Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

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.

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.