Конспект урока по теме "Виды теплопередачи. Теплопроводность, конвекция, излучение"

Виды теплопередачи

Виды теплопередачи

ключевые понятия:

• теплопередача

• теплопроводность

• конвекция

• излучение

Теплопередача — это способ передачи внутренней энергии от тела к телу без совершения работы.

Внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой. Например, если опустить металлическую ложку в горячий чай, она через некоторое время нагреется. Это означает, что внутренняя энергия от одной части ложки передалась к другой части.

Рис. 1 Ложка в чашке чая

Теплопроводность — передача внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при контакте

С помощью теплопроводности энергия может передаваться от одного тела к другому, а может и внутри одного тела. Обязательное условие при этом – разность температур. Если взять два тела разной температуры и сделать так, чтобы они соприкасались, то энергия будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому (см. рис. 19).

Рис. 19. Два тела с разной температурой

Если нагревать один край железного стержня, то тепло будет передаваться к другому его краю (см. рис. 20).

Рис. 20. Распространение тепла по стрежню

В итоге весь стержень нагреется, но один край нагреется позже. При этом чем больше разность температур, тем быстрее происходит теплопередача.

При теплопроводности не происходит переноса вещества от одной части тела к другой и от одного тела к другому. Все вещества имеют разную теплопроводность.

Рис.2 Опыт, показывающий различную теплопроводность металлов

Проиллюстрируем это с помощью опыта и докажем, что у разных металлов теплопроводность различна. Если к штативам присоединить две проволоки из разных материалов — медную и стальную, то время нагревания и передачи энергии будет разное. К проволокам с помощью парафина прикрепляют маленькие гвоздики и начинают нагревать концы проволок. Через некоторое время будет заметно, что гвоздики с медной проволоки отпадут раньше, чем со стальной проволоки. Таким образом можно доказать, что теплопроводность у разных металлов различна.

Рис.3 Опыт, демонстрирующий теплопроводность жидкостей 

Рассмотрим опыт: закрепим пробирку с водой в штативе и начнём нагревать её верхнюю часть на спиртовке. Если производить нагревание в верхней части пробирки, то вода скоро закипит, а в нижней части вода только нагреется. Можно сделать вывод, что теплопроводность жидкостей, в том числе воды, невелика. Среди жидкостей исключение составляют ртуть и расплавы металлов. Низкая теплопроводность жидкостей объясняется тем, что частицы в них расположены на расстояниях чуть больше размеров частиц, поэтому скорость передачи внутренней энергии у жидкостей меньше, чем в твёрдых телах.

Рис.4 Опыт, демонстрирующий теплопроводность воздуха 

Если сухую пробирку надеть на палец донышком вверх и нагреть на спиртовке, то можно заметить, что палец не нагреется, — теплопроводность газов мала. Это связано со строением газов, ведь расстояния между частицами в них гораздо больше, чем в твёрдых телах и жидкостях.

Теплопроводность у твёрдых тел больше, чем у жидкостей и газов.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, вата, бумага, пробка и другие пористые тела. Между волокнами этих веществ есть воздух. Близкой к нулю теплопроводностью обладают разреженные газы.

Когда мы болеем, то измеряем температуру тела. Самые распространенные термометры – ртутные (см. рис. 21).

Рис. 21. Ртутный термометр

Как долго нужно с ними сидеть? Вы наверняка слышали разные варианты ответов: 5 минут, 10, 7. Какой правильный? Давайте разберёмся.

Чтобы термометр показал температуру тела, он должен нагреться до этой температуры. Как только мы взяли термометр при комнатной температуре, между ним и телом начинается теплопередача через теплопроводность (см. рис. 22).

Рис. 22. Теплопередача

Разность температур сначала может достигать 15 градусов, поэтому теплопередача протекает быстро, и через 5 минут его температура может отличаться от температуры тела на несколько десятых градуса. Такой точности достаточно, чтобы понять, болен ли человек. Оставим термометр ещё на 5 минут. Разность температур мала, скорость теплопередачи мала, и за это время термометр нагреется ещё на пару десятых градуса. То есть он покажет температуру немного точнее, чем после первых пяти минут.

Поэтому, когда мы выбираем время измерения температуры, речь идёт о точности в десятые доли градуса. А основная часть тепла передаётся за первые минут пять.

Разные вещества по-разному передают тепло: одни хорошо, другие плохо. Так, обычно металлы хорошо проводят тепло, или говорят, «обладают хорошей теплопроводностью» (см. рис. 19). А дерево, наоборот, имеет плохую теплопроводность (см. рис. 23).

Рис. 23. Плохая теплопроводность

Ручки сковородок обычно делают из дерева или из других материалов с плохой теплопроводностью. Если бы они были металлическими, то из-за теплопроводности тепло быстро бы передалось к ручке и о неё можно было бы обжечься.

У воздуха, если в нём нет потоков, которые приводят к возникновению конвекции, теплопроводность мала, поэтому прослойка неподвижного воздуха между стеклами в окне – хороший теплоизолятор. А если поставить третье стекло, то таких прослоек воздуха будет две – теплоизоляция улучшится (см. рис. 27).

Рис. 27. Двойной стеклопакет

Заметьте: здесь не так важен третий слой стекла, как вторая прослойка воздуха.

Конвекция (от лат. «конвекцио» — «перенесение») — вид теплопередачи, обусловленный потоками жидкости или газа.

Рис.5 Опыт, иллюстрирующий явление конвекции

Поместим в колбу с водой немного красящего вещества и начнём нагревать её. Через некоторое время увидим, что нагретые слои воды будут подниматься в центре колбы и опускаться, охлаждаясь, вдоль стенок. Красящее вещество будет подниматься вместе с водой, растворяясь в ней.

конвекция возникает вследствие перемещения вещества. Когда же оно может возникнуть?

Его можно создать искусственно – перемешать чай в чашке; включить тепловентилятор. В чашке мы создали движение чая, более холодные и более тёплые слои чая перемешались и передали друг другу тепло, как при теплопроводности. Направленное движение воздуха в комнате вызывается вентилятором (см. рис. 28).

Рис. 28. Работа вентилятора

Тёплый воздух нагревается внутри вентилятора, а затем переносится с помощью конвекции по дому.

Кроме того, конвекция может происходить и по естественным причинам. Например, из-за действия силы тяжести и силы Архимеда. Холодный воздух тяжелее тёплого (плотность тёплого воздуха меньше, так как молекулы дальше друг от друга), поэтому он будет опускаться вниз, а горячий – подниматься и переносить тепло вверх (см. рис. 29).

Рис. 29. Естественная конвекция

Это называется естественной конвекцией. Теперь мы можем объяснить, почему батареи ставят в нижней части комнаты. Ведь тогда из-за естественной конвекции тепло будет распространяться по всей комнате (см. рис. 30).

Рис. 30. Работа батарей

А вот кондиционеры крепят вверху, под самым потолком, ведь обычно их используют для охлаждения помещений (см. рис. 31).

Рис. 31. Работа кондиционера

Холодный воздух будет опускаться вниз, и температура понизится во всей комнате. Использовать же кондиционер на обогрев менее эффективно (см. рис. 32).

Рис. 32. Работа на обогрев

Тёплый воздух остается вверху. Вниз передача возможна только благодаря теплопроводности, но воздух тепло проводит плохо. Поэтому греться от кондиционера получится, если направить поток воздуха прямо на себя.

Внимание! Существует вынужденная и естественная конвекция.

Вынужденную конвекцию в технике создают с помощью вентиляторов, насосов или перемешивания. Естественной конвекцией объясняется обогревание жилищ, возникновение бризов.

В твёрдых телах конвекция невозможна, так как частицы там колеблются около определённой точки и удерживаются взаимным притяжением. При нагревании твёрдых тел в них не могут образовываться потоки вещества.

Аналогично происходит естественная конвекция и в жидкости. Поэтому греть воду выгодно снизу: конфорка плиты, нагреватель в электрочайнике находятся под водой, которую мы греем. Нижний слой нагревается, начинает подниматься вверх (см. рис. 33).

Рис. 33. Конвекция в жидкости

Внизу оказывается холодный слой, который нагревается плиткой и тоже поднимается вверх. И так далее. В итоге вся вода прогревается практически равномерно.

Но надо учесть, что чем более вязкая жидкость, тем затруднительнее перемешивать её слои за счет силы Архимеда (см. рис. 34).

Рис. 34. Конвекция в более вязкой жидкости

И естественная конвекция будет менее интенсивной. Поэтому при варке каши или киселя их периодически помешивают – создают искусственную конвекцию.

Если этого не сделать, то нижняя часть каши сильно нагреется, а верхняя останется холодной. Возникнет разница температур, и увеличится передача теплоты между слоями вследствие теплопроводности. Но если теплопроводность вещества плохая, то тепло не будет успевать передаваться от более нагретых слоев к менее нагретым и нижние слои могут подгореть (см. рис. 35).

Рис. 35. Теплопроводность вещества

В вязких жидкостях конвекция слабая, а в твёрдом теле конвекции вообще нет – вещество не перемешивается. Поэтому основную роль в передаче тепла играет теплопроводность. Но если у твёрдого тела плохая теплопроводность, оно может не успеть передать тепло. Тогда между различными частями тела возникнет большой перепад температур. Вспомним, что при увеличении температуры тела расширяются. То есть нагретая часть тела расширится, а холодная останется прежней (см. рис. 36).

Рис. 36. Расширения нагретых тел

В твёрдых телах это может привести к разрушению тела. Так иногда лопается холодный стакан, если в него налить кипяток (см. рис. 37).

Рис. 37. Разрушение стакана

Основной источник тепла на Земле — Солнце. Как же передаётся энергия Солнца на Землю? Земля находится от Солнца на расстоянии млнкм, и между ней и Солнцем безвоздушное пространство. Энергию теплопроводностью и конвекцией передать в этом случае нельзя. Значит, есть ещё один вид передачи внутренней энергии.

Излучение — вид теплопередачи, при котором происходит передача внутренней энергии c помощью энергии электромагнитных волн. Энергия может передаваться даже в полном вакууме.

Рассмотрим третий способ теплопередачи – излучение. Чаще всего мы сталкиваемся с излучением света от Солнца. Разные тела по-разному поглощают свет. Мы видим отражённый от тел свет, поэтому чем больше тело поглощает свет, тем более тёмным мы его видим. Такое тело получает больше энергии. На даче бак с водой для летнего душа часто красят в тёмный цвет, чтобы он сильнее нагревался на солнце (см. рис. 38).

Рис. 38. Чёрный цвет бака

Белые и зеркальные тела, наоборот, в основном отражают свет, а не поглощают. Поэтому они нагреваются меньше. Соответственно, зимой лучше носить тёмные вещи, а летом – светлые. Тогда зимой ваша одежда будет получать больше тепла от излучения, а летом, наоборот, меньше (см. рис. 39).

Рис. 39. Выбор цвета вещей

Не только Солнце передает тепло излучением: мы чувствуем тепло от лампочки, костра, инфракрасного обогревателя (см. рис. 40).

Рис. 40. Передача тепла

Вообще любой предмет передает тепло через излучение, причём интенсивность передачи зависит от температуры этого тела. Для большинства тел их излучением можно пренебречь. Оно заметно только при больших температурах.

Мы упомянули тепловое излучение от костра. Сидя возле костра, вы чувствуете тепло. Не передается ли теплота через теплопроводность или конвекцию, ведь между нами и костром есть ещё и воздух? Давайте разберёмся.

Теплопроводность в костре есть: тлеющие угли и поленья передают тепло окружающему воздуху (см. рис. 41).

Рис. 41. Теплопроводность костра

Но воздух плохо проводит тепло, поэтому посредством теплопроводности теплота распространялась бы в нашу сторону очень медленно.

Рассмотрим потоки воздуха. Мы уже знаем, что тёплый воздух поднимается вверх. Поэтому если греть руки над костром, решающую роль будет играть конвекция. А вот если сидеть возле костра, нас будет обдувать скорее холодный воздух извне костра (см. рис. 42).

Рис. 42. Конвекция костра

Получается, что греемся мы как раз благодаря третьему виду теплопередачи – излучению.

Способность тел по-разному поглощать энергию широко используют на практике.
Например, поверхность самолётов и метеозондов красят серебристой краской. Это позволяет им меньше нагреваться от Солнца при движении в воздухе.

Узнать больше

Образование ветра

В районах морского побережья можно наблюдать такое интересное тепловое явление, как морские бризы. Вода обладает значительной теплоёмкостью. Чтобы изменить температуру большой массы воды, требуется много энергии и времени. Поверхность суши разогревается быстрее, чем слои воды. Сухой берег прогревает воздух, который, расширяясь от нагрева, поднимается вверх, так и образуется зона низкого давления. Над морской гладью воздух не так горяч, над водой возникает зона высокого давления.Разница давления между сушей и морем невелика, но этого достаточно для образования прохладного морского бриза, дующего от моря к побережью.
Ночью процесс идёт в другом порядке: Солнце не накаляет побережье и суша охлаждается быстрее, чем морская вода. Когда же температура воды окажется выше температуры воздуха над сушей, то возникнет обратный перепад давления, заставляющий двигаться поток воздуха от суши к морю, — континентальный бриз.

Рис. 8 Образование дневного (а) и ночного бриза (б)

Мы с вами рассмотрели много примеров, когда тепло передаётся от одних тел к другим. При этом изменяется их внутренняя энергия. Но есть случаи, когда нужно избежать изменения энергии. Одним из приборов, которые препятствуют теплопередаче, является термос. Если вы налили в него чай – вы хотите, чтобы он остался горячим.

Зная об особенностях различных видов теплопередачи, мы можем объяснить, как их избежать или уменьшить их эффективность (см. рис. 43).

Рис. 43. Термос

1. Теплопроводность. Термос состоит из двух чаш, чаще всего стеклянных, между которыми очень разреженный воздух. Воздух имеет плохую теплопроводность, а разреженный тем более (см. рис. 44).

Рис. 44. Защита от теплопередачи

Это и защищает от данного вида теплопередачи.

1. Конвекция. При конвекции тепло переносится движением вещества. Термос очень плотно закрывается – это и защищает термос от движения воздуха из него и внутрь него. То есть защищает от конвекции (см. рис. 45).

Рис. 45. Защита от конвекции

1. Излучение. Горячий чай, как и все тела, излучает тепло. Поэтому внутренняя поверхность термоса делается зеркальной – тогда излученной тепло отражается обратно внутрь термоса (см. рис. 46).

Рис. 46. Защита от излучения

Если же летом нужно оставить воду в термосе холодной, нужно избежать нагревания от излучения Солнца. Поэтому внешняя часть термоса также зеркальна.

Наверное, многие слышали споры о том, греет ли шуба. На первый взгляд, кажется, что греет – мы её для этого и носим. Но на самом деле она не позволяет нашему телу терять тепло, как термос не дает остывать чаю (см. рис. 47).

Рис. 47. Шуба как термос

Даже принцип изоляции похож: в термосе важную роль играет прослойка газа под низким давлением в колбе, а в шубе – прослойка воздуха, которая удерживается мехом. В обоих случаях теплопроводность прослойки невысокая.

Если мы обернем в шубу кусок льда, он долго не будет таять из-за той же теплоизоляции. А в жарких странах часто носят тёплые халаты под палящим солнцем. Конечно, люди в них не греются, а, наоборот, изолируют свое тело от окружающего нагретого воздуха.

Сегодня мы с вами разобрали способы изменения внутренней энергии. На этом урок закончен, спасибо за внимание!