Вид теплопередачи таблица – Теплопередача | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Теплопередача. Теплопроводность - СПИШИ У АНТОШКИ

                                                     Трение             Деформация      Теплопроводность   Конвекция и излучение

Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.

Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.

Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.

Это является частным случаем закона сохранения энергии.

Теплопроводность


Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная пе¬редача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Теплопроводность не сопровождается переносом вещества! Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, пере¬носится лишь энергия.

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.

Теплопроводность различных веществ разная.

Можно провести следующий опыт – взят стакан с горячей водой и положить туда ложки из различных матераиалов (алюминиевую, мельхиоровую, стальную, деревянную и пластмассовую) Через 3 минуты посмотреть, одинаково ли нагрелись ложки?? Проанализируйте результат

Из таблицы видно, что металлы обладают самой высокой теплопроводностью, причем у разных металлов теплопроводность отличается.

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

Рассмотрим опыт с теплопроводностью жидкостей. Если в бочку с водой опустить на дно лед, а верхний слой воды нагревать кипятильником. То вода у поверхности скоро закипит, а лед внизу не растает. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Плохой теплопроводностью обладают также воло¬сы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Металлы - твердые тела - жидкости - газы


Ослабление теплопроводности

Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применя¬ют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки у кранов на батарее делают из пластмассы, также из аналогичного сплава делают ручки для кастрюль. Дома строят из бревен или пористого кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а зна¬чит, предохраняют помещения от охлаждения.

В настоящее время во многих регионах здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту Сваи делают из прочного твердого материала, а внутри они заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.

spishy-u-antoshki.ru

Сравнение видов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике.

Урок № 6. Тема: Сравнение видов теплопередачи.

Примеры теплопередачи в природе и технике

Цель урока: Углубить знания учащихся о видах теплообмена и их роли и природе и технике. Рассмотреть примеры использования видов теплообмена в раз­личных областях человеческой деятельности.

Демонстрации:

  1. Работа термоса.

  2. Работа вертушки над поверхностью горячей воды.

  3. Рисунки, слайды, таблицы по примерам теплопередачи и природе и технике.

Ход урока

Повторение изученного материала

  1. Что понимают под внутренней энергией тела? При каких условиях внутренняя энергия тела изменяется?

  2. Какой процесс называют теплопередачей? Перечислите виды теплопередачи.

  3. Раскройте физическую суть процесса нагревания холодной металлической ложки, опущенной в горячую воду. Происходит ли при этом перенос вещества? Какие вещества обладают наибольшей теплопроводностью? наименьшей?

  4. Почему при деформации тела его внутренняя энергия из­меняется?

  5. Какой процесс называется конвекцией? Дайте объяснение этого процесса. В каких средах она возможна? Почему?

  6. Каким видом теплопередачи солнечная энергия передается на Землю? Почему этот вид теплопередачи является единственно возможным в данном случае?

  7. Что является источником теплового излучения? Какие тела поглощают излучение лучше? хуже?

  8. Проверка решения задач № 1-3 из упр. 2 и № 1-3 из упр. 3.

Самостоятельная работа

Уровень 1

  1. Почему ручки кранов у баков с горячей водой делают деревянными?

  2. Какие из перечисленных ниже веществ обладают хорошей теплопро­водностью: медь, воздух, алюминий, вода, стекло, водяной пар?

Уровень 2

  1. Что стынет быстрее: стакан компота или стакан киселя? Почему?

  2. Обыкновенный или пористый кирпич обеспечит лучшую теплоизо­ляцию здания? Почему?

Уровень 3

  1. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?

  2. Зачем на нефтебазах баки для хранения топлива красят «серебряной» краской?

  3. Почему термосы изготавливают круглого, а не квадратного сечения?

Уровень 4

  1. Какие тела - твердые, жидкие или газообразные - обладают лучшей теплопроводностью?

  2. Когда парусным судам удобнее входить в гавань - днем или ночью?

  3. Почему самая высокая температура воздуха не в полдень, а после по­лудня?

  4. Почему тонкая полиэтиленовая пленка предохраняет растения от ночного холода?

Фронтальный опрос:

  1. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться одина­ково нагретыми?

  2. Почему форточки для проветривания комнаты помещают в верх­ней части окна?

  3. Почему снег в городе тает быстрее, чем в поле?

  4. Почему в низинах растения чаще гибнут от заморозков, чем на возвышенностях?

  5. Почему зимой в доме, где рамы двойные, теплее, чем в доме с однократным застеклением?

  6. Почему эскимосы зимой смазывают лицо жиром?

  7. В каком из двух сосудов закипит быстрее вода? Один сосуд свет­лый, а другой закопченный.

  8. Согласны ли вы с утверждением, что шуба «греет»?

Изучение нового материала

Материал урока связан с определением места изученных ранее явлений в нашей жизни, поэтому можно объяснение построить на привлечении раз­личного дополнительного материала, который повысит познавательную деятельность учеников.

  1. Ветры

Говоря о конвекционных эффектах, можно привести в качестве примера ветры, которые постоянно дуют в земной атмосфере. Именно перенос вет­рами огромной энергии, либо наоборот, приводит к заметному изменению погоды в данном регионе.

Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

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 по­ низу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или мор­ской) бриз.

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.

Побережье любого теплого моря зимой всегда имеет более высокую среднюю температуру, чем материковые области, которые могут находиться южнее. Пример. Побережье Мурманской облас­ти и центральная Сибирь. Существование теплых и холодных морских те­чений - тоже примеры конвекционных явлений.

  1. Тяга

Мы знаем, что 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. Нагреваясь, воз­дух расширяется, и давление в топке и трубе становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений хо­лодный воздух устремляется извне в топку, а теплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга.

С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница дав­лений наружного воздуха и воздуха в трубе. Часто можно в зоне промышленных предприятий увидеть высокие тру­бы из кирпича. Они служат для создания хорошей тяги. Теплый газ или дым легче холодного воздуха, и поэтому он поднимается вверх. Чем боль­ше перепад давления внизу и вверху трубы, тем лучше тяга. Поэтому трубы и делают высокими. Ясно, что из двух труб одинаковой высоты лучшая тяга будет у кирпичной, нежели у металлической. Горячий воздух в метал­лической трубе остывает при подъеме быстрее, отчего тяга уменьшается.

  1. Водяное отопление

Жители стран, расположенных в уме­ренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свои жилища в холодную погоду. В жилых помещениях наиболее благо­приятной для человека считается температура 18—20 °С. Для поддержания такой температуры во многих домах применяют водяное отопление. Принцип отопления связан с циркуляцией горячей воды по трубам. Источником горячей воды являются котельные и ТЭЦ. Вода, циркулируя по трубам, отдает часть тепла, охлаждается, затем снова идет на нагрев в ТЭЦ. Любые изменения давления в системе регулируют при помощи рас­ширительных баков.

Нагревание воды в системах центрального отопления проис­ходит за пределами отапливаемого помещения (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ).

От нагревателя горячая вода по трубопроводам поступает в здания. Здесь (рис) она по глав­ному стояку 1 поднимается вверх, а оттуда — по трубам в отопи­тельные приборы (радиаторы 2). По мере охлаждения в них вода возвра­щается вниз и снова поступает к нагревателю. Так осуществляется не­прерывная циркуляция воды по всей системе. В небольших зданиях эта циркуляция возникает благодаря естественной конвекции, а в больших городских домах она происходит за счет действия специальных насосов (искусственная или принудительная конвекция).

Для предотвращения разрушения отопительной системы (в результате увеличения давления при расшире­нии нагреваемой жидкости) главный стояк 1 снабжают расширительным

баком 3.

  1. Термос

Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чай ник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный тепло обмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобре­тен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряющихся сжиженных га­зов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохра­нения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами (рис.).

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей, показано на рисунке. Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стен­ками. Внутренняя поверхность этих стенок покры­та блестящим металлическим слоем, а из прост­ранства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреж­дений, его помещают в картонный или

металли­ческий футляр 3. Сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стен­ками препятствует переносу энергии путем кон­векции и теплопроводности, а блестящий слой на внутренней поверхности термоса препятствует пе­редаче энергии излучением.

Можно в качестве примера провести опыт: налить в открытый сосуд и термос равные порции воды, нагретой до 70°С. Затем, через 10 - 20 минут, измерить температуру в обоих сосудах. Ясно, что в термосе температура изменится очень слабо, а в открытом сосуде - заметно.

Использование теплиц. Роль стекла в создании в теплице оп­ределенного микроклимата (отражение теплового излучения нагре­той солнечными лучами почвы и препятствование конвекции в объеме теплицы).

По ходу объяснения материала заранее подготовленные учащиеся де­лают сообщения по теме, остальные - дополняют, исправляют ответы.

Закрепление материала

  1. Какой из видов теплопередачи играет основную роль в нагревании воды в чайнике?

  2. Человек греется у костра. Какой из трех видов теплопередачи иг­рает главную роль в передаче тепла от костра к человеку?

  3. Почему не падают облака?

  4. Стакан наполовину заполнен кипятком. В каком из двух случаев по­лучится менее горячая вода: а) если подождать 5 мин, а затем долить в стакан холодную воду; б) если сразу долить холодную воду, а за­тем подождать 5 мин?

  5. Когда тяга в трубах лучше - зимой или летом? Почему?

  6. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге - от жары. Объясните целесообразность этого.

  7. Почему от закрытого окна, даже если оно плотно закрыто, дует (особенно зимой)?

  8. Почему дневной бриз дует с моря в сторону берега, а ночной бриз — с берега в сторону моря?

  9. В результате чего возникает тяга?

  10. Как устроена система водяного отопления?

  11. Расскажите об устройстве термоса. За счет чего в нем удается уменьшить теплообмен? Почему пища в термосе все-таки охлаждается?

Фронтальный опрос

  1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Ответ. С увеличением высоты трубы увеличивается раз­ность давлений воздуха внутри трубы (горячего воздуха) и вне ее (более холодного наружного воздуха) на уровне основания трубы, т. е. увеличивается тяга.

  1. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Ответ. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основа­ния трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким обра­зом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

  1. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Ответ. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждают­ся быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьша­ется, уменьшается и тяга.

  1. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением. Какая из причин нагрева­ния приобретает большее значение при увеличении высоты полета? При уменьшении высоты?

Ответ. На малых высотах, где плотность воздуха значи­тельна, решающую роль в нагреве обшивки космического корабля играет трение о воздух. На больших высотах - нагрев солнечными лучами (трение о воздух становится несущественным).

  1. Один из способов поддержания определенной температу­ры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость за­полняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентиля­тора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Ответ. В состоянии невесомости отсутствует естественная конвекция в жидкостях и газах. Поэтому приходится пользоваться вынужденной конвекцией.

Домашнее задание: § 4-6; с 178, № 965, 976, 981.

multiurok.ru

Три основных вида передачи тепла

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и

Лучистый теплообмен.

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то

тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой

вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул,

называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых

телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с

одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню,

и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с

удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента

температуры, т.е. отношения DТ/Dx разности температур на концах

стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного

сечения стержня (в м2) и коэффициента теплопроводности материала [в

соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было

выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

 

где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а

A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом

теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота

передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из

величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для

здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому

для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать

теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и

материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше

других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем

воздух и пористые материалы.

Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и

движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным

газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а

потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или

медь) являются также хорошими проводниками электричества.

Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при

понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление,

называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности

работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий

электропередачи и больших электромагнитов.

Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу

увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается

давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются;

локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря

выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно

поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное

явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы

впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими

принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от

начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и

теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя.

Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (TW  T),

где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь

поверхности источника тепла (в м2), TW и T

 – температуры источника и его окружения (в кельвинах).

Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды,

начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в

единицах Вт/(м2хК).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя

неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в

воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по

трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать

теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для

турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное

движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих

молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду

или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой.

Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную

роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем

кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих

других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет

место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей

их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и

лучистый теплообмен.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –

отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может

передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в

том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один

из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое,

ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности

температур.

На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного)

излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием

видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения

невидимой части спектра.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции

пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален

четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана

где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт),

A – площадь поверхности излучающего тела (в м2), а T

1 и T2 – температуры (в кельвинах) излучающего тела и

окружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называется

постоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961х0,00096)х10

–8 Вт/(м2 DК4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального

излучателя – так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело

таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам

приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают

сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных

«серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана –

Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной

способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать

0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05.

Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка

для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими

теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей – это видимое тепловое

излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же

обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть

излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового

излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в

темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на

расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год

за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет

примерно 1,37 Вт/м2. Солнечная энергия – источник жизни на Земле.

Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы

солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для

бытовых нужд.

 

Силы в Природе

 

Несмотря на разнообразие сил, имеется всего четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

 

Гравитационные силы заметно проявляются в космических масштабах. Одним из проявлений гравитационных сил является свободное падение тел. Земля сообщает всем телам одно и то же ускорение, которое называют ускорением свободного падения g. Оно незначительно меняется в зависимости от географической широты. На широте Москвы оно равно 9,8 м/с2.

 

Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сильные и слабые взаимодействия проявляются внутри атомных ядер и в ядерных превращениях.

 

Гравитационное взаимодействие существует между всеми телами, обладающими массами. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном, гласит:

 

Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть принятыми за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

 

 

Коэффициент пропорциональности у называют гравитационной постоянной. Она равна 6,67 • 10-11 Н•м2/кг2.

 

Если на тело действует лишь гравитационная сила со стороны Земли, то она равна mg. Это и есть сила тяжести G (без учета вращения Земли). Сила тяжести действует на все тела, находящиеся на Земле, вне зависимости от их движения.

 

При движении тела с ускорением свободного падения (или даже с меньшим ускорением, направленным вниз) наблюдается явление полной или частичной невесомости.

 

Полная невесомость - отсутствие давления на подставку или на подвес. Вес - сила давления тела на горизонтальную опору или сила растяжения нити со стороны подвешенного к ней тела, которая возникает в связи с гравитационным притяжением данного тела к Земле.

 

Силы притяжения между телами неуничтожимы, тогда как вес тела может исчезнуть. Так, в спутнике, который двигается с первой космической скоростью вокруг Земли, вес отсутствует так же, как в лифте, падающем с ускорением g.

 

Примером электромагнитных сил являются силы трения и упругости. Различают силы трения скольжения и силы трения качения. Сила трения скольжения намного больше силы трения качения.

 

Сила трения зависит в некотором интервале от приложенной силы, которая стремится сдвинуть одно тело относительно другого. Прикладывая различную по величине силу, увидим, что небольшие силы не могут сдвинуть тело. При этом возникает компенсирующая сила трения покоя.

 

При отсутствии сил, сдвигающих тело, сила трения покоя равна нулю. Наибольшее значение сила трения покоя приобретает в момент, когда одно тело начинает двигаться относительно другого. В этом случае сила трения покоя становится равной силе трения скольжения:

 

 

где n - коэффициент трения, N - сила нормального (перпендикулярного) давления. Коэффициент трения зависит от вещества трущихся поверхностей и их шероховатости.

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону (рис. 1.13.1).

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие электромагнитного взаимодействия между атомами и молекулами вещества. Ее называют силой упругости. Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия

При малых деформациях (|x| << l) сила упругости пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации:Fx = Fупр = –kx.

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент k называется жесткостью тела. В системе СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала. В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме. Отношение ε = x / l называется относительной деформацией, а отношение σ = F / S = –Fупр / S, где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. Тогда закон Гука можно сформулировать так: относительная деформация ε пропорциональна напряжению σ:

Коэффициент E в этой формуле называется модулем Юнга. Модуль Юнга зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E ≈ 2·1011 Н/м2, а для резины E ≈ 2·106 Н/м2, то есть на пять порядков меньше. Закон Гука может быть обобщен и на случай более сложных деформаций. Например, при деформации изгиба упругая сила пропорциональна прогибу стержня, концы которого лежат на двух опорах (рис. 1.12.2).

Количество теплоты — это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдает) в процессе теплообмена.

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

Термодинамика. Термодинамика — это теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел. Для описания явлений в термодинамике используются понятия «термодинамическая система» и «термодинамический процесс». Совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой.

Любое изменение, происходящее в термодинамической системе, называется термодинамическим процессом.

Тело как система из составляющих его частиц обладает внутренней энергией. С позиций молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия — это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения.

Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре T, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояний между частицами, т. е. от объема V тела. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия тела определяется как функция его макроскопических параметров, например температуры T и его объема V:

.закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется так: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остается неизменной:

 

или . (31.1)

Внутренняя энергия идеального газа. Вычислим внутреннюю энергию идеального газа. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул:

 

. (31.2)Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, при изменении температуры идеального газа обязательно изменяется его внутренняя энергия; если температура остается постоянной, то внутренняя энергия идеального газа не изменяется.

 

Используя уравнение состояния идеального газа (26.7) и уравнение (31.2), можно получить еще одно выражение для вычисления внутренней энергии идеального одноатомного газа:

 

. (31.3)

 




infopedia.su

Физика Теплопередача. Виды теплопередачи

Описание видеоурока

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей.  Без совершения работы тела могут нагреваться и остывать. Без совершения работы могут перемешиваться теплые и холодные слои жидкостей и газов. Без совершения работы  может изменяться внутренняя энергия тела путем излучения, в том числе и через пустоту - вакуум. Рассмотрим  виды теплопередачи.

Теплопроводность – явление передачи энергии от  более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия  частиц, из которых состоит тело.

Можно провести опыт, сконструировав установку: на треноге помещается кольцо из тонкой   оцинкованной жести.  В кольцо  под углом 120 градусов вставляются (прикрепляются) три проволоки (медь, алюминий и сталь) в виде спиц, предварительно нужно окунуть их в расплавленный воск от старых свечей. Пока  воск на них застывает, нужно прикрепить хотя бы через сантиметр сапожные гвоздики шляпками к стержню. Три начала спиц близко расположены в середине кольца. Зажжем спиртовку (или таблетку сухого спирта), поместим на подставке   так, чтобы три начала спиц одинаково нагревались. И наблюдаем: через некоторое время начинает таять воск  и первыми начинают отпадать гвоздики на медной спице, чуть позже – на алюминиевой и ещё позже – на железной.

Металлы обладают хорошей теплопроводностью,  плохой теплопроводностью обладают  пластмасса, резина, стекло, дерево, плексиглас, большинство изоляторов.

Второй вид теплопередачи – конвекция.

Конвекция – процесс теплообмена, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа. Проведём опыт: в колбу налить подкрашенную  воду: капнуть раствора медного купороса или кристаллик марганцовки и снизу на спиртовке (или таблетка сухого спирта , или свеча) нагревать колбу. Через некоторое время можно заметить перемещение слоёв воды снизу вверх (а потом и по кругу).

Воздух – плохой проводник тепла, но  он в комнате нагревается  сам и, перемешивая тёплые и холодные слои, нагревает  всю комнату. Под окнами находятся батареи центрального отопления. Здесь прикоснувшиеся к чугунной батарее, слои теплого воздуха по закону Архимеда, вытесняются холодными и поднимаются вверх. На освободившееся место  подходят холодные слои, прикасаясь к поверхности батареи, нагреваются, и опять идут вверх и т.д. Слои теплого и холодного воздуха перемешиваются и нагревают всю комнату.

Третий вид теплопередачи -  излучение. Излучение – перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Можно показать  распространение солнечного света и тепла, проговорив, что излучение передаётся и через вакуум. Светлая поверхность отражает излучение, а темная поглощает. Поэтому летом нужно использовать светлую одежду, а зимой – темную. Поэтому самолеты  и ракеты красят светлой краской, цистерны с перевозимым топливом – то же красят в светлые тона.

Трубы больших котельных строят высокими для того, чтобы «тяга» была лучше: столб теплого воздуха в трубе быстрее поднимается вверх, на его место снизу в топку быстрее поступает воздух с новой порцией кислорода и топливо горит лучше, нагрев воды быстрее, снабжение горячей водой квартир в системе центрального отопления – более уверенное. В термосе учитываются все три вида теплопередачи, чтобы горячий чай дольше не остывал: колба устанавливается на пластмассе, пробка – из пробкового дерева, т.к. у него  теплопроводность минимальная, из двустенной колбы выкачан воздух, чтобы  исключить конвекцию; и внутренняя поверхность колбы посеребрена, чтобы отражать внутрь тепловое излучение.

 

 

infourok.ru

Виды теплопередачи

1. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

1) Только излучение;

2) Только конвекция;

3) Только теплопроводность;

4) Излучение и теплопроводность.

По определению конвекция – это перенос массы в результате перемещения газа или жидкости. Поэтому ответ: 2.

2. Когда белье на открытом балконе высохнет быстрее?

1) В безветренный день;

2) В ветреный день;

3) Во время дождя;

4) Высыхание белья не зависит от погоды.

По опыту мы с вами знаем, что в дождливый день белье сохнет медленно или вовсе не сохнет. А для сушки волос не зря был придуман такой удобный прибор, как фен. Поток воздуха подхватывает испарившиеся молекулы воды и уносит их,  что не позволяет им вернуться обратно.

Ответ: 2.

3. Конвекцией называется процесс

1) переноса теплоты потоками вещества;

2) проникновения в результате теплового движения атомов одного тела в промежутки между атомами другого тела;

3) испускания и поглощения теплового электромагнитного излучения без непосредственного контакта между телами;

4) беспорядочные перемещения небольших твердых частиц в жидкостях или газах под действием ударов молекул жидкости или газа.

По определению конвекция – это перенос массы в результате перемещения газа или жидкости. Поэтому ответ: 1.

4. В стоящем на горящей газовой горелке чайнике закипает вода. Какой из перечисленных ниже процессов вносит наименьший вклад в процесс закипания?

1) Конвекция слоев воды внутри чайника
2) Испарение внутри пузырьков воздуха при закипании
3) Диффузия

4) Теплопередача от газовой горелки донышку чайника

Теплопередача от газовой горелки донышку чайника – основное условие, без которого нагрев воды невозможен. Конвекция – также очень важное условие, обеспечивающее перемешивание слоев воды и равномерный нагрев. Испарение внутри пузырьков воздуха при закипании – суть процесса кипения. Пары давят на стенки пузырьков и те увеличиваются в размерах, поднимаясь при этом вверх под действием архимедовой силы. Кипение начинается тогда, когда пузырьки лопаются на поверхности, выбрасывая пар. таким образом диффузия – процесс, вносящий наименьший вклад в процесс кипения. Она, безусловно, ускорится при нагревании жидкости, но не наоборот.

Ответ: 3.

easy-physic.ru

1. Основы теории теплопередачи

Часть II. Теплотехника

1.1.Виды теплообмена

Теплопередача – это учение о процессах переноса теплоты. Самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с

неоднородным полем температуры называют теплообменом.

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Теплопроводность – это перенос теплоты в среде посредством хаотического (теплового) движения макрочастиц (молекул, атомов).

Конвективный теплообмен - это перенос теплоты, осуществляемый движущимися макроскопическими элементами среды с одновременной теплопроводностью.

Теплообмен излучением – перенос теплоты посредством электромагнитного поля.

Большое практическое значение имеет конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и поверхностью ее раздела с другой стороны. Например, конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела, между газом и поверхностью капельной жидкости.

Различают два вида конвекции (т. е. движения жидкости) – свободную и вынужденную.

При свободной конвекции движущая сила обусловлена разностью плотностей жидкости в месте его контакта с поверхностью тела, имеющей другую температуру, и вдали от этой поверхности. Из-за разности плотностей возникают подъемные (архимедовы) силы.

Такая конвекция происходит, например, в сосуде с жидкостью, в которою погружена нагревательная спираль.

Вынужденная конвекция происходит под действием внешней движущей силы. При этом жидкость обтекает поверхность, имеющую более высокую или более низкую температуру, чем температура самой жидкости. Скорость движения жидкости при вынужденной конвекции больше, чем при свободной, поэтому при заданном перепаде температур может быть передано больше теплоты. Возрастание теплового потока связано с необходимостью рас хода энергии, затраченной для приведения жидкости в движение.

Совокупность двух или трех видов теплообмена называют сложным теплообменом.

Изучение закономерностей сложного теплообмена представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому каждый из трех видов теплообмена изучают отдельно, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества

– массообменом. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называются тепломассообменом.

1.2. Температурное поле

Температурным полем называется совокупность значений температуры в данный момент времени во всех точках изучаемого пространства. В общем

случае уравнение температурного поля имеет вид:

 

t=F(x, y, z, τ),

(1.1)

где t – температура среды;

x,y,z – координаты точки среды; τ – время.

Температурное поле, изменяющееся во времени, называется нестационарным, а температурное поле, не изменяющееся во времени, -

стационарным.

Стационарное температурное поле описывается зависимостью:

t = f ( x , y , z) ;

∂t

= 0.

(1.2)

 

∂τ

 

 

Температурное поле, описываемое выражениями (1.1) и (1.2) является трехмерным. Если температурное поле изменяется только по двум координатам, то оно называется двухмерным и описывается зависимостью:

t = f ( x , y , z) ;

∂t

= 0.

(1.3)

∂z

 

 

 

Температурное поле, изменяющееся по одной координате, называется одномерным и выражается в виде:

t = f ( x ,τ) ,

∂t

=

∂t

= 0.

(1.4)

∂y

∂z

 

 

 

 

Одномерное стационарное поле имеет вид:

t = f ( x ) ;

∂t

= 0

∂t

=

∂t

= 0

(1.5)

∂τ

∂y

∂z

 

 

 

 

 

Температурное поле можно охарактеризовать с помощью изотермических поверхностей. Изотермической поверхностью называется геометрическое место точек, имеющих в данный момент времени одинаковую температуру.

Изотермические поверхности, соответствующие разным температурам, не могут пересекаться между собой. Они могут замыкаться сами на себя либо оканчиваться на поверхности тела.

При пересечении изотермических поверхностей с какой-либо плоскостью, например, с плоскостью чертежа, они оставляют на этой плоскости следы в виде семейства кривых, называемых изотермами.

Рассмотрим две изотермы, температуры которых отличаются на малую величину t (рис. 1.1).

рис.1.1

Наибольшие изменения температуры будет происходить по направлению

нормали n к изометрической поверхности. Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изометрической поверхности в сторону возрастания температуры.

Он определяется выражением:

grad t=

(1.6)

n 0 (∂t /∂n ),

нормальный

и направленный в сторону

где n - единичный вектор,

возрастания температуры.

Производная температуры по направлению ∂t /∂l зависит от направления,

задаваемого вектором l . Например, для направления

m она равна нулю, а

для направления n - максимальная. Именно эта максимальная производная ∂t /∂n и определяет длину вектора grad t. Эта длина (модуль вектора) равна:

gradt = ∂t ∂x + ∂t ∂y + ∂t ∂z .

Направление вектора grad t дается единичным вектором n 0.

1.3. Закон Фурье. Теплопроводимость

Связь между количеством теплоты dQ, которое за время dτ проходит через элементарную площадку dF, расположенную на изотермической поверхности, и градиентом температуры dt/dn устанавливается законом Фурье:

dQ = −λdF

∂t

∂τ,

(1.7)

∂n

 

 

 

Множитель пропорциональности λ в выражении 1.7 определяется физическими свойствами среды, в которой происходит распространение теплоты, и называется теплопроводностью.

Справедливость закона Фурье (1.7) подтверждается экспериментальными данными.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу

площади изотермической поверхности q Вm/м2, называется плотностью теплового потока:

(1.8)

q =dQ/dFdτ= - λ grad t= - λn (∂t /∂n )

Вектор q направлен по нормали к изотермической поверхности. Его

положительное направление совпадает с направлением максимального убывания температуры, так как теплота передается от более нагретой области к менее нагретой, в соответствии со вторым законом термодинамики.

Следовательно, вектор q и gradt лежат на одной прямой, но направлены в

противоположные стороны, поэтому в правой части уравнения (1.7) стоит знак

– «минус».

Если в каждой точке температурного поля провести элементы нормали n к изотермическим поверхностям, то получится семейство ломаных линий, которые при беспредельном уменьшении отрезков n превратятся в кривые,

называемые линиями теплового потока.

Линии теплового потока ортогональны к изотермическим поверхностям

(рис. 1.2).

рис.1.2

Модуль вектора q равен:

q = −λ(∂t /∂n ).

Количество теплоты, Вт, проходящей в единицу времени через изотермическую поверхность площадью F, называется тепловым потоком и определяется из выражения:

Q = ∫qdF = −∫λ( dt / dn )dF

(1.9)

F F

Полное количество теплоты, Дж, проходящей через изотермическую поверхность площадью F, за время τ, равно:

Qτ=− λ∫τ

∫ ( ∂t / ∂n )∂Fdτ

(1.10)

0

F

 

Из уравнения 1.6 следует, что теплопроводность:

λ= q / grad t.

Следовательно, теплопроводность численно равна количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при градиенте температуры, равном 1К/м.

Единица измерения теплопроводности Вт/(м·К). Чем больше λ, тем большей способностью проводить теплоту обладает тело. В общем случае теплопроводность для данного тела не является величиной постоянной. Для твердых тел λ зависит от температуры, а для жидких и газообразных – еще и от давления.

Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает. Это означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый.

Теплопроводность металлов колеблется в пределах 2,3-420 Вт/(м·К).

Для изоляционных и огнеупорных материалов λ при повышении температуры возрастает. Это объясняется структурой материалов, которая не представляет собой монолитной массы. Однако при лучистом теплообмене, эффективная теплопроводимость (с учетом излучения) увеличивается при повышении температуры пористого тела.

Для таких материалов λ зависит не только от свойств материала, но и от степени его уплотненности, что в свою очередь характеризуется плотностью. Кроме того, на теплопроводность пористых материалов влияет влажность, с увеличением которой теплопроводность возрастает.

Например, для сухого кирпича λ=0.35Вт/(м·К), для воды λ=0,58Вт/(м·К). Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастаем

в пределах 0,06-0,6вт/(м К), а от давления практически не зависит.

Для капельных жидкостей λ=0,09-0,7Вт/(м·К). С увеличением температуры уменьшается, за исключением воды, которая с ростом t от 0 до 1500 С λ возрастает, а далее уменьшается.

studfiles.net

Виды теплопередачи

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Цель образовательная: учащиеся должны усвоить, что

- перенос тепла с помощью вещества называется конвекцией;

- под теплопроводностью понимается перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц;

- у различных веществ теплопроводность разная;

- существует особый вид теплопередачи — лучеиспускание.

Цель по развитию: учащиеся должны научиться

- распознавать явление конвекции, теплопроводности и лучеиспускания в конкретных ситуациях,

- на основе знаний о способах передачи теплоты объяснять действие различных установок, применяемых в сельском хозяйстве, строительстве и т.д.

Цель воспитательная: учащиеся должны убедиться в том, что научные знания необходимы для правильного понимания и объяснения происходящих процессов в окружающем нас материальном мире.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Метод проведения: Эвристическая беседа с элементами исследования.

Оборудование: спиртовка, медная проволока, колба с водой, разные стержни, пластилин, спички, стеклянная трубка для демонстрации конвекции в жидкости, марганцовка, теплоприемник, жидкостный манометр, электрическая плитка, плакаты и таблицы.

Сценарий

(Рассчитан на сдвоенный урок)

Учитель. Здравствуйте, ребята. Очень приятно видеть вас в этой теплой комнате. Мы все любим тепло, особенно когда за окном снег или дождь. А летом, когда светит солнышко, вы любите загорать. Откуда же берется тепло дома, как получается так, что и зимой можно есть свежие огурцы, любоваться красивыми цветами, ведь все они очень любят тепло.

Мы знаем, что тепло очень важно для живого мира. Поэтому давайте посвятим сегодня нашу встречу теплоте, попробуем узнать, как она передается.

У нас в гостях сегодня физик-исследователь, агроном, инженер-строитель.

Каждый предмет может служить «мостиком», по которому перейдет тепло от более нагретого тела к менее нагретому. Таким мостиком является, например, чайная ложка, опущенная в стакан с горячим чаем. Здесь энергия передается от горячей воды к холодной ложке. Но энергия в этом случае передавалась и по самой ложке – от менее нагретого конца к холодному. Мы это чувствуем своей рукой.

Такое явление в физике называют теплопроводностью.

Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Закрепляют один конец толстой медной проволоки в штативе, а к проволоке прикрепляют воском или пластилином несколько гвоздиков или спичек. У меня это уже сделано. Теперь я начинаю нагревать свободный конец проволоки в пламени спиртовки. А вы обратите внимание на положение спичек. Какие изменения у нас происходят?

Ученики. Мы видим, что гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем, сначала отпадают те, которые расположены ближе к пламени, а затем по очереди все остальные.

Учитель. Как происходит передача энергии по проволоке? Об этом мы попросим сообщить нам одного из наших гостей – физика.

Физик. Из чего состоят все тела?

Ученики. Тела состоят из частиц – молекул.

Физик. В каком состоянии находятся эти частицы в нашей проволочке?

Ученики. Они колеблются с некоторой частотой.

Физик. От чего зависит быстрота колебательного движения молекул?

Ученики. Зависит от их температуры.

Физик. А теперь применим ваши знания к нашему опыту. Когда мы подносим пламя к концу проволоки, то последняя начинает нагреваться. При этом сначала увеличивается скорость колебательного движения частиц металла в том конце проволоки, который ближе к пламени. Температура этого конца повышается. В результате взаимодействия увеличивается скорость движения соседних частиц, то есть повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость колебаний следующих частиц и т.д. При этом очень важно заметить, что при теплопроводности само вещество не перемещается от одного конца тела к другому.

Теперь мы можем вместе сформулировать понятие теплопроводности. Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью.

Учитель. Продолжим наши исследования. Для этого проделаем следующий опыт.

1. Цель. Исследование теплоемкости разных тел.

2. Название. Теплоемкость разных тел.

3. Принципиальная схема.


Для опыта нам понадобятся две палочки из разных материалов, опущенные в очень горячую воду. На них пластилином закреплены по три спички.

4. Рисование схемы на доске и в тетрадях учащихся. Зарисуйте предложенную схему в тетради.

5. Объяснение экспериментальной установки, собранной на демонстрационном столе, и назначения ее основных элементов. На столе стоит химический стеклянный стакан с очень горячей водой. Имеется два стержня: стеклянный и стальной. Я заранее прикрепила к ним пластилином по три спички.

6. Разъяснение плана проведения опыта. Сейчас я опущу эти стержни со спичками в стакан с горячей водой (надо так поставить стержни, чтобы расстояние от поверхности воды до первых спичек было одинаковым на обоих стержнях). Для лучшего эффекта я поставлю стакан с водой на электрическую плитку и включу ее в сеть.

7. Объект. Выделение объекта наблюдения в эксперименте. Вы внимательно следите за спичками.

8. Демонстрация опыта с пояснениями учителя. Я ставлю стакан с водой на электроплитку, опускаю стержни, включаю плитку в сеть, и наблюдаем.

9. Проверка видимости учащимися эффекта опыта с помощью контрольных вопросов.

1. Заметны ли какие-либо изменения в опыте?

2. Одновременно ли начали отпадать спички?

3. На каком стержне они начали отпадать раньше?

4. Какой наблюдаемый результат в опыте мы запишем?

10. Фиксирование видимого результата опыта. Спички начинают отпадать раньше на стальном стержне.

11. Вопросы к ученикам, подводящие их к анализу явлений опыта.

— Почему вообще спички отпадали?

— Все ли спички на одном стержне отпадали одновременно?

— В какой последовательности отваливались спички на стержнях?

— Из каких материалов были у нас стержни?

— В чем может быть причина того, что спички на разных стержнях отпадали не одновременно?

12. Анализ наблюдаемых в опыте явлений. Спички на холодных стержнях удерживались пластилином. Когда стержни опустили в горячую воду, то через некоторое время мы увидели, что отвалилась спичка на металлическом стержне. Это значит, что тепло по стержню дошло до этого места, пластилин нагрелся, размягчился и уже больше не смог удерживать спичку.

Кроме того, мы видели, что первыми отвалились две спички с металлического стержня, а потом — со стеклянного. Что это значит?

— Это означает, что тепло быстрее распространяется в металле, чем в стекле.

13. Обобщенный вывод. Теплопроводность различных тел разная.

14. Объяснение наблюдаемых в опыте физических явлений на основе какой-либо теории.

Предыдущим опытом мы на основе представлений молекулярно-кинетической теории строения вещества установили, что передача тепла внутри вещества происходит за счет взаимодействия его молекул. Чем реже и слабее происходит взаимодействие между молекулами вещества, тем медленнее идет передача энергии теплопроводностью.

Физик. Итак, наши исследования показали, что различные вещества имеют разную теплопроводность. Металлические предметы очень хорошо проводят тепло. Мы говорим «проводят тепло», но с таким же успехом можно было бы сказать «проводят холод». Свойства тела не изменяются от того, в какую сторону идет по нему поток тепла.

К плохим проводникам тепла – их также называют теплоизоляторами – относятся дерево, кирпич, стекло, пластмассы. Объясните, почему именно из этих материалов делают стены домов, печей и стенки холодильников?

— Потому что зимой эти материалы почти не будут передавать тепло на улицу из квартиры, а летом не будут «пускать» жару в дом.

— Верно. К хорошим проводникам тепла относятся все металлы. Наилучшими проводниками тепла являются медь и серебро – они проводят тепло в два раза лучше, чем железо. Жидкости то же проводят тепло, но много хуже, чем металлы. Очень малую теплопроводность имеет сильно разряженный газ. Объясняется это тем, что теплопроводность, то есть, перенос энергии от одной части тела к другой, осуществляют молекулы или другие частицы. Там, где частиц очень мало, теплопроводность так же очень мала.

А теперь объясните, почему в морозные дни мы остерегаемся на улице притрагиваться голой рукой к металлу, но без опаски беремся за деревянную ручку? (Выслушиваются объяснения).

Учитель. Вещества с малой теплопроводностью применяют там, где нужно предохранить тело от охлаждения или нагревания. А иногда чрезмерное тепло даже приносит вред. Чтобы узнать подробнее, попросим рассказать об этом наших гостей – агронома и строителя.

Агроном. Вы, может быть, слышали, что иногда озимые под снегом выпревают? Почему посевы вымерзают – это понятно. Но бывает, что озимые зимой выпревают. Почему? Для благополучной перезимовки озимых посевов достаточным является слой рыхлого снежного покрова высотой 35-40 см. Увеличение же снежного покрова выше 50 см в некоторых случаях может оказаться вредным для растений.

Это бывает в тех случаях, когда рано выпадает снеговой покров и почва остается слабо промерзшей или совсем талой: температура ее высокая. Мощный же снеговой покров плохо передает тепло. В результате создается высокая температура, которая может быть гибельной для растений.

Инженер-строитель. Почему кирпичные стены дома толще деревянных? Почему, например, стены деревянного дома имеют толщину 18 см, а дома из сплошной кирпичной кладки – 55 см, причем кирпичный дом не теплее деревянного? (Выслушиваются версии учащихся, обсуждаются, и строится правильный ответ).

Для постройки жилых зданий и животноводческих помещений в зависимости от местных условий используются различные строительные материалы (кирпич, камень, дерево, саман, соломит, камышит, шлакоблоки и др.). Все строительные материалы должны быть плохими проводниками тепла. Они должны иметь поры и пространства, заполненные воздухом.

Но как узнать, какой из материалов имеет меньшую теплопроводность, а какой - большую? Сравнивают теплопроводность веществ по их коэффициенту теплопроводности. Теплопроводность кирпича больше, чем теплопроводность дерева. Значения коэффициентов теплопроводности представлены в специальных таблицах.

Вы, наверное, обращали внимание на то, как строят стены сельскохозяйственных построек из кирпича. Нерационально стену, толщиной в 1 метр всю заполнять кирпичом. Можно сделать лучше: оставить в стене колодцы и заполнить их шлаком или другим материалом, являющимся плохим проводником тепла. Теплопроводность такой стены гораздо меньше, следовательно, в помещении будет теплее.

Кто ответит, почему при строительстве пользуются кирпичами, в которых есть отверстия?

Ученик. Кирпичи с отверстиями хорошо предохраняют воздух в комнате от охлаждения.

Инженер-строитель. Почему в северных городах при строительстве домов ставят окна с тройными рамами и стены делают толще?

Ученик. Между рамами находится воздух, а так как воздух плохой проводник, то такие рамы лучше защищают от холода.

Инженер-строитель. Какой мешалкой вы бы воспользовались при варке варенья: деревянной или стальной?

Ученик. Деревянной, потому что теплопроводность у дерева плохая.

Учитель. В настоящее время промышленность выпускает всевозможные изделия из различных металлов, в том числе и посуду из чугуна, алюминия. Как вы думаете, в какой посуде пища подгорает быстрее при одинаковых условиях?

Ученик. Наверное, в посуде из алюминия пища подгорает быстрее, так как теплопроводность алюминия больше.

Физик. Славящиеся своим качеством оренбургские платки вяжутся из пряжи, изготовленной из тончайших волокон козьего пуха. Почему такой платок особенно хорошо защищает от холода?

Ученик. Пух между своими волокнами содержит воздух, который обладает плохой теплопроводностью.

Учитель. Итак, мы выяснили, что существуют вещества с различной теплопроводностью. Но если вода такой плохой проводник тепла, то, как же она нагревается в чайнике? Воздух еще хуже проводит тепло. И тогда непонятно, почему во всех частях комнаты зимой устанавливается одинаковая температура?

Вы все знаете, что чайники, кастрюли, миски греют снизу. А вы не задумывались, с чем это связано?

Ученики. (Затрудняются ответить) не знаем.

Учитель. Чтобы узнать, с чем это связано, нам необходимо будет провести еще несколько опытов.

Физик. Продолжим наши исследования дальше и попробуем выяснить, как нагревается вода в чайнике, и почему его надо ставить на печку, а не под нее.

1. Цель. Исследовать процесс передачи тепла в жидкости при ее нагревании снизу.

2. Название. Конвекция.

3. Принципиальная схема. Нам потребуется стеклянный сосуд особой замкнутой формы для циркуляции в нем жидкости и спиртовка. Лучшую видимость опыта нам поможет обеспечить кристаллик марганцовки.


4. Рисование схемы на доске и в тетрадях учащихся.

5. Объяснение экспериментальной установки, собранной на демонстрационном столе, и назначения ее основных элементов. Перед Вами в лапке штатива укреплен стеклянный сосуд особой формы. Вода в ней должна полностью заливать верхнюю горизонтальную трубочку нашего сосуда. Есть спиртовка и кристаллик марганца.

6. Разъяснение плана проведения опыта. Сейчас я с помощью специальной очень маленькой ложечки на длинной ручке опущу кристаллик марганца на дно одного колена нашего сосуда, зажгу спиртовку, и буду снизу нагревать воду в этом колене.

7. Выделение объекта наблюдения в эксперименте. Внимательно следите за происходящим внутри данного сосуда.

8. Демонстрация опыта с пояснениями учителя. В сосуде уже есть необходимое количество воды. Я осторожно с помощью особой ложечки опускаю на донышко правого колена кристаллик марганца, зажигаю спиртовку и начинаю нагревать это колено.

9. Проверка видимости учащимися эффекта опыта с помощью контрольных вопросов.

Происходят ли какие-нибудь изменения внутри сосуда?

10. Фиксирование видимого результата опыта. От кристалликов над местом нагрева вверх поднимаются окрашенные струйки.

11. Вопросы к ученикам, подводящие их к анализу явлений опыта.

— В какой цвет окрасились вода возле кристалликов марганца?

— Как меняются форма и объем окрашенной части воды?

— Есть ли движение окрашенных струек воды в нижней горизонтальной части сосуда влево?

12. Анализ наблюдаемых в опыте явлений. Мы видим, что внизу вокруг кристаллика марганцовки образуется розовое облачко. Это значит, что марганцовка растворяется и окрашивает воду в прилегающей области.

При поднесении пламени под правое колено с марганцовкой стекло в этой части трубки и прилегающие слои окрашенной воды нагреваются. Таким образом, мы добились того, что теплая вода оказалась отмеченной розовой краской.

Смотрите внимательно за водой. Что еще происходит?

— Мы видим, что струи окрашенной воды поднимаются вверх.

— Что происходит с нижним слоем воды?

— Нижний слой воды нагревается, поднимается вверх и несет с собой тепло. Об этом нам говорят окрашенные струйки воды. Поднявшись наверх, он вытесняет холодную воду и остается наверху. Таким образом, вся вода нагревается равномерно.

— Итак, мы можем сказать, что энергия переносится с одного места на другое с потоками вещества – воды. С этой теплой водой переносится тепловая энергия. Такой вид теплопередачи называется конвекцией (от латинского слова конвекцио – перенесение).

13. Обобщенный вывод. Мы видели, что при конвекции тепловая энергия переносится вместе с веществом.

14. Объяснение наблюдаемых в опыте физических явлений на основе какой-либо теории.

От горящей спиртовки нагревается стекло и соприкасающиеся с ним слои воды. При нагревании вода расширяется. Плотность расширившейся воды меньше, чем плотность холодной, и поэтому слой теплой воды всплывает в окружающей холодной воде. Таким образом, тепловая энергия переносится вместе с веществом.

Инженер-строитель. Ребята, а почему архитекторы при проектировании зданий помещают форточку для проветривания комнаты в верхней части окна, а батарею под окном.

Ученик. Теплый воздух от батареи поднимается вверх и греет комнату. А воздух из форточки опускается вниз и перемешивается с теплым воздухом от батареи.

Инженер-строитель. Зачем батареи отопления делают ребристыми?

Ученик. Для увеличения площади соприкосновения поверхности теплой батареи и окружающего воздуха, который около батареи нагреваясь, поднимается вверх и уносит с собой тепло.

Инженер-строитель. Да, слой теплого воздуха от батареи доходит до потолка, остывает, тяжелеет и опускается вниз. Происходит круговорот. Так тепло переносится струями воздуха.

Учитель. Какое определение конвекции мы можем сформулировать?

Ученики. Конвекция — это перенос тепла с помощью вещества.

Учитель. Откройте стр.12 учебника. Рассмотрим рисунок. Что вы видите?

Ученик. Тут показано, как воздух нагревается от поверхности батареи и, расширяясь, доходит до потолка. Некоторое время он находится возле потолка, а потом остывает, тяжелеет и опускается вниз. Холодный воздух выталкивает вверх теплые слои воздуха. Тем самым он опускается и идет на место теплого воздуха. Так происходит круговорот, и комната нагревается.

Физик. А теперь немного изменим наш опыт. Попробуем сверху прогреть воду, налитую в пробирку. Иванов! Подойди, пожалуйста, к столу и проделай этот опыт. (Ученик выходит, некоторое время греет верхнюю часть пробирки с водой. Для большего эффекта опыта в пробирку с холодной водой нужно опустить с помощью груза на дно кусок льда).

Ученик. Мы видим, что верхний слой воды закипает, а нижние остаются холодными, даже лед не весь растаял.

Физик. Что мы можем сказать о направлении конвекции?

Ученик. В этом случае (вниз) конвекция не происходит. Значит, тепло при конвекции может переноситься только вверх.

Из этого опыта следует, что жидкости и газы следует нагревать снизу, так как их теплопроводность мала.

Физик. Как вы думаете, в твердых телах конвекция происходит?

Ученик. Нет, наверное.

Физик. Да, вы правы. В твердых телах конвекция происходить не может. Вспомним, что каждая частица кристаллического тела лишь колеблется около одной точки, удерживаемая сильным взаимным притяжением с другими частицами. Поэтому при нагревании твердого тела в нем не могут образоваться потоки вещества. В твердых телах энергия передается теплопроводностью.

Итак, чем же отличается конвекция от теплопроводности?

Ученик. При теплопроводности энергия переносится от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц; а при конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.

Учитель. А теперь вспомним о нашем чайнике.

Вода в чайнике быстро закипает благодаря земному притяжению. Нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются к верху, а на их место поступает холодная вода. Быстрый нагрев жидкости или газов во всем объеме происходит благодаря конвекции, которая происходит вследствие земного притяжения.

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 нагревается и начинает двигаться вверх следующий слой холодного воздуха и т.д.

Конвекция широко наблюдается и применяется в быту и в промышленности.

Инженер-строитель. Что бы дом был теплый, недостаточно сделать добротные стены, потолки и полы, нужно продумать и его отопление.

Выбор системы отопления определяется, прежде всего, наличием того или иного вида топлива. Если в распоряжении имеются только дрова или торф, то в этом случае наиболее целесообразно устроить печное отопление. При наличии каменного угля или брикетов лучше сделать водяное отопление. Действие того и другого вида отопления основано на конвекции. В качестве нагревательных приборов применяются чугунные нагреватели, которые размещаются под окнами или у внутренних стен. Благодаря конвекции воздух вблизи потолка теплее, чем вблизи пола.

Учитель. Воздух – плохой проводник; при его помощи мы можем сохранять тепло, но с одним условием: если мы избежим конвекции, которая сводит на нет все теплоизоляционные свойства воздуха. Устранение конвекции достигается применением разного рода пористых и волокнистых материалов. Внутри таких тел воздуху трудно двигаться. Все подобные тела хороши, как теплоизоляторы только благодаря способности удерживать слой воздуха.

Теплопроводность же самих веществ волокна или стенок пор может быть и не очень малой.

Рассмотрим теперь другой пример. Сидя около костра, мы согреваемся, чувствуем, как передается тепло от костра нашему телу. Между пламенем костра и нашим телом находится воздух, а он, как известно, имеет малую теплопроводность. Значит, энергия передается нашему телу не за счет теплопроводности. Но и конвекцией объяснить передачу тепла в этом случае тоже нельзя, так как конвекционные потоки всегда направлены вверх. Следовательно, существует еще один вид теплопередачи. А познакомит нас с ним физик!

Физик. Возьмем теплоприемник – прибор, представляющий собой плоскую круглую коробку, одна сторона которой отполирована, как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробки находится воздух, который может выходить через отверстие в теплоприемнике. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром и поднесем к теплоприемнику сбоку электрическую плитку или кусок металла, нагретый до высокой температуры. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Почему?

Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как передавалась энергия в этом случае? 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. Следовательно, энергия передавалась иным видом теплопередачи. Этот вид теплопередачи называют излучением.

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что она может существовать в полном вакууме. Излучением передается на Землю и солнечная энергия.

Учитель. Огромное количество теплоты получает поверхность Земли от Солнца. Подсчитано, что количеством теплоты от лучей Солнца, посылаемых на землю в течение года, можно было бы расплавить слой льда вокруг земли толщиной 96 м. Потребовалось бы лишь одно условие: чтобы все Солнечное излучение поглощалось Землей. Однако Земля поглощает лишь его небольшую часть; большая же часть излучения Солнца отражается.

Солнечная энергия используется в сельском хозяйстве. Но об этом вам расскажет инженер-строитель.

Инженер-строитель. Я вам расскажу о солнечном водонагревателе. В некоторых колхозах используют солнечную энергию для нагревания воды на животноводческих фермах. Для подогрева воды устанавливают трубчатые водонагреватели, которые состоят из бака-аккумулятора, заполненного водой, и водонагревателя, соединенного с баком трубками. Солнечные лучи падают на водонагреватель, где вода, нагревшись, поднимается по трубе в бак, а на ее место приходит холодная вода. В любом дачном поселке можно встретить нехитрую гелиоустановку: сорокаведерный металлический бак на деревянном помосте или просто на крыше сарая. Солнечным летним днем вода в баке, окрашенном темной краской, нагревается до 400-500 С.

Агроном. Солнечная энергия так же используется в теплицах. Основную часть тепла теплица получает за счет солнечных лучей. Дополнительное тепло создается искусственным источником. Стеклянная крыша теплицы и стеллажи в ней наклонены на юг, стеллажи с посевными ящиками находятся в верхней части помещения, где скапливается более нагретый воздух. Обычное стекло пропускает в теплицу или парник 85% солнечной энергии, а потери инфракрасного излучения в обратном направлении очень невелики. В поисках путей повышения полезного действия стекла, ученые пришли к применению пленки из двуокиси олова. Она наносится пульверизатором на предварительно разогретое до 4000-5000С стекло. Внешний вид его практически не меняется, но энергия солнечных лучей, попавшая за прозрачную перегородку, уже не может вырваться назад. Она «запирается», как в капкане. Пленка из двуокиси олова только на 6% ухудшает прохождение прямых солнечных лучей через стекло, но зато на 65% улучшает тепловое отражение внутрь теплицы.

Новое стекло позволяет создать дешевые солнечные нагреватели и термоэлектрогенераторы без движущихся частей. Оно найдет применение в душевых и банях, солнечных опреснителях и электростанциях.

Учитель. Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком. Например, воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались Солнцем.

Итак, мы рассмотрели три способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение.

Учитель. Рыбаки, работающие на парусных суднах, предпочитают уходить в море ночью, а возвращаться с улова – днем. Как вы думаете, с чем это связано?

Ученик. Это связано с ветром, который называется «бриз». Он возникает на берегу моря.

Учитель. Эти бризы объясняются конвекцией. А как образуются дневной и ночной бризы?

Ученик. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем вода. Поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается, и давление более теплого воздуха становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу с моря перемещается к берегу, дует ветер. Это и есть дневной бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и воздух над сушей становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз – движение холодного воздуха от суши к морю.

Учитель. Откройте все дневники и запишите домашнее задание: §5, упр .2 (1. 3), стр. 13.

А теперь давайте попробуем ответить на следующие вопросы:

1. Почему в начале топки печей, когда печь еще не нагрелась, температура воздуха в помещении понижается?

2. Почему сады не рекомендуется разводить в низинах?

3. Почему глубокий, рыхлый снег предохраняет озимые посевы от вымерзания?

4. Почему при рыхлении почвы – вспашке и бороновании – теплопроводность почвы уменьшается?

5. Зачем весной в холодные и ясные ночи в садах разводят костры, дающие много дыма?

6. Юннат, желая ускорить таяние снега на участке, посыпал его землей. Ускорит ли это таяние снега?

  1. Почему подвал – самое холодное место в доме?

8. Каким способом охлаждается воздух в комнате зимой при открытой форточке?

Подведение итогов урока, комментирование работы учащихся, выставление оценок.

21

videouroki.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *