2. Способы передачи теплоты

Вначале решают задачи на теплопроводность твердых тел. Эти задачи обычно не вызывают особых затруднений. Задачи на теплопроводность жидкостей и газов сложнее, так как обычно здесь наблюдается не только теплопроводность, но и конвекция. Поэтому нужно тщательно подбирать первые задачи к данной теме, исключая те, при решении которых требуется учитывать конвекцию.

Задачи о конвекции должны помочь осознать причину ее возникновения, значение в природе и использование в технике и быту.

При решении задач на лучеиспускание и лучепоглощение нужно иметь в виду следующее: для учащихся далеко не очевидно существование невидимых инфракрасных лучей. Трудно усваивают они утверждение о том, что тела (например, черные), больше поглощающие лучистой энергии, обладают большей излучательной способностью. В связи с этим следует решить ряд экспериментальных задач, обращая самое пристальное внимание на истолкование результатов опытов и наблюдений.

В заключение следует рассмотреть более сложные случаи теплопередачи, когда приходится учитывать одновременно и теплопроводность, и конвекцию, и лучеиспускание.

178. Если налить в стакан горячую воду, то рука быстро почувствует, что стекло стало горячим. Объясните с помощью молекулярной теории процесс передачи тепла стенками стакана.

179 (э). Взяв в руку гвоздь длиной 5—6 см, внесите его конец в пламя спички. На основе опыта сравните теплопроводность дерева и железа. Объясните, почему рука может почувствовать гвоздь особенно горячим уже после того, как спичка погаснет?

180. Рассмотрите приведенную ниже таблицу суточных колебаний температуры почвы на разных глубинах и объясните приведенные в ней данные.

(см. скан)

181. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге (например, в Туркмении) — от жары. Объясните целесообразность этого.

182. Какой снег — рыхлый или плотный — лучше предохраняет озимые посевы от вымерзания?

183. Почему дым над костром поднимается вверх?

184. Где должна лучше гореть свеча — в кабине космического корабля при невесомости или на Земле?

Ответ. На Земле, так как здесь благодаря архимедовой силе возникают конвекционные потоки, уносящие продукты горения и приносящие кислород.

185. Где в бытовых холодильниках помещают замораживатель и почему?

186. Все знают, как «пышет жаром» от раскаленной железной печи, от углей или электроплитки. Докажите, что в этом случае человек ощущает тепло, которое передается прежде всего лучами.

187 (з). В два одинаковых сосуда (например, в высокие консервные банки), один из которых выкрашен черной, а другой белой, краской, налейте кипяток и поместите термометры. Измерьте температуру воды через несколько минут и объясните разницу в показаниях термометров.

188. Один ученик утверждал, что летом ходить в белой одежде прохладнее, поскольку она лучше отражает лучи и меньше нагревается. Другой возразил ему, сказав, что прохладнее в черной одежде, так как она лучше испускает лучи. Кто из них прав?

Решение. При одной и той же начальной температуре одежды возможны три случая, а) Приток тепла извне незначителен. В этом случае черная одежда будет охлаждаться больше, чем белая, подобно тому, как это было в предыдущей задаче, б) Приток тепла извне велик. Равновесие лучепоглощения и лучеиспускания

для черной одежды наступает при болеэ высокой температуре, чем для белой, что практически бывает летом на солнцепеке, в) Очевидно, возможны и некоторые средние условия, когда совокупность обоих факторов (лучеиспускания и лучепоглощения) приведет к одинаковой температуре белой и черной поверхности.

189. Почему глубокие водоемы не промерзают до дна?

Ответ, а) Из-за особенности теплового расширения воды в водоемах зимой отсутствует конвекция: наиболее плотные слои, имеющие температуру около располагаются внизу; б) вода имеет плохую теплопроводность; в) лед и снег, покрывающие водоем, плохо проводят тепло; г) поверхность льда отражает тепловые лучи, идущие от дна водоема.