Видове топлообмен: кондукция, конвекция, радиация. промени във вътрешната енергия на чука
теория:Топлопроводимостта е явлението на прехвърляне на вътрешна енергия от една част на тялото в друга или от едно тяло в друго с техния пряк контакт.
Колкото по-плътно са разположени молекулите една спрямо друга, толкова по-добра е топлопроводимостта на тялото (Топлопроводимостта зависи от специфичната топлина на тялото).
Помислете за експеримента, карамфилите са прикрепени към метален прът с помощта на восък. В единия край до пръта беше докарана спиртна лампа, топлината се разпространява по пръта с течение на времето, восъкът се топи и скилидките падат. Това се дължи на факта, че при нагряване молекулите започват да се движат по-бързо. Пламъкът на спиртната лампа загрява единия край на пръта, молекулите от този край започват да трептят по-бързо, сблъскват се със съседните молекули и им предават част от енергията, така че вътрешната енергия се прехвърля от една част към друга.
Конвекцията е пренос на вътрешна енергия със слоеве течност или газ. Конвекцията в твърди тела е невъзможна.
Радиацията е пренос на вътрешна енергия чрез лъчи (електромагнитно излъчване).
Упражнение:
Решение:
Отговор: 2.
1) Турист запали огън на спирка в тихо време. Намирайки се на известно разстояние от огъня, туристът се чувства топъл. По какъв начин основно се осъществява процесът на пренос на топлина от огъня към туриста?
1) чрез проводимост
2) чрез конвекция
3) чрез радиация
4) чрез проводимост и конвекция
Решение (благодаря на Алена):чрез радиация. Тъй като енергията в този случайНе се предава чрез топлопроводимост, защото между човек и огън имаше въздух - лош проводник на топлина. Тук също не може да се наблюдава конвекция, тъй като огънят е бил до човека, а не под него, следователно в този случай преносът на енергия се осъществява чрез радиация.
Отговор: 3
Упражнение:Кое вещество при нормални условия има най-добра топлопроводимост?
1) вода 2) стомана 3) дърво 4) въздух
Решение:Въздухът има лоша топлопроводимост, тъй като разстоянието между молекулите е голямо. Стоманата има най-малък топлинен капацитет.
Отговор: 2.
Оге задачапо физика (fipi): 1) Учителят проведе следния експеримент. Две пръчки с еднакъв размер (мед отляво и стомана отдясно) с карамфили, фиксирани към тях с парафин, се нагряват от края с помощта на спиртна лампа (виж фигурата). При нагряване парафинът се разтопява и скилидките падат.
Изберете от предложения списък две твърдения, които отговарят на резултатите от експерименталните наблюдения. Избройте номерата им.
1) Нагряването на метални пръти става главно чрез радиация.
2) Нагряването на метални пръти става главно чрез конвекция.
3) Нагряването на метални пръти става главно чрез топлопроводимост.
4) Плътността на медта е по-малка от плътността на стоманата.
5) Топлопроводимостта на медта е по-голяма от топлопроводимостта на стоманата
Решение:Нагряването на метални пръти се осъществява главно чрез топлопроводимост, вътрешната енергия преминава от една част на пръта в друга. Топлопроводимостта на медта е по-голяма от топлопроводимостта на стоманата, тъй като медта се затопля по-бързо.
Отговор: 35
Oge задача по физика (fipi):Два еднакви блока лед бяха донесени от слана в топла стая. Първият бар беше увит с вълнен шал, а вторият беше оставен отворен. Кое от решетките ще се загрее по-бързо? Обяснете отговора.
Решение:Втората лента ще се загрее по-бързо, вълненият шал ще предотврати прехвърлянето на вътрешна енергия от стаята към бара. Вълната не провежда топлина добре, има лоша топлопроводимост, така че леденият блок ще се нагрява по-бавно.
Oge задача по физика (fipi):Горещ чайник от какъв цвят - черен или бял - ceteris paribus ще се охлади по-бързо и защо?
1) бял, тъй като поглъща по-интензивно топлинното излъчване
2) бяло, тъй като топлинното излъчване от него е по-интензивно
3) черен, тъй като поглъща по-интензивно топлинното излъчване
4) черно, тъй като топлинното излъчване от него е по-интензивно
Решение:Черните тела абсорбират по-добре топлинното излъчване, например водата в черен резервоар се загрява по-бързо на слънце, отколкото в бял. Обратният процес също е верен, черните тела се охлаждат по-бързо.
Отговор: 4
Oge задача по физика (fipi):В твърдите вещества преносът на топлина може да се извърши чрез
1) топлопроводимост
2) конвекция
3) конвекция и топлопроводимост
4) радиация и конвекция
Решение:В твърдите вещества преносът на топлина може да се извърши само чрез проводимост. В твърдото тяло молекулите са близо до равновесното положение и могат само да осцилират около него, така че конвекцията е невъзможна.
Отговор: 1
Oge задача по физика (fipi):От коя чаша - метална или керамична - е по-лесно да пиете горещ чай, без да изгорите устните си? Обясни защо.
Решение:Топлопроводимостта на метална чаша е по-висока и топлината от горещ чай ще се прехвърли към устните по-бързо и ще изгори повече.
1. Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и излъчване.
Топлопроводимостможе да се наблюдава в следния експеримент. Ако няколко карамфила се прикрепят към метална пръчка с помощта на восък (фиг. 68), единият край на пръчката се фиксира в статив, а другият се нагрява на спиртна лампа, след известно време карамфилите ще започнат да паднете от пръта: първо ще падне карамфилът, който е по-близо до алкохолната лампа, след това следващият и т.н.
Това е така, защото с повишаването на температурата восъкът започва да се топи. Тъй като скилидките не падат едновременно, а постепенно, може да се заключи, че температурата на пръчката се повишава постепенно. Следователно вътрешната енергия на пръта също постепенно се увеличава, тя се прехвърля от единия край на другия.
2. Преносът на енергия по време на топлопроводимост може да се обясни от гледна точка на вътрешната структура на материята. Молекулите от най-близкия до спиртната лампа край на пръчката получават енергия от нея, енергията им се увеличава, те започват да трептят по-интензивно и да предават част от енергията си на съседните частици, карайки ги да трептят по-бързо. Те от своя страна прехвърлят енергия на своите съседи и процесът на пренос на енергия се разпространява в целия прът. Увеличаването на кинетичната енергия на частиците води до повишаване на температурата на пръта.
Важно е, че по време на топлопроводимостта няма движение на материята, енергията се прехвърля от едно тяло към друго или от една част на тялото към друга.
Процесът на пренос на енергия от едно тяло към друго или от една част на тялото към друга поради топлинното движение на частиците се нарича топлопроводимост.
3. Различните вещества имат различна топлопроводимост. Ако на дъното на пълна с вода епруветка се постави парче лед и горният му край се постави върху пламъка на спиртна лампа, то след известно време водата в горната част на епруветката ще заври, но ледът няма да се стопи. Следователно водата, както всички течности, има лоша топлопроводимост.
Газовете имат още по-лоша топлопроводимост. Нека вземем епруветка, в която няма нищо друго освен въздух, и я поставим върху пламъка на спиртна лампа. Пръст, поставен в епруветка, няма да усети топлина. Следователно въздухът и другите газове имат лоша топлопроводимост.
Металите са добри проводници на топлина, а силно разредените газове са най-лошите. Това се дължи на особеностите на тяхната структура. Молекулите на газовете са разположени една от друга на по-големи разстояния от молекулите на твърдите вещества и се сблъскват много по-рядко. Следователно преносът на енергия от една молекула към друга в газовете не е толкова интензивен, колкото в твърдите вещества. Топлопроводимостта на течността заема междинна позиция между топлопроводимостта на газовете и твърдите вещества.
4. Както знаете, газовете и течностите са лоши проводници на топлина. В същото време въздухът се нагрява от батериите за парно отопление. Това се дължи на вида на топлопроводимостта конвекция.
Ако кристал калиев перманганат внимателно се спусне през тръба до дъното на колба с вода и колбата се нагрее отдолу, така че пламъкът да го докосне на мястото, където лежи кристалът, тогава можете да видите колко оцветени потоци вода ще се издигне от дъното на колбата. След като достигнат горните слоеве на водата, тези потоци ще започнат да се спускат.
Това явление се обяснява по следния начин. Долният слой вода се нагрява от пламъка на спиртна лампа. При нагряване водата се разширява, обемът й се увеличава и съответно плътността й намалява. Този слой вода се влияе от Архимедовата сила, която избутва нагорещения слой течност нагоре. Неговото място е заето от студен слой вода, който е паднал надолу, който от своя страна, нагрявайки се, се движи нагоре и т.н. Следователно енергията в този случай се пренася чрез издигащи се флуидни потоци (фиг. 69).
По същия начин преносът на топлина се извършва в газовете. Ако въртящо се колело, направено от хартия, се постави над източник на топлина (фиг. 70), тогава въртящото се колело ще започне да се върти. Това е така, защото нагрятите, по-малко плътни слоеве въздух се издигат нагоре под действието на подемна сила, докато по-студените се движат надолу и заемат мястото им, което води до въртене на въртящата се маса.
Преносът на топлина, който се извършва в този експеримент и в експеримента, показан на фигури 69, 70, се нарича конвекция.
Конвекцията е вид пренос на топлина, при който енергията се пренася чрез слоеве течност или газ.
Конвекцията е свързана с преноса на материя, така че може да се случи само в течности и газове; Конвекцията не възниква в твърди тела.
5. Третият тип топлообмен е радиация. Ако поднесете ръката си към спиралата на електрическа печка, включена в мрежата, към горяща електрическа крушка, към нагрята ютия, към радиатор и т.н., тогава можете ясно да почувствате топлината.
Ако фиксирате метална кутия (радиатор), едната страна на която е лъскава, а другата черна, в статив, свържете кутията с манометър и след това изсипете вряла вода в съд с една повърхност бяла, а другата черна , след което завъртете съда към черната страна на радиатора, първо с бялата страна, а след това с черната, можете да видите, че нивото на течността в коляното на манометъра, свързано с радиатора, ще намалее. В същото време ще спадне повече, когато съдът е обърнат към радиатора с черната страна (фиг. 71).
Намаляването на нивото на течността в манометъра се получава, защото въздухът в радиатора се разширява, това е възможно, когато въздухът се нагрява. Следователно въздухът получава от съда с топла водаенергия, нагрява се и се разширява. Тъй като въздухът има лоша топлопроводимост и в този случай не се получава конвекция, т.к. плочката и радиаторът са разположени на едно ниво, остава да се разбере, че съд с гореща вода излъчва енергия.
Опитът също така показва, че черната повърхност на съда излъчва повече енергия от бялата повърхност. Това се доказва от различното ниво на течност в коляното на манометъра, свързано с радиатора.
Черната повърхност не само излъчва повече енергия, но и поглъща повече. Това може да се докаже и експериментално, като се поднесе електрическа печка, включена в мрежата, първо към лъскавата страна на детектора, а след това към черната. Във втория случай течността в коляното на манометъра, свързано с радиатора, ще падне по-ниско, отколкото в първия.
Така че черните тела абсорбират и излъчват енергия добре, докато белите или лъскавите тела я излъчват и абсорбират слабо. Добре отразяват енергията. Ето защо е разбираемо защо хората носят светли дрехи през лятото, защо предпочитат да рисуват къщи на юг през бял цвят.
Чрез радиация енергията се пренася от Слънцето към Земята. Тъй като пространството между Слънцето и Земята е вакуум (височината на земната атмосфера е много по-малка от разстоянието от нея до Слънцето), енергията не може да се пренася нито чрез конвекция, нито чрез топлопроводимост. По този начин, за пренос на енергия чрез излъчване, не е необходимо наличието на никаква среда; този пренос на топлина може да се извърши и във вакуум.
Част 1
1. В твърдите вещества преносът на топлина може да се извърши чрез
1) конвекция
2) радиация и конвекция
3) топлопроводимост
4) конвекция и топлопроводимост
2. Може да се осъществи пренос на топлина чрез конвекция
1) само в газове
2) само в течности
3) само в газове и течности
4) в газове, течности и твърди вещества
3. Как може да се осъществи пренос на топлина между тела, разделени от безвъздушно пространство?
1) Използва се само топлопроводимост
2) само с помощта на конвекция
3) само с помощта на радиация
4) и по трите начина
4. Какъв тип топлопредаване загрява водата в резервоарите в ясен летен ден?
1) само топлопроводимост
2) само конвекция
4) конвекция и топлопроводимост
5. Кой вид пренос на топлина не е придружен от пренос на вещество?
1) само топлопроводимост
2) само конвекция
3) само радиация
4) само проводимост и радиация
6. Кой от видовете топлообмен се придружава от пренос на вещество?
1) само топлопроводимост
2) конвекция и топлопроводимост
3) радиация и топлопроводимост
4) само конвекция
7. Таблицата показва стойностите на коефициента, който характеризира скоростта на процеса на топлопроводимост на веществото, за някои строителни материали.
В условия студена зиманай-малко допълнителна изолация при еднаква дебелина на стената изисква къща, изработена от
1) газобетон
2) стоманобетон
3) силикатна тухла
4) дърво
8. Метални и пластмасови чаши с еднакъв капацитет, стоящи на масата, бяха едновременно напълнени с гореща вода със същата температура. В коя чаша водата ще се охлади по-бързо?
1) в метал
2) в пластмаса
3) по едно и също време
4) скоростта на охлаждане на водата зависи от нейната температура
9. Отворен съд се пълни с вода. Коя фигура показва правилно посоката на конвекционните течения при дадената отоплителна схема?
10. Вода с еднаква маса се загрява до същата температура и се изсипва в два тигана, които се затварят с капаци и се поставят на студено място. Тиганите са напълно еднакви, с изключение на цвета на външната повърхност: едната е черна, другата е лъскава. Какво ще се случи с температурата на водата в тиганите след известно време, докато водата се охлади напълно?
1) Температурата на водата няма да се промени в нито един съд.
2) Температурата на водата ще спадне и в двата съда с еднакъв брой градуси.
3) Температурата на водата в лъскавия съд ще стане по-ниска от тази в черния.
4) Температурата на водата в черния тиган ще стане по-ниска, отколкото в лъскавия.
11. Учителят направи следния опит. Нагревателната плоча (1) беше поставена срещу куха цилиндрична затворена кутия (2), свързана с гумена тръба с коляното на U-образен манометър (3). Първоначално течността в колената беше на същото ниво. След известно време нивата на течността в манометъра се промениха (вижте фигурата).
Изберете от предложения списък две твърдения, които отговарят на резултатите от експерименталните наблюдения. Избройте номерата им.
1) Преносът на енергия от плочката към кутията се извършва главно поради радиация.
2) Преносът на енергия от плочката към кутията се извършва главно поради конвекция.
3) В процеса на пренос на енергия налягането на въздуха в кутията се увеличи.
4) Матовите черни повърхности абсорбират енергията по-добре от ярките блестящи повърхности.
5) Разликата в нивата на течността в колената на манометъра зависи от температурата на плочката.
12. От списъка с твърдения по-долу изберете двете верни и запишете номера им в таблицата.
1) Вътрешната енергия на тялото може да се промени само в процеса на пренос на топлина.
2) Вътрешната енергия на тялото е равна на сумата от кинетичната енергия на движението на молекулите на тялото и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие.
3) В процеса на топлопроводимост енергията се пренася от една част на тялото в друга.
4) Загряването на въздуха в помещението от радиаторите за парно отопление се дължи главно на радиация.
5) Стъклото има по-добра топлопроводимост от метала.
Отговори
В природата има три вида пренос на топлина: 1) проводимост; 2) конвекция; 3) излъчване.
Топлопроводимост
Топлопроводимост - пренос на топлина от едно тяло към друго при контакт или от по-топла част на тялото към студена.
Различните вещества имат различна топлопроводимост. Всички метали имат висока топлопроводимост. Газовете имат ниска топлопроводимост, вакуумът няма топлопроводимост (във вакуума няма частици, които биха осигурили топлопроводимост).
Веществата, които провеждат лоша топлина, се наричат топлоизолатори.
Изкуствено създадените топлоизолатори са каменна вата, полистиролова пяна, порест каучук, металокерамика (използвани при производството на космически кораби).
Конвекция
Разпространението на топлина чрез движещи се струи газ или течност се нарича конвекция.
По време на конвекция топлината се пренася от самото вещество. Конвекция възниква само в течности и газове.
топлинно излъчване
Разпределението на топлината от топло тяло чрез инфрачервени лъчинаречено топлинно излъчване.
Топлинното излъчване е единственият вид пренос на топлина, който може да се осъществи във вакуум. Колкото по-висока е температурата, толкова по-силно е топлинното излъчване. Топлинното излъчване се произвежда например от хора, животни, Земя, Слънце, пещ, огън. Инфрачервеното лъчение може да бъде изобразено или измерено с термограф (термична камера).
Инфрачервените термични камери възприемат невидимо инфрачервено или топлинно лъчение и извършват точни безконтактни измервания на температурата.Инфрачервената термография ви позволява напълно да визуализирате топлинното лъчение. Фигурата показва инфрачервеното лъчение на човешката длан. | |
............................................................................. По време на термографското изследване на сгради и конструкции е възможно да се открият структурни места с повишена топлопропускливост, да се провери качеството на връзките на различни конструкции и да се намерят места с повишен въздухообмен. |
www.yaklass.ru
Примери за 15-20 топлинни явления с указание кое (излъчване; конвекция; пренос на топлина)
Нагряване и охлаждане, изпаряване и кипене, топене и втвърдяване, кондензация са примери за топлинни явления.
Основният източник на топлина на Земята е Слънцето. Но освен това хората използват много изкуствени източници на топлина: огън, печка, отопление на вода, газови и електрически нагреватели и др.
Не беше възможно веднага да се отговори на въпроса какво е топлина. Едва през 18 век става ясно, че всички тела са изградени от молекули, че молекулите се движат и взаимодействат една с друга. Тогава учените разбраха, че топлината е свързана със скоростта на движение на молекулите. При нагряване на телата скоростта на молекулите се увеличава, а при охлаждане намалява.
Знаете, че ако потопите студена лъжица в горещ чай, след известно време тя ще се загрее. В този случай чаят ще даде част от топлината си не само на лъжицата, но и на околния въздух. От примера става ясно, че топлината може да се предава от по-горещо тяло към по-хладно тяло. Има три начина за пренос на топлина - кондукция, конвекция, излъчване.
Нагряването на лъжица в горещ чай е пример за топлопроводимост. Всички метали имат добра топлопроводимост.
Конвекцията пренася топлина в течности и газове. Когато загряваме вода в тенджера или чайник, долните слоеве вода се затоплят първи, те стават по-леки и се втурват нагоре, отстъпвайки студена вода. При включено отопление в стаята се получава конвекция. Горещият въздух от батерията се издига и студеният пада. Но нито топлопроводимостта, нито конвекцията могат да обяснят как например Слънцето, далеч от нас, загрява Земята. В този случай топлината се пренася през безвъздушното пространство чрез излъчване (топлинни лъчи).
За измерване на температурата се използва термометър. Обикновено използвате стайни или медицински термометри.
Когато се говори за температура в Целзий, те имат предвид температурна скала, в която 0 ° C съответства на точката на замръзване на водата, а 100 ° C е нейната точка на кипене.
Някои страни (САЩ, Великобритания) използват скалата на Фаренхайт. В него 212°F съответства на 100°C. Прехвърлянето на температура от една скала на друга не е много просто, но ако е необходимо, всеки от вас може да го направи сам. За да преобразувате температура по Целзий в температура по Фаренхайт, умножете температурата по Целзий по 9, разделете на 5 и добавете 32. За да направите обратното преобразуване, извадете 32 от температурата по Фаренхайт, умножете остатъка по 5 и разделете на 9.
Във физиката и астрофизиката често се използва друга скала - скалата на Келвин. В него 0 се приема като най-много ниска температурав природата (абсолютна нула). Съответства на -273°C. Мерната единица в тази скала е келвин (K). За да преобразувате температурата по Целзий в температура по Келвин, към градусите по Целзий трябва да се добави 273. Например Целзий е 100 °, а Келвин е 373 K. За да преобразувате обратно, извадете 273. Например 0 K е -273 °C.
Полезно е да се знае, че температурата на повърхността на Слънцето е 6000 K, а вътре - 15 000 000 K. Температурата в космическото пространство далеч от звездите е близка до абсолютната нула.
Смятаме, че няма нужда да се убеждавате колко важни са топлинните явления. Знанието за тях помага на хората да проектират нагреватели за къщи, топлинни двигатели(двигатели с вътрешно горене, парни турбини, реактивни двигатели и др.), предсказват времето, топят метали, създават топлоизолационни и топлоустойчиви материали, които се използват във всичко - от строителство на къщи до космически кораби.
fizikahelp.ru
Обобщение на урока за 8 клас "Топлопроводимост, конвекция, излъчване"
Тук можете да изтеглите Конспект на урока за 8. клас "Топлопроводност, конвекция, излъчване" по предмета: Физика. Този документще ви помогне да подготвите добър и качествен материал за урока.
Предмет: Физика и астрономия
Клас: 8 рус
Тип урок: Комбиниран
Цел на урока:
Технически средстваобучение: __________________________________________________
_______________________________________________________________________
Структура на урока
1. Организация на урока (2 мин.)
Поздрав към учениците
2. Анкета за домашна работа (15 мин.) Тема: Вътрешна енергия. Начини за промяна на вътрешната енергия.
3. Обяснение на нов материал. (15 минути)
Тези видове топлообмен имат свои собствени характеристики, но преносът на топлина във всеки от тях винаги върви в една посока: от по-горещо тяло към по-малко нагрято. В същото време вътрешната енергия на по-горещото тяло намалява, а на по-студеното се увеличава.
Явлението на пренос на енергия от по-нагрята част на тялото към по-малко нагрята или от по-нагрято тяло към по-малко нагрято чрез пряк контакт или междинни тела се нарича топлопроводимост.
В твърдото тяло частиците са в постоянно колебателно движение, но не променят равновесното си състояние. Тъй като температурата на тялото се повишава при нагряване, молекулите започват да трептят по-интензивно, тъй като тяхната кинетична енергия се увеличава. Част от тази повишена енергия постепенно се прехвърля от една частица към друга, т.е. от една част на тялото към съседни части на тялото и др. Но не всички твърди вещества предават енергия по един и същи начин. Сред тях са така наречените изолатори, при които механизмът на топлопроводимост се осъществява доста бавно. Те включват азбест, картон, хартия, филц, ранит, дърво, стъкло и редица други твърди вещества. Medb и среброто имат висока топлопроводимост. Те са добри проводници на топлина.
Течностите имат ниска топлопроводимост. Когато една течност се нагрява, вътрешната енергия се прехвърля от по-горещ регион към по-малко нагрят регион чрез сблъсъци на молекули и отчасти поради дифузия: по-бързите молекули проникват в по-малко нагрят регион.
В газовете, особено в разредените, молекулите са на достатъчно големи разстояния една от друга, така че тяхната топлопроводимост е дори по-ниска от тази на течностите.
Вакуумът е перфектен изолатор, защото в него няма частици, които да пренасят вътрешна енергия.
В зависимост от вътрешното състояние топлопроводимостта на различните вещества (твърди, течни и газообразни) е различна.
Известно е, че топлопроводимостта на водата е ниска и когато горният слой на водата се нагрява, долният слой остава студен. Въздухът провежда топлина дори по-лошо от водата.
Конвекцията е процес на пренос на топлина, при който енергията се пренася от струи течност или газ. Конвекцията на латински означава „смесване“. Конвекцията липсва в твърдите тела и не се извършва във вакуум.
Широко използвана в ежедневието и технологиите, ковекцията е естествена или безплатна.
Радиаторът е устройство, което представлява плосък цилиндричен метален контейнер, чиято една страна е черна, а другата е лъскава. Вътре в него има въздух, който при нагряване може да се разшири и да излезе през отвора.
Абсорбцията е процес на преобразуване на радиационната енергия във вътрешна енергия на тялото.
Черната повърхност е най-добрият излъчвател и най-добрият абсорбатор, следвана от груби, бели и полирани повърхности.
4. Затвърдяване: (10 мин) въпроси за самопроверка, задачи и упражнения
задачи: 1) Сравнение на топлопроводимостта на метал и стъкло, вода и въздух, 2) Наблюдение на конвекция в ж.к.
6. Оценка на знанията на учениците (1 мин.)
Основна литература: Физика и астрономия 8 клас
допълнителна литература: Н. Д. Бистко "Физика" част 1 и 2
docbase.org
Топлопроводимост. Конвекция. Радиация, 8 клас
Тук можете да изтеглите Thermal Conductivity. Конвекция. Радиация, 8 клас по предмета: Физика. Този документ ще ви помогне да подготвите добър и качествен материал за урока.
Конспект на урок по физика в 8 клас
Кошикова Виктория Александровна,
Учител по физика
MBOU средно училище № 47 на град Белгород, Белгородска област
Тема на урока: „Топлопроводимост. Конвекция. радиация".
Топлопроводимост. Конвекция. Радиация
Целта на урока: организиране на дейности за възприемане, разбиране и първично запаметяване на нови знания и методи на дейност.
По време на часовете
1. Организационен етап
2. Проверка на домашните
Тестване (2 опции)
1. Температурата е физична величина, която характеризира ...
а) ... способността на телата да извършват работа.
б) ... различни състояниятяло.
в) ... степента на нагряване на тялото.
2. Каква температура на въздуха е отчетена от термометъра, показан на фигурата? Каква е грешката при измерване на температурата?
а) 30,5 °C; 0,5 °C. б) 32 °С; 0,5 °C.
в) 32 °С; 1 °C. г) 30 °С; 1 °C.
3. Една чаша съдържа топла вода(№1), в друга - гореща (№2), в трета - студена (№3). В кой от тях температурата на водата е най-висока, в кой - водните молекули се движат с най-ниска скорост?
а) № 2; No 3. б) No 3; номер 2. в) № 1; номер 3. г) № 2; #1
4. Кои от следните явления са топлинни?
а) Падане на пода на лъжица. б) Претопляне на супа на котлона.
в) Сняг, топящ се на слънце. г) плуване в басейн.
5. Какви молекули на тялото участват в топлинно движение? При каква температура?
а) разположени на повърхността на тялото; при стайна температура.
б) Всички молекули; при всяка температура
в) Намира се вътре в тялото; при всяка температура.
г) Всички молекули; при висока температура.
6. В еднакви съдове под буталото в стаята има равни маси въглероден двуокис. В кой съд газът има най-голяма енергия в позициите на буталата, показани на фигурата?
7. В кой от следните случаи вътрешната енергия на тялото се променя?
а) Камък, падайки от скала, пада все по-бързо и по-бързо.
б) Дъмбелите се повдигат от пода и се поставят на рафта.
в) Електрическата ютия беше включена и гладенето започна.
г) Солта беше изсипана от торбата в солница.
8. Промяната във вътрешната енергия на кое тяло възниква в резултат на пренос на топлина в тези ситуации?
а) Нагряване на свредлото при правене на отвор със свредло.
б) Намаляването на температурата на газа по време на неговото разширение.
в) Охлаждане на пакет масло в хладилника,
г) Загряване на колелата на движещ се влак.
Свързан тест:
1. Температурна единица...
а) ... джаул. б) ...паскал. в) ... ват. г) ... градуса по Целзий.
2. Телесната температура зависи от...
а) ... вътрешната му структура. б) ... плътността на неговото вещество.
в) ... скоростта на движение на неговите молекули. г) ... броят на молекулите в него.
3. Каква е разликата между молекулите на горещ чай и молекулите на същия чай, когато е изстинал?
а) размер. б) Скоростта на движение.
в) Броят на атомите в тях. г) цвят.
4. Какво движение се нарича термично?
а) Движение на тяло, при което то се нагрява.
б) Постоянното хаотично движение на частиците, изграждащи тялото.
в) Движението на молекулите в тялото при висока температура.
5. Вътрешната енергия е енергията на частиците на тялото. Състои се от...
а) ... кинетичната енергия на всички молекули.
б) ... потенциална енергия на взаимодействие на молекули.
в) ... кинетична и потенциална енергия на всички молекули.
6. Каква е енергията на балон, пуснат от метеоролозите?
а) Кинетичен. б) Потенциал.
в) Вътрешен. г) Всички тези видове енергия.
7. По какви начини може да се промени вътрешната енергия на тялото?
а) Пуснете го в движение. б) Извършване на работа върху тялото или върху него.
в) Издигането му на определена височина. г) чрез пренос на топлина.
8. В кой пример вътрешната енергия на тялото се променя в резултат на механична работа?
а) Чаена лъжичка се потапя в чаша гореща вода.
б) При рязко спиране на камиона от спирачките се разнесе миризма на изгоряло.
в) Водата ври в чайника.
г) Човек затопля измръзналите си ръце, като ги притиска към топъл радиатор.
„Термично движение. температура. Вътрешна енергия"
„Термично движение. температура. Вътрешна енергия"
3. Актуализиране на субективния опит на учениците
Вътрешна енергия
Начини за увеличаване на вътрешната енергия
Пренос на топлина
Видове пренос на топлина
4. Научаване на нови знания и начини за правене на нещата
1. Топлопроводимост - явлението на пренос на вътрешна енергия от една част на тялото към друга или от едно тяло към друго при техния пряк контакт.
Фиг. 7.8 (учебник Peryshkin)
В течности и газове топлопроводимостта е ниска, т.к. разстоянието между молекулите е по-голямо от това на твърдите вещества.
Лоша топлопроводимост имат: вълна, коса, хартия, птичи пера, корк, вакуум.
2. Конвекцията е пренос на енергия чрез струи газ или течност.
За да възникне конвекция в газове и течности, те трябва да се нагряват отдолу.
3. Радиация - пренос на енергия чрез различни лъчи, т.е. под формата на електромагнитни вълни.
5. Първична проверка на разбирането на изучаваното
6. Затвърдяване на изученото
Работете по колекция от задачи Лукашик № 945-955
7. Резултати, домашна работа
стр.4-6, упражнение 1-3
8. Рефлексия
Списък на използваната литература
1. Перишкин А.В. Физика. 8 клас. - М.: Дропла, 2009.
2. Громов С.В., Родина Н.А. Физика. 9 клас - М .: Образование, 2002.
3. Чеботарева В.А. Тестове по физика. 8 клас - Изпит Издателство, 2009г.
4. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задачи по физика 7-9 клас - М .: Образование, 2008.
docbase.org
Урок в 8 клас на тема "Топлопроводимост, конвекция, излъчване"
Тема: Топлопроводимост, конвекция, радиация.
Тип урок: Комбиниран
Цел на урока:
Обучение: запознайте се с концепцията за пренос на топлина, с видовете пренос на топлина, обяснете, че преносът на топлина при всеки вид пренос на топлина винаги върви в една посока; че в зависимост от вътрешната структура топлопроводимостта на различните вещества (твърди, течни и газообразни) е различна, че черната повърхност е най-добрият излъчвател и най-добрият абсорбатор на енергия.
Развитие: развийте познавателен интерес към темата.
Образователни: да култивирате чувство за отговорност, способността за компетентно и ясно изразяване на мислите си, да можете да поддържате себе си и да работите в екип
Интердисциплинарна комуникация: химия, математика
Нагледни помагала: 21-30 фигури, таблица за топлопроводимост
Структура на урока
1. Организация на урока (2 мин.)
Поздрав към учениците
Проверка на присъствието на учениците и готовността на класа за урока.
2. Анкета за домашна работа (10 мин.) Тема: Вътрешна енергия. Начини за промяна на вътрешната енергия.
3. Физическа диктовка (взаимна проверка) (5 мин.)
4. Обяснение на нов материал. (15 минути)
Методът за промяна на вътрешната енергия, при който частиците на по-нагрято тяло, имащи по-голяма кинетична енергия, при контакт с по-малко нагрято тяло, прехвърлят енергия директно към частиците на по-малко нагрято тяло, се нарича пренос на топлина.Има три метода на топлина трансфер: топлопроводимост, конвекция и излъчване.
Тези видове топлообмен имат свои собствени характеристики, но преносът на топлина във всеки от тях винаги върви в една посока: от по-горещо тяло към по-малко нагрято. В същото време вътрешната енергия на по-горещото тяло намалява, а на по-студеното се увеличава.
Явлението на пренос на енергия от по-нагрята част на тялото към по-малко нагрята или от по-нагрято тяло към по-малко нагрято чрез пряк контакт или междинни тела се нарича топлопроводимост.
В твърдото тяло частиците са в постоянно колебателно движение, но не променят равновесното си състояние. Тъй като температурата на тялото се повишава при нагряване, молекулите започват да трептят по-интензивно, тъй като тяхната кинетична енергия се увеличава. Част от тази повишена енергия постепенно се прехвърля от една частица към друга, т.е. от една част на тялото към съседни части на тялото и др. Но не всички твърди вещества предават енергия по един и същи начин. Сред тях са така наречените изолатори, при които механизмът на топлопроводимост се осъществява доста бавно. Те включват азбест, картон, хартия, филц, гранит, дърво, стъкло и редица други твърди вещества. Медта и среброто имат висока топлопроводимост. Те са добри проводници на топлина.
Течностите имат ниска топлопроводимост. Когато една течност се нагрява, вътрешната енергия се прехвърля от по-горещ регион към по-малко нагрят регион чрез сблъсъци на молекули и отчасти поради дифузия: по-бързите молекули проникват в по-малко нагрят регион.
В газовете, особено в разредените, молекулите са на достатъчно големи разстояния една от друга, така че тяхната топлопроводимост е дори по-малка от тази на течностите.
Вакуумът е перфектен изолатор, защото няма частици, които да пренасят вътрешна енергия.
В зависимост от вътрешното състояние топлопроводимостта на различните вещества (твърди, течни и газообразни) е различна.
Топлинната проводимост зависи от естеството на преноса на енергия в веществото и не е свързана с движението на самото вещество в тялото.
Известно е, че топлопроводимостта на водата е ниска и когато горният слой на водата се нагрява, долният слой остава студен. Въздухът провежда топлина дори по-лошо от водата.
Конвекцията е процес на пренос на топлина, при който енергията се пренася от струи течност или газ. Конвекция на латински означава "смесване". Конвекцията липсва в твърдите тела и не се извършва във вакуум.
Широко използвана в ежедневието и технологиите, конвекцията е естествена или безплатна.
Когато течности или газове се смесват с помпа или бъркалка, за да се смесят равномерно, конвекцията се нарича принудителна конвекция.
Радиаторът е устройство, което представлява плосък цилиндричен метален контейнер, чиято една страна е черна, а другата е лъскава. Вътре в него има въздух, който при нагряване може да се разшири и да излезе през отвора.
В случай, че топлината се предава от нагрято тяло към радиатор с помощта на невидими за окототоплинни лъчи, видът на топлообмен се нарича радиация или лъчист топлопренос
Абсорбцията е процес на преобразуване на радиационната енергия във вътрешна енергия на тялото.
Радиацията (или лъчист топлопренос) е процес на пренос на енергия от едно тяло към друго с помощта на електромагнитни вълни.
Колкото по-висока е телесната температура, толкова по-висока е интензивността на радиацията. Преносът на енергия чрез радиация не изисква среда: топлинните лъчи могат да се разпространяват и през вакуум.
Черната повърхност е най-добрият излъчвател и най-добрият абсорбатор, следвана от груби, бели и полирани повърхности.
Добрите абсорбери на енергия са добри излъчватели, а лошите абсорбери са лоши излъчватели на енергия.
5. Затвърдяване: (10 мин) въпроси за самопроверка, задачи и упражнения
7. Оценка на знанията на учениците (1 мин.). Отражение.
infourok.ru
Топлинна проводимост чрез радиация - Наръчник на химика 21
Топлината може да се пренася от една част на пространството в друга чрез проводимост, излъчване и конвекция. На практика тези видове топлообмен много рядко се наблюдават отделно (например конвекцията е придружена от топлопроводимост и излъчване). Въпреки това, един вид топлообмен често доминира над останалите до такава степен, че тяхното влияние може да бъде пренебрегнато. Например, можем да приемем, че преминаването на топлина през стените на апарата става само чрез топлопроводимост. Топлопроводимостта също доминира в процесите на нагряване и охлаждане на твърдите тела. Преносът на топлина може да бъде чрез проводимост, конвекция или радиация. Топлинната проводимост е процесът на пренос на топлина през твърдо тяло, например през стената на колба. Конвекцията е възможна там, където частиците на веществата нямат фиксирана позиция, тоест в течности и газове. В този случай топлината се пренася с помощта на движещи се частици. Радиацията е пренос на топлина чрез топлинни лъчи с дължина на вълната в диапазона 0,8-300 микрона. Най-често преносът на топлина се извършва едновременно и по трите метода, въпреки че, разбира се, не в еднаква степен.Появата на пара на границата течност-пара възниква поради топлината, идваща от нагряващата повърхност през слоя пара чрез топлопроводимост и радиация.
Взаимодействието на горимите пари с кислорода на въздуха се извършва в зоната на горене, в която трябва непрекъснато да текат горими пари и въздух. Това е възможно, ако течността получи определено количество топлина, необходимо за изпаряване. Топлината в процеса на горене идва само от зоната на горене (пламъка), където се отделя непрекъснато. Топлината от зоната на горене към повърхността на течността се пренася чрез излъчване. Предаването на топлина чрез топлопроводимост е невъзможно, тъй като скоростта на движение на парите от повърхността/течността към зоната на горене е по-голяма от скоростта на пренос на топлина през тях от зоната на горене към течността. Преносът на топлина чрез конвекция също е невъзможен, като поток от пара
Разпределението на топлината вътре в тялото е възможно по два начина: топлопроводимост и конвекция. При първия метод топлината се разпространява поради сблъсъци на молекули, като молекулите на по-нагрятата част от тялото, които средно имат по-голяма кинетична енергия, предават част от нея на съседни молекули. По този начин топлината може да се разпространява в тялото дори при липса на очевидно движение на неговите части, например в твърдо тяло. В течности и газове, заедно с топлопроводимостта, топлината обикновено се разпространява и чрез конвекция, т.е. чрез директен пренос на топлина от по-нагрети маси на течността, които при движение заемат мястото на по-малко нагрети маси. В газовете също е възможно топлината да се разпространи от една част на газа към друга чрез излъчване.
Топлината от зоната на горене към повърхността на нефтените отпадъци се пренася главно чрез радиация. Няма топлопроводимост към изпарителния слой, тъй като скоростта на движение на парите от повърхността на течността към зоната на горене е по-голяма от скоростта на пренос на топлина от тях от зоната на горене към течността.
Пренос на топлина чрез конвекция от повърхността твърдо тялокъм течност (газ) или обратно възниква, когато частици от газ или течност променят местоположението си спрямо дадена повърхност и в същото време действат като топлоносители. Движението на такива частици се дължи или на движението на цялата маса течност (газ) под въздействието външно влияние(принудителна конвекция), или е следствие от разликата в плътностите на материята в различни точки на пространството, причинена от неравномерно разпределение на температурите в масата на материята (естествена или свободна конвекция). Конвекцията винаги е придружена от пренос на топлина чрез проводимост и излъчване.
Ако енергията се пренася едновременно в среда чрез излъчване и топлопроводимост, тогава стойността, характеризираща интензивността на този трансфер в дадена точка, ще бъде векторът Chx = Chl Ch, където
При разглеждането на редица приложни проблеми е интересно да се изследва процесът на пренос на топлина в периодични среди, съдържащи вакуумни слоеве или кухини, където преносът на топлина се извършва само чрез излъчване. В други случаи тези кухини са запълнени с газ с незначителни коефициенти на топлопроводимост и абсорбция. В този случай наличието на газ често може да бъде пренебрегнато и тези кухини могат да се считат за вакуумни кухини. Структури и материали, съдържащи междинни слоеве и ноло-
Насипни материали с ниска насипна плътност, като прахове и влакна, пълни с газ атмосферно налягане, се използват за изолиране на втечняватели на въздух, резервоари за течен кислород и азот, газосепарационни кули и друго оборудване, чиято температура не пада под точката на кипене на течния азот. В такива изолационни материали съотношението на обема на газовото пространство към обема на твърдия материал може да бъде от 10 до 100. Фиг. 5.53 показва коефициентите на топлопроводимост на някои често срещани насипни материали. Топлинната проводимост на най-добрите проби от тези материали се доближава до топлопроводимостта на въздуха, което показва, че въздухът, който заема пространството между частиците, носи по-голямата част от топлината. Това обяснява принципа на газонапълнената изолация, чийто твърд материал предотвратява преноса на топлина чрез излъчване и конвекция. В идеалния случай преносът на топлина поради топлопроводимостта на твърдия материал е незначителен и топлината се пренася само от газа. При действителната изолация малко топлина преминава директно през прахообразните частици или влакна и получената топлопроводимост обикновено е няколко повече съотношениеи топлопроводимостта на газа. Изключение правят много фините прахове, разстоянията между частиците на които са толкова малки, че средният свободен път на газовите молекули е по-голям от тези разстояния; в този случай топлопроводимостта на газа намалява, както при намаляване на налягането. По този начин топлопроводимостта на праховата изолация, дори ако прахът е напълнен с газ при атмосферно налягане, може да бъде по-малка от топлопроводимостта на газа, запълващ пространството между частиците.
При добър вакуум преносът на топлина от остатъчния газ е незначителен. Затова при проектирането на съдовете се стремят да намалят притока на топлина през носещите елементи и преноса на топлина чрез излъчване. Получаването на топлина чрез изолационни опори се определя от конструктивните характеристики и механичната якост на опорите общо решениетози проблем не е възможен. Ако размерът на съда не е ограничен, тогава чрез увеличаване на дължината на опорите и използване на материал с ниска топлопроводимост е възможно да се осигури много малко подаване на топлина през опорите. Дори в затворени пространства опитен дизайнер обикновено намира начин да увеличи топлинната устойчивост на опорите. За разлика от това, радиационният топлопренос слабо зависи от дебелината на изолационното пространство при малка дебелина на вакуумното пространство, неговите изолационни свойства дори са леко подобрени поради сближаването
Преносът на топлина през всяка стена от по-нагрят охладител към друг, по-студен охладител, е сравнително сложно явление. Ако вземем например тръбния сноп на изпарителя, който се нагрява от димни газове, тогава има три елементарни метода на топлопредаване, които се считат за основни. Топлината от димните газове се пренася към лъчевите тръби чрез проводимост, конвекция и излъчване. Топлината се пренася през стените на тръбите само чрез проводимост и от вътрешната повърхност на тръбата към
Топлинната проводимост е свързана с преноса на топлина чрез движението и сблъсъка на атоми и молекули, които изграждат дадено вещество. Той е аналогичен на процеса на дифузия, при който материалът се пренася по подобен механизъм. Конвекцията е пренос на топлина чрез движението на големи агрегати от молекули, т.е. по същество тя е подобна на процеса на смесване. Очевидно преносът на топлина чрез конвекция може да се случи само в течности и газове, докато топлопроводимостта е основният тип пренос на топлина в твърдите вещества. При течностите и газовете наред с конвекцията се наблюдава и топлопроводимост, но първата е много повече бърз процеси обикновено напълно маскира втория процес. Както топлопроводимостта, така и конвекцията изискват материална среда и не могат да се появят в пълен вакуум. Това подчертава основната разлика между тези два процеса и радиационния процес, който протича най-добре във вакуум. Точният процес, чрез който се осъществява преносът на енергия чрез излъчване през празното пространство, все още не е установен, но за нашата цел ще бъде удобно да се приеме, че това се случва чрез вълново движение в чисто хипотетична среда (етер). Смята се, че вътрешната енергия на материята се прехвърля към вълновото движение на етера, това движение се разпространява във всички посоки и когато вълната се сблъска с материята, енергията може да бъде прехвърлена, отразена или погълната. Когато се абсорбира, той може да увеличи вътрешната енергия на тялото по три начина: 1) като предизвика химическа реакция,
При високотемпературни процеси като топене на стъкло, изпичане на тухли, топене на алуминий и др., където температурата на димните газове е неизбежно висока, количеството полезно използвана топлина от горивото в общия топлинен баланс на изгарянето е малка част (в предишния пример - 36%, без да се вземат предвид загубите поради радиация от стените на пещта). Следователно в този случай спестяването на гориво може да се постигне чрез използване на устройства за възстановяване на топлината, като рекуператори за загряване на въздуха, подаден за изгаряне на гориво или котли за отпадна топлина за генериране на допълнителна пара, както и чрез подобряване на топлоизолацията за намаляване на загубите от радиация, топлопроводимост и конвекция от външната повърхност на стените на пещта към околната среда.
Преносът на топлина в сърцевината, междинната среда и на границите между тях се осъществява чрез топлопроводимост на елемента на твърдото ядро на материала, пренос на топлина от една твърда частица към съседната в местата на техния директен контакт, молекулярна топлопроводимост в средата, запълваща празнините между частиците, пренос на топлина по границите прахови частицис външната среда излъчване от частица към частица през междинната среда, конвекция на газ и влага, съдържащи се между частиците.
Вакуумно-кондензираните слоеве са изключително чувствителни към условията на тяхното образуване, по-специално към температурата на субстрата, интензитета на кондензацията, температурата на кондензирания газ и мощността на топлинния поток, доставен към кондензационната повърхност чрез радиация и чрез топлопроводимост. от остатъчния газ.
Във връзка с гореизложеното е ясно, че топлопроводимостта на кондензата в уравнение (5.52) е термична характеристика не на монолитно тяло, а на високодисперсен материал. Този материал - кондензатът се състои от скелет - скелет, който е съвкупност от огромен брой твърди частици - кристали, разделени един от друг чрез празнини, пълни с остатъчен газ. В такъв сложен материал преносът на топлина вече не се ограничава до топлопроводимостта на твърдо тяло, а се осъществява чрез пренос на топлина по отделни частици - елемент от твърдия скелет на топлопреносния материал, поради топлопроводимостта от една твърда частица към съседната в местата на техния директен контакт; топлопроводимост на остатъчния газ в порите и кухините между радиационните частици от частица до частица.
Общи положения. В технологията често трябва да се справяме с такива случаи на пренос на топлина, когато температурата на това заобикаляща средас която тази повърхност обменя топлина, а не температурата на повърхността на стената. В сравнение с въпросите за топлопроводимостта и топлинното излъчване от твърдите тела, проблемът с преноса на топлина от околната течна или газообразна среда към повърхността на стената чрез конвекция е много по-сложен и следователно до голяма степен все още е далеч от се разрешава към днешна дата. Когато имаме работа с пренос на топлина от твърдо тяло към течност или газ, преносът на топлина, дължащ се на топлопроводимост, отстъпва на заден план по своята величина в сравнение с преноса на топлина, дължащ се на конвекция. Последното, както вече беше споменато по-горе, се състои във факта, че в движещия се слой течност или газ, съседен на стената, поради потока, съществуващ в това
Предаването на топлина от едно тяло към друго може да се осъществи чрез проводимост, конвекция и топлинно излъчване.
Много твърди и течни полимери са почти напълно непропускливи инфрачервено лъчение, така че падащата енергия се абсорбира от тялото и се превръща в топлина на повърхността му. Въпреки това известно количество топлина все още се консумира незабавно в околната среда чрез конвекция и радиация. Погълнатата топлина се разпределя вътре в тялото чрез процеса на кондуктивен топлопренос. Разпределението на температурата в тяло, загрято от лъчиста енергия, зависи не само от топлинния поток, но и от топлопроводимостта на веществото и конвективните топлинни загуби от повърхността.
Преносът на топлина може да се извърши по един от трите метода, изброени по-долу, или комбинация от тях. Тези методи почти не са 1) топлопроводимост, 2) конвекция и 3) радиация
Един от най-разпространените и най-старите (предложен през 1880 г.) е термокондуктометричният метод. Работата на термокондуктометричните газови анализатори се основава на зависимостта електрическо съпротивлениепроводник с голям температурен коефициент на съпротивление от топлопроводимостта на заобикалящата проводника смес. Топлината се пренася през газова среда чрез проводимост, конвекция и излъчване. Топлопроводимостта на газа е свързана с неговия състав. Делът на топлообмена чрез конвекция и радиация се стреми да бъде намален или стабилизиран.
По този начин циркулиращата вода в конкретен охладител се охлажда чрез пренос на топлина атмосферен въздух, а част от топлината се пренася в резултат на повърхностното изпаряване на водата - превръщането на част от водата в пара и пренасянето на тази пара чрез дифузия във въздуха, другата част - поради разликата между температурите на вода и въздух, т.е. пренос на топлина чрез контакт (топлопроводимост и конвекция). Много малко количество топлина се отнема от водата чрез радиация, което обикновено не се взема предвид в топлинния баланс. В същото време има приток на топлина към охладената вода от слънчева радиация, който е толкова малък, че се пренебрегва в топлинния баланс на охладителните кули и бризгалните басейни.
Предаването на топлина от тела, които са по-горещи към тела, които са по-малко нагрети, се осъществява чрез проводимост, конвекция и топлинно излъчване. -
Сравнение на процесите на топлообмен чрез радиация и топлопроводимост. Топлинната проводимост се дължи на движението на микрочастиците на тялото; топлообменът чрез излъчване се осъществява чрез електромагнитни вълни или фотони. Във вакуум няма топлопроводимост. Топлообменът чрез излъчване между телата се извършва както в присъствието, така и в отсъствието на материална среда. Ако средата не абсорбира радиация, тогава нейната температура не влияе на процеса на пренос на топлина. Например, можете да подпалите дървен предмет, като фокусирате слънчевите лъчи с леща, направена от лед.
Изгарянето на гориво е придружено от отделяне и пренос на топлина, както и загуби или по-скоро разсейване на топлина в околната среда. Предаването на топлина става чрез конвекция, тоест чрез директно движещ се газов поток, както и чрез поток от твърди частици. В допълнение, преносът на топлина се осъществява в рамките на потоците от газ и частици чрез топлопроводимост и радиация. Топлинната проводимост в средите на газ и частици, както и молекулярната дифузия, се извършват независимо от тяхното движение. Потокът, масата и топлината, дължащи се на дифузия и топлопроводимост, възникват заедно в присъствието на градиенти - температура и концентрации (по-точно химическият потенциал x) - и се определят от взаимни линейни функции и y7 (виж глави V и VI). Но на практика преносът на топлина поради концентрационния градиент, както и преносът на маса поради температурния градиент (термична дифузия) могат да бъдат пренебрегнати.
За изотермичен поток T - onst и от връзката p = pRT формулата (3a) следва при - 1. В случай на адиабатен поток се приема, че топлината се пренася само чрез конвекция (няма нито топлопроводимост, нито излъчване ), докато имаме dQ = O във формулата ( 21). За единична
Няколко киловата. С помощта на спомагателна верига се създава искра, която генерира определено количество йони, след което чрез магнитна индукция в йонизирания газ се генерира силен пръстеновиден ток. Получената плазма се нагрява до няколко десетки хиляди градуса по Келвин, което е много по-високо от температурата, при която кварцовото стъкло се размеква. Очевидно е необходимо да се намери начин за защита на източника от самоунищожение, което се постига с помощта на аргонов ток, който действа като охлаждаща течност. Аргонът се подава тангенциално от външната тръба (фиг. 9-6) с висока скорост, създавайки вихров поток (показан на фигурата) и температурата намалява. Горещата плазма има тенденция да се стабилизира на известно разстояние от тороидните стени, което също предотвратява прегряване. Пробата се напръсква в пулверизатор (не е показан на фигурата) и се отвежда от бавен поток от аргон към центъра (към отвора в баницата). Тук той се нагрява поради топлопроводимост и радиация до 7000 K и е напълно атомизиран и възбуден. Загубата на откриваеми атоми поради йонизация (източник на трудности в плазмената AAS) не играе голяма роля в ICP спектроскопията поради наличието на по-лесно йонизиращи се аргонови атоми.
Газовата смес протича през каналите между гранулите на катализатора. В този случай се извършва пренос на топлина и маса между частиците и потока. В сърцевината на потока преносът на маса и топлина се извършва главно поради конвекция, тъй като потокът обикновено е турбулентен.Близо до повърхността има ламинарен граничен слой, в който скоростта на газа пада до нула близо до повърхността на гранулата . Преносът на реагентите и реакционните продукти през него в посока, обратна на повърхността, се осъществява чрез молекулярна дифузия, а топлината - чрез топлопроводимост. Преносът на топлина може да се осъществи и чрез топлопроводимост от частица към частица през контактната повърхност и излъчване между частиците.
Има три вида пренос на топлина: проводимост, конвекция и лъчиста топлина. Топлопроводимостта е явлението пренос на топлина чрез директен контакт между частици с различни температури. Този тип включва пренос на топлина в твърди вещества, например през стената на апарата. Конвекцията е явлението на пренос на топлина чрез пробиване на частици от течност или газ и тяхното смесване. Преносът на топлина може да се извърши и чрез радиация - пренос на енергия като светлина под формата на електромагнитни вълни.
Важна роля за процеса на изгаряне на гориво (газификация) играе посоката на взаимно движение на твърдата и газовата фаза. Има две схеми за организиране на движението на потоците газ и гориво - пряк поток и противоток. При схемата с директен поток на газови и горивни потоци термичната подготовка на реагентите се извършва по-малко интензивно, без участието на горещи газове и главно чрез пренос на топлина от зоната на горене чрез топлопроводимост и излъчване. В схемата за обратно изгаряне се постига по-надеждно запалване на горивото, тъй като преносът на топлина за отопление се извършва чрез конвекция от горещи газове и топлопроводимост от горещи повърхности.
Трябва да се отбележи, че по отношение на диспергирани материали терминът топлопроводимост може да се използва само условно, ако това понятие означава не само кондуктивен топлопренос (т.е. собствена топлопроводимост), но и топлопренос чрез конвекция и радиация. По този начин коефициентът на топлопроводимост, определен за дисперсна среда, е определена стойност, еквивалентна на коефициента на топлопроводимост в уравнението на Фурие, ако като цяло това уравнение е приложимо при дадените условия (т.е. ако процесът на пренос на топлина през изброените механизмите могат да бъдат точно описани с това уравнение). Следователно е по-правилно тази стойност да се нарече еквивалентен коефициент на топлопроводимост (виж раздел II и др.). Имайки това предвид обаче, ще запазим за краткост общоприетия термин топлопроводимост.
Тези изследователи сравняват своите данни с израза за ефективната топлопроводимост на агрегатите от частици. Те казват, подобно на Майер, че ефективната топлопроводимост през всяка повърхност е равна на средната топлопроводимост на въздуха и горивото по отношение на частта от повърхността, покрита от всеки, и че еквивалентната топлопроводимост се получава от излъчването на черно тяло през кухини. С помощта на това уравнение, с известно опростяване, допуснато от него, Майер успя да изрази ефективната топлопроводимост на горивния слой по отношение на истинската топлопроводимост на горивото, обема на кухините, температурата в тон-живия слой и диаметъра на най-големите частици. Проводимостта на газа, запълващ кухините, е включена в данните за анализа на различните му части и не може да бъде директно открита. Ефективната топлопроводимост на коксовия слой при 815° с празен обем от 50% и с горна граница на размера на зърната от 2,54 C/I е дадена като индекс на порядък на величина, даден от този израз, който е определен на 0,00414. Истинската топлопроводимост на горивото е толкова малка част (около 5%) от ефективната, че ефективната топлопроводимост на целия слой е до голяма степен независима от използваното гориво.
Общи положения. В технологията често се налага да се справяте с такива случаи на пренос на топлина, когато е дадена температурата на околната среда, а не температурата на повърхността на стената. В сравнение с топлопроводимостта и топлинното излъчване, преносът на топлина чрез конвекция от заобикалящата течна или газообразна среда към повърхността на стената е много по-сложен и далеч неизучаван процес. Когато топлината преминава от твърдо тяло към течност или газ, преносът на топлина, дължащ се на топлопроводимост, отстъпва на заден план по своята величина в сравнение с преноса на топлина, дължащ се на конвекция. Последното се състои в това, че в движещия се слой от течност или газ, съседен на стената, поради потока, съществуващ в този слой, всеки влиза в контакт със стената. време ново. и нови частици, които по този начин или отнасят топлина със себе си, или я предават на стената, с която влизат в контакт. Този конвективен трансфер
До известна температура и се поставя на мястото на горелката. По този начин беше възможно да се получи стойността на спектралната яркост на пламъка и следователно, съгласно закона на Кирхоф, също и спектралната яркост на черно тяло при същата температура като температурата на пламъка. Тази температура се сравнява с температурата на пламъка, измерена по следния начин: Тънка платинено-родиева жица, разположена извън пламъка, се нагрява чрез пропускане на ток и енергията на нейното излъчване се измерва от термостълб при различни температури. Последните са измерени с помощта на оптичен пирометър. Въз основа на това беше начертана крива на радиационната енергия (във ватове на сантиметър дължина на проводника) като функция от температурата. След това телта беше въведена в пламъка и температурата й беше измерена за различни стойности на електрическа енергия. От тук е построена друга крива, изразяваща доставката на енергия (във ватове на сантиметър дължина на проводника) като функция от температурата. За определена температура тези криви се пресичат. За излъчване на тел пламъкът е практически прозрачен. Това следва от сравнително ниската излъчвателна способност на проводника в областта на инфрачервените абсорбционни ленти на пламъка и, освен i jro, беше потвърдено чрез директен експеримент. Следователно при тази температура количеството енергия, излъчвано от просото, е равно на количеството подадена електрическа енергия. Това може да стане само когато енергията не се губи и не се предава на проводника чрез топлопроводимост или конвекция, т.е. ако температурите на проводника и газовия пламък са еднакви. Следователно точката на пресичане определя температурата на газовия пламък.
По време на изпаряването капката се охлажда. С оглед на аналогията между явленията на топлопроводимост и дифузия (пренебрегвайки преноса на топлина чрез конвекция и радиация, приемайки, че топлопроводимостта R на газообразна среда е независима от температурата и концентрацията на парите, т.е. приемайки l \u003d onst), ние може да напише за стационарно разпределение на температурата близо до сферична капка на уравнението, подобно на (4.3)
Muraur не дава пълна количествена теория, а по-скоро свързва резултатите от голям брой експерименти с качествена картина на процеса на горене. Повърхностно разлагане на горивото, което дава запалими газова смес, се счита за етап, който определя скоростта на горене, а параметри като налягане, начална температура, температура на пламъка, топлина на експлозия и радиация се интерпретират така, сякаш са повлияли на това първоначално разлагане. Предаването на енергия от пламъка към повърхността на горивото става чрез процеса на топлопроводимост, чиято скорост е пропорционална на налягането, и процеса на излъчване, който не зависи от налягането. Това дава следния закон за скоростта на горене
При естествени условия преносът на вътрешна енергия чрез топлообмен винаги се извършва в строго определена посока: от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура. Когато температурите на телата станат еднакви, настъпва състояние на топлинно равновесие: телата обменят енергия в равни количества.
Съвкупността от явления, свързани с преноса на топлинна енергия от една част на пространството в друга, което се дължи на разликата в температурите на тези части, се нарича в общия случай топлообмен.В природата има няколко вида топлообмен. Има три начина за прехвърляне на количеството топлина от едно тяло към друго: проводимост, конвекция и радиация.
Топлопроводимост.
Поставете края на метален прът в пламъка на спиртна лампа. Прикрепяме няколко кибрита към пръта на еднакво разстояние една от друга с помощта на восък. Когато единият край на пръчката се нагрее, восъчните топчета се разтапят и клечките падат една по една. Това показва, че вътрешната енергия се прехвърля от единия край на пръта към другия.
Фигура 1 Демонстрация на процеса на топлопроводимост
Нека да разберем причината за това явление.
Когато краят на пръта се нагрее, интензивността на движение на частиците, които изграждат метала, се увеличава, тяхната кинетична енергия се увеличава. Поради хаотичността на топлинното движение те се сблъскват с по-бавни частици от съседния студен метален слой и им предават част от енергията си. В резултат на това вътрешната енергия се прехвърля от единия край на пръта към другия.
Прехвърлянето на вътрешна енергия от една част на тялото към друга в резултат на топлинното движение на неговите частици се нарича топлопроводимост.
Конвекция
Преносът на вътрешна енергия чрез топлопроводимост се извършва главно в твърди тела. В течни и газообразни тела преносът на вътрешна енергия се извършва по други начини. Така че, когато водата се нагрява, плътността на нейните долни, по-горещи слоеве намалява, докато горните слоеве остават студени и тяхната плътност не се променя. Под действието на гравитацията по-плътните студени слоеве вода потъват надолу, а нагрятите се издигат нагоре: възниква механично смесване на студени и нагрети слоеве течност. Цялата вода се нагрява. Подобни процеси протичат и в газовете.
Преносът на вътрешна енергия, дължащ се на механично смесване на нагрети и студени слоеве на течност или газ, се нарича конвекция.
Феноменът на конвекцията играе важна роля в природата и технологиите. Конвекционните течения причиняват постоянно смесване на въздуха в атмосферата, поради което съставът на въздуха на всички места на Земята е почти еднакъв. Конвекционните токове осигуряват непрекъснато снабдяване на свежи порции кислород към пламъка по време на процесите на горене. Благодарение на конвекцията температурата на въздуха в жилищните помещения се изравнява по време на отопление, както и въздушно охлаждане на устройства по време на работа на различно електронно оборудване.
Фигура 2 Отопление и изравняване на температурата на въздуха в жилищни помещения с отопление чрез конвекция
Радиация
Преносът на вътрешна енергия може да се осъществи и чрез електромагнитно излъчване. Това е лесно за преживяване. Да включим електрическата нагревателна пещ. Затопля добре ръката, когато я поднесем не само отгоре, но и отстрани на печката. Топлопроводимостта на въздуха е много ниска и конвекционните токове се издигат нагоре. В този случай енергията от спиралата, нагрята от електрически ток, се предава главно чрез радиация.
Преносът на вътрешна енергия чрез радиация се извършва не от частици материя, а от частици електромагнитно поле- фотони. Те не съществуват вътре в атомите „извън кутията“ като електрони или протони. Фотоните възникват, когато електроните преминават от един електронен слой в друг, разположен по-близо до ядрото, и в същото време отнасят със себе си определена част от енергията. Достигайки друго тяло, фотоните се поглъщат от неговите атоми и напълно им предават енергията си.
Прехвърлянето на вътрешна енергия от едно тяло към друго поради прехвърлянето й от частици на електромагнитно поле - фотони, се нарича електромагнитно излъчване.Всяко тяло, чиято температура е по-висока от температурата на околната среда, излъчва вътрешната си енергия в околното пространство. Количеството енергия, излъчвано от тялото за единица време, рязко нараства с повишаване на температурата му.
Фигура 3 Експеримент, илюстриращ предаването на вътрешната енергия на горещ чайник чрез радиация
Фигура 4 Радиация от Слънцето
Транспортни явления в термодинамично неравновесни системи. Топлопроводимост
В термодинамично неравновесните системи възникват специални необратими процеси, наречени трансферни явления, в резултат на които има пространствен трансфер на енергия, маса, импулс. Транспортните явления включват топлопроводимост (поради пренос на енергия), дифузия (поради пренос на маса) и вътрешно триене (поради пренос на импулс). За тези явления преносът на енергия, маса и импулс винаги се извършва в посока, обратна на техния градиент, т.е. системата се доближава до състоянието на термодинамично равновесие.
Ако в една област на газа средната кинетична енергия на молекулите е по-голяма, отколкото в друга, тогава с течение на времето, поради постоянни сблъсъци на молекули, настъпва процесът на изравняване на средните кинетични енергии на молекулите, т.е., с други думи, изравняване на температурите.
Процесът на пренос на енергия под формата на топлина се подчинява на закона на Фурие за топлопроводимостта: количеството топлина q, което се пренася за единица време през единица площ, е правопропорционално на - температурен градиент, равен на скоростта на изменение на температурата на единица дължина x в посока на нормалата към тази зона:
, (1)
където λ е топлопроводимостта или топлопроводимостта. Знакът минус показва, че по време на топлопроводимостта енергията се прехвърля в посока на намаляване на температурата. Топлопроводимостта λ е равна на количеството топлина, пренесено през единица площ за единица време при температурен градиент, равен на единица.
Очевидно е, че топлината Q, преминала през зоната S за времето t чрез топлопроводимост, е пропорционална на площта S, времето t и температурния градиент :
Може да се покаже, че
(2)
където с V - специфичен топлинен капацитет на газ при постоянен обем(количеството топлина, необходимо за нагряване на 1 kg газ с 1 K при постоянен обем), ρ е плътността на газа,<υ>- средноаритметична скорост на топлинно движение на молекулите,<л> - средна дължинасвободно бягане.
Тези. Може да се види от какви причини зависи количеството енергия, предавана чрез топлопроводимост, например от стая през стена към улицата. Очевидно е, че колкото повече енергия се прехвърля от стаята към улицата, колкото по-голяма е площта на стената S, толкова по-голяма е температурната разлика Δt в стаята и на улицата, толкова повече време t се извършва топлообмен между стаята и улицата , и колкото по-малка е дебелината на стената (дебелината на слоя на веществото) d : ~.
Освен това количеството енергия, пренесено чрез топлопроводимост, зависи от материала, от който е направена стената. Различни вещества при едни и същи условия пренасят различни количества енергия чрез проводимост. Количеството енергия, което се пренася чрез топлопроводимост през всяка единица площ от слой материя за единица време при температурна разлика между неговите повърхности от 1°C и при дебелина от 1 m (единица дължина), може да служи като мярка за способността на дадено вещество да пренася енергия чрез топлопроводимост. Тази стойност се нарича коефициент на топлопроводимост. Колкото по-голяма е топлопроводимостта λ, толкова повече енергия се предава на слоя материя. Металите имат най-висока топлопроводимост, течностите имат малко по-малка. Сухият въздух и вълната имат най-ниска топлопроводимост. Това обяснява топлоизолационните свойства на дрехите при хората, перата при птиците и вълната при животните.