Поганий теплопровідність мають. ІІ міжнародний конкурс науково-дослідних та творчих робіт учнів «старт у науці
Теплова енергія є термін, який ми використовуємо для опису рівня активності молекул в об'єкті. Підвищена збудженість так чи інакше пов'язана зі збільшенням температури, в той час як в холодних об'єктах атоми переміщуються набагато повільніше.
Приклади теплопередачі можна зустріти всюди - у природі, техніці та повсякденному житті.
Приклади передачі теплової енергії
Найбільшим прикладом передачі тепла є сонце, яке зігріває планету Земля та все, що на ній знаходиться. У повсякденному житті можна зустріти масу подібних варіантів, лише в набагато менш глобальному значенні. Отже, які приклади теплопередачі можна спостерігати в побуті?
Ось деякі з них:
Тепло – це рух
Теплові потоки перебувають у постійному русі. Основними способами їх передачі можна назвати конвенцію, випромінювання та провідність. Давайте розглянемо ці поняття докладніше.
Що таке провідність?
Можливо, багато хто не раз помічав, що в тому самому приміщенні відчуття від дотику зі статтю можуть бути зовсім різні. Приємно і тепло ходити по килиму, але якщо зайти у ванну босими ногами, відчутна прохолода відразу дає почуття бадьорості. Тільки не в тому випадку, де є підігрів підлоги.
То чому ж плиткова поверхня мерзне? Це все через теплопровідність. Це один із трьох типів передачі тепла. Щоразу, коли два об'єкти різних температурзнаходяться в контакті один з одним, теплова енергія проходитиме між ними. Приклади теплопередачі в цьому випадку можна навести такі: тримаючись за металеву пластину, інший кінець якої буде поміщений над полум'ям свічки, згодом можна відчути печіння і біль, а в дотик до залізної ручки каструлі з киплячою водою можна отримати опік.
Фактори провідності
Хороша чи погана провідність залежить від кількох факторів:
- Вид та якість матеріалу, з якого виготовлені предмети.
- Площа поверхні двох об'єктів, що у контакті.
- Різниця температури між двома об'єктами.
- Товщина та розмір предметів.
У формі рівняння це виглядає так: швидкість передачі тепла до об'єкта дорівнює теплопровідності матеріалу, з якого виготовлений об'єкт, помноженої на площу поверхні в контакті, помноженої на різницю температур між двома об'єктами і поділеної на товщину матеріалу. Все просто.
Приклади провідності
Пряма передача тепла від одного об'єкта до іншого називаються провідністю, а речовини, які добре проводять тепло, називають провідниками. Деякі матеріали та речовини погано справляються із цим завданням, їх називають ізоляторами. До них відносять деревину, пластмасу, скловолокно і навіть повітря. Як відомо, ізолятори фактично не зупиняють потік тепла, а просто його уповільнюють тією чи іншою мірою.
Конвекція
Такий вид теплопередачі, як конвекція, відбувається у всіх рідинах та газах. Можна зустріти такі приклади теплопередачі у природі та у побуті. Коли рідина нагрівається, молекули в нижній частині набирають енергію і починають рухатися швидше, що призводить до зменшення густини. Теплі молекули текучого середовища починають рухатися вгору, тоді як охолоджувач (більш щільна рідина) починає тонути. Після того, як холодні молекули досягають дна, вони знову отримують свою частку енергії і знову прагнуть до вершини. Цикл продовжується до тих пір, поки існує джерело тепла в нижній частині.
Приклади теплопередачі в природі можна навести такі: за допомогою спеціального обладнаного пальника тепле повітря, наповнюючи простір повітряної кулі, може підняти всю конструкцію на досить велику висоту, вся справа в тому, що тепле повітря легше за холодну.
Випромінювання
Коли ви сидите перед багаттям, вас зігріває вихідне від нього тепло. Те саме відбувається, якщо піднести долоню до лампочки, що горить, не торкаючись до неї. Ви також відчуєте тепло. Найбільші приклади теплопередачі у побуті та природі очолює сонячна енергія. Щодня тепло сонця проходить через 146 млн км порожнього простору аж до самої Землі. Це рушійна сила для всіх форм та систем життя, які існують на нашій планеті сьогодні. Без цього способу передачі ми були б у великій біді, і світ був би зовсім не той, яким ми його знаємо.
Випромінювання - це передача тепла за допомогою електромагнітних хвиль, чи то радіохвилі, інфрачервоні, рентгенівські промені або навіть видиме світло. Всі об'єкти випромінюють і поглинають променисту енергію, включаючи саму людину, проте не всі предмети та речовини справляються з цим завданням однаково добре. Приклади теплопередачі в побуті можна розглянути за допомогою звичайної антени. Як правило, те, що добре випромінює, також добре і поглинає. Що ж до Землі, вона приймає енергію від сонця, та був віддає її у космос. Ця енергія випромінювання називається земною радіацією, і це те, що робить можливим саме життя на планеті.
Приклади теплопередачі у природі, побуті, техніці
Передача енергії, зокрема теплової, є фундаментальною сферою дослідження всім інженерів. Випромінювання робить Землю придатною для проживання і дає відновлювану сонячну енергію. Конвекція є основою механіки, відповідає за потоки повітря в будівлях та повітрообмін у будинках. Провідність дозволяє нагрівати каструлю, лише поставивши її на вогонь.
Численні приклади теплопередачі в техніці та природі очевидні та зустрічаються всюди у нашому світі. Майже всі їх відіграють велику роль, особливо в галузі машинобудування. Наприклад, при проектуванні системи вентиляції будівлі інженери вираховують тепловіддачу будівлі в околицях, а також внутрішню передачу тепла. Крім того, вони вибирають матеріали, які зводять до мінімуму або максимізують передачу тепла через окремі компоненти для оптимізації ефективності.
Випаровування
Коли атоми або молекули рідини (наприклад, води) зазнають впливу значного обсягу газу, вони мають тенденцію мимовільно увійти до газоподібного стану або випаруватися. Це тому, що молекули постійно рухаються у різних напрямах при випадкових швидкостях і зіштовхуються друг з одним. У ході цих процесів деякі з них отримують кінетичну енергію, достатню для того, щоб відштовхуватися від джерела нагрівання.
Однак не всі молекули встигають випаруватися і стати водяною парою. Все залежить від температури. Так, вода в склянці випаровуватиметься повільніше, ніж у каструлі, що нагрівається на плиті. Кипіння води значно збільшує енергію молекул, що у свою чергу прискорює процес випаровування.
Основні поняття
- Провідність - це передача тепла через речовину за безпосереднього контакту атомів або молекул.
- Конвекція - це передача тепла за рахунок циркуляції газу (наприклад повітря) або рідини (наприклад, води).
- Випромінювання - це різниця між поглиненою та відображеною кількістю тепла. Ця здатність залежить від кольору, чорні об'єкти поглинають більше тепла, ніж світлі.
- Випаровування - це процес, при якому атоми або молекули в рідкому стані одержують достатньо енергії, щоб стати газом або парою.
- - це гази, які затримують тепло сонця у атмосфері Землі, справляючи парниковий ефект. Виділяють дві основні категорії - це водяна пара та вуглекислий газ.
- - це безмежні ресурси, які швидко та природно поповнюються. Сюди можна віднести такі приклади теплопередачі в природі та техніці: вітри та енергію сонця.
- Теплопровідність - це швидкість, з якою матеріал передає теплову енергіючерез себе.
- Теплова рівновага - це стан, у якому всі частини системи знаходяться в однаковому температурному режимі.
Застосування на практиці
Численні приклади теплопередачі в природі та техніці (картинки вище) вказують на те, що ці процеси повинні бути добре вивчені та служили на благо. Інженери застосовують свої знання про принципи передачі тепла, досліджують нові технології, які пов'язані з використанням відновлюваних ресурсів та є менш руйнівними для довкілля. Ключовим моментом є розуміння того, що перенесення енергії відкриває нескінченні можливості для інженерних рішень і не лише.
Внутрішня енергія, як будь-який вид енергії, може бути передана від одних тіл до інших.Внутрішня енергія може передаватися і від частини тіла до іншої. Так, наприклад, якщо один кінець цвяха нагріти в полум'ї, то інший його кінець, що знаходиться в руці, поступово нагріється і палитиме руку. Явище передачі внутрішньої енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого при безпосередньому контакті називається теплопровідністю.
Вивчимо це явище, зробивши ряд дослідів із твердими тілами, рідиною та газом. Внесемо у вогонь кінець дерев'яної палиці. Він спалахне. Інший кінець палиці, що знаходиться зовні, буде холодним. Значить, дерево має поганою теплопровідністю. Піднесемо до полум'я спиртування кінець тонкої скляної палички. Через деякий час він нагріється, а інший кінець залишиться холодним. Отже, і скло має погану теплопровідність. Якщо ж ми нагріватимемо в полум'ї кінець металевого стрижня, то дуже скоро весь стрижень сильно нагріється. Втримати його в руках ми вже не зможемо. Отже, метали добре проводять тепло, тобто мають велику теплопровідність. Найбільшою теплопровідністюмають срібло і мідь.
Розглянемо передачу тепла від однієї частини твердого тіла до іншої наступного досвіду. Закріпимо один кінець товстої мідного дротуу штативі. До дроту прикріпимо воском кілька гвоздиків (рис. 6). При нагріванні вільного кінця дроту в полум'ї спиртування віск танутиме. Гвоздики почнуть поступово відвалюватись. Спочатку відпадуть ті, що розташовані ближче до полум'я, потім по черзі всі інші. З'ясуємо, як відбувається передача енергії дротом. Швидкість коливального руху частинок металу збільшується в тій частині дроту, що ближче до полум'я. Оскільки частки постійно взаємодіють одна з одною, то збільшується швидкість руху сусідніх частинок. Починає підвищуватися температура наступної частини дроту тощо. буд. Слід пам'ятати, що з теплопровідності немає переносу речовини від кінця тіла до іншого. Розглянемо тепер теплопровідність рідин. Візьмемо пробірку з водою і нагріватимемо її верхню частину. Вода біля поверхні швидко закипить, а біля дна пробірки цей час вона лише нагріється (рис. 7).
Значить, у рідин теплопровідність невелика, крім ртуті і розплавлених металів. Це тим, що у рідинах молекули розташовані великих відстанях друг від друга, ніж у твердих тілах. Досліджуємо теплопровідність газів. Суху пробірку одягнемо на палець і нагріємо в полум'ї спиртування денцем вгору (рис. 8).
Палець при цьому довго не відчує тепла. Це з тим, що відстань між молекулами газу ще більше, ніж в рідин і твердих тіл. Отже, теплопровідність у газів ще менша. Отже, теплопровідність у різних речовинрізна. Досвід, зображений малюнку 9, показує, що теплопровідність у різних металів неоднакова. Погана теплопровідність має вовну, волосся, пір'я птахів, папір, пробка та інші пористі тіла. Це з тим, що між волокнами цих речовин міститься повітря. Найнижчу теплопровідність має вакуум (звільнений від повітря простір). 
Пояснюється це тим, що теплопровідність – це перенесення енергії від однієї частини тіла до іншої, що відбувається при взаємодії молекул чи інших частинок.У просторі, де немає частинок, теплопровідність не може здійснюватися. Якщо виникає необхідність захистити тіло від охолодження або нагрівання, застосовують речовини з малою теплопровідністю. Так, для каструль, сковорідок ручки виготовляють із пластмаси. Будинки будують з колод або цегли, що мають погану теплопровідність, а значить, оберігають приміщення від охолодження.
Теплообмін між двома середовищами відбувається через тверду стінку, що розділяє їх, або через поверхню розділу між ними.
Теплота здатна переходити лише від тіла з вищою температурою до тіла менш нагрітого.
Теплообмін завжди протікає так, що спад внутрішньої енергії одних тіл завжди супроводжується таким же збільшенням внутрішньої енергії інших тіл, що беруть участь у теплообміні.
Теплопровідність
Теплопровідність - це вид теплопередачі, при якому відбувається безпосередня передача енергії від частинок (молекул, атомів) більш нагрітої частини тіла до частинок його менш нагрітої частини.
Теплопровідність не супроводжується перенесенням речовини! Слід пам'ятати, що при теплопровідності сама речовина не переміщається вздовж тіла, переноситься лише енергія.
Теплопровідність різних речовин різна.
Можна провести наступний досвід – взято склянку з гарячою водоюі покласти туди ложки з різних матеріалів (алюмінієву, мельхіорову, сталеву, дерев'яну та пластмасову) Через 3 хвилини подивитися, чи однаково нагрілися ложки? Проаналізуйте результат
З таблиці видно, що метали мають найвищу теплопровідність, причому у різних металів теплопровідність відрізняється.
Рідини мають меншу теплопровідність, ніж тверді тіла, а гази меншу, ніж рідини.
Розглянемо досвід із теплопровідністю рідин. Якщо бочку з водою опустити на дно лід, а верхній шар води нагрівати кип'ятильником. То вода біля поверхні швидко закипить, а крига внизу не розтане. Це тим, що у рідинах молекули розташовані великих відстанях друг від друга, ніж у твердих тілах.
Поганою теплопровідністю володіють також волосся, пір'я, папір, пробка та інші пористі тіла. Це з тим, що між волокнами цих речовин міститься повітря. Найнижчу теплопровідність має вакуум (звільнений від повітря простір). Пояснюється це тим, що теплопровідність – це перенесення енергії від однієї частини тіла до іншої, що відбувається при взаємодії молекул чи інших частинок. У просторі, де немає частинок, теплопровідність не може здійснюватися.
Метали – тверді тіла – рідини – гази
Ослаблення теплопровідності
Якщо виникає необхідність захистити тіло від охолодження або нагрівання, то застосовують речовини з малою теплопровідністю. Так, ручки у кранів на батареї роблять із пластмаси, а також з аналогічного металу роблять ручки для каструль. Будинки будують з колод або пористої цеглини, що мають погану теплопровідність, а значить, оберігають приміщення від охолодження.
Нині у багатьох регіонах будівлі почали зводити на палях. У цьому випадку тепло передається тільки теплопровідністю від фундаменту палі і далі від палі грунту Палі роблять із міцного твердого матеріалу, а всередині вони заповнені гасом. Влітку паля проводить тепло згори донизу погано, т.к. рідина має низьку теплопровідність. Взимку паля за рахунок конвекції рідини всередині неї, навпаки, сприятиме додатковому охолодженню ґрунту.
Теплопровідність- Це вид теплопередачі, при якому відбувається безпосередня передача енергії від частинок (молекул, атомів) більш нагрітої частини тіла до частинок його менш нагрітої частини.
Розглянемо ряд дослідів із нагріванням твердого тіла, рідини та газу.
Променистий теплообмін.
Променистий теплообмін- Це теплообмін, при якому енергія переноситься різними променями.
Це можуть бути сонячні промені, а також промені, що випускаються нагрітими тілами, що знаходяться навколо нас.
Так, наприклад, сидячи біля багаття, ми відчуваємо, як тепло передається від вогню нашому тілу. Однак причиною такої теплопередачі не може бути ні теплопровідність (яка повітря, що знаходиться між полум'ям і тілом, дуже мала), ні конвекція (оскільки конвекційні потоки завжди спрямовані вгору). Тут має місце третій вид теплообміну. променистий теплообмін.
Візьмемо невелику, закопчену з одного боку колбу.
Через пробку в неї вставимо вигнуту під прямим кутом скляну трубку. У цю трубку, що має тонкий канал, введемо підфарбовану рідину. Зміцнивши на трубці шкалу, отримаємо прилад. термоскоп. Цей прилад дозволяє виявити навіть незначне нагрівання повітря у закопченій колбі.
Якщо до темної поверхні термоскопа піднести шматок металу, нагрітий до високої температури, стовпчик рідини переміститься вправо. Очевидно, повітря в колбі нагрілося і розширилося. Швидке нагрівання повітря в термоскопі можна пояснити лише передачею енергії від нагрітого тіла. Як і у випадку з багаттям, енергія тут передалася не теплопровідністю та не конвективним теплообміном. Енергія в даному випадку передалася за допомогою невидимих променів, що випромінюються нагрітим тілом. Ці промені називають тепловим випромінюванням.
Променистий теплообмін може відбуватися у повному вакуумі. Цим він відрізняється від інших видів теплообміну.
Випромінюють енергію всі тіла: і сильно нагріті, і слабко, наприклад, тіло людини, піч, електрична лампочка. Але що вище температура тіла, то сильніше його теплове випромінювання. Випромінена енергія, досягнувши інших тіл, частково поглинається ними, а частково відбивається. При поглинанні енергія теплового випромінюванняперетворюється на внутрішню енергію тіл, і вони нагріваються.
Світлі та темні поверхні поглинають енергію по-різному. Так, якщо в досвіді з термоскопом повернути колбу до нагрітого тіла спочатку закопченою, а потім світлою стороною, то стовпчик рідини в першому випадку переміститься на більшу відстань, ніж у другому (див. малюнок вище). З цього випливає, що тіла з темною поверхнею краще поглинають енергію (і, отже, сильніше нагріваються), ніж тіла зі світлою або дзеркальною поверхнею.
Тіла з темною поверхнею не лише краще поглинають, а й краще випромінюють енергію.
Здатність по-різному поглинати енергію випромінювання знаходить широке застосування в техніці. Наприклад, повітряні кулі та крила літаків часто фарбують сріблястою фарбою, щоб вони менше нагрівалися сонячним промінням.
Якщо потрібно використовувати сонячну енергію (наприклад, для нагрівання деяких приладів, встановлених на штучних супутниках), то ці пристрої забарвлюють у темний колір.
Теплообмін- це процес зміни внутрішньої енергії без роботи над тілом чи самим тілом.
Теплообмін завжди відбувається у певному напрямку: від тіл з більш високою температурою до тіла з нижчою.
Коли температури тіл вирівнюються, теплообмін припиняється.
Теплообмін може здійснюватися трьома способами:
- теплопровідністю
- конвекцією
- випромінюванням
Теплопровідність
Теплопровідність- явище передачі внутрішньої енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого при безпосередньому контакті.
Найбільшу теплопровідність мають метали- вона в них у сотні разів більша, ніж у води. Винятком є ртуть та свинецьАле й тут теплопровідність у десятки разів більша, ніж у води.
При опусканні металевої спиці в склянку з гарячою водою незабаром кінець спиці ставав теж гарячим. Отже, внутрішня енергія, як будь-який вид енергії, може бути передана від одних тіл до інших. Внутрішня енергія може передаватися і від частини тіла до іншої. Так, наприклад, якщо один кінець цвяха нагріти в полум'ї, то інший його кінець, що знаходиться в руці, поступово нагріється і палитиме руку.
Нагрівання каструлі на електричній плитці відбувається через теплопровідність.
Вивчимо це явище, зробивши ряд дослідів із твердими тілами, рідиною та газом.
Внесемо у вогонь кінець дерев'яної палиці. Він спалахне. Інший кінець палиці, що знаходиться зовні, буде холодним. Значить, дерево має погану теплопровідність.
Піднесемо до полум'я спиртування кінець тонкої скляної палички. Через деякий час він нагріється, інший же кінець залишиться холодним. Отже, і скло має погану теплопровідність.
Якщо ж ми нагріватимемо в полум'ї кінець металевого стрижня, то дуже скоро весь стрижень сильно нагріється. Втримати його в руках ми вже не зможемо.
Значить, метали добре проводять тепло, тобто мають велику теплопровідність. Найбільшу теплопровідність мають срібло та мідь.
Теплопровідність у різних речовин різна.
Погана теплопровідність має вовну, волосся, пір'я птахів, папір, пробка та інші пористі тіла.Це з тим, що між волокнами цих речовин міститься повітря. Найнижчу теплопровідність має вакуум (звільнений від повітря простір).Пояснюється це тим, що теплопровідність – це перенесення енергії від однієї частини тіла до іншої, що відбувається при взаємодії молекул чи інших частинок. У просторі, де немає частинок, теплопровідність не може здійснюватися.
Якщо виникає необхідність захистити тіло від охолодження або нагрівання, застосовують речовини з малою теплопровідністю. Так, для каструль, сковорідок ручки із пластмаси. Будинки будують з колод або цегли, які мають погану теплопровідність, а отже, оберігають від охолодження.
Конвекція
Конвекція- це процес теплопередачі, який здійснюється шляхом перенесення енергії потоками рідини або газу.
Приклад явища конвекції: невелика паперова вертушка, поставлена над полум'ям свічки або електричною лампочкою, під дією нагрітого повітря, що піднімається, починає обертатися. Це можна пояснити таким чином. Повітря, стикаючись з теплою лампою, нагрівається, розширюється і стає менш щільним, ніж навколишнє холодне повітря. Сила Архімеда, що діє на тепле повітря з боку холодного знизу вгору, більша, ніж сила тяжіння, що діє на тепле повітря. В результаті нагріте повітря «спливає», піднімається нагору, а його місце займає холодне повітря.
При конвекції енергія переноситься самими струменями газу чи рідини.
Розрізняють два види конвекції:
- природна (або вільна)
- вимушена
Для того щоб у рідинах і газах відбувалася конвекція, необхідно їх нагрівати знизу.
Конвекція у твердих тілах відбуватися не може.
Випромінювання
Випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається за рахунок внутрішньої енергії речовиною, що знаходиться за певної температури.
Потужність теплового випромінювання об'єкта, що відповідає критеріям абсолютно чорного тіла, описується законом Стефана – Больцмана.
Відношення випромінювальної та поглинальної здібностей тіл описується законом випромінювання Кірхгофа.
Передача енергії випромінюванням відрізняється від інших видів теплопередачі: вона може здійснюватися у повному вакуумі.
Випромінюють енергію всі тіла: і сильно нагріті, і слабко, наприклад тіло людини, піч, електрична лампочка та ін Але чим вище температура тіла, тим більше енергії передає воно шляхом випромінювання. У цьому енергія частково поглинається цими тілами, а частково відбивається. При поглинанні енергії тіла нагріваються по-різному, залежно стану поверхні.
Тіла з темною поверхнею краще поглинають та випромінюють енергію, ніж тіла, що мають світлу поверхню. У той же час тіла з темною поверхнею охолоджуються швидше за допомогою випромінювання, ніж тіла зі світлою поверхнею. Наприклад, у світлому чайнику гаряча вода довше зберігає високу температуруніж у темному.