Количество теплоты

1. Сейчас даже в домах с газовыми плитами все чаще применяют удобные автоматические электрические чайники.

   1. Сколько килокалорий в одном киловатт-часе (кВт*ч)?

   2. Сколько стоит одна «электрическая» килокалория в вашем городе?

2. Автомобиль массой 1200 кг движется со скоростью 60 км/ч.

   1. Сколько энергии превращается в тепло при торможении?

   2. Внутренняя энергия каких именно тел изменяется при торможении автомобиля?

   3. Какими именно способами (работа, теплопередача) происходит изменение внутренней энергии?

   4. Как энергия движения автомобиля может быть сохранена и использована в дальнейшем для продолжения движения?

3. В ясный солнечный день на каждый квадратный метр площадки, перпендикулярной солнечному свету, падает около 900 Дж солнечной энергии каждую секунду.

   1. Найдите мощность падающей солнечной энергии.

   2. Сколько килокалорий солнечного тепла падает на каждый квадратный метр за минуту? За час? За сутки?

   3. Где и как мы используем солнечное тепло в нашей повседневной жизни?

   4. Предложите как можно больше способов экономить электрическую или тепловую энергию, используя солнечный свет, но не приобретая для этого специальных устройств.

Удельная теплоемкость

1. Вы знаете, что тропические ураганы несут в себе огромную энергию и поэтому приносят большие разрушения. Ураган набирает свою энергию из воды, двигаясь над теплым океаном, и затем отдает ее на суше.

   1. Сколько энергии (в Дж) отдал будущему урагану 1 км² океана, если при этом слой воды толщиной 5 м охладился всего на 1°С?

   2. Для характеристики разрушительных процессов применяют понятие «тротиловый эквивалент»: 1 кг тротила при взрыве выделяет 4,2 МДж энергии. Выразите его в килокалориях.

   3. Посчитайте «тротиловый эквивалент» энергии, отданной урагану одним квадратным километром океана.

   4. Реальные ураганы получают энергию от десятков и даже сотен тысяч квадратных километров воды. Сравните энергию урагана с энергией взрыва в Хиросиме, который был эквивалентен 30 килотоннам тротила.

2. К счастью, только очень теплая вода, с температурой выше 28°С, может отдавать энергию урагану. Даже в тропиках она не всегда такая теплая, в первую очередь потому, что значительную часть тропической воды уносят течения.

   1. Какие океанские течения вы можете назвать?

   2. Какое из них влияет на климат Европы?

   3. Куда расходуется унесенное этим течением тепло?

   4. Как сказывается на мощности этого течения таяние ледников Гренландии и Арктики?

   5. Если ослабевшее течение будет уносить меньше тепла из тропиков, как это скажется на силе и частоте тропических ураганов?

   6. Есть ли уже подтверждения того, что ураганы становятся более сильными и частыми?

3. Многие, не задумываясь, кипятят целый чайник воды, чтобы заварить себе стакан чая.

   1. Сколько стоит нагреть до кипения 1 л воды комнатной температуры? КПД электрического чайника около 80%.

   2. Сколько рублей в год может стоить такая привычка?

   3. Как можно от нее избавиться?

4. Под островом Рейкьявик близко к поверхности Земли подходит горячая магма.

   1. Почему в городах Исландии, несмотря на холодный климат, практически нет котельных?

   2. Оцените количество теплоты, запасенное в одном кубическом километре магмы, нагретой до 1000°С.

   3. Почему исландцы называют свою страну Северным Кувейтом?

   4. Какие трудности мешают использовать это тепло?

5. Согласно санитарным нормам, система вентиляции должна полностью заменять воздух в помещении каждый час.

   1. Сколько тепловой энергии требуется в час для нагревания приходящего воздуха? Объем комнаты 50 м³, плотность воздуха 1,2 кг/м³, удельную теплоемкость воздуха можно принять равной 1 кДж/кг_*°С. Выразите ее в калориях и в кВт*ч.

   2. Сколько денег за год может сэкономить применение теплообменника, в котором приходящий воздух нагревается теплом уходящего?

   3. Будет ли такой теплообменник полезен в другие времена года? Почему?

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

1. В крупных солнечных электростанциях свет нагревает не воду, а промежуточный теплоноситель (масло, расплавленный металл или соль).

   1. Для чего было добавлено такое усложнение конструкции?

   2. Сколько тепловой энергии запасает 200 т машинного масла, нагретого до 600°С? Зачем его так много?

   3. Почему такая солнечная электростанция продолжает вырабатывать ток и после захода солнца?

   4. Почему же противники солнечных электростанций продолжают утверждать, что солнечная энергетика не может получить широкого распространения из-за неравномерной работы?

2. Одинаковое ли количество теплоты выделяется при сжигании 1 кг природного газа (метана) и входящих в него компонентов (углерода и водорода). Какое из них больше? Почему?

3. В тех случаях, когда действительно нет никакой другой возможности для обогрева домов, кроме электричества, применяют устройство, называемое «тепловым насосом». Оно напоминает холодильник, у которого открытая настежь морозильная камера выставлена на зимнюю улицу, а теплый радиатор и компрессор оставлены в комнате.

   1. Рассмотрите тепловой баланс такого устройства.

   2. В обычном электрическом обогревателе каждый джоуль электрической энергии превращается в 1 Дж тепловой энергии. Больше или меньше одного джоуля тепловой энергии выделяется на радиаторе теплового насоса, когда из электрической сети забирается 1 Дж электроэнергии?

   3. Что можно сказать о КПД теплового насоса?

   4. Что еще могут сделать жители дома, чтобы уменьшить плату за электричество?

Испарение и конденсация

1. Прочитайте описание парникового эффекта в упражнении 70.1, и ответьте на вопросы:

   1. Какую роль играет в парниковом эффекте водяной пар?

   2. От чего зависит количество водяного пара в атмосфере?

   3. Напишите короткое (в нескольких предложениях) рассуждение о связи между парниковым эффектом и процессами испарения и конденсации.

2. Одним из главных недостатков солнечных батарей является их высокая стоимость.

   1. Как можно превращать солнечную энергию в электрическую без солнечных батарей, используя зеркала?

   2. Почему такие солнечные установки как правило, имеют большие размеры?

   3. За последнее десятилетие стоимость солнечных батарей снизилась в несколько раз и наверняка будет снижаться дальше, если вкладывать больше средств в научные исследования. Кому выгодно ограничивать эти исследования?

3. Поставите эксперимент: в два стакана налейте одинаковое количество воды, но в один из них добавьте небольшое количество машинного масла. Оставьте стаканы на несколько дней.

   1. Из какого стакана вода испаряется быстрее? Почему?

   2. Что мы моделируем этим экспериментом?

   3. Какие еще последствия загрязнения Мирового океана нефтепродуктами вы знаете?

   4. Как попадает в океан основная часть нефтепродуктов?

   5. В результате аварий, о которых мы узнаем из СМИ, в океан попадает только меньшая часть от всей выливаемой нефти. Как попадает в Мировой океан основная часть нефти?

4. Из-за глобального потепления уменьшается площадь многолетних льдов Арктики. Через несколько десятилетий Северный ледовитый океан в летние месяцы будет полностью очищаться ото льда.

   1. Как изменится испарение воды в Северном ледовитом океане?

   2. Как изменится количество осадков в Сибири?

   3. Какие изменения водного режима рек произойдут?

   4. Как изменится заболоченность северных и северо-восточных территорий России?

   5. Какие еще изменения климата могут произойти из-за таяния арктических льдов? Какие из них можно назвать скорее благоприятными, а какие – скорее неблагоприятными?

Кипение

1. Внимательно проследите за процессом закипания и кипения воды в кастрюле, а также за процессом выделения из газированной воды растворенного в ней СО₂.

   1. Какие общие черты этих процессов вы увидели?

   2. Чем отличаются эти процессы?

   3. Почему пузырьки пара и газа образуются не в толще воды, а на дне и стенках сосуда?

   4. Какую роль играют эти процессы в природе и какое влияние оказывают на жизнь живых существ?

   5. Удалось ли вам увидеть короткую фазу кипения «белым ключом», когда очень мелкие пузырьки пара исчезают, не доходя до поверхности воды?

*Зависимость температуры кипения от давления

1. Попытайтесь найти не только внешнее, но и внутреннее сходство процессов роста пузырьков в кипящей и газированной воде.

   1. Почему в обоих случаях пузырьки образуются не в толще воды, а на стенках сосуда или посторонних предметах?

   2. Почему увеличение давления может прекратить образование пузырьков в обоих случаях и даже заставить их исчезнуть?

   3. Что общего в условиях роста пузырьков в обоих случаях?

   4. При каких условиях пузырек отрывается от стенки и начинает всплывать?

2. На дне океана есть действующие вулканы и места, где температура воды превышает 200°С.

   1. Почему эта вода не кипит?

   2. Что произойдет с такой горячей водой, если она поднимется ближе к поверхности, не успев остыть?

   3. В океанских глубинах постоянно идут процессы образования углекислого газа и метана, причем из-за большого давления эти газы сразу же растворяются в воде. Что произойдет с насыщенной газами водой, если течение вынесет ее ближе к поверхности?

   4. Какую опасность могут представлять такие процессы?

3. Изучите экспериментально, как влияет температура воды на скорость выделения растворенных газов.

   1. Какой процесс, происходящий в природе, вы смоделировали в своем исследовании?

   2. Как меняется плотность воды, когда в ней появляются пузырьки газа?

   3. Как меняется давление воды на нижележащие слои, если в ней появляются пузырьки газа?

   4. Почему небольшое случайное выделение пузырьков газа может вызвать тот же процесс в огромной массе воды?

Влажность воздуха

Количество водяного пара в воздухе всегда одинаково, как и других атмосферных газов.

В воздухе над водоемами относительная влажность всегда 100%.

Способность воздуха удерживать водяной пар зависит от температуры.

Зимой в воздухе нет водяного пара.

Выдыхаемый человеком воздух имеет 100-процентную влажность.

Количество водяного пара в 1 м³ воздуха составляет несколько граммов.

При повышении температуры воздуха на 10°С он может удерживать вдвое больше водяного пара.

При конденсации 1 г водяного пара выделяется больше энергии, чем при остывании 1 м³ воздуха на 1°С.

Если весь водяной пар выпадет в виде дождя, будет всемирный потоп.

Изменение количества водяного пара в атмосфере – причина всех изменений погоды.

Разница между дневной и ночной температурами зависит только от влажности воздуха.

В очень сухом воздухе разница дневной и ночной температур может достигать 50°С.

При 100-процентной влажности воздуха ночная температура почти равна дневной.

Кубометр воздуха в тропиках может содержать в 50 раз больше водяного пара, чем в Арктике.

При подъеме воздуха на высоту 3 км он теряет больше половины водяного пара.