Удельная теплоемкость вещества — формулы, определение, обозначение
Нагревание и охлаждение
Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.
Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.
Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
Виу-виу-виу! Внимание!
Обнаружено новое непонятное слово — теплопередача.
Минуточку, давайте закончим с количеством теплоты.
В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:
Нагревание Q = cm(tконечная — tначальная) Охлаждение Q = cm(tначальная — tконечная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C] |
В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.
А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.
Виды теплопередачи
Теплопередача — процесс передачи теплоты (обмена энергией).
Здесь все совсем несложно, видов всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Если мы греемся у камина, то получаем тепло конвекцией или излучением?🤔
Обоими способами.
То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.
Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета
Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:
Нагревание Охлаждение Q = cm(tначальная — tконечная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C] |
В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость.
С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:
Удельная теплоемкость вещества c= Q/m(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] |
Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:
Удельная теплоемкость вещества c= C/m c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] C — теплоемкость вещества [Дж/˚C] m — масса [кг] |
Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела Q = C(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] |
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Таблица удельных теплоемкостей
Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей.
Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.
Газы | C, Дж/(кг·К) |
Азот N2 | 1051 |
Аммиак Nh4 | 2244 |
Аргон Ar | 523 |
Ацетилен C2h3 | 1683 |
Водород h3 | 14270 |
Воздух | 1005 |
Гелий He | 5296 |
Кислород O2 | 913 |
Криптон Kr | 251 |
Ксенон Xe | 159 |
Метан Ch5 | 2483 |
Неон Ne | 1038 |
Оксид азота N2O | 913 |
Оксид азота NO | 976 |
Оксид серы SO2 | 625 |
Оксид углерода CO | 1043 |
Пропан C3H8 | 1863 |
Сероводород h3S | 1026 |
Углекислый газ CO2 | 837 |
Хлор Cl | 520 |
Этан C2H6 | 1729 |
Этилен C2h5 | 1528 |
Металлы и сплавы | C, Дж/(кг·К) |
Алюминий Al | 897 |
Бронза алюминиевая | 420 |
Бронза оловянистая | 380 |
Вольфрам W | 134 |
Дюралюминий | 880 |
Железо Fe | 452 |
Золото Au | 129 |
Константан | 410 |
Латунь | 378 |
Манганин | 420 |
Медь Cu | 383 |
Никель Ni | 443 |
Нихром | 460 |
Олово Sn | 228 |
Платина Pt | 133 |
Ртуть Hg | 139 |
Свинец Pb | 128 |
Серебро Ag | 235 |
Сталь стержневая арматурная | 482 |
Сталь углеродистая | 468 |
Сталь хромистая | 460 |
Титан Ti | 520 |
Уран U | 116 |
Цинк Zn | 385 |
Чугун белый | 540 |
Чугун серый | 470 |
Жидкости | Cp, Дж/(кг·К) |
Азотная кислота (100%-ная) Nh4 | 1720 |
Бензин | 2090 |
Вода | 4182 |
Вода морская | 3936 |
Водный раствор хлорида натрия (25%-ный) | 3300 |
Глицерин | 2430 |
Керосин | 2085…2220 |
Масло подсолнечное рафинированное | 1775 |
Молоко | 3906 |
Нефть | 2100 |
Парафин жидкий (при 50С) | 3000 |
Серная кислота (100%-ная) h3SO4 | 1380 |
Скипидар | 1800 |
Спирт метиловый (метанол) | 2470 |
Спирт этиловый (этанол) | 2470 |
Топливо дизельное (солярка) | 2010 |
Задача
Какое твердое вещество массой 2 кг можно нагреть на 10 ˚C, сообщив ему количество теплоты, равное 7560 Дж?
Решение:
Используем формулу для нахождения удельной теплоемкости вещества:
c= Q/m(tконечная — tначальная)
Подставим значения из условия задачи:
c= 7560/2*10 = 7560/20 = 378 Дж/кг*˚C
Смотрим в таблицу удельных теплоемкостей для металлов и находим нужное значение.
Металлы и сплавы | C, Дж/(кг·К) |
Алюминий Al | 897 |
Бронза алюминиевая | 420 |
Бронза оловянистая | 380 |
Вольфрам W | 134 |
Дюралюминий | 880 |
Железо Fe | 452 |
Золото Au | 129 |
Константан | 410 |
Латунь | 378 |
Манганин | 420 |
Медь Cu | 383 |
Никель Ni | 443 |
Нихром | 460 |
Олово Sn | 228 |
Платина Pt | 133 |
Ртуть Hg | 139 |
Свинец Pb | 128 |
Серебро Ag | 235 |
Сталь стержневая арматурная | 482 |
Сталь углеродистая | 468 |
Сталь хромистая | 460 |
Титан Ti | 520 |
Уран U | 116 |
Цинк Zn | 385 |
Чугун белый | 540 |
Чугун серый | 470 |
Ответ: латунь
Тест по физике Конвекция 8 класс
Тест по физике Конвекция для учащихся 8 класса с ответами.
Тест состоит из 9 вопросов и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.
1. Конвекция -это
1) явление циркуляции жидкости или газа
2) вид теплопередачи, отличающийся от теплопроводности
3) явление нагревания или охлаждения газов и жидкостей
4) вид теплопередачи, при которой энергия переносится струями жидкости или газа
2. В каких телах — твердых, жидких, газообразных — возможна теплопередача конвекцией?
1) Твердых
2) Жидких
3) Газообразных
4) Во всех
3. В каких случаях происходит конвекция: на плите закипает чайник (№1), в углях костра запекают картофель (№2), комната обогревается электронагревателем (№3), опущенная в воду ложка стала горячей (№4)?
1) №1
2) №2
3) №3
4) №4
4. Под действием какой силы нагретые слои жидкости (газа) поднимаются вверх?
1) Силы взаимодействия молекул
2) Своего веса
3) Архимедовой силы
4) Силы упругости
5.
Почему для возникновения конвекции в жидкости ее надо подогревать снизу?
1) Иначе жидкость не прогреется
2) Потому что, если нагревать сверху, нагретые верхние слои жидкости, как более легкие, останутся наверху
3) Потому что подогревать сверху неудобно
6. На какую полку -самую верхнюю или самую нижнюю — надо поставить банку с вареньем в комнате-кладовке, чтобы оно лучше сохранялось?
1) На самую верхнюю
2) На самую нижнюю
3) Все равно
7. Какие существуют виды конвекции?
1) Естественная и свободная
2) Естественная и вынужденная
3) Только свободная
4) Только вынужденная
8. В каком случае происходит вынужденная конвекция?
1) Согревание помещения электронагревателем с вентиля- тором
2) Нагревание воздуха стоящим на полу баком с кипятком
3) Обогревание северных районов Европы Гольфстримом
4) Образование прохладного ветерка вблизи водоема
9.
Естественная конвекция наблюдается
1) в воде, когда ее греют в котелке над костром
2) в бульоне при размешивании в нем соли
3) в воздухе при работе вентилятора
4) в воде, когда от брошенного в нее камня расходятся круги
Ответы на тест по физике Конвекция
1-4
2-23
3-13
4-3
5-2
6-2
7-2
8-1
9-1
Конвекция — Технарь
Жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, батареи отопления, от которых нагревается воздух в комнате, помещают под окнами около пола. Случайно ли это?
Поместив руку над горячей плитой или над гонящей лампой, мы заметим, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 185). Здесь мы наблюдаем иной вид теплопередачи, который называют конвекцией.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости. Воздух, который соприкасается с плитой или лампой, нагревается от ее поверхности и расширяется.
Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного, и поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе. Ведь архимедова сила, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, действующая на теплый воздух, направленная вниз. Затем прогревается и- начинает двигаться вверх следующий слой холодного воздуха и т. д.
Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, опускают на дно стеклянной колбы кристаллик красящего вещества, например марганцовокислого калия, и ставят колбу на огонь. Замечают, что вода начинает перемещаться по замкнутым линиям — циркулировать: нагретые нижние слои воды выталкиваются холодной водой и поднимаются вверх (рис. 186). Благодаря циркуляции вся вода равномерно прогревается. Здесь, как и в газе, энергия переносится с одного места на другое с потоками вещества — воды.
Конвекция происходит в наших жилых комнатах (рис.
187), благодаря чему нагревается воздух в них.
Мы рассмотрели конвекцию, которая является естественной, или свободной. Если же неравномерно нагретую жидкость (или газ) перемешивать насосом или мешалкой, то произойдет вынужденная конвекция.
Теперь можно ответить на вопрос, поставленный в начале этого параграфа: почему жидкости и газы нагревают, как правило, снизу? Попробуем прогреть воду, налитую в пробирку, так, как показано на рисунке 188. Верхний слой воды закипит, а нижние слои останутся холодными. Если на дно пробирки поместить кусочки льда, они даже не растают. Почему? При таком способе нагревания не может происходить конвекция, ведь нагретые слои воды не могут опуститься ниже холодных, более тяжелых слоев. Может быть, вода прогреется благодаря теплопроводности? Но, как видно из этого опыта, теплопроводность воды мала, и пришлось бы очень долго ждать, пока вода прогреется. Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух в пробирке, если его нагревать сверху (рис.
189).
В твердых телах, где свобода движения молекул ограничена, конвекция происходить не может. Вспомним, что каждая частица кристаллического твердого тела лишь колеблется около одной точки, удерживаемая сильным взаимным притяжением с другими частицами. Поэтому при нагревании твердого тела в нем не могут образовываться потоки вещества. Повседневный опыт подтверждает это. В твердых телах энергия передается теплопроводностью.
Вопросы.
- Опишите опыт, показывающий, что воздух над нагретой лампой перемещается. 2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой. 3. Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь. 4. В чем состоит явление конвекции? 5. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной? 6. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 7. Почему конвекция невозможна в твердых телах?
Конвекция в жидкостях и газах
Конвекция — это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.
При конвекции выравнивание температур в жидкостях и газах происходит в результате перемешиванием теплых и более холодных частей жидкости или газа. В твердых телах конвекции нет. При конвекции происходит и перенос вещества. Конвекция объясняется тепловым расширением тел и законом Архимеда. Чем выше температура, тем меньше плотность, и поэтому более нагретые части среды поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев жидкости или газа.
Модель демонстрирует движение холодных и нагретых частей воздуха в комнате с нагревателем.
Холодный воздух показан синим цветом, а теплый — красным.
Благодаря конвекции происходит нагревание или охлаждение воздуха в наших комнатах. Воздух охлаждается вблизи стекол окна и опускается вниз, а его место занимает более теплый воздух комнаты. Без нагревателя в комнате устанавливается циркуляция воздуха, при которой воздух охлаждается около окна и опускается вниз, а вытесняемый им более теплый воздух поднимается вверх, идет к окну и охлаждаясь, опускается вниз.
В результате такой циркуляции воздух в комнате охлаждается.
Нагреватель нагревает воздух. Плотность воздуха уменьшается, становиться меньше, чем у окружающего (более холодного) воздуха, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы воздух поднимается вверх. Его место внизу заполняет холодный воздух.
Итак, воздух, который соприкасается с нагревателем, нагревается и вследствие этого расширяется и поднимается вверх. Наверху он вытесняет вниз менее теплый воздух комнаты. В комнате возникает циркуляция воздуха, в результате которой воздух в комнате нагревается.
Если нагреватель стоит под окном, то опускающийся вниз охлажденный окном воздух перемешивается с поднимающимся вверх теплым воздухом от нагревателя. В этом случае влияние холодного окна оказывается наименьшим.
Пёрышкин. Решебник по белому учебнику
§ 1. Тепловое движение. Температура
Вопросы
§ 2. Внутренняя энергия
Вопросы
Упражнение 1
Задание
§ 3.
Способы изменения внутренней энергии телаВопросы
Упражнение 2
Задание
§ 4. Теплопроводность
Вопросы
Упражнение 3
Задание
§ 5. Конвекция
Вопросы
Упражнение 4
Задание
§ 6. Излучение
Вопросы
Упражнение 5
Задание
§ 7. Количество теплоты. Единицы количества теплоты
Вопросы
Упражнение 6
§ 8. Удельная теплоёмкость
Вопросы
Упражнение 7
Задание
§ 9. Расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении
Вопросы
Упражнение 8
§ 10. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
Вопросы
Упражнение 9
Задание
§ 11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах
Вопросы
Упражнение 10
§ 12. Агрегатные состояния вещества
Вопросы
§ 13.
Плавление и отвердевание кристаллических телВопросы
Упражнение 11
Задание
§ 14. График плавления и отвердевания кристаллических тел
Вопросы
Задание
§ 15. Удельная теплота плавления
Вопросы
Упражнение 12
Задание
§ 16. Испарение. Насыщенный и ненасыщенный пар
Вопросы
Задание
§ 17. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение её при конденсации пара
Вопросы
Упражнение 13
Задание
§ 18. Кипение
Вопросы
Упражнение 14
Задание
§ 19. Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха
Вопросы
Упражнение 15
§ 20. Удельная теплота парообразования и конденсации
Вопросы
Упражнение 16
Задание
§ 21. Работа газа и пара при расширении
Вопросы
§ 22. Двигатель внутреннего сгорания
Вопросы
§ 23.
Паровая турбинаВопросы
§ 24. КПД теплового двигателя
Вопросы
Упражнение 17
Задание
Проверь себя
§ 25. Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел
Вопросы
Упражнение 18
Задание
§ 26. Электроскоп
Вопросы
§ 27. Электрическое поле
Вопросы
Упражнение 19
§ 28. Делимость электрического заряда. Электрон
Вопросы
§ 29. Строение атомов
Вопросы
Упражнение 20
§ 30. Объяснение электрических явлений
Вопросы
Упражнение 21
§ 31. Проводники, полупроводники и непроводники электричества
Вопросы
Упражнение 22
§ 32. Электрический ток. Источники электрического тока
Вопросы
Задание
§ 33. Электрическая цепь и её составные части
Вопросы
Упражнение 23
§ 34.
Электрический ток в металлахВопросы
Задание
§ 35. Действия электрического тока
Вопросы
Задание
§ 36. Направление электрического тока
Вопросы
§ 37. Сила тока. Единицы силы тока
Вопросы
Упражнение 24
§ 38. Амперметр. Измерение силы тока
Вопросы
Упражнение 25
§ 39. Электрическое напряжение
Вопросы
§ 40. Единицы напряжения
Вопросы
§ 41. Вольтметр. Измерение напряжения
Вопросы
Упражнение 26
§ 42. Зависимость силы тока от напряжения
Вопросы
Упражнение 27
§ 43. Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления
Вопросы
Упражнение 28
§ 44. Закон Ома для участка цепи
Вопросы
Упражнение 29
§ 45. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление
Вопросы
§ 46.
Примеры на расчёт сопротивления проводника, силы тока и напряженияУпражнение 30
§ 47. Реостат
Вопросы
Упражнение 31
§ 48. Последовательное соединение проводников
Вопросы
Упражнение 32
§ 49. Параллельное соединение проводников
Вопросы
Упражнение 33
§ 50. Работа электрического тока
Вопросы
Упражнение 34
§ 51. Мощность электрического тока
Вопросы
Упражнение 35
§ 52. Единицы работы электрического тока, применяемые на практике
Вопросы
Упражнение 36
Задание
§ 53. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца
Вопросы
Упражнение 31
§ 54. Конденсатор
Вопросы
Упражнение 38
Задание
§ 55. Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы
Вопросы
Задание
§ 56. Короткое замыкание.
ПредохранителиВопросы
Проверь себя
§ 57. Магнитное поле
Вопросы
Упражнение 39
§ 58. Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии
Вопросы
Упражнение 40
§ 59. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение
Вопросы
Упражнение 41
Задание
§ 60. Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов
Вопросы
Упражнение 42
Задание
§ 61. Магнитное поле Земли
Вопросы
Упражнение 43
Задание
§ 62. Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель
Вопросы
Задание
Проверь себя
§ 63. Источники света. Распространение света
Вопросы
Упражнение 44
Задание
§ 64. Видимое движение светил
Вопросы
Задание
§ 65. Отражение света. Закон отражения света
Вопросы
Упражнение 45
§ 66.
Плоское зеркалоВопросы
Упражнение 46
§ 67. Преломление света. Закон преломления света
Вопросы
Упражнение 47
§ 68. Линзы. Оптическая сила линзы
Вопросы
Упражнение 48
§ 69. Изображения, даваемые линзой
Вопросы
Упражнение 49
§ 70. Глаз и зрение
Вопросы
Задание
Проверь себя
Лабораторные работы
Физика конвекции и приливная синхронизация двойного субкарлика NY Virginis | Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества
Получить помощь с доступом
Институциональный доступ
Доступ к контенту с ограниченным доступом в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту следующими способами:
Доступ на основе IP
Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов.
Эта аутентификация происходит автоматически,
и невозможно выйти из учетной записи с проверкой подлинности IP.
Войдите через свое учреждение
Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения.
Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.
- Щелкните Войти через свое учреждение.
- Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа в систему.
- Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.
Войти с помощью читательского билета
Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.
Члены общества
Многие общества предлагают своим членам доступ к своим журналам с помощью единого входа между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Из журнала Oxford Academic:
- Щелкните Войти через сайт сообщества.
- При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.
Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для своих членов.
Личный кабинет
Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.
Некоторые общества используют личные учетные записи Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.
Институциональная администрация
Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью.Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.
Просмотр ваших зарегистрированных учетных записей
Вы можете одновременно войти в свою личную учетную запись и учетную запись своего учреждения.
Щелкните значок учетной записи в левом верхнем углу, чтобы просмотреть учетные записи, в которые вы вошли, и получить доступ к функциям управления учетной записью.
Выполнен вход, но нет доступа к содержимому
Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции.Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.
Физика — Турбулентная конвекция
В турбулентном режиме для Γ≈1 выполнено много экспериментальных и численных работ (подробности см. в [1]). Мы находим, что эта система действительно содержит единственный конвекционный вал, известный как «крупномасштабная циркуляция», точно так же, как это было вблизи Rac, хотя и при наличии сильных флуктуаций на меньших масштабах длины.Верхняя часть рис. 2 представляет собой визуализацию теней, если смотреть сбоку через образец. Этот метод основан на искривлении световых лучей градиентами показателя преломления и, таким образом, дает изображение, тесно связанное с температурным полем. Пример выброса шлейфа показан в нижней части рис. 2. В очень грубом приближении пограничные слои можно рассматривать как покоящуюся жидкость, причем каждый слой поддерживает разность температур, примерно равную ΔT/2. В этом случае вся внутренняя часть образца будет иметь почти постоянную температуру.В действительности ситуация намного сложнее, поскольку поля температуры и скорости сильно флуктуируют как во внутренних слоях, так и в большей части пограничных слоев. Грубо говоря, пограничные слои будут регулировать свою толщину так, что согласно уравнению Согласно (1), число Рэлея, основанное на толщине пограничного слоя λb (а не на L), примерно достигает своего критического значения. Эмиссия плюма тогда может рассматриваться как проявление почти предельной устойчивости пограничных слоев. Недавняя экспериментальная работа для Γ≈1 показала, что крупномасштабная циркуляция, несущая шлейфы и, в свою очередь, обусловленная их плавучестью, демонстрирует очень интересную динамику. Другим экспериментально наблюдаемым свойством крупномасштабной циркуляции является то, что она иногда замедляется и практически останавливается только для того, чтобы возобновиться, хотя обычно с другой ориентацией [18,23]. Эти «прекращения» представляют собой события, напоминающие прекращения, наблюдаемые в геодинамо, которые связаны с инверсиями магнитного поля Земли [3,4].Гораздо раньше уже было осознано, что бывают и редкие случаи, когда крупномасштабная циркуляционная ориентация совершает вращения с исключительно высокими скоростями, не теряя полностью своей циркуляции [24]. Как «вращения», так и остановки занимают лишь небольшую часть общего времени и накладываются на диффузную азимутальную динамику. Еще одним неожиданным экспериментальным наблюдением было то, что распределение вероятностей θ0 имело широкий пик, а не было однородным, как можно было бы ожидать, исходя из вращательной инвариантности образца. Воодушевленные некоторыми из этих экспериментальных данных и надеясь объяснить другие, Эрик Браун и я создали простую модель крупномасштабной циркуляции [25,26]. Оказывается, что есть как минимум две необходимые составляющие: сила циркуляции U и азимутальная ориентация θ0 плоскости циркуляции. Сила U определяется плавучестью и демпфируется вязкими скоростями пограничных слоев у стенок. Уравнение для U связано с уравнением для θ0 членом, возникающим из нелинейного члена в уравнении Навье-Стокса; этот член представляет угловой момент крупномасштабной циркуляции и пропорционален U.Далее мы предположили, что U пропорционально амплитуде δ измеримого синусоидального изменения температуры по окружности в горизонтальной средней плоскости цилиндра. Находим, что существует неустойчивая неподвижная точка при δ=0 и устойчивая при среднем значении δ=δ0. Обычно δ подвергается диффузии в глубине потенциальной ямы, окружающей δ0, но в редких случаях δ будет перемещаться шумом в неустойчивую неподвижную точку.Такое событие соответствует прекращению. Не менее интересно уравнение для второй производной от θ0: оно, отражая вращательную инвариантность системы, не имеет потенциальных экстремумов. Это приведет к диффузии, но с типичной скоростью, контролируемой эффективным членом демпфирования, пропорциональным δ, который представляет угловой момент крупномасштабной циркуляции. Таким образом, быстрые и большие изменения θ0 могут, но не должны происходить, когда δ (и, следовательно, угловой момент) малы. Эта особенность объясняет наблюдаемые случайные быстрые вращения. Недавно эта модель была расширена за счет включения членов, нарушающих азимутальную инвариантность системы [27]. Примером такого термина является некруглое поперечное сечение цилиндра. Затем модель предсказывает, что плоскость циркуляции будет стремиться выровняться по наибольшему диаметру с колебаниями относительно этого выравнивания. Другой пример — система с наклоном вертикальной оси относительно силы тяжести. Оба этих случая при соответствующих значениях параметров приведут к колебаниям θ0, соответствующим затухающему гармоническому осциллятору со стохастическим возбуждением.Для наклонного случая эти колебания действительно наблюдались и измерялись их свойства [27]. Обратите внимание, что они не связаны с крутильными колебаниями, упомянутыми ранее. Особенно интересным термином, нарушающим симметрию, является сила Кориолиса из-за вращения Земли, которое связано с циркуляцией [17]. В северном полушарии оказывается, что восходящий или нисходящий поток, более или менее параллельный оси цилиндра, дает предпочтительную западную ориентацию θ0, тогда как поток, более или менее горизонтальный и, таким образом, параллельный диаметру цилиндра, прикладывает крутящий момент, стремящийся вращать плоскость циркуляции по часовой стрелке, если смотреть сверху. Обширные измерения были также проведены для цилиндров с Γ=0,5 и Pr=5 (см. [16, 28, 29]). Среди других интересных результатов эта работа показала, что остановки происходят на порядок чаще, чем при Γ=1. Остается выяснить, можно ли объяснить эту разницу в терминах уравнений модели, обсуждавшихся ранее, при соответствующем выборе параметров. Реферат Лабораторные эксперименты по тепловой конвекции во вращающейся вокруг вертикальной оси жидкости, подверженной горизонтальному градиенту температуры, показывают, что при скорость вращения Ω превышает некоторое критическое значение Ω R (которое зависит от ускорения свободного падения, формы и размеров аппарата, физических свойств жидкости, распределения и интенсивности приложенного дифференциального нагрева) Силы Кориолиса препятствуют опрокидыванию движение в плоскостях меридианов и способствуют совершенно иному типу течения, которое получило название «наклонная конвекция» или «бароклинные волны».В этом случае движение не является осесимметричным и в значительной степени ограничено извилистыми «струйными потоками», при этом траектории отдельных элементов жидкости наклонены под очень небольшими (хотя и существенно ненулевыми) углами к горизонтали. Кинетическая энергия волн возникает в результате взаимодействия небольших вертикальных движений с полем потенциальной энергии, поддерживаемым дифференциальным нагревом, и рассеивается за счет трения, возникающего в основном в пограничных слоях на стенках аппарата. При условии, что Ω хотя и превышает Ω R , но не превышает второго критического значения Ω I , волны характеризуются большой регулярностью; они либо стационарны, либо испытывают периодические «колебания» по амплитуде, форме и другим свойствам.Азимутальная длина волны уменьшается с увеличением Ω до тех пор, пока при Ω=Ω I не достигает достаточно малого значения, ~1,5-кратного радиального размера волны, чтобы нелинейные процессы преодолевали различные ограничения, связанные с анизотропией течения, тем самым оказывая основная бароклинная волна баротропно неустойчива, передавая кинетическую энергию как большим, так и меньшим масштабам движений. Теоретические исследования наклонной конвекции берут свое начало в представлениях о крупномасштабной среднеширотной циркуляции атмосферы Земли, современные работы по которым включают важные исследования, основанные на численных моделях.Условия, благоприятствующие наклонной конвекции, должны быть довольно распространены в природных системах, и ожидается, что этот процесс лежит в основе различных явлений, представляющих интерес для океанографов, геофизиков, планетологов и астрономов. Конвекция управляется крупномасштабным потоком вещества. В случае Земли атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам.(Обратите внимание, что вращение Земли вызывает наблюдаемый восточный поток воздуха в северном полушарии). Автомобильные двигатели охлаждаются потоком воды в системе охлаждения, а водяной насос поддерживает подачу холодной воды к поршням. Кровеносная система используется телом: когда тело перегревается, кровеносные сосуды в коже расширяются (расширяются), что увеличивает приток крови к коже, где она может охлаждаться за счет потоотделения. Эти сосуды становятся меньше, когда на улице холодно, и больше, когда жарко (поэтому течет больше жидкости и передается больше энергии). Тело также теряет значительную часть своего тепла в процессе дыхания. Хотя конвекция обычно более сложна, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и сделать некоторые простые, реалистичные расчеты ее эффектов. Возьмите две маленькие кастрюли с водой и с помощью пипетки поместите каплю пищевого красителя на дно каждой. Одну оставьте на столе, а другую нагрейте над плитой.Следите за тем, как цвет распространяется и сколько времени требуется цвету, чтобы достичь вершины. Посмотрите, как образуются конвективные петли. Большинство домов негерметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час. Обсуждение Эта скорость теплопередачи равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью 100-ваттными лампочками. Новопостроенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не на 30 минут для дома из этого примера. Обычно используются зачистка от атмосферных воздействий, уплотнение и улучшенные уплотнители окон. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более экстремальные меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха.Еще более длительное время оборота вредно для здоровья, поскольку для снабжения кислородом для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей требуется минимальное количество свежего воздуха. Термин, используемый для обозначения процесса проникновения наружного воздуха в дом через щели вокруг окон, дверей и фундамента, называется «инфильтрацией воздуха». Холодный ветер гораздо более холоден, чем неподвижный холодный воздух, потому что конвекция в сочетании с проводимостью в теле увеличивает скорость, с которой энергия передается от тела.{\circ}\text{C}}.[/латекс] Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Пространство между внутренней и внешней стенами дома, например, составляет около 9 см (3,5 дюйма) — этого достаточно для эффективной конвекции. Добавление изоляции стен предотвращает поток воздуха, поэтому потери (или приток) тепла уменьшаются. Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь.Мех, волокно и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, задерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции, как показано на рисунке. Мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для защиты животных. Некоторые интересные явления происходят , когда конвекция сопровождается фазовым переходом .Он позволяет нам охлаждаться за счет потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Для испарения пота с кожи требуется тепло от кожи, но без притока воздуха воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим воздухом, и испарение продолжается. В среднем человек в состоянии покоя выделяет около 120 Вт тепла.С какой скоростью должна испаряться вода из тела, чтобы избавиться от всей этой энергии? (Это испарение может происходить, когда человек сидит в тени, а температура окружающей среды такая же, как температура кожи, что исключает передачу тепла другими способами. Стратегия Энергия необходима для фазового перехода ( [латекс]{Q=мл _{\текст{v}}}[/латекс] ). Таким образом, потери энергии в единицу времени составляют [латекс] {\ гидроразрыва {Q} {t}} [/ латекс] [латекс] {=} [/латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {мл _ {\ текст {v}}} {т}} [/ латекс] [латекс]{=120\текст{Вт}=120\текст{Дж/с}}.[/латекс] . Разделив обе части уравнения на [латекс] {L_{\text{v}}}[/латекс], мы получим, что масса, испаряемая в единицу времени, равна [латекс] {\ гидроразрыва {м} {т}} [/ латекс] [латекс] {=} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {120 \ текст { Дж / с}} {L _ {\ текст { v}}}}.[/латекс] Раствор (1) Вставьте значение скрытой теплоты из Таблицы 2, [латекс]{L_{\text{v}}=2430\text{кДж/кг}=2430\text{Дж/г}}.[/latex ] Это дает [латекс] {\ гидроразрыва {м} {т}} [/ латекс] [латекс] {=} [/латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {120 \ текст { Дж / с}} {2430 \ текст { Дж /g}}}[/латекс] [латекс]{=\:0. Обсуждение Скорость испарения около 3 г/мин представляется разумной. Это будет около 180 г (около 7 унций) в час. Если воздух очень сухой, пот может незаметно испариться. Значительное количество испарения также происходит в легких и дыхательных путях. Другой важный пример сочетания фазового перехода и конвекции возникает при испарении воды из океанов. Тепло отводится от океана при испарении воды.Если водяной пар конденсируется в капли жидкости при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло. Таким образом, происходит общий перенос тепла из океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков, тех огромных кучевых облаков, которые поднимаются в стратосферу на высоту до 20,0 км. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии. Эта энергия заставляет воздух расширяться и подниматься туда, где он холоднее. В этих более холодных регионах происходит больше конденсата, что, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Движение айсбергов — еще один пример конвекции, сопровождающейся изменением фазы. Предположим, айсберг дрейфует из Гренландии в более теплые воды Атлантики. Тепло отводится от теплой океанской воды, когда тает лед, и выделяется на сушу, когда на Гренландии формируется айсберг. 1: Объясните, почему использование вентилятора летом так освежает! 1: Одним из способов сделать камин более энергоэффективным является подача внешнего воздуха для сжигания топлива.{\circ}\text{C}},[/latex] какова скорость теплопередачи для нагревания воздуха? (d) Обсудите общую скорость теплопередачи по отношению к типичной скорости метаболизма. 10: Стеклянный кофейник имеет круглое дно диаметром 9,00 см, контактирующее с нагревательным элементом, который поддерживает температуру кофе с постоянной мощностью теплопередачи 50,0 Вт а) Какова температура дна горшка, если она равна 3.{\circ}\text{C}}?[/латекс] (b) Если температура кофе остается постоянной и вся теплопередача удаляется за счет испарения, сколько граммов испаряется в минуту? Теплоту парообразования примем равной 2340 кДж/кг. Проверьте свое понимание 1: Использование вентилятора увеличивает поток воздуха: теплый воздух рядом с вашим телом заменяется более холодным воздухом из других мест. Конвекция увеличивает скорость теплопередачи, так что движущийся воздух «чувствует» себя холоднее, чем неподвижный воздух.4\текст{МВт}}[/латекс] 9: (а) 97,2 Дж (б) 29,2 Вт (в) 9,49 Вт (d) Суммарная скорость потери тепла будет [латекс]{29,2\текст{ Вт }+\:9,49\текст{ Вт}=\:38,7\текст{ Вт}}. Осень пришла.Дни становятся короче, и скоро ты будешь доставать зимнюю одежду. Но прежде чем включить термостат, чтобы приспособиться к более холодной погоде на улице, узнайте немного о том, как на самом деле работает отопление в вашем доме и как могут происходить потери тепла. Иногда единственным результатом включения термостата является увеличение счета за электроэнергию, если в вашем доме происходят большие потери тепла. Поэтому узнайте, как тепло распространяется по вашему дому и что вы можете сделать, чтобы сохранить его там, где вам нужно. Закон физики гласит, что энергия всегда течет от более теплых областей к более холодным.Это называется проводимость . Если через несколько минут вы встанете и коснетесь подушки кресла, она станет теплой. Это происходит из-за молекулярного движения . Когда вы садились на этот стул, тепло вашего тела заставляло молекулы в кресле двигаться быстрее. Как только они начали двигаться, они столкнулись с другими молекулами поблизости, пока все молекулы в верхней части сиденья не начали двигаться и передавать тепло всему объекту. Теплопроводность работает только через прямой контакт с твердыми предметами . Примером этого в вашем доме будет ваш пол. Если ваши полы теплые или с подогревом, они помогут нагреть любую мебель, ковры или другие предметы, соприкасающиеся с полом, что, в свою очередь, стабилизирует температуру нагрева, которую вы установили для своих комнат. Когда мы передаем тепло воздуху или воде, это называется конвекцией . Если ваша комната хорошо герметизирована, конвекционный поток будет работать на вас, чтобы быстро и уютно нагреть вашу комнату. Если у вас есть утечка воздуха наружу, произойдет конвективная потеря тепла, поскольку ваш теплый воздух будет стремиться выйти к холодному воздуху. Это может произойти из-за утечки воздуха вокруг окон, дверей, полов, потолков и стен. Третья форма теплопередачи – это излучение , при котором горячий объект испускает инфракрасное излучение со скоростью света. Излучение поглощается всем, что находится поблизости и является более холодным, чем горячий объект. Это поглощение вызывает повышение температуры без нагревания воздуха между горячими и холодными объектами. Вы можете почувствовать тепловое излучение, когда держите руку рядом с конфоркой на плите или электронагревателем. В вашем доме тепловое излучение часто теряется через стену сразу за радиатором, если эта стена не изолирована. Если ваш дом не поддерживается должным образом для поддержания тепла в помещении, вашим обогревателям придется работать намного усерднее и дольше, чтобы согреть вас. Это приведет к пустой трате энергии и денег. Итак, если вы хотите сделать что-то полезное для своего кошелька и окружающей среды, проверьте свой дом на наличие способов уменьшить потери тепла.
Видны шлейфы относительно теплой жидкости, поднимающиеся слева, и шлейфы относительно холодной жидкости, падающие справа. Эти шлейфы возникают на тепловых пограничных слоях [15] толщиной λb<
(Вверху) Shadowgraph визуализация восходящих и падающих шлейфов при Ra=6,8×108, Pr=596 (дипропиленгликоль) в ячейке Γ=1 (из ссылки [11]). (Внизу) Маленькие термохромные жидкокристаллические сферы засеяны конвектирующей жидкостью. Их брэгговские ли… Показать больше Рис. 2: (Вверху) Визуализация восходящих и падающих шлейфов при Ra=6.8×108, Pr=596 (дипропиленгликоль) в ячейке Г=1 (из работы [11]). (Внизу) Маленькие термохромные жидкокристаллические сферы засеяны конвектирующей жидкостью. Их свет, рассеянный по Брэггу, меняет цвет с красного на синий в узком диапазоне температур. Штрихограммы сфер с большой выдержкой показывают поля температуры и скорости одновременно. Более холодные области отображаются коричневыми, а более теплые области — зелеными и синими. Это изображение было получено вблизи верхней поверхности при Ra=2,6×109 и Pr=5,4 (вода).На изображении показана область размером 6,5 см на 4 см. Вблизи средней вершины виден коричневатый (холодный) шлейф, отрывающийся от пограничного слоя, уходящий вниз и влево в жидкость и образующий грибовидную головку, состоящую из двух завитков (из [12]).
×
В образцах круглого сечения ориентация почти вертикальной плоскости циркуляции претерпевает азимутальную диффузию, о чем свидетельствует наблюдение, что ее среднеквадратичное азимутальное смещение пропорционально прошедшему времени [16–19]. Еще одной интересной особенностью крупномасштабной циркуляции являются крутильные колебания с азимутальными смещениями, сдвинутыми по фазе на π в верхней и нижней частях образца [20,21].Важный вопрос заключался в том, является ли этот режим характеристикой лежащей в основе детерминированной динамики. Такая детерминированная мода осциллятора будет иметь распределение вероятности p(θ-θ0) азимутального смещения θ от среднего значения θ0 с двумя максимумами, по одному рядом с двумя экстремумами смещения. Однако оказалось, что p(θ-θ0) распределено по Гауссу [21] с максимумом при θ-θ0=0. Такое распределение указывает на стохастически управляемый затухающий гармонический осциллятор [22].Таким образом, как азимутальная диффузия, так и характер торсионной моды подсказывают нам, что мы имеем дело с крупномасштабной циркуляцией системы, которая управляется шумом, состоящим из мелкомасштабных турбулентных фоновых флуктуаций.
Идея заключалась в том, чтобы выделить наименьшее количество необходимых компонентов крупномасштабной циркуляции, сохранить члены уравнений Навье-Стокса, физически релевантные этим компонентам, выполнить усреднение по объему, чтобы свести уравнения поля к обычным дифференциальные уравнения и добавить феноменологические стохастические управляющие члены (с интенсивностью, полученной из измеренных коэффициентов диффузии), чтобы представить действие мелкомасштабных флуктуаций на крупномасштабное возбуждение.
Эта процедура привела к двум стохастическим обыкновенным дифференциальным уравнениям, одно для первой производной по времени от δ, другое для второй производной от θ0 [1,25,26].
Эти два конкурирующих эффекта дают периодически меняющийся потенциал (с периодом 2π) с наклонным фоном. Такой потенциал иногда называют «потенциалом стиральной доски», и он возникает во многих задачах физики конденсированных сред, включая волны плотности заряда в полупроводниках и джозефсоновские контакты с постоянным током. Зная азимутальную диффузию и потенциал системы, можно рассчитать распределение вероятностей p(θ0) с помощью уравнения Фоккера-Планка. Результат, полученный без каких-либо настраиваемых параметров, очень хорошо согласуется с измеренным широким пиком в p(θ0), который был столь неожиданным с учетом воспринимаемой вращательной инвариантности системы.Здесь мы имеем замечательное приложение методов статистической механики к гидромеханической задаче.
Наклонная конвекция во вращающейся жидкости: Успехи физики: Том 24, № 1
14.6 Конвекция – Колледж физики
Резюме
Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Дом на рис. 1 согревается таким образом, как и кастрюля с водой на плите на рис. 2. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.Оба являются примерами естественной конвекции.
После прохождения внутрь теплопередача к другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она поднимается, чтобы передать тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс продолжает повторяться. ЭКСПЕРИМЕНТ НА ДОМАШНИЙ КОНВЕКЦИЮ: КОНВЕКЦИОННЫЕ РУЛЕТКИ НА НАГРЕТОЙ СКОВОРОДЕ
Пример 1: Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома
Предположим, что дом среднего размера имеет внутренние размеры [латекс]{12.6\text{J}}{1800\text{s}}}[/latex] [латекс]{=\:4.64\text{кВт}}.[/latex]
Температура движущегося воздуха Скорость ветра (м/с) °С 2 5 10 15 20 5 3 −1 −8 −10 −12 2 0 −7 −12 −16 −18 0 −2 −9 −15 −18 −20 −5 −7 −15 −22 −26 −29 −10 −12 −21 −29 −34 −36 −20 −23 −34 −44 −50 −52 −40 −44 −59 −73 −82 −84 Таблица 4. 
Факторы охлаждения ветром
Пример 2. Расчет массового потока при конвекции: пот-теплопередача от тела
)
0494\текст{г/с}=2,96\текст{г/мин}}.[/латекс]
Такой механизм называется положительной обратной связью, так как процесс усиливает и ускоряет сам себя. Эти системы иногда вызывают сильные бури с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы.
Проверьте свое понимание
Концептуальные вопросы
Будет ли это дыхание основной формой теплопередачи для этого человека? Решения
[/латекс] Во время сна наша тело потребляет 83 Вт энергии, в положении сидя – от 120 до 210 Вт. Следовательно, общая скорость теплоотдачи при дыхании не будет для этого человека основной формой теплопотери. Физика тепловых потерь
Например, когда вы садитесь на стул, тепло от вашего тела переходит на стул.
Так мы отапливаем наши дома.Наши источники тепла (печь, котел и т. д.) передают тепло в воздух, который затем перемещается от источника тепла к более прохладным областям в помещении. Это явление называется конвекционным током .
- Обязательно закройте заслонку дымохода, чтобы она не действовала как открытое окно, всасывая воздух вверх и наружу через дымоход. Вы можете потерять до 30% тепла через открытую заслонку.
- Если у вас есть неотапливаемый чердак, доступ к которому осуществляется по складной лестнице, проверьте края проема на наличие утечек теплого воздуха на (холодный) чердак из (поджаренного) дома. Простой тест — включить свет на чердаке, закрыть дверь снизу и посмотреть, нет ли пятнышек света вокруг проема. Видимый свет означает, что есть место для выхода теплого воздуха. Накройте эти места уплотнителем, чтобы сохранить тепло там, где оно должно быть.
- Рассмотрите возможность добавления дополнительной изоляции, чтобы сохранить еще больше тепла внутри.Начните с настенных ковров, плотных штор и ковров. Примените двойное остекление к своим окнам, и если вы хотите взяться за более крупный проект, улучшите изоляцию стен и чердака. Но не забудьте проверить на наличие утечек воздуха, прежде чем браться за какие-либо дорогостоящие проекты.
Небольшой ковер, герметик и уплотнитель помогут вам согреться и снизить расходы на электроэнергию.
Небольшой ковер, герметик и уплотнитель помогут вам согреться и снизить расходы на электроэнергию.По вопросам установки и обслуживания энергоэффективного оборудования для отопления и охлаждения обращайтесь к опытному подрядчику по ОВКВ.
Physics4Kids.com: термодинамика и тепло: перенос энергии
Если в системе есть разница температур, тепло естественным образом будет перемещаться от высоких к низким температурам. Место, где вы обнаружите более высокую температуру, — это источник тепла . Область, где температура ниже, — это радиатор . При исследовании систем ученые измеряют число, называемое градиентом температуры . Градиент – это изменение температуры, деленное на расстояние.Единицы — градусы на сантиметр. Если температура падает на определенном расстоянии, градиент имеет отрицательное значение. Если температура повышается, градиент имеет положительное значение. Чем больше градиент, тем больше энергии будет обменено.
Конвекция — это способ передачи тепла из одной области в другую при «объемном движении материи». Это перемещение огромного количества материала, отбирающего тепло из одной области и помещающего его в другую. Теплый воздух поднимается вверх, а на смену ему приходит холодный.Тепло сдвинулось. Это передача тепла движением тел. Конвекция возникает, когда область горячей воды поднимается до верха кастрюли и выделяет энергию. Другой пример — теплый воздух в атмосфере, поднимающийся вверх и выделяющий энергию. Все они являются примерами конвекции. Следует помнить, что объекты меняют положение. Когда передача энергии происходит за счет излучения , проводящей среды (например, в космосе) нет. Это отсутствие среды означает, что там нет материи для прохождения тепла.Излучение – это энергия, переносимая электромагнитными волнами (светом). Эти волны могут быть радиоволнами, инфракрасными лучами, видимым светом, УФ или гамма-лучами. Тепловое излучение обычно находится в инфракрасной части спектра ЭМ.
Если температура объекта удваивается (в Кельвинах), тепловое излучение увеличивается в 16 раз. Следовательно, если он увеличится в четыре раза, он увеличится в 32 раза по сравнению с первоначальным уровнем.Ученые также обнаружили, что объекты, которые хорошо испускают тепловое излучение, также хорошо поглощают ту же энергию.Обычно количество излучения, испускаемого объектом, зависит от температуры. Скорость, с которой вы поглощаете энергию, зависит от энергии окружающих вас объектов и молекул.
Проводимость — это ситуация, когда источник тепла и радиатор связаны материей. Как мы обсуждали ранее, тепло течет от источника по градиенту температуры к стоку. Она отличается от конвекции тем, что в ней нет движения больших количеств материи, а переносы происходят посредством столкновений.Источник и сток соединены. Если вы прикоснетесь к рожку мороженого, мороженое нагреется, потому что ваше тело более теплое. Если вы лежите на горячем тротуаре, энергия поступает прямо в ваше тело посредством проводимости.
Когда ученые изучали хорошие тепловые излучатели, они обнаружили, что хорошие теплопроводники также хорошо проводят электричество. Поэтому, когда вы думаете о хорошем теплопроводнике, подумайте о меди, серебре, золоте и платине.
Конвекционные потоки — Что такое конвекционные потоки?
Что такое конвекция?
Конвекция — это процесс теплопередачи при движении флюидов (газа или жидкости) между областями с различной температурой. Если конвекция происходит естественным путем, ее называют естественной конвекцией или свободной конвекцией. Если конвекция возникает принудительно, например, если жидкость циркулирует с помощью насоса или вентилятора, это называется принудительной конвекцией.
Что такое конвекционные потоки?
Конвекционные потоки возникают из-за различий в плотности жидкости, возникающих из-за температурных градиентов.
Деятельность, возникающая в результате непрерывного замещения нагретой жидкости в области источника тепла находящейся поблизости более холодной жидкостью, называется естественной конвекцией. Тепло- и массоперенос, который усиливается за счет этого естественного конвекционного течения, называется естественной конвекцией тепло- и массопереноса.
Говорят, что при естественной конвекции тепло и вещество перемещаются из одного места в другое. Конвекционные потоки связаны с естественной конвекцией, при которой движение жидкости происходит естественным образом, например плавучесть (оптимизм).
Конвекционный поток не может иметь место в твердых телах, так как частицы внутри твердых тел не могут свободно течь, а большая часть свободного движения происходит в основном из-за разницы в плотности, вызванной огромным переносом тепла между пластинами.
Примеры конвекционного тока:
1. Холодильник:
В случае с холодильником морозильная камера находится вверху.
Основная причина заключается в том, что теплый воздух, находящийся внутри холодильника, будет подниматься вверх, а холодный воздух в морозильной камере будет двигаться вниз, поддерживая нижнюю часть холодильника в теплом состоянии.
2. Гроза:
Лучшим примером конвекционных потоков может быть гроза. Теплая вода в воздухе поднимается вверх и превращается в насыщенные капли воды, образующие облака. В этом процессе меньшие облака сталкиваются друг с другом и, следовательно, образуются большие облака. Грозовые или кучево-дождевые облака образуются при достижении конечной стадии роста.
3. Приготовление напитков на пару:
Приготовление напитков на пару — это простой пример конвекции. Обычно от чашки горячего кофе или чая идет пар.Теплый воздух, находящийся в паре, поднимается вверх за счет тепла жидкости.
4. Костры:
Причина того, что над костром жарче, чем рядом с ним, связано с конвекционными потоками.
Если поднести руки к костру (разумеется, на безопасном расстоянии, ни в коем случае не класть руку над огнем), можно почувствовать тепло, которое обусловлено наличием нескольких конвекционных потоков, которые поднимается к вам.
Почему образуются конвекционные потоки?
• Разница в уровне температуры заставляет частицы двигаться, что приводит к возникновению тока.В плазме и газах разница температур приводит к областям низкой и высокой плотности, где молекулы и атомы движутся, чтобы заполнить области низкого давления. Если нет источников энергии, таких как солнечный свет, тепло и т. д., конвекционные потоки будут продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута однородная температура.
Как создаются конвекционные потоки?
На основе трех физических допущений создаются конвекционные потоки. Они следующие:
• Источник тепла:
Наличие источника тепла важно, потому что конвекционные потоки генерируются различиями в плотности жидкости, возникающими из-за температурных градиентов.
В случае естественной конвекции жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло. Из-за теплового расширения он становится менее плотным и поднимается выше. Тепловое расширение жидкости играет важную роль в создании конвекционных течений. Проще говоря, более плотные или более тяжелые компоненты будут двигаться вниз, в то время как менее плотные или более легкие компоненты будут двигаться вверх, что приводит к объемному движению жидкости.
• Наличие собственного ускорения:
Естественная конвекция возникает только в гравитационном поле или при наличии собственного ускорения, такого как центробежная сила, сила Кориолиса и т. д.Он практически не работает на земной орбите. Например, требуются другие механизмы теплопередачи для предотвращения перегрева электронных компонентов на орбитальной Международной космической станции.
• Правильная геометрия:
Величина и наличие естественной конвекции также будут зависеть от геометрии задачи.
В гравитационном поле наличие градиента плотности жидкости не обеспечивает существования естественных конвекционных течений.
Эту проблему можно проиллюстрировать на следующих рисунках, где жидкость окружена двумя большими горизонтальными пластинами с разными температурами.
Случай A:
В этом случае температура нижней пластины выше, чем температура верхней пластины. Здесь наблюдается уменьшение плотности в направлении силы тяжести. Эта геометрия вызывает циркуляцию жидкости и за счет естественной циркуляции происходит теплопередача. Нагревшись при этом, тяжелая жидкость будет двигаться вниз, а более легкая жидкость будет двигаться вверх, охлаждаясь по мере движения.
Вариант B:
В этом случае температура нижней пластины ниже, чем у верхней пластины.Здесь плотность увеличивается в соответствии с направлением гравитационной силы. Эта геометрия приводит к стабильному температурному градиенту, стабильным условиям и не вызывает циркуляции жидкости.
Кроме того, передача тепла происходит только за счет теплопроводности.
Конвекция отличается от теплопроводности, которая представляет собой передачу тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Конвекционные потоки переносят тепло посредством массового движения жидкостей, таких как вода, расплавленная порода или воздух, из одного места в другое.
Конвекция в океане
В океанах конвекция приводит в движение океанские течения, такие как Гольфстрим и другие течения, которые переворачивают и смешивают воды. Из более высоких широт холодная полярная вода тянется вниз и опускается на дно океана. Его тянет вниз к экватору, когда светлая и теплая вода поднимается вверх к поверхности океана. Чтобы заменить холодную воду, которая тянется в южном направлении, теплая вода тянется в северном направлении.Благодаря этому процессу растворимые питательные вещества и тепло распространяются по всему миру.
Конвекция в воздухе
Циркуляция воздуха в земной атмосфере осуществляется за счет конвекции.
Вблизи экватора земли солнце нагревает воздух, который становится менее плотным и поднимается вверх. Он остывает по мере подъема и становится менее плотным, чем окружающий воздух, растекаясь и снова опускаясь к экватору. Постоянно движущиеся ячейки холодного и теплого воздуха известны как ячейки Хэдли.Он приводит в движение непрерывную циркуляцию воздуха у поверхности земли, которую мы называем ветром. Атмосферные конвекционные потоки также являются причиной того, что облака поднимаются вверх.
Конвекция в Земле
Геологи верят, что расплавленная горная порода глубоко внутри земли циркулирует под действием конвекционных потоков. Находясь в полужидком состоянии, горная порода должна вести себя как любые другие жидкости, поднимаясь вверх со дна мантии после того, как она стала более горячей и менее плотной от тепла ядра земли.Горная порода становится относительно плотнее и холоднее, опускаясь обратно к ядру по мере того, как теряет тепло в земной коре.
Считается, что постоянно циркулирующие клетки холодной и горячей расплавленной породы помогают нагревать поверхность. Кроме того, некоторые геологи считают, что конвекционные потоки внутри земли являются причиной землетрясений, извержений вулканов и дрейфа континентов.
Конвекционные течения — атмосферная циркуляция
Атмосферная циркуляция является наиболее важным явлением земного климата.Это крупномасштабное движение воздуха и средство, с помощью которого тепловая энергия вместе с циркуляцией океана распределяется по поверхности земли. Каждый год атмосферная циркуляция Земли меняется, но крупномасштабная структура циркуляции остается довольно постоянной.
Атмосферная циркуляция является следствием освещения земли солнцем и законов термодинамики. Его можно рассматривать как тепловую машину, приводимую в движение энергией солнца, чья энергия в конечном итоге тонет в черноте космоса, а также ветряные турбины, работающие от солнца.
Что произойдет, если конвекционные потоки на Земле прекратятся?
Предположим, что если бы все конвекционные потоки на земле прекратились, это бы сказалось на нас самым худшим образом.
Количество тепла, излучаемого солнцем, определяет температуру поверхности земли. Если конвекции нет, то экватор будет становиться все жарче и жарче, а северный и южный полюса — все холоднее и холоднее.
Океанические течения из тропических регионов будут переносить теплую воду ближе к северу, а течения из более холодных регионов — к экватору.Следовательно, если конвекция полностью прекратится, возникнут океанские течения и очень низкие и очень высокие температуры заставят живые существа на Земле удалиться от экватора и полюсов.
Большинство горных пород, присутствующих в земле, конвектируются в больших масштабах. Камни могут дрейфовать очень медленно, даже если они твердые. Конвекция способствовала образованию крупных островов. На островах не будет новых вулканов, если камни перестанут течь в землю.
Влияние конвекции на климат Земли
Конвекция, происходящая в глубоких слоях мантии Земли, также влияет на климат и поверхность Земли.
Через движение Океана и континентальных плит конвекция влияет на атмосферу. Огромное количество воздуха циркулирует в атмосфере, и положение бассейнов и континентов в океане меняется в зависимости от того, как погода и движение воздуха по всему миру. Колебания воздушных и океанских течений позволяют осадкам перемещаться в различные районы земного шара.
Также предполагается, что конвекция, происходящая в мантии Земли, ответственна за создание магнитного поля Земли.Из-за течения жидкого железа через мантию возникает магнитное поле Земли, создающее электрические токи.
Факты о конвекции
С давних времен конвекционные потоки использовались для различных целей повседневной жизни, таких как отопление, вентиляция и т. д.
Конвекционные потоки также полезны на горнодобывающих предприятиях. Это связано с тем, что иногда эти токи могут способствовать вентиляции в шахтах.
Чтобы узнать больше о конвекционных потоках и их возникновении в различных средах, войдите в Веданту и посетите онлайн-сессии, проводимые ведущими экспертами.