Конвекция рисунок физика: Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

В природе существует три вида теплопередачи:
1) теплопроводность;
2) конвекция;
3) излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность — переход теплоты с одного тела на другое при их соприкосновении или с более тёплой части тела на холодную.

 

…………………………………………………………. Теплопроводность происходит потому, что частицы с большей энергией при взаимодействии отдают энергию частицам с меньшей энергией.

  

Различные вещества имеют разную теплопроводность. Большую теплопроводность имеют все металлы. Малую теплопроводность имеют газы, вакуум не имеет теплопроводности (в вакууме нет частиц, которые бы обеспечивали теплопроводность).

Вещества, которые плохо проводят теплоту, называют теплоизоляторами.

Искусственно созданными теплоизоляторами являются каменная вата, пенопласт, поролон, металлокерамика (используется в производстве космических кораблей).

Конвекция

Распространение тепла перемещающимися струями газа или жидкости называется конвекцией.

 

Конвекция около электрического масляного радиатора.

Конвекция в помещении. Тёплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз.

 

При конвекции тепло переносит само вещество. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах.

Тепловое излучение

Распространение тепла от тёплого тела при помощи инфракрасных лучей называют тепловым излучением.

Тепловое излучение — единственный вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме. Чем выше температура, тем сильнее тепловое излучение. Тепловое излучение производят, например, люди, животные, Земля, Солнце, печь, костёр. Инфракрасное излучение можно изображать или измерять термографом (термокамерой).
  

Инфракрасные термокамеры воспринимают невидимое инфракрасное или тепловое излучение и осуществляют точные бесконтактные измерения температуры.
Инфракрасная термография позволяет полностью визуализировать тепловое излучение. На рисунке видно инфракрасное излучение ладони человека.

…………………………………………………………………..

Во время термографического обследования зданий и сооружений имеется возможность обнаружить конструкционные места с повышенной тепловой проницаемостью, проверить качество соединений различных конструкций, найти места с повышенным воздухообменом.

 

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

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

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

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

Полезные ссылки:

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

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача 

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

Слайд 2

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

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

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

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

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

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

  • Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

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

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

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

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

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

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

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

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

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

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

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

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

  • Чайник на плите (слайд 10),

  • Мороженое в руке (слайд 11),

  • Котелок на костре (слайд 12),

  • Теплица (слайд 13),

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

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

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

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

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

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

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

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

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

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

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

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

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

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

Справка: Бора

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

Слайд 20

Слайд 21

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

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Конвекция. Примеры конвекции в природе и технике




Цели урока:

  1. Проверить усвоение учащимися материала по первому виду переноса энергии- теплопроводности.
  2. Повторить понятия плотности, силы тяжести, архимедовой силы и вопросы различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов.
  3. Познакомить учащихся с явлением конвекции и его объяснением.
  4. Дать понятия свободной и вынужденной конвекции.
  5. Рассмотреть примеры конвекции в природе и технике.

Форма урока:

Поисковая беседа.

Оборудование:

Вертушка, электроплитка, экран, проектор, горелка, сухое горючее, колба с водой, кристаллики краски, две пробирки, заполненные водой и воздухом, изображение схемы водяного отопления здания.

Ход урока

I. Организация класса.

II. Фронтальное повторение с целью подготовки учащихся к восприятию нового материала и выявления качества усвоения ими материала по теплопроводности.

Опрос

  1. Что такое плотность вещества? В каких единицах она измеряется?
  2. Как расположатся в закрытом сосуде следующие вещества: вода, воздух, спирт, ртуть? Почему?
  3. Что называют силой тяжести? В каких единицах ее измеряют?
  4. Что такое архимедова сила? Где она возникает? От чего зависит ее величина?
  5. Чем отличаются движения молекул в твердом теле, жидкости и газе?
  6. Какую энергию называют внутренней?
  7. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
  8. Что понимают под теплопередачей?
  9. С каким видом теплопередачи мы познакомились на прошлом уроке?

Один из учеников с места рассказывает о теплопроводности.

Дополнительные вопросы.

  1. Почему в строительной технике широко используют пористый материал?
  2. Что называют тепловым движением?

Второй ученик с места рассказывает о теплопроводности различных веществ.

Дополнительные вопросы.

  1. Для чего зимой на радиаторы автомобилей надевают утеплительные чехлы?
  2. Что называют внутренней энергией тела?

Третий ученик отвечает по карточке.

  1. Почему старое зимнее пальто со сбившейся в комки ватой плохо греет?
  2. Быстродвижущийся автомобиль остановлен тормозами. Куда девалась при этом его кинетическая энергия?
  3. Зависит внутренняя энергия тела от движения тела или от положения этого тела?

Четвертый ученик (по карточке)

  1. Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка с чаем нет?
  2. Почему наружные части сверхзвуковых самолетов приходится охлаждать при помощи специальных аппаратов?
  3. Что называют теплопередачей?

Пятый ученик (по карточке)

  1. Почему можно небольшую стеклянную палочку, накаленную с одного конца, держать за другой конец, не обжигая пальцев, а железный прут нельзя?
  2. Как надо поступить (отпустить нить или растянуть сильнее) с слегка растянутой резиновой нитью, чтобы ее внутренняя энергия увеличилась? Что называется теплопроводностью?

Шестой ученик (по карточке)

  1. Расскажите, основываясь на своих жизненных наблюдениях, чтоб служить защитой от зимних морозов различным животным и птицам. Какую роль при этом играет теплопроводность меха, перьевого покрова, подкожного жира и т.п.?
  2. Если к точильному камню прижать кусок стали, то сыплются искры. Каково их происхождение?
  3. Какую энергию называют внутренней энергией тела?

Седьмой ученик (по карточке)

  1. Какие их перечисленных веществ: бумага, солома, серебро, воздух, опилки- хорошие проводники тепла и плохие проводники тепла?
  2. Молоток будет нагреваться, когда им отбивают косу и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.
  3. Что называется тепловым движением?

Ответы учащихся должны быть полными, с объяснением.

Ответы комментируются и оцениваются. Оценки выставляются в дневники.

III. Изучение нового материала.

Пронаблюдаем интересное явление. Вертушка, помещенная над пламенем горелки, вращается.

Почему?

Учащиеся пытаются отвечать. Воздух нагрелся и расширился.

Может ли здесь тепло передаваться теплопроводностью?

Нет, так как воздух плохой проводник тепла.

Здесь мы наблюдаем иной вид теплопередачи, который называется конвекцией.

Конвекцией называется перенос энергии самими струями жидкости или газа.

Наблюдаем струи воздуха от той же горелки в проекции на экран.

Объяснение учителя (дважды).

Воздух, соприкасающийся с горелкой, нагревается и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного. 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. Перемещается само вещество.

А в каких веществах, кроме газа, может наблюдаться конвекция? Может ли она наблюдаться в твердых телах и жидкостях?

Почему?

Наблюдаем конвекцию в жидкостях на примере воды в колбе с опущенными в нее кристалликами краски и нагреваемой на электрической плитке.

Учащиеся повторяют объяснения учителя.

Итак, конвекцией называется перенос энергии самими струями жидкости или газа (записываем определение в тетрадях).

Затем уточняем понятия естественной или свободной и вынужденной конвекции.

А теперь думаем над вопросом:

Где надо расположить горелку, чтобы нагреть жидкость или газ?

Почему?

Посмотрим, что будет, если горелка располагается сверху. Наблюдаем опыт с пробирками, заполненными водой и воздухом нагреваемым сверху.

Нижние слои воздуха и воды холодные. Нет циркуляции. Нет конвекции.

Теплопроводность воздуха и воды мала. Поэтому придется долго ждать, пока воздух и вода прогреются.

Рассмотрим примеры конвекции в природе и технике.

  1. Ветры бризы, возникающие на берегах морей. В каком направлении дуют они в летние дни днем и ночью и почему?

    Отвечают учащиеся, так как они это изучали на уроках географии в 5 классе. Бриз — это движение холодного воздуха.
  2. Тяга. Что такое горение? Без чего не может быть горение?

    Отвечают учащиеся.

    Учитель рассказывает о предположении в 15 столетии Леонардо да Винчи использовать трубу (металлическую) для создания тяги. «Где появляется огонь, — говорил Леонардо да Винчи — там вокруг него образуется воздушное течение, оно его поддерживает и усиливает».

    Через 300 лет металлические трубы заменили в керосиновой лампе стеклянной, а на заводах — кирпичной.

    Как же создается тяга?

    Объясняет учитель. Чему выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.
  3. Центральное водяное отопление — примеры использования свободной или вынужденной конвекции. Рассматривается его устройство, рассказывается о ТЭЦ.

IV. Презентация «Конвекция»

Приложение 1

V. Закрепление.

  1. Что такое конвекция?
  2. В каких веществах ее можно наблюдать? В каких веществах она возможна?
  3. Как осуществляется конвекция в наших жилых комнатах?
  4. Где надо расположить лед: снизу или сверху, чтобы охладить продукты?

VI. Проверочный тест.

Ребята, вам предлагается ряд утверждений, среди которых как правильные, так и неверные. Прослушав высказывание, вы должны или согласиться с ним, или не согласиться. Если утверждение верное, то ставите знак «+» ,если утверждение неверное-ставите знак «-».

  1. При нагревании объем тела уменьшается, а при охлаждении увеличивается(-).
  2. Газ не имеет собственной формы и постоянного объема. Он полностью занимает весь предоставленный ему объем(+).
  3. Диффузия может происходить только в жидкостях или газах(-).
  4. Молекулы движутся только в жидкостях или газах, а в твердых телах покоятся(-).
  5. Теплопередача-это один из способов изменения внутренней энергии тела(+).
  6. Жидкость легко меняет свою форму(+).
  7. Конвекция возможна только в твердых телах и в газах(-).
  8. Конвекция играет основную роль в передаче тепла при нагревании воды в кастрюле, стоящей на плите(+).
  9. Нагревание и охлаждение воздуха в помещениях основано на конвекции(+).
  10. При увеличении температуры молекулы вещества увеличиваются в размере(-).

На дом: § 5, упр.2, В.И.Лукашик №971-974,979.

Домашнее задание комментируется. Обращается внимание на рисунок 12 и особенный интересный вопрос, стоящий в №979.

Межпредметные связи – с зоологией (см. вопрос шестому ученику), географией (6 класс, ветры бризы) и химией (8класс, горение).

Список использованной литературы

  1. А.В. Перышкин, Физика 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений – 3-е издание
  2. В.И. Лукашик, Е.В. Иванова, Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений — 20-е издание
  3. Ю.В. Щербакова, Занимательная физика на уроках и внеклассных мероприятиях. 7-9 классы – 2-е издание
  4. Н.А. Якушевская, Повторение и контроль знаний по физике на уроках и внеклассных мероприятиях, 7-9 классы: диктанты, тесты, кроссворды, внеклассные мероприятия – 2-е издание
  5. Л.А. Кирик, Физика-8, Методические материалы

Виды теплообмена | Физика

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теплопередача: физика процесса и решение задачи методом конечных элементов

Я недавно осознал, что не написал ещё ни одной статьи о теплообмене и тепловых расчётах для своего блога. А ведь это такая увлекательная тема! Если вы ещё не занимались расчётами теплопередачи и даже не думали об этом, вы очень много потеряли!

 

Вот путь, по которому я предлагаю вам пройти в этой статье:

Сначала я расскажу, что такое температура, и откуда она берётся, затем я опишу три различных типа теплопередачи, которые существуют в природе, и, наконец, я расскажу, как выполняются тепловые расчёты с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Как вам такой план? 😉

Если он вас заинтересовал, то давайте приступим!

Что представляет собой температура?

Понятие температуры кажется настолько очевидным, что мы обычно даже не задумываемся об её происхождении. Ну что, заинтригованы? 😉

Так какова же природа этого явления?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся погрузиться в «Ангстремоскопический» мир (Что? Такого слова не существует? Да – я только что его выдумал).

Давайте внимательно рассмотрим структуру и агрегатные состояния воды.

Как (почти) всем известно, вода состоит из молекул h3O.

Если молекулы упорядочены в кристаллической решётке, они образуют твёрдое тело. В случае воды они образуют лёд.
В зависимости от агрегатного состояния эти молекулы могут приближаться или удаляться друг от друга… А ещё они могут колебаться. Температура как раз и описывает такие колебания. При очень слабых колебаниях молекулы становятся неподвижными, сохраняя малое расстояние между собой. Температура тогда очень низкая.

Вместе с увеличением колебаний появляется и возможность для перемещения молекул, и вода переходит в жидкое состояние.

Когда колебания увеличиваются ещё больше, молекулы начинают удаляться друг от друга, и вода переходит в газообразное состояние.

Температура – это просто название для интенсивности колебаний молекул.

На этом этапе мы уже достаточно близки к тому, чтобы покинуть мир классической ньютоновской механики, описывающей интуитивно понятные и осязаемые законы движения тел в пространстве, и перейти в «ангстремоскопический» мир, где заправляют совсем другие законы, которые с первого взгляда могут быть совершенно не очевидны. Да-да, речь идёт о квантовой механике 😉 , но давайте всё же попробуем обойтись простыми понятиями, не залезая в дебри.

Что же приводит к повышению температуры?

Конечно же, энергия! Когда молекулы получают энергию, они начинают колебаться сильнее, и температура повышается.

Тут можно провести такую аналогию: во время еды клетки вашего тела получают энергию, поэтому оно начинает вырабатывать тепло и нагревается. А когда вы голодны, температура вашего тела снижается.

Теперь вы понимаете, что такое температура!

Как распространяется тепло?

На концептуальном уровне теплопередача – это просто название для процесса передачи колебаний между молекулами.

Когда неподвижные «холодные» молекулы входят в контакт с колеблющимися «горячими» молекулами, между ними происходит передача энергии.

Проще говоря, неподвижная молекула начнёт испытывать небольшие колебания, а колеблющиеся молекулы начнут замедляться.

Но если любую теплопередачу можно описать таким образом, откуда берутся все эти разные способы передачи тепла? Хороший вопрос ;-).

Всё дело в том, что способ теплопередачи зависит от агрегатного состояния среды, которой принадлежат эти молекулы. Некоторые молекулы образуют жидкость, в то время как другие являются частью твёрдого тела или газа.

Учёные вывели определённые законы на основании наблюдений за процессом теплообмена между твёрдыми телами, жидкостями и газом.

Как выполнить количественную оценку теплопередачи?

Теперь, когда у нас есть определение температуры, мы знаем, как количественно определить колебания молекул в определённой точке.

Кстати, температура, при которой колебания молекул полностью отсутствуют, называется абсолютным нулём температуры по шкале Кельвина.

T = 0 K

Для преобразования температуры в Кельвинах в градусы Цельсия используется следующая формула: T(K) = T (°C) + 273,15K

Но для оценки теплопередачи важна не абсолютная величина температуры, а различие в температурах между телами или точками одного тела. Какая же величина позволяет нам количественно характеризовать это различие?

Что ж, для этого нам просто нужно рассмотреть две точки в пространстве (1 и 2) и найти в них температуру. Температурный градиент, как видно из названия, представляет собой разницу между значениями температуры в этих двух точках, делённую на расстояние между ними. Если это расстояние бесконечно мало, то мы имеем дело с производной.

Как же применить все эти знания в инженерных расчётах, чтобы предсказать скорость теплопередачи в различных материалах и средах?

Давайте теперь рассмотрим 3 основных способа теплопередачи.

Передача тепла в твёрдых телах – теплопроводность

Изучая тепловые потоки в различных материалах, французский учёный Ж.Б. Фурье заметил нечто странное… У разных типов металлов наблюдается похожий механизм передачи тепла. Разница заключается лишь в скорости теплопередачи, которая у одних металлов выше, чем у других.

Затем он открыл очень важный и фундаментальный закон теплопередачи, который получил название «закон Фурье» – как неожиданно! 😉

Этот закон гласит, что плотность теплового потока в твёрдых телах пропорциональна температурному градиенту. Коэффициент пропорциональности K называется коэффициентом теплопроводности, и чем он выше, тем быстрее распространяется тепло. Именно поэтому металлы с высоким коэффициентом теплопроводности очень быстро теряют тепло, в то время как изолирующие материалы с очень низким значением K не очень охотно пропускают его через себя.

Этот закон является фундаментальной основой первого способа теплопередачи, который называется «теплопроводность».

Таким образом, чтобы описать процесс теплопередачи внутри твёрдого тела, достаточно взять значение коэффициента K для рассматриваемого материала из справочных таблиц.

Теплообмен между твёрдым телом и жидкой или газообразной средой – конвекция

Чтобы понять, как выполнить расчёт такого процесса, рассмотрим следующую задачу.

Во-первых, предположим, что у нас есть стена с температурой Tw, которая контактирует с воздухом при температуре Ta. Очевидно, что если температура воздуха неравномерна, задача существенно усложняется. Поэтому для упрощения расчёта мы предполагаем, что температура воздуха равномерна и равна Ta. Эту температуру принято называть «температурой окружающей среды».

На этот раз выдающийся британский физик Ньютон – да-да, тот самый всем известный Исаак Ньютон 😉 – открыл закон, который получил название «закон охлаждения Ньютона» (он же – «закон Ньютона-Рихмана»):

Ньютон установил, что скорость охлаждения тела пропорциональна разнице температур между этим телом и окружающей средой.

Это, по сути, означает, что если стена более горячая, чем воздух, она будет охлаждаться до тех пор, пока не достигнет температуры окружающей среды. Тогда разница в температуре станет нулевой, и потери тепла больше не будет.

Ньютон установил также и коэффициент пропорциональности h, который зависит от характеристик окружающей среды.

Этот вид теплообмена называется «естественной конвекцией», а коэффициент h – коэффициентом теплоотдачи.

Как видите, скорость охлаждения тела зависит также от площади поверхности A стены. Поэтому при выполнении расчёта теплопередачи в МКЭ-программе необходимо задать площадь поверхности тела, через которую передаётся тепло.

В чём разница между естественной и вынужденной конвекцией?

В зависимости от порождающих причин, конвекция бывает естественной и вынужденной. Конвекция называется естественной, когда она возникает самопроизвольно без ускорения охлаждения при помощи специального устройства, такого как вентилятор. В противном случае конвекция является вынужденной.

Основное различие заключается в том, что коэффициент теплоотдачи h принимает значительно более высокие значения при вынужденной конвекции.

Теплопередача посредством электромагнитных волн – тепловое излучение

Ну что ж, давайте теперь рассмотрим третий вид теплопередачи – тепловое излучение.

Как вы знаете, для описания физических процессов и явлений в природе используется два понятия – «частицы» и «волны». Кстати, убеждение о принципиальном различии и полном разделении этих двух понятий вызвало немало дискуссий и споров в своё время. Ведь фотоны, например, могут проявлять как свойства волн, так и свойства частиц… Но это я что-то сильно отклоняюсь от основной темы 🙂 (однако и эта тема столь увлекательна, что надо бы как-то, пожалуй, взяться за отдельную книгу).

Итак, энергия, которая исходит от далёкого источника, такого как Солнце, и распространяется фотонами света, передаётся посредством электромагнитных волн.

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Связь между ними описывается элегантными уравнениями Максвелла (я большой поклонник этих уравнений, поэтому, думаю, я напишу как-нибудь статью и о них).

Для нас пока важен только тот факт, что электрическое и магнитное поля способны накапливать и передавать энергию.

Когда электромагнитная волна находится в вакууме, потери энергии не происходит. Когда же она попадает в такую среду, как воздух или вода, происходит потеря энергии и передача этой энергии в форме тепла.

Именно поэтому электромагнитные волны, которые преодолевают расстояние в 149 миллиардов 597 миллионов 870 тысяч 700 метров, всё ещё могут согревать нас на протяжении всего дня.

Такой способ теплопередачи называется «тепловым излучением».

Тут я не буду сильно углубляться в детали, поскольку этот процесс значительно более сложный, чем теплопроводность и конвекция.

Закон Стефана-Больцмана для теплового излучения

Следует отметить ещё один важный закон – закон Стефана-Больцмана, который определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

Математически этот закон выражается в следующей форме:

где j* – общая энергия теплового излучения на единицу площади излучающей поверхности абсолютно чёрного тела за единицу времени. Больше информации на эту тему вы можете найти в статье Википедии.

Обратите внимание, что температура в этом уравнении возведена в четвёртую степень. Таким образом, МКЭ-задача теплопередачи, которая рассматривает тепловое излучение, является нелинейной.

Пример выполнения расчёта теплопередачи методом конечных элементов

Ну наконец-то мы перешли к практике. Я же обещал в начале статьи, что в этот раз приведу пример решения задачи. Пример этот будет очень простым. Я вычислю распространение температуры (теплопроводность) в простой пластине, представленной на рисунке ниже:

В данном случае мы рассмотрим стационарную теплопередачу, нестационарную мы пока изучать не будем. Если вы не знаете, в чём заключается разница между ними, прочтите мою старую статью (на английском языке).

Для выполнения этого простого расчёта я буду впервые в этом блоге использовать программное обспечение Ansys, поскольку только что обнаружил, что студенты могут бесплатно скачать его на соответствующей странице сайта Ansys: Ansys Free Student Software Downloads.

Процесс выполнения расчёта представлен на этом видео:

Ну что ж, на сегодня это всё.

//////////////////////////////////////////////////////////////////

Я очень хочу помочь инженерам (и студентам), которые только начинают решать задачи методом конечных элементов, лучше и быстрее разобраться в его основах.

Я не скрываю, что написание этих статей занимает немало времени и усилий, так что…

Если вам понравилась эта статья, вот как вы мне можете помочь:

  1. Поделитесь этой статьёй на Linkedin, facebook, twitter или на своём форуме, чтобы ещё больше людей разобрались в основах процесса теплопередачи.
  2. Напишите в комментариях к исходной статье, что вы узнали из неё, что ещё хотели бы узнать, и какие вопросы у вас остались. Это даст мне идеи для написания новых статей.
  3. Подпишитесь на email рассылку, чтобы первыми получать мои новые статьи (и не только)!
    Благодарю за внимание!

Источник: feaforall.com
Автор: Cyprien Rusu

Компания Софт Инжиниринг Групп, официальный дистрибьютор Ansys Inc. в Украине, рекомендует активно поддерживать обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы в будущем. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей посредством E-mail: [email protected], социальной сети Facebook https://www.facebook.com/softenukraine Регистрируйтесь на вебинары https://www.webinar.soften.com.ua, которые наша команда инженеров проводит на постоянной и бесплатной основе. Также информируем, что у вас есть возможность посмотреть ранее проводимые вебинары. Для этого необходимо зайти по ссылке на наш YouTube канал и выбрать плейлист (Ansys Вебинары/Обзоры).

ВОЗМОЖНО ЭТО ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ:

Технология AirLoom, разработанная при помощи компьютерного моделирования, претендует на замещение традиционных ветряков


Проект AirLoom Energy, который призван стать альтернативой традиционным ветрякам, наглядно показывает, что революционные

Проект » Виды теплопередачи в быту и технике» физика 8 класс | Проект по физике (8 класс):

КРАЕВОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ВЕЧЕРНЯЯ (СМЕННАЯ) ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №1»

ПРОЕКТ

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В БЫТУ И ТЕХНИКЕ

                                                                     

                                                                      Авторы проекта:

                                                                       учащиеся 8 класса               

                                                        Голейников Иван

                                           Егоров Ян

                                                           Кондратьев Степан

                                                          Марчченко Сергей

                                                                    Колединцев Константин

                                                          Мельников Роман

                                                              Решетников Рустам                

                                                          Суховской Рустам

                                                           Теленчинов Юрий

 

                                                                            Руководитель проекта:      

                                                          учитель физики

                                                                                            Добровольский Анатолий Андреевич

Рубцовск

2019

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………………………………………….. . 3

1. Теплопередача и ее виды

     1.1 Что такое теплопередача ……………………………………………………………………….. … 4

     1.2  Виды теплопередачи ………………………………………………………………………………..  4

     1.3  Теплопроводность ………………………………………………………………………………….. . 4

     1.4  Излучение ………………………………………………………………………………………………..  5

     1.5  Конвекция ………… …………………………………………………………………………………….  8

     1.6  Все виды теплопередачи одновременно …………………………………………………….  9

 2. Заключение …………………………………………………………………………………………………….. 11

 3. Информационные ресурсы ………………………………………………………………………………. 13

2

ВВЕДЕНИЕ.

   

   В нашей повседневной жизни мы привыкли пользоваться бытовой техникой, различной аппаратурой и гаджетами, жить в комфортных условиях. Однако, мы практически не задумываемся над тем благодаря каким закона физики работают наши  «помощники» и самое главное не представляют ли они опасность для человека и окружающей среды. Поэтому изучение данной темы актуально.

  Проблема — изучить насколько воздействие бытовых приборов, аппаратуры и гаджетов опасно для человека и способах снижения вреда от этого воздействия. 

   Объект исследования — теплопередача.

   Предмет исследования — причины возникновения  и последствия воздействия теплопередачи на организм человека.  

 Цель — всесторонне изучить информацию по видам теплопередачи, использованию излучения, теплопроводности и конвекции в быту и технике, выявить влияние теплопередачи на организм человека.  

   Задачи:

      1.   Изучить явление теплопередачи.

  1. Рассмотреть виды теплопередачи и их применение в быту и технике.
  2. Проанализировать насколько воздействие теплопередачи опасно для человека.
  3. Определить способы снижения вреда от этого воздействия.

   Гипотезы:

  1. явление теплопередачи не имеет применения в быту и технике;
  1. возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.
  2. оно влияет на организм человека и может быть смертельно опасно.

   Методы исследования – поиск, изучение источников информации (книги, статьи, сайты), наблюдение, анализ.

 Теоретическая значимость нашей исследовательской работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы  для снижения влияния явления теплопередачи на организм человека.

  Практическая значимость исследования состоит в том, что оно может быть использовано школьниками для повышения образовательного уровня, учителем биологии и физики для объяснения тем и проведения занимательного урока охраны здоровья.

   Этапы работы:

подготовительный (сентябрь 2019 г.) – сбор информации по теме исследования из различных источников, планирование работы;

проведение наблюдений (сентябрь-октябрь 2019 г.) – проведение наблюдений за применением данного явления в быту и технике;

подведение итогов эксперимента (октябрь 2019 г.) – анализ собранных данных, выводы.

   Тип проекта — информационный.

3

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ЕЕ ВИДЫ

1.1 Что такое теплопередача

   Процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому  называется теплопередачей.

       Каждый предмет может служить «мостиком», по которому перейдет тепло от тела более нагретого к телу менее нагретому. Таким «мостиком» может быть ложка, опущенная в стакан с горячим чаем. Металлические предметы очень хорошо проводят тепло. Конец ложки в стакане становится теплым уже через секунду. Если нужно перемешать какую-либо горячую смесь, то ручку у мешалки делают из дерева или пластмассы. Эти тела проводят тепло во много раз хуже, чем металлы. «Мостиком» для перехода тепла могут быть и жидкости. Но они проводят тепло хуже твердых тел.

1.2 Виды теплопередачи

    Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. (Слайд 2). Эти виды теплопередачи имеют свои особенности, однако передача теплоты при каждом из них всегда идет в одном направлении: от более нагретого тела к менее нагретому. При этом внутренняя энергия более нагретого тела уменьшается, а более холодного — увеличивается.. Внутренняя энергия может передаваться не только непосредственно от одного тела к другому, как, например, от горячей воды к опущенной в нее холодной ложке, но и через промежуточные тела. Так, через стенку чайника часть внутренней энергии от горячей электроплиты передается воде; через металлические трубы отопительной системы тепло передается воздуху, находящемуся в помещении и т.д. Внутренняя энергия может передаваться и от более нагретой части одного и того же тела к другой его части, менее нагретой.

1.3 Теплопроводность

   Явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой или от более нагретого тела к менее нагретому через непосредственный контакт или промежуточные тела называется теплопроводностью. (Слайд 3).  

  Металлы имеют большую теплопроводность, особенно медь, серебро. Они являются хорошими проводниками тепла. Это происходит из-за того, что молекулы, обладающие большей энергией, передают часть своей энергии соседним молекулам. В результате все тело постепенно нагревается. Само вещество при этом не перемещается [1].

  Нагревание металлического стержня, к которому с помощью пластилина прикреплены гвоздики. (Слайд 4). При нагревании конца стержня пламенем свечи гвоздики начинают последовательно отпадать. Это происходит потому, что молекулы, находящиеся у конца стержня приобретают при нагревании большую энергию и передают ее соседним молекулам. Постепенно эта энергия передается следующим молекулам и стержень нагревается.

  В жидкостях внутренняя энергия переносится из более нагретой области в менее нагретую при соударениях молекул и частично за счет диффузии: более быстрые молекулы проникают в менее нагретую область. У жидкостей, за исключением расплавленных металлов, например ртути, теплопроводность невелика. (Слайд 5). 

     В газах, особенно разреженных, молекулы находятся на достаточно больших

расстояниях друг от друга, поэтому их теплопроводность еще меньше, чем у жидкостей.

4

Явление диффузии при теплопередаче в газах проявляется больше, чем в жидкостях. Совершенным изолятором является вакуум, потому что в нем отсутствуют частицы для передачи внутренней энергии.  (Слайд 6).

    В зависимости от внутреннего строения теплопроводность разных веществ (твердых, жидких, газообразных) различна.  (Слайд 7).

Примеры:

1. Птицы зимой сидят нахохлившись. Перья задерживают воздух, а он обладает плохой теплопроводностью. Снег, особенно рыхлый, обладает очень плохой теплопроводностью. Этим объясняется то, что сравнительно тонкий слой снега предохраняет озимые посевы от вымерзания.  Погреба утепляют соломой. Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом. Люди зимой носят шубы. 

2. Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуда из металла – он лучше проводит тепло и еда быстрее нагревается. в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

3. Пористые вещества (пенопласт, минеральная вата, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью. Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так хорошо, как и кирпичная стена. У термоса внутренняя поверхность зеркальная, а между внутренним и внешним сосудами пустота. (слайд 8)

1.4  Излучение

 

   Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем. Излучение — это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. (Слайд 9).

   Излучение — это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.

   

     Виды излучения. (Слайд 10).

1.Тепловое. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет (Солнце, лампа накаливания, пламя и др.) (Слайд 11).

2.Электролюминесценция. При разряде в газе электрическое поле увеличивает кинетическую энергию электронов. Быстрые электроны возбуждают атомы в результате неупругого ударения с ними. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. (трубки для рекламных надписей, северное сияние и др.) (Слайд 12).

 Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком.

5

Например: — воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. — если же нужно использовать солнечную энергию для нагревания некоторых приборов на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный

цвет. Люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета) в них теплее, а летом светлые (бежевые, белые цвета). Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с темной поверхностью лучше поглощают солнечное излучение и быстрее нагреваются. Созданы материалы, с помощью которых можно превращать тепловое излучение в видимое. Их используют при изготовлении специальной фотопленки для съемки в абсолютной темноте и в приборах ночного видения — тепловизорах. (Слайд 13) 

    Электромагнитное поле всегда возникает при движении свободных электронов в проводнике, поэтому передача электрической энергии сопровождается интенсивным электромагнитным излучением (ЭМИ).

    К настоящему времени, по данным экологов и врачей-гигиенистов известно, что все диапазоны электромагнитного излучения оказывают влияние на здоровье и работоспособность людей и имеют определенные последствия [8]. Воздействие электромагнитных полей на человека в силу их большой распространенности более опасна, чем радиация. Особенно опасно действие электромагнитных излучений на детей, подростков, беременных женщин и лиц с ослабленным здоровьем [9].

  Наиболее быстро реагирующими на излучение являются ткани организма, которые подвержены интенсивному клеточному делению. Вследствие облучения такие ткани, как правило, либо мутируют, либо подвергаются интенсивному разрушению. В организме человека такие ткани — это, прежде всего гонады (половые железы), красный костный мозг, щитовидная железа, слизистые оболочки. А также такие клетки (ткани) имеются в мышцах, хрусталиках глаз и так далее [8,10].

  1.  Результаты измерений ЭМИ от бытовых приборов

            Название электроприбора                                    Уровень излучения

Расстояние от электроприбора, при котором ЭМИ в норме (м)

Электрическое          (норма 25В/м)

      Магнитное                 (норма 250 нТл)

Микроволновая печь               2992

                                                   13240                         2,5 м

Кухонная плита                        1540

(индукционная)                         10955                         1 м

Компьютер                                196

                                                    790                            0,7 м

Чайник                                       218

                                                    3643                          0,5м

6

Стиральная машина                 210

                                                    420                            1 м

Телевизор                                  37

                                                    967                            1,5 м

  1. Утюг                                           656
  2.                                                     2359                          0,5 м
  3. Вывод: на основании проделанных измерений видно, что у всех бытовых электроприборов при работе превышается норма ЭМИ, причем в рейтинге самых опасных является микроволновая печь, при этом безопасное расстояние от нее является целых 2,5 метра.

Меры предосторожности

  • включать электроприборы по очереди, а не все разом: мобильный телефон, компьютер, СВЧ-печь, телевизор должны работать в разное время,
  • не группировать электроприборы в одном месте, распределить их так, чтобы они не усиливали ЭМП друг друга,
  • не располагать эти приборы рядом с обеденным, рабочим столом, местами отдыха, сна

      Пожалуй, одним из самых распространенных электроприборов в повседневности является сотовый телефон. При работе сотовой связи ее основные компоненты – сотовый телефон и базовая станция – создают электромагнитное поле. И владелец сотового телефона, и человек, не имеющий его, но живущий вблизи объектов сотовой связи, находятся в этом электромагнитном поле. Во время работы, когда связь с абонентом установлена, мобильный телефон окружен довольно мощным электромагнитным полем. Оно проникает в тело человека и поглощается, прежде всего, тканями головы – кожным покровом, ухом, частью головного мозга, включая зрительный анализатор.

Сотовый телефон марки Soni

  1. Уровень излучения
  2. Расстояние от электроприбора, при котором ЭМИ в норме (м)
  3. Электрическое      (норма 25В/м)
  4.   Магнитное           (норма 250 нТл)
  5. Входящий вызов                                          1857
  6.                       7600                    0,7 м
  7. Исходящий вызов                                        2756
  8.                       9360                    0,8 м
  9. Телефонный разговор                                 1750
  10.                        6430                    0,7 м
  11. СМС сообщение                                           326
  12.                        877                      0,5 м

7

Вывод: Проанализировав результаты таблицы видно, что ЭМИ от сотового телефона превышает норму, причем значение исходящего вызова больше, чем входящего.  это связанно с поиском базовой станции во время исходящего вызова. Наименее опасным является СМС связь. ( Слайд 14,15).

  1. Применение рентгеновских лучей  (слайд 16)

Медицинская диагностика.
Досмотр багажа и грузов.
Дефектоскопия изделий и материалов.
Рентгеноспектральный анализ.
Рентгеноструктурный анализ.

Рентгеновская микроскопия.
Рентгеновская астрономия.
Рентгеновские лазеры.

  1.  Конвекция

   Конвекция (от лат. Convectiō — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз,(более плотная жидкость) начинает тонуть, после чего процесс повторяется снова и снова.  Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

    Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на  Солнце. 

  При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

    Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.     (Слайд 17).

    Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии. Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения. (слайд 18).

   Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха.

8

Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты. Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа.

  Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений. (Слайд 19).

   Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии. На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих

 потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки. Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

   Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

  1. движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
  2.  образование и движение облаков;
  3. процесс движения ветра, муссонов и бризов;
  4. смещение тектонических земных плит;
  5. процессы, которые приводят к свободному газообразованию. (Сдайд 20)

  Приготовление пищи. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов. Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи. Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне. (Слайд 21).

  1.6  Все виды теплопередачи одновременно

  

   В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Типичный пример — термос. Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чайник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим

9

воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный теплообмен, 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. Термоса, предназначенный для хранения жидкостей, состоит из стеклянного сосуда 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. Сосуд закупоривают пробкой, а сверху футляра навинчивают колпачок. 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. 

(Слайд 22)

   Это можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение). (Слайд 23).

10

2.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  2.1 В самом начале нашего проекта мы поставили перед собой цель — всесторонне изучить информацию по видам теплопередачи, использованию излучения, теплопроводности и конвекции в быту и технике, выявить влияние теплопередачи на организм человека. В связи с этим было выдвинуто три гипотезы:

  1.  явление теплопередачи не имеет применения в быту и технике;
  1. возможно, что виды теплопередачи имеют широкое применение в нашей жизни.
  2. теплопередача влияет на организм человека и может быть смертельно опасна.

  2.2 Наша работа в рамках проекта позволяет сделать вывод о том что  явление теплопередачи имеет широкое применения в быту и технике.

    Так явления теплопроводности широко используется в строительстве. Пористые вещества (пенопласт, минеральная вата, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью. Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так хорошо, как и кирпичная стена.  Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуды из металла – он лучше проводит тепло и еда наоборот быстрее нагревается. Люди зимой носят шубы.

   Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком. Например: — воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. — если же нужно использовать солнечную энергию для нагревания некоторых приборов на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный цвет. Люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета) в них теплее, а летом светлые (бежевые, белые цвета).  Созданы материалы, с помощью которых можно превращать тепловое излучение в видимое. Их используют при изготовлении специальной фотопленки для съемки в абсолютной темноте и в приборах ночного видения — тепловизорах.  

    Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах.

       В нашей жизни все способы теплопередачи работают одновременно. Редко бывает, когда эти способы действуют отдельно. Типичный пример — термос. Это, так-же, можно доказать, нагревая воду в кастрюле. Сначала от горелки нагревается кастрюля (теплопроводность), затем начинает нагреваться вода (теплопроводность и конвекция). Тепло от кастрюли и воды передается по всем направлениям (излучение).

     2.3 В процессе нашего исследования мы выяснили что излучение является самым опасным видом теплопередачи для организма человека. Все диапазоны электромагнитного излучения оказывают влияние на здоровье и работоспособность людей и имеют определенные последствия. Воздействие электромагнитных полей на человека в силу их большой распространенности более опасна, чем радиация. Особенно опасно действие электромагнитных излучений на детей, подростков, беременных женщин и лиц с ослабленным здоровьем. У всех бытовых электроприборов при работе превышается норма ЭМИ, причем в рейтинге самых опасных является микроволновая печь, при этом безопасное расстояние от нее является целых 2,5 метра. ЭМИ от сотового телефона превышает норму, причем значение исходящего вызова больше, чем входящего.  это связанно с поиском базовой станции во время исходящего вызова. Наименее опасным является СМС связь.

11

Меры предосторожности

 1) включать электроприборы по очереди, а не все разом: мобильный телефон, компьютер, СВЧ-печь, телевизор должны работать в разное время.

 2) не группировать электроприборы в одном месте, распределить их так, чтобы они не усиливали ЭМП друг друга.

 3) не располагать эти приборы рядом с обеденным, рабочим столом, местами отдыха, сна. (Слайд 24)

  2.4 Практическая значимость исследования состоит в том, что оно может быть использовано школьниками для повышения образовательного уровня, учителем физики для объяснения тем «Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение» и проведения занимательного урока охраны здоровья.

    Таким образом, мы считаем, что поставленная нами цель достигнута, задачи решены.

  2.5 За время работы над проектом, нами была изучена лишь небольшая часть практического применения теплопередачи в быту и технике. В дальнейшем, мы продолжим наши исследования в этом направлении при более детальном изучении в старших классах электромагнитных волн.

12

3.  ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ

 

1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Издательство «Просвещение», 1977.

2. http://уроки.мирфизики.рф

3. https://infourok.ru/

4. https://fb.ru/

5. https://fb.ru/article/303040/primeryi-teploperedachi-v-prirode-v-byitu

6. http://class-fizika.ru/u8-5.html

7. http://900igr.net/prezentacija/fizika/shkala-elektromagnitnykh-voln-196339/vidy-izluchenija-2.html

8. Влияние электромагнитного излучения на живые организмы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://doza.net.ua/pages/ru_ref_emf.htm.

9. Воздействие электромагнитного излучения электроприборов на человека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://malahit-irk.ru/index.php/2011-01-13-09-04-43/119-2011-05-06-12-21-20.html.

10. Общие показатели самочувствия и возникающие симптомы при воздействии ЭМП [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.libma.ru/zdorove/mobilnik_ubiica/p3.php#metkadoc12.

11. http://yandex.ru/clck/jsredir?from=yandex.ru

12. https://ru.wikipedia.org/wiki

13.https://fb.ru/article/177287/yavlenie-konvektsii-i-primeryi-konvektsii 

14.http://obuchonok.ru/znachimost» target=»_blank»>Практическая значимость работы 

13

Примеры конвенции в природе и технике

1. Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба.

Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша нагревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается и давление 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 бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз — движение холодного воздуха от суши к морю.

2. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку, в печь, в трубу самовара не будет поступать воздух, то горение топлива прекратится. Обычно используют естественный приток воздуха — тягу. Для создания тяги над топкой, например в котельных установках фабрик, заводов, электростанций, помещают трубу. При горении топлива воздух в ней нагревается. Как мы уже знаем, от этого плотность воздуха уменьшается. Значит, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый поднимается вверх — образуется тяга. На рисунке 190 изображена установка опыта, поясняющего образование тяги.

Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

3. Центральное водяное отопление. Во многих современных больших зданиях устраивают водяное отопление.

В подвальном этаже здания устанавливают котел 1 (рис. 191), в нем нагревается вода. От верхней части котла главная труба 2 идет на чердак, где она соединяется с расширительным баком 3. Расширительным он называется потому, что в него поступает избыточный объем воды, образующийся при расширении ее от нагревания. От расширительного бака по чердаку проводят систему распределительных труб 4, от которых отходят вниз вертикальные трубы 5, проходящие через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи б, составленные из чугунных труб и устанавливаемые обычно под окнами.

Горячая вода нагревает трубы батарей, отдавая им часть своей энергии. От труб энергия передается воздуху комнаты. Сама вода, становится холоднее и по системе нижних отводных труб 7, расположенных в подвале, поступает в котел, где снова нагревается, поднимается на чердак, опять попадает в батареи, отдает им энергию и т. д. Такое движение воды в системе центрального отопления и, следовательно, перенос энергии от котла к батареям происходит все время, пока нагревается котел, и осуществляется оно благодаря конвекции.

В больших зданиях создают искусственную (принудительную) циркуляцию воды при помощи насоса, который непрерывно гонит воду в нужном направлении.

В системах отопления, применяемых в городах и некоторых рабочих поселках, горячую воду получают не от собственного котла, а от тепловых электростанций (ТЭЦ), доставляющих горячую воду нескольким жилым кварталам и даже целым районам города.

Из наших жилых помещений даже при хорошей теплоизоляции энергия передается наружу. Поэтому зимой приходится непрерывно обогревать помещение, чтобы поддерживать в нем постоянную температуру.

Упражнения.

1. Расскажите, как образуется ветер, тяга. 2. Как осуществляется перенос энергии от котла к батареям в системе центрального отопления? 3. Почему подвал — самое холодное место в доме? 4. Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна? 5. Для чего делают высокими заводские трубы? 6. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом? Ответ поясните. 7. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

методов теплопередачи | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудите различные методы теплопередачи.

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

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

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

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

Проверьте свое понимание

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

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

Сводка раздела

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

Концептуальные вопросы

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

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

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

Глоссарий

теплопроводность: передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте

конвекция: передача тепла за счет макроскопического движения жидкости

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

Теплообмен

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

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

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

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

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

Индекс

Концепции теплопередачи

Примеры теплопередачи

Учебное пособие по физике

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

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

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

Проводимость — вид частиц

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

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

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

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

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

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

Проведение в объеме объекта

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

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

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

Теплообмен путем конвекции

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

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

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

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

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

Теплообмен излучением

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

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

Мощность излучения = k • T 4

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

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

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

Проверьте свое понимание

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

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

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

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

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

Тепловая энергия передается от горячего конца объекта к холодному.

Проводимость в металлах

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

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

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

Проводимость в металле

Металлический стержень нагревается

Тепло возбуждает атомы, и вибрация увеличивается

Вибрация распространяется по всему металлу, нагревая весь стержень

Исследование проводников

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

Метод:

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

Самое быстрое время показывает лучший проводник тепла.

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

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

термодинамика — Влияние объемного расхода на конвекционные и радиационные тепловые потоки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

energy — «Согревает ли ваш дом» закрывающиеся шторы?

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

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

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

Провел эксперимент!

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

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

Итак, при закрытых шторах температура у окна была на 3 градуса ниже, что свидетельствует о том, что шторы обладают значительным изолирующим эффектом. Это обычные шторы, не особо тяжелые, так что эффект довольно большой. Я подозреваю, что дело не в тепловых свойствах штор, а в их способности препятствовать циркуляции холодного воздуха через окно в остальную часть комнаты.

Convection Current Experiment —

* Этот пост содержит партнерские ссылки.

Конвекция — это один из трех основных типов теплопередачи. Два других — это излучение и проводимость. Конвекция — это передача тепла за счет движения нагретых частиц в область более холодных частиц. При зажигании спички может возникнуть конвекция. Воздух непосредственно над зажженной спичкой всегда горячее, чем воздух вокруг нее.

Эта разница в температуре вокруг спички вызвана воздействием тепла на плотность воздуха.Горячий воздух менее плотный, чем холодный, и поднимается вверх, оставляя более прохладный воздух внизу. Когда теплый воздух поднимается, образуется модель движения воздуха, называемая конвекционным потоком. Мы можем видеть эти конвекционные потоки в воздухе и в воде.

Соответствующий пост Ресурсы для изучения погоды

Конвекционные токи в атмосфере влияют на нашу погоду. Подъем теплого воздуха и падение плотного прохладного воздуха вызывают наши ветры. Когда теплый влажный воздух поднимается вверх и смешивается с холодным, атмосфера становится нестабильной.Это вызывает грозы.

Гольфстрим у восточного побережья Штатов является конвекционным течением. Он несет теплую воду из тропиков вверх по восточному побережью на север в сторону холодных арктических вод.

Создайте свой собственный ток конвекции

Тепло влияет также на плотность воды. Вы можете создать свой собственный конвекционный поток с водой, который позволит вам увидеть потоки, вызванные разницей плотности воды при разных температурах.

Принадлежности:

Процедура:

  1. Смешайте воду и пищевой краситель и налейте окрашенную воду в поддон для кубиков льда. Этот эксперимент лучше всего работает, если вода очень темного цвета.
  2. Поместите поддон для кубиков льда в морозильную камеру, пока он не станет твердым.
  3. Наполните прозрачный стакан теплой водой.
  4. Добавьте один кубик льда в стакан с водой.
  5. Посмотрите, что происходит.

Что происходит?

Теплая вода растопит кубик льда, но полученная вода будет очень холодной.Эта холодная густая вода опустится на дно стакана. Вы можете видеть это, потому что талая вода из кубика льда будет любого цвета, который вы сделали для кубика льда.

По мере того, как вода нагревается, она поднимается до верхней части стакана. Цветная вода позволит вам увидеть конвекционный поток в стакане.

Попробуйте этот простой эксперимент дома!

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.