Конвекция рисунок физика: Физика за 8 класс. Учебник.

Содержание

Физика за 8 класс. Учебник.

     

Се­го­дняш­нее за­ня­тие мы по­свя­тим изу­че­нию сле­ду­ю­ще­го вида теп­ло­пе­ре­да­чи – кон­век­ции. На про­шлом за­ня­тии мы уже го­во­ри­ли о яв­ле­нии теп­ло­про­вод­но­сти, ко­то­рое было свя­зан­но с теп­ло­вым дви­же­ни­ем ча­стиц, в слу­чае же кон­век­ции речь будет идти не о дви­же­нии от­дель­ных ча­стиц, а об их груп­пах. По­про­бу­ем рас­смот­реть яв­ле­ние кон­век­ции с по­зи­ции срав­не­ния с яв­ле­ни­ем теп­ло­про­вод­но­сти и вы­де­ле­ния от­ли­чий между этими ви­да­ми теп­ло­пе­ре­да­чи. Для этого про­ве­дем про­стой опыт.

Опыт 1.С на­гре­ва­ни­ем льда в про­бир­ке с водой. На­бе­рем в про­бир­ку воду, по­ме­стим на дно ку­со­чек льда и нач­нем на­гре­вать за­жжен­ной све­чей у верх­не­го края, как это изоб­ра­же­но на ри­сун­ке 1.

Рис. 1. На­гре­ва­ние льда в про­бир­ке с водой.

В ходе про­ве­де­ния опыта мы за­ме­тим, что верх­няя часть про­бир­ки очень на­гре­ет­ся и вода в этой части может даже за­ки­петь, но лед при этом оста­нет­ся в своем кри­стал­ли­че­ском со­сто­я­нии и не рас­та­ет. По­че­му? Это объ­яс­ня­ет­ся недо­ста­точ­ной теп­ло­про­вод­но­стью воды для пе­ре­да­чи тепла в ниж­нюю часть про­бир­ки.

Если же те­перь про­ве­сти ана­ло­гич­ный опыт, но толь­ко рас­по­ло­жить пламя свечи у ниж­не­го края про­бир­ки, то мы уви­дим, как весь лед быст­ро рас­та­ет и вся вода со вре­ме­нем рав­но­мер­но про­гре­ет­ся и даже, воз­мож­но, за­ки­пит.

Про­ве­ден­ные опыты го­во­рят о том, что в дан­ном слу­чае пе­ре­нос энер­гии осу­ществ­ля­ет­ся не путем теп­ло­про­вод­но­сти, а на ос­но­ва­нии неко­го дру­го­го яв­ле­ния, ко­то­рое и имеет на­зва­ние кон­век­ция.

В пе­ре­во­де с ла­тин­ско­го слово «кон­век­ция» озна­ча­ет пе­ре­не­се­ние, пе­ре­нос. Про­де­мон­стри­ру­ем опыты кон­век­ции в газах и жид­ко­стях на двух опы­тах.

Опыт 3.Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в жид­ко­сти (воде). Опу­стим в пра­вое и левое ко­ле­но U-об­раз­ной труб­ки с водой по ложке с мар­ган­цов­кой, ко­то­рая будет вы­сту­пать в роли кра­си­те­ля для де­мон­стра­ции кон­век­тив­ных по­то­ков. Жид­кость на­чи­на­ет по­не­мно­гу  окра­ши­вать­ся, но это про­ис­хо­дит бла­го­да­ря яв­ле­нию диф­фу­зии (т. е. из-за непре­рыв­но­го ха­о­тич­но­го теп­ло­во­го дви­же­ния ча­стиц ве­ще­ства), а кон­век­тив­ные по­то­ки пока не будут на­блю­дать­ся. Затем рас­по­ла­га­ем за­жжен­ную свечу под одним из колен труб­ки, как это по­ка­за­но на ри­сун­ке 3.

Де­мон­стра­ция кон­век­ции в жид­ко­сти с по­мо­щью окра­ши­ва­ния кон­век­тив­ных по­то­ков.Мы можем на­блю­дать яв­ле­ние, ана­ло­гич­ное преды­ду­ще­му опыту: на­гре­тая в пла­ме­ни свечи вода рас­ши­ря­ет­ся, умень­ша­ет­ся ее плот­ность, и окра­шен­ные мар­ган­цем по­то­ки нач­нут под­ни­мать­ся вверх. Можно за­ме­тить, что со вре­ме­нем про­гре­ва­ния воды про­цесс кон­век­ции про­те­ка­ет все ин­тен­сив­нее, и кон­век­тив­ные по­то­ки, до­хо­дя до верх­ней части труб­ки, на­чи­на­ют дви­гать­ся по го­ри­зон­таль­но­му участ­ку труб­ки и опус­кать­ся в пра­вом ее ко­лене. Это про­ис­хо­дит из-за того, что хо­лод­ная вода в пра­вом ко­лене опус­ка­ет­ся вниз и дви­жет­ся по ниж­не­му го­ри­зон­таль­но­му участ­ку труб­ки, за­ни­мая место под­няв­шей­ся теп­лой воды. Таким об­ра­зом, мы имеем воз­мож­ность на­блю­дать цир­ку­ля­цию кон­век­тив­ных по­то­ков в жид­ко­сти.

На ос­но­ва­нии про­ве­ден­ных опы­тов сде­ла­ем вывод о том, что такое яв­ле­ние кон­век­ции.

Кон­век­ция – это яв­ле­ние пе­ре­но­са энер­гии стру­я­ми, боль­ши­ми груп­па­ми ча­стиц жид­ко­стей или газов.

Т. е. по срав­не­нию с яв­ле­ни­ем теп­ло­про­вод­но­сти, когда при про­гре­ва­нии жид­ко­стей или газов про­цесс пе­ре­да­чи энер­гии ча­стиц через их дви­же­ние не так эф­фек­ти­вен, как пе­ре­да­ча энер­гии путем дви­же­ния целых групп ча­стиц, всту­па­ет в дей­ствие более ин­тен­сив­ное спо­соб теп­ло­пе­ре­да­чи путем кон­век­ции.

В ре­зуль­та­те рас­смот­рен­ных свойств кон­век­ции можно за­ме­тить, что она имеет место толь­ко в том слу­чае, если речь идет о теп­ло­пе­ре­да­че в ве­ще­стве (а имен­но в жид­ко­сти или газе), если же ве­ще­ства нет, то и не имеет смыс­ла го­во­рить о яв­ле­нии кон­век­ции.

Раз­ли­ча­ют два типа кон­век­ции.

Рис. 4. Сво­бод­ная кон­век­ция

Рис. 5. Вы­нуж­ден­ная кон­век­ция

http://interneturok.ru/physics/8-klass/teplovye-yavleniya/konvektsiya

Вопросы:

1. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

2. Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь.

3. В чем состоит явление конвекции?

4. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной?

5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 

6. Почему конвекция невозможна в твердых телах?

Ответы:

1. Над нагретой лампой появляется горячий воздух который замещает холодный снизу происходит циркуляция воздуха.
2. Нагреваясь, вода находящаяся снизу идет вверх а холодная сверху встает на её место, так, вода нагревается равномерно.
3. В циркуляции газов и жидкости разных температур и  замещении друг друга в емкостях и в помещении.
4. Естественная конвекция происходит сама при нагреве емкостей, вынужденную используют когда естественная недостаточно эффективна, она заключается в использовании каких-либо внешних воздействий.
5. Если нагревать сверху конвекция не будет действовать так как холодное будет оставаться внизу а горячее останется вверху циркуляции не будет.

6. В твердых телах молекулы не могут передвигаться вверх, вниз, циркуляции  не будет, а значит и конвекции тоже.

http://znanija.com/task/9350024

Виды теплообмена | Физика

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Теплообмен может осуществляться по-разному. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

1. Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела — переносится лишь энергия.

Обратимся к опыту. Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском (или пластилином) несколько гвоздиков (рис. 63). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом.

Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.

Различные вещества имеют разную теплопроводность: у одних она больше, у других — меньше. Из жизненного опыта известно, что если, например, взять какой-либо железный предмет (допустим, гвоздь) и начать нагревать его в огне, то долго удерживать его в руке мы не сможем. И наоборот, горящую спичку можно держать до тех пор, пока пламя не коснется руки. Это означает, что дерево обладает меньшей теплопроводностью, чем железо.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей (за исключением расплавленных металлов) теплопроводность невелика. У газов она еще меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

Если теплопроводность различных веществ сравнить с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она примерно в 5 раз меньше, у воды — в 658 раз меньше, у пористого кирпича — в 840 раз меньше, у свежевыпавшего снега — почти в 4000 раз меньше, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 ООО раз меньше, а у воздуха она примерно в 20 000 раз меньше.

Плохая теплопроводность шерсти, пуха и меха (обусловленная наличием между их волокнами воздуха) позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и тем самым защищаться от охлаждения. Защищает от холода и жировой слой, который имеется у водоплавающих птиц, китов, моржей, тюленей и некоторых других животных.

2. Конвекция — это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.

Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 64). Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой или лампой, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, на дно стеклянной колбы с водой опускают кристаллик красящего вещества (например, перманганата калия) и колбу ставят на огонь. Через некоторое время нагретые нижние слои воды, окрашенные перманганатом калия в фиолетовый цвет, начинают подниматься вверх (рис. 65). На их место приходит холодная вода, которая, прогревшись, также начинает подниматься вверх, и т. д. Постепенно вся вода оказывается нагретой. Именно благодаря конвекции происходит нагревание воздуха и в наших жилых комнатах (рис. 66).

Будут ли прогреваться воздух и жидкость, если их нагревать не снизу, а сверху? Обратимся к опыту. Поместив в пробирку кусочек льда и придавив его гайкой или металлической сеточкой, нальем туда же холодную воду. Нагревая ее сверху, можно довести верхние слои воды до кипения (рис. 67), между тем как нижние слои воды останутся холодными (и даже лед там не растает). Объясняется это тем, что при таком способе нагревания конвекции не происходит. Нагретым слоям воды некуда подниматься: ведь они и так уже наверху. Нижние же (холодные) слои так и останутся внизу. Правда, вода может прогреться благодаря теплопроводности, однако она очень низкая, так что пришлось бы долго ждать, пока это произошло бы.

Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух, находящийся в пробирке, которая изображена на рисунке 68. Горячим он становится лишь сверху, внизу же он остается холодным.

Опыты, изображенные на рисунках 67 и 68, показывают не только то, что жидкости и газы следует нагревать снизу, но и то, что у них очень плохая теплопроводность.

3. Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена —лучистый теплообмен.

Возьмем теплоприемник — прибор, представляющий собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой отполирована, как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробочки находится воздух, который может выходить через специальное отверстие. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром (рис. 69) и поднесем к теплоприемнику электрическую плитку или кусок металла, нагретый до высокой температуры. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Но это означает, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Каким образом передавалась эта энергия? Ясно, что не теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью. Не было здесь и конвекции: ведь теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном случае передавалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

С помощью теплового излучения (как видимого, так и невидимого) передается на Землю и солнечная энергия. Отличительной особенностью этого вида теплообмена является возможность осуществления через вакуум.

Тепловое излучение испускают все тела: электрическая плитка, лампа, земля, стакан с чаем, тело человека и т. д. Но у тел с низкой температурой оно слабое. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше энергии оно передает путем излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Если теплоприемник (см. рис. 69) повернуть к излучающему телу сначала черной, а затем блестящей поверхностью, то столбик жидкости в манометре в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее. Например, в темном чайнике горячая вода остывает быстрее, чем в светлом.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами. Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.


1. Перечислите виды теплообмена. 2. Что такое теплопроводность? У каких тел она лучше, у каких хуже? 3. Как вы думаете, о чем свидетельствует опыт, изображенный на рисунке 70? 4. Что такое конвекция? 5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 6. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 7. Какой вид теплообмена может осуществляться через вакуум? 8. Как устроен теплоприемник? 9. Какие тела лучше и какие хуже поглощают энергию теплового излучения? 10. Почему в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном?

Экспериментальные задания. 1. Находясь дома, на улице или в транспорте, проверьте, какие предметы на ощупь кажутся более холодными. Что вы можете сказать об их теплопроводности? Составьте на основе своих наблюдений ряд из названий материалов в порядке возрастания их теплопроводности. 2. Включите электрическую лампу и поднесите к ней (не касаясь лампы) руку. Что вы чувствуете? Какой из видов теплообмена происходит в данном случае? 3. Греет ли шуба? Для выяснения этого возьмите термометр и, заметив его показание, закутайте в шубу. Спустя полчаса выньте его. Изменились ли показания термометра? Почему?

Физика на кухне – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

  • Участник: Коршунова Анастасия Владимировна
  • Руководитель: Ирхина Елена Юрьевна
       Физика в быту

Аннотация

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Физика обладает необыкновенным свойством. Изучая самые простые явления можно вывести общие законы. Многие физические закономерности можно получить из собственных наблюдений. Замечательным местом для наблюдения физических явлений и проведения экспериментов является самая обычная кухня.

Кухня – это место, которое мы посещаем постоянно. Мы даже не задумываемся, что там могут происходить какие-то физические явления. В повседневной жизни мы не найдём другого такого места, где происходило бы столько удивительного и загадочного, как в кухне. Именно здесь мы смешиваем, нагреваем, охлаждаем, замораживаем, размораживаем, а бывает, что и сжигаем всевозможные виды животного, растительного и неорганического сырья. В этом месте происходит множество явлений: световые, тепловые, электрические, электромагнитные и др.

Цель работы: рассмотреть тепловые явления на кухне.

Актуальность работы: работа на кухне не осуществима без тепловых явлений особенно во время технического мира. Время не стоит на месте, люди придумывают все больше техники, а без знаний физики будет невозможен прогресс.

Задачи:

  1. Изучить 3 взаимосвязанных тепловых явлений.
  2. Объяснить их с физической точки зрения.
  3. Исследовать историю открытия явлений.
  4. Найти интересные факты.
  5. Провести анализ полученных данных.

Для начала, что же такое тепловые явления? Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воды в емкости, таяние льда, плавление металлов и др. [1] Итак, какие же тепловые явления мы встречаем на кухне? Испарение, кипение, конвекция, теплопроводность, изменение агрегатного состояния веществ – все это тепловые явления. Таким образом, рассмотрим 3 явления. Это конвекция, теплопроводность и кипение.

Конвекция

Конвекция – это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. [3]

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. (Рисунок 1) Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.


Рисунок 1 – «Портрет Вильяма Прута. Художник Генри Виндхам Филипс»

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда. [1]. В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды. Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Рассмотрим применение конвекции на кухне. Когда мы готовим пищу на плите, то жидкость из холодной превращается в теплую. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь проявляется явление конвекция. Жидкость при конвекции нагревается снизу вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоям. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся жидкость равномерно прогревается. Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) и вынужденную. Так, нагревание жидкости является примером естественной конвекции. (Рисунок 2) Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой и т.д. Если жидкости прогревать не снизу, а сверху, то конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опускаться ниже холодных, более тяжелых. [3]


Рисунок 2 – «Водяное охлаждение»

С явлением конвекции связаны процесс охлаждение продуктов в холодильнике. Газ фреон, циркулирующий по трубкам холодильника, охлаждает воздух в верхней части холодильной камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова поднимается вверх. Решетка сзади холодильника предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в компрессоре. Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных потоков. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов. Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.По этим примерам можно понять, что конвекция играет большую роль на кухне. Она помогает при приготовлении пищи в духовке или просто на плите, сохраняет продукты от жары в холодильнике. Все это помогает поддерживать нормальную функциональную жизнедеятельность людям.

Кипение

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре. (Рисунок 3)


Рисунок 3 – «Процесс кипения»

Энергия кипения воды широко используется человеком в быту. Данный процесс стал настолько обыденным и привычным, что никто не задумывается о его природе и особенностях. [1] Тем не менее с кипением связан целый ряд интересных фактов:

  1. Наверное, все замечали, что в крышке чайника есть отверстие, но мало кто задумывается о его предназначении. Оно проделывается с той целью, чтобы частично выпускать пар. В противном случае вода может расплескаться через носик.
  2. Продолжительность варки картофеля, яиц и прочих продуктов питания не зависит от того, насколько мощным является нагреватель. Имеет значение лишь тот факт, как долго они находились под воздействием кипящей воды.
  3. На такой показатель, как температура кипения, никак не влияет мощность нагревательного прибора. Она может сказаться лишь на скорости испарения жидкости.
  4. Кипение связано не только с нагреванием воды. При помощи данного процесса можно также заставить жидкость замерзнуть. Так, в процессе кипения нужно производить непрерывную откачку воздуха из сосуда.
  5. Одна из самых актуальных проблем для хозяек заключается в том, что молоко может «убежать». Так, риск этого явления значительно повышается во время ухудшения погоды, которое сопровождается падением атмосферного давления.
  6. Самый горячий кипяток получается в глубоких подземных шахтах.
  7. Путем экспериментальных исследований ученым удалось установить, что на Марсе вода закипает при температуре 45 градусов Цельсия.

Как же происходит этот процесс и от чего он зависит? При нагревании какой-либо жидкости мы увидим ряд особенностей. Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности жидкости происходит испарение. На это указывает туман, образовавшийся над емкость. Это водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель. Сам пар, конечно, невидим глазу. При дальнейшем повышении температуры мы заметим появление в жидкости многочисленных мелких пузырьков. Они постепенно увеличиваются в размерах. Это пузырьки воздуха, который растворен в воде. При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. Поднимающиеся пузырьки, попадая в более холодные слои воды, уменьшаются в размерах, так как содержащиеся в них пары конденсируются и под действием силы тяжести они опускаются. Спустившись вниз, в более горячие слои воды, пузырьки начинают снова подниматься к поверхности. Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков в размерах сопровождается характерным шумом, предшествующим закипанию воды. Постепенно вся вода прогревается, пузырьки уже не уменьшаются в размерах. Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются. Находящийся в них насыщенный пар выходит наружу. Шум прекращается, и мы слышим бульканье – жидкость закипела. [3]. Кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. (Таблица 1) Поэтому при варке пищи нужно уменьшать огонь после того, как вода закипит. Это даст экономию топлива, а температура воды все равно сохраняется постоянной во время кипения. [1]

Таблица 1 – «Температура кипения различных веществ»


Все выше сказанное дает понять, что если бы не кипение, то можно было нагревать пищу и не узнать когда она приготовилась, или мы просто ели холодную пищу.

Теплопроводность

Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. [2]

Таблица 2 – «Коэффициент теплопроводности»


Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. (Таблица 2) Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается еде. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых еде передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Обычно в кастрюлю на огне наливают в воду, в которую ставят вторую кастрюлю с едой. Температура здесь регулируется благодаря более низкой теплопроводности воды и вследствие того, что температура нагревания внутренней кастрюли не превышает температуры кипения воды, то есть 100° C (212° F). Такой способ часто применяют с продуктами, которые легко пригорают или которые нельзя кипятить, например, шоколад. [4]. Металлы, которые очень хорошо проводят тепло — медь и алюминий. Медь более теплопроводна, но и стоит дороже. Из обоих металлов делают кастрюли, но некоторая еда, особенно кислая, реагирует с этими металлами, и у еды появляется металлический привкус. За такими кастрюлями, особенно за медными, необходим тщательный уход, поэтому на кухне чаще используют более дешевые и удобные в обращении и уходе кастрюли из нержавеющей стали. (Рисунок 4)


Рисунок 4 – «Медная посуда»

Потребности в теплопроводности зависят от способа приготовления пищи и от вкуса и консистенции, которой хочет добиться повар. Например, при варке обычно нужна более низкая теплопроводность, чем при жарке. Теплопроводность регулируют, выбирая разную посуду, а также используя продукты с большим или меньшим содержанием жидкости. Например, количество масла на дне кастрюли или сковородки влияет на теплопроводность, так же, как и общее количество жидкости в продукте. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. [2]. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью. [4]. Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры еды неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них еда остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, еде — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для еды навынос. Таким образом, теплопроводность играет важную роль на кухне. Без нее нельзя было бы даже взять кастрюлю или сковородку в руку, потому что могли обжечься. Также она очень хорошо помогает при выборе посуды. Она дает знать, какой материал будет наиболее пригодный для приготовления той или иной пищи.

Заключение

Итак, мы познакомились с тепловыми явлениями, которые наиболее часто встречаются на кухне: конвекция, теплопроводность и кипение. Каждое из них выполняет определенную роль на кухне. Так с помощью конвекция жидкость вся равномерно прогревается Кипение сообщает, что пища приготовилась и набрала определенную температуру. С помощью теплопроводности можно дольше сохранять тепло (пример термоса), а также выбрать посуду, в которой при приготовлении пищи будет возможность взять руками посуду и не обжечься. Таким образом, я делаю вывод о том, что на кухне без знаний физики не обойтись.


Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача 

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу. 

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?». 

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

  • На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.

  • Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.

  • Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):
  • На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики. 

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно. 

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

  • При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока. 

  • Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы. 

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

  • Чайник на плите (слайд 10),

  • Мороженое в руке (слайд 11),

  • Котелок на костре (слайд 12),

  • Теплица (слайд 13),

  • Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала. 

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников
  1. Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
    Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17). 
  2. Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
  3. Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим? 

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):
  • Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
  • Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса. 
    • Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
    • Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись». 

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21). 

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Урок по физике в 8 классе «Примеры теплопередачи в природе и в технике»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДСКОГО ОКРУГА ТОЛЬЯТТИ

«Школа № 43 имени Героя Советского Союза Д.Н. Голосова»

Урок физики в 8 классе

«Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике»

Учитель физики:
Ильина Ирина Николаевна

Тольятти 2017 г

Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике.

«Физика – это наука понимать природу».

Эрик Роджерс

Тип урока: урок общеметодологической направленности.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развитие исследовательских навыков.

Цели урока: углубить знания учащихся о видах теплообмена (теплопередачи) и их роли в природе и технике; рассмотреть примеры использования видов теплообмена в различных областях человеческой деятельности.

Формируемые УУД: предметные: научиться понимать физический смысл конвекции, теплопроводности, излучения; использовать полученные знания в повседневной жизни; метапредметные: планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками; выделять и осознавать то, что уже усвоено и что ещё подлежит усвоению; корректировать изученные способы действий и алгоритмы; ставить и формулировать проблемы; анализировать и оценивать полученные результаты; личностные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками и учителем; развитие интеллектуальных способностей учащихся.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация «Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике», термос, сосуд с горячей водой, термометр, трубка стеклянная длиной 30-40 см, свеча.

Демонстрации:

  • измерение температуры воды в стакане;

  • измерение температуры воды над стаканом;

  • тяга в дымовой трубе.

Ход урока

  1. Организационный момент. (Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие).

  1. Актуализация знаний. (Учитель проводит фронтальный опрос-беседу).

Опыт № 1. Измерение температуры воды в стакане.

Какой вид теплопередачи имеет место при измерении температуры горячей воды? (теплопроводность)

Какой дом теплее: деревянный или кирпичный, если толщина стен одинакова? (слайд № 3)

— Во время сильных морозов птицы нахохливаются. Почему при этом они легче переносят холод? (слайд № 4)

— Что приносит вред растениям, особенно злаковым: обильный снег или бесснежная зима? Объясни.

— Почему при варке варенья предпочитают пользоваться деревянной, а не металлической ложкой? (слайд № 5)

— Согласны ли вы с утверждением, что «шуба греет»? (слайд № 6)

Опыт № 2. Измерение температуры слоёв воздуха, расположенного в непосредственной близости над стаканом.

Какой вид теплопередачи имеет место при измерении температуры горячей воды? (конвекция)

— Почему батареи устанавливают у пола, а кондиционеры, наоборот, вешают под потолком? (слайд 7)

— Почему в низинах растения чаще гибнут от заморозков, чем на возвышенностях? (слайд № 8)

— Почему облака не падают на землю? (слайд № 9)

— Главным источником света и тепла на Земле является Солнце, находящееся от нас на расстоянии 150 млн. км. Каким же образом передается нам солнечное тепло? Почему этот вид теплопередачи является единственно возможным в дан­ном случае? (слайд № 10) (Излучение – вид теплопередачи, при котором передача энергии возможна в полном вакууме. Тела по разному способны поглощать энергию излучения. Тёмные поверхности быстрее нагреваются и охлаждаются, чем светлые).

— В сёлах южных областей России дома — хаты беленькие. А жарким днём окна закрывают и завешивают белыми рушниками. Для чего это делается? (слайд № 11)

— Почему снег в городе тает быстрее, чем в поле? (слайд № 12)

— В каком платье летом менее жарко: в белом или в тёмном? (слайд № 13)

— Зачем на нефтебазах баки для хранения топлива красят серебряной краской? (слайд № 14)

  1. Изучение нового материала.

Много веков тому назад, согласно преданиям, окружающий мир был населён множеством богов, добрых и злых. Например, Стрибог управлял ветрами. Ему поклонялись, приносили жертвы, иначе — пригонит в период цветения растений снег с дождём, погубит урожай или сделает так, что ни одна капля дождя не выпадет за лето – и тогда жди голодной зимы.

Домовой отвечал за благополучие в доме, и с ним надо было уметь ладить, а то избу выстудит или дыму в неё напустит.

Образование ветра и тяги в печи – это основные вопросы, которые мы будем изучать на уроке.

Образование ветров (слайды № 15-16)

Постановка проблемы

Однажды художник нарисовал иллюстрацию к стихотворению М. Ю. Лермонтова «Парус» и принёс её к редактору издательства.

Редактор — бывший старый морской вояка посмотрел на рисунок, потом усмехнулся и спросил: «Вы бывали когда-нибудь на море, или хотя бы на большом озере? Вы можете указать, куда ветер несёт парусник?»

Приуныл художник, задумался.

Помогите ответить ему на этот вопрос.

Затрудняетесь?

Тогда давайте вместе выясним, как возникает ветер.

Все ветры в атмосфере представляют собой конвек­ционные потоки огромного масштаба. Конвекцией объясняются, например, бризы— ночные и дневные ветры, возникающие между сушей и морем, между лесом и пашней, между горами и долинами.

В летние дни суша прогревается Солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух понизу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или мор­ской) бриз.

Объяснение ночного бриза можно предложить учащимся.

(Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начи­нает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой)

бриз).

Перенос ветрами огромной энергии приводит к заметному изменению погоды в данном регионе. Побережье любого тёплого моря зимой всегда имеет более высокую среднюю температуру, чем материковые области, которые могут находиться южнее (побережье Мурманской области и Центральная Сибирь). (слайд № 17)

-Куда направленно мощное конвективное движение воздуха на Земле, образующее постоянно дующие вблизи экватора ветры — пассаты?

Средняя годовая температура на экваторе значительно выше, чем на полюсах, тёплый воздух там поднимается вверх (образуется область пониженного давления), а на смену ему приходит холодный воздух из областей повышенного давления, расположенных на севере и на юге.

-Что же является главной причиной возникновения ветров, изменения их направления и, соответственно, перемены погоды?

(неравномерное нагревание различных участков земной поверхности, приводящее к возникновению разности давлений атмосферного воздуха на этих участках).

Объяснение природы возникновения тяги. (слайд № 18)

Многие из вас часть времени проводят на дачах, гостях в деревне у бабушки. Что там делают, когда наступают холода? Конечно же, топят печь.

-Что необходимо для горения дров, угля и других видов топлива?

Воздух, а точнее, кислород, находящийся в воздухе. Давайте убедимся в этом. Пусть вместо печи у нас в классе будет гореть свеча.

Опыт № 3. Горящую свечку накрываю стеклянной банкой. Свеча гаснет.

Она погасла из-за того, что кислород, содержащийся в воздухе был израсходован на процесс горения.

Итак, без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку или печь не будет поступать воздух, то горение прекратится. Для поддержания горения часто используют естественный приток воздуха тягу. При этом над местом горения топлива устанавливают трубу. Проделаем с вами следующий опыт.

Опыт № 4.

Поставим зажжённую свечу на стол, замечаем величину и вид её пламени. Положив с двух сторон от свечи по два карандаша, на­деваем сверху на свечу стеклянную трубку, оперев её нижний край на карандаши. Между стеклом и столом образуется щель, через которую воздух может прони­кать внутрь трубки. Пламя свечи усиливает­ся, становится ярче и длиннее. Если поднести к щели с внешней стороны трубки заж­жённую спичку, то пламя спички будет втягиваться внутрь трубки. Объясняется это тем, что нагреваясь, воз­дух расширяется, и давление в трубке становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений хо­лодный воздух устремляется извне в трубку, а тёплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга. С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, тем больше разница дав­лений наружного воздуха и воздуха в трубке.

Если же карандаши не подкладывать и трубка будет нижним краем плотно прилегать к столу, сгорание будет неполным и вместо пламени получится столб дыма. Без тяги нельзя обеспечить интенсивного горения топлива и полного его сгорания. Вот почему создание воздушной тяги в топках является важной проблемой в технике отопления.

Отопление и охлаждение жилых помещений. (слайд № 19)

Во многих совре­менных зданиях устраивают водяное отопление. В подвальном помещении здания устанавливается котёл, в кото­ром нагревается вода. От верхней части котла отходит вер­тикальная труба, по которой горячая вода поступает в бак, размещён­ный на чердаке здания. От него по чердаку проводят систему распределительных труб, а от них вниз идут вертикальные трубы, которые проходят через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи. Вода отдает им своё тепло и возвращается в котёл, где снова нагревается. Так проис­ходит циркуляция воды и прогревание воздуха за счет конвекции.

Теплопередача и растительный мир.

В прилегающем к Земле слое воздуха и верхнем слое почвы происходит изменение температуры. Днём почва поглощает энергию и нагревается, ночью, наоборот, охлаждается. На её нагревание и охлаждение влияет присутствие растительности. Так, тёмная, вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью (слайд № 20). Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности почва плохо теряет энергию путем излучения. Облака служат экраном (слайд № 21).

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы (слайд № 22). Стеклянные рамы (или изготовленные из плёнки) хорошо пропускают солнечное излучение. Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх – конвекции. Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве примерно на 10оС.

Устройство термоса. (слайд № 23)

Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помещать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теп­лопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопе­редачи: теплопроводностью, конвекцией, излуче­нием. В этих целях используют термос (слайд № 23). Термос состоит из стеклянного сосуда 4 с двой­ными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Со­суд закупоривается пробкой 2, а сверху футляра навинчивается колпачок 1.

  1. Закрепление изученного материала.

Выполнение теста (8-10 минут) – см. Приложение.

  1. Рефлексия.

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала по методу «Плюс – минус – интересно»).

  1. Домашнее задание.

  1. Стр. 17 – 21 учебника. Задание стр. 20.

  2. Сборник задач А.В. Перышкина № 686, 708, 714.

Литература

  1. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учебник М.: Дрофа, 2016 г.

  2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике. 7-9 классы. М.: Издательство «Экзамен». 2016 г.

  3. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. М.: Просвещение, 1985 г.

  4. Шлык Н.С. Поурочные разработки по физике. 8 класс. – М.: ВАКО, 2017 г.

  5. Волков В.А. Тесты по физике: 7 – 9 классы. – М.: ВАКО, 2009 г.

  6. Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 8 класс: Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2016 г.

  7. Орлов В.А. Тематические тесты по физике, 7 – 8 классы. – М.: Вербум-М, 2000 г.

теплопроводность, конвекция, излучение, конвекция, излучение.

Просмотр содержимого документа
«2.5 Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение, конвекция, излучение.»

2.5 Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теория: Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой, или от одного тела другому, при их непосредственном контакте.
Чем плотнее молекулы расположены друг к другу, тем лучше теплопроводность тела.(теплопроводность зависит от удельной теплоемкости тела) 
Рассмотрим опыт, на металлический стержень с помощью воска прикреплены гвоздики. С одного конца, к стержню поднесли спиртовку, тепло со временем распространяется по стержню, воск плавится и гвоздики падают. Это связано с тем, что молекулы при нагревании начинают двигаться быстрее. Пламя спиртовки нагревает один конец стержня, молекулы с этого конца начинают колебаться быстрее, соударяются с соседними молекулами, и передают им часть своей энергии, поэтому внутренняя энергия передается от одной части к другой.

Конвекция — перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах невозможна.
Излучение — перенос внутренней энергии лучами (электромагнитным излучением).

Задание: Какое из веществ при нормальных условиях обладает наилучшей теплопроводностью?
1) вода 2) сталь 3) древесина 4) воздух
Решение: Воздух обладает плохой теплопроводностью так как расстояние между молекулами велико. У стали самая маленькая теплоемкость.
Ответ: 2.
Задание огэ по физике (фипи): 1) Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу?
1) путём теплопроводности
2) путём конвекции
3) путём излучения
4) путём теплопроводности и конвекции
Решение (спасибо Алене): путём излучения. Так как энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью, ведь между человеком и костром находился воздух — плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не может наблюдаться, по скольку костер находился рядом с человеком, а не под ним следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.
Ответ: 3
Задание: Какое из веществ при нормальных условиях обладает наилучшей теплопроводностью?
1) вода 2) сталь 3) древесина 4) воздух
Решение: Воздух обладает плохой теплопроводностью так как расстояние между молекулами велико. У стали самая маленькая теплоемкость.
Ответ: 2.
Задание огэ по физике (фипи): 1) Учитель провёл следующий опыт. Два одинаковые по размеру стержня (медный расположен слева, а стальной – справа) с закреплёнными на них с помощью парафина гвоздиками нагревались с торца с помощью спиртовки (см. рисунок). При нагревании парафин плавится, и гвоздики падают.

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом излучения.
2) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом конвекции.
3) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности.
4) Плотность меди меньше плотности стали.
5) Теплопроводность меди больше теплопроводности стали
Решение: Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности, внутренняя энергия переходит от одной части стержня к другой. Теплопроводность меди больше теплопроводности стали, так как медь прогревается быстрее.
Ответ: 35

Задание огэ по физике (фипи): Два одинаковых бруска льда внесли с мороза в тёплое помещение. Первый брусок завернули в шерстяной шарф, а второй оставили открытым. Какой из брусков будет нагреваться быстрее? Ответ поясните.
Решение: Быстрее будет нагреваться второй брусок, шерстяной шарф будет препятствовать передаче внутренней энергии из комнаты в брусок. Шерсть плохо проводит тепло, у нее плохая теплопроводность, благодаря этому брусок льда будет нагреваться медленнее. 

Задание огэ по физике (фипи): Горячий чайник какого цвета – чёрного или белого – при прочих равных условиях будет остывать быстрее и почему?
1) белый, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
2) белый, так как тепловое излучение от него более интенсивное
3) чёрный, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
4) чёрный, так как тепловое излучение от него более интенсивное
Решение: Черные тела лучше поглощают тепловое излучение, например на солнце быстрее нагреется вода в черной баке, чем в белой. Справедлив и обратный процесс, черные тела остывают быстрее.
Ответ: 4

Задание огэ по физике (фипи): В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путем
1) теплопроводности
2) конвекции
3) конвекции и теплопроводности
4) излучения и конвекции
Решение: В твёрдых телах теплопередача может осуществляться только теплопроводностью. В твердом теле молекулы находятся около положения равновесия, и могут только колебаться около него, поэтому конвекция невозможна.
Ответ: 1

Задание огэ по физике (фипи): Из какой кружки – металлической или керамической – легче пить горячий чай, не обжигая губы? Объясните почему.
Решение: Теплопроводность металлической кружки выше, и тепло от горячего чая будет передаваться губам быстрее, и обжигать сильнее. 

§ 5. Конвекция — гдз по физике для 8 класса А.В. Перышкин

1. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

Условие:

Нагретая лампа.

Решение:

Тепловое излучение от нагретой лампы увеличивает кинетическую энергию беспорядочного движения молекул воздуха над лампой — излучение поглощается молекулами воздуха, их кинетическая энергия увеличивается, значит, температура воздуха увеличивается над лампой. Нагретый воздух непосредственно примыкающий к лампе начинает давить снизу на вышележащий холодный воздух, так как нагретый менее плотный и легче холодного. Нагретый воздух поднимается вверх, а более холодный заменяет его и нагревается от лампы в свою очередь тепловым излучением. Нагревшись до температуры более высокой, чем примыкающий к нему сверху воздух, новая порция нагретого воздуха поднимается выше, а его место занимает опять менее нагретый. Таким образом, над лампой происходит обмен воздушных слоев, в результате которого нагретый воздух поднимается, а холодный воздух опускается к лампе — это называют конвекцией.

Советы:

Теплый газ всегда легче холодного.

2. Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь.

Условие:

Колба с водой на огне.

Решение:

Тепло от огня, через кварцевое стекло колбы, поглощается прилегающим к дну колбы водным слоем. Температура этого слоя воды повышается, а значит плотность и вес уменьшается. Нагретый слой воды давит на вышележащий более холодный и плотный слой воды и вытесняет его на свое место, а сам поднимается выше. Поднявшись выше, этот теплый слой воды остывает, отдав часть своего тепла вышележащему слою воды или прилегающему слою воздуха, а далее опускается вниз, ближе к дну колбы, так как вытесняется вниз новой порцией более нагретой воды. Такое перемешивание слоев воды называют конвекцией.

Советы:

Нагретый слой воды легче холодного слоя воды.

3. В чём состоит явление конвекции?

Условие:

Объемы газа или жидкости нагреваются снизу.

Решение:

Потоки, слои или струи нагретого газа или жидкости поднимаются к верхней части объема, в котором газ или жидкость заключены, а потоки, слои или струи более холодной части газа или жидкости опускаются к нижней части данного объема, где происходит подвод тепла к газу или жидкости. 

Советы:

Энергия и температура переносится этими слоями, потоками или струями газа или жидкости.

4. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной?

Условие:

Два объема газа или жидкости нагревают — один не трогают объем при нагревании, а другой мешают, взбалтывают и помешивают.

Решение:

При естественной конвекции подогреваемый газ или жидкость перемешиваются самостоятельно, а при искусственной конвекции весь объем газа или жидкости перемешивают, что увеличивает скорость передачи тепла от нагревателя всему объему газа или жидкости.

Советы:

Пример искусственной конвекции используется нами каждый день при перемешивании ложкой горячего напитка или супа для более быстрого охлаждения жидкости.

5. Почему жидкости и газы нагревают снизу?

Условие:

Объем с жидкостью или газом, нагреваемый снизу.

Решение:

Жидкости и газы в нагретом состоянии легче чем в холодном, поэтому возможна конвекция потоков газа и жидкостей — нагретые объемы поднимаются вверх, а холодные объемы опускаются вниз. 

Советы:

При нагревании верхней части объема газа или жидкости нагретый верхний слой будет всегда оставаться наверху и передавать тепло нижележащему холодному слою будет не конвекцией, а посредством обычной теплопроводности.

6. Почему конвекция невозможна в твердых телах?

Условие:

Твердое тело, нагретое снизу, сверху или сбоку.

Решение:

В твердых телах атомы или молекулы прочно связаны друг с другом, образуя кристаллическую (минералы, металлы и их сплавы) или аморфную структуру (стекла, пластмассы), в которой перенос струй, потоков или слоев вещества невозможен до расплавления, а только расплавленное состояние, являющееся жидкой фазой, может обеспечить конвекцию.

Советы:

До расплавления, то есть, до перехода в жидкую фазу, перенос тепла в твердом теле проходит за счет теплопроводности.

Упражнение 4.1. Почему подвал — самое холодное место в доме?

Условие:

Подвал дома.

Решение:

Батареи отопления находятся в жилых помещениях дома, начиная с первого этажа и выше. Поэтому теплый воздух находится в жилых помещениях, а холодный тяжелый воздух не может подняться из подвала на жилые этажи, соответственно, оставаясь всегда в подвале.

Советы:

Даже остыв у чердака, воздух опускается к нижним этажам и постепенно становится теплее, и если достигнет первого этажа, то его температура уже повысится выше температуры воздуха в подвале.

Упражнение 4.2. Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна, а радиаторы — у пола?

Условие:

Комната с окном и форточкой в ней, у пола — радиаторы.

Решение:

Обмен свежим воздухом между комнатой и внешней атмосферой происходит в верхней части комнаты, где скапливается теплый и тяжелый воздух, обогащенный углекислым газом. На его место заходит внешний свежий холодный воздух, который сразу начинает опускаться вниз к радиаторам, а легкий теплый воздух вытесняется кверху, где через форточку в окне уходит в атмосферу. Тем самым обеспечивается конвекция воздуха для переноса тепла по всему объему комнаты от пола до потолка.

Советы:

На подводных лодках форточки отсутствуют, поэтому устанавливают нагнетательные вентиляторы, которые создают искусственную конвекцию воздуха по объему субмарины.

Упражнение 4.3. Каким образом охлаждается воздух в комнате зимой при открытой форточке?

Условие:

Комната с открытой форточкой, за окном зима.

Решение:

Нагретый батареей воздух у пола поднимается к потолку, вытесняя менее нагретый и более тяжелый на свое место. Холодный воздух, который зашел через форточку с улицы, вытесняет  более теплый воздух, находящийся на уровне форточки, наружу. В свою очередь, этот холодный воздух, как тяжелый, сразу начнет опускаться, ускорив подъем нагретого воздуха у батареи. Таким образом, теплый воздух будет выходить через форточку наружу, а холодный занимать его место. Так как комнатная температура и температура зимой на улице сильно отличаются — градусов на 30, то холодный воздух быстро будет вытеснять теплый и в комнате зимой при открытой форточке очень быстро станет прохладно.

Советы:

Интуитивно понятно, что чем больше разность температуры между слоями воздуха, тем интенсивней будет идти конвекция.

Задание. Включите настольную лампу и расположите над ней маленькую пушинку. Опишите, что вы наблюдаете. Объясните, с каким видом теплопередачи связано наблюдаемое явление.

Условие:

Включенная настольная лампа. Над ней пушинка.

Решение:

Понятно, глядя на фото в условии, что ничего не произойдет — пушинка просто упадет на железную защитную штуку, в которой горит лампочка, сползет на край и упадет на пол. Так и произошло — у меня такая же лампа дома. Для лампы с открытым верхом, как на второй фотке, тоже самое — пушинка прошла сквозь верхнее отверстие и прилипла к лампочке или пролетела мимо неё вниз. Правда, это для 40-ка ваттной лампочки. Для 100-ваттной лампочки пушинка при падении слегка дернулась вверх, но всё-равно безнадежно прилипла к лампочке. Значит, автор учебника ничего не делал, придумывая это задание. Но он провел мысленно этот эксперимент. Если мы положим, что лампочка в 500 ватт, то она разогревается так сильно, что поток разогретого ею воздуха вверх будет заметным — пушинка потоком поднимется вверх и отбросится в сторону и далее она будет с холодным потоком двигаться вниз и пролетит мимо лампы — горячий воздух, поднимающийся вверх от лампы не даст пушинке приблизиться к лампе. Холодный же поток воздуха подходит к лампе снизу за счет тяги, замещая нагретый воздух, уходящий вверх через отверстие в верхней части колпака, и если поднести пушинку чуть ниже лампочки, то она полетит вверх, пролетит мимо лампочки и горячим потоком воздуха поднимется выше лампы и так далее.

Советы:

Для энергосберегающей лампочки, вкрученной в настольную лампу, можно даже не пытаться производить этот опыт.

методов теплопередачи | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересны, чем эффекты теплопередачи в системе, методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит передача тепла. Теплоотдача может происходить быстро, например, через кастрюлю, или медленно, например, через стенки ящика для льда для пикника.Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду на зиму), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнители вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша для отражения лета). Солнечный свет). Так много процессов связаны с теплопередачей, поэтому трудно представить себе ситуацию, когда теплопередача не происходит. Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, осуществляется всего тремя способами:

  1. Проводимость — это передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности.
  2. Конвекция — это передача тепла за счет макроскопического движения жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в топке с принудительной подачей воздуха и в погодных системах.
  3. Передача тепла посредством излучения происходит, когда излучаются или поглощаются микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет или другая форма электромагнитного излучения.Очевидный пример — потепление Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.

Рис. 1. В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы рассмотрим эти методы более подробно в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но все три имеют одну общую черту: они передают тепло исключительно из-за разницы температур. Рис. 1.

Проверьте свое понимание

Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

Решение
  • Электропроводность: тепло передается в руки, когда вы держите чашку горячего кофе.
  • Конвекция: теплопередача, когда бариста «пропаривает» холодное молоко, чтобы сделать горячее какао .
  • Радиация: разогрев чашки холодного кофе в микроволновой печи.

Сводка раздела

  • Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Концептуальные вопросы

  1. Каковы основные способы передачи тепла от горячего ядра Земли к ее поверхности? С поверхности Земли в космос?
  2. Когда наши тела становятся слишком теплыми, они реагируют потоотделением и усилением кровообращения к поверхности, чтобы отводить тепловую энергию от ядра.Как это повлияет на человека, находящегося в горячей ванне с температурой 40 ° C?
  3. На рис. 2 показан в разрезе термос (также известный как сосуд Дьюара), который представляет собой устройство, специально разработанное для замедления всех форм теплопередачи. Объясните функции различных частей, таких как вакуум, серебрение стен, тонкостенная длинная стеклянная горловина, резиновая опора, воздушный слой и стопор.

    Рис. 2. Конструкция термоса предназначена для подавления всех способов теплопередачи.

  4. Конструкция термоса разработана таким образом, чтобы препятствовать передаче тепла всеми способами.
  5. На рисунке показан вид термоса в разрезе с обозначениями различных частей.

Глоссарий

теплопроводность: передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте

конвекция: передача тепла за счет макроскопического движения жидкости

излучение: теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Теплообмен

Конвекция — это передача тепла за счет массового движения жидкости, такой как воздух или вода, когда нагретая жидкость перемещается от источника тепло, несущее с собой энергию.Возникает конвекция над горячей поверхностью потому что горячий воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх (см. Закон идеального газа). Горячая вода также менее плотная, чем холодная, и поднимается вверх, вызывая конвекционные токи, переносящие энергию.

Конвекция также может приводить к циркуляции жидкости, как при нагревании кастрюли с водой над пламенем. Подогретая вода расширяется и становится более плавучей. Более холодная и более плотная вода у поверхности спускается вниз, и могут формироваться схемы циркуляции, хотя они не будут такими регулярными, как показано на рисунке.

Конвекционные ячейки видны в нагретом кулинарном масле в кастрюле слева. Нагревание масла вызывает изменения показателя преломления масла, делая видимыми границы ячеек. Образуются паттерны циркуляции, и предположительно видимые стеноподобные структуры являются границами между паттернами циркуляции.

Считается, что конвекция играет важную роль в транспортировке энергии от центра Солнца к поверхности и в перемещениях горячей магмы под поверхностью Земли.Видимая поверхность Солнца (фотосфера) имеет зернистый вид с типичным размером гранулы 1000 километров. Изображение справа взято с веб-сайта NASA Solar Physics и предоставлено Дж. Шармером и шведским вакуумным солнечным телескопом. Гранулы описываются как конвекционные ячейки, которые переносят тепло от внутренней части Солнца к поверхности.

При обычном переносе тепла на Земле трудно количественно оценить эффекты конвекции, поскольку она по своей сути зависит от небольших неоднородностей в достаточно однородной среде.При моделировании таких вещей, как охлаждение человеческого тела, мы обычно просто объединяем его с проводимостью.

Индекс

Концепции теплопередачи

Примеры теплопередачи

Учебное пособие по физике

Если вы следили за этим с самого начала этого урока, значит, вы постепенно усложняли понимание температуры и тепла. Вы должны разработать модель материи, состоящую из частиц, которые вибрируют (покачиваются в фиксированном положении), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси).Эти движения придают частицам кинетическую энергию. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Мы надеемся, что вы приняли понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Разница температур между двумя соседними объектами вызывает эту теплопередачу. Передача тепла продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру.Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение горячей кружки кофе и нагревание холодной банки с попой. Наконец, мы исследовали мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в чашку из пенополистирола с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

  • Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
  • Почему всегда устанавливается тепловое равновесие, когда два объекта передают тепло?
  • Как происходит теплопередача в объеме объекта?
  • Существует более одного метода передачи тепла? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид частиц

Давайте начнем наше обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток подразумевает передачу тепла от одного места к другому при отсутствии какого-либо материального потока. Нет никакого физического или материального перехода от горячей воды к холодной. Только энергия передается от горячей воды к холодной.Кроме потери энергии, от горячей воды больше ничего не ускользнет. И кроме накопления энергии, в холодную воду больше ничего не попадает. Как это произошло? Каков механизм, который делает возможным теплопроводный поток?

Подобный вопрос относится к вопросу на уровне частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из крошечных частиц, атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию.Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по всему пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это называется поступательной кинетической энергией и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться в фиксированном положении. Это дает частицам кинетическую энергию колебаний и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких вигглеров и маленьких вздоров.Вигглеры — это частицы, колеблющиеся в фиксированном положении. Они обладают колебательной кинетической энергией. Удары — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметры образца вещества. Так же, как периметр вашей собственности (как и в случае с недвижимостью) является самым дальним продолжением собственности, так и периметр объекта является самым дальним продолжением частиц в образце материи.По периметру маленькие бомбы сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже с окружающим воздухом. Даже вигглеры, закрепленные по периметру, трясутся. Находясь по периметру, их шевеление приводит к столкновениям с находящимися рядом частицами; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких бомберов и вигглеров являются упругими столкновениями, в которых сохраняется общее количество кинетической энергии всех сталкивающихся частиц.Конечный эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы потеряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы получат немного кинетической энергии. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в более высокотемпературном объекте больше частиц с большей кинетической энергией, чем в более низкотемпературном объекте.Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце материи, логично сделать вывод, что объект с более высокой температурой потеряет некоторую кинетическую энергию, а объект с более низкой температурой получит некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких бомжей и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов становится равной.При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу в энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потерям энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц по периметру.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от высокотемпературного объекта низкотемпературному объекту. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить в терминах суммарного эффекта столкновений целой группы маленьких взрывных устройств .Нагревание и охлаждение — макроскопические результаты этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию металлической банки с горячей водой, расположенной внутри чашки из пенополистирола, содержащей холодную воду. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией — это частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией, и ударяется о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке.Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла, поэтому они довольно быстро нагреваются по всей емкости. Канистра нагревается почти до той же температуры, что и горячая вода. Металлическая банка, будучи цельной, состоит из маленьких вигглеров . Вигглеры на внешнем периметре металла могут ударить частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металлической банки и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде.Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, где частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию.На макроскопическом уровне можно наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому посредством столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проводке нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не перемещается через границу. Изменения температуры полностью объясняются увеличением и уменьшением кинетической энергии во время столкновений.

Проведение через объем объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через большую часть объекта? Например, предположим, что мы достаем керамическую кружку для кофе из шкафа и ставим ее на столешницу. Кружка комнатной температуры — может быть, 26 ° C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80 ° C.Кружка быстро нагревается. Энергия сначала проникает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем он течет через большую часть керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность самой керамики?

Механизм теплопередачи через объем керамической кружки описан так же, как и раньше. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченных виглеров. Это частицы, которые колеблются в фиксированном положении.Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. По мере того, как они покачиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично покачиваться, и их столкновения с соседями увеличивают их колебательную кинетическую энергию. Процесс передачи энергии посредством маленьких колец продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом).Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука почувствует это.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия частиц с частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. То же самое с металлическими предметами? Например, вы, вероятно, заметили высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, когда ее ставят на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог.Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределяются между атомами и могут свободно перемещаться по всей массе металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение.Главное, чтобы понять, что передача тепла через металлы происходит без движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как относящуюся к категории теплопроводности.

Теплообмен конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством передачи тепла? Может ли тепло передаваться через объем объекта другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. В модели теплопередачи через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду использовалась теплопроводность.Керамика кофейной кружки и металл сковороды твердые. Передача тепла через твердые тела происходит за счет теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые закреплены на месте. Жидкости и газы — не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Обычно тепло не проходит через жидкости и газы за счет теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи.Модель, используемая для объяснения теплопередачи через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс передачи тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печи.Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается конфоркой печи. По мере того, как металл нагревается, он начинает передавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. По мере того, как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционных токов . Горячая вода начинает подниматься к верху кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально.А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется к дну горшка, где она нагревается, и начинает подниматься. Эти циркуляционные токи медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для нагретой воды для передачи энергии от дна горшка к поверхности.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, установленный на полу холодного помещения, нагревает воздух в помещении. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере того, как воздух нагревается, он расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься.Когда горячий воздух поднимается, он выталкивает часть холодного воздуха в верхнюю часть комнаты. Холодный воздух движется в нижнюю часть комнаты, чтобы заменить поднявшийся горячий воздух. По мере того, как более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается обогревателем и начинает подниматься. Снова медленно образуются конвекционные токи. Воздух движется по этим путям, неся с собой энергию от обогревателя по всей комнате.

Конвекция — это основной метод передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух.Часто говорят, что тепла поднимается на в этих ситуациях. Более подходящее объяснение — сказать, что нагретая жидкость поднимается на . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на полу, он уносит с собой более энергичные частицы. По мере того как более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха в верхней части комнаты увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует увеличению температуры.Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный метод передачи тепла всегда предполагает передачу тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорийности, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорийности тепло было жидкостью, а движущаяся жидкость — теплом. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два обсуждаемых здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции.Движущая сила циркуляции жидкости является естественной — разница в плотности между двумя местами в результате нагрева жидкости в каком-либо источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающих сил, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются. Мы не будем здесь приводить подобные объяснения.) Естественная конвекция является обычным явлением в природе. Океаны и атмосфера Земли нагреваются естественной конвекцией. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция включает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств.Многие системы отопления дома включают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи, выдувается вентиляторами через воздуховоды и выпускается в помещения в местах вентиляции. Это пример принудительной конвекции. Перемещение жидкости из горячего места (возле печи) в прохладное (комнаты по всему дому) приводится в движение вентилятором. Некоторые духовки являются духовками с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые нагнетают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины увеличивают нагревательную способность огня, продувая нагретый воздух из каминного блока в соседнее помещение.Это еще один пример принудительной конвекции.


Теплообмен излучением

Последний метод передачи тепла включает излучение. Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает рассылать или распространять из центра. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветов, спицы колес или боль, если что-то излучает , тогда оно выступает или распространяется наружу из источника.Передача тепла излучением включает перенос энергии от источника к окружающему его пространству. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, лишенную материи (то есть вакуум). Фактически, тепло, получаемое на Землю от Солнца, является результатом распространения электромагнитных волн через пустоту пространства между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия высвобождается, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k • T 4

Чем горячее объект, тем больше он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину и частоту излучаемых волн. Объекты при обычной комнатной температуре излучают энергию в виде инфракрасных волн.Поскольку мы невидимы для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаружить такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видеозаписи излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой набор или диапазон длин волн. Обычно это обозначается как спектр излучения . По мере увеличения температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются.Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимой области спектра. К счастью, это обеспечивает удобное предупреждение для пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, в которой находится нить накала.Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение — это форма передачи тепла, потому что электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, вызывая увеличение средней кинетической энергии их частиц и повышение температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое посредством электромагнитного излучения.Изображение справа было получено тепловизором. Камера обнаруживает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. Более горячие цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения любезно предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице относилось к различным методам теплопередачи. Были описаны и проиллюстрированы проводимость, конвекция и излучение.Макроскопия была объяснена с точки зрения частиц — постоянная цель этой главы Учебного пособия по физике. Последняя тема, которую мы обсудим в Уроке 1, носит более количественный характер. На следующей странице мы исследуем математику, связанную со скоростью теплопередачи.

Проверьте свое понимание

1. Рассмотрим объект A с температурой 65 ° C и объект B с температурой 15 ° C.Два объекта помещаются рядом друг с другом, и маленькие бомбы начинают сталкиваться. Приведет ли какое-либо столкновение к передаче энергии от объекта B к объекту A? Объяснять.

2. Предположим, что объект A и объект B (из предыдущей задачи) достигли теплового равновесия. Столкнулись ли частицы двух объектов друг с другом? Если да, то приводит ли какое-либо столкновение к передаче энергии между двумя объектами? Объяснять.

Проводимость — Проводимость, конвекция и излучение — GCSE Physics (Single Science) Revision

Тепло — это тепловая энергия. Его можно переносить с одного места на другое по проводимости .

Металлы являются хорошими проводниками тепла, но неметаллы и газы обычно являются плохими проводниками. Плохие проводники называют изоляторами.

Тепловая энергия передается от горячего конца объекта к холодному.

Проводимость в металлах

Электроны в куске металла могут покидать свои атомы и перемещаться по металлу как свободные электроны. Оставшиеся части атомов металла теперь являются положительно заряженными ионами металлов.

Ионы плотно упакованы и непрерывно колеблются. Чем горячее металл, тем большую кинетическую энергию имеют эти колебания. Эта кинетическая энергия передается от горячих частей металла к более холодным частям свободными электронами.

Они движутся сквозь структуру металла, сталкиваясь с ионами на своем пути.

Проводимость в металле

Металлический стержень нагревается

Тепло возбуждает атомы, и вибрация увеличивается

Вибрация распространяется по всему металлу, нагревая весь стержень

Исследование проводников

Можно использовать эксперимент, чтобы выяснить, какие металл — лучший проводник тепла. Он включает в себя несколько длинных тонких полосок из разных металлов (например, стали, алюминия и меди), воск, канцелярские кнопки и горелку Бунзена.

Метод:

  1. Прикрепите канцелярский штифт к концу металлической полосы, используя капли воска.
  2. Поместите другой конец металлической полосы в пламя Бунзена.
  3. Запишите время, необходимое для плавления воска и отпадания булавки.

Самое быстрое время показывает лучший проводник тепла.

Переменные, которые влияют на время, необходимое для падения булавок, включают расстояние, на котором они находятся от пламени, и толщину металла.

Если вы контролировали все эти переменные, вы должны обнаружить, что медь проводит лучше, чем алюминий, а алюминий — лучше, чем сталь.

термодинамика — Влияние объемного расхода на конвекционные и радиационные тепловые потоки

Используя приведенные вами уравнения, на излучение не влияет движение объекта через его окружение, а конвекция затрагивается только в том случае, если коэффициент конвекции изменяется из-за этого движения.

Поскольку вы заявили, что охлаждающий газ направлен перпендикулярно поверхности объекта, на эффект конвекционного тока не должно влиять боковое движение.Для целей этого вопроса я предполагаю, что любой дополнительный эффект конвекции, связанный с этим боковым движением, можно игнорировать.

Из вопроса вы понимаете, что и излучение, и конвекция действуют на поверхности. Вы не предоставили никакой информации об относительных формах объектов, и без этого невозможно ответить, однако, когда вы спросили о том, как объемный поток влияет на скорость теплообмена, мы заявим, что для целей этого вопроса два объекта геометрически похожи на .3 $).

Количество тепла, удерживаемого каждым из них, при условии однородной плотности тепла, пропорционально объему объекта.

И конвекция, и излучение пропорциональны площади поверхности объекта (которую вы определили в своем вопросе).

Таким образом, в начальный момент, когда два объекта изначально имеют одинаковую температуру, разница в тепловых потерях будет пропорциональна площади поверхности объекта, поэтому объект с наибольшей площадью будет терять больше тепла.

Учитывая мое предыдущее предположение, что объекты геометрически подобны, это означает, что более крупный объект теряет тепло быстрее (но поскольку количество удерживаемого тепла пропорционально его объему, он удерживает больше тепла).

Тепловые потери в обоих случаях приводят к снижению температуры — поскольку тепловые потери пропорциональны площади, а количество тепла, удерживаемого объектом, пропорционально объему, тепловая плотность более крупного объекта уменьшается медленнее, чем тепло. плотность меньшего объекта.Так он медленнее теряет температуру.

В следующий момент разница температур двух объектов не будет одинаковой, и как для излучения, так и для конвекции это повлияет на количество потерянного тепла.

Когда мы вычисляем потери тепла с течением времени, количество времени, в течение которого объекты подвергаются воздействию охлаждающей среды, будет влиять на общие потери тепла, поэтому объект, который движется медленнее через охлаждающую камеру, будет подвергаться охлаждению дольше. Однако это фактическая скорость, а не объемный расход.

Таким образом, для объектов геометрически одинаковой формы (но с разными объемами) отношение площади поверхности к объему будет влиять на тепловые потери, а количество времени, в течение которого они находятся в охлаждающей камере, повлияет на (общие) тепловые потери.

energy — «Согревает ли ваш дом» закрывающиеся шторы?

Если внутренняя поверхность окна холоднее, чем воздух в вашей комнате, тогда комната будет терять тепло к окну. В этом случае шторы уменьшают потери тепла точно так же, как надевание одежды снижает потери тепла вашим телом.

Двойное остекление снижает потери тепла из окон, но даже в этом случае быстрое измерение в моей гостиной показывает, что внутренняя поверхность моего окна (с двойным остеклением) холоднее, чем остальная часть комнаты, поэтому шторы будут иметь значение.

Но не опускайте занавески днем, потому что если светит солнце, теплица обогрев вашей комнаты. Если вы задерните шторы, солнечный свет нагреет шторы, но они будут удерживать горячий воздух возле окна, где тепло может выходить наружу.

Провел эксперимент!

Если кому-то еще интересно, я встал сегодня рано утром до включения отопления, чтобы измерить температуру.

В моей гостиной есть окна на каждом конце, и я закрыл шторы на одном окне и оставил открытыми шторы на другом окне, чтобы действовать как контроль. Сегодня в 06:30 температура в комнате была 6ºC. Когда я поместил термометр примерно в миллиметре от незакрытого окна, температура была 5ºC и на расстоянии 1 мм от занавешенного окна (т.е.е. внутри занавесок) температура была 2ºC. На улице около нуля, потому что был мороз — на улицу замерить не стал, было слишком холодно. Спросите Фрэнсиса Бэкона об опасности подобных экспериментов 🙂

Итак, при закрытых шторах температура у окна была на 3 градуса ниже, что свидетельствует о значительном изолирующем эффекте штор. Это обычные шторы, не особо тяжелые, так что эффект довольно большой. Я подозреваю, что важны не тепловые свойства штор, а их способность препятствовать циркуляции холодного воздуха через окно в остальную часть комнаты.

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 7A

        • Марка 7Б

        • Оценка 7 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Граад 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 8A

        • класс 8Б

        • Оценка 8 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Граад 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 9А

        • Марка 9Б

        • 9 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Граад 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 4A

        • Класс 4Б

        • Класс 4 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Граад 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 5А

        • Марка 5Б

        • Оценка 5 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Граад 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 6A

        • класс 6Б

        • 6 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Граад 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *