Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками жидкости или газа, то есть сопровождается переносом вещества.
Теплопередача. Теплопроводность металлов. Конвекция. Излучение
Всем известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. Однако нам пока что неизвестно, каким же образом это происходит? Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твёрдых телах, жидкостях и газах? И какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведём эксперимент.
Возьмём железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени спиртовки.
Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдёт гораздо быстрее, и вскоре мы не сможем удержать гвоздь, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы ещё долго сможем держать, хотя со временем и её температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.
В рассмотренном нами эксперименте происходит перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Вы сами можете привести множество примеров такого переноса теплоты.
Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается.
Проведём ещё один опыт. К металлическому стержню, закрепленному в штативе, с помощью воска или пластилина прикрепим несколько кнопок. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.
|
|
|
Через некоторое время мы увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт та кнопка, которая находится ближе к пламени, а затем поочерёдно все остальные.
Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.
Почему это происходит? Попробуем разобраться, используя знания, полученные нами на предыдущих уроках.
Мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) частицы взаимодействуют между собой, потенциальная энергия их велика, и они могут совершать колебательные движения около определенных положений. Модель структуры твердого тела (металла) можно представить в виде кристаллической решётки.
Модель кристаллической решётки
Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.
Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного человека к другому в цепочке стоящих рядом, взявшихся за руки людей. Если один человек будет смещаться, то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных.
|
|
|
Обращаем внимание на то, что перемещение вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой, не происходит, но при этом передаётся энергия.
Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.
Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная.
Чтобы в этом убедиться, проделаем следующий опыт. Возьмём сосуд с горячей водой и стержни одинакового размера из различных материалов, например, из серебра, латуни, стали, стекла и дерева. Верхние концы стержней погрузим в сосуд так, чтобы они прогревались водой. А к свободным нижним концам этих стержней прикрепим воском или пластилином кнопки.
Через некоторое время мы заметим, что первым отпадает кнопка от серебряного стержня. Значит серебро — это очень хороший проводник тепла. Затем отпадает гвоздик от стержня из латуни, а потом и от стального.
|
|
|
Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Значит, дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность.
Так теплопроводность дерева примерно в три тысячи раз меньше теплопроводности серебра. Убедиться в этом можно на опыте. Деревянную или стеклянную палочку можно безопасно держать рукой, в то время как другой ее конец, находящийся в пламени спиртовки, уже горит или плавится.
Становится понятным, почему деревянные дома лучше сохраняют тепло, чем кирпичные, почему ручки паяльников, кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева.
Материалы, которые очень плохо проводят тепло, называют теплоизоляторами.
Теперь зададимся вопросом, а могут ли проводить теплоту газы? Что бы на него ответить, проделаем такой опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Можно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.
Приведём ещё несколько примеров. И так, все вы знаете, что фен выдувает горячий воздух за счёт электрической энергии, которую он потребляет из сети.
|
|
|
Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить.
Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счёт небольшого слоя воздуха между ними.
Двойные стёкла в оконной раме
Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разреженные газы практически не проводят теплоту. Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.
Такими образом, теплопроводность газов очень малая, особенно по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел. Так, например, теплопроводность обычного воздуха, которым мы с вами дышим, почти в 10 000 раз меньше, чем теплопроводность меди.
А теперь давайте выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Так как взаимодействие молекул у жидкостей значительное, то перенос энергии молекулами у них лучше, чем у газов, но хуже, чем у твёрдых тел. Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. Возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет. Будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.
Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. Это говорит о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово и так далее) обладают хорошей теплопроводностью.
Таким образом, теплопроводность жидкости действительно занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность. Это объясняется тем, что между их волокнами содержатся частички воздуха.
Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.
Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых в вакууме попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.
Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Но нём мы поговорим с вами в следующий раз.
На прошлом уроке мы с вами подробно рассмотрели один из видов теплопередачи — теплопроводность. Давайте вспомним, что теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой при их непосредственном контакте.
Ещё раз обратим внимание на то, что при теплопроводности не происходит переноса вещества.
Однако существуют и другие виды теплопередачи — это конвекция и излучение. Именно этим явлениям и будет посвящён наш с вами сегодняшний урок.
Мы уже знаем, что газы и жидкости обладают плохой теплопроводностью. Однако возникают закономерные вопросы: почему же нагревается вода в кастрюле, поставленной на включённую плиту? И почему же прогревается воздух в комнате от батарей водяного отопления?
Ответим на первый вопрос, проделав следующий опыт. Нальём в колбу воду и аккуратно опустим на дно несколько кристалликов марганцовки. Затем поставим колбу на спиртовку так, чтобы её пламя касалось колбы в том месте, где лежат кристаллики.
Через некоторое время мы с вами увидим, как со дна колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. А достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.
Наблюдаемое нами явление можно объяснить следующим образом. Нижний слой воды нагревается от стенки колбы. Вы знаете, что при увеличении температуры тело начинает расширяться. Вследствие чего уменьшается плотность тела. На этот тёплый слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает его вверх. На место тёплого слоя опускается холодный слой воды. После нагревания, этот слой воды также начнёт двигаться вверх, а его места займёт новый слой. И так будет происходить до тех пор, пока температура воды не выровняется по всему своему объёму. Таким образом, энергия переносится посредством поднимающихся потоков жидкости.
А кто из вас не замечал такую картину: в морозное утро дым из печной трубы серебристым столбом поднимается вверх?
Найдём объяснение и этому факту. Нагретый в печной трубе воздух становится легче холодного, и по закону Архимеда холодный воздух, подтекая под нагретую часть, заставляет его подниматься вверх. При таком перемещении нагретого объёма вещества и переносится теплота.
В рассмотренных нами примерах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи — конвекцию.
Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками жидкости или газа, то есть сопровождается переносом вещества.
Конечно же у вас может возникнуть закономерный вопрос: а возможна ли конвекция в твёрдых телах? Очевидно, что нет, так как конвекция связана с переносом вещества. А в твёрдом теле вещество не может перемещаться по объёму.
Конвекция обуславливает множество явлений природы и процессов, происходящих в повседневной жизни. Так, например, благодаря конвекции создаётся нужная тяга в печах и каминах, чтобы полностью сжечь в них топливо. Для создания нужной тяги даже в очень небольших котельных трубы делают высотой в несколько десятков метров.
А, самой высокой дымовой трубой в мире является труба Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане. Её высота равна 420 м.
Экибазстузская ГРЭС-2
Примером использования конвекции является система водяного отопления домов. Вы наверняка замечали, что отопительные батареи в основном размещаются внизу (под окнами).
Это сделано для того, чтобы ускорить конвекцию воздуха в помещении. Холодный воздух от окна спускается вниз, где он соприкасается с батареями. Получив от них теплоту, он поднимается вверх, уступая место холодному воздуху. В результате такой конвекции и происходит прогревание воздуха по всему объёму комнаты.
Конвекцией объясняются ночные и дневные ветры — бризы, возникающие на берегах морей и океанов.
На берегу водоёмов в жаркий летний день вода нагревается Солнцем медленнее, чем суша, так как вода обладает малой теплопроводностью. Это вызывает понижение давления воздуха над сушей. Поэтому холодный воздух перемещается с водоёма на сушу. Это — дневной бриз.
Дневной бриз
Ночью же наоборот, суша охлаждается быстрее, чем вода. Поэтому ночной бриз дует от суши к водоёму.
Ночной бриз
Рассмотренные примеры — это примеры естественной конвекции. Когда же естественной конвекции недостаточно, то используют вынужденную конвекцию. При вынужденной конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил. Примерами такой конвекции могут служить движение воздуха в помещении под действием вентилятора. Или добыча нефти из глубинных слоёв Земли при помощи мощных насосов.
Добыча нефти
Проведём такой опыт. Возьмём теплоприёмник — это металлическая коробочка, одна сторона которой блестящая, а другая покрыта матовой чёрной краской. Внутри коробочки находится воздух.
Установим вертикально электрическую плитку, а возле неё укрепим теплоприёмник, соединённый с манометром. И начнём нагревать плитку.
Через некоторое время мы заметим, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, начнёт понижаться, что говорит о нагревании воздуха внутри теплоприёмника и повышении вследствие этого его давления.
Могло ли это произойти за счёт теплопроводности воздуха? Очевидно, нет, так как теплопроводность воздуха мала, а теплота к приёмнику была перенесена достаточно быстро.
Тогда может быть это произошло за счёт конвекции? Опять нет, так как конвекционные потоки идут вверх.
Оказывается, существует ещё один способ передачи теплоты — излучение. Его главной особенностью является то, что оно возможно не только в среде, но и в вакууме. Значит, основным способом переноса теплоты от электрической плитки к теплоприёмнику было излучение. Нагревание воздуха в теплоприёмнике произошло потому, что он поглотил энергию, переданную излучением. Любое тело излучает энергию. Но эта энергия зависит от многих факторов, в частности от температуры тела. Чем она выше, тем больше энергии излучает тело, и наоборот.
А теперь зададимся вопросом, одинаково ли излучают и поглощают тела? Чтобы на него ответить, проведём такой опыт. Возьмём два теплоприёмника и укрепим их на одинаковом расстоянии от сосуда, в котором находится вода, так, чтобы черные поверхности теплоприёмников были обращены к сосуду.
Присоединим к теплоприёмникам манометры. Обратите внимание, что одна из стенок сосуда покрашена чёрной, а другая белой краской. Будем нагревать сосуд с водой на плитке и проследим за изменением уровней жидкостей в коленах манометра, присоединённого к теплоприёмникам. Через некоторое время уровень жидкости в колене манометра, соединённом с левым теплоприёмником, понизится, что говорит о большем нагревании в нём воздуха, чем в правом приёмнике.
Так как левый теплоприёмник получил теплоту, излучаемую чёрной поверхностью сосуда, то можно сделать важный вывод о том, что чёрные поверхности излучают больше энергии, чем белые.
Тогда возникает закономерный вопрос: а одинаково ли поглощают энергию черные и белые поверхности? Опять ответим на вопрос с помощью опыта. В схему предыдущего опыта внесём небольшие изменения. Заменим сосуд на другой, полностью окрашенный в чёрный цвет, а правый теплоприёмник повернём к сосуду белой стороной. Опять нагреем сосуд с водой и будем следить за уровнями жидкостей в коленах манометра.
Можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённого с левым теплоприёмником, ниже, чем в другом колене. Значит, температура воздуха в этом теплоприёмнике выше, чем во втором. Но оба теплоприёмника поглощали энергию от одного сосуда, только один теплоприёмник был повернут к нему чёрной поверхностью, а другой — белой. Значит, чёрная поверхность поглощает энергии больше, чем белая.
Именно поэтому, в летний солнечный день в чёрной одежде значительно жарче, чем в белой.
На основании проделанных опытов и наблюдений можно утверждать, что черные поверхности при равной температуре и поглощают, и излучают энергии больше, чем белые.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 158; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!