Конвекция как происходит: 500 Internal Server Error

Содержание

Конвекция. Конвективный теплообмен | Физика

Конвекция (от лат. convectio — доставка) — это перенос массы в результатеперемещения газа или жидкости.

Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.

Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда имеются небольшие об­ласти, в которых плотность отличается от плотности основной окружающей их массы вещества. Тогда в условиях земного тяготения под действием силы Архимеда эти области начинают переме­щаться. Примером свободной конвекции является всем известное движение воздуха в помещении, в котором топится печь, имеется радиатор или другой источник тепла.

Поясним сказанное на примерах.

Поместив руку над горячей плитой или горящей электрической лампочкой, можно почувс­твовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Небольшая бумажная вертушка, пос­тавленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление можно объяснить таким образом. Часть воздуха, которая соприкасается с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотной, чем окружающий ее более холод­ный воздух. Под действием архимедовой (выталкивающей) силы эта более теплая часть воздуха начинает подниматься вверх. Ее место заполняет холодный воздух. Через некоторое время, про­гревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция. В результате перемещения более теплых слоев воздуха происходит перенос тепла (т. е. энергии), или конвективный теплообмен.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Нагретые слои жидкости, менее плотные и поэтому более легкие, вытесняются вверх более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой жидкостью. Благодаря такому движению жидкость равно­мерно прогревается. Это становится наглядным, если на дно колбы с водой бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает воду в фиолетовый цвет.

Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим воздействием на среду. Приме­рами ее являются обычное перемешивание жидкости ложечкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т. д. Физические процессы, происходящие при вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтека­ние неподвижных моделей потоком воздуха.

Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразной и жидкой среде при условии, что имеется разность температур между частями этой среды. Для осуществле­ния эффективного конвективного теплообмена в земных условиях в жидкостях и газах их следует прогревать снизу. Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, ведь теплые слои и так находятся сверху и опуститься ниже холодных, более тяжелых, они не могут.

В отсутствие силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблю­даться не будет. Следовательно, пользоваться там, например, спичками и газовыми горелками нельзя: продукты сгорания затушат пламя.

Конвекция в твердых телах происходить не может, поскольку частицы в них колеблются около определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твердых телах передается теплопроводностью.

Физика за 8 класс. Учебник.

     

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

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

Рис. 1. На­гре­ва­ние льда в про­бир­ке с водой.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Раз­ли­ча­ют два типа кон­век­ции.

Рис. 4. Сво­бод­ная кон­век­ция

Рис. 5. Вы­нуж­ден­ная кон­век­ция

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

Вопросы:

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

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

3. В чем состоит явление конвекции?

4. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной?

5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 

6. Почему конвекция невозможна в твердых телах?

Ответы:

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

http://znanija.com/task/9350024

Физика. Конспект «Конвекция» | Частная школа.

8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Конвекция». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое конвекция. Какие виды конвекции существуют.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике


Конвекция

Если жидкости и газы обладают низкой теплопроводностью, то как же тогда нам удаётся достаточно быстро прогреть воздух в помещении и вскипятить воду?

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВОЗДУХЕ

Находясь рядом с горячей плитой, можно почувствовать тёплые струи воздуха, поднимающиеся над ней. Этот же эффект хорошо ощущается, если сверху поднести руку к горящей свече или горящей электрической лампочке.

Это физическое явления используется в игрушке «музыкальная ёлочка». Когда зажигаются свечки, под действием возникающих струй тёплого воздуха, направленных вверх, вертушка начинает вращаться, а колокольчики — звенеть.

Если сделать из бумаги спираль и поместить её над включённой электрической лампочкой, как показано на рисунке, под действием поднимающегося нагретого воздуха спираль начнёт вращаться.

В этом опыте, так же как и в игрушке «музыкальная ёлочка», происходит нагревание воздуха, находящегося вблизи горящей лампочки или свечи. При этом он расширяется, и его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. Под действием выталкивающей (архимедовой) силы со стороны холодного воздуха тёплый воздух вытесняется вверх. Образовавшийся воздушный поток и вращает спираль.

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЖИДКОСТИ

Аналогичные явления происходят и при нагревании жидкости, если источник тепла находится снизу.

Нагретые слои жидкости имеют меньшую плотность. Поэтому сила тяжести, действующая на них, становится меньше архимедовой силы, действующей на эти слои со стороны окружающей жидкости. Вследствие этого нагретые слои воды начинают подниматься вверх, а на их место опускаются более холодные слои жидкости. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не прогреется одинаково по всему объёму.

Рассмотрим следующий опыт. На дно колбы с водой аккуратно опустим несколько кристалликов любого красителя (например, марганцовокислого калия). Начнём нагревать колбу снизу. Сразу станет хорошо видно, как со дна колбы поднимаются окрашенные струйки воды.

КОНВЕКЦИЯ

При нагревании воздуха или воды снизу происходит теплопередача, обусловленная переносом вещества и отличающаяся от теплопроводности. Этот процесс называют конвекцией (от лат. convectio — перенесение).

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками (или струями) жидкости или газа.

В 7 классе мы говорили о том, что строение твёрдых тел отличается от строения жидкостей и газов. В твёрдых телах перенос вещества невозможен, поэтому конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. В твёрдых телах она не происходит.

В закрытом помещении при работе отопительных приборов всегда возникает явление конвекции. Поэтому разница температур воздуха у пола и вблизи потолка может достигать нескольких градусов.

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ

Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную. Рассмотренные выше процессы нагревания воздуха и жидкости являются примерами естественной конвекции. Для её возникновения требуется либо подогрев жидкости или газа снизу, либо охлаждение сверху.

Вынужденная конвекция наблюдается в случае, когда потоки нагретой или охлаждённой жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов.

КОНВЕКЦИЯ В ПРИРОДЕ

Конвекция является очень распространённым явлением в природе. Она выполняет основную роль в образовании в атмосфере потоков воздуха — ветров. Нагреваясь над одними участками земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу.

Эти же причины порождают дневные и ночные бризы — ветры, попеременно дующие от моря к суше днём и от суши к морю ночью. В течение дня температура земли становится заметно выше, чем температура моря. Соответственно и воздух, соприкасающийся с землёй, теплеет, расширяется и его плотность уменьшается. За счёт явления конвекции возникает циркулирующее течение воздушных масс. Ночью происходит обратный процесс, так как земля охлаждается до температуры, которая ниже, чем температура моря.

Благодаря конвекции птицы способны подолгу парить в воздухе. Разные участки земли прогреваются по-разному, и из-за этого возни кают восходящие воздушные потоки. Эти же потоки используются при полётах на дельтапланах.

Из-за конвекции нагретый пар из труб котельных и дым из печных труб при отсутствии ветра поднимаются вверх, так как имеют более низкую плотность, чем окружающий воздух.

В быту мы привыкли к тому, что при нагреве воды источник тепла располагается снизу. Нагревательные приборы в комнате также всегда расположены внизу.

Опыты показывают, что при нагревании сверху как жидкостей, так и газов конвекции не происходит. В этом случае просто не возникает выталкивающая сила, так как нагретые слои с меньшей плотностью располагаются сверху.

Естественная и вынужденная конвекция лежат в основе действия отопительной системы зданий. Нагревание воды может производиться либо непосредственно в здании при помощи специального котла, либо за пределами отапливаемого помещения при наличии системы центрального отопления. Горячая вода, поступающая в дом или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по помещениям, отдавая тепло в радиаторах.


Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Конвекция».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).



Просмотров:
10 974

Конвекция. Центральное отопление. Фен :: Класс!ная физика

КОНВЕКЦИЯ

— это перенос энергии струями жидкости

или газа.
При конвекции происходит перенос вещества в пространстве.
Объяснить явление конвекции можно тепловым расширением тел и законом

Архимеда .
Конвекция невозможна в твёрдых телах.
Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев жидкости или газа и агрегатного состояния вещества.

Конвекция может быть двух видов:

так, например, в лампе для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу
(или в другом устройстве — охлаждение

сверху).

когда под действием вентиляторов, насосов, движения ложки и т.п. переносятся потоки газа или жидкости.

Красивый опыт с конвекцией жидкости.

Возьмите большую стеклянную банку с широким горлышком и заполните ее чистой холодной водой. В другой небольшой (чтобы проходил через горло большой банки) керамический сосуд налейте очень горячей подкрашенной обычными красками или марганцовкой (зеленкой) воды. Закрыв пальцем горлышко маленького сосуда, опустите его на дно большой банки с водой.
Струйки горячей подкрашенной жидкости, извиваясь, начнут подниматься к поверхности. Вы будете наблюдать явление конвекции в жидкости, когда более легкая горячая жидкости, перемешиваясь с холодной водой, устремится вверх.

Интересно, что в сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Оказывается, что вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Керосиновая лампа, масляная…
Каково назначение лампового стекла?

Тысячелетия люди обходились без стекла, используя открытый огонь.

И только Леонардо да Винчи придумал окружить огонь цилиндрическим

экраном, но сначала не стеклянным, а металлическим. Только спустя

300 лет появилась стеклянная колба для лампы. Главная роль стекла

усилить яркость пламени, т.е. ускорить процесс горения ( стекло усиливает приток воздуха к пламени и увеличивает

тягу). Второстепенная роль — защита пламени от ветра.

Устали? — Отдыхаем!

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И КУЛИНАРИЯ. КОНВЕКЦИЯ.: mariareznor — LiveJournal

Еще один вид теплопередачи, с которым мы все сталкиваемся на кухне, — конвекция — передача тепла перемещающимися струями газа или жидкости. Обратите внимание, что при конвекции тепло передается посредством переноса вещества, в отличие от теплопроводности, где перенос тепла происходит от частицы к частице. Когда жидкость или газ нагреваются, та их часть, что находится ближе к источнику тепла, расширяется, становится менее плотной и поднимается наверх, а ее место занимает более холодное вещество, и так далее. Таким образом тепло распространяется в веществе равномерно.

Конвекция переносит тепло быстрее, чем теплопроводность и бывает двух видов: свободная (нагревание/остывание воды в океане, воздуха в комнате и т. д.) и вынужденная (с применением грубой силы: размешивание ложкой чая в стакане, вентилятор).

Когда вы держите руку над газовой горелкой, вы чувствуете тепло. Источник нагревает воздух, он расширяется, становится чуть менее плотным и поднимается наверх.

В кулинарии мы можем наблюдать это явление в кипящей воде, масле для фритюра, духовке. Когда-нибудь надеюсь написать о том, как удивительно работают все эти техники.

В кастрюле с водой, масле для фритюра или духовке образуются постоянно циркулирующие конвекционные потоки из-за неравномерного нагрева (сильнее возле дна кастрюли, возле источника тепла). Большие куски еды создают препятствие для этих потоков, появляются пятна, внося в процесс готовки элемент рандома. По этой причине, например, не стоит утрамбовывать ногами пакеты с продуктами в су вид ванну, оставьте место для свободной циркуляции воды.

Когда вы готовите что-то в жидкости (вине, воде, бульоне), вы тоже сталкиваетесь с явлением конвекции. Конвекция в жидкостях намного быстрее, чем в газах, из-за более высокой плотности первых. Поэтому вы можете свободно поместить руку в духовку на некоторое время, но если вы тоже самое сделаете с горячей жидкостью, то немедленно получите ожог.

Вынужденная конвекция в духовке, например, осуществляется благодаря работе вентиляторов, которые гоняют потоки воздуха. Вокруг куска еды из-за трения о шероховатую поверхность продуктов обычно образуется тонкий изолирующий слой воздуха, который мешает нагреву, вынужденная конвекция помогает этот слой разогнать. В жидкости работает тот же принцип, если вы просто перемешаете ее ложкой, нагрев будет происходить быстрее.

Этот принцип работает не только с нагревом, но и с охлаждением. Существуют специальные промышленные холодильные установки, которые, подобно духовке с конвекцией, охлаждают продукты потоками холодного воздуха, разгоняя изолирующий слой.

Чтобы определить, насколько быстро тепло перемещается от источника к продукту, нам нужно учитывать такие показатели, как плотность, вязкость и скорость потока. Коэффициент теплопередачи охватывает эти три свойства и показывает, какое количество теплоты переходит от более нагретого вещества к менее нагретому за единицу времени.
Например, конвекционная печь и классический духовой шкаф — оба переносят тепло за счет конвекции, но первая при этом готовит многие продукты значительно быстрее. Это объясняется разницей коэффициента теплопередачи.

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.

  1. 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?

теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA

1. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Если к металлическому стержню с помощью воска прикрепить несколько гвоздиков (рис. 68), закрепить один конец стержня в штативе, а другой нагревать на спиртовке, то через некоторое время гвоздики начнут отпадать от стержня: сначала отпадет тот гвоздик, который ближе к спиртовке, затем следующий и т.д.

Это происходит потому, что при повышении температуры воск начинает плавиться. Поскольку гвоздики отпадали не одновременно, а постепенно, можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому.

2. Передачу энергии при теплопроводности можно объяснить с точки зрения внутреннего строения вещества. Молекулы ближнего к спиртовке конца стержня получают от неё энергию, их энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться и передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня.

Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другому или от одной части тела к другой передается энергия.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению частиц называется теплопроводностью.

3. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводностью обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

4. Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если на дно колбы с водой аккуратно через трубочку опустить кристаллик марганцево-кислого калия и нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежит кристаллик, то можно увидеть, как со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Объясняется это явление так. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соответственно уменьшается. На этот слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь, нагреваясь, перемещается вверх и т.д. Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости (рис. 69).

Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла (рис. 70), то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Теплопередача, которая осуществляется в этом опыте и в опыте, изображенном на рисунках 69, 70, называется конвекцией.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.

Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

5. Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Если закрепить металлическую коробочку (теплоприёмник), одна сторона которой блестящая, а другая чёрная, в штативе, соединить коробочку с манометром, а затем налить в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток, то, повернув сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной, можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной (рис. 71).

Понижение уровня жидкости в манометре происходит потому, что воздух в теплоприёмнике расширяется, это возможно при нагревании воздуха. Следовательно, воздух получает от сосуда с горячей водой энергию, нагревается и расширяется. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью и конвекция в данном случае не происходит, т.к. плитка и теплоприёмник располагаются на одном уровне, то остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию.

Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником.

Чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно также доказать экспериментально, если поднести включённую в сеть электроплитку сначала к блестящей стороне тенлоприёмника, а затем к чёрной. Во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, опустится ниже, чем в первом.

Таким образом, чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

1) конвекции
2) излучения и конвекции
3) теплопроводности
4) конвекции и теплопроводности

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

1) только в газах
2) только в жидкостях
3) только в газах и жидкостях
4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?

1) только с помощью теплопроводности
2) только с помощью конвекции
3) только с помощью излучения
4) всеми тремя способами

4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) излучение и теплопроводность
4) конвекция и теплопроводность

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) только излучение
4) только теплопроводность и излучение

6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) конвекция и теплопроводность
3) излучение и теплопроводность
4) только конвекция

7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

1) газобетона
2) железобетона
3) силикатного кирпича
4) дерева

8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?

1) в металлической
2) в пластмассовой
3) одновременно
4) скорость остывания воды зависит от её температуры

9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?

10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?

1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.
2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.
3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.
4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.

11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.
2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.
3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.
4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.
5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.
2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.
4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.
5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.

Ответы

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

3.4 (67.83%) 23 votes

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

Жидкости и газы являются жидкостями, потому что их можно заставить течь. Частицы в этих жидкостях могут перемещаться с места на место. Конвекция возникает, когда частицы с большим количеством тепловой энергии в жидкости или газе перемещаются и заменяют частицы с меньшей тепловой энергией.

Воздушный поток около радиатора

Тепловая энергия передается из горячих мест в более прохладные посредством конвекции.

Стакан нагревается, и цветная жидкость внутри показывает конвекционные потоки.

Жидкости и газы расширяются при нагревании.

Это связано с тем, что частицы в жидкостях и газах движутся быстрее, когда они нагреваются, чем когда они холодные.

В результате частицы занимают больший объем. Это связано с тем, что зазор между частицами увеличивается, а сами частицы остаются того же размера.

Жидкость или газ в горячих областях менее плотная, чем жидкость или газ в холодных областях, поэтому они поднимаются в холодные области.

Более плотная холодная жидкость или газ попадает в теплые области.

Таким образом создаются конвекционные потоки, , которые переносят тепло с места на место.

Конвекционные токи можно увидеть в лавовых лампах. Воск внутри лампы нагревается, становится менее плотным, чем жидкость, и поэтому поднимается вверх.

Конвекция объясняет, почему поднимаются воздушные шары, а также почему на чердаках домов часто бывает жарче, чем внизу.

Как и в этих примерах, конвекция видна в гораздо большем масштабе в нашей погоде и океанских течениях.

Примеры конвекции

Конвекция возникает, когда тепло передается через газ или жидкость более горячим материалом, движущимся в более прохладную зону. Узнайте, что такое конвекция на самом деле, и рассмотрите несколько примеров этого явления.

Что такое конвекция?

Прежде чем рассматривать примеры, важно понять определение конвекции, чтобы вам было ясно, что такое конвекция на самом деле.Конвекция — это передача тепла, связанная с движением, которое происходит внутри жидкости из-за подъема более горячих материалов в сочетании с опусканием более холодных материалов. Это происходит потому, что более горячие материалы имеют меньшую плотность, чем более холодные.

В метеорологии конвекция — это передача тепла и других атмосферных свойств за счет движения масс воздуха, особенно в направлении вверх. В геологии это медленное движение материала под земной корой. Некоторая конвекция создана руками человека.

Повседневные примеры конвекции

Существует множество примеров конвекции в повседневной жизни, в том числе несколько обычных бытовых явлений.

  • кипяток — Когда вода закипает, тепло переходит от горелки в кастрюлю, нагревая воду внизу. Эта горячая вода поднимается вверх, а более холодная вода движется вниз, чтобы заменить ее, вызывая круговое движение.
  • радиатор — Радиатор выпускает теплый воздух вверху и втягивает более холодный воздух внизу.
  • Дымящаяся чашка горячего чая — Пар, который вы видите, когда пьете чашку горячего чая, указывает на то, что тепло передается в воздух.
  • таяние льда — Лед тает, потому что тепло перемещается ко льду из воздуха. В результате лед тает из твердого состояния в жидкое.
  • Размораживание замороженных продуктов — Замороженные продукты оттаивают быстрее под холодной проточной водой, чем если их поместить в воду. Это связано с тем, что проточная вода передает тепло продуктам быстрее, чем если бы замороженный продукт был помещен в неподвижную воду.
  • принудительная конвекция — Когда вентилятор, насос или всасывающее устройство используются для облегчения конвекции, результатом является принудительная конвекция. Повседневные примеры этого можно увидеть с кондиционером, центральным отоплением, автомобильным радиатором, использующим жидкость, или конвекционной печью.

Примеры конвекции в метеорологии

Многие погодные условия являются результатом конвекции. С точки зрения метеорологии конвекция — это просто восходящее движение воздуха в атмосфере. Звучит достаточно просто, но при определенных условиях это может привести к суровой погоде.

  • конвективные облака — Когда в воздухе много влаги, конвекционные потоки уносят эту влагу в небо, образуя конвективные облака. Когда в облаках накапливается достаточное количество капель, результатом будут осадки в виде конвективной грозы.
  • линии шквала — линия шквала — это тип конвективной грозы. Этот тип конвективного явления вызывает ряд гроз, сопровождаемых сильным ветром и проливным дождем.
  • supercell — Суперячейка — это более серьезная форма конвективной грозы. Этот тип шторма обычно длится в течение длительного периода времени (час или дольше) и имеет высокую вероятность образования опасных торнадо.

Примеры конвекции, связанной с движением воздуха

Хотя конвекция, происходящая дома, и погодные явления наблюдаются реже, чем повседневные примеры, существует ряд других примеров конвекции, связанной с движением воздуха.

  • воздушный шар — Нагреватель внутри воздушного шара нагревает воздух, заставляя воздух двигаться вверх. Это заставляет воздушный шар подниматься, потому что горячий воздух остается внутри. Когда пилот хочет спуститься, человек выпускает немного горячего воздуха. Его место занимает прохладный воздух, заставляя воздушный шар опускаться.
  • эффект стека. — Эффект стека, также называемый эффектом дымохода, представляет собой движение воздуха внутрь и наружу из зданий, дымоходов или других объектов из-за плавучести.В этом случае плавучесть относится к разной плотности воздуха между воздухом внутри и воздухом снаружи. Сила плавучести увеличивается из-за большей высоты конструкции и большей разницы между уровнем тепла внутреннего и внешнего воздуха.

Примеры конвекции, связанные с геологией

Хотя влияние геологической конвекции не является чем-то, что люди могут наблюдать в режиме реального времени, она сильно влияет на мир природы. С конвекцией связан ряд природных явлений, связанных с геологией.

  • конвекция мантии — Каменная мантия Земли движется медленно из-за конвекционных потоков, которые переносят тепло из недр Земли на поверхность. Это причина того, что тектонические плиты постепенно перемещаются вокруг Земли. Горячий материал добавляется к растущим краям тарелки, а затем охлаждается. На краях потребления материал становится плотным из-за сжатия под воздействием тепла и опускается в Землю в океанической впадине. Это вызывает образование вулканов.
  • гравитационная конвекция — Поскольку пресная вода в соленой обладает плавучестью, сухая соль диффундирует вниз во влажную почву. Это пример гравитационной конвекции.
  • океаническая циркуляция — Конвекция вызывает постоянную глобальную циркуляцию океанов. Теплая вода вокруг экватора циркулирует к полюсам, а более холодная вода на полюсах движется к экватору.

Конвекция, связанная со звездами

Хотя звезды не находятся ниже поверхности Земли, вы также можете увидеть принципы конвекции в действии, рассматривая конвекцию, связанную со звездами, которую также можно назвать звездной конвекцией.У звезды есть зона конвекции, в которой энергия перемещается за счет конвекции. За пределами активной зоны находится зона излучения, в которой движется плазма. Конвекционный ток образуется, когда плазма поднимается, а остывшая плазма опускается.

Осмысление конвекции

Эти различные примеры конвекции показывают, как конвекция возникает во многих антропогенных и природных явлениях. Теперь, когда вы знакомы с примерами конвекции, подумайте о том, чтобы расширить свои знания о связанных научных явлениях. Начните с изучения десяти примеров конденсации, распространенных в реальной жизни.

Конвекция: что это и как работает?

Тепло на самом базовом уровне — это кинетическая энергия атомов и молекул. Конвекция влияет на все, от отопления вашего дома до процесса теплопередачи внутри солнца.

Взаимосвязь между температурой и плотностью

Когда твердое тело, жидкость или газ нагреваются, составляющие его атомы или молекулы колеблются все больше и больше; эти повышенные колебания требуют большего объема для каждого атома / молекулы.

В газе это выражается не как «вибрация», а как повышенная скорость частиц и, следовательно, повышенное давление на емкость с газом. По этой причине большинство материалов расширяются на при нагревании. В большей степени это происходит с газами, но в меньшей степени с жидкостями и твердыми телами.

Когда что-то расширяется, оно становится менее плотным; в единице объема меньше частиц и, следовательно, меньше массы, чем было раньше.Но в жидкостях и газах (флюидах) область с более низкой плотностью будет подниматься и плавать над областями с более высокой плотностью из-за влияния силы тяжести. Эти две концепции, что тепло вызывает уменьшение плотности и что жидкость поднимается и опускается в соответствии с плотностью, объединяются, чтобы создать явление теплопередачи конвекции.

Определение конвекции

Конвекция — это метод передачи тепловой энергии, при котором передача тепла происходит посредством движения жидкости. Это движение жидкости вызвано разницей в плотности между более горячими областями жидкости и более холодными областями.Эти движения называются конвекционными потоками , и конвективное движение жидкости продолжается до тех пор, пока существует разница температур между областями.

Эта разница температур особенно велика, когда на одной стороне жидкости есть источник тепла, например обогреватель возле пола в комнате. Теплый воздух внизу непрерывно движется вверх, в то время как более холодный воздух движется вниз, чтобы нагреться, а затем также движется вверх. Движение воздуха вызывает круговые токи, которые будут продолжаться, пока воздух не достигнет равновесной температуры; в стакане воды комнатной температуры обычно не будет конвективных токов, а в стакане воды со льдом будут конвективные потоки.

Конвекцию часто описывают как комбинацию двух физических процессов: адвекции и диффузии. Advection — это перенос вещества за счет массового движения, такого как движение ила русла реки по течению реки. Диффузия — это перенос вещества за счет движения частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, например, движение частиц красителя, распространяющихся через стакан с водой.

Поскольку конвекция перемещает более горячее вещество вверх, а более холодное — вниз, это происходит как за счет перемещения вещества в объеме (адвекция), так и в виде частиц (диффузия).

Конвекция по определению не может возникать в твердых телах из-за неспособности создать поток жидкости в твердом веществе (частицы не могут двигаться относительно друг друга, а могут только колебаться на месте). Вместо этого передача тепла в твердых телах происходит за счет теплопроводности или передачи колебательной энергии от одного атома или молекулы твердого кристалла к его соседям. Есть некоторые исключения из этого в мягких твердых телах, где частицы могут двигаться мимо друг друга.

Отопление и охлаждение вашего дома

Помните о конвекции, чтобы обогреть или охладить ваш дом более эффективно.Поскольку горячий воздух имеет тенденцию подниматься, а холодный — опускаться, это помогает расположить обогреватели ближе к полу, а кондиционеры — выше.

Потолочные вентиляторы обычно могут работать в обоих направлениях: либо выдувать воздух сверху, либо выдувать воздух снизу. Летом обычно полезно обдувать воздух, так как вы чувствуете, как конвективный ветерок охлаждает вашу кожу; втягивание воздуха полезно зимой, потому что оно помогает выталкивать горячий воздух вниз и наружу к стенам, не дуя прямо на вас.

Замерзающее озеро

По мере охлаждения вода сжимается и становится более плотной, как и большинство других веществ. Однако, когда он остывает примерно до 4 градусов по Цельсию, он фактически начинает немного расширяться. Вода уникальна тем, что ее твердая форма, лед, менее плотная, чем ее жидкая форма. Таким образом, хотя обычно он становится более плотным по мере охлаждения, в определенный момент эта тенденция меняется на противоположную, и он начинает расширяться до точки замерзания, равной 0 градусам Цельсия. Это влияет на работу конвекции в замерзающем озере.

По мере того, как вода в озере охлаждается, она опускается по мере подъема более теплой воды, но только до тех пор, пока температура всего озера не достигнет 4 градусов Цельсия. В этот момент конвекция меняется на противоположную: вода с температурой ниже 4 градусов Цельсия менее плотная, чем более теплая вода, а это означает, что верхняя часть озера становится холоднее, чем дно, и образуется лед. Вот почему сначала замерзают озера сверху.

Солнечная конвекция

Солнце (как и большинство звезд) испытывает внутреннюю конвекцию с более горячей плазмой и более холодной плазмой.Внутри конвективной зоны Солнца, которая простирается внутрь от его внешней поверхности, тепловая энергия переносится из горячих внутренних частей Солнца в более холодные внешние области посредством конвективных токов.

Это создает « конвекционных ячеек », которые представляют собой темные и светлые пятна, которые вы можете видеть на поверхности Солнца. Световые пятна — это конвекционные ячейки горячей плазмы, только что поднявшейся изнутри; темные пятна представляют собой конвективные ячейки плазмы, которая остыла и скоро вернется обратно через конвективную зону.

Эти темные и светлые пятна также иногда называют солнечными гранулами. В среднем они имеют диаметр около 1000 км (длина штата Калифорния) и остаются на поверхности всего от восьми до 20 минут. В любой момент на поверхности Солнца содержится около четырех миллионов гранул!

Другие примеры конвекции

Конвекция чрезвычайно важна в метеорологии или изучении погоды. Потоки теплого и прохладного воздуха в атмосфере создают облака различной формы, а также грозы, торнадо и погодные фронты.

Некоторые печи могут выпекать за счет конвекции. В конвекционных печах используются вентиляторы и вытяжная система, которые обеспечивают циркуляцию воздуха внутри духовки во время выпечки, направляя горячий воздух прямо на продукты. Это позволяет пище готовиться быстрее и равномернее, чем если бы ее просто поместили рядом с нагревательными элементами духовки. Это также делает внутреннюю часть духовки суше и менее влажной, что может быть лучше для подрумянивания пищи.

Магнитное поле Земли создается конвекционными токами во внешнем ядре.В центре Земли находится твердое внутреннее ядро, окруженное жидким внешним ядром, состоящим в основном из железа и никеля. Оба эти металла являются хорошими проводниками электричества. Конвекционные токи в этом жидком слое создают электрические токи в жидком металле, которые создают магнитные поля; сумма этих магнитных полей и есть магнитное поле Земли, которое направляет все компасы на Северный полюс и защищает Землю от космического излучения.

Конвекция

Конвекция

(9–12 классы)

Цель:
Для создания визуального конвекционного тока в классе и сравнения его
к изображениям конвективных ячеек на Солнце.

Информация для учителя

Конвекция — это перенос энергии из-за разницы плотности при
не в условиях свободного падения (микрогравитации). Как жидкость или газ
при нагревании он расширяется и становится менее плотным и, следовательно, более легким. Если
более холодный более плотный материал находится над более горячим слоем более теплый материал
поднимется через более холодный материал на поверхность. Восхождение
материал будет рассеивать свое тепло (энергию) в окружающую среду.
среды, станут более плотными (холодными) и опустятся, чтобы начать
процесс окончен.

Источником энергии Солнца являются ядерные реакции, происходящие в
его ядро. Там, при температуре 15 миллионов градусов Кельвина,
Ядра атома водорода, называемые протонами, сливаются и становятся атомом гелия
ядра. Энергия, произведенная в результате синтеза в ядре, движется наружу,
сначала в виде электромагнитного излучения, называемого фотонами в
так называемая радиационная зона. Затем энергия движется вверх в нагретых фотоном
солнечный газ. Этот вид транспорта энергии — конвекция.Конвекция
движения внутри Солнца создают магнитные поля, которые возникают
на поверхности в виде солнечных пятен, а петли горячего газа называются протуберанцами.
Большая часть солнечной энергии наконец уходит из тонкого слоя солнечной энергии.
Атмосфера называется фотосферой, которая является частью Солнца.
наблюдаемые невооруженным глазом. Конвекционные ячейки можно увидеть на
поверхность Солнца, как на следующем изображении.

Деятельность представляет собой симуляцию этого изображения.


Действие: Отображение конвекции

Материалы:

  • плита
  • маленькая кастрюля, стакан или стеклянная форма для пирога
  • реоскопическая жидкость * или яблочный сидр

Вид деятельности:

Процедура:

  1. Поставьте емкость с жидкостью на нагревательную плиту на
    самое низкое значение.
  2. Через несколько минут вы должны увидеть реакцию. Если
    реакция начинает
    рассеять, увеличить тепло на очень небольшое количество.

Вопросы:

  1. Почему реакция рассеивается?
  2. Произойдет ли это рассеяние на Солнце? Почему?
  3. Совпадает ли ваше наблюдение за симуляцией с изображением
    выше?

  4. Если вспомнить, почему возникает конвекция, произошло бы это в
    микрогравитация (свободное падение) среда?

Ссылки по теме:

Соответствие национальным стандартам:
(классы 9-12)

  • Понимает типы энергии, источники и преобразования, а также их
    отношение к жаре и температуре
  • Знает, что энергия имеет тенденцию самопроизвольно переходить от более горячей к более холодной.
    объекты проводимостью, конвекцией или излучением; аналогично любой заказанный
    состояние имеет тенденцию спонтанно становиться менее упорядоченным с течением времени

* ПРИМЕЧАНИЕ. Для этого занятия подойдет яблочный сидр, но это лучший материал.
Реоскопическая жидкость от Novostar Designs, Inc.Берлингтон, Северная Каролина 1-800-659-3197. Перечисление фирменного наименования в
этот раздел не является одобрением продукта.
Указанное название компании является лишь предположением.


Создал: Деннис Кристофер
Прямые комментарии к:
[email protected]

Как возникает конвекция в нашей атмосфере?

Концепций:

Принципы:

  • Погодные явления возникают, когда влажный воздух поднимается в атмосферу и
    более прохладный воздух выходит из атмосферы.
  • Одна из причин подъема воздуха в нашей атмосфере связана с процессом, называемым
    конвекция.
  • Теплый воздух поднимается над холодным за счет конвекции.
  • Облака образуются, когда водяной пар конденсируется и молекулы цепляются за каждое из них.
    Другие.
  • Пока происходит конвекция и теплый влажный воздух поднимается вверх, происходит
    также опускание более плотных и холодных молекул с неба, движущихся
    вниз.

Факты:

  • Конвекция возникает из-за того, что теплый воздух менее плотный, чем холодный воздух вокруг.
    это, поэтому он легче и поднимается или поднимается в атмосфере.
  • Признаки конвекции наблюдаются при образовании и росте
    кучевые облака.
  • Мы видим свидетельства опускания более тяжелого и холодного воздуха, падающего в
    земля, когда небо чистое или без облаков.
  • Теплый и влажный воздух поднимается вверх и образует облака в нашем небе.
  • В нашей атмосфере все время происходит постоянное уравновешивание.
    чем влажный теплый воздух поднимается вверх, а более прохладный, более плотный воздух движется вниз. Воздух
    постоянно движется вверх и вниз, создавая нашу «погоду».»

Навыки:

  • Следуя указаниям
  • Проведение наблюдений
  • Делаем выводы
  • Делаем выводы
  • Формирование обобщений
  • Сообщение результатов

Материалы

  1. Большая стеклянная банка без крышки
  2. Маленькая стеклянная банка с крышкой (которая помещается в большую банку)
  3. Пластиковые соломинки для питья
  4. Тёмный пищевой краситель
  5. Горячая вода в большой емкости для наливания
  6. Холодная вода в большой наливной емкости
  7. Молоток и большой гвоздь для проделывания отверстий в крышках маленьких банок
  8. Ножницы для разрезания соломки на 2-дюймовые кусочки
  9. Линейки
  10. Ручка
  11. Бумажные полотенца или губка
  12. Раздаточный материал

Подготовка помещения

Водные развлечения — это зачастую грязное занятие! Каждому ученику (или паре) нужен
рабочая зона, в которой можно провести собственный эксперимент.Вода может пролиться, поэтому
Удалите все материалы, которые не должны намокать, со столов или столов. Также,
приготовьте бумажные полотенца или губку для мытья полов и столешниц.

Меры предосторожности

Если учащиеся используют молоток и гвозди, чтобы проделать два отверстия в крышках своих маленьких банок,
ознакомьтесь с правилами безопасности и способами проделывания дырок. Соблюдайте осторожность и проверяйте
соображения безопасности, когда ученики наполняют маленькие фляги горячей водой. Напоминать
Ученики должны быть осторожны при добавлении пищевых красителей в маленькие баночки.Еда
окраска может испачкать одежду.


Процедуры и действия

Введение

Что мы видим, когда смотрим в небо? Иногда мы видим массу
облака, иногда облака и ясное небо, а иногда ничего, кроме
чистое небо везде.

Сегодня мы собираемся провести эксперимент, который поможет нам понять:

  1. Что такое конвекция?
  2. Как происходит конвекция в нашей атмосфере?
  3. Как образуются облака?
  4. Что делает небо ясным или безоблачным?

Деятельность

  1. Раздайте материалы
    Предоставьте каждому учащемуся или паре большую банку, маленькую банку с крышкой (вы можете
    уже пробили два отверстия в крышках), пластиковую соломку и ножницы.Если
    студенты пробивают отверстия в крышке, вам нужно будет дать им молоток и
    большой гвоздь.
  2. Сделайте 2 отверстия в крышках небольших банок или снимите крышки уже с
    Отверстия

    Покажите учащимся, как осторожно пробивать молотком и большим гвоздем 2
    дырочки в крышке маленькой баночки. Эти отверстия должны быть достаточно большими
    плотно прижать соломинку. Будьте осторожны, чтобы не сделать такие большие дыры
    что соломинка проваливается.
  3. Разрежьте соломку на две части по 2 дюйма
    Попросите учащихся использовать линейку и ручку, чтобы измерить и пометить соломинку, чтобы получилось две
    2-дюймовые куски.Попросите учащихся вырезать отметки. Отложите кусочки соломы.
  4. Положите соломку в отверстия крышки
    Учащиеся вставляют по кусочку соломки в каждое отверстие. Одна соломинка должна быть
    поместите так, чтобы примерно на полдюйма было выше верхней части крышки. Другой
    Кусок соломинки должен быть размещен так, чтобы примерно на полдюйма было ниже крышки.
  5. Пищевой краситель в маленькой баночке
    Попросите учащихся капнуть несколько капель темного пищевого красителя в маленькую банку.
  6. Горячая вода в маленькой банке
    Налейте или попросите учащихся налить горячую воду в маленькую банку, пока она не наполнится.Винт
    на крышке банки. Убедитесь, что 2 соломинки правильно уложены. Положите маленький
    банка в сторону.
  7. Холодная вода в большой банке
    Налейте или попросите учащихся налить холодную воду примерно на 3/4 объема в большую банку.
    Напомните учащимся, что они поместят маленькую банку в большую. Перейти по воде
    смещение — если большая банка наполнена водой, когда мы ставим маленькую банку в
    холодная вода поднимется и выльется наружу.
  8. Поместите маленькую банку с горячей водой в большую банку с холодной водой
    Осторожно поместите маленькую банку в большую.Обязательно холодная вода
    полностью покрывает верхнюю часть более высокой соломы. Если нет, добавьте немного холодной воды.
    в большую банку, пока не будут покрыты соломинки.
  9. Наблюдения, выводы и формирование обобщений
    Внимательно наблюдайте за происходящим. Где цветная вода из
    маленькая баночка с горячей водой собирается? Что происходит с цветной водой, когда она
    достигает вершины маленькой баночки? Что происходит, когда выходит цветная вода
    из маленькой фляги и в холодную воду из большой фляги?
  10. Сообщение результатов
    Попросите учащихся выделить время, чтобы нарисовать и ответить на вопросы, указанные на
    раздаточный материал.Попросите их поработать в парах или небольших группах, чтобы подготовить резюме
    что они сделали и что, по их мнению, произошло. Поделитесь, что этот процесс
    «сообщение результатов»: очень важная часть работы ученого, поэтому
    она или он может рассказать другим, что они сделали и что, по их мнению, они узнали.

Закрытие — исходные вопросы

Спросите еще раз:

  1. Что такое конвекция?
  2. Как происходит конвекция в нашей атмосфере?
  3. Как образуются облака?
  4. Что делает небо ясным или безоблачным?


Оценка

Попросите учащихся по очереди делиться друг с другом:

  • Каковы были наши первоначальные вопросы
  • Какой эксперимент мы проводили
  • Наши наблюдения и выводы
  • И, наконец, наши ответы (выводы и обобщения) на оригинал
    вопросов

Идеи расширения

Попросите учащихся повторить эксперимент, чтобы убедиться, что их наблюдения
выводы, обобщения и заключения верны.Поделись этим
эксперименты должны быть повторены много раз, чтобы быть уверенным, что результаты
правда. Точно оцените важность следования инструкциям, чтобы не
изменить или изменить переменные, которые, в свою очередь, могут изменить результаты эксперимента.

Пусть студенты проводят аналогичные эксперименты, которые целенаправленно изменяют
переменные. Например, они могут налить горячую воду в большую банку, а холодную — в
маленькая баночка. Попросите их задокументировать, какие материалы и шаги они выполнили,
что они наблюдали, и каковы их выводы и выводы.Тогда они могут
сравните два эксперимента и результаты, предлагая объяснения
сходства или различия в их выводах.

Изучить изображения
и анимация, иллюстрирующая конвекцию из лаборатории реактивного движения.

Посмотрите другие занятия из CAPS: Does the Sun
Влиять на температуру Земли?
Ежедневный журнал погоды, что такое теплопередача ?,
и что такое температура?


Карьера, связанная с темой урока

  • Аэрокосмический инженер
    • Тур
      — Аэрокосмические лаборатории и аэродинамические трубы
  • Любой, кто работает на открытом воздухе
  • Эколог
  • Инженер-эколог
  • Фермер
  • Метеоролог
    • Тур,
      Weather Underground в Мичиганском университете.
      Науки об атмосфере, океане и космосе
  • Военно-морская наука и техника
  • Пилот
  • Теле- или радиорепортер погоды


Что такое конвекция? — WeatherNation

Ваше погодное слово в течение дня — конвекция.

И я не говорю о настройках вашей духовки!

Знаете ли вы разные типы гроз?

Немного предыстории

Мы, метеорологи, часто используем это слово.

На самом деле, мой начальник, не являющийся метеорологом, считает, что я слишком часто его использую. Пришло время поговорить об этом подробнее.

Мы используем конвекцию, когда говорим о шторме. Речь идет о развитии или усилении шторма. Это может произойти в небольшом масштабе, как гроза суперячейки.Или как часть явления гораздо большего масштаба, такого как ураган.

Это может произойти и без шторма. Это называется сухой конвекцией и часто является любимой темой любого пилота-планериста.

Теплообмен

Поскольку до моей карьеры в области погоды я имел опыт работы в термодинамике, теплопередача — одна из моих любимых тем для разговоров. (Предупреждение ботаника)

Есть несколько типов теплопередачи.

  • Проводимость
  • Сияющий
  • Конвекция

Каждый по-разному передает тепло от одного объекта к другому.

  1. Проводимость — передача тепла от прямого контакта. Это все равно что поставить сковороду на плиту, чтобы она нагрелась. (Или, как выразился Маркус, воздух касается земли)
  2. Радиация — (Не похоже на ядерное оружие, которого мы все боимся) Но вместо этого солнце нагревает нас так далеко, потому что оно такое горячее! Или как радиатор в комнате, который нагревается и, следовательно, нагревает всю комнату.
  3. Конвекция — передача тепла за счет движения жидкости или газа. То есть жидкость или газ определенной температуры перемещается в новую область, тем самым изменяя температуру новой области.Это теплопередача, которая нас больше всего интересует.

Конвекция

Прежде чем мы перейдем к мясу и картофелю, позвольте мне повторить, что конвекция во многом зависит от двух других типов теплопередачи.

Различия в плотности.

  • Холодный воздух плотнее теплого
  • Сухой воздух плотнее влажного

Следовательно, чтобы достичь равновесия, теплый воздух должен быть поверх холодного, а воздух с большим содержанием воды должен быть поверх сухого.
И атмосфера не хочет ничего, кроме как находиться в равновесии.

Стремясь достичь равновесия, воздух постоянно перемещается по атмосфере. Это движение дает нам конвективную теплопередачу, и, как мы упоминали ранее, существует два типа.

  1. Конвекция. Когда теплый влажный воздух у поверхности поднимается выше более тяжелого холодного сухого воздуха, это форма теплопередачи или конвекции. Восходящее движение обычно охлаждает воздух. По мере охлаждения воздух достигает точки росы, и вся влага в воздухе конденсируется, образуя облака.В зависимости от многих факторов эти облака могут образовывать дождь и даже штормы.
  2. Сухая конвекция — Тип конвекции, не связанный со штормами, называется сухой конвекцией. Это происходит, когда теплый воздух у поверхности поднимается выше более холодного воздуха над головой. Поскольку нет влаги, обычно с ней не связано облачность.

Сейчас мы могли бы поговорить о многих законах, но для простоты мы просто скажем, что конвекция — это не просто движение теплого воздуха.Это также включает опускание холодного воздуха. Потому что, если теплый воздух поднимается вверх, что-то должно занять его место. Так холодный воздух опускается на поверхность.

Это происходит и по горизонтали из-за разницы нагрева на поверхности. Но давайте сосредоточимся на этих бурях.

Грозы

В словаре метеорологов конвекция и гроза практически взаимозаменяемы. Вертикальное движение теплого влажного воздуха вверх — это то, что вызывает грозы, а в гораздо большем масштабе — даже ураганы!

Конвекция часто ассоциируется с производством молнии! По мере того, как эти частицы воздуха поднимаются, они создают восходящие ветры.Эти ветры поднимают крошечные замороженные капельки воды, поскольку сила тяжести пытается сбить их с земной поверхности. Частицы, движущиеся мимо друг друга, вырабатывают электричество, а когда заряд становится достаточно сильным — молния!

Фото: NOAA

Для WeatherNation — метеоролог Джереми ЛаГу

Что такое конвекция (погода)?

Конвекция — это термин, который вы довольно часто будете слышать в метеорологии.В погоде он описывает вертикальный перенос тепла и влаги в атмосфере, обычно от более теплого участка (поверхность) к более прохладному (вверху).

Хотя слово «конвекция» иногда используется как синоним «грозы», помните, что грозы — это только один из видов конвекции!

Из вашей кухни в воздух

Прежде чем мы углубимся в атмосферную конвекцию, давайте рассмотрим пример, с которым вы, возможно, более знакомы — кипящий котел с водой.Когда вода закипает, горячая вода на дне кастрюли поднимается на поверхность, что приводит к появлению пузырьков нагретой воды, а иногда и пара на поверхности. То же самое и с конвекцией в воздухе, за исключением того, что воздух (жидкость) заменяет воду.

Шаги к процессу конвекции

Процесс конвекции начинается с восходом солнца и продолжается следующим образом:

  1. Солнечное излучение падает на землю, нагревая ее.
  2. По мере того, как температура земли нагревается, она нагревает слой воздуха непосредственно над ней за счет теплопроводности (передачи тепла от одного вещества к другому).
  3. Поскольку бесплодные поверхности, такие как песок, камни и тротуар, нагреваются быстрее, чем земля, покрытая водой или растительностью, воздух на поверхности и вблизи нее нагревается неравномерно. В результате одни карманы нагреваются быстрее, чем другие.
  4. Карманы, которые быстрее нагреваются, становятся менее плотными, чем окружающий их более прохладный воздух, и они начинают подниматься. Эти восходящие столбы или потоки воздуха называются «термиками». Когда воздух поднимается вверх, тепло и влага переносятся вверх (вертикально) в атмосферу.Чем сильнее нагрев поверхности, тем сильнее и выше в атмосферу распространяется конвекция. (Вот почему конвекция особенно активна в жаркие летние дни.)

После завершения этого основного процесса конвекции может произойти ряд сценариев, каждый из которых формирует свой тип погоды. К их названию часто добавляют термин «конвективный», поскольку конвекционные «скачки» запускают их развитие.

Конвективные облака

По мере продолжения конвекции воздух охлаждается по мере того, как он достигает более низкого давления, и может достичь точки, где водяной пар внутри него конденсируется и образует (как вы уже догадались) кучевое облако на его вершине! Если воздух содержит много влаги и достаточно горячий, он будет продолжать расти вертикально и превратиться в возвышающиеся кучевые облака или кучево-дождевые облака.

Кучевые, высокие кучевые, кучево-дождевые и высококучевые облака Castellanus — все это видимые формы конвекции. Все они также являются примерами «влажной» конвекции (конвекции, при которой избыточный водяной пар в поднимающемся воздухе конденсируется, образуя облако). Конвекция без образования облаков называется «сухой» конвекцией. (Примеры сухой конвекции включают конвекцию, которая возникает в солнечные дни, когда воздух сухой, или конвекцию, которая возникает в начале дня до того, как нагревание становится достаточно сильным для образования облаков.)

Конвективные осадки

Если в конвективных облаках будет достаточно облачных капель, они будут производить конвективные осадки. В отличие от неконвективных осадков (которые возникают, когда воздух поднимается силой), конвективные осадки требуют нестабильности или способности воздуха продолжать подниматься самостоятельно. Это связано с молнией, громом и сильными дождями. (Неконвективные осадки имеют меньшую интенсивность дождя, но длятся дольше и вызывают более устойчивые осадки.)

Конвективные ветры

Весь поднимающийся за счет конвекции воздух должен уравновешиваться равным количеством опускающегося воздуха в другом месте. По мере того, как нагретый воздух поднимается, воздух откуда-то поступает, чтобы заменить его. Мы ощущаем это уравновешивающее движение воздуха как ветер. Примеры конвективных ветров включают фенов и морских бризов .

Конвекция сохраняет прохладу, обитатели поверхности

Помимо создания вышеупомянутых погодных явлений, конвекция служит еще одной цели — отводит избыточное тепло с поверхности земли.Без этого было подсчитано, что средняя температура приземного воздуха на Земле была бы где-то около 125 ° F, а не нынешние 59 ° F.

Когда прекращается конвекция?

Только когда карман с теплым поднимающимся воздухом остынет до той же температуры, что и окружающий воздух, он перестанет подниматься.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *