Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Виды теплообмена

Молекулярная физика и термодинамика

Виды теплообмена

План урока

  • Теплопроводность
  • Конвекция
  • Излучение

Цели урока

  • Знать какие виды теплообмена существуют и чем они различаются
  • Уметь: объяснять физические явления, связанные с теплопередачей; приводить примеры каждого вида теплообмена

Разминка

  • Как объяснить, что опущенная в горячий чай ложка становится горячей по всей ее длине?
  • Почему форточки расположены именно в верхней части окна?
  • Нагреется ли холодная газировка, если ее замотать в шубу?

 

Теплопроводность

 

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. Чтобы понять, как происходит передача тепловой энергии от одного тела к другому, рассмотрим механизм каждого из видов теплопередачи с точки зрения молекулярного строения атома. Начнем с теплопроводности.

Рис. 1. При нагревании одного конца металлического стержня, гвоздики, приклеенные к нему на воск, будут постепенно отваливаться Рис. 1. При нагревании одного конца металлического стержня, гвоздики, приклеенные к нему на воск, будут постепенно отваливаться

Когда конец металлической ложки оказывается в горячем чае, начинается процесс теплопередачи: тепло более нагретой жидкости передается менее нагретому твердому телу, в результате чего нагревается конец ложки, непосредственно опущенный в чай. Ложка, в свою очередь, состоит из огромного количества молекул, которые постоянно колеблются около своих положений равновесия. Частицы, получившие тепловую энергию от горячей жидкости, начинают колебаться с большей скоростью и амплитудой, взаимодействуя с соседними частицами и придавая им большую скорость, увеличивая их энергию. В результате такого взаимодействия молекулы вещества последовательно передают друг другу тепловую энергию от более быстрых частиц к более медленным. Таким образом, тепловая энергия перенесется самими молекулами вещества от конца ложки, опущенного в чай, к концу ложки, находящемуся вне жидкости.


Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

При теплопроводности перенос вещества не осуществляется
Молекулы переносят тепловую энергию, взаимодействуя друг с другом, но остаются на своих местах.


Из определения становится ясно, что теплопроводность можно наблюдать как на примере одного тела, когда тепло передается от одной части тела к другой, так и на примере взаимодействия нескольких тел. Необходимым условием для протекания теплопроводности является непосредственный контакт молекул вещества. Из этого следует, что чем ближе молекулы вещества расположены друг к другу, тем быстрее будет осуществлена передача энергии – тем большей теплопроводностью характеризуется вещество.

 

Наименьшее расстояние между молекулами присуще металлам, поэтому среди известных веществ они обладают наибольшей теплопроводностью. Благодаря этому свойству, металлы широко применяются при изготовлении посуды, бытовой техники, где есть элементы, которые должны быстро нагреваться и хорошо проводить тепло (например, поверхность утюга). Наилучшие проводники тепла среди металлов: серебро и медь. Такие твердые вещества, как дерево, стекло и резина обладают очень низкой теплопроводностью.

Рис. 2. Теплопроводность жидкостей мала Рис. 2. Теплопроводность жидкостей мала

Жидкости обладают слабой теплопроводностью, так как расстояние между молекулами по сравнению с металлами в них достаточно велико. Доказательством может служить простой опыт: закрепим пробирку с водой под углом на штативе (рис. 2), на дне пробирки поместим лед. При нагревании правого конца пробирки вода, находящаяся непосредственно над огнем, довольно быстро закипит, но лед на дне пробирки не успеет растаять к этому времени.

Рис. 3. Шуба не «греет» в прямом смысле этого слова. Она лишь хорошо сохраняет тепло тела Рис. 3. Шуба не «греет» в прямом смысле этого слова. Она лишь хорошо сохраняет тепло тела

Расстояние между молекулами в газах во много раз больше самих молекул, по этой причине молекулы газов редко сталкиваются друг с другом и передача тепловой энергии оказывается затруднена. Таким образом, вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются наименьшей теплопроводностью. Слабую теплопроводность газов используют для теплоизоляции: твердые вещества, содержащие воздушные полости, например, пористый кирпич или дерево, создают отличную теплоизоляционную прослойку, которая зимой удерживает тепло в доме. Мех, шерсть, пух – все эти материалы содержат большое количество воздушных прослоек между ворсинками, благодаря которым прекрасно удерживается тепло (рис. 3).

Так как теплопередача возможна лишь при непосредственном контакте молекул, в вакууме данный вид теплопередачи осуществляться не может.


Наибольшей теплопроводностью характеризуются металлы; наименьшей – вещества в газообразном состоянии. 
Передача тепла за счет теплопроводности в вакууме невозможна.


Теплопроводность, как свойство вещества, характеризует способность переносить тепло: чем выше теплопроводность, тем быстрее будет передана тепловая энергия. 
Знание теплопроводности того или иного вещества необходимо как при решении технических вопросов, так и в повседневной жизни.

 

Конвекция

Рис. 4. Конвекционные потоки воздуха Рис. 4. Конвекционные потоки воздуха

Известно, что молекулы горячего воздуха движутся быстрее, чем молекулы холодного, поэтому более нагретый воздух имеет меньшую плотность. Сила Архимеда, действующая на горячий воздух и направленная вертикально вверх, больше, чем действующая на него сила тяжести. В результате, под действием выталкивающей силы слои горячего воздуха поднимаются вверх, а холодные слои опускаются (рис. 4).

Рис. 5. Конвекционные потоки жидкости Рис. 5. Конвекционные потоки жидкости

 

Аналогичные процессы наблюдаются не только в газах, но и в жидкостях: более теплые верхние слои жидкости легче, поэтому они будут вытесняться холодными слоями, те, в свою очередь, будут опускаться к источнику тепла, нагреваться и вновь вытесняться менее теплой водой (рис. 5).


Конвекция – это процесс теплообмена, реализуемый за счет перемещения нагретых и холодных частей вещества.


При конвекции перенос энергии осуществляется самим веществом, то есть, в отличие от теплопроводности, данный вид теплопередачи сопровождается переносом вещества. 
Так как молекулы твердого вещества не могут свободно изменять свои положения, в твердых телах конвекция невозможна. Очевидно, что для реализации теплопередачи путем конвекции необходимо наличие воздуха или жидкости, поэтому в безвоздушном пространстве – в вакууме – конвекция невозможна.


Конвекция сопровождается переносом вещества. Конвекция не может осуществляться в вакууме и в твердых телах.


Различают естественную и вынужденную конвекцию. Понятно, что, если расположить источник тепла снизу, то нагретые слои будут вытесняться холодными, те, в свою очередь, оказавшись рядом с источником тепла, тоже нагреются и поднимутся вверх. Процесс будет вновь и вновь повторяться, таким образом, вещество нагреется благодаря естественной конвекции. Если в нашем распоряжении есть вещество, прогретое неравномерно, можно размешать его миксером, если это жидкость, или вентилятором, если это воздух в комнате – в этом случае реализуется вынужденная конвекция.

 

Излучение

 

Как же мы получаем тепло от Солнца, если нас разделяет безвоздушное пространство, а конвекция и теплопроводность невозможны в вакууме? Оказывается, все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Электромагнитные волны бывают разные: ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, видимый свет, инфракрасный свет и другие, они способны распространяться в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Часть этих волн переносит тепловую энергию. При излучении электромагнитной волны тело теряет часть своей внутренней энергии; при поглощении внутренняя энергия растет – совокупность этих процессов получила название излучение.


Тепловое излучение представляет собой электромагнитную волну – поток энергии, распространяющийся в пространстве.


Тепловую энергию способны излучать все тела. Интенсивность излучения зависит от температуры нагретого тела и его цвета. Так, стоящие на одной парковке черная и белая машины в солнечный жаркий день нагреются по-разному: черный активнее поглощает тепло, поэтому нагреется быстрее; в тоже время с наступлением вечера черная машина быстрее остынет, так как темные тела излучают тепло активнее. Чем выше температура нагретого тела, тем большее количество тепловой энергии оно отдаст окружающим его веществам.

 

Именно благодаря различной способности поглощать тепловую энергию, темная и светлая одежда по-разному защищают нас от солнечных лучей. Сосуды с легковоспламеняющимися газами и жидкостями всегда окрашены в светлые или серебристые цвета, чтобы меньше поглощать и, по возможности, отражать тепловую энергию. Необходимые элементы приборов, работающих на солнечных батареях, напротив, окрашивают в темные цвета, чтобы стимулировать поглощение солнечных лучей.


Передача энергии посредством излучения происходит без переноса вещества. Излучают тепловую энергию все нагретые тела: черные излучают и поглощают энергию активнее светлых. Излучение, будучи потоком электромагнитных волн, может распространяться в вакууме.


Рис. 6. Тепловое излучение от костра Рис. 6. Тепловое излучение от костра

Излучение распространяется во всех направлениях. Если поднести руку к лампочке накаливания, можно почувствовать тепло не зависимо от того, с какой стороны приближать руку. Конвекционные потоки теплого воздуха от костра поднимаются вверх, теплопроводность воздуха незначительна, поэтому тепло, которое мы чувствуем, сидя возле костра, есть результат поглощения теплового излучения (рис. 6).

Сведем в таблицу 1 полученные знания о трех видах теплообмена.

 

Таблица 1. Виды теплообмена

Теплопроводность

Конвекция

Излучение

Перенос вещества

Не происходит

Происходит: более горячие слои жидкости или газа вытесняются холодными и поднимаются наверх

Не происходит

Перенос энергии

Осуществляется путем передачи тепловой энергии от одних молекул к другим

Энергия переносится вместе с веществом

Тепловое излучение представляет собой электромагнитную волну – поток энергии, распространяющийся в пространстве

Возможность теплопередачи в различных средах

Наибольшей теплопроводностью обладают твердые сплошные тела; наименьшей – воздух

Конвекция может наблюдаться только в жидкостях и газах

Электромагнитные волны могут распространяться в любых средах

Возможность теплообмена в вакууме

нет

нет

да

Особенности

Воздух обладает очень низкой теплопроводностью, поэтому материалы, имеющие полости, обладают отличными теплоизоляционными свойствами

Различают вынужденную и естественную конвекцию

Темные тела активнее поглощают и излучают тепловую энергию

 


Контрольные вопросы

 

1. Какой кирпич лучше подойдет для постройки дома: имеющий воздушные полости или цельный?
2. Почему батареи расположены возле пола, а не под потолком?
3. Объясните, как термос сохраняет тепло.
4. Почему канистры с бензином окрашены в серебряный цвет?


Расчёт количеств теплоты при теплообмене. Примеры решения задач

Молекулярная физика и термодинамика
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Экономическое развитие в XIX – начале ХХ века. Меняющееся общество

    История