Тест на тему Внутренняя энергия. Теплопроводность. Конвекция

Ниже - тест для 8 класса по теме: Внутренняя энергия. Теплопроводность. Конвекция. Тип вопросов: открытые. Всего 3 вопроса. Тест выведен с примерами ответов.

1. Внутренняя энергия Задание: Опишите, что такое внутренняя энергия тела и как она изменяется при нагревании. Запишите зависимость ΔU = m·c·ΔT и поясните смысл каждого множителя. Рассчитайте изменение внутренней энергии 0,50 кг воды при нагревании на 20 °C. Примем теплоемкость воды c = 4,2 кДж/(кг·°С).

Ответ (пример решения): Внутренняя энергия тела U — энергия молекул и частиц внутри тела; она зависит от их движения и взаимодействий и растет при увеличении температуры (для жидкостей и твердых тел без фазовых переходов). При нагревании в большинстве случаев увеличивается энергия системы. Формула: ΔU = m · c · ΔT, где m — масса, c — удельная теплоемкость, ΔT — изменение температуры. Для m = 0,50 кг, c = 4,2 кДж/(кг·°C), ΔT = 20 °C: ΔU = 0,50 · 4,2 · 20 = 42 кДж. Значит, внутренняя энергия воды увеличилась на примерно 42 кДж. Примечание: часть энергии может уйти на изменение температуры, а при фазовых переходах меняется не только U, но и фазовой баланс; в данном случае фаза воды не меняется.

2. Теплопроводность (кондукция) Задание: Объясните механизм теплопроводности через твердые тела. Какие факторы влияют на скорость теплопередачи? Приведите примеры того, почему металл проводит тепло лучше пластика. Включите формулу Q/t = k·A·(ΔT)/L. Рассчитайте мощность теплопередачи через металлическую «ложку» длиной 5 см, сечение поперечного сечения 1,2×10^-4 м², теплопроводность k = 100 Вт/(м·К), температура горячего конца 90 °C, холодного конца 60 °C (ΔT = 30 K).

Ответ (пример решения): Кондукция — перенос тепла через твердые тела за счет взаимодействий молекул и, особенно в металлах, свободных электронов: горячий участок передает свою энергию соседним частицам, и далее цепочка передает тепло до холодного участка. Скорость теплопередачи зависит от теплопроводности материала (k), площади поперечного сечения A, разности температур ΔT и длины L, через которую тепло проходит: Q/t = k·A·(ΔT)/L. Металлы проводят тепло лучше, чем пластики, потому что в металлах помимо колебаний атомов хорошо работают свободные электроны, которые быстро передают энергию. Пример расчета: Дано: L = 0,05 м, A = 1,2×10^-4 м², k = 100 Вт/(м·К), ΔT = 30 K. Q/t = 100 · (1,2×10^-4) · 30 / 0,05 = 7,2 Вт. Ответ: приблизительно 7,2 Вт теплопередачи через данный участок.

3. Конвекция Задание: Что такое конвекция? Объясните различия между конвекцией и кондукцией. Приведите бытовые примеры: нагретый воздух над радиатором поднимается, создавая конвекционные потоки; вода в кастрюле нагревается снизу вверх. Запишите формулу для конвекционного теплопереноса Q/t = h·A·ΔT и приведите расчет: радиатор имеет площадь A = 2 м², конвективный коэффициент h = 7 Вт/(м²·К), разность температур ΔT = 15 К. Чему будет равен тепловой поток?

Ответ (пример решения): Конвекция — перенос тепла за счет движения самой жидкости или газа: горячая часть поднимается наверх, холодная опускается вниз, образуя конвективные потоки. Это отличается от кондукции, где тепло передается через материал без перемещения массы. В быту конвекция заметна в воздухе вокруг радиаторов, в кипящей воде, в нагретых воздухопотоках в комнате и т. п. Формула для конвекции: Q/t = h·A·ΔT, где h — конвективный коэффициент, A — площадь контакта, ΔT — разность температур. Пример расчета: A = 2 м², h = 7 Вт/(м²·К), ΔT = 15 К. Q/t = 7 · 2 · 15 = 210 Вт. Ответ: тепловой поток примерно 210 Вт.

Ключевые моменты оценки (для учителя):

• Вопрос 1: полнота определения внутренней энергии, корректное использование формулы ΔU = m·c·ΔT, корректные числовые расчеты и пояснение по условиям задачи.
• Вопрос 2: объяснение механизма кондукции (молекулы и свободные электроны), указание влияющих факторов (k, A, ΔT, L), корректный числовой расчет и интерпретация результата.
• Вопрос 3: объяснение конвекции как движения жидкости/газа, отличие от кондукции, бытовые примеры, использование формулы Q/t = h·A·ΔT и корректный числовой расчет.