Что такое тепло способы его передачи

Способы передачи тепловой энергии

Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:

С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.

Что такое теплопроводность

Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.

Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.

При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.

Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.

Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.

Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.

А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.

Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.

В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.

Что такое конвекция и как она происходит

В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.

Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.

Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.

Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.

Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.

Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.

— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;

— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;

— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).

Что такое излучение

Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.

Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.

Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.

Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.

Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.

Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.

По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.

В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.

Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.

Источник

«Тепло и способы его передачи»

Исследовательская работа на тему «Тепло и способы его передачи»

Скачать:

Вложение	Размер
vasilenko_a.a._teplo_i_sposoby_ego_peredachi.docx	63.42 КБ

Предварительный просмотр:

МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Тема: Тепло и способы его передачи

Слово «тепло» знакомо и понятно каждому человеку, но в русском языке оно имеет несколько значений. Согласно словаря Даля, под термином «тепло» ( тепель, теплота) можно понимать:

Во-первых, невесомое вещество, более или менее наполняющее все тела, весь мир . Теплота рождается и проявляется от лучей солнечных, от трения, от сжатия, горения и пр. Значение слов «т епло», «теплота», «тепель», противоположно значению таких слов, как « стыдь», «мороз». «Тепло» это мера, при которой вода не мерзнет, лед начинает таять, или, по градуснику, степень выше нуля. От нуля книзу, считают степени мороза, а кверху — тепла. При 100 градусах тепла вода кипит. Высшую и тягостную для человека степень тепла (это когда температура тела человека 39 градусов по шкале Цельсия и выше) зовут жаром. Меньшая степень жара, угодная чувствам нашим и наоборот х олод , стужа не приятны человеку и многим др. живым существам.

Во-вторых, под теплом может пониматься состоянье тела, вещества, которое рождает в живом существе особое чувство. Всем, наверное хорошо знакомы фразы «Тёплые отношения» (т. е. доброжелательные), «Стало тепло на душе» (т. е. радостно, спокойно), «Я услышал тёплые слова» (т.е. добрые пожелания, слова сопереживания, поддержки).

В-третьих, «тепло» это особое явление в природе. Часто можно услышать такие фразы: « Вешним теплом пахнуло. Летняя теплота. На дворе тепель настала (оттепель)».

В-четвёртых, «тепло» широко используется в естественных науках. Есть и другие значения слова «теплота».

Моя научная работа посвящена более подробному изучения понятия теплоты, которое используется в естественных науках и способов его передачи.

2. Тепло. Теплопроводность. Конвекция.

Люди, да и все живые существа знакомятся с теплом ещё в младенческом возрасте. Только что родившиеся дети, детёныши млекопитающих животных питаются тёплым материнским молоком, прижимаются к тёплому телу матери, чтобы согреться, радуются теплым лучам солнца. Что же такое тепло? Разобраться в этом вопросе нам поможет «Большая иллюстрированная энциклопедия школьника» для детей старшего школьного возраста.

Тепло это вид энергии, порождаемой колебаниями атомов вещества. Тепло всегда передается от нагретых предметов к более холодным.

Каждый предмет состоит из атомов и молекул, пребывающих в непрерывном движении, даже когда сам предмет абсолютно неподвижен. Это движение наделяет предмет внутренней энергией или теплом. Чем быстрее движутся атомы и молекулы, тем сильнее нагревается предмет. Обычно мы измеряем тепло термометром со шкалой Цельсия.

Если два предмета с разной температурой соприкасаются, то более теплый обязательно передает часть своего тепла более холодному. Например, когда мы помешиваем горячий чай ложечкой, она тоже нагревается, потому что атомы чая ударяются об атомы ложечки, заставляя их колебаться сильнее. Это явление называют теплопроводностью. Металл – хороший проводник тепла, но некоторые материалы, например пенопласт, проводят тепло очень плохо, поэтому их называют теплоизоляторами.

Конвекция и излучение

Тепло распространяется также за счет конвекции и излучения. Так, тепло Солнца достигает Земли в виде излучения, которое распространяется очень быстро, – теплу требуется всего 8 минут, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли. Конвекция протекает только в неравномерно нагретых жидкостях и газах. Теплые участки в жидкости или газе движутся к холодным, отдавая им тепло.

Тепло – это жизнь

Когда мы едим, то наш организм расщепляет пищу, освобождая тепло, согревающие нас изнутри. Сжигая топливо, например уголь или дрова, мы обогреваем дома или приводим в движение машины и турбины электростанций, которые производят электричество.

Три способа передачи тепла

Нехитрое дело — вскипятить воду в чайнике, но при этом используется одновременно три способа передачи тепла — излучение, теплопередача и конвекция. Излучаемое огнем тепло приводит в движение молекулы воздуха. Горячие молекулы ударяются в дно чайника, заставляя его молекулы колебаться. В металле тепло распространяется за счет теплопроводности, а в воде – за счет конвекции.

В Исландии, на Камчатке есть горячие источники, которые нагреваются внутренним теплом Земли. Люди купаются в них и используют их тепло на геотермальных электростанциях. Рассмотрим более подробно каким образом осуществляется передача тепла.

3. Способы передачи тепла.

Рассмотрим более подробно способы передачи тепла:

Во-первых, передача тепла может происходить только от более нагретого тела менее нагретому. Ни какой холод ни куда передаваться не может — передается только тепло. Это второй закон термодинамики, который не нуждается в пояснениях и доказательствах.

Во-вторых, передача тепла между предметами может происходит 3 способами:

— в среде газа или жидкости (например, воздуха) посредством конвекции (движения) нагретого газа или жидкости от одного тела к другому. Этот способ возможен только при наличии среды с промежуточным теплоносителем. Примером может послужить всем хорошо известная батарея системы отопления. Горячая вода подаётся под давлением в батареи, отдаёт свое тепло самой металлической батареи, а она в свою очередь нагревает воздух и все предметы в помещении, где находится эта батарея.

— при непосредственном соприкосновении тел, т.е. теплопроводности;

Для примера можно взять утюг, паяльник. Когда мы их включаем, то их тепло передается тем вещам, к которым они прикасаются. Другой пример, каждый день люди готовят пищу на сковородке, которую ставят на раскалённый нагревательный элемент плиты. Его температура передаётся сковороде, а затем тому что лежит на ней.

— с помощью инфракрасного (теплового) излучения. Может, осуществляется в любой среде. Этот способ передачи тепла нам наиболее интересен, т.к. именно с помощью него осуществляется передача энергии (тепла) в инфракрасных саунах, от инфракрасных обогревательных печей, ламп;

В-третьих, инфракрасное излучение, так же как и любое другое электромагнитное излучение, ослабевает при увеличении распространения.

В Интернете широко распространено ошибочное мнение, что инфракрасное излучение не поглощается воздухом, однако это не так.

В частности для инфракрасного излучения, азот и кислород, которые входят в состав воздуха не поглощают его, а только ослабляют в результате рассеяния. Однако пары воды, углекислый газ, озон и другие газы, которые входят в состав воздуха, селективно (выборочно) поглощают его. Особенно сильно поглощают ИК излучение пары воды (влажность) и углекислый газ. Кроме того, пыль, содержащаяся в воздухе, рассеивает инфракрасное излучение. Принято считать, что интенсивность ИК излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника тепла.

В-четвертых, интенсивность инфракрасного излучения зависит от температуры тела — чем выше температура тела, тем мощнее излучение. С этим фактом мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни, и объяснять его не нужно.

Из вышесказанного следуют выводы.

Тепло это вид энергии, порождаемой колебаниями атомов вещества. Тепло всегда передается от нагретых предметов к более холодным.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре , то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления температурного равновесия .

Источник

Вспоминаем физику: теплота

Дата публикации: 6 февраля 2020

Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.

Теплота — один из способов передачи энергии

Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.

В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».

Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.

Теплообмен и теплопередача

Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока, который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75

Конвекция

Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.

Тепловое излучение

Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.

Теплоёмкость

Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг•К).

Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (C_V) и теплоемкость при постоянном давлении (С_P), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим С_Р всегда больше, чем C_V. У жидкостей и твёрдых тел разница между С_Р и C_V сравнительно мала.

Тепловые машины

Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.

Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.

Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема работы холодильника.

В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.

Источник