Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

126. Кому в одеяле тепло

Одеяло не греет само по себе – в нем нет источника тепловой энергии. Нам в нем тепло потому, что мы сами и есть источник тепла, а одеяло всего-навсего не дает этому теплу слишком быстро уходить наружу. Одеяло замедляет передачу тепла от более горячего тела к более холодному, если находится между этими телами. Завернув в одеяло что-либо горячее, мы дольше сохраним его горячим, потому что оно будет медленнее отдавать тепло окружающей среде. Завернув в одеяло что-либо холодное, мы дольше сохраним его холодным, потому что помешаем теплу приходить из окружающей среды. Замерзшее мясо, если его завернуть в одеяло, будет оттаивать дольше.

127. Берегите язык!

Металлы обладают высокой теплопроводностью, то есть при контакте с другими телами быстро отдают или забирают тепло. При прикосновении к металлу на морозе тонкий слой влаги на языке за очень короткое время потеряет много тепла и превратится в лед – язык примерзнет к металлу, а это очень болезненная ситуация. В мороз неприятное ощущение «прилипания» вызывает даже прикосновение к металлу голой рукой, поскольку на коже всегда находится немного влаги. Относительно безобидный способ увидеть своими глазами, как быстро все происходит, – прикоснуться к металлу мокрой от снега варежкой.

128. Чем перемешивать угли?

Теплопроводность железа намного выше теплопроводности дерева. Энергия в форме теплоты быстро передается от нагреваемого конца кочерги другому концу, и он тоже раскаляется. Вдоль ветки тепло передается медленно, так что второй конец ветки не разогревается до температуры, при которой к нему невозможно прикоснуться без риска обжечься.

129. Обжигающий чай

Опыт говорит, что металлическая кружка с горячим чаем обжигает губы, а пластиковая – нет. Связано это с теплопроводностью: металл проводит тепло гораздо лучше, чем пластик. Из-за этого край металлической кружки нагревается быстрее и сильнее – практически до температуры чая. Но даже если у пластиковой кружки было достаточно времени, чтобы ее край нагрелся до высокой температуры, она все равно остается комфортнее металлической. Когда мы прикасаемся губами к горячему пластику, губы получают небольшую порцию тепла и при этом нагреваются, но пластик охлаждается. Температура выравнивается – и теплообмен останавливается. Прикасаясь губами к краю металлической кружки, мы тоже забираем тепло, но на его место быстро поступает тепло от других частей кружки, то есть губы продолжают получать тепло и нагреваться. Наши теплочувствительные рецепторы реагируют на непрекращающийся нагрев: горячо!

(Ситуация очень похожа на ту, которая описана в задаче 127, только теперь речь идет о нагреве, а не об охлаждении.)

130. Кондиционер в кондиции

Работающий кондиционер охлаждает воздух, пропуская его через себя. Холодный воздух склонен опускаться, вытесняя более теплые массы наверх. Если поставить кондиционер внизу, он охладит нижний слой воздуха, но не затронет теплый слой, находящийся у потолка. Возникнет дискомфортная для организма ситуация, когда внизу холодно, а вверху жарко. Разместив кондиционер вверху, мы позволяем ему охлаждать воздух в помещении более равномерно: охлажденная масса опускается, нагретая поднимается и попадает в кондиционер для охлаждения.

131. Парниковый эффект

Немного переформулируем вопрос: почему около земной поверхности в парнике теплее, чем около такой же поверхности на открытом воздухе? Поскольку почва одна и та же, а обогревателей в парнике нет, то и получаемая энергия одна и та же, ее основным источником служит солнечный свет. (В парнике ситуация даже хуже: туда поступает меньше солнечной энергии, потому что стекло или полиэтилен, покрывающий парник, не абсолютно прозрачен.) Значит, разница не в том, сколько энергии приходит, а в том, сколько уходит.

Нам знакомы три основных вида теплопередачи: излучение, конвекция и теплопроводность. Нагретая солнцем почва теряет тепло всеми тремя путями: за счет теплопроводности более глубокие слои почвы нагреваются от поверхностных; за счет конвекции теплый воздух, нагревшийся у земли, уносит тепло вверх, а на смену ему приходит холодный; наконец, нагретая почва излучает инфракрасные электромагнитные волны.

Конструкция парника перекрывает два из трех путей остывания, препятствуя потерям тепла через конвекцию и излучение: крыша парника просто механически не выпускает теплый воздух и не дает ему уносить тепло, а материал крыши – стекло и полиэтилен – хорошо задерживает инфракрасное (тепловое) излучение.

Похожим образом удерживает солнечное тепло весь наш земной шар: тяготение не отпускает воздух, а прослойка парниковых газов в атмосфере не пропускает инфракрасные лучи. Другими словами, Земля в этом смысле напоминает большой парник. Поэтому нагрев атмосферы из-за накопления парниковых газов получил название парникового эффекта.

18. Теплоемкость