Номер 2, страница 88 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

2. Используя бытовой термометр, выясните, в каком случае естественное перемешивание воды произойдёт быстрее: если в горячую воду наливать холодную или в холодную наливать горячую (объёмы воды в обоих случаях одинаковые). Объясните полученный результат.

Решение

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть явление конвекции, которое возникает из-за зависимости плотности воды от температуры. В бытовых условиях (при температурах выше 4 °C) горячая вода имеет меньшую плотность, чем холодная вода. Это означает, что при одинаковом объеме холодная вода тяжелее горячей.

Если в горячую воду наливать холодную

Когда мы наливаем холодную воду в горячую, холодная вода, будучи более плотной и тяжелой, начинает опускаться на дно сосуда под действием силы тяжести. В свою очередь, горячая, менее плотная вода, находящаяся в нижних слоях, вытесняется вверх. Этот процесс создает естественные циркуляционные потоки, которые называются конвекцией. Благодаря конвекции происходит интенсивное и быстрое перемешивание всей массы воды, что приводит к быстрому выравниванию температуры по всему объему.

Если в холодную воду наливать горячую

Когда мы наливаем горячую, менее плотную воду в холодную, она остаётся на поверхности, так как она легче. Образуется устойчивая система, в которой менее плотный слой жидкости находится над более плотным. В этом случае естественная конвекция не возникает или она очень слабая. Перемешивание и выравнивание температуры будут происходить в основном за счёт процесса теплопроводности на границе между слоями горячей и холодной воды. Теплопроводность в жидкостях — это значительно более медленный процесс по сравнению с конвекцией.

Проверить это можно с помощью бытового термометра. Если измерить температуру у дна и у поверхности сосуда в обоих случаях, то станет очевидно, что в первом случае (холодная вода вливается в горячую) показания термометров выровняются гораздо быстрее.

Ответ: Естественное перемешивание воды произойдёт быстрее, если в горячую воду наливать холодную. Это объясняется тем, что холодная вода плотнее горячей. При вливании в горячую она опускается на дно, вытесняя горячую воду вверх, что вызывает интенсивное конвективное перемешивание. Если же наливать горячую, менее плотную воду в холодную, она останется на поверхности, образуя устойчивый слой, и перемешивание будет происходить значительно медленнее за счёт теплопроводности.