Теорія 4

Тема: Види теплопередачі

        Взимку для провітрювання кімнати відкрили вікно і вона наповнилася холодним повітрям. Які процеси відбуваються в кімнаті?

         Молекули холодного повітря мають меншу енергію, ніж молекули теплого повітря. Відчуваючи зіткнень, молекули, які мають велику енергію, передають частину її молекулам, енергія яких менше. Процес триватиме до тих пір, поки середня енергія всіх молекул не стане однаковою.

        Якщо доторкнутися різної енергією молекул, внаслідок їх взаємодії відбувається передача енергії від тіла з більшою енергією молекул тіла з меншою енергією. Цей процес називають теплообміном.

Передача енергії, або, як її називають, теплопередача, при теплообміні походить від тіл з більшою енергією атомів і молекул до тіл з меншою енергією до встановлення теплової рівноваги, тобто однаковою енергії молекул обох тел.

         Як передається енергія від одного тіла до іншого, або від однієї частини тіла до іншої при теплообміні в різних випадках?

         Досліджуємо теплопередачу експериментально. На мідному дроті закріпимо шматочки парафіну на різних відстанях від одного з кінців і будемо нагрівати кінець дроту. Ми нагрівали кінець дроту, але з часом нагрілася вся дріт, про що свідчить опадання шматків парафіну. При цьому форма дроту не змінилася, тобто атоми з одного кінця в інший не транспортувалися, а енергія передавалася від одного шару речовини до іншого.

       Спосіб передачі енергії, або, як прийнято говорити, теплоти від однієї частини тіла до іншої або від тіла до другого тіла без переміщення атомів речовини називають теплопровідністю.

        Теплопровідність різних речовин різна. Добрими провідниками тепла є метали, а також кристали, наприклад, алмаз. Погано проводять - повітря, вода, пластмаси, деревина і т.д.

Відеодослід: Теплопровідність.

Розглянемо кілька дослідів. Нагріваємо воду у верхній частині пробірки. Вода в місці нагріву закипіла, а в нижній частині ніяк не змінилася холодною.

        Трохи змінимо умови досвіду. Будемо нагрівати воду в нижній частині пробірки. Вона досить швидко нагрілася по всьому об'єму пробірки. Чому в першому досвіді вода нагрілася тільки зверху, а в другому - по всьому об'єму? Вода має погану теплопровідність, тому в першому досвіді вона закипіла у верхній частині пробірки і залишилася холодної - в нижній. Коли нагрівати воду знизу, вона нагрівається і розширюється. Щільність води стає менше і в результаті дії сили Архімеда вода піднімається вгору, а верхня частина води опускається вниз. У пробірці відбувається перемішування холодної і гарячої води, в результаті чого швидко нагрівається вся вода.

       Спосіб теплопередачі перемішуванням холодної та гарячої речовини називають конвекцією. Конвекція можлива тільки в рідинах і газах.

Відеоопит: Конвекція.

Поверхня Землі покрита лісами і травами. На ній живе багато видів тварин. І все це існує завдяки тому, що Земля обігріває Сонце, посилаючи на її поверхню колосальну кількість енергії. За підрахунками вчених, кожну секунду 1 м2 поверхні Землі отримує до 1000 Дж енергії.

     Відстань від Землі до Сонця 150 млн. Км. Між ними космічна порожнеча. Тому тут неможливі теплопровідність і конвекція як способи теплопередачі. Як обігріває Сонце Землю? Досліджуємо цю проблему за допомогою досвіду.

    Скористаємося теплоприемником - металевої коробочкою, приєднаної до манометру, який реагує на розширення повітря в теплоприемник. Якщо торкнутися долонею теплоприемника, повітря в ньому розширюється.

           Поставимо теплоприемник над праскою. Повітря також нагрівається. Ми можемо пояснити його нагріву конвекцією шарів холодного і нагрітого повітря.

Зведемо теплоприемник збоку. Знову спостерігаємо нагріву повітря в теплоприемник. Чи може це бути результат теплопровідності повітря або конвекції? Нагрівання повітря в теплоприемник не могло статися через теплопровідність або конвекцію. Теплопровідність повітря дуже погана, а конвекційні потоки спрямовані вгору і вниз. Ми маємо справу з третім способом теплопередачі - променевим теплообміном.

Відеодослід: Випромінювання.

Ви вже знаєте, що світло - це електромагнітні хвилі, які випромінює розпеченими тілами. Але розігріті тіла випромінюють, крім видимого світла, так звані теплові або інфрачервоні промені.

          Коли ви підносите руку до батареї опалення, праски або іншого розігрітого тіла, то відчуваєте тепло, тобто передачу теплоти внаслідок випромінювання теплових променів розігрітим тілом.

Відеодослід: Теплообмін в надрах Сонця.

Будь-яке тіло випромінює енергію у вигляді теплових променів. Внаслідок такого випромінювання тіла, на які потрапляють теплові промені, приймають енергію, тобто нагріваються.

Висновки

1. Більш нагріті тіла, тобто тіла з більшою енергією молекул, можуть передавати енергію тіл, енергія яких менше. Цей процес називають теплообміном.

2. Передача тепла може відбуватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і променевої теплообміном.

Теплопередача в природі і техніці.

      Різні місця земної поверхні неоднаково нагріває Сонце. Тому в повітрі завжди є конвекційні потоки, які переносять енергію, згладжують зміни температури.

      Випромінювання тварин вловлюють деякі інші тварини, зокрема окремих видів змій воно допомагає знайти здобич.

       Теплове випромінювання нагрітих тіл використовують в побуті, техніці, медицині.

Погану теплопровідність дерева, пластичних мас використовують при виготовленні різних приладів, в тому числі побутових, щоб ізолювати тіло людини від розігрітих тел.

       Пінопластом покривають різні споруди, щоб зменшити теплопровідність стін, тобто для економії енергетичних ресурсів.

Ми назвали вам окремі випадки теплопередачі. Сотні інших ви зможете спостерігати самостійно, якщо будете дивитися на світ цікавими очима.

Нові поняття