ОГЭ по физике - качественные задачи по тепловым явлениям

Привет! В этой статье мы рассмотрим качественные задачи по тепловым явлениям уровня ОГЭ по физике.

Качественная задача решается путём логических умозаключений, основывающихся на законах физики, построения чертежа или выполнения эксперимента.

В подобных задачах математические действия обычно не применяются. Расчёты могут выполняться лишь для количественной прикидки.

Вопрос 1: Изменится ли кинетическая и потенциальная энергия молекул воздуха в закрытой пробирке, если её погрузить в горячую воду? Если да, то каким образом ?

Ответ: Когда закрытая пробирка погружается в горячую воду, температура воздуха внутри пробирки увеличивается. Это приводит к увеличению скорости молекул воздуха, а значит, и кинетическая энергия молекул воздуха тоже увеличивается.

Расстояние между молекулами не изменяется, и количество молекул остаётся прежним, следовательно, потенциальная энергия молекул не изменяется.

Вопрос 2: Кусок льда при температуре 0 °С внесли в тёплое помещение. Как изменится кинетическая и потенциальная энергия молекул льда при его плавлении?

Ответ: Температура при плавлении льда остаётся постоянной, следовательно, средняя кинетическая энергия молекул льда не меняется.

Вся энергия идёт на разрушение кристаллической решётки. Т.к. изменяется расстояние между частицами вещества, то потенциальная энергия будет меняться. При плавлении льда, молекулы поглощают энергию из окружающего пространства, значит, потенциальная энергия молекул увеличивается.

Вопрос 3: Какие сходства и различия можно выделить в причинах воспламенения спички при трении о коробок и при внесении её в пламя свечи?

Ответ: Когда спичка трётся о коробок, внутренняя энергия её головки увеличивается из-за совершённой работы. Во втором случае, внутренняя энергия головки спички увеличивается из-за теплопередачи. В обоих случаях происходит увеличение внутренней энергии головки спички.

Вопрос 4: В первом сосуде газ сжатый. Во втором таком же сосуде - разреженный. В каком сосуде газ имеет большую потенциальную энергию взаимодействия молекул и почему ?

Ответ: Если газ сжатый, то молекул в этом сосуде больше. Следовательно, потенциальная энергия взаимодействия молекул в первом сосуде так же больше.

Вопрос 5: Почему коньки хорошо скользят по льду, но по стеклу, поверхность которого более гладкая, ехать не получится?

Ответ: При скольжении по льду совершается работа силы трения. Благодаря этому внутренняя энергия льда увеличивается, лёд плавится, и между коньком и льдом образуется вода, играющая роль смазки.

Температура плавления стекла намного больше, чем у льда, поэтому не получится ехать на коньках по стеклу из-за отсутствия смазки.

Вопрос 6: В кружку с горячей водой поместили две серебряные чайные ложки различной массы. Будут ли равны температуры ложек и изменения их внутренних энергий через 1 секунду ? Через 1 час ?

Ответ: Через малый промежуток времени (1 с) теплообмен между ложками и горячей водой полностью не успеет произойти. Ложка малой массы нагреется сильнее, т.к. для этого потребуется меньше энергии Q = cm△t ∼ m. При этом изменение их внутренних энергий будет примерно одинаковым. Хоть у более массивной ложки больше количество молекул, но за короткий промежуток времени не все молекулы смогут получить энергию от горячей воды.

После длительного промежутка времени (1 ч) установится тепловой баланс в системе. Температура и у ложек, и у воды будет одинаковая. Изменение внутренней энергии более массивной ложки будет больше по сравнению с менее массивной ложкой, т.к. в ней больше молекул и требуется больше энергии, чтобы нагреть её до определённой температуры.

Вопрос 7: Когда процесс теплообмена произойдет быстрее: если в горячую воду налить холодную, или в холодную воду налить горячую той же массы?

Ответ: Расстояние между молекулами горячей воды больше, чем между молекулами холодной воды, т.е. холодная вода более плотная, чем горячая.

Перемешивание произойдёт быстрее, если в горячую воду добавим холодную. Более плотная холодная вода опустится быстрее на дно по сравнению с противоположным случаем. В этом случае теплопередача активно будет происходить в том числе за счёт конвекции.

Вопрос 8: В мороз металл на ощупь кажется холоднее, чем дерево. Какими будут ощущения при касании металла и дерева в сорокаградусную жару? Почему?

Ответ: Теплопроводность металла выше, чем у дерева, т.е. внутренняя энергия в металле распространяется эффективнее и быстрее.

Когда мы прикоснёмся к металлу в сорокаградусную жару, металл эффективнее способен передать свою внутреннюю энергию, чем дерево, поэтому металл будет казаться на ощупь горячее.

Важно заметить, что 40 °С > 36,6 °C, поэтому металл именно будет отдавать свою внутреннюю энергию человеческому телу.

Вопрос 9: Почему охлаждение нагретых деталей происходит быстрее в воде, чем на воздухе?

Ответ: Теплопроводность воды намного больше, чем у воздуха, поэтому интенсивность отвода тепла от деталей в воде выше.

Вопрос 10: Почему соломенная шляпа хорошо спасает от жаркого воздуха?

Ответ: Солома имеет плохую теплопроводность из-за того, что это вещество пористое и содержит много воздуха. Воздух, как известно, очень плохой проводник тепла.

Таким образом, соломенная шляпа хорошо защищает голову от горячего окружающего воздуха.

Вопрос 11: Хорошие теплоизоляционные свойства меховой одежды обеспечивает воздух между ворсинками меха. Зачем же тогда вообще нужна одежда, ведь снаружи ещё больше воздуха. Почему нельзя "согреться" им?

Ответ: Изолированные маленькие пузырьки воздуха между ворсинками меха не перемешиваются с воздухом в окружающей среде. Только за счёт теплопроводности окружающей среде не удаётся охладить пузырьки воздуха, т.к. теплопроводность воздуха очень плохая. Благодаря этому возникает небольшая прослойка тёплого воздуха между нашим телом и окружающей средой, из-за чего нам тепло в холодную погоду в меховой одежде.

Таким образом, воздух не является источником тепла, а служит лишь прослойкой, которая предотвращает потерю тепла нашего тела.

Вопрос 12: Если перенести с улицы кусок льда в комнату, то он начнет таять. Но можно ли ускорить этот процесс, если обернуть лёд "теплым" пуховым платком?

Ответ: Таяние льда наоборот замедлится. Теплопроводность пухового платка плохая, поэтому теплообмен между комнатой и льдом будет уменьшен.

Вопрос 13: Можно ли нагреть всю кастрюлю с водой до кипения, используя небольшой, но мощный электрический кипятильник, расположенный в верхних слоях воды?

Ответ: Нет. Прогреваться будут только верхние слои воды. Нижние же слои не будут прогреваться до кипения, т.к. в кастрюле не будет происходить конвекции.

Более плотные слои холодной воды так и останутся внизу, верхние слои, менее плотные, будут находится наверху. Горячие и холодные слои не будут перемешиваться.

Теплопроводность воды не большая, и теплота от верхних слоёв будет плохо передаваться нижним без перемешивания.

Вопрос 14: Почему дневной бриз дует с моря на сушу, а ночной бриз дует с суши на море ?

Ответ: Днём температура суши больше, чем у моря. Воздух над сушей прогревается сильнее, чем над морем, и горячий воздух уходит вверх, т.к. горячий воздух имеет меньшую плотность по сравнению с холодным. На его место приходит холодных воздух с моря, тем самым образуется ветерок (дневной бриз).

Ночью же, наоборот, суша остывает сильнее, чем море, т.к. вода имеет большУю теплоёмкость, тёплый воздух над морем поднимается вверх, а более холодный воздух с суши занимает его место, тем самым образуется ночной бриз.

Вопрос 15: Почему мыльные пузыри, наполненные воздухом, некоторое время поднимаются, а потом опускаются?

Ответ: В начале пузырь наполнен тёплым воздухом. Тёплый воздух менее плотный, чем воздух в окружающей среде. Из-за этого он поднимается вверх в следствии закона Архимеда.

Когда в пузыре воздух остывает, его плотность увеличивается, и пузырь опускается вниз.

Вопрос 16: Возможны ли конвекционные потоки в жидкостях или газах на искусственном спутнике Земли в состоянии невесомости?

Ответ: В невесомости сила Архимеда отсутствует. Конвекция получается в результате того, что более горячие слои жидкости (газа) расширяются и поднимаются вверх в следствии закона Архимеда. На искусственном спутнике Земли из-за отсутствия силы Архимеда не возможны конвекционные потоки.

Вопрос 17: Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?

Ответ: При безветренной среде пламя свечи устанавливается вертикально из-за конвекции. При горении свечи нагретый воздух вокруг пламени становится менее плотным и поднимается вверх, а более холодный воздух из окружающего пространства замещает его, образуя циркуляцию воздуха. Этот процесс создает вертикальный поток воздуха, который удерживает пламя свечи в вертикальном положении.

Вопрос 18: Зачем в печах стараются делать высокие трубы?

Ответ: Высокая труба создает большую разницу между давлением в нижней части трубы и атмосферным давлением снаружи. Благодаря этому возникает хорошая тяга внутри трубы.

Горячий воздух в печи в следствии закона Архимеда поднимается вверх по трубе, а на его место приходит новая порция свежего воздуха.

Хорошая тяга необходима, чтобы был приток кислорода, который необходим для горения топлива. Плюс ко всему важно, чтобы продукты горения не попадали в помещение, а уходили в трубу вместе с горячим воздухом.

Вопрос 19: Туристы греются у костра (см. рисунок). Какой из трёх видов теплопередачи играет главную роль в передаче тепла от костра к туристам?

Ответ: Излучение. Теплопроводность воздуха очень плохая. Тепло в результате конвекции в основном распространяется вверх, а на рисунке видно, что туристы сидят сбоку от костра.

Вопрос 20: Можно ли с помощью вентилятора замедлить таяние мороженого?

Ответ: Вентилятор, наоборот, ускорит таяние мороженого.

Охлаждённый воздух, который будет образовываться вокруг мороженого в следствии теплового обмена, будет сдуваться вентилятором. На его место будет приходить воздух комнатной температуры, и таяние мороженого ускорится.

При отсутствии вентилятора это процесс происходит медленнее. Охлаждённый воздух будет сменяться тёплым в следствии конвекции.

Вопрос 21: В какой футболке летом в солнечную погоду будет менее жарко: в белой или чёрной?

Ответ: Солнце передаёт энергию с помощью излучения. Тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, передаваемую с помощью излучения, чем со светлой поверхностью. Следовательно, менее жарко будет в белой футболке.

Вопрос 22: Железный и медный шарики имеют одинаковую массу и температуру. Шарики отпустили в холодную воду. Какой из них быстрее охладится?

Ответ: Теплоёмкость меди ($400\frac{Дж}{кг\cdot °С}$) меньше, чем теплоёмкость железа ($460\frac{Дж}{кг\cdot °С}$ ). Следовательно, для нагревания на 1 °С медного шарика, нужно меньше энергии, чем для нагревания на 1°С железного шарика той же массы. Аналогично и для охлаждения. Чтобы охладить на 1 °С медный шарик, нужно меньше энергии отвести от него, чем в аналогичном случае с железным шариком. Значит, медный шарик охладится быстрее.

Вопрос 23: Почему человек, выходящий из реки, даже в жаркую летнюю погоду, ощущает холод?

Ответ: Внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Энергию забирают молекулы, которые испаряются с поверхности воды.

Тело человека отдаёт своё тепло испаряющейся жидкости. Таким образом, происходит охлаждение кожи и тела в целом, что создает ощущение холода, даже если окружающая среда теплая. Этот эффект усиливается при наличии ветра или низкой влажности воздуха, так как это способствует более быстрому испарению воды с кожи.

Вопрос 24: Что опаснее: обжечься водой при температуре 100 °С или её паром той же массы при той же температуре ?

Ответ: Обжечься паром опаснее. В начале пар конденсируется, выделяя при этом тепло. Затем, вода, получившееся при конденсации пара, начинает остывать, где так же выделяется тепло. Во втором случае вода просто остывает, отдавая своё тепло.

В итоге пар отдаст больше тепла, чем просто вода. Другими словами внутренняя энергия пара больше, чем у воды.

Вопрос 25: Какой из вариантов менее вероятно приведет к ожогу от нагретого утюга: кратковременное касание подошвы утюга сухим пальцем или мокрым пальцем? (В любом случае касание нагретого утюга опасно, и рекомендуется избегать таких действий).

Ответ: Меньше вероятность получить ожог будет, когда происходит кратковременное касание мокрым пальцем, т.к в начале энергия утюга пойдёт на то, чтобы нагреть воду и превратить её в пар.

Вопрос 26: Можно ли довести воду до кипения, не поднимая ее температуру выше 85 °С ?

Ответ: При снижении атмосферного давления вода может закипеть и при температуре 85 °C