Особенности конвекции в физике: особенности конвекции. где происходит конвекция. особенности излучения, где происходит

Содержание

Урок 02. теплопроводность. конвекция. излучение — Физика — 8 класс

Конспект объясняющего модуля

Цели урока:

– познакомить с тремя способами теплопередачи, сформировать представление о механизмах и особенностях передачи энергии путём теплопроводности, конвекции и излучения;

– научить наблюдать, описывать и объяснять физические явления на основе представлений об изменении внутренней энергии при теплопередаче.

Планируемые результаты обучения учащегося:

– даёт определения теплопроводности, конвекции и излучения, приводит примеры передачи энергии перечисленными способами;

– демонстрирует знание механизмов и особенностей передачи энергии путём теплопроводности, конвекции и излучения;

– сравнивает значения теплопроводности различных веществ;

– приводит примеры и объясняет физические явления на основе полученных знаний о различных способах теплопередачи.

В окружающем нас мире происходят различные физические явления, некоторые из них связаны с изменением внутренней энергии тел.

Внутреннюю энергию можно изменить за счет совершения механической работы и теплопередачи.

Рассмотрим способ изменения внутренней энергии тела путем теплопередачи. Введем определение. Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

У теплопередачи есть три разновидности: теплопроводность, конвекция, излучение.
Каждый вид теплопередачи имеет свои особенности, присущие только ему.
Рассмотрим первый вид- теплопроводность.

Теплопроводность – это явление, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой посредством движения частиц или при непосредственном контакте двух тел.

Разные тела обладают разной теплопроводностью, так как молекулярное строение и скорость движения молекул в разных веществах разная.

У металлов самая высокая (хорошая) теплопроводность, у жидкостей меньше, а у газов самая маленькая ( плохая) теплопроводность.

Важно отметить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества и если нет частиц, то нет теплопроводности. Следующий вид теплопередачи- конвекция.

Конвекция – это явление переноса энергии слоями жидкостей или газов.

Конвекция , что следует из определения, может быть только при наличии вещества, а конкретно — жидкости или газа, если же вещества нет, то и не имеет смысла говорить о явлении конвекции.
Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

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

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

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Естественная конвекция происходит сама по себе без внешнего воздействия.

В вынужденной перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Рассмотрим еще один вид теплопередачи- излучение, который может осуществляться в вакууме.

Под излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн.

У излучения есть свои особенности- темные тела быстрее поглощают и излучают энергию, у светлых поглощение и испускание энергии происходит гораздо медленнее.

Кроме того, все нагретые тела, по сравнению с температурой окружающего пространства, испускают энергию. Чем сильнее нагрето тело, тем больше энергии оно испускает.

Это можно увидеть с помощью термоскопа.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования. Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор. Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

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

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

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

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

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

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

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

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ответы

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

3.4 (67.83%) 23 votes

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

Особенности теплообмена при вынужденной конвекции микробиологических сред Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.1.016:536.2

Л.В. Зысин, Л.П. Стешенков

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

L.V. Zyssin, L.P. Steshenkov

FEATURES OF HEAT EXCHАNGE DURING FORCED CONVECTION OF MICROBIOLOGICAL FLUIDS

Обсуждаются результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена при вынужденном течении в вертикальных трубах и плоско-параллельных каналах микробиологических сред (культуральные жидкости, нейтрализаты, гидролизаты, полиглюкины и др.). Отмечаются характерные особенности теплообмена указанных сред в ламинарной, переходной и турбулентной областях течения.

ТЕПЛООБМЕН. КОНВЕКЦИЯ. ВЫНУЖДЕННОЕ ТЕЧЕНИЕ. ЛАМИНАРНЫЙ. ТУРБУЛЕНТНЫЙ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Results of an experimental investigation of convective heat exchange during forced flow of microbiological fluids (cultural fluids, polyglucan and others) inside vertical pipes and flat-parallel channels are given and discussed. Typical features of heat exchange of such fluids for laminar, transition and turbulent parts of flow are shown.

HEAT EXCHANGE. CONVECTION. FORSE FLOW. LAMINAR. TURBULENCE. EXPERIMENTAL RESEARCH.

Современный этап развития теплофизики тесно связан с решением прикладных задач инновационных технологий. Решая на основе фундаментальных исследований практические задачи создания теоретических основ инженерных методов расчета новых видов энерготехнологического и теплоиспользующего оборудования, теплофизика постоянно обогащается за счет изучения новых сред, теплоносителей, расширения диапазонов режимных параметров и др. В последние десятилетия в мире ускоренными темпами развивается биотехнология, для которой характерна значительная доля теплоисполь-зующего оборудования и энергоемкость производства. Поэтому промышленное освоение процессов биосинтеза ввело в круг актуальных для теплофизики прикладных задач изучение теплообмена в биологических и микробиологических средах [1].

Микробиологическая технология базируется на закономерностях, свойственных популяциям микроорганизмов, как получаемых в промыш-

ленных условиях, так и существующих в реальных живых организмах. При этом биологическая форма движения материи с присущим ей многообразием определила ряд специфических особенностей микробиологических сред (биомасса, культуральные жидкости, продукты метаболизма клеток и др.): вариабельность и многокомпонент-ность, низкие концентрации и скорости реакций, переменность в ходе процесса реологических свойств, проявление у белков одновременно свойств аморфных электролитов и коллоидных растворов, а также многое другое [2].

Для создания методов расчета и оптимизации параметров технологического оборудования требуются достоверные сведения о процессах теплообмена, такие данные необходимы и для расчетов биофизических процессов внутри организмов. Построение обоснованных физических моделей соответствующих процессов невозможно без определенного набора первичной экспериментальной информации, которая позволила бы понять место рассматриваемых сред в теплофизике.

Одновременно такая информация открывает возможности выполнения необходимых инженерных расчетов. То обстоятельство, что практически все микробиологические среды являются слабо концентрированными водными растворами, дает основания предположить сходный характер процессов конвективного теплообмена с однокомпонентными средами и искать решение в данном направлении. Ниже приводятся некоторые результаты обобщения данных экспериментальных исследований теплообмена при вынужденной конвекции ряда микробиологических сред. Опыты проводились на вертикальном плоско-параллельном канале и трубах, имеющих эквивалентный диаметр 12—32 мм, длину 1000—6000 мм и снабженных предвклю-ченным участком гидродинамической стабилизации. Предварительные опыты по определению потерь давления по длине канала и тенеграммы течения жидкости, полученные на плоско-параллельном канале, подтвердили, что протяженность 1т участка гидравлической стабилизации при числе Прандтля Рг > 1 была короче, чем протяженность /г области тепловой стабилизации, что согласуется с данными многочисленных исследований. Тепловой поток создавался с помощью электрического тока. В опытах на трубе диаметром 32 мм и длиной 6000 мм тепловой поток создавался с помощью парового обогрева. Максимальная скорость исследуемых жидкостей в каналах составляла 3,5 м/с. Тестирование экспериментальных установок производилось с помощью опытов на воде, которые дали хорошую сходимость с известными зависимостями.

Исследовались следующие культуральные жидкости: дрожжевая суспензия и суспензия БВК при концентрациях С в диапазоне 2,5— 20 %; отработанная культуральная жидкость (ПДБ) с концентрациями 1—15 %; остальные среды при фиксированных значениях концентрации, соответствующих технологическим условиям. = 20—95 °С, давле-

ние — близкое к атмосферному. Кратко результаты опытов сводятся к следующему.

Закономерности теплообмена изучались для условий стабилизированного течения в турбулентной и переходной областях течения. Для ряда жидкостей были рассмотрены также особенности теплообмена в ламинарной области течения. Остановимся на основных результатах проведенного исследования.

Ламинарный режим течения. При обобщении экспериментальных данных по теплоотдаче на участке тепловой стабилизации при ламинарном течении и вязкостном режиме теплообмена (GrPr < 250) за основу было принято известное интерполяционное уравнение, которое для плоского канала и условий qx = const принимает вид

Nu « 1,3(Ped//)1/3 (ц / ) (1)

и, как известно, с точностью ±4 % описывает точное решение. Показатель степени m при симплексе учитывающем влияние на теплообмен переменной вязкости, для случая подъемного движения жидкости соответствует величине m ® 0,14. Принятый подход позволил обобщить экспериментальные данные с точностью до коэффициента, при этом была подтверждена степенная зависимость

Nu ~ (Ped /1 )1/3. (2)

Обобщение опытных данных по дрожжевым суспензиям позволило получить значение коэффициента пропорциональности в формуле (1) равное 2,3; для гидролизатов получено несколько иное значение, а именно 2,1. Погрешность аппроксимации в данном случае лежит в пределах +50 %. Естественно было предположить, что столь существенное расхождение связано с проявлением реологических свойств рассматриваемых сред. В обзоре Е.М. Хабахпа-шевой [3] отмечается, что для учета изменения вязкости неньютоновских жидкостей, обусловленного наличием радиальных температурных градиентов, обычно пользуются приближенными методами, которые представляют собой обобщения известных степенных поправок, хотя в общем случае для течения структурно-вязких жидкостей следует учитывать влияние на теплообмен не только соотношения вязко-стей, но и величины l/(Ped).

Основываясь на указанных положениях, мы стремились добиться удовлетворительного обобщения экспериментальных данных, ограничиваясь только уточнением степенной поправки, поскольку для исследуемых сред с помощью принятых методов измерения не удавалось определить градиенты скорости у стенки. Соответственно не мог быть вычислен коэффициент X, учитывающий структурно-вязкие свойства. Поэтому в качестве параметра был сохранен

симплекс (ц / )т , а на его основе в результате обобщения опытных данных получена уточненная зависимость

№ = 1,3(Ре й /1 )1/3 (ц / )0,25

(3)

Ми

04 = 1,64 1Г4РГ1Д.

Яе-

(4)

Поскольку для обобщения был приняты только данные, соответствующие вязкостному и вязко-инерционному режимам течения, диапазон изменения в опытах был невелик.ж)°>25. Однако в общем случае он, очевидно, должен быть введен в формулу (4). Таким образом, формула для расчета интенсивности теплоотдачи в трубах и каналах для переходной области течения культуральных жидкостей была получена в виде

1,1 г) „1,34

Шпер = 1,64 104РгмЯе

(5)

аппроксимирующая опытные данные с погрешностью ±12 %. При этом коэффициент теплоотдачи для дрожжевых суспензий получен примерно на 15 % выше, чем для ньютоновских сред при тех же значениях Сопоставление наших результатов с данными, приведенными в обзоре [3], позволяет предположить, что рассматриваемые среды следует отнести к жидкостям с линейным или квадратичным законом текучести. Окончательный ответ на данный вопрос можно получить только в результате детального изучения реологических свойств микробиологических сред, что должно стать предметом дальнейшего достаточно углубленного исследования.

Переходный режим течения. Вопросы теплоотдачи в переходной области течения для жидкостей, проявляющих неньютоновские свойства, до настоящего времени изучены мало. Отмечается [3], что наличие структурной вязкости вызывают затягивание перехода к турбулентному режиму течения. Наши экспериментальные данные также указывают на некоторое затягивание перехода, при этом был отмечен ряд закономерностей.

При фиксированном значении чисел Прандт-ля теплоотдача Ми характеризуется серией кривых, имеющих общую область пропорциональности числу Яе1,34. С погрешностью ±10 % можно утверждать, что коэффициент пропорциональности является функцией числа Рг и аппроксимируется соотношением

Максимальное отклонение экспериментальных данных от зависимости (5) не превышает ±15 %, что для переходной области (которая вообще характеризуется нестабильностью течения и пульсациями параметров) можно признать удовлетворительной точностью. Анализ результатов опытов показал также, что области, описываемой формулой (5), предшествует некоторая область неустойчивого теплообмена, где значения Ми выше числа определенного для ламинарной области. При этом было установлено, что для плазмолизованных дрожжевых суспензий при Рг = 7—120 минимальные значения чисел Ми и Яе, соответствующие началу указанной выше устойчивой переходной области течения, подчиняется соответственно зависимостям

Шнер = 4,9Рг0’5; (6)

Яенер = 2 103Рг

-0,6

(7)

Интересно, что при Рг = 0,72 (воздух) формула (6) дает хорошо известное теоретическое решение ® 4,36, а формула (7) — также хорошо опробованное значение Яекр ® 2300.

Отмеченная выше зависимость потери устойчивости от числа Прандтля согласуется с данными А. ‘

Рг„,

(8)

При этом известно, что в зависимости от направления теплового потока, числа Рг, условий эксперимента и т. п. получаемые в экспериментах значения А и п в этой формуле колеблются в следующих пределах: А = 0,021—0,026; п = 0,3—0,6. Тестовые опыты, проведенные нами на воде, с погрешностью ±10 % подтвердили классические значения: А = 0,023; п = 0,4. Поэтому при обработке и анализе результатов последующих опытов на других жидкостях искалась зависимость вида

/ \0,25 ‘ Рг V

, (9)

Ми = k 0,023Яе°’8 Рг0’4

Рг

где k — коэффициент, учитывающий индивидуальные свойства жидкости.

Резюмируя результаты проведенных исследований, отметим, что они подтвердили возможность пользоваться указанным подходом в целом ряде случаев, однако не для всех исследованных жидкостей.

Так для культуральных жидкостей типа ПДБ с погрешностью ±15 % опытные данные обобщаются с помощью зависимости (9) при k = 1. Для дрожжевых суспензий с аналогичной погрешностью получено значение k = 1,216. В ряде работ указывается [3], что расчеты коэффициентов теплообмена для нелинейно-вязких жидкостей можно производить по формулам для ньютоновских жидкостей, если вычислять значения чисел Яе и Рг по величине вязкости на стенке. Такая обработка была произведена нами для дрожжевых суспензий. Погрешность аппроксимации при этом увеличилась до ±25 %, поэтому в дальнейшем от подобной обработки пришлось отказаться.

Самостоятельную группу составили гидро-лизаты и нейтрализаты: их теплоотдача подчиняется одинаковым закономерностям, которые при этом отличаются от общеизвестных. В частности, теплоотдача указанных сред в турбулентной области течения оказалась пропор-

циональной Яе0>47, что исключало возможность применения для обобщения зависимости (9). Кроме того, была установлена некоторая зависимость теплоотдачи от pH (диапазон изменения pH = 1—4,5). Иная зависимость теплоотдачи от числа Яе обусловила существование для данных сред области (Яе ® 7-103—3-104), где их теплоотдача выше, чем для воды, и области (Яе > 3,5-104), в которой их теплоотдача ниже, чем для воды (рис. 1). Становятся объяснимыми противоречивые данные относительно соотношения теплоотдачи воды и гидролизатов, встречающиеся в ряде нормативных документов.

Визуальные исследования показали, что для гидролизатов и нейтрализатов при переходе к турбулентному режиму течения характерно помутнение — они перестают быть прозрачными. Мы высказали предположение, что данное обстоятельство связано с образованием пенно-эмульсионной структуры. В этом случае теплоотдача действительно может несколько увеличиваться, благодаря интенсификации массообменных процессов в момент образования пены. То обстоятельство, что при дальнейшем увеличением числа Яе темп увеличения теплоотдачи примерно такой же, как в ламинарной области течения, позволяет предположить, что пенно-эмульсионная структура при общей интенсификации теплообмена определяет условия течения в пристенной области, близкие к ламинарному.

Здесь необходимо отметить, что параметр pH определяет молекулярное взаимодействие на границе раздела фаз растворов, содержащих поверхностно-активные вещества, и тем самым характеризует устойчивость пенных структур. В такой постановке становится понятным влияние pH на теплообмен. Однако отмеченные особенности могут быть связаны также с изменением физических свойств жидкостей и структурной вязкостью эмульсий, а влияние pH при этом будет иметь косвенный характер.

Окончательный ответ может быть получен только на основе детальных исследований локальных характеристик потока и структуры течения. 1 У Ки с/чк,’-

-‘■»у о/о Ки-п.т.-к./ с, ‘■

■ ■’ !■:!- !!■’ ¡Г Яе

Рис. 1. Сопоставление теплоотдачи воды (1) и гидролизатов (2) в турбулентной области течения

Отдельную группу среди исследованных сред составили полиглюкины, где обнаружена аномалия теплоотдачи при малых концентрациях и затягивание перехода к развитому турбулентному течению. Последнее обстоятельство, по-видимому, связано с влиянием полимерных свойств жидкости. Из ряда работ, например [5], известно, что эффект Томса проявляется в жидкостях с малыми полимерными добавками обычно при турбулентном течении.

Интенсивность теплообмена для водных растворов полиглюкина (при одинаковых числах Яе) ниже, чем для воды. На рис. 2 приведена экспериментально полученная зависимость изменения коэффициента Х(см. формулу (9)) от процентной весовой концентрации абсолютно сухих веществ (а.с.в.). Как видно из приведенного графика в области малых концентраций (С = 0,1—0,5 %) наблюдается резкое снижение теплоотдачи. С увеличением концентрации до С® 1 % теплоотдача несколько возрастает, далее опять снижается, стабилизируясь при С® 3 %.

Приведенные данные позволяют сравнить слабые водные растворы полиглюкина и жидкости с высокополимерными добавками, где, как известно, было обнаружено существование оптимальных малых концентраций, при которых снижается сопротивление [3]. Опыты Е.М. Ха-

бахпашевой и Б.В. Перепелицы [6] показали, что основное действие полимерных добавок проявляется в снижении интенсивности поперечных компонент пульсации скорости. Поскольку указанные пульсации вместе с пульсациями температуры определяют интенсивность теплообмена между потоком и стенкой, естественно ожидать уменьшения теплоотдачи.

Для сравнения были проведены опыты с водными растворами глюкозы и глицерина, которые носили в известной степени методический характер. Отмечено, что, как и у полиглюкина, интенсивность теплоотдачи для указанных растворов с увеличением концентрации снижается, но не столь интенсивно.

Из-за отсутствия достаточного объема данных о теплофизических свойствах для полиглюкина и ему подобных сред при вычислении критериев подобия использовались значения физических констант для воды. Поэтому наряду с критериальной была произведена обработка опытных данных в размерном виде, что позволило получить зависимость

— = ехр (-ВС), (11)

«о

где а0 — теплоотдача для дистиллированной воды; В — коэффициент, зависящий от рода жидкости; С — весовая концентрация абсолют-

K

1.0

0,к

0j6

0.4

\

V —Ж- !-,-■

о

1

C, %

Рис. 2. Зависимость коэффициента k в формуле (9) от концентрации а.с.в.

для полиглюкина

но сухих веществ, %. Получили: В = 3,35 для водных растворов полиглюкина в области С = = 1,3—10 %; В = 0,97 для водных растворов глюкозы при С = 2—25 %; В = 1,22 для водных растворов глицерина при С = 5—40 %.

Изложенные результаты исследования теплообмена микробиологических сред позволили выявить ряд специфических особенностей, отличающих указанные среды от однокомпо-нентных жидкостей. В ламинарной области течения эти особенности проявляются незначительно и сводятся к увеличению области тепловой стабилизации на входном участке канала и затягиванию начала переходной об-

ласти течения. Переходная область носит более размытый характер и заканчивается при больших значениях критерия Яе. Наибольшие отличия наблюдались в области турбулентного течения. Здесь для ряда микробиологических сред отмечена аномалия теплоотдачи при малых концентрациях, слабая зависимость теплоотдачи от числа Яе, переход к турбулентному режиму при больших значениях Яе и др. Ряд отмеченных особенностей находит объяснение на основе современных представлений о реологических средах, а также о влиянии окислительно-восстановительного потенциала на пенообра-зования жидкостей. Некоторые особенности пока ждут своего объяснения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зысин, Л.В. Проблемы теплообмена при разработке оборудования микробиологических производств [Текст] / Л.В. Зысин // Тезисы докладов YII-й Всесоюзной конф. «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах». Т. 3.— Л., 1985.

2. Кутателадзе, С.С. Теплоотдача и гидродинамическое сопротивление [Текст]: Справочное пособие / С.С. Кутателадзе.— М.: Энергоатомиздат, 1990.— 367 с.

3. Хабахпашева, Е.М. Конвективный теплообмен в реологических средах [Текст] / Е.М. Хабахпашева.— В сб.: Реодинамика и теплообмен / Ин-т теплофизики СО АН СССР.— Новосибирск, 1979.— С. 5-46.

4. ¿ukauskas, A. Convective Heat Transfer in Cross

Flow [Text]: Handbook of Single-Phase Convective Heat Transfer.— New York: Wiley & Sons, 1987.

5. Седов, Л.И. Особенности структуры пристенной турбулентности и механизм снижения трения полимерными добавками [Текст] / Л.И. Седов, В.А. Иосилевич, В.Н. Пилипенко.— В кн.: Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента / АН ЭССР.— Таллин, 1985.— С. 7-12.

6. Kutateladze, S. Experimental investigation of the structure of near-wall turbulence and viscous sublayer [Text] / S. Kutateladze, E. Khabakhpasheva, V. Orlov, V. Perepelitsa, E. Mikhail ova // In: Turbulent Shera Flows Vl.— Berlin-Heidelberg-New York: Sprinder-Verlag, 1979.— P. 91-103.

REFERENCES

1. Zysin L.V. Problemy teploobmena pri razrabotke oborudovaniia mikrobiologicheskikh proizvodstv [Tekst] / Tezisy dokladov Yll-oi Vsesoiuznoi konf. «Dvukhfaznyi potok v energeticheskikh mashinakh i apparatakh». T. 3.— L., 1985. (rus.)

2. Kutateladze S.S. Teplootdacha i gidrodinamiches-koe soprotivlenie: Spravochnoe posobie [Tekst].— M.: Energoatomizdat, 1990.— 367 s. (rus.)

3. Khabakhpasheva E.M. Konvektivnyi teploobmen v reologicheskikh sredakh [Tekst] // V sb.: Reodinamika i teploobmen / In-t teplofiziki SO AN SSSR.— Novosibirsk, 1979.— S. 5-46.

4. ¿ukauskas, A. Convective Heat Transfer in Cross

Flow [Text]: Handbook of Single-Phase Convective Heat Transfer.- Wiley & Sons, New York, 1987.

5. Sedov L.I., Iosilevich V.A., Pilipenko V.N. Osoben-nosti struktury pristennoi turbulentnosti i mekhanizm snizheniia treniia p olimernymi dobavkami [Tekst].—V kn.: Turbulentnye dvukhfaznye techeniia i tekhnika eksperi-menta / AN ESSR.— Tallin, 1985.— S. 7-12.

6. Kutateladze S., Khabakhpasheva E., Orlov V., Perepelitsa V., Mikhailova E. Experimental investigation of the structure of near-wall turbulence and viscous sublayer [Text].— In: Turbulent Shera Flows Vl.— Berlin-Heidelberg-New York: Sprinder-Verlag. 1979.— P. 91-103.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

ЗЫСИН Леонид Владимирович — доктор технических наук научный сотрудник отделения энергодинамики Института интегративных исследований; 34600, ул. Геула, 39, г. Хайфа, Израиль, e-mail: lv_zys-sin[email protected]

СТЕШЕНКОВ Леонид Петрович — кандидат технических наук профессор кафедры атомной и тепловой энергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail:[email protected]

AUTHORS

ZYSSIN Leonid V. — Integrative Resarch Institue (IRI), Department of Entrgodynamics; 34600, Geula 39, Haifa, Israel; e-mail: [email protected]

STESHENKOV Leonid P. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail:[email protected]

© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013

Духовые шкафы с конвекцией – преимущества, характеристики, принцип работы

Современные духовые шкафы, особенно электрические модели, оснащаются огромным разнообразием функций. Если вы хотя бы немного разбираетесь в кулинарии, вам не нужно будет идти в ресторан, чтобы вкусно покушать – любые, даже самые сложные блюда, вы сможете приготовить сами. Духовка берет на себя практически все обязанности – вам остается только купить продукты, соблюсти пропорции, положить все на противень и нажать нужную кнопку.

Благодаря расширенному функционалу духовых шкафов в домашних условиях можно реализовать даже самые сложные кулинарные техники, например, sous-vide – приготовление в вакууме при низкой температуре. Конечно, такая опция есть далеко не в каждой духовке, а только в достаточно дорогих моделях. А эту статью мы посвятили очень популярной и доступной функции конвекции.

Режим конвекции в духовке – что это такое, как и зачем используется? Несмотря на широкое распространение функции, этот вопрос покупатели бытовой техники задают достаточно часто. Действительно ли обычный встроенный вентилятор может повлиять на качество приготовления и вкус блюда?

Если вам интересно, зачем нужна конвекция в духовке и как она используется, прочитайте эту статью. Она поможет вам принять решение: покупать ли конвекционный духовой шкаф или обойтись без этого нововведения.

Преимущества конвекционной техники

Многие хозяйки до сих пор недоумевают: зачем нужна конвекция в духовке, в которой и так все прекрасно запекается? Если вы из их числа, то вспомните, сколько раз во время готовки вам приходилось поворачивать противень, чтобы запекание было равномерным. А как много хлопот доставляет приготовление на нескольких уровнях? Чтобы не подать еду сырой, противни нужно постоянно переставлять. При этом, если лист находится на нижнем уровне, блюдо может подгореть снизу, не пропекаясь при этом внутри.

Раньше, чтобы не допустить таких неприятностей, хозяйкам приходилось идти на различные ухищрения. Например, ставить в камеру духового шкафа емкость с водой или класть кирпичи. Благодаря режиму конвекции необходимость в этом отпала. Равномерное пропекание блюд на нескольких уровнях – одно из главных преимуществ функции.

Лучшие духовки с конвекцией оснащаются дополнительными приспособлениями, например вторым вентилятором, кольцевым нагревателем или встроенным парогенератором. Подробнее о конструкции конвекционных духовых шкафов мы расскажем ниже, а пока сосредоточимся на преимуществах режима. Важным плюсом является универсальность использования конвектора. Вентилятор позволяет не только готовить, но и быстро размораживать продукты без потери влаги. А ягоды, грибы, фрукты и зелень в конвекционной духовке высохнут намного быстрее, чем на открытом воздухе.

Характеристика конвекции будет неполной, если не упомянуть еще об одном преимуществе этого режима – экономии электроэнергии. Благодаря равномерному распределению горячего воздуха необходимая температура достигается намного быстрее, а время приготовления сокращается. В результате энергопотребление прибора также снижается.

Что касается минусов конвекции, то их немного. Точнее, всего один – конвекционная модель будет стоить немного дороже обычной. Но разница в цене незначительная. Сейчас конвекторы устанавливаются не только в дорогих, но и в бюджетных моделях. На панели управления духового шкафа режим конвекции обозначается значком в виде вентилятора.

Как устроены конвекционные духовые шкафы?

Чтобы понять, как работает конвекция в духовке, необходимо разобраться в особенностях конструкции прибора. Отличий конвекционной модели от обычной немного. Духовой шкаф комплектуется дополнительным элементом – встроенным вентилятором, который располагается на задней стенке камеры.

Принцип работы конвекции состоит в перемешивании слоев воздуха, что обеспечивает равномерную температуру по всему объему камеры. Конечно, сам по себе конвектор использоваться не может (исключение – режим разморозки), поэтому он включается одновременно с нагревательными элементами: верхним и нижним ТЭНом, грилем или кольцевым нагревателем. В бюджетных моделях предусмотрено 2–3 комбинации, в приборах премиум-класса их число может доходить до 10.

Сейчас режим конвекции используется в электрических и газовых духовых шкафах. Но принцип реализации технологии немного отличается.

Электрические духовки с конвекцией

Электрический духовой шкаф с конвекцией давно перестал быть технической новинкой. Наоборот – сейчас в продаже сложно найти модель, не оснащенную встроенным вентилятором. Владельцы электродуховок могут оценить преимущества технологии в полной мере, так как производители предлагают огромное разнообразие рабочих режимов с использованием конвектора. Чаще всего функцию комбинируют с традиционным нагревом (верхние и нижние нагревательные элементы), чтобы избежать подгорания блюд и ускорить их готовку. Сочетание конвекции и гриля позволяет обойтись без вертела – мясо равномерно подрумянивается со всех сторон.

Часто производители используют особые режимы. Например, Турбо – одновременно работают конвектор, гриль и верхний нагревательный элемент. Этот режим рекомендован для одновременного приготовления нескольких блюд.

Освоив принцип конвекции, производители начали совершенствовать технологию. Например, оснащать электрические духовые шкафы не одним, а двумя вентиляторами, дающими возможность готовить одновременно на 4–5 уровнях. Запекать можно разные блюда – их запахи не смешиваются.

3D-конвекция – принцип работы этой раскрученной технологии тоже довольно простой. Вокруг вентилятора располагается кольцевой нагревательный элемент.

Превосходных результатов приготовления позволяет достичь влажная конвекция. При включении этого режима воздух насыщается паром, что позволяет избежать пересыхания блюд. Кроме того, их можно готовить на пару без добавления масла. Технологию используют в электрических духовых шкафах торговых марок Electrolux, Hansa, Miele, Smeg и др.

Газовые духовые шкафы с конвекцией

На вопрос: «Нужна ли конвекция в электрической духовке?» ответ получим однозначно положительный. А как обстоит дело с газовыми моделями? Газовый духовой шкаф с конвекцией пока достаточно большая редкость и дорогое удовольствие. Объясняется это сложностью реализации технологии.

Расположить вентилятор на задней стенке камеры – только половина дела. Нужно еще позаботиться о том, чтобы идущий от конвектора поток воздуха не задувал пламя горелки, ведь в таком случае возникает опасность утечки газа. Приходится оснащать технику не только системой газ-контроль, но и электроподжигом, который срабатывает автоматически при затухании пламени. Поэтому повышение цены на конвекционные газовые духовки неизбежно. Возможно, стоимость снизится с ростом предложения.

Но именно в газовом духовом шкафу функция конвекции очень нужна. Горелка, являющаяся основным нагревательным элементом располагается внизу, поэтому сильнее всего нагревается дно противня. Конвектор мог бы обеспечить равномерную температуру по всему объему камеры.

Газовые модели имеют еще один плюс – плавную регулировку интенсивности нагрева (в электрических духовых шкафах регулировка преимущественно ступенчатая). При наличии конвектора можно было бы достичь превосходных результатов приготовления.

Установить конвекционную электродуховку можно далеко не в каждой квартире – проводка должна выдержать высокую мощность прибора. Газовые модели с конвектором могли бы стать отличной альтернативой.

Как пользоваться духовым шкафом с конвекцией?

Пришло время поговорить о том, как готовить с конвекцией и для каких блюд можно применять этот режим. Конвектор вместе с другими нагревательными элементами может использоваться для запекания мяса, рыбы, овощей, приготовления пирогов, запеканок, кондитерских изделий. Благодаря постоянной циркуляции горячего воздуха верхний слой продуктов быстро схватывается, а весь сок остается внутри. Конвекция улучшает подъем теста, поэтому выпечка получается более пышной и мягкой.

Если вы не знаете, как готовить в духовке с конвекцией, поспешим вас обрадовать – это очень просто. Тем более, что в современных моделях необходимый режим выбирается нажатием одной кнопки. Подробные рекомендации можно найти в инструкции к технике, поэтому здесь мы дадим только общие советы.

Если вам нужно просто подсушить продукт, например, сделать сухарики, безе или меренгу, выбирайте низкотемпературный режим (до 150 градусов) с использованием верхнего нагревательного элемента.

Комбинация конвектора и нижнего ТЭНа подойдет для выпекания пирогов с джемом, вареньем и другими фруктовыми начинками. Для выпечки и приготовления жаркого сочетайте функцию конвекции с работой верхнего и нижнего нагревательных элементов. Температуру нужно выставить в диапазоне от 160 до 220 градусов.

Мясо и птицу лучше всего готовить при высоких температурах (свыше 220 градусов), чтобы сохранить их сочность. Для этой цели применяется сочетание конвектора и гриля.

Теперь вы знаете, как пользоваться конвекцией для приготовления блюд. Что касается разморозки продуктов, для которой также используется циркуляция воздуха, то нагрев в этом случае не включается. Мясо, рыба и другие ингредиенты размораживаются также быстро, как и в микроволновой печи, а на кухне при этом не будет неприятного запаха.

Если вы заготавливаете впрок сухофрукты, сушите грибы или травы, используйте для этого конвекционный духовой шкаф. Чтобы ускорить процесс, достаточно установить невысокую температуру (до 80 градусов). В зависимости от типа продуктов сушка займет 4–6 часов.

Какую посуду использовать?

Нужна ли для приготовления с использованием встроенного вентилятора специальная конвекционная посуда? В отличие от микроволновых печей, духовые шкафы с конвекцией не предъявляют особых требований к кухонной утвари. То есть, используя режим, вы можете готовить в самой обычной посуде.

Кое-что идет в комплекте с духовым шкафом. Чаще всего это два вида противней. Один из них – глубокий, применяемый для запекания. Противень стандартной глубины хорошо подойдет для выпечки. Некоторые производители комплектуют духовые шкафы посудой с антипригарным покрытием.

Для приготовления на гриле чаще всего используется специальная решетка. Как мы уже говорили, режим конвекции позволяет обойтись без применения вертела – нагрев будет равномерным со всех сторон. Чтобы жир не попадал на стенки камеры, под решеткой рекомендуется установить противень.

Для приготовления в конвекционной печи используются и другие виды посуды, в частности формы для запекания. Они могут быть изготовлены из самых разных материалов: эмалированной и нержавеющей стали, жаропрочного стекла, керамики. Большую популярность приобрели формы из силикона.

Некоторые блюда требуют особой посуды. Гуся или утку лучше запечь в утятнице – емкости овальной формы, оснащенной крышкой. Раньше утятницы были исключительно чугунными, но сейчас можно найти модели из стекла и керамики. Для приготовления жульена необходима кокотница – небольшая чашечка с ручкой. Любителям фуа-гра и паштетов пригодится террин – прямоугольная емкость из керамики или чугуна.

Что такое принудительная конвекция?

На самом деле конвекция имеется в каждом духовом шкафу, даже если он не оборудован встроенным вентилятором. Все мы в школе учили физику и знаем, что нагретый воздух поднимается вверх, а остывая, он снова опускается. Такую конвекцию принято называть естественной. Обратите внимание – в противнях, которыми комплектуются духовые шкафы, по бокам есть отверстия. Они сделаны специально для циркуляции воздуха.

Но естественное перемещение воздушных слоев – процесс довольно медленный. Наличие конвектора способно ускорить его в несколько раз. Принудительная конвекция – это постоянная циркуляция воздуха под воздействием встроенного вентилятора. Благодаря ей эффективность работы духовки значительно увеличивается.

Как выбрать конвекционный духовой шкаф?

Выбрать подходящую духовку с конвекцией несложно – практически каждый производитель может предложить широкий модельный ряд. Внимание при этом стоит обращать не только на наличие конвектора и его конструкцию, но и на другие характеристики, чтобы не переплачивать за ненужные навороты.

Все конвекционные духовки встраиваются в кухонный гарнитур. Вам придется выбрать способ установки – зависимый или независимый. Первый тип приборов не может устанавливаться и работать отдельно от варочной поверхности – панель управления у них общая. Независимые модели дороже, зато вы сможете поставить духовку в любом удобном для вас месте.

Второй важный критерий выбора – управление. Духовки с конвекцией могут оснащаться механическими поворотными переключателями или сенсорными панелями. Встречаются и комбинации этих типов управления: температура и режим выбираются при помощи регуляторов, а за дополнительный функционал отвечает электронный программатор. Все введенные настройки и ход работы отображаются на дисплее.

Каждая дополнительная функция увеличивает стоимость духового шкафа. Поэтому, прежде чем покупать модель с двумя десятками режимов приготовления и сотней автоматических программ, подумайте – а будете ли вы всем этим пользоваться? Действительно полезными являются функции безопасности: блокировка от детей, тангенциальное охлаждение, защитное отключение, газ-контроль.

Обратите внимание и на оснащение внутренней камеры, в первую очередь на направляющие для противней. Они могут быть штампованными (самый бюджетный вариант), хромированными или телескопическими. Последний вариант дорогой, но наиболее удобный. Телескопические направляющие – это полозья, на которые устанавливается противень. Вы сможете вынуть его одним движением и не держать на весу.

Многие хозяйки любят готовить, но мало кому нравится чистить после этого духовку. Если и вы не хотите тратить на это время, выбирайте модель с функцией самоочистки. Самой продвинутой технологией является пиролиз – сжигание загрязнений при высокой температуре (до 500 градусов). Пиролитическая очистка возможна только в электрических духовых шкафах с конвекцией. А вот каталитическая может использоваться и в газовых моделях. Стенки камеры покрываются специальной эмалью, содержащей катализаторы, которые при нагревании расщепляют жир. Самый дешевый способ очистки – гидролиз. Загрязнения размягчаются при помощи пара, а затем удаляются вручную.

Мы надеемся, что наши советы помогут вам выбрать духовку с функцией конвекции. В каталоге нашего интернет-магазина представлено множество моделей по очень выгодной цене. Мы реализуем продукцию от самых известных производителей, предоставляя на все товары официальную гарантию.

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?

Конвекция | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Конвекция — это название средства теплопередачи в отличие от теплопроводности и излучения. Это также термин, который описывает процессы, влияющие на атмосферу, воду и твердую землю. В атмосфере горячий воздух поднимается за счет конвекционных потоков, циркулируя и создавая облака и ветры. Точно так же конвекция в гидросфере обеспечивает циркуляцию воды, поддерживая стабильные температурные градиенты океанов. Термин конвекция обычно относится к движению жидкостей, то есть жидкостей и газов, но в науках о Земле конвекция также может использоваться для описания процессов, происходящих в твердой Земле.Эта геологическая конвекция, как известно, приводит в движение движение плит, что является одним из ключевых аспектов тектоники плит.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Введение в конвекцию

Некоторые концепции и явления пересекают дисциплинарные границы в науках о Земле, например, физический процесс конвекции. Это в равной степени актуально для ученых, работающих в геологических, атмосферных и гидрологических науках или в областях изучения геосферы, атмосферы и гидросферы, соответственно.Единственным важным компонентом земной системы, на который конвекция не оказывает прямого воздействия, является биосфера, но, учитывая высокую степень взаимосвязи между различными подсистемами, конвекция косвенно влияет на биосферу в воздухе, водах и твердой земле.

Конвекцию можно определить как вертикальную циркуляцию, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре, и включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое.В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Обычно это означает жидкости и газы, но в науках о Земле это может относиться даже к медленным твердым телам. На протяжении огромного промежутка времени, изученного учеными-землеведами, чистый поток твердых тел при определенных обстоятельствах (например, лед в ледниках) может быть значительным.

Конвекция и тепло

Как указано в предыдущем абзаце, конвекция тесно связана с теплом и температурой и косвенно связана с другим явлением, тепловой энергией.То, что люди обычно называют теплом , на самом деле является тепловой энергией или кинетической энергией (энергией, связанной с движением), производимой молекулами, движущимися относительно друг друга.

Тепло в его научном понимании — это внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного тела материи к другому или от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой. Таким образом, температуру можно определить как меру средней молекулярной кинетической энергии системы. Температура также определяет направление внутреннего потока энергии между двумя системами.Говорят, что две системы при одинаковой температуре находятся в состоянии теплового равновесия; когда это происходит, теплообмен отсутствует, и поэтому тепло передается только между двумя системами.

Холод не бывает, есть только отсутствие тепла. Если тепло существует только при передаче между системами, из этого следует, что направление теплового потока всегда должно быть от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой.
(Этот факт воплощен во втором законе термодинамики, который обсуждается, наряду с другими упомянутыми здесь темами, в книге «Энергия и Земля».) Передача тепла происходит тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

ПРОВОДИМОСТЬ И ИЗЛУЧЕНИЕ.

Проводимость включает в себя последовательные столкновения молекул и передачу тепла между двумя контактирующими телами. Обычно это происходит в твердом теле. Конвекция требует движения жидкости из одного места в другое, и, как мы уже отметили, она может происходить в жидкости, газе или почти твердом теле, которое ведет себя как медленно текущая жидкость. Наконец, излучение включает в себя электромагнитные волны и не требует физической среды, такой как вода или воздух, для передачи.

Если вы поместите один конец металлического стержня в огонь, а затем через несколько минут дотронетесь до «холодного» конца, вы обнаружите, что он уже не холодный. Это пример нагрева за счет теплопроводности, при котором кинетическая энергия передается от молекулы к молекуле так же, как секрет передается от одного человека к другому по ряду людей, стоящих плечом к плечу. Так же, как первоначальная формулировка секрета искажается, некоторая кинетическая энергия неизбежно теряется в серии передач, поэтому конец стержня вне огня все еще намного холоднее, чем тот, который сидит в огне.

Что касается излучения, то оно отличается от проводимости и конвекции тем, что для его передачи не требуется среда. Это объясняет, почему космос холодный, но солнечные лучи согревают Землю: лучи представляют собой форму электромагнитной энергии, и они перемещаются посредством излучения в космосе. Космос — это, конечно, фактическое отсутствие среды, но при входе в атмосферу Земли тепло от электромагнитных лучей передается различным средам в атмосфере, гидросфере, геосфере и биосфере.Затем это тепло передается посредством конвекции и теплопроводности.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ПО КОНВЕКЦИИ.

Конвекция, как и проводимость, и в отличие от излучения, требует среды. Однако при теплопроводности тепло передается от одной молекулы к другой, тогда как при конвекции сама нагретая жидкость фактически движется. При этом он удаляет или вытесняет холодный воздух на своем пути. Течение нагретой жидкости в этой ситуации называется конвекционным током.

Конвекция бывает двух видов: естественная и принудительная.Подъем нагретого воздуха является примером естественной конвекции. Горячий воздух имеет меньшую плотность, чем более холодный воздух в атмосфере над ним, и поэтому обладает плавучестью; однако при подъеме теряет энергию и охлаждается. Этот охлажденный воздух, теперь более плотный, чем окружающий его воздух, снова опускается, создавая повторяющийся цикл, порождающий ветер.

Принудительная конвекция возникает, когда насос или другой механизм перемещает нагретую жидкость. Примеры устройств с принудительной конвекцией включают некоторые типы духовок и даже холодильников или кондиционеров.Как отмечалось ранее, можно передавать тепло только от высокотемпературного резервуара к низкотемпературному, и, таким образом, эти охлаждающие машины работают за счет удаления горячего воздуха. Холодильник забирает тепло из своего отсека и отводит его в окружающую комнату, в то время как кондиционер забирает тепло из комнаты или здания и выводит его наружу.

Принудительная конвекция не обязательно связана с искусственными машинами: человеческое сердце — это насос, а кровь переносит избыточное тепло, выделяемое телом, к коже.Тепло проходит через кожу посредством теплопроводности, и на поверхности кожи оно выводится из организма различными способами, в первую очередь за счет охлаждения испарения пота.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Конвективные ячейки

Одним из важных механизмов конвекции, будь то в воздухе, воде или даже твердой земле, является конвективная ячейка, иногда известная как конвекционная ячейка. Последний может быть определен как круговой узор, созданный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Конвективные ячейки могут быть всего несколько миллиметров в поперечнике или быть больше, чем сама Земля.

Эти клетки можно наблюдать по разным шкалам. Внутри тарелки с супом нагретая жидкость поднимается вверх, а остывшая — капает. Эти процессы обычно трудно увидеть, если речь идет не о японском супе мисо. В этом случае можно наблюдать, как кусочки соевой пасты или мисо поднимаются при нагревании, а затем опускаются внутрь, чтобы снова нагреться.

В гораздо большем масштабе конвективные ячейки присутствуют на Солнце.Эти огромные клетки появляются на поверхности Солнца в виде зернистого узора, образованного
колебания температуры между частями клетки. Яркие пятна — это вершина восходящих конвекционных потоков, в то время как темные области — это охлажденный газ, направляющийся внутрь Солнца, где он нагревается и снова поднимается.

Кучево-дождевое облако, или «гроза», является особенно ярким примером конвекционной ячейки. Это одни из самых ярких облачных образований, которые когда-либо приходилось видеть, и по этой причине режиссер Акира Куросава использовал сцены из
катящиеся грозовые тучи, чтобы добавить атмосферности (в буквальном смысле) своему эпическому фильму « Ran» 1985 года. В течение всего нескольких минут эти вертикальные башни облаков образуются, когда теплый влажный воздух поднимается, затем охлаждается и опускается. В результате получается облако, которое, кажется, олицетворяет силу и беспокойство, отсюда Куросава использует кучево-дождевые облака в сцене, которая происходит накануне битвы.

МОРСКОЙ БРИЗ.

Конвективные ячейки вместе с конвекционными потоками помогают объяснить, почему на пляже обычно дует ветер. На берегу моря, конечно же, есть поверхность суши и вода, на которые падает свет Солнца.При таком воздействии температура земли повышается быстрее, чем воды. Причина в том, что вода имеет чрезвычайно высокую удельную теплоемкость — то есть количество тепла, которое необходимо добавить или отвести от единицы массы, чтобы данное вещество изменило свою температуру на 33,8 ° F (1 ° C). Таким образом, озеро, ручей или океан — всегда хорошее место, чтобы охладиться в жаркий летний день.

Таким образом, земля нагревается быстрее, как и воздух над ней. Этот нагретый воздух поднимается в виде конвекционного потока, но по мере того, как он поднимается и преодолевает силу тяжести, он расходует энергию и поэтому начинает охлаждаться.Затем охлажденный воздух опускается. И так далее: нагретый воздух поднимается вверх, а охлаждающий воздух опускается вниз, образуя конвективную ячейку, которая непрерывно циркулирует воздух, создавая легкий ветерок.

КОНВЕКТИВНЫЕ КЛЕТКИ ПОД НАШИМИ НОГАМИ.

Конвективные ячейки также могут существовать в твердой Земле, где они вызывают сдвиг пластин (подвижных сегментов) литосферы — верхнего слоя недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии. Таким образом, они играют роль в тектонике плит, одной из важнейших областей изучения наук о Земле.Тектоника плит объясняет множество явлений, от дрейфа континентов до землетрясений и вулканов. (См. «Тектоника плит» для получения более подробной информации по этому вопросу.)

В то время как электромагнитная энергия Солнца является источником тепла за атмосферной конвекцией, энергия, которая движет геологической конвекцией, является геотермальной и поднимается из ядра Земли в результате радиоактивного распада. (См. Энергия и Земля.) Конвективные ячейки образуются в астеносфере, области чрезвычайно высокого давления на глубине около 60-215 миль.(около 100-350 км), где горные породы деформируются огромными напряжениями.

В астеносфере нагретый материал поднимается в конвекционном потоке, пока не достигнет нижней части литосферы (верхнего слоя земной коры и верхней части мантии), за пределы которой он не может подняться. Таким образом, он начинает двигаться горизонтально или горизонтально и при этом увлекает за собой часть литосферы. В то же время этот нагретый материал отталкивает на своем пути более холодный и плотный материал.Более холодный материал опускается ниже в мантию (толстый, плотный слой породы, толщиной примерно 1429 миль [2300 км], между земной корой и ядром), пока он снова не нагревается и в конечном итоге поднимается вверх, таким образом распространяя цикл.

Проседание: ясная погода и ненастье

Как и в случае конвективных ячеек, проседание может происходить в атмосфере или геосфере. Термин проседание может относиться либо к процессу проседания со стороны воздуха или твердой земли, либо, в случае твердой земли, к образовавшейся формации.Таким образом, это определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земле. В данном контексте мы обсудим атмосферное проседание, которое более тесно связано с конвекцией. (Подробнее о геологических
осадки, см. статьи «Геоморфология и массовая истощение».)

В атмосфере проседание является результатом нарушения нормального восходящего потока конвективных течений. Эти потоки могут действовать, создавая конвективную ячейку, как мы видели, что приводит к потоку бриза.Водяной пар в воздухе может конденсироваться при охлаждении, переходя в жидкое состояние и образуя облака. Конвекция может создать область низкого давления, сопровождаемую сходящимися ветрами, у поверхности Земли, явление, известное как циклон. С другой стороны, если происходит оседание, это приводит к образованию области высокого давления, известной как антициклон.

Частицы воздуха продолжают подниматься в конвективных потоках до тех пор, пока плотность их верхней части не сравняется с плотностью окружающей атмосферы, после чего столб воздуха стабилизируется.С другой стороны, проседание может произойти, если воздух на высоте в несколько тысяч футов станет плотнее, чем окружающий воздух, но при этом не обязательно будет холоднее или влажнее. На самом деле этот воздух необычно сухой и может быть теплым или холодным. Его плотность затем заставляет его тонуть, и при этом он сжимает
воздух вокруг него. Результат — высокое давление у поверхности и расходящиеся ветры прямо над поверхностью.

Описанная здесь форма атмосферного оседания дает приятные результаты, объясняющие, почему системы высокого давления обычно ассоциируются с хорошей погодой.С другой стороны, если оседающий воздух оседает на более прохладном слое воздуха, это создает так называемую инверсию оседания, и результаты гораздо менее полезны. В этой ситуации слой теплого воздуха оказывается зажат между более холодными слоями выше и ниже него на высоте нескольких сотен или даже нескольких тысяч футов. Это означает, что загрязненный воздух также задерживается, создавая потенциальную опасность для здоровья. Инверсии проседания чаще всего происходят на крайнем севере зимой и на востоке США в конце лета.

Когда не-жидкость действует как жидкость

До этого момента мы говорили в основном о конвекции в атмосфере и геосфере, но она также важна для океанов. Приведенный ранее пример мисо-супа иллюстрирует движение жидкости и, следовательно, частиц, которое может происходить, когда в жидкости создается конвективная ячейка.

Точно так же в океане конвекция, вызванная как теплом с поверхности, так и, в большей степени, геотермальной энергией на дне, поддерживает постоянную циркуляцию воды.Конвекция океана приводит к переносу тепла на глубину и поддерживает стабильную стратификацию океана. Другими словами, слои или слои, соответствующие различным уровням температуры, остаются стабильными и не сильно колеблются.

Океанские воды соответствуют наиболее распространенному повседневному определению жидкости, но, как отмечалось в начале этого эссе, жидкостью может быть все, что течет, включая газ или, в особых случаях, твердое тело. Твердые породы или твердый лед в форме ледников можно заставить течь, если материалы достаточно деформированы.Это происходит, например, когда вес ледника деформирует лед на дне, вызывая движение ледника в целом. Точно так же геотермальная энергия может нагревать горную породу и заставлять ее течь, приводя в движение описанный ранее конвективный процесс тектоники плит, который буквально перемещает Землю.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Пособие для преподавателя по конвекции (веб-сайт). .

Эриксон, Джон. Тектоника плит: разгадывая тайны Земли. New York: Facts on File, 1992.

Hess, Harry. «История океанических бассейнов» (Интернет-сайт). .

Джонс, Хелен. Глубокая конвекция в открытом океане: полевой справочник (веб-сайт). .

Руководство для учителя Ocean Oasis Задание 4 (веб-сайт). .

Сантри, Лоуренс и Ллойд Бирмингем. Тепло. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.

Scorer, R. S., and Arjen Verkaik. Просторное небо. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.

Sigurdsson, Haraldur. Таяние Земли: История идей об извержениях вулканов. New York: Oxford University Press, 1999.

Скиннер, Брайан Дж., Стивен С. Портер и Дэниел Б. Боткин. Голубая планета: введение в науку о земных системах. 5-е изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья, 1999.

Смит, Дэвид Г. Кембриджская энциклопедия наук о Земле. Нью-Йорк: Cambridge University Press, 1981.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

АСТЕНОСФЕРА:

Область чрезвычайно высокого давления, лежащая под литосферой, где горные породы деформируются под действием огромных напряжений. Астеносфера находится на глубине около 60-215 миль. (около 100-350 км).

АТМОСФЕРА:

В общем, атмосфера — это газовый покров, окружающий планету. Однако, если не указано иное, термин относится к атмосфере Земли, которая состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0.93%) и другие вещества, включая водяной пар, диоксид углерода, озон и благородные газы, такие как неон, которые вместе составляют 0,07%.

BIOSPHERE:

Комбинация всего живого на Земле — растений, животных, птиц, морских обитателей, насекомых, вирусов, одноклеточных организмов и т. Д. — а также всех ранее живых существ, которые еще не разложились.

ПРОВОДИМОСТЬ:

Передача тепла путем последовательных столкновений молекул. Электропроводность является основным средством передачи тепла в твердых телах, особенно в металлах.

КОНВЕКЦИЯ:

Вертикальная циркуляция, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре. Конвекция включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое и бывает двух типов: естественная и принудительная. (См. естественная конвекция, принудительная конвекция. )

КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК:

Поток материала, нагретый посредством конвекции.

КОНВЕКЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА:

Круглый узор, созданный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Иногда это называют конвекционной ячейкой.

ЯДРО:

Центр Земли, площадь, составляющая около 16% объема планеты и 32% ее массы. Сделанный в основном из железа и другого, более легкого элемента (возможно, серы), он разделен на твердое внутреннее ядро ​​с радиусом около 760 миль (1220 км) и жидкое внешнее ядро ​​около 1750 миль. (2820 км) толщиной.

КОРА:

Самая верхняя часть твердой земли, составляющая менее 1% ее объема и меняющаяся по глубине от 3 до 37 миль.(От 5 до 60 км). Ниже коры находится мантия.

FLUID:

В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Жидкости могут быть как жидкостями, так и газами. В науках о Земле иногда вещества, которые кажутся твердыми (например, лед в ледниках), на самом деле текут медленно.

ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате действия насоса или другого механизма (искусственного или естественного), направляя нагретую жидкость в определенное место.

ГЕОСФЕРА:

Верхняя часть континентальной коры Земли или та часть твердой земли, на которой живут люди и которая обеспечивает их большей частью пищи и природных ресурсов.

HEAT:

Внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного материального тела к другому.

ГИДРОСФЕРА:

Вся вода Земли, за исключением водяного пара в атмосфере, но включая все океаны, озера, ручьи, грунтовые воды, снег и лед.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой обладает объект благодаря своему движению.

ЛИТОСФЕРА:

Верхний слой недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии.

MANTLE:

Плотный слой скальной породы, примерно 1429 миль. (2300 км), между земной корой и ее ядром.

ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате плавучести нагретой жидкости, которая заставляет ее подниматься.

PLATE TECTONICS:

Название теории и одного из направлений тектоники.Как область изучения тектоника плит имеет дело с крупными особенностями литосферы и силами, которые их формируют. В качестве теории он объясняет процессы, которые сформировали Землю в виде плит и их движения.

ПЛИТ:

Большие подвижные сегменты литосферы.

ИЗЛУЧЕНИЕ:

Передача энергии с помощью электромагнитных волн, для передачи которых не требуется физическая среда (например, вода или воздух). Земля получает энергию Солнца через электромагнитный спектр посредством излучения.

СУБСИДЕНЦИЯ:

Термин, который относится либо к процессу погружения со стороны воздуха или твердой Земли, либо, в случае твердой Земли, к образовавшемуся образованию. Таким образом, проседание определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земной коре.

СИСТЕМА:

Любой набор взаимодействий, который можно мысленно отделить от остальной вселенной для целей изучения, наблюдения и измерения.

TECTONICS:

Изучение тектонизма, включая его причины и следствия, в первую очередь горообразование.

ТЕКТОНИЗМ:

Деформация литосферы.

ТЕМПЕРАТУРА:

Направление внутреннего потока энергии между двумя системами при передаче тепла. Температура измеряет среднюю молекулярную кинетическую энергию при передаче между этими системами.

ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ:

Тепловая энергия, форма кинетической энергии, производимой движением атомных или молекулярных частиц по отношению друг к другу. Чем больше относительное движение этих частиц, тем больше тепловая энергия.

Конвекция в науке: определение, уравнения и примеры — видео и стенограмма урока

Что такое конвекционные токи?

Вы когда-нибудь держали руку над кастрюлей с кипящей водой? Вы, наверное, не смогли бы удерживать его там долго. Но когда вы кладете руку рядом с того же банка, она чувствует себя прекрасно. Почему так случилось? Из-за конвекции!

Существует три типа теплопередачи: теплопередача, конвекция и излучение. Конвекция — это тип теплообмена, который может происходить только в жидкостях и газах, потому что он включает эти жидкости или газы, физически движущиеся.

Конвекция возникает при разнице температур между двумя частями жидкости или газа. Горячая часть жидкости поднимается, а более холодная опускается. Но давайте возьмем пример, чтобы подумать о , почему это происходит с , чтобы не предположить, что у жидкости есть собственный разум.

После дня хороших, основательных знаний пора сделать перерыв. Вы ставите чайник, чтобы заварить чашку чая. Чайник нагревает воду снизу, давая молекулам у дна больше кинетической энергии (энергии движения).Это дополнительное движение позволяет молекулам немного разойтись. Если они больше разнесены, значит, вода менее плотная. Холодная вода обычно плотнее горячей.

Конвекционные токи в кипящей воде — кастрюле или чайнике

Что произойдет, если вы поместите что-то менее плотное внутрь более плотного? Что ж, попробуйте положить пробку под воду. Вы не удивитесь, увидев, как он прыгнет прямо на поверхность.Таким же образом горячая вода на дне чайника менее плотная, чем холодная вода над ним, поэтому она будет подниматься на поверхность. Попав туда, он снова остывает, потому что находится дальше от нагревательного элемента. Это заставляет его становиться более плотным и тонуть.

Эти движения воды являются конвекционными потоками, поэтому кипящая вода так сильно перемещается. Вода нагревается и становится менее плотной, затем поднимается и охлаждается, снова становясь более плотной, пока не тонет.Этот процесс повторяется снова и снова. И все это из-за простой разницы температур между верхом и низом чайника.

Итак, буквально минуту назад я спросил вас, почему над кипящей водой так жарко, когда совершенно удобно положить рядом с ним руку. Причина этого — конвекционные токи. Это потому, что нарастает жара. Когда вы кладете руку рядом с горшком, вы получаете энергию через другие типы теплопередачи, такие как теплопроводность и излучение. Но не очень.Однако над ним вы добавляете в смесь конвекцию. Нагретый воздух буквально поднимается к вам к руке.

Учебное пособие по физике

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

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

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

Проводимость — вид частиц

Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток подразумевает передачу тепла от одного места к другому при отсутствии какого-либо материального потока. Нет никакого физического или материального перехода от горячей воды к холодной. Только энергия передается от горячей воды к холодной.Кроме потери энергии, от горячей воды больше ничего не ускользнет. И кроме 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 в недвижимости) является самым дальним продолжением собственности, так и периметр объекта является самым дальним продолжением частиц в образце материи.По периметру маленькие бэнгеры сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже с окружающим воздухом. Даже вигглеры, закрепленные по периметру, трясутся. Находясь по периметру, их шевеление приводит к столкновениям с находящимися рядом частицами; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

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

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от высокотемпературного объекта низкотемпературному объекту. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить в терминах суммарного эффекта столкновений целой группы маленьких бомжей .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 по внешнему периметру металла могут столкнуться с частицами в холодной воде. Столкновения между частицами металлической банки и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде.Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, где частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию.На макроскопическом уровне можно наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому посредством столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не движется через 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 сталкиваются с своими соседями 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 конвекцией

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. И 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 в этих ситуациях тепла поднимается до . 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.

Передача тепла излучением

Последний метод передачи тепла включает излучение. Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн. Для излучать означает посылать или распространять из центра. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветов, спицы колес или боль, если что-то излучает , то 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 космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия высвобождается, пропорциональна температуре Кельвина (Т), 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 его называют спектром излучения . По мере увеличения температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются.Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимой области спектра. К счастью, это обеспечивает удобное предупреждение для пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, в которой находится нить накала.Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение — это форма передачи тепла, 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 цвета на 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.

Примеры конвекции

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

Что такое конвекция?

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

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

Примеры конвекции в повседневной жизни

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

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

Примеры конвекции в метеорологии

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

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

Примеры конвекции, связанной с движением воздуха

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

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

Примеры конвекции, связанные с геологией

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

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

Конвекция, связанная со звездами

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

Осмысление конвекции

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

Методы теплопередачи | Физика

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудите различные методы передачи тепла.

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.Яркий 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 вашим рукам, когда вы держите чашку горячего кофе.
  • Конвекция: теплопередача, когда бариста «пропаривает» холодное молоко, чтобы сделать горячее какао .
  • Излучение: разогрев холодной чашки 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 предназначена для подавления всех способов теплопередачи.
  5. На рисунке показан вид термоса в разрезе с обозначенными различными частями.

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

Конвекция — обзор | Темы ScienceDirect

4.1 Доставка с усилением конвекции

CeD появился как многообещающий подход для доставки терапевтических средств внутрь мозга, а также решает многие из вышеупомянутых проблем. Этот метод включает прямое введение лекарств в мозг, чтобы обойти ГЭБ, улучшая распределение лекарств по паренхиме мозга. Он включает в себя стереотаксическое размещение нескольких катетеров через черепные отверстия нескольких катетеров в паренхиму мозга и последующую инфузию противоопухолевых агентов или других терапевтических агентов через микроинфузионный насос (рис.9). CeD использует градиент давления, установленный на кончике инфузионного катетера, чтобы протолкнуть лекарство во внеклеточное пространство, что приводит к более равномерному распределению лекарства в более высоких концентрациях и на большей площади, чем при введении только путем диффузии [90]. CeD обеспечивает прямой доступ к ложу опухоли, что приводит к высоким локальным концентрациям препарата с минимальной системной абсорбцией. CeD обладает способностью достигать перитуморальной области и за ее пределами и поэтому предпочтителен при лечении злокачественных глиом, поскольку рецидив обычно происходит в пределах сантиметров от исходной опухоли [91].Наиболее эффективными агентами для ЦеД являются те, которые плохо транспортируются через ГЭБ, поскольку они не будут перемещаться из интерстиция обратно через ГЭБ в системный кровоток, тем самым сводя к минимуму системную токсичность. Хотя CeD в первую очередь оценивался для применения противоопухолевых агентов, в настоящее время этот метод можно использовать для введения широкого спектра агентов, например, для лечения болезни Альцгеймера и эпилепсии. Этот метод был описан в опубликованных доклинических и ранних клинических исследованиях.

Рис. 9. Система доставки с усилением конвекции с использованием микроинфузионного насоса. Молекулы вводятся через канюлю, вставленную в мишень. На кромке канюли поддерживается постоянное положительное давление, приводимое в действие насосом для микроинфузии.

Многочисленные препараты были предложены в качестве потенциальных кандидатов для систем ЦД. Юн и др. [92] сообщили в своем исследовании, что CeD — это жизнеспособный метод широкого распределения аденовирусных частиц по трактам белого вещества в модели грызунов.Последующая модификация этих частиц надпарамагнитными частицами оксида железа характеризует сигнатуры МРТ, которые позволят отслеживать распределение векторов в реальном времени.

Кроме того, Bruce et al. [93] продемонстрировали способность CeD проводить химиотерапию и эффективно лечить опухоли, обходя при этом ГЭБ и сводя к минимуму системную токсичность. В этих клинических исследованиях использовались внешние катетеры, которые из-за увеличения риска инфицирования при более длительном размещении сокращали период лечения до 4 дней.

Sonabend et al. [94] использовали одобренный FDA имплантируемый подкожный насос (Synchromed II, Medtronic; Миннеаполис, Миннесота) для лечения спастичности и хронической боли на модели свиньи. Насос был имплантирован в подкожный карман на спине свиньи, а катетер из силиката был введен подкожно и введен во фронтальное белое вещество. Резервуар заполняли смесью топотекана и / или гадолиния и вводили в течение 10 дней. Объемы распределения отслеживались с помощью серийных МРТ, а безопасность и токсичность оценивались ежедневно.Топотекан сохранил свою противоопухолевую биоактивность после длительного воздействия физиологических условий и оказался безопасным. Наряду с переносимостью имплантированной помпы, эти результаты дают основания для перевода этой системы в клинические испытания, и авторам было предложено использовать эту систему для лечения глиом человека.

Однако у CeD есть свои ограничения, и по мере развития техники был отмечен и устранен ряд физических ограничений. К ним относятся обратный поток, пузырьки воздуха, ограничения, окружающие поток в ткани головного мозга, отек белого вещества, неоднородность мишеней, активные опухоли / BBBD, проблемы с соотношением объема инфузии к объему распределения и, наконец, скорость потока [95].Среди них много традиционных переменных, связанных с фармакологией, включая период полувыведения лекарственного средства и скорость выведения из ткани, а также переменные, специфичные для ЦД.

Проводимость, конвекция и излучение | IOPSpark

Энергия, передаваемая посредством проводимости

Энергия и теплофизика

Проводимость, конвекция и излучение

Руководство для преподавателей
для 11-14
14–16

Теплопроводность

Проводимость — это способ передачи энергии (посредством нагревания путем контакта) от горячего тела к более холодному (или от горячей части объекта к более холодной части).Это результат движения частиц: быстрые или энергично движущиеся частицы сталкиваются с менее энергичными частицами и заставляют их двигаться быстрее или сильнее вибрировать.

Перед тем, как приступить к каким-либо другим экспериментам, ученики могут прикоснуться к нескольким предметам в комнате и разделить их на те, которые кажутся теплыми на ощупь, и те, которые кажутся холодными на ощупь. Если на них не падает солнечный свет или они не находятся рядом с обогревателем:

  • все материалы имеют одинаковую температуру
  • , что температура, вероятно, будет ниже температуры тела.

Поскольку объекты имеют более низкую температуру, энергия передается от рук учащихся к объекту. Однако, даже если все они имеют одинаковую температуру, некоторые материалы будут холоднее. Это те, что лучше дирижируют. Причина, по которой они чувствуют себя холоднее, заключается в том, что, будучи хорошими проводниками, они быстро передают энергию по всему объекту. Или, другими словами, хороший проводник не может поддерживать разницу температур между предметом, который держат ученики, и остальным предметом.Следовательно, ученик должен повысить температуру всего объекта , а не только той части, которую он держит.

Тепловая конвекция

Энергия может переноситься из одного места в другое путем оптового движения среды: более теплая жидкость движется, вытесняя более холодную жидкость, и, таким образом, передает энергию конвекционными потоками. Это больше похоже на то, как ученик передает сообщение в письме другим, а не просто передает его по очереди, как в случае с дирижированием.

Радиация

Радиация сильно отличается от теплопроводности и конвекции. Дело не в том, что что-то горячее несет энергию, или в атомах, передающих энергию от одного к другому. Горячие предметы производят электромагнитные волны и поэтому остывают, если мы не держим их горячими. Когда электромагнитные волны ударяются о что-либо, они поглощаются и могут повысить его температуру.

Энергия, передаваемая каждым фотоном электромагнитного излучения, равна {hf} (постоянная Планка, умноженная на частоту излучения).Все частоты передают кванты энергии. Энергия, передаваемая квантом ультрафиолетового излучения, больше, чем квант инфракрасного излучения. Однако горячее тело излучает больше инфракрасного излучения, чем более холодное. Один ватт зеленого света дает столько же тепла, сколько один ватт инфракрасного света. Нет никаких особых видов тепловых лучей или теплового излучения. Электромагнитные волны только увеличивают тепловую энергию, запасаемую объектом, когда они поглощаются; они не передают энергию при прохождении через полностью прозрачную среду или при отражении от идеально отражающего зеркала.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.