Быстрее нагреется сосуд с воздухом чем с водой
Сегодня довести воду до кипения не представляет каких-либо трудностей. Для этого нужно всего лишь включить на кухне плиту и поставьте на нее чайник. Обычно кипячение воды занимает всего несколько минут. Но вы наверняка замечали, что после кипения вода охлаждается до своей первоначальной температуры гораздо дольше. Чтобы остыть до двадцати градусов по Цельсию может потребоваться несколько часов (в зависимости от конструкции чайника). Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?
Быстрый нагрев и медленное охлаждение
Давайте рассмотрим это явление на примере металлического чайника, наполненного водой. Вода, которую нужно нагреть от нормальной комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию) до температуры кипения, должна преодолеть разницу в 80 градусов. При этом она поглотит определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул воды.
Источник изображения: mineral-medix.com
Количества тепла, необходимое для нагрева тела определенной температурой, можно рассчитать с использованием следующего соотношения:
Q = масса тела * удельная теплоемкость * разница температур
Из этой простой формулы есть несколько интересных следствий. Чем больше масса тела, тем больше тепла оно потребляет. Разные вещества потребляют разное количество энергии. Чем выше желаемая температура, тем больше энергии нам потребуется на нагрев.
Охлаждение работает точно так же, но с одним небольшим отличием – тепло в этом случае передается от горячей воды во внешнее пространство вокруг чайника.
Температура варочной панели обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия. Поэтому она может передавать значительное количество энергии в воду и быстро нагревать ее до температуры, при которой она начинает испаряться (100 °С) Для такого же быстрого охлаждения нам понадобится такая же большая разница температур – температура внешней среды должна быть минус несколько сотен градусов Цельсия. Безусловно, ничего подобного в природе не встречается, поскольку минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной -273,15°С (абсолютный ноль температуры). А наш хладагент (воздух вокруг чайника) имеет температуру около + 20 °C. Таким образом, охлаждение происходит намного медленнее, чем нагрев воды.
Тепло – вид энергии
Большинство людей недооценивает количество энергии, которую потребляет вода для ее нагрева. Для нагрева 1 кг воды на 1 градус требуется 4187 Дж. На первый взгляд это не очень интересно.
Но представьте, что мы приложим то же количество энергии не для нагрева 1 кг воды, а для ее ускорения (кинетическая энергия).
Источник изображения: dw.com
Согласно формуле E = (m * v2) / 2, 1 кг воды при приложении 4187 Дж энергии достигнет скорости 329 км / ч. Это скорость, которую развивают некоторые скоростные поезда при оптимальных условиях.
Точно так же эта энергия может быть затрачена на преодоление гравитационного поля Земли. Тогда 1 кг воды будет находиться на высоте 426 метров (высота Эйфелевой башни 324 метра)
Эйфелева Башня. Источник изображения: REUTERS/Gonzalo Fuentes
До сих пор мы говорили о количестве энергии, необходимой для повышения температуры воды на один градус….А теперь представьте, какое количество энергии скрывается в 62 кг «живого веса» человека ( (среднее значение), если наши тела обычно на 20 градусов теплее окружающей среды.
Источник изображения: pixabay.com
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
#хакнем_физика ???? рубрика, содержащая интересный, познавательный контент по физике как для школьников, так и для взрослых ????
Если решая математические задачи, следует руководствоваться только условиями, в том числе и неявно заданными (например: находя градусную меру одного из смежных углов в случаях, когда известна градусная мера другого, непременной частью условия является значение суммы градусных мер смежных углов, равной 180 град.), то при решении физических задач следует учитывать ВСЕ физические явления и процессы, влияющие на результат рассматриваемой в задаче ситуации.
Вот для примера известная и часто встречающаяся во многих учебниках и сборниках задач, в том числе и олимпиадных (и не только для семиклассников) по физике.
ЗАДАЧА
В стакане с водой плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды, когда лёд растает?
Прежде чем продолжить чтение, предлагаю читателю дать (хотя бы для себя) обоснованный ответ на вопрос задачи…
В «Сборнике вопросов и задач по физике» [Н.И. Гольдфарб, изд. 2, «Высшая школа», М.: 1969] эта задача, помещённая как часть № 10.7 на стр. 48, на стр.193 приводится ответ:
«Лёд вытесняет воду, вес которой равен весу льда. Когда лёд растает, образуется такое же количество воды, поэтому уровень не изменится».
Такой же ответ приводится и во многих других сборниках…
А вот в популярнейшем и по сей день, выдержавшим множество изданий трёхтомнике «Элементарный учебник физики» под редакцией академика Г.С. Ландсберга [т. I, изд. 7, стереотипное, «Наука», М.: 1971] ответа на эту задачу (№ 162.2, стр. 351) не приводится. И это не случайно!
Что же не учтено в вышеприведённом ответе? Правильно! Не учтено, что при таянии льда вода в стакане охлаждается — именно поэтому мы и бросаем туда кусочек льда!
Вот как должен выглядеть правильный ответ:
«При таянии льда вода в стакане охлаждается. При охлаждении все вещества уменьшаются в объёме. Однако вода, единственная из всех известных веществ, имеет наибольшую плотность при температуре +4 град. С, а это значит, что при дальнейшем охлаждении данная масса воды увеличивается в объёме, что, как мне это было известно из курса природоведения в 5 классе (1961/1962 учебный год), является условием сохранения жизни на Земле, поскольку позволяет достаточно глубоким водоёмам не промерзать до самого дна!).
При этом возможно три варианта развития ситуации:
I. Если температура воды до начала таяния льда была выше 4 град. С и, хотя и понизилась после таяния льда, но осталась выше этой температуры, то уровень воды в стакане уменьшится.
II. Если температура воды до начала таяния льда была ниже 4 град. С, а после таяния льда ещё и уменьшилась, то уровень воды в стакане увеличится.
III. В случае, когда начальная температура воды была выше 4 град. С, а после того как лёд растаял, оказалась ниже этой температуры, то об уровне ничего определённого сказать нельзя — нужны конкретные данные о температуре и массе воды и льда, чтобы дать точный ответ на вопрос задачи!».
С этой задачей связана для меня одна интересная история.
Лет 15 назад во дворе дома, в котором я живу, ко мне с грустным выражением лица подошёл паренёк по имени Серёжа и попросил помочь подготовиться к предстоящей ему завтра апелляции по физике в нашем Политехническом институте (ныне Технический университет).
Поскольку времени было слишком мало, то я ограничился советом: если, по его мнению, апелляция пройдёт не очень удачно, и надежды исправить тройку на вступительном экзамене не будет, то попросить экзаменатора ответить на вопрос этой задачи и заставил его дословно вызубрить приведённый выше ответ и даже отработал с ним интонацию изложения этого ответа. На следующий вечер он подошёл ко мне с достаточно счастливым видом.
Вот его рассказ, каким я его запомнил:
«Всё получилось так, как Вы и хотели. Апелляцию проводили два человека: профессор и ассистент кафедры общей физики института. Мне выпало общаться с ассистентом, а профессор в это время общался с другим абитуриентом.
В ответ на мою просьбу ответить на мой вопрос ассистент слегка улыбнувшись сказал: «Пожалуйста…».
«После того, как я проговорил условие задачи, ассистент, широко улыбнувшись, произнёс: «Ну, это известная задача. Уровень воды не изменится — это следует из закона Архимеда: плавающий лёд вытесняет массу воды, равную массе льда. Образовавшаяся при таянии льда вода заполнит тот объём, который занимал в воде плавающий лёд…».
«Позвольте с Вами не согласиться», — начал я и затем совершенно спокойно слово в слово пересказал заготовленный нами ответ…
В это время профессор жестом остановил своего абитуриента и стал внимательно меня слушать…
Когда я закончил, возникла небольшая пауза…Профессор, обращаясь к ассистенту спросил: «Что скажешь?».
«Кажется, всё верно», — неуверенно ответил тот, на что профессор сказал, что никогда ещё не слышал столь аргументированного ответа, после чего, уже обращаясь ко мне, добавил: «Молодой человек, мы, к сожалению, не можем поднять Вам оценку сразу на два балла, но четвёрку Вы очевидно заслужили!»».
Мне остаётся лишь добавить, что Серёжа был зачислен студентом!…
Наши читатели могут поделиться своим мнением по поводу решения задачи. Если вам было интересно, не забудьте подписаться на наш канал и хэштег #хакнем_физика
Автор: #себихов_александр 71 год, много лет проработал конструктором-технологом микроэлектронных приборов и узлов в одном из НИИ г. Саратова, затем преподавателем математики и физики.
Другие статьи автора:
Вы читаете контент канала “Хакнем Школа”. Подпишитесь на наш канал, чтобы не терять его из виду.
Источник
684. В сосуд с горячей водой опустили одновременно серебряную и деревянную палочки одинаковой массы. Какая из палочек быстрее нагреется? Как при этом изменится внутренняя энергия воды? палочек? Каким способом осуществляется теплообмен между водой и палочками?
Серебряная палочка нагреется быстрее, так как она обладает большей теплопроводностью. Внутренняя энергия воды уменьшится, потому что она отдаст ее часть палочкам. Внутренняя энергия палочек увеличится, так как они будут получать ее от воды. теплообмен осуществляется путем теплопередачи.
685. Если на морозе потрогать металлические и деревянные перила, какие кажутся холоднее? Почему?
Металлические покажутся более холодными, потому что теплопроводность у металлов больше, чем у дерева.
686. Ручки кранов с горячей водой обычно делают керамическими или пластмассовыми. Почему?
Керамика и пластмасс обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с металлическими частями крана, которые быстро нагреваются. Поэтому надев на кран ручку из материала, обладающего плохой теплопроводностью, мы предохраняем себя от ожогов.
687. В холодных местах трубы водопровода окутывают минеральной ватой и обивают досками. Для чего это делают?
Для изоляции труб. Изоляция позволяет уменьшить теплообмен с окружающей средой, тем самым уменьшая потери тепла.
688. Под толстым слоем соломы или сена снег тает медленно. Почему?
Солома обладает низкой теплопроводностью, а также защищает снег от прямых солнечных лучей. Тем самым, не давая ему нагреться.
689. Термос представляет собой сосуд с двойными стенками. Воздух из пространства между стенками откачан. Почему температура залитой в термос жидкости меняется очень медленно?
Вакуум между стенками термоса обладает низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую изоляцию жидкости от окружающей среды.
690. Почему двойные оконные рамы меньше пропускают холод, чем одинарные?
Потому что воздух между рамами обладает низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию помещения.
691. Если снег засыплет зеленую траву до наступления сильных морозов, то трава благополучно перезимует, оставаясь такой же зеленой. Почему?
Потому что снег и воздух обладают низкой теплопроводностью, что обеспечивает защиту травы от мороза.
692. Почему в меховой шубе тепло даже в сильные морозы?
Потому что мех и воздух между ворсинками меха обладают низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию тела от окружающей среды.
693. Зачем у ружья приклад и ствольную накладку делают из дерева?
Для обеспечения безопасности при стрельбе. Дерево будет плохо нагреваться, и это позволит стрелку избежать ожогов.
694. Почему под толстым льдом вода не замерзает?
Слой льда обладает низкой теплопроводностью и выступает в роли теплоизолятора воды, не давая ей замерзнуть.
695. Почему ясная ночь холоднее, чем облачная?
Потому что без облаков все излученное тепло уходит за пределы атмосферы. При наличии облаков происходило бы частичное отражение тепла.
696. Воздух плохо проводит тепло. Почему же остывают на воздухе горячие предметы?
Молекулы воздуха, ударившись о теплый предмет, будут забирать некоторое количество энергии теплого предмета. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры среды и предмета не уравняются.
697. Зачем весною в холодные ясные ночи в садах разводят костры, дающие много дыма?
Дым стелится вдоль земли, защищая растения от заморозков.
698. В воду при комнатной температуре поместили сверху металлический сосуд со льдом. Будет ли охлаждаться вода?
Вода будет охлаждаться благодаря процессу конвекции.
699. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет посевы от вымерзания?
Рыхлый снег имеет в себе воздух, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию.
700. Почему солома, сено, сухие листья плохо проводят теплоту?
Потому что эти вещества пористые и в них много воздуха, который обладает низкой теплопроводностью.
701. Почему металлические вещи на морозе кажутся более холодными, чем деревянные?
Потому что теплопроводность металлов больше, чем теплопроводность дерева.
702. Что будет со льдом, если его в комнате накрыть меховой шубой?
Лед долго не будет таять, потому что шуба обладает низкой теплопроводностью и защищает лед от таяния.
703. Какое ватное одеяло теплее – новое или старое, слежавшееся? Почему?
Новое будет теплее, потому что вата еще не слежавшаяся и в пустотах много воздуха, который обладает низкой теплопроводностью.
704. Под какой крышей зимой теплее – под соломенной или железной?
Теплее под соломенной, потому что солома обладает меньшей теплопроводностью и обеспечивает сохранение тепла в доме.
705. Какое значение при нагревании воды имеет накипь в котле?
Накипь обладает низкой теплопроводностью, что замедляет процесс нагревания воды.
706. Иногда стены дома делают из двойных фанерных стенок, пространство между которыми заполняют опилками. Почему так устроенная стена является лучшим непроводником тепла, чем та же стена, заполненная только воздухом?
Опилки обладают более низкой теплопроводностью, по сравнению с воздухом.
707. Почему толстые чайные стаканы лопаются от горячей воды, в тонких же стаканах можно кипятить воду?
Толстые стенки не успевают прогреться, получается большая температурная разница между внешними и внутренними стенками.
708. Почему мало нагревается зеркало, когда на него падают лучи Солнца?
Зеркало хорошо отражает лучи Солнца и мало их поглощает.
709. Зачем внутренняя поверхность стеклянной части термоса посеребрена?
Чтобы исключить потери тепла излучением.
710. Почему летом носят светлую одежду?
Потому что светлая одежда сильнее отражает солнечные лучи, нежели темная. Тем самым она меньше нагревается.
711. Какой чайник быстрее остынет – блестящий или закопченный?
Закопченный. Темные тела лучше принимают энергию излучения и лучше отдают.
712. Зачем оболочка стратостата покрывается серебристой краской?
Для обеспечения большего отражения солнечных лучей и меньшего нагрева стратостата.
713. Чем вызывается движение воды по трубам водяного отопления?
Насосом или за счет конвекции.
714. На рисунке 84 изображен один из способов защиты от удушливых газов за костром. Почему горящий костер может до некоторой степени защитить от удушливых газов?
За счет конвекции воздух, нагретый костром, будет подниматься вверх вместе с дымом и удушливым газом. На его место будет приходить новый воздух.
715. Почему радиаторы водяного отопления следует размещать ближе к полу, а не к потолку?
Внизу более холодный воздух, его и надо нагревать. Нагретый воздух поднимается вверх к потолку, вытесняя холодный. Более холодный опускается вниз, там нагревается и поднимается. И так далее.
716. Если открыть окно, воздух в комнате постепенно охладится. Как это происходит?
Теплый воздух легче, поэтому он поднимается вверх и выходит в окно, а холодный спускается вниз.
717. Почему в тех случаях, когда нужно получить в печах сильный жар, устраивают печи с высокими трубами?
Для увеличения тяги. Это приводит к большему поступлению кислорода, необходимого для горения. Также увеличивается отвод из топки продуктов горения.
718. Почему тяга в камине зимой больше, чем летом?
Тяга зависит от разности температур в трубе и на улице – чем больше разница, тем лучше тяга. Летом температура внутри помещения и снаружи практически одинаковая, поэтому и тяги нет.
719. Весной в солнечную погоду грязный снег тает быстрее, чем чистый. Почему?
Потому что темные тела сильнее поглощают солнечное излучение.
720. Каким способом передается энергия от Солнца к Земле и другим планетам Солнечной системы?
Энергия передается путем излучения.
Источник
Решебник к сборнику задач по физике для 7- 9 классов, Перышкин А.В.
693. В сосуд с горячей водой опустили одновременно серебряную и деревянную палочки одинаковой массы. Какая из палочек быстрее нагреется? Как при этом изменится внутренняя энергия воды? палочек? Каким способом осуществляется теплообмен между водой и палочками?
Серебряная палочка нагреется быстрее, так как она обладает большей теплопроводностью. Внутренняя энергия воды уменьшится, потому что она отдаст ее часть палочкам. Внутренняя энергия палочек увеличится, так как они будут получать ее от воды. теплообмен осуществляется путем теплопередачи.
694. Если на морозе потрогать металлические и деревянные перила, какие кажутся холоднее? Почему?
Металлические покажутся более холодными, потому что теплопроводность у металлов больше, чем у дерева.
695. Ручки кранов с горячей водой обычно делают керамическими или пластмассовыми. Почему?
Керамика и пластмасс обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с металлическими частями крана, которые быстро нагреваются. Поэтому надев на кран ручку из материала, обладающего плохой теплопроводностью, мы предохраняем себя от ожогов.
696. В холодных местах трубы водопровода окутывают минеральной ватой и обивают досками. Для чего это делают?
Для изоляции труб. Изоляция позволяет уменьшить теплообмен с окружающей средой, тем самым уменьшая потери тепла.
697. Под толстым слоем соломы или сена снег тает медленно. Почему?
Солома обладает низкой теплопроводностью, а также защищает снег от прямых солнечных лучей. Тем самым, не давая ему нагреться.
698. Термос представляет собой сосуд с двойными стенками. Воздух из пространства между стенками откачан. Почему температура залитой в термос жидкости меняется очень медленно?
Вакуум между стенками термоса обладает низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую изоляцию жидкости от окружающей среды.
699. Почему двойные оконные рамы меньше пропускают холод, чем одинарные?
Потому что воздух между рамами обладает низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию помещения.
700. Если снег засыплет зеленую траву до наступления сильных морозов, то трава благополучно перезимует, оставаясь такой же зеленой. Почему?
Потому что снег и воздух обладают низкой теплопроводностью, что обеспечивает защиту травы от мороза.
701. Почему в меховой шубе тепло даже в сильные морозы?
Потому что мех и воздух между ворсинками меха обладают низкой теплопроводностью, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию тела от окружающей среды.
702. Зачем у ружья приклад и ствольную накладку делают из дерева?
Для обеспечения безопасности при стрельбе. Дерево будет плохо нагреваться, и это позволит стрелку избежать ожогов.
703. Почему под толстым льдом вода не замерзает?
Слой льда обладает низкой теплопроводностью и выступает в роли теплоизолятора воды, не давая ей замерзнуть.
704. Почему ясная ночь холоднее, чем облачная?
Потому что без облаков все излученное тепло уходит за пределы атмосферы. При наличии облаков происходило бы частичное отражение тепла.
705. Воздух плохо проводит тепло. Почему же остывают на воздухе горячие предметы?
Молекулы воздуха, ударившись о теплый предмет, будут забирать некоторое количество энергии теплого предмета. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры среды и предмета не уравняются.
706. Зачем весною в холодные ясные ночи в садах разводят костры, дающие много дыма?
Дым стелится вдоль земли, защищая растения от заморозков.
707. В воду при комнатной температуре поместили сверху металлический сосуд со льдом. Будет ли охлаждаться вода?
Вода будет охлаждаться благодаря процессу конвекции.
708. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет посевы от вымерзания?
Рыхлый снег имеет в себе воздух, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию.
709. Почему солома, сено, сухие листья плохо проводят теплоту?
Потому что эти вещества пористые и в них много воздуха, который обладает низкой теплопроводностью.
710. Почему металлические вещи на морозе кажутся более холодными, чем деревянные?
Потому что теплопроводность металлов больше, чем теплопроводность дерева.
711. Что будет со льдом, если его в комнате накрыть меховой шубой?
Лед долго не будет таять, потому что шуба обладает низкой теплопроводностью и защищает лед от таяния.
712. Какое ватное одеяло теплее – новое или старое, слежавшееся? Почему?
Новое будет теплее, потому что вата еще не слежавшаяся и в пустотах много воздуха, который обладает низкой теплопроводностью.
713. Под какой крышей зимой теплее – под соломенной или железной?
Теплее под соломенной, потому что солома обладает меньшей теплопроводностью и обеспечивает сохранение тепла в доме.
714. Какое значение при нагревании воды имеет накипь в котле?
Накипь обладает низкой теплопроводностью, что замедляет процесс нагревания воды.
715. Иногда стены дома делают из двойных фанерных стенок, пространство между которыми заполняют опилками. Почему так устроенная стена является лучшим непроводником тепла, чем та же стена, заполненная только воздухом?
Опилки обладают более низкой теплопроводностью, по сравнению с воздухом.
716. Почему толстые чайные стаканы лопаются от горячей воды, в тонких же стаканах можно кипятить воду?
Толстые стенки не успевают прогреться, получается большая температурная разница между внешними и внутренними стенками.
717. Почему мало нагревается зеркало, когда на него падают лучи Солнца?
Зеркало хорошо отражает лучи Солнца и мало их поглощает.
718. Зачем внутренняя поверхность стеклянной части термоса посеребрена?
Чтобы исключить потери тепла излучением.
719. Почему летом носят светлую одежду?
Потому что светлая одежда сильнее отражает солнечные лучи, нежели темная. Тем самым она меньше нагревается.
720. Какой чайник быстрее остынет – блестящий или закопченный?
Закопченный. Темные тела лучше принимают энергию излучения и лучше отдают.
721. Зачем оболочка стратостата покрывается серебристой краской?
Для обеспечения большего отражения солнечных лучей и меньшего нагрева стратостата.
722. Чем вызывается движение воды по трубам водяного отопления?
Насосом или за счет конвекции.
723. На рисунке 84 изображен один из способов защиты от удушливых газов за костром. Почему горящий костер может до некоторой степени защитить от удушливых газов?
За счет конвекции воздух, нагретый костром, будет подниматься вверх вместе с дымом и удушливым газом. На его место будет приходить новый воздух.
724. Почему радиаторы водяного отопления следует размещать ближе к полу, а не к потолку?
Внизу более холодный воздух, его и надо нагревать. Нагретый воздух поднимается вверх к потолку, вытесняя холодный. Более холодный опускается вниз, там нагревается и поднимается. И так далее.
725. Если открыть окно, воздух в комнате постепенно охладится. Как это происходит?
Теплый воздух легче, поэтому он поднимается вверх и выходит в окно, а холодный спускается вниз.
726. Почему в тех случаях, когда нужно получить в печах сильный жар, устраивают печи с высокими трубами?
Для увеличения тяги. Это приводит к большему поступлению кислорода, необходимого для горения. Также увеличивается отвод из топки продуктов горения.
727. Почему тяга в камине зимой больше, чем летом?
Тяга зависит от разности температур в трубе и на улице – чем больше разница, тем лучше тяга. Летом температура внутри помещения и снаружи практически одинаковая, поэтому и тяги нет.
728. Весной в солнечную погоду грязный снег тает быстрее, чем чистый. Почему?
Потому что темные тела сильнее поглощают солнечное излучение.
729. Каким способом передается энергия от Солнца к Земле и другим планетам Солнечной системы?
Энергия передается путем излучения.
Источник