Виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение. Теплопередача

Теплопроводность - переход энергии дельта Q от более нагретых T1 частей тела к менее нагретым T2.

Закон теплопроводности: теплота дельта Q, переносимая через элемент площади дельта S за время дельта t, пропорциональна градиенту температуры dT/dx, площади дельта S и времени дельта t

Дельта Q = -X * (dT/dx) * дельта S * дельта t

X - коэффициент теплопроводности.

Суть теплопроводности

Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности приводит к тому, чтобы температура всего тела была одинакова.

Как правило энергия, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Такой коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.

Теплопроводность это свойство тел передавать тепло, основанное на теплообмене которое происходит между атомами и молекулами тела.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность небольшая, исключение состовляет ртуть и расплавленные металлы.

Все это из-за того что молекулы расположены далеко друг от друга в отличии от твердых тел. У газов теплопроводность еще меньше т.к. его молекулы находятся на еще большем расстоянии, чем у жидкостей.

Плохой теплопроводностью обладает шерсть, волосы, бумага. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ воздух. Теплопроводность у разных веществ различна

Дома строят из кирпича и бревен, потому что они обладают плохой теплопроводностью и могут сохранить прохладу или тепло в помещении. Для сковородок делают пластмассовые ручки для того, чтобы люди не обжигались, потому что они обладают плохой теплопроводностью.

Суть конвекции

Конвекция - еще один вид теплопередачи, при которой энергия переноситься самими струями жидкостей и газа.

Пример: в отапливаемой комнате из за конвенции теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.

Тепловой поток Q - колличество теплоты W, ДЖ проходящие за время Т,С через данную поверхность в направлении нормали к ней

Если колличество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени Т то получим величину:

Плотность теплового потока измеряется в Вт/м2

Существует два вида конвекции - естественная и вынужденная.

К естественной конвекции относится нагревание помещения, нагревание тела во время жары (естественным путем).

К вынужденной конвекции относится мешание чая ложкой, использование вентилятора, что бы охладить помещение (неестественным путем)

Конвекция не происходит если нагревать жидкости сверху (правильно снизу), потому что нагретые слои не могут опуститься ниже холодных т.к. они более тяжелее.

Теплопередача - это один из способов изменения внутренней энергии тела (или системы тел), при этом внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Существует 3 вида теплопередачи:

Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.

Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.
Это является частным случаем закона сохранения энергии.

ИНТЕРЕСНО

Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов. Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!

Теплопроводность - это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры тела.
Не сопровождается переносом вещества!

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.
Теплопроводность различных веществ разная.
Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,

причем у разных металлов теплопроводность отличается.

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

При нагревании верхнего конца закрытой пальцем пробирки с воздухом внутри можно не бояться обжечь палец, т.к. теплопроводность газов очень низкая.
Интересно, что можно было бы поднести руку почти вплотную к пламени, например, газовой горелки (температура больше 1000 градусов) и не обжечь ее, если бы …

А что если бы?

Газ, как правило, очень плохой проводник тепла, поэтому достаточно было бы лишь небольшой прослойки воздуха между рукой и пламенем. Но!
Но существует такое явление, как конвекция в газах, поэтому вблизи пламени руку сильно жжет.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ

Знаешь ли ты, что...

Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.
Это не сказка, не фантастика!
Такой проект реально разработан и испытан!

Итальянские ученые изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Ученые обещают, что летом в ней не будет жарко, а зимой – холодно, поскольку она сшита из специальных материалов. Подобные материалы уже используются при космических полетах.

В старых пулеметах "Максим" нагревание воды предохраняло оружие от расплавления.

На кухне, поднимая посуду, наполненную горячей жидкостью, чтобы не обжечься, можно использовать только сухую тряпку. Теплопроводность воздуха намного меньше, чем у воды! А ткань структура очень рыхлая, и все прмежутки между волокнами заполнены у сухой тряпки воздухом, а у влажной - водой. Смотри, не обожгись!

Огонь в решете

Явление, о котором рассказано ниже демонстрирует свойство металлов хорошо проводить тепло.
Если изготовить сетку из проволоки, обеспечив хорошее соединение металла в местах перекрещивания проволоки, и поместить ее над газовой горелкой, то можно при включенном вентиле поджечь газ над сеткой, в то время как под сеткой он гореть не будет. А если зажечь газ под сеткой, то наверх через сетку огонь « не просочится»!

В те времена, когда еще не было электрических шахтерских лампочек, пользовались лампой Дэви.
Это была свеча, «посаженная» в металлическую клетку. И даже, если шахта наполнялась легковоспламеняющимися газами, лампа Дэви была безопасна и не вызывала взрыва - пламя не выходило за пределы лампы,благодаря металлической сетке.

Положить на лежащие рядом на столе кусок пенопласта (или дерева) и зеркало ладони, то ощущения от этих предметов будут разными: пенопласт покажется теплее, а зеркало - холоднее.
Почему?
Ведь температура окружающего воздуха одинаковая!
Стекло - хороший проводник тепла (обладает высокой теплопроводностью), и сразу начнет "отбирать" от руки тепло. Рука будет ощущать холод! Пенопласт хуже проводит тепло. Он тоже будет, нагреваясь, "отбирать" тепло у руки, но медленнее, поэтому и покажется теплее.

ДОМАШНИЕ ОПЫТЫ

Оберните толстый гвоздь или металлический стержень полоской бумаги в один слой. Подержите над пламенем свечи до момента возгорания, засеките время. Объясните, почему бумага загорелась не сразу.

Используйте свои руки как термодатчики – обследуйте окружающие вас предметы. Найдите самые холодные на ощупь, сделайте вывод об их теплопроводности. По своим ощущениям составьте список веществ, обладающих разной теплопроводностью, от самой хорошей до самой плохой.

Подберите ложки из разных материалов (алюминиевую, мельхиоровую, стальную, деревянную и т.д.). Опустите их наполовину в сосуд с горячей водой. Через 1–2 мин проверьте, одинаково ли нагрелись их ручки. Проанализируйте результат.

Приготовьте три одинаковых кусочка льда, один из них заверните в фольгу, второй – в бумагу, третий– в вату и оставьте на блюдцах в комнате. Определите время полного таяния. Объясните разницу.

Приготовьте в морозилке лед. Сложите его в целлофановый пакет и оберните пуховым платком или обложите ватой. Можно дополнительно завернуть в шубу. Оставьте этот сверток на 5–7 ч,затем проверьте сохранность льда. Объясните наблюдаемое состояние. Предложите дома способ сохранения замороженных продуктов при размораживании холодильника.

ЗАДАЧИ ДЛЯ УМЕЮЩИХ ДУМАТЬ

(или " покумекаем"?)

1. Какая почва прогревается солнцем быстрее: влажная или сухая? Почему?

2. Почему толстый человек в холодной воде меньше мерзнет, чем худой?

3. Человек не чувствует прохлады на воздухе при температуре 20 градусов Цельсия, но в воде мерзнет при температуре 25 градусов Цельсия. Почему?

4. Если зимой к замерзшему стеклу(покрытому инеем) трамвая или автобуса приложить на одинаковое время палец, а другим пальцем прижать монету, то площадь оттаивания под монетой окажется больше.
Почему?

Определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией , полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

где, как и ранее, q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 -8 Вт/(м 2 DК 4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце ; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Цели:

• повторить способы изменения внутренней энергии;
• актуализировать личностный смысл учащихся к изучению темы;
• способствовать развитию умения сопоставлять факты;
• создавать условия для повышения интереса к изучаемому материалу;
• развивать исследовательские и творческие навыки;
• помочь учащимся осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений;
• создавать условия для развития навыков общения и совместной деятельности.

Демонстрации:

• №1. Перемещение тепла по металлическому стержню
• №2. Перемещение тепла по стержням из разных металлов
• №3. Шевеление бумаги электрического султана над включенной плиткой
• №4. Нагревание марганца в колбе с водой
• №5. Естественная и вынужденная конвекции
• №6. Взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Ход урока

1. Организационный момент. (подравнялись, здравствуйте, садитесь)

На столе: дневник, тетрадь, учебник, ручка, карандаш, линейка. Сели правильно, слушаем внимательно.

Цель урока - повторить домашнее задание, познакомиться с видами теплообмена и объяснить их на основе молекулярно-кинетической теории(знаний о внутреннем строении вещества) и применить полученные знания на практике.

2. Проверка домашнего задания (фронтальный опрос).

1. Устно проверяется №921 Л.

2. Экспериментальное задание №1, стр.10.

3. Способы изменения внутренней энергии тела на примерах.

Учитель: Открыли тетради, записали число и тему урока “Виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение”.

3. Изучение нового материала.

Итак, сегодня на уроке мы познакомимся с тремя видами теплообмена.

План изучения вида теплообмена.

1. Определение;

2. Особенности;

3. Где и как можно наблюдать;

4. Использование на практике, учет.

(На этапе актуализации знаний ставится проблемная ситуация.)

Учитель: (дает нескольким учащимся попробовать на ощупь ножницы и карандаш).

Они имеют одинаковую температуру, т.к. давно находятся в классе.

Почему на ощупь ножницы холоднее, чем карандаш?

Ученик: (версий выдвигается много, но чаще неверные).

Учитель: Почему красиво оформленные радиаторы отопления не помещают в комнате у потолка?

Ученик: (на этот вопрос 1-2 учащихся дают верный ответ).

Учитель: Почему в жаркий солнечный летний день мы надеваем легкую, и светлую одежду, закрываем голову светлой шляпой, панамой и т.д.?

Ученик: (версий тоже много, но редко - правильная).

Учитель: Чтобы ответить правильно на эти и другие интересные вопросы обратимся к опытам. В тетради запишите первый вид теплообмена. Обратите внимание на план изучения видов теплообмена, который находится на экране.

Теплопроводность.

Демонстрация опыта №1: стальной стержень со спичками на пластилине нагреваем с одного конца.

Учитель: Что будет происходить? Как передается тепло? Меняется форма стержня?

Происходит бурное обсуждение этих вопросов и в результате учащиеся сами дают определение теплопроводности, записывают в тетрадь.

Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором энергия передается частицами, имеющими большую энергию, частицам, имеющим меньшую энергию (от нагретой части тела к холодной).

Учитель: Далее выясняем, как она происходит? (Учитель привлекает учащихся к выяснению этого вопроса с точки зрения внутреннего строения тел. Результат обсуждения: частицы передают энергию в результате теплового движения и взаимодействия частиц (записывается учащимися в тетрадь).

Демонстрация опыта № 2: нагреваем 2 стержня: стальной и медный одновременно.

Учитель: Вещества разные. Одинаково ли они передают тепло? В процессе опыта они видят, что медь нагревается быстрее, чем железо. Результат этих двух опытов позволяет вместе сформулировать особенности этого вида теплообмена, с записью в тетрадь.

Особенности:

1) само вещество не переносится;

2) разные вещества имеют разную теплопроводность

(у металлов – хорошая; у жидкостей – мала; у газов – почти нет)

Учитель: Давайте ответим на вопрос, прозвучавший в начале урока. Почему на ощупь ножницы холоднее, чем карандаш?

Ученик: теплопроводность металла больше, он быстрее забирает тепло от руки, поэтому мы ощущаем прохладу.

Учитель: А где на практике используются полученные нами знания? Найдите ответ на стр.13.

Учитель: записываем второй вид теплообмена.

2. Конвекция.

Демонстрация опыта №3: включенная электрическая плитка, сверху к которой подносят электрический султан.

Учитель: Почему бумага шевелится? В результате обсуждения – вывод: нагретый воздух поднимается вверх (всплывает по закону Архимеда) и шевелит бумагу.

Демонстрация опыта №4: колба с водой и крупинкой марганца нагревается снизу.

Учитель: Что наблюдаем? Учащиеся четко видят, что нагретые подкрашенные слои жидкости поднимаются вверх, и их место занимают холодные. Так что же такое конвекция?

Ученик: Конвекция – это вид теплообмена, при котором тепло переносится самими струями газа или жидкости.

Учитель: запишите в тетрадь.

Демонстрация опыта №5: одна колба с водой и крупинкой марганца нагревается сама, а другая нагревается и постепенно перемешивается.

Учитель: Чем они отличаются? В обоих происходит конвекция. Так чем? В результате обсуждения делается вывод, записывается в тетрадь.

Ученик: их 2 вида: естественная и вынужденная.

Учитель: Какие особенности вы увидели?

Ученик:

1) само вещество переносится;

2) существует только в жидкостях и газах, ее нет в твердых телах,

3) чтобы она происходила, нагревать нужно снизу.

Учитель: Запишите особенности в тетрадь. Мы с вами подошли к ответу на второй вопрос: “Почему красиво оформленные радиаторы отопления не помещают в комнате у потолка?”

Ученик: Нагревание воздуха в комнате происходит в результате конвекции, а чтобы она происходила, нагревать нужно снизу, значит, радиаторы отопления должны быть внизу, под окном, т.е. в самом холодном месте комнаты.

Демонстрация опыта №6: включенная электрическая плитка, к которой сбоку подносится теплоприемник, соединенный с жидкостным манометром.

Учитель: Что наблюдаем? Почему изменился уровень воды в манометре?

Ученик: Воздух в теплоприемнике нагрелся, расширился, в этом колене манометра жидкость опустилась, а в другом поднялась.

Учитель: Каким способом нагрелся воздух в теплоприемнике? Есть здесь теплопроводность? Конвекция?

Ученик: Теплопроводности нет, т.к. между ним и плиткой есть воздух, а у него очень маленькая теплопроводность. Конвекции тоже нет, т.к. теплоприемник не над плиткой, а рядом с ней.

Учитель: Это действительно новый вид теплообмена- излучение (лучистый теплообмен).

Примером являются солнечные лучи и тепловые лучи, испускаемые нагретыми телами. Записали в тетрадь третий вид теплообмена.

Излучение - это теплообмен, при котором энергия переносится электромагнитными лучами.

Особенности:

1) излучают все нагретые тела (твердые, жидкие, газообразные),

2) происходит в вакууме,

3) зависит от цвета поверхностей (темная поверхность лучше излучает и поглощает тепло, светлая- наоборот).

Теперь мы с вами можем ответить на вопрос, поставленный в начале урока:

“Почему в жаркий солнечный летний день мы надеваем легкую и светлую одежду, закрываем голову светлой шляпой, панамой и т.д.?”

Идет обсуждение вопроса и делается вывод.

Ученик: Одежда светлого цвета меньше нагревается в жаркий солнечный летний день, и нам не так жарко.

Учитель: А где на практике используются полученные нами знания? Найдите ответ на стр.17, последний абзац и далее.

Выясняется практическое применение веществ с разной теплопроводностью.

Учащиеся осмысливают практическую значимость, полезность приобретаемых знаний.

3. Домашнее задание.

Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку небольшие сообщения о применении теплообмена в природе и технике (“Виды теплопередач в быту, в авиации, в сельском хозяйстве” и др.); №979 из сборника задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой.

4. Закрепление изученного материала.

Учитель: Закрепление изученного материала (упражнение 1(1) , 2(1), 3(1) по учебнику А.В Перышкина).

Подведение итогов работы на уроке:

• Все ли было на уроке понятно?
• Было ли на уроке интересно?
• Усвоена ли тема урока?

Учитель: Если вопросов нет, то решаем тест.(3 вариант- “3”)

1. Существует три вида теплопередачи:
а. Теплопроводность. Это когда тепло от более нагретого участка тела передается в менее нагреты за счет теплового взаимодействия частиц тела (молекул, атомов). У разных тел она разная. Хорошо проводят тепло металлы. Плохо - дерево, пластики, совсем плохо - пористые вещества пробка, вата, шерсть.
б. Конвекция. Это у жидкостей и газов. Так называется процесс передачи тепла за счет смешивания холодных и более нагретых масс жидкостей и газов за счет теплового смешивания. Мы же знаем, что за счет уменьшения плотности, теплый воздух поднимается вверх, а холодный, более плотный опускается вниз. Вот и происходит смешивание. Это, конечно, не единственный способ конвекции. Но результат один, температура в объеме сравнивается. Пример циркуляция воздуха в квартире, ветер.
в. Излучение. Нагретое тело излучает энергию в виде инфракрасных лучей. В основном это излучение и несет тепло. И излучения другой волны тоже уносят тепло, но заметно меньше. Поднесите к горящей лампе накаливания или к утюгу руку и Вы ощутите тепло. Заметная часть этого тепла передается именно излучением. Солнце передает тепло в окружающий мир (в том числе и Земле) только за счет излучения.
2. Опыты. Возьмите в руку медный провод небольшой длины и нагрейте свободный конец. Вскоре Вы ощутите тепло. Это и есть теплопередача. Нагретый участок проволоки передает тепло холодным участкам. Поднесите горящую свечу в открытой форточке. Наверху форточки огонек отклоняется наружу - уходит теплый воздух. Внизу - отклоняется вовнутрь - внутрь течет холодный наружный воздух. Это конвекция.Про излучение уже было.
3. Сила тока это величина заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Чем больше заряд и чем за меньшее время протекает, тем больше сила тока. Измеряется в Амперах. Производные величины - миллиамперы (одна тысячная), микроамперы (одна миллионная и так далее. Ток бывает переменным и постоянным. У постоянного тока величина постоянная, у переменного, чаще всего подчиняется синусоидальному закону изменения. У нас в стране принят для бытового тока частота изменений 50 герц, в некоторых 60 герц.
Сейчас ампер определяют так:
За единицу силы тока1A принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1м, расположенные на расстоянии 1м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002H .
Раньше ампер - это заряд в 1 кулон, протекший через поперечное сечение проводника за 1 сек.
Измеряют силу тока гальванометрами при малых постоянных токах,(микроамперы), и амперметрами (милли, микро амперметрами).