Задание 21 ЕГЭ по физике

$1)$ Конвекция как основной механизм выравнивания температуры. Нагретая батарея перед окном передает теплоту окружающему воздуху в основном за счет конвекции: теплые слои воздуха при контакте с батареей нагреваются, становятся менее плотными и поднимаются вверх, а на их место приходит более холодный воздух. Этот непрерывный процесс перемешивания воздуха выравнивает температурное поле в комнате.

$2)$ Связь температуры и плотности через уравнение состояния идеального газа. В условиях комнатной температуры и невысоких давлений поведение воздуха хорошо описывается уравнением Клапейрона — Менделеева, следовательно $pV=\dfrac{m}{\mu}RT$ где $p$ — давление, $V$ — объем, $m$ — масса воздуха в объеме $V,$ $\mu$ — молярная масса воздуха, $R$ — универсальная газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура.
Из этого следует выражение для плотности воздуха $\rho{:}$ $\rho=\dfrac{m}{V}=\dfrac{p\mu}{RT}$

$3)$ Объяснение подъема теплого воздуха и образования конвекционного потока. При одинаковом давлении $p$ повышение температуры $T$ приводит к уменьшению плотности $\rho$ по формуле выше. Менее плотный теплый воздух испытывает большую выталкивающую силу Архимеда по сравнению с окружающим холодным воздухом и поэтому поднимается вверх. Этот подъем вызывает поток воздуха, направленный вдоль окна вверх, а остывший у холодного стекла воздух опускается вниз к батарее. В результате формируется замкнутый конвекционный контур: батарея → теплый поднимающийся поток вдоль окна → охлаждение у окна → опускание вдоль стены к батарее.

$4)$ Как это выравнивает температуру в комнате. Такой конвекционный обмен удаляет холодной «завесу» у окна и равномерно распределяет тепло по объему комнаты: теплый воздух смешивается с более холодными слоями, поэтому локальные перепады температур сглаживаются. Установка батареи непосредственно под окном обеспечивает наиболее эффективный захват холодного воздуха, поступающего от холодного стекла, и его прогрев, что предотвращает образование холодных струй у пола и холодной зоны у стен.

Итог: установка батарей под окном вызывает устойчивую конвекцию, при которой нагретый, менее плотный воздух поднимается, а остывший опускается к батарее; это обеспечивает перемешивание воздуха и выравнивание температуры в комнате. Формально снижение плотности при увеличении температуры объясняется уравнением Клапейрона — Менделеева $\rho=\dfrac{p\mu}{RT}.$

Ответ: за счет конвекции и соответствующей зависимости плотности воздуха от температуры (уравнение состояния идеального газа) батареи под окном эффективно устраняют холодные зоны и выравнивают температуру в помещении.