Номер 5, страница 14 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

5. Возможна ли теплопроводность в сильно разреженных газах?

Возможна ли теплопроводность в сильно разреженных газах?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть механизм теплопроводности в газах и особенности поведения сильно разреженных газов.

Теплопроводность в газах представляет собой процесс переноса тепловой энергии, который происходит за счет хаотического движения и столкновения молекул. Молекулы в более нагретой области обладают большей средней кинетической энергией. При столкновении с молекулами из более холодной области они передают им часть своей энергии. Этот процесс, повторяясь многократно, приводит к выравниванию температуры по всему объему газа.

Сильно разреженный газ — это газ, в котором расстояние между молекулами настолько велико, что средняя длина свободного пробега молекул ($\lambda$) — среднее расстояние, которое молекула пролетает между двумя последовательными столкновениями, — становится сопоставимой или больше характерных размеров сосуда ($L$), в котором он находится ($\lambda \ge L$). Такой газ также называют вакуумом.

В условиях сильно разреженного газа классический механизм теплопроводности, основанный на частых столкновениях молекул друг с другом, практически не работает. Молекулы гораздо чаще сталкиваются со стенками сосуда, чем между собой. Следовательно, перенос энергии в виде "эстафеты" от молекулы к молекуле становится крайне маловероятным.

Однако перенос тепла через разреженный газ все же происходит, но его механизм иной. Он осуществляется отдельными молекулами, которые выступают в роли переносчиков энергии. Молекула, столкнувшись с горячей стенкой, приобретает дополнительную энергию, затем перелетает к холодной стенке и отдает ей эту энергию при столкновении. Такой перенос тепла не является диффузионным процессом, как классическая теплопроводность, а скорее напоминает лучистый теплообмен, только вместо фотонов энергию переносят молекулы.

Эффективность такого переноса тепла очень мала и, в отличие от теплопроводности при нормальных условиях, напрямую зависит от давления (концентрации молекул). Чем меньше молекул в объеме, тем меньше энергии они могут перенести за единицу времени. Именно этот эффект используется для теплоизоляции в сосудах Дьюара (термосах), где откачивание воздуха между двойными стенками сводит к минимуму теплопередачу через газ.

Ответ: Да, перенос тепла через сильно разреженный газ возможен. Однако его механизм принципиально отличается от классической теплопроводности, которая основана на межмолекулярных столкновениях. В разреженном газе тепло переносится отдельными молекулами, летящими от горячей стенки к холодной. Эффективность такого переноса тепла очень низка и прямо пропорциональна давлению газа. Классический механизм теплопроводности в таких условиях не работает.