Задание №5 — ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В две одинаковые по форме и предварительно прогретые чашки (первая чашка изготовлена из керамики, вторая – из стали) налили одинаково горячий кофе и оставили при комнатной температуре. В какой из чашек кофе будет остывать быстрее?
В чашке из стали, так как сталь обладает более высокой теплопроводностью и будет быстрее переводить энергию от кофе в окружающую среду.
В чашке из стали, так как стальная чашка имеет бо́льшую плотность и, соответственно, бо́льшую массу и сразу заберёт много энергии на прогревание.
В чашке из керамики, так как через стенки керамики будет испаряться вода, что приведёт к более быстрому остыванию кофе.
В чашке из керамики, так как чашка из керамики имеет толстые стенки и бо́льшую теплоёмкость.
Правильный ответ
1
Пояснение
Решение.
Для того чтобы определить, в какой чашке кофе остынет быстрее, необходимо рассмотреть механизмы теплопередачи от горячего напитка к окружающей среде. Основными путями потери энергии в данном случае являются теплопроводность через стенки сосуда и конвекция (а также излучение) с внешней поверхности чашки.
1. Физическое явление: Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым за счёт хаотического движения частиц. Скорость этого процесса напрямую зависит от коэффициента теплопроводности материала.
2. Сравнение материалов: В условии даны два материала: керамика и сталь. Из курса физики известно, что металлы (в том числе сталь) обладают значительно более высокой теплопроводностью, чем керамика или фарфор. Керамика является хорошим теплоизолятором.
3. Применение к условию: Поскольку сталь проводит тепло гораздо лучше, энергия от горячего кофе будет быстрее передаваться через стальные стенки к внешней поверхности чашки, а затем рассеиваться в окружающем воздухе. Керамические стенки, напротив, будут "удерживать" тепло внутри, замедляя процесс охлаждения.
4. Анализ дополнительных факторов: В условии сказано, что чашки были предварительно прогреты. Это означает, что энергия кофе не будет тратиться на первичный нагрев самих стенок (что исключает аргумент из варианта №2). Испарение (вариант №3) происходит в основном с открытой поверхности жидкости и мало зависит от материала стенок, если они не пористые. Большая теплоёмкость (вариант №4), наоборот, способствовала бы более медленному изменению температуры.
Таким образом, решающим фактором является высокая теплопроводность стали, из-за которой теплообмен с окружающей средой в стальной чашке происходит интенсивнее.
Ответ: 1
Источник: ФИПИ