Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

132. Пляжный парадокс

И теплопроводность, и теплоемкость воздуха намного ниже, чем у воды. Мы быстро нагреваем своим телом прилегающий слой воздуха и перестаем терять тепло. (Одна из причин того, что нам холодно на ветру, – в том, что нам приходится нагревать все новые и новые порции воздуха; вторая причина – более быстрое испарение влаги с поверхности тела. Одежда помогает избежать и того и другого.) Прилегающий слой воды нагреть гораздо сложнее, потому что и плотность вещества, и его удельная теплоемкость гораздо выше, и к тому же оно легко передает тепло дальше, заставляя наше тело отдавать все больше и больше энергии. В конце концов поверхность тела охлаждается практически до температуры воды (а остальное тело «отгораживается» своего рода «теплоизоляцией» – слоем подкожного жира), потери тепла замедляются – и мы наконец перестаем чувствовать дискомфорт.

133. Отопление для холериков и флегматиков

Легко предположить, что ключ к ответу – в различии тепловых свойств железа и кирпича. Сравнив показатели, мы увидим, что кирпич в 2–2,5 раза превосходит железо по удельной теплоемкости, а по теплопроводности, наоборот, уступает в десятки раз. Другими словами, кирпич – более теплоемкий и более теплоизолирующий материал по сравнению с железом. К этому нужно добавить, что большая кирпичная печь во много раз превосходит типичную «буржуйку» по массе. Получается, что железная печь быстро прогревается (за счет большой теплопроводности и малой теплоемкости), быстро передает тепло воздуху и прогревает помещение, но и быстро остывает, когда огонь угас. Кирпичная печь прогревается долго, потому что тепло медленно проходит изнутри наружу, но зато потом так же долго остывает, продолжая нагревать дом еще долго после того, как истлеют последние угли.

Другими словами, большая кирпичная печь выступает в роли аккумулятора (накопителя) тепла: она запасает тепло и потом медленно отдает его, поддерживая температуру в доме в комфортном диапазоне.

134. Искусство поджога

Дерево – материал с низкой теплопроводностью, но все же эта теплопроводность далеко не нулевая. А вот его теплоемкость довольно высокая. Чтобы дерево загорелось, нужно нагреть его открытым огнем до температуры около 200 °C. Если мы пытаемся зажечь от спички полено, до такой температуры нужно нагреть довольно большой участок древесины, которому для этого понадобится много тепла, а он к тому же передает свое тепло другим частям полена. Энергии, выделяемой при горении спички, на это просто не хватает.

135. Где чей чай?

Нуллибер хочет использовать разницу температур. Одинаковые пустые стаканы, скорее всего, имели одинаковую температуру, равную комнатной. Такую же температуру имела и ложечка в стакане Винкеля. Нуллибер налил чай в стаканы практически одновременно – значит, и чай имел одинаковую температуру. При этом себе Нуллибер с самого начала налил больше чая, а у Винкеля кроме прохладного стакана была еще и прохладная ложечка. Другими словами, большее количество чая у Нуллибера отдавало свое тепло только стакану, а меньшее количество чая у Винкеля нагревало и стакан, и ложечку. Чай Винкеля должен быть холоднее!

Попробуйте взять правдоподобные значения масс, теплоемкостей и температур и оценить, сработает ли идея Нуллибера – будет ли разница температур достаточной для того, чтобы ее обнаружить?

19. Тепловое расширение

136. Дырка от шайбы

Прав Винкель. Представьте себе, что в шайбу временно вернули тот центральный диск, который вырезали при ее изготовлении. Этот центральный диск сделан из того же металла, что и шайба, и при нагревании расширится в той же степени – то есть станет больше в диаметре. Значит, станет больше в диаметре и то отверстие в шайбе, которое он занимает.

137. Винкель изобретает

Сначала вспомним, почему столбик ртути в термометре поднимается при нагреве: это происходит из-за теплового расширения. Ртуть, находящаяся в нижней части термометра, увеличивается в объеме, и ее избыток вытесняется в стеклянную трубочку. (Стекло, из которого сделан термометр, тоже расширяется, но его расширение в десятки или даже сотни раз слабее, так что это можно не учитывать.)

Тепловое расширение относительно: если, скажем, 10-сантиметровый отрезок рельса удлинился при нагреве на 1 миллиметр, то 30-метровый отрезок при нагреве на столько же градусов станет длиннее на 30 сантиметров! В обоих случаях произошло удлинение на 1 %.