании газы расширяются, то есть объём той же массы воздуха увеличивается. Согласно формуле плотности ρ=m/V, при увеличении объёма V плотность воздуха ρ уменьшается.

Более лёгкий (разреженный) горячий воздух под действием выталкивающей силы Архимеда начинает всплывать вверх. На его место с боков и снизу поступает более холодный и плотный воздух из окружающей среды. Этот холодный воздух также соприкасается с горячей поверхностью, нагревается и повторяет цикл. Таким образом, возникает непрерывное круговое движение воздушных масс — конвекционный поток.

2. Почему жидкости и газы нагревают снизу?

Жидкости и газы обладают малой теплопроводностью, поэтому они не могут эффективно передавать тепло от источника к остальным слоям только за счёт молекулярного переноса энергии. Основной способ передачи тепла в этих средах — конвекция.

Если нагревать сосуд снизу, то нижние слои жидкости или газа нагреваются первыми. Их плотность становится меньше, чем у верхних слоёв, и они начинают всплывать вверх, унося с собой тепло. Холодные верхние слои опускаются вниз к источнику тепла, чтобы тоже нагреться. Это создаёт устойчивый круговорот, благодаря которому весь объём вещества быстро прогревается равномерно.

Если же попытаться нагреть жидкость или газ сверху, то верхний слой станет горячим и менее плотным, но он уже находится наверху и не может «опуститься» вниз. Конвекционные потоки не возникнут, так как тяжёлые холодные слои будут лежать внизу, а лёгкие горячие — оставаться наверху. Тепло будет распространяться вниз только за счёт очень медленной теплопроводности, что приведёт к неравномерному и крайне длительному нагреву всего объёма.

Проверка:

Ответ согласуется с законами физики: конвекция возможна только тогда, когда нагретые частицы становятся легче и поднимаются, замещаясь холодными. Это объясняет эффективность нагрева снизу и неэффективность нагрева сверху для флюидов (жидкостей и газов).