Почему лед обладает плохой теплопроводностью

О чем умолчал Перышкин?
О том, как сделать домашнее задание, ответить на вопросы и решить задачи в упражнениях!
Уверена, что думающие ученики сначала всё сделают сами, а эти сведения будут помощью «застрявшим в пути».
Ответы на ДЗ по физике помогут вам проверить себя и найти ошибки.

Ответы на ДЗ из упражнений соответствуют всем выпускам учебников этого автора, начиная с 1989 г.
Так как номера упражнений с одинаковыми вопросами в разных выпусках различаются, ответы на вопросы к упражнениям скомпонованы по темам параграфов.
На этой странице ГДЗ по темам: «Теплопроводность, конвекция, излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике»

Теплопроводность

1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет хлеба на полях от вымерзания?

В толстом слое рыхлого снега между снежинками много воздуха, а воздух плохо проводит тепло, то есть он имеет низкую теплопроводность.
Поэтому зимний холод снаружи плохо проходит к поверхности земли , тепло под снегом сохраняется, и хлеба не промерзают.

2. Чем объяснить большую разницу между теплопроводностью сосновых опилок и сосновых досок (это справедливо и для других пород деревьев)?

В куче опилок расстояния между опилками большие и заполнены воздухом, а воздух имеет плохую теплопроводность.
Волокна же в доске расположены близко друг к другу, и такого количества воздуха внутри доски нет.
Поэтому теплопроводность опилок значительно меньше, чем у доски (для сосны в 3,7 раза).

3. Почему вода не замерзает под толстым слоем льда?

Лёд обладает плохой теплопроводностью. Поэтому наружный зимний холод плохо проникает через слой льда, и вода подо льдом не замерзает.

4. Почему выражение «шуба греет» неправильно?

Сама шуба не является источником тепла.
Однако воздух, находящийся между ворсинками меха имеет плохую теплопроводность и не пропускает ни наружный холод к телу человека, ни тепло от человека через шубу наружу.
Итак, шуба лишь сохраняет тепло тела, но не греет его.

5. Ножницы и карандаш, лежащие на столе, имеют одинаковую температуру. Почему на ощупь ножницы кажутся холоднее?

Что значит, руке холодно или тепло?
Когда рука соприкасается с окружающей средой (например, воздухом) или предметом, всегда начинается теплообмен между ними, т.е. выравнивание температур.
Если воздух или предмет холоднее руки, он отбирает у нее тепло, и рука ощущает холод.
Если воздух или предмет теплее руки, он сообщает руке тепло, и рука ощущает тепло.

Температура тела человека равна 36,6 °С, а воздуха обычно ниже.
Берем в одну руку металлические ножницы, в другую — деревянный карандаш.
Свойство металлов — быстро нагреваться (или остывать), а дерево нагревается (и остывает) медленнее.
То есть теплопроводность у металлов высокая, а у дерева низкая.

При соприкосновении с рукой металл начинает быстро забирать тепло от руки и распространять его по всему своему объему.
Рука при этом чувствует холод.
Лишь через какой-то промежуток времени металл прогреется целиком до температуры человеческого тела, и рука перестанет ощущать холод.
С деревом все по-другому.
При соприкосновении с рукой дерево тоже начинает отбирать тепло у руки, но температуры руки и поверхностного слоя дерева в месте соприкосновения быстро выравниваются, и рука не чувствует холода.
Внутренние же слои дерева еще долго остаются холодными, так как теплопроводность дерева низкая.
В результате, руке кажется, что карандаш теплее ножниц.

Конвекция

1. Почему подвал — самое холодное место в доме??

Подвал – это самое холодное место в доме, потому что он находится в доме в самом низу.
Ведь благодаря конвекции теплый воздух всегда стремится подняться вверх.

2. Правильно ли, что форточки всегда размещают в самом верху окна, а батареи отопления у пола?

Да. Батарея отопления под окном нагревает воздух внизу комнаты.
Затем благодаря конвекции теплый воздух поднимается вверх.
Остывая, он вновь опускается к батарее.
Так происходит перемешивание и прогревание воздуха по всему объему комнаты.
Если батареи поставить под потолком, то теплый воздух всегда будет наверху, а внизу будет холодно – перемешивания холодного и теплого воздуха происходить не будет.
Форточки делают под потолком для проветривания помещения.
При открытой форточке теплый «отработанный» воздух выходит на улицу, а чистый прохладный воздух с улицы через нижнюю часть форточки попадает в комнату.

3. Как же зимой охлаждается воздух в комнате при открытой форточке?

Проветривание комнаты происходит благодаря конвекции.
Например, зимой при открытой вверху форточке теплый воздух через верхнюю часть форточки выходит из комнаты и на улице поднимается вверх.
Х олодный воздух с улицы через нижнюю часть форточки проходит в комнату и опускается к полу вниз.

Излучение. Виды теплопередачи

1. Каким образом летом нагревается воздух в здании? Какие виды теплопередачи при этом присутствуют?

а) Воздух в помещении нагревается благодаря прогреву стен.
В данном случае надо говорить о теплопроводности материала стен.
Излучение невозможно, т.к. стены не прозрачны, кроме того, в твердых телах и конвекция тоже невозможна, т.к. длля конвекции необходимы потоки газа или жидкости.

б) Воздух нагревается через оконные стекла, которые пропускают солнечную энергию.
Здесь основным способом теплопередачи является излучение.
В незначительной степени передача солнечной энергии происходит за счет теплопроводности стекла.
Конвекция невозможна, т.к. стекло твердое тело.

в) Летом воздух в помещении с открытыми окнами прогревается в основном потоками теплого воздуха через окна.
Этот способ теплопередачи называется конвекцией.
Возможна передача части энергии излучением.
Передача энергии за счет теплопроводности воздуха ничтожна, т.к. теплопроводность воздуха очень плохая.

2. Приведите примеры, когда тела с темной поверхностью нагреваются излучением сильнее, чем тела со светлой поверхностью.

Например:
Человеку в жару прохладней в светлой одежде, а жарче в темной.
Грязный снег весной тает быстрее, чем чистый.
Цвет обшивки самолетов делают светло серебристым, чтобы лучше происходило отражение солнечной энергии и самолет меньше нагревался солнцем.

3. Каким способом передается энергия от Солнца к Земле?

Передача солнечной энергии способом теплопроводности или конвекции невозможна, т.к. для этого нужно вещество, а в космосе вакуум.
Солнечная Энергия передается от Солнца к Земле только излучением.

Примеры теплопередачи в природе и технике

1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Заводским трубам придают обычно большую высоту, исходя из двух целей:
1) управление тягой печей и экономия топлива;
2) отведение продуктов горения в верхние слои атмосферы.

Продукты горения даже в очень малых долях вредны и ядовиты.
Но, дым, выйдя из высокой трубы еще нагретым, поднимается еще выше, проходит через верхние слои воздуха, перемешивается с ними и становится допустимой смесью.

Главной же причиной в необходимости высоких труб является получение сильной тяги в печах, чтобы сгорание топлива было полным. Известно, что для горения необходим кислород.
Обычно вес воздуха, поступающий в печь для горения, превосходит вес топлива примерно в 1,5 раза.
Теплота, получаемая при горении, определяется воздухом не менее, чем топливом. Количество тепла, получаемое при сжигании топлива, возрастает с количеством подводимого воздуха.
А количество подводимого воздуха зависит от тяги в трубе.
Тяга же в трубе во многом зависит от ее высоты. В дымовых трубах скорость движения газов зависит от разности давлений (или от разностей веса этих газов, или плотности холодного и нагретого воздуха).
Дымовая труба действует как насос, у ее основания внутреннее давление менее, чем наружное или атмосферное.
Чем выше труба над топкой, тем больше разница давления наружного воздуха и воздуха в топке и трубе, тем большую тягу обеспечивает труба.

2. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Сила тяги зависит от разности удельного веса воздуха снаружи и газов внутри трубы.
А эта разность зависит от разности температур воздуха снаружи и газов в трубе.
Чем эта разность между температурами и, следовательно, между наружным давлением воздуха и давлением газов в трубе больше, тем сильнее тяга.
Зимой воздух холоднее, его плотность и создаваемое им давление больше.
Вот почему зимою в морозы тяга в печах лучше, чем летом, весной или осенью. Летом иногда может совсем не быть тяги, когда труба сильно охлаждается за ночь, а солнце рано утром нагревает окружающий трубу воздух. Говорят: «Солнце сидит на дымовой трубе».

3. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Высокая теплопроводность металла способствует быстрому охлаждению газов, проходящих через трубу, их плотность увеличивается и разница в давлениях в трубе и вне ее уменьшается, что и вызывает ухудшение тяги в трубе.
Кирпич же имеет маленькую теплопроводность, поэтому в кирпичной трубе воздух дольше остается теплым, и тяга лучше, чем в металлической трубе.

4. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением.
Какая из причин нагревания приобретает большее значение при увеличении высоты полета? при уменьшении высоты?

На большей высоте полета разреженность атмосферы приводит к уменьшению трения воздуха об обшивку космического корабля.
Здесь основной причиной нагревания обшивки становится солнечное излучение.

При уменьшении высоты полета плотность воздуха увеличивается, и трение его об обшивку увеличивается.
Здесь более плотный воздух сильнее рассеивает солнечные лучи.
С уменьшении высоты полета большее значение приобретает нагрев обшивки за счет трения о воздух.

5. Один из способов поддержания определенной температуры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость заполняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентилятора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Естественная конвекция, т.е. перемешивание слоев воздуха, происходит при неравномерном нагревании воздуха и действии на него силы тяжести.
Вблизи поверхности Земли менее нагретые слои воздуха имеют большую плотность и под действием силы тяжести опускаются вниз.
Более нагретые слои воздуха имеют меньшую плотность и под действием силы Архимеда поднимаются вверх.
В кабине корабля тяготения нет, и естественной конвекции также не возникает.

Источник

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
По мере уменьшения температуры показатель снижается.

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

Вода под слоем льда: Freepick

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник