Одинаковые металлические шары нагревают до температуры 80 °С. В каком случае передано большее количество теплоты − когда шар лежит на поверхности (рис. 99, а) или когда шар подвешен (рис. 99, б)?
Передано большее количество теплоты − когда шар лежит на поверхности, так как часть энергии расходуется на подъём центра тяжести шара.
Для анализа задачи необходимо подробно разобрать процессы теплопередачи, которые могут происходить в обоих случаях, а также особенности взаимодействия шаров с окружающей средой.
Теплопередача — это процесс передачи тепловой энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой. Основные виды теплопередачи:
1. Теплопроводность — передача тепла через непосредственный контакт. Например, в случае, если шар соприкасается с поверхностью, тепло может передаваться через этот контакт.
2. Конвекция — перенос тепла посредством движения жидкости или газа. Если шар подвешен, он передает тепло воздуху, который движется вокруг него.
3. Излучение — передача тепла в виде электромагнитных волн, например, инфракрасного излучения.
Давайте рассмотрим оба случая:
Когда шар лежит на поверхности, теплопередача состоит из:
− Теплопроводности: Основная часть тепла передается поверхности, на которой лежит шар. Шар имеет непосредственный контакт с поверхностью, что способствует эффективной передаче тепла. Площадь контакта зависит от формы шара и его материала.
− Конвекции: Оставшаяся часть тепловой энергии передается окружающему воздуху. Однако конвекция будет ограничена, так как часть поверхности шара закрыта (касается поверхности), и движение воздуха вокруг этой зоны ограничено.
− Излучения: Шар также излучает тепловую энергию в окружающее пространство, но этот процесс сравнительно слаб по сравнению с теплопроводностью и конвекцией.
Когда шар подвешен, его теплопередача происходит через:
− Конвекцию: Весь шар окружен воздухом, который контактирует со всей его поверхностью. Воздух движется вокруг шара (естественная конвекция), что способствует более равномерной передаче тепла от его поверхности.
− Излучение: Шар излучает тепловую энергию во всех направлениях. Это излучение происходит по всей поверхности шара, так как ни одна часть его поверхности не блокируется контактом с другим объектом.
− Теплопроводности: В данном случае теплопроводность практически отсутствует, так как шар не контактирует с другими твердыми телами, кроме точки подвески, которая минимальна.
Для определения, в каком случае передано большее количество теплоты, важно учесть:
1. Площадь контакта: В случае (а) шар контактирует с поверхностью, что увеличивает теплопередачу через теплопроводность. В случае (б) контакт минимален, теплопроводность практически не влияет.
2. Эффективность конвекции: В случае (б) конвекция более эффективна, поскольку весь шар окружен движущимся воздухом. В случае (а) конвекция ограничена, так как часть поверхности шара закрыта.
3. Излучение: В обоих случаях шар излучает тепло через всю свою поверхность, но излучение является меньшим вкладом в сравнение с теплопроводностью и конвекцией.
Учитывая эти аспекты, важно проанализировать, как разные механизмы теплопередачи влияют на конечный результат. Количество переданной теплоты будет зависеть от того, какой механизм теплопередачи более эффективен в каждом конкретном случае.
Пожауйста, оцените решение
