Конспект уроку: Теплообмін. Види теплопередачі

Види теплообміну

Теплові явища, з якими ми зустрічаємося в природі і побуті, пов’язані з передачею теплоти від одних тіл іншим, тобто, з теплообміном. Яким чином відбувається теплообмін між тілами?

Теплопровідність

Розглянемо особливості передачі теплоти на досліді. Металевий стержень закріпимо одним кінцем у штативі. Прикріпимо вздовж стержня воском декілька металевих цвяхів. Спиртівкою нагріватимемо вільний кінець стержня. Через деякий час стержень почне нагріватися; віск, що утримує цвяхи, буде танути.

Ми побачили, що теплота від полум’я спиртівки передається металевому стержню і поступово цвяхам на ньому. Як відбувається цей процес? У полум’ї спиртівки молекули повітря мають значну кінетичну енергію, яка суттєво більша, ніж кінетична енергія хаотичного руху атомів кристалічної решітки. Під час зіткнення молекули повітря передають енергію атомам кристалічної решітки стержня. Спочатку зростає швидкість хаотичного руху атомів кристалічної решітки, і, відповідно, температура частини стержня над спиртівкою. Поступово атоми з більшою енергією передають її частину сусіднім атомам. Зростає температура наступних частин металевого стержня. Через деякий час температура всіх частин стержня вирівнюється.

Передачу енергії від більш нагрітих частин тіла менш нагрітим шляхом безпосередньої взаємодії мікрочастинок, називають теплопровідністю.

Теплопровідність - це передача теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, обумовлена хаотичним рухом мікрочастинок речовини.

Теплопровідність відбувається без перенесення речовини з однієї частини тіла до іншої (від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла).

Теплопровідність супроводжується передачею внутрішньої енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих без перенесення речовини.

Чи всі речовини мають однакову теплопровідність? Ручку металевої сковороди виготовляють з дерева або пластмаси, щоб розігріту сковороду можна було зняти з плити. Гарячий чайник з металевою ручкою знімають з плити за допомогою ганчірки. Очевидно, що дерево та тканина проводять тепло менше, ніж метал. Тобто, різні речовини мають різну теплопровідність. Найбільшу теплопровідність мають метали; мідь та срібло проводять тепло найкраще. Деякі рідини теж добре проводять тепло. Саме тому воду використовують в опалювальних системах та системах охолодження. Найменшу теплопровідність мають гази. Ця властивість газів, зокрема, повітря, широко використовується. Вікна будинків виготовляють з подвійних листів скла, залишаючи між ними простір, заповнений повітрям. Оскільки теплопровідність повітря незначна, то зменшуються втрати тепла в кімнаті.

Конвекція

На відміну від металів, у рідинах та газах теплообмін може супроводжуватися перенесенням речовини - конвекцією.

Конвекція - це теплообмін у рідинах та газах, який супроводжується перенесенням речовини.

Щоб спостерігати конвекцію, закріпимо в штативі скляну трубку у формі прямокутника. Заповнимо її водою та добавимо кілька частинок перманганату калію. Нагріватимемо спиртівкою трубку в одному місці. Помітно, як у воді виникають конвекційні потоки: рідина весь час перемішується. Холодні шари води опускаються вниз, а нагріті піднімаються вгору - відбувається перенесення речовини. Перемішування шарів рідини відбувається під дією архімедової сили, яка виникає внаслідок різної густини холодних і теплих шарів води.

Подібним чином відбувається конвекція струменів повітря. Візьмемо пристрій, який складається з підставки, круглої платформи з стержнем, до якого прикріплені лопатки. Платформа з стержнем та лопатками може вільно обертатися на підставці. Розмістимо на столі біля підставки симетрично декілька спиртівок або свічок і запалимо їх. Повітря, нагріте полум’ям, почне розширятися, його густина зменшуватиметься. Струмені теплого повітря будуть виштовхуватися знизу холодним повітрям і підніматися вгору під дією архімедової сили. За ними прогріваються і рухаються вгору наступні струмені. Вони обертають лопатки і платформу з іграшками.

Рідини та гази нагрівають, як правило, знизу. При нагріванні зверху конвекція відбуватися не буде, оскільки верхні шари з меншою густиною (більш нагріті) не опускаються до низу і не відбувається перемішування. Крім того, конвекція відбувається за умови, що між частинами речовини існує різниця температур.

Явище природної або вільної конвекції використовують для обігріву будинків. Тепле повітря, нагріте від радіатора батареї водяного опалення, піднімається вгору. На його місце надходить холодне повітря. Температура повітря в кімнаті поступово вирівнюється.

Нагрівання або охолодження повітря в кімнаті може відбуватися й за рахунок вимушеної конвекції (вимушене перемішування повітря за допомогою кондиціонера).

Природна конвекція відіграє важливу роль у теплових процесах, які відбуваються на Землі. Завдяки їй відбувається перемішування повітряних мас - виникають конвекційні потоки в атмосфері - вітри.

Променевий теплообмін

Ми з’ясували, що тепло, від одних тіл іншим може передаватися безпосередньо шляхом взаємодії їх мікрочастинок, тобто внаслідок теплопровідності. Теплообмін у рідинах та газах можливий внаслідок конвекції - перенесення речовини. Важливою особливістю теплопровідності та конвекції є передача теплоти в певному середовищі за допомогою мікрочастинок речовини. Спробуємо відповісти на питання: чи можливий теплообмін, який не потребує середовища (наприклад, у вакуумі, де мікрочастинки майже відсутні, або їх концентрація незначна)? Щоб відповісти на це питання достатньо вийти сонячного дня на вулицю і відчути тепло. Сонячне випромінювання, завдяки якому ми відчуваємо тепло, проходить у космічному вакуумі величезну відстань від Сонця до Землі – близько 150 млн. км. Тобто, існує ще один вид теплообміну, який не потребує речовинного середовища (молекул, атомів) і зумовлений перетворенням внутрішньої енергії тіла в енергію теплового або променевого випромінювання.

Променевий теплообмін - це процес перенесення внутрішньої енергії від одного тіла до іншого внаслідок випускання, поширення та поглинання випромінювання.

Променевий теплообмін ви можете спостерігати на своєму робочому місці. Якщо піднести руку знизу до увімкненої настільної лампи, то відчуємо тепло. Очевидно, що тепло від лампи до нашої руки не може передаватися внаслідок конвекції (більш гаряче тіло розташоване зверху). Теплопровідність повітря достатньо мала. Тому можемо зробити висновок, що теплообмін відбувається внаслідок випромінювання та поглинання теплової енергії.

Процес випромінювання та поглинання теплоти відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії тіла.

Чашка з гарячою кавою випромінює теплову енергію. При цьому вона остигає - зменшується її внутрішня енергія, і, відповідно температура. Якщо тіло поглинає випромінювання, то його внутрішня енергія, і, відповідно, температура, зростає.

Для спостереження теплового випромінювання проведемо такий дослід. U-подібний манометр (стовпчики зафарбованої рідини в обох колінах на одному рівні) з’єднаємо з теплоприймачем на штативі. У якості теплоприймача використаємо герметичну металеву бляшанку з виводом для гумової трубки. Якщо масивну гирю нагріти до високої температури і встановити поруч з теплоприймачем, то через деякий час в ньому зросте тиск і рівновага стовпчиків манометра порушиться. Внаслідок променевого теплообміну між гарячою гирею та теплоприймачем підвищується температура повітря в теплоприймачі, а отже, й тиск в ньому, зміну якого показує манометр.

Теплову енергію випромінюють та поглинають всі тіла при будь-якій температурі вищій від абсолютного нуля. Навіть шматок льоду випромінює тепло. Проте ми не відчуваємо цього, піднісши до нього руку, оскільки рука випромінює більше тепла, ніж поглинає.

Співвідношення випромінюваної та поглинутою енергії залежить від температури, стану та кольору поверхні тіла. Тіло випромінює тим більше енергії, чим вища його температура.

Тіла з чорними шорсткими поверхнями випромінюють та поглинають більше енергії, ніж тіла з білими та гладенькими поверхнями, нагріті до такої ж температури. Така властивість використовується в термосах - побутових пристроях для забезпечення сталої температури рідини (наприклад, гарячого чаю взимку та прохолодної води влітку).

Рис. Будова термоса

Рідина заливається в скляну двостінну колбу з дзеркальною поверхнею. Зменшення конвекційного теплообміну досягається шляхом створення вакууму між подвійними стінками колби. Посріблена дзеркальна поверхня колби зменшує втрати на теплове випромінювання. Щоб теплопровідність була мінімальною, колбу поміщають у металевий або пластмасовий футляр таким чином, щоб між ними був повітряний проміжок (повітря погано проводить тепло). З цією ж метою використовують повстяну або пінопластову прокладку між ковбою та футляром, а також корок для закривання колби (корок має малу теплопровідність).

Теплопередача

Ми дізналися, що теплові явища та процеси супроводжуються передачею теплоти від більш нагрітих тіл менш нагрітим, або теплообміном. Теплообмін використовується людиною у теплових машинах, різноманітних побутових пристроях. Крім того, виявляється, що саме теплообмін забезпечує на Землі умови, придатні для існування всіх живих організмів. Сонячне тепло, так необхідне для людини, тваринного і рослинного світу, Земля отримує за рахунок променевого теплообміну: сонячне проміння проходить через космічний вакуум і нагріває атмосферу, воду та суходіл.

Рис. Сонячне випромінювання

Гарячі гейзери, що діють в сейсмічно активних регіонах планети і мають важливе значення для тваринного світу, а також використовуються людиною (геотермальні електростанції), є прикладом теплообміну між підземними водами та гарячими ділянками земної кори.

Рис. Конвекційні потоки повітря

Землю не можна уявити без вітрів – потужних природних конвекційних потоків. Механізм їх утворення полягає в тому, що різні ділянки земної поверхні по різному прогріваються. Наприклад, влітку суходіл прогрівається Сонцем вдень значно швидше, ніж вода. Тому густина повітря над сушею менша, ніж над водою. Створюється область низького тиску. Над морем в цей час створюється область підвищеного тиску. Холодні повітряні маси з моря рухаються в область зниженого тиску і виникає вітер, який називають бризом. Вночі суша охолоджується швидше, ніж море. Густина повітря над нею зростає, збільшується і тиск. Тому повітряні маси починають переміщуватися - вітер дме із суші на море (нічний бриз).

Теплообмін людина здавна використовує для побутових та виробничих потреб. Ще давні люди грілися біля багаття, отримуючи тепло внаслідок променевого теплообміну. Посуд для приготування їжі виготовляють з урахуванням його теплопровідності. Так для варіння використовують алюмінієвий посуд, який добре проводить теплоту. Для заварювання чаю використовують керамічний посуд, який проводить тепло гірше і чай в ньому довше залишається гарячим. Радіатори батарей водяного опалення виготовляють досить масивними та ребристими, щоб вони більше віддавали тепла. Для сушіння волосся використовують фени - пристрої, що забезпечують вимушену конвекцію повітря.

На явищі конвекції ґрунтується обігрівання та охолодження житлових і виробничих приміщень. Для підтримання помірної температури влітку використовують кондиціонери. їх розміщують вгорі, щоб забезпечити природну конвекцію.

З цією ж метою радіатори водяного опалення розміщують ближче до підлоги. Завдяки такому розташуванню відбувається неперервна циркуляція повітряних мас, які переносять теплову енергію і забезпечують обігрів кімнати.

Явища вимушеної конвекції та теплообміну використовують у системах охолодження автомобільних двигунів. Вода (або спеціальна охолоджувальна рідина) заливається в радіатор, з’єднаний з блоком двигуна автомобіля. Під час роботи двигун нагрівається і завдяки теплопровідності передає рідині системи охолодження тепло. Внаслідок конвекції гаряча рідина надходить в радіатор з багатьма ребрами (пластинами з високою теплопровідністю), де охолоджується. Надлишкове тепло передається від двигуна автомобіля оточуючому середовищу. Для кращого охолодження рідини в радіаторі його розміщують спереду автомобіля та встановлюють на ньому вентилятор.

Таким чином, теплообмін відіграє важливу роль у житті та діяльності людини. Три різні за механізмом види теплообміну: теплопровідність, конвекція та променевий теплообмін є досить поширеними в природі та широко використовуються в побуті і на виробництві.

Перевірка знань:

1. Вкажіть, у якому з агрегатних станів ртуть має найбільшу теплопровідність:

a) Твердий стан

b) Рідкий стан

c) Пароподібний стан

2. Вкажіть, внаслідок якого виду теплопередачі нагрівається влітку повітря в кімнаті через відкрите вікно:

a) Теплове випромінювання

b) Конвекція

c) Теплопровідність

3. Виберіть правильний варіант відповіді: під час теплообміну внаслідок конвекції нагріте повітря піднімається вгору, оскільки на нього діє:

a) Сила пружності

b) Сила молекулярного притягання

c) Архімедова сила

4. Вкажіть фізичне явище, в якому теплообмін відбувається переважно внаслідок променевого теплообміну:

a) Чайник з водою нагрівається на газовій плиті

b) На березі моря виникає бриз

c) За рахунок сонячної енергії нагрівається земна поверхня

5. Складіть текст, із фраз А, Б, В, Г, вибравши їх відповідну комбінацію:

A) 1. Під час нагрівання газу знизу...

2. Під час нагрівання одного з кінців металевого стержня...

Б) 1. В нагрітій частині речовини підсилюються коливання мікрочастинок і зростає середня швидкість їх теплового руху

2. В нагрітій частині речовини зростає швидкість поступального руху молекул

B) 1. При цьому речовина розширюється, зменшується його густина і вона піднімається вгору

2. При цьому мікрочастинки, що швидко коливаються, передають рух мікрочастинкам сусіднього шару

Г) 1. Таке явище називається теплопровідністю.

2. Таке явище називають конвекцією.

a) 1А+2Б+2В+1Г

b) 1А+2Б+1В+2Г

c) 2А+1Б+2В+1Г

6. Виберіть твердження, яке пояснює, чому залізний цвях не можна довго нагрівати, тримаючи його в руці, а сірник можна тримати, доки він майже повністю не згорить

a) Під час конвекції теплота переноситься струменями речовини

b) Різні речовини мають різну теплопровідність

c) Повітря гарно проводить тепло

7. Виберіть твердження, яке пояснює, чому вікна будинків виготовляють з двох листів скла, а не зі скла подвійної товщини

a) Скло є поганим провідником тепла

b) Повітря є поганим провідником тепла

c) Повітря є гарним провідником тепла