Способы теплопередачи (теплообмена)
Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлёбку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. То есть между телами происходит теплообмен – переход некоторого количества теплоты от одного тела к другому.
 |
На рисунке показаны три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлёбки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и других тел. А путём конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром.
Теплообмен теплопроводностью. Многочисленные опыты показывают: теплопроводность различных веществ различна: при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.
 |
Проделаем опыт (см. рисунок). Две проволоки, например медную и стальную одинаковой длины и толщины, укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Мы увидим, что маленькие гвоздики, приклеенные воском, с медной проволоки начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.
Тела и вещества, способные передавать теплоту с большой скоростью, называются теплопроводниками. К ним в первую очередь относятся все металлы. Большинство газов передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов. Тела и вещества, передающие теплоту с малой скоростью, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, поролон, древесина, мех, вата и др.
 |
Теплообмен конвекцией. На рисунке вы видите тень руки с зажжённой спичкой при освещении её фонариком. Волнистые тени над пламенем создают струйки поднимающегося тёплого воздуха. Это – пример конвекции. Так называют явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах (где действует сила Архимеда). Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплообмена, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.
Теплоообмен конвекцией часто встречается вокруг нас. Например, отопительные батареи располагают вблизи пола, но из-за конвекции тепло распространяется по всей высоте комнаты. Конвективные потоки также возникают в атмосфере, способствуя возникновению ветров и облаков, а также внутри кастрюль, которые нагреваются на кухонной плите, и так далее.
 |
Теплообмен излучением. Известно, что тела, которые нагреты сильнее, чем окружающая среда, способны излучать энергию. Обратимся к опыту (см. рисунок). Нагреем в пламени гвоздь и приблизим его к ладони, не касаясь её, – ладонь почувствует тепло. Освободим вторую руку и приложим ладони друг к другу. Мы почувствуем, что ладонь, находившаяся вблизи раскалённого гвоздя, теплее, чем вторая. То есть происходит переход теплоты от гвоздя к ладони через слой воздуха.
Однако при теплообмене излучением энергия может переноситься без участия вещества. Так, например, энергия Солнца достигает нашей планеты, преодолевая огромные расстояния через космический вакуум, в котором вещество отсутствует.
Обобщим изученное в этом параграфе. При теплообмене конвекцией энергия переносится струями или потоками неравномерно нагретого вещества. При теплообмене теплопроводностью энергия переносится через слой вещества, но само вещество при этом не движется. При теплообмене излучением энергия переносится без участия вещества.
Источник
Способ передачи тепла от костра
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.
Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.
Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.
Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
Конвекция
Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.
Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.
Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.
Излучение
Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.
Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.
Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.
Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».
Источник
Урок «Виды теплопередачи» 8 класс
Урок физики 8 класс. Виды теплопередачи
Цели: ознакомить учащихся с. видами теплообмена; научить их объяснять тепловые явления на основании молекулярно-кинетической теории.
Демонстрации: презентация, вращение вертушки над горящей лампой.
Повторение. Проверка домашнего задания
Внутренняя энергия это….
Внутренняя энергия тела зависит….
Изменить внутреннюю энергии можно путем ….
После того как распилили бревно, пила нагрелась. Каким способом изменили внутреннюю энергию пилы?
После того как распилили бревно, пила нагрелась. Каким способом изменили внутреннюю энергию пилы?
Сок поставили в холодильник и охладили. Каким способом изменили внутреннюю энергию сока?
Два одинаковых камня лежали на земле. Первый камень подняли и положили на стол, а второй подбросили вверх. Изменилась ли внутренняя энергия камней?
В две одинаковые кастрюли налили одинаковое количество воды. В первой кастрюле воду довели до кипения, а во второй слегка подогрели. В каком случае внутренняя энергия воды изменилась меньше?
При затачивании топор нагревается. Каков способ изменения внутренней энергии топора?
Кувшин с молоком отнесли в погреб, где оно охладилось. Каким способом изменилась внутренняя энергия молока?
Одну из двух одинаковых серебряных ложек опустили в стакан с кипятком, а другую в стакан с тёплой водой. В каком случае внутренняя энергия ложки изменится меньше?
Два железных бруска массами 200 и 300 г, взятых при комнатной температуре, охладили до одинаковой температуры. У какого бруска внутренняя энергия изменилась больше?
II. Изучение нового материала
Мы знаем, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена (теплопередачи). Изменение внутренней энергии посредством теплообмена может производиться по-разному. Различают три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение. 
1. Теплообмен посредством теплопроводности.
Теплопроводность — такой тип теплообмена, когда тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.
Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени. Слайды презентации: зависимость теплопроводности от рода вещества.
Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемещается. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.
Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие — плохие проводники тепла. Это — различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теплопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.
2. Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа. 
Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.
Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, поэтому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жидкость.
На опыте по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены кристаллики медного купороса, мы замечаем голубые «змейки», которые поднимаются вверх.
Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это — длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.
Система отопления помещений основана именно на перемещении конвекционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемешивание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.
Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности является то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не переносится.
Холодные и теплые морские и океанские течения — примеры конвекции.
3. Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело является источником излучения.
Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.
Два одинаковых тела, нагретые до одной температуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона. 
Темные тела наоборот, не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отдают в окружающую среду.
Примеры теплообмена в природе и технике
Говоря о конвекционных эффектах, можно привести в качестве примера ветры, которые постоянно дуют в земной атмосфере. Именно перенос ветрами огромной энергии, либо наоборот, приводит к заметному изменению погоды в данном регионе. Побережье любого теплого моря зимой всегда имеет более высокую среднюю температуру, чем материковые области, которые могут находиться южнее. Пример. Побережье Мурманской области и центральная Сибирь. Существование теплых и холодных морских течений — тоже примеры конвекционных явлений.
Часто можно в зоне промышленных предприятий увидеть высокие трубы из кирпича. Они служат для создания хорошей тяги. Теплый газ или дым легче холодного воздуха, и поэтому он поднимается вверх. Чем больше перепад давления внизу и вверху трубы, тем лучше тяга. Поэтому трубы и делают высокими. Ясно, что из двух труб одинаковой высоты лучшая тяга будет у кирпичной, нежели у металлической. Горячий воздух в металлической трубе остывает при подъеме быстрее, отчего тяга уменьшается.
Особое место занимает возможность отопления многоквартирных домов. Принцип отопления связан с циркуляцией горячей воды по трубам. Источником горячей воды являются котельные и ТЭЦ. Вода, циркулируя по трубам, отдает часть тепла, охлаждается, затем снова идет на нагрев в ТЭЦ. Любые изменения давления в системе регулируют при помощи расширительных баков.
В быту часто используют термосы. Они служат для сохранения горячей жидкости длительное время. Впрочем, в термосах также можно долго хранить и холодную жидкость. Основным элементом любого термоса является рабочий сосуд с двойными стенками, между которыми глубокое разрежение. Это — сосуд Дьюара. Английский ученый Джеймс Дьюар в конце XIX века изобрел такой сосуд. Чтобы исключить влияние излучения изнутри и снаружи, стенки сосуда делают зеркальными.
III. Закрепление изученного материала
1. Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия.
2. Каков способ теплопередачи от костра?
3. Ложка, опущенная в стакан с горячей водой, нагревается. Каким способом происходит теплопередача?
4. Каким способом происходит теплопередача при нагревании шин автомобиля при торможении?
5. Какое вещество обладает наибольшей теплопроводностью?
6. Вид теплопередачи, при котором энергия от нагретого тела передается холодному с помощью лучей, называется.
7. Каков способ теплопередачи водяного отопления?
8. Благодаря какому способу теплопередачи Солнце нагревает Землю?
9. Каков способ передачи энергии от горячего утюга ткани?
10. Изменится ли температура тела, если оно поглощает энергии больше, чем испускает?
11. Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой.
12. Какой из видов теплопередачи играет основную роль в нагревании воды в чайнике?
13.Человек греется у костра. Какой из трех видов теплопередачи играет главную роль в передаче тепла от костра к человеку?
14. Когда тяга в трубах лучше — зимой или летом? Почему?
15. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге -от жары. Объясните целесообразность этого.
С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов в виде очень плотной жидкой массы. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера. Самый верхний слой литосферы — земная кора.
Литосфера состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности мантии. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в различных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов.
Там, где плиты расходятся, возникают океанские впадины. В других местах, где плиты сталкиваются, образуются горные массивы. Скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно и плит 2-3 см в год. Однако за геологические эпохи плиты могут перемещаться на сотни и тысячи километров.
Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни и тысячи раз больше, чем у изоляторов? Дело, очевидно, в структуре металлов, в особенностях металлической связи.
В самом деле, если бы теплопроводность металлов определялась только колебаниями частиц в узлах кристаллической решетки, то она бы не отличалась от теплопроводности изоляторов. Но в металлах есть еще множество свободных электронов -электронный газ, который и обеспечивает их высокую теплопроводность.
В участке металла с высокой температурой часть электронов приобретает большую кинетическую энергию. Так как масса электронов очень мала, то они легко проскакивают десятки промежутков между нонами. Говорят, что у электронов большая длина свободного пробега. Сталкиваясь с нонами, находящимися в более холодных слоях металла, электроны передают им избыток своей энергии, что приводит к повышению температуры этих слоев.
Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше теплопроводность. Именно поэтому у чистых металлов, где в кристаллической решетке дефектов относительно мало, теплопроводность велика. У сплавов, где дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше, соответственно меньше и теплопроводность.
§ 4,5,6 учебника; вопросы и задания к параграфу.
Источник
