Які тіла мають найбільшу теплопровідність. VI. Домашнє завдання. ІІІ. Вивчення нового матеріалу

У попередньому параграфі ми з'ясували, що при опусканні металевої спиці в склянку з гарячою водоюдуже скоро кінець спиці ставав також 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.

Діаграма показує передачу теплової енергії через провідність. Тепло – цікава форма енергії. Це не тільки підтримує життя, робить нас зручними та допомагає нам готувати нашу їжу, але розуміння її властивостей є ключем до багатьох областей наукових досліджень. Наприклад, знаючи, як передається тепло, і ступінь, в якому різні матеріали можуть обмінюватися тепловою енергією, керує всім, починаючи від будівництва обігрівачів та розуміючи сезонні зміни, щоб відправити кораблі до космосу.

Теплоту можна передавати лише трьома способами: провідністю, конвекцією та випромінюванням. З них провідність, мабуть, є найпоширенішою і відбувається регулярно у природі. Коротше кажучи, це передача через фізичний контакт. Це відбувається, коли ви натискаєте свою руку на шибку, коли ви кладете горщик з водою на активний елемент і коли ви кладете залізо у вогонь.

    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.

Ця передача відбувається на молекулярному рівні – від одного тіла до іншого – коли теплова енергіяпоглинається поверхнею та змушує молекули цієї поверхні рухатися швидше. У процесі вони стикаються зі своїми сусідами та передають їм енергію, процес триває доти, доки тепло додається.

IV. Закріплення здобутих знань на прикладах завдань

Процес теплопровідності залежить від чотирьох основних факторів: поперечного перерізу учасників, їх довжини шляху та властивостей цих матеріалів. Градієнт температури є фізичну величину, Яка описує, в якому напрямку та з якою швидкістю температура змінюється в певному місці. Температура завжди тече від найгарячішого до найхолоднішого джерела, через те, що холод - це не що інше, як відсутність теплової енергії. Ця передача між тілами триває доти, доки різниця температур не розпадається, і виникає стан, відомий як теплова рівновага.

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.

Важливим фактором є поперечний переріз і довжина шляху. Чим більший розмір матеріалу, пов'язаного з перенесенням, тим більше тепла необхідно для його нагрівання. Крім того, чим більше площа поверхні, що знаходиться під відкритим повітрям, тим більша ймовірність. Таким чином, більш короткі об'єкти з меншим поперечним перерізом є найкращим засобоммінімізації втрати.

Теплопровідність відбувається через будь-який матеріал, представлений прямокутним стрижнем. Швидкість, з якою відбувається перенесення, частково залежить від товщини матеріалу. Останнє, але, звичайно, не в останню чергу, Фізичні властивостіматеріалів. В основному, коли справа доходить до провідного тепла, не всі речовини створюються рівними. Метали та камінь вважаються хорошими провідниками, оскільки вони можуть швидко передавати тепло, тоді як матеріали, такі як дерево, папір, повітря та тканина є поганими провідниками тепла.

Отже, метали добре проводять тепло, тобто мають велику теплопровідність. Найбільшу теплопровідність мають срібло та 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. При нагріванні вільного кінця дроту в полум'ї спиртування віск танутиме. Гвоздики почнуть поступово відвалюватись (рис. 5). Спочатку відпадуть ті, що розташовані ближче до полум'я, потім по черзі всі інші.

Ці провідні властивості оцінюються з урахуванням «коефіцієнта», який вимірюється щодо срібла. Щодо цього срібло має коефіцієнт 100, тоді як інші матеріали оцінюються нижче. До них відносяться мідь, залізо, вода та дерево. На протилежному кінці спектру є ідеальний вакуум, який нездатний провести тепло, тому оцінюється в нулі.

Матеріали, які є поганими провідниками тепла, називаються ізоляторами. Повітря, яке має коефіцієнт провідності 0, 006, є винятковим ізолятором, оскільки він здатний утримуватися в замкнутому просторі. Ось чому штучні ізолятори використовують повітряні відсіки, такі як склопакети з подвійним склом, які використовуються для різання рахунків за опалення. В основному вони діють як буфери проти втрати тепла.

Рис. 5. Передача тепла від однієї частини твердого тіла до іншої

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.

Пір'я, хутра та натуральні волокна – усі приклади натуральних ізоляторів. Це матеріали, які дозволяють птахам, ссавцям та людям залишатися теплими. Морські видри, наприклад, живуть в океанських водах, які часто дуже холодні, а їх розкішно товсте хутро зберігає тепло. Інші морські ссавці, такі як морські леви, кити та пінгвіни, покладаються на товсті шари жиру – дуже поганий провідник – щоб запобігти втраті тепла через шкіру.

Ця ж логіка застосовується для ізоляції будинків, будівель та навіть космічних апаратів. У цих випадках методи включають захоплені повітряні кишені між стінами, скловолокном або піною високої щільності. Космічний апарат є особливим випадком та використовує ізоляцію у вигляді піни, армованого вуглецевого композитного матеріалу та плитки з діоксиду кремнію. Все це погані провідники тепла і, отже, запобігають втраті тепла в космосі, а також запобігають попаданню екстремальних температур, спричинених потраплянням атмосферних опадів до кабіни екіпажу.

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. 6). Значить, у рідин теплопровідність невелика, крім ртуті і розплавлених металів.

Проведення свідчить про нагрівання металевого стрижня з полум'ям. Закони, що регулюють провідність тепла, дуже схожі на Закон Ома, який регулює електричну провідність. І тут хороший провідник - це матеріал, що дозволяє електричному струму проходити крізь нього без особливих проблем. Навпаки, електричний ізолятор будь-який матеріал, внутрішні електричні заряди якого не протікають вільно, тому дуже важко провести електричний струм під впливом електричного поля.

Найчастіше матеріали, які є поганими провідниками тепла, також є поганими провідниками електрики. Наприклад, мідь добре проводить як тепло, так і електрику, тому мідні дроти широко використовуються у виробництві електроніки. Золото та срібло ще краще, і там, де ціна не є проблемою, ці матеріали також використовуються у будівництві електричних ланцюгів.

Рис. 6. Теплопровідність рідини

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. 7). Палець при цьому довго не відчує тепла.

І коли хтось шукає «заземлити» заряд, вони відправляють його через фізичне з'єднання із Землею, де заряд втрачається. Це характерно для електричних ланцюгів, у яких відкритий метал є фактором, що гарантує, що люди, які випадково потрапили в контакт, не піддаються електромутації.

Ізолювальні матеріали, такі як гума на підошвах взуття, надягаються для забезпечення захисту людей від роботи з чутливими матеріалами або джерел живлення від електричних зарядів. Інші, такі як скло, полімери або порцеляна, зазвичай використовуються на лініях електропередач і високовольтних силових передавачі для підтримки живлення, що протікає по ланцюгах.

Рис. 7. Теплопровідність газу

Це з тим, що відстань між молекулами газу ще більше, ніж в рідин і твердих тіл. Отже, теплопровідність газів ще менше.

Отже, теплопровідність у різних речовинрізна.

Досвід, зображений малюнку 8, показує, що теплопровідність у різних металів неоднакова.

Коротше кажучи, провідність зводиться до передачі тепла або передачі електричного заряду. Обидва вони відбуваються внаслідок здатності речовини переносити енергію через них. Чорні об'єкти не наводять тепло. Чорні об'єкти поглинають випромінювання, що надходить у видимому діапазоні. Аналогічно білі об'єкти не відбивають тепло. Вони дифузно відбивають видиме випромінювання, що надходить.

Але ж це кольори. Чи є чорні чи білі «квітами», багато в чому залежать від того, що ви маєте на увазі під кольором. Для цього питання краще дивитися на чорно-білі, як відтінки сірого, а не на такі кольори, як червоний та синій. Що то за фізика? Відповідь полягає в поняттях випромінювальної здатності, поглинальної здатності, відбивної здатності та пропускності. Коефіцієнт випромінювання – це здатність об'єкта випромінювати теплове випромінюваннящодо ідеального чорного тіла.

  • Абсорбируемость - це частка випромінювання, що поглинається об'єктом.
  • Відбивна здатність - частка вхідного випромінювання, відбитого об'єктом.
  • Передача - це частка випромінювання, що проходить через об'єкт.
Останні три повністю перераховують, що відбувається з вхідним випромінюванням.


Рис. 8. Теплопровідність різних металів

Погана теплопровідність має вовну, волосся, пір'я птахів, папір, пробка та інші пористі тіла. Це з тим, що між волокнами цих речовин міститься повітря. Найнижча 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.

ІІ. Повідомлення теми та цілей уроку

Вони додаються до 1. Вхідне світло для непрозорих об'єктів або поглинається, або відображається у співвідношенні, що визначається поглинальною здатністю об'єкта і відбивною здатністю. Відображає здатність і поглинальна здатність частково пояснюють, чому чорні об'єкти стають більш гарячими, ніж білі. Абсолютно чорний об'єкт поглинає все видиме випромінювання, а абсолютно білий об'єкт відображає все видиме випромінювання. Оскільки немає такої речі, як абсолютно чорний або абсолютно білий об'єкт, всі об'єкти певною мірою поглинають видиме випромінювання.

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, що оберігають приміщення від охолодження.

Запитання

  1. Як відбувається передача енергії металевим дротом?
  2. Поясніть досвід (див. мал. 8), який показує, що теплопровідність міді більша, ніж теплопровідність сталі.
  3. Які речовини мають найбільшу та найменшу теплопровідність? Де їх застосовують?
  4. Чому хутро, пух, пір'я на тілі тварин та птахів, а також одяг людини захищають від холоду?

Вправа 3

  1. Чому глибокий пухкий сніг оберігає озимі хліба від вимерзання?
  2. Підраховано, що теплопровідність соснових дощок у 3,7 рази більша, ніж соснової тирси. Чим пояснити таку різницю?
  3. Чому вода не замерзає під товстим шаром льоду?
  4. Чому вираз «шуба гріє» неправильно?

Завдання

Візьміть чашку з гарячою водою і водночас опустіть у воду металеву та дерев'яну ложки. Яка із ложок швидше нагріється? Яким способом здійснюється теплообмін між водою та ложками? Як змінюється внутрішня енергія води та ложок?

Однак чорні об'єкти поглинають значно більша кількістьвидимого випромінювання, ніж білі. Зворотній бікмонети – випромінювальна здатність. У кінцевому підсумку об'єкт досягне теплової рівноваги, при цьому поглинена енергія від вхідного випромінювання дорівнюватиме енергії, що випромінюється як випромінювання.

I. Організаційний момент

Іншими двома факторами є геометрія та вхідна енергія. Закон радіації Пер Кірхгоффа, випромінювальна здатність та поглинальна здатність на будь-якій заданій частоті рівні. Для ідеального сірого тіла як поглинальна здатність, так і випромінювальна здатність постійні незалежно від частоти і температури. Всі досконалі сірі тіла з однаковою геометрією і схильні до однакової вхідної випромінювання в кінцевому підсумку досягне тієї ж рівноважної температури.

Теплообмін у природі здійснюється за допомогою теплопровідності, конвекції та випромінювання (променепоглинання та променевипускання).

Механізм теплопровідності фактично пояснено у попередньому параграфі. Наведемо ще один приклад. При нагріванні кінця металевого стрижня його молекули починають рухатися швидше, тобто внутрішня енергія цього кінця зростає. Так як на іншому кінці стрижня молекули рухаються повільніше, то всередині стрижня за допомогою хаотичного руху атомів та електронів відбувається передача внутрішньої енергії від гарячого до холодного кінця.Передача внутрішньої енергії від одних частин речовини іншим, обумовлена ​​хаотичним рухом молекул та інших частинок речовини, називається теплопровідністю.

Тому нам потрібно ще щось, щоб пояснити, чому чорні об'єкти стають гарячішими, ніж білі. Відповідь полягає в тому, що поглинальна здатність та випромінювальна здатність залежать від частоти та температури для реальних об'єктів. Ідеальні сірі тіла немає. Вони, за потреби, підходять для наближення. "Чорний" і "білий" відносяться до відбивної здатності у видимому діапазоні. Об'єкт білого кольоруможе бути дуже чорним у тепловому інфрачервоному діапазоні. Об'єкт, який є явно білим, але термічно чорним, не нагрівається так сильно, як об'єкт, який буде помітно та термічно чорним.

Серед різних видівречовини найкращою теплопровідністю мають метали. Це тим, що у них перебувають вільні електрони. Зазначимо ще, що теплопровідність речовини у твердому стані більша, ніж у рідкому, а в рідкому більше, ніж у газоподібному.

Розглянемо суть конвекції. Щоб показати погану теплопровідність води, зазвичай посудину з водою нагрівають зверху. При цьому зверху вода може закипіти, а внизу залишиться холодною. Однак якщо посудину нагрівати знизу, вода нагрівається рівномірно у всьому обсязі. Пояснюється це тим, що вода при нагріванні розширюється та її щільність зменшується. Якщо нагріта вода знаходиться внизу, верхні, більш щільні шари води під дією сили тяжіння опускаються і витісняють теплу воду вгору. Таке перемішування води відбуватиметься доти, доки вся вода не закипить.Теплообмін, який відбувається при перемішуванні нерівномірно нагрітих шарів рідини або газу під дією сили тяжіння, називається конвекцією. Неважко збагнути, що у космічному кораблі при стані невагомості конвекція відсутня.(Подумайте, чому морозильна камера у холодильниках зміцнюється вгорі, а не внизу.)

Наука, що стоїть за дизайном спального мішка, відразу проста і все-таки дуже складна. Протягом багатьох років дизайн спального мішка змінився та розвинувся, щоб впровадити новітні технологічні прориви та використовувати новітні інноваційні тканини та доступні матеріали. Нещодавні досягнення в технології спальних мішків включають водонепроникну вниз ізоляцію, надлегкі матеріали та пари, що дихають бар'єри. Складна, як технологія може стати, ціль у дизайні спального мішка дуже проста.

Дизайн спального мішка зводиться до однієї кінцевої мети: пастка мертвого повітря навколо тіла, щоб вона не нагрівалася і не зменшувала теплоту тіла. Два основні фактори у грі в дизайні спального мішка зменшують теплопередачу, створюючи теплоізоляцію. Все інше – це просто маркетинг.

Може здатися, що конвекцію не можна зараховувати до теплообміну, оскільки пов'язана з роботою сили тяжіння. Однак при конвекції збільшення внутрішньої енергії рідини або газу відбувається тільки за рахунок тепла, що підводиться ззовні, а дія сили тяжіння зводиться тільки до прискорення рівномірного прогріву рідини або газу. Додатковий внесок у внутрішню енергію рідини або газу дія сили тяжіння при конвекції не дає. Тому конвекцію відносять до теплообміну.

Теплообмін між Сонцем та Землею здійснюється за допомогою електромагнітного випромінювання. Електромагнітне випромінюваннястворюється рухом електричних зарядів і різко зростає у разі підвищення температури. Випромінювання тіла, яке визначається лише його температурою, називається тепловим випромінюванням.

Процес випромінювання відбувається за рахунок внутрішньої енергії тіла . Коли випромінювання поглинається іншим тілом, то внутрішня енергія тіла збільшується за рахунок енергії поглиненого випромінювання.Таким чином, за допомогою випромінювання відбувається передача енергії від нагрітих тіл до менш нагрітим.Цей вид теплообміну відбувається за відсутності речовини між тілами.