Задачи › Теплопроводность, закон охлаждения Ньютона

Шарозавры

  1. Шарозавры

    «Шаг в будущее» 2022/23, 9 кл.
    5/10

    В далёком (или не очень) будущем земляне вступили в эпоху межзвёздных путешествий, и в системе одного из жёлтых карликов Галактики (звезда того же класса, что и Солнце) открыли планету Архе с биосферой, во многом напоминающей Землю эпохи мезозоя (примерно \(70\)–\(250\) млн лет назад от нашего времени). Среди обитателей Архе внимание учёных привлёк вид шарозавров — травоядных гигантов, напоминающих древних земных рептилий, но обладающих уникальным и очень полезным эволюционным приспособлением: в ночное время суток, когда температура окружающей среды снижается до \(20\,^{\circ}\text{C}\), животное сворачивается «шариком» (отсюда и название). Принимая шарообразную форму, «рептилия» минимизирует площадь поверхности тела и, следовательно, отток тепла из организма. В результате ночью, длящейся \(10\) земных часов, температура тела шарозавра снижается лишь на \(1\,^{\circ}\text{C}\) по сравнению с его дневной температурой, составляющей \(36\,^{\circ}\text{C}\). При этом шарозавр практически не сжигает калории, полученные днём с пищей. Теплообмен с окружающей средой происходит через кожу животного, его интенсивность пропорциональна перепаду температур между телом шарозавра и окружающей средой и составляет \(50\) Вт на \(1\,\text{м}^2\) кожи при перепаде в \(1\,^{\circ}\text{C}\). Каков примерно радиус «шарика»? Удельная теплоёмкость тела шарозавра \(4\,\text{кДж}/(\text{кг}\cdot\text{К})\). Плотность тела шарозавра близка к плотности воды. Объём шара: \(V = \dfrac{4}{3}\pi R^3\). Площадь сферы: \(S = 4\pi R^2\).

    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Теплопотери пропорциональны площади поверхности \(\sim R^2\), а запас тепла, который нужно потерять, пропорционален объёму \(\sim R^3\). Приравняйте теплоту, отданную за ночь, к потерям через поверхность.

    Ответ

    \(R = \dfrac{3k\tau\,(t - t_0)}{c\,\rho\,\Delta t} \approx 22\) м.

    Решение

    Мощность теплопотерь через поверхность радиуса \(R\) при перепаде температур \(t - t_0\): \(P = k\cdot 4\pi R^2\,(t - t_0)\), где \(k = 50\) Вт/(м\(^2\cdot\)К). Тепло, отданное телом за ночь при понижении температуры на \(\Delta t = 1\) К: \(Q = c\rho\cdot\dfrac{4}{3}\pi R^3\,\Delta t\). Уравнение теплового баланса: \[c\rho\,\frac{4}{3}\pi R^3\,\Delta t = k\cdot 4\pi R^2\,(t - t_0)\,\tau,\] откуда \[R = \frac{3k\tau\,(t - t_0)}{c\rho\,\Delta t}.\] Численно: \(\tau = 10\) ч \(= 3{,}6\cdot 10^4\) с, \(t - t_0 = 16\) К, \(c = 4\cdot 10^3\) Дж/(кг\(\cdot\)К), \(\rho = 10^3\) кг/м\(^3\): \[R = \frac{3\cdot 50\cdot 3{,}6\cdot 10^4\cdot 16}{4\cdot 10^3\cdot 10^3}\ \text{м} \approx 22\ \text{м}.\]

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи