Конвекция
Повторение
На отдельной странице тетради изобразите тему «Способы изменения внутренней энергии» в виде карты понятий.
(Оставьте место для её дополнения).
Самостоятельное изучение нового материала
Перед просмотром видеофрагмента ответьте на вопрос:
как вы считаете, для того чтобы охладить воду, налитую в кастрюлю, лучше поставить кастрюлю на лёд или положить лёд на крышку кастрюли?
Запишите в тетрадь ваше предположение.
Посмотрите видеофрагменты и изучите текст для подтверждения или опровержения вашей гипотезы.
Выпишите в тетрадь новую для вас информацию, дополняя карту понятий.
Видеоролик "Конвекционные потоки при нагревании воды". (Цор N 186672)
Конвекционные потоки от батареи отопления. (ЦОР N 186335)
Учебный текст
Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел.
Для возникновения естественной конвекции требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным. Конвекция происходит только при возможности перемещения в в поле тяжести.
В условиях невесомости конвекция происходить не может.
Кроме естественной конвекции, возможна и принудительная (вынужденная) конвекция.
При принудительной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна
Явление конвекции распространено в природе. Типичными примерами конвекции в атмосфере являются ветры, в частности бризы и муссоны, с которыми вы
знакомились при изучении географии.
С явлением конвекции связаны процессы горообразования, глобальной циркуляции атмосферных масс воздуха, парение птиц и планеров, столбы дыма из труб и кратеров вулканов, охлаждение продуктов в холодильнике, работа отопительной системы дома и многие другие.
В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов (железа, никеля и т. п.) в виде очень плотной жидкой массы. Радиус ядра равен примерно 3500 км. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера общей толщиной около 2900 км, состоящие из горных пород в твердом состоянии (слово «литосфера» образовано от греческого lithos — камень и sphaira — шар).
Самый верхний слой литосферы, толщиной в среднем 60—70 км,— это земная кора. Литосфера состоит из отдельных плит, которые как бы плавают на поверхности мантии. Дело в том, что вещество мантии находится под колоссальным давлением литосферы и приобретает за счет этого свойства очень вязкого, но все же текучего вещества. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в разных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов.
Там, где литосферные плиты расходятся, возникают океанические впадины. В других местах, где плиты сталкиваются и одна из них наползает на другую, образуются горные массивы. При этом возникают неустойчивые участки с очень большими напряжениями — сейсмические зоны. При переходе этих участков в более устойчивое состояние происходят землетрясения.
Вещество мантии обладает колоссальной вязкостью, поэтому скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно мала и скорость перемещения литосферных плит (около 2—3 см за год). Однако за геологические эпохи порядка десятков миллионов лет литосферные плиты могут переместиться на сотни и тысячи километров.
Все ветры вызваны конвекционными потоками, возникающими из-за того, что большая часть энергии Солнца попадает на Землю вблизи экватора. Когда воздух нагревается, он расширяется и поднимается, а взамен к экватору устремляется поток более холодного и плотного воздуха. Так образуется ветер.
Нагреваясь над одними участками Земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу. Явление это весьма сложное.
На процесс естественной конвекции накладывается ряд факторов, в частности суточное вращение Земли, рельеф местности, влияние морских течений и т. д. Но в основе ветрообразования лежит именно явление конвекции.
Особенно прост и нагляден механизм возникновения берегового бриза. Днем суша прогревается быстрее воды, у которой теплоемкость очень велика. Поэтому температура суши выше температуры воды.
Нагретый над сушей воздух поднимается вверх, на его место поступает холодный воздух с моря, и у поверхности Земли ветер дует с моря на берег. Ночью картина меняется на противоположную: земля быстрее остывает, вода сохраняет более высокую температуру, и ветер у поверхности Земли направлен с берега в сторону моря.
Разные участки земной поверхности нагреваются неодинаково. Из-за этого неодинаково нагревается и воздух у поверхности. Более теплые и менее плотные массы воздуха создают восходящие потоки, в которых могут долго парить птицы и планеры.
Мастерство планериста заключается в умении находить такие потоки и с их помощью преодолевать большие расстояния.
Газ фреон, циркулирующий по трубкам холодильника, охлаждает воздух в верхней части холодильной камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова поднимается вверх. Раскладывая продукты в холодильнике, старайтесь не затруднять циркуляцию воздуха. Решетка сзади холодильника предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в компрессоре. Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных потоков.
Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции.
Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям, отдавая тепло в радиаторах или конвекторах.
Закрепление
Это интересно
В штиль парящие птицы держатся несколько позади судна, а при ветре – ближе к подветренной стороне. Было замечено, что если птица отставала от корабля, например, охотясь за рыбой, то, догоняя пароход, она большей частью должна была энергично махать крыльями.
Все эти загадки находят объяснение: над кораблем от работы машины образуются потоки восходящего теплового воздуха, которые прекрасно удерживают птиц на определенной высоте. Птицы безошибочно выбирают себе относительно судна и ветра такое местоположение, где восходящие потоки от паровых машин бывают наибольшими. Это дает птицам возможность путешествовать за счет энергии корабля.
Проверьте себя (4 вопроса)
Вопросы для обсуждения
1. Почему нагревательный элемент в электроплитке, электрочайнике и других нагревательных приборах размещается на дне прибора?
2. Почему в холодильниках морозильная камера помещается в верхней части корпуса, а не внизу? Поясните, как здесь происходит конвекция.
3. Возможна ли конвекция в твердых телах? Почему? Приведите примеры.
4. Будет ли происходить естественная конвекция в кабине космического корабля в состоянии невесомости? Ответ обоснуйте.
5. Почему в водоеме, покрытом сверху льдом, конвекция не наблюдается и более теплая вода не всплывает на поверхность?
6. Почему в высотных зданиях в системе водяного отопления устанавливаются нагнетательные насосы?
7. Будет ли свеча гореть в кабине космического корабля в состоянии невесомости? Ответ обоснуйте.
Подготовьте сообщение по теме (5 минут):
· Физика образования ночного и дневного бриза
· Физика печной трубы
· Принцип действия водяного отопления
· Механизм обогрева воздуха в комнате от батареи центрального отопления
· О перемещении конвективных потоков в мантии земли
· Об охлаждении продуктов в холодильнике
Экспериментальные задания:
1. Охлаждение горячей воды льдом
Два кубика льда, в один из них при заморозке поместите шайбу. Помещаем в стакан с горячей водой. Лёд плавает на поверхности, лёд с шайбой опускается на дно. Измеряем температуру с течением времени. Делаем вывод.
2. Исследование конвекционных потоков в одной из комнат своей квартиры.
Используйте свечку, нарисуйте схему потоков воздуха.
Дополнительные источники