21. Молекулярная физика - электродинамика: качественная задача: #215718

$1)$ Источник тепла и направление теплообмена. Жилые дома зимой отапливаются, поэтому через крышу вверх постоянно идет поток теплого воздуха и теплопоток от внутреннего объема дома к наружной среде. Этот поток обеспечивает приток тепла к слою снега, прилегающему к верхней поверхности кровли.

$2)$ Низкая теплопроводность снега. Слой снега имеет малую теплопроводность $k,$ поэтому между внутренней (подстилочной) и внешней поверхностями этого слоя возникает значительная градиент температур. Снег, соприкасающийся с нагретой крышей, прогревается до температуры плавления и начинает таять. Это описывается законом Фурье для теплопроводности: $$q=-k\dfrac{dT}{dx}$$ где $q$ — плотность теплового потока, $k$ — коэффициент теплопроводности снега, $dT/dx$ — температурный градиент через толщу снега.

$3)$ Образование и рост сосулек на однослойной крыше. Образовавшаяся при таянии вода стекает по наклонной поверхности крыши вниз и, выйдя за край крыши, попадает в более холодную внешнюю среду. На холодном воздухе эта вода быстро замерзает, образуя ледяную нить; по мере поступления новой талой воды лед на краю нарастает — возникает сосулька. Таким образом: тепло от дома плавит снег у кромки крыши, вода стекает и замерзает на холодном воздухе, образуя и увеличивая сосульки.

$4)$ Причина отсутствия сосулек при двухслойной конструкции. При двуслойной крыше между слоями существует зазор, обеспечивающий свободную циркуляцию воздуха. Теплый воздух из подкровельного пространства уносится в этот зазор и уходит наружу прежде, чем заметно нагреет верхний слой снега. За счет вентиляции конвекционные потоки выносят теплоту наружу, поэтому верхний слой кровли и прилегающий к нему снег остаются холоднее, чем при монолитной конструкции. Вследствие этого снег не прогревается до температуры плавления, талая вода не образуется, и, соответственно, нет стока воды на край крыши и нет образования сосулек.

$5)$ Физическая интерпретация в терминах сопротивлений теплопереносу. Общий тепловой поток от внутреннего объема дома наружу определяется суммой тепловых сопротивлений теплопроводности слоя кровли и сопротивления вентиляционного оттока тепла. Для однослойной крыши основным каналом является теплопроводность через крышу, и $T_{\text{поверх}}$ повышается до близкой к $T_{\text{плав}}.$ Для вентилируемой крыши эффективный тепловой отвод увеличивается за счет конвекции в зазоре, поэтому $T_{\text{поверх}}$ остается значительно ниже температуры плавления снега.

Итог. На однослойных теплых крышах снег у кромки нагревается и тает, талая вода стекает и замерзает на холодном воздухе, образуя и увеличивая сосульки. На двухслойных вентилируемых крышах зазор обеспечивает унос тепла наружу конвекцией, верхний слой снега не прогревается до плавления, талой воды нет и сосулек не образуется.

Ответ: сосульки образуются на однослойных крышах из-за прогрева снега и стока талой воды, а на двухслойных вентилируемых крышах — отсутствуют, поскольку вентиляция отводит тепло и не дает снегу прогреться до плавления.