Задачи › Количество теплоты, уравнение теплового баланса

Стержень катят по картону

  1. Стержень катят по картону

    Санкт-Петербургская 2025/26, 8 кл.
    4/10

    Квадратный \(L \times L\) тонкий лист картона постоянной толщины \(h\) плохо проводит тепло. Он лежал на абсолютно теплоизолированном столе и первоначально имел температуру \(T_0\). По нему параллельно сторонам листа прокатили подогретый металлический цилиндрический стержень массы \(m\) и длины \(L\). Сразу после прокатывания температура вдоль одного края листа равнялась \(T_1\), вдоль другого \(T_2\) (\(T_2 < T_1\)). Какой станет температура картона спустя долгое время, когда она выровняется во всём объёме листа? Плотность картона \(\rho\), его удельная теплоёмкость \(c_1\), удельная теплоёмкость металла \(c_2\). Стержень очень хорошо проводит тепло, в любой момент можно считать его температуру одинаковой во всём объёме стержня. При этом стержень катят достаточно медленно, так, что в точке контакта температура стержня и участка поверхности картона успевает выровняться. Теплопередачу в стол и воздух не учитывайте.

    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Ответ

    \(T = T_0 + \dfrac{c_2\, m\, (T_1 - T_2)}{c_1\, \rho\, h\, L^2}\).

    Решение

    Когда стержень только коснулся листа, верх картона с этого края приобрёл ту же температуру, что и начальная температура стержня. Поскольку картон очень плохо проводит тепло, температура из-за теплообмена в слое картона не успела выровняться при прокатывании стержня, значит, \(T_1\) и есть начальная температура стержня при контакте, а соответственно \(T_2\) — конечная. Итак, стержень отдал тепло \(c_2 m (T_1 - T_2)\), и столько же в итоге получил картон. Записываем уравнение теплового баланса для итогового однородно нагретого состояния листа картона: \[c_2 m (T_1 - T_2) = c_1 M (T - T_0) = c_1 \rho h L^2 (T - T_0), \qquad (1)\] где \(M = \rho h L^2\) — масса картона. Откуда \[T = T_0 + \frac{c_2\, m\, (T_1 - T_2)}{c_1\, \rho\, h\, L^2}.\]

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи