Виды теплообмена: коэффициент теплопередачи. Теплопередача
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели урока:
- Познакомить учащихся с видами теплопередачи.
- Формировать умение объяснять теплопроводность тел с точки зрения строения вещества; уметь анализировать видеоинформацию; объяснять наблюдаемые явления.
Тип урока: комбинированный урок.
Демонстрации:
1. Перемещение тепла по металлическому стержню.
2. Видео демонстрация эксперимента по сравнению
теплопроводности серебра, меди и железа.
3. Вращение бумажной вертушки над включенной
лампой или плиткой.
4. Видео демонстрация возникновения
конвекционных потоков при нагревании воды с
марганцовкой.
5. Видео демонстрация по излучению тел с темной и
светлой поверхностью.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
II. Сообщение темы и целей урока
На предыдущем уроке вы узнали, что внутреннюю
энергию можно изменить путем совершения работы
или теплопередачей. Сегодня на уроке мы
рассмотрим, как происходит изменение
внутренней энергии теплопередачей.
Попробуйте объяснить значение слова
«теплопередача» (слово «теплопередача»
подразумевает передачу тепловой энергии).
Существует три способа передачи теплоты, но
называть их я не буду, вы сами их назовете, когда
решите ребусы.
Ответы: теплопроводность, конвекция, излучение.
Познакомимся с каждым видом теплопередачи
отдельно, и пусть девизом нашего урока станут
слова М.Фарадея: «Наблюдать, изучать, работать».
III. Изучение нового материала
1. Теплопроводность
Ответьте на вопросы: (слайд 3)
1. Что произойдет, если в горячий чай опустим
холодную ложку? (Через некоторое время она
нагреется).
2. Почему холодная ложка нагрелась? (Чай отдал
часть своего тепла ложке, а часть окружающему
воздуху).
Вывод:
Из примера ясно, что тепло может
передаваться от тела, более нагретого к телу
менее нагретому (от горячей воды к холодной
ложке). Но энергия передавалась и по самой ложке
– от ее нагретого конца к холодному.
3. В результате чего происходит перенос тепла от
нагретого конца ложки к холодному? (В
результате движения и взаимодействия частиц)
Нагревание ложки в горячем чае - пример теплопроводности.
Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым, в результате теплового движения и взаимодействия частиц.
Проведем опыт:
Закрепим конец медной проволоки в лапке штатива. Воском к проволоке прикреплены гвоздики. Будем нагревать свободный конец проволоки свечей или на пламени спиртовки.
Вопросы: (слайд 4)
1. Что наблюдаем? (Гвоздики начинают
постепенно один за другим отпадать, сначала те,
которые ближе к пламени).
2. Как происходит передача тепла? (От горячего
конца проволоки к холодному).
3. Как долго будет происходить передача тепла по
проволоке? (Пока проволока вся не нагреется, т.
е пока температура во всей проволоке не
выровняется)
4. Что можно сказать про скорость движения
молекул на участке, расположенном ближе к
пламени? (Скорость движения молекул
увеличивается)
5. Почему нагревается следующий участок
проволоки? (В результате взаимодействия
молекул скорость движения молекул на следующем
участке также увеличивается и температура
данной части возрастает)
6. Влияет ли расстояние между молекулами на
скорость передачи тепла? (Чем меньше
расстояние между молекулами, тем с большей
скоростью идет перенос тепла)
7. Вспомните расположение молекул в твердых
телах, жидкостях и газах. В каких телах процесс
переноса энергии будет происходить быстрее? (Быстрее
в металлах, затем в жидкостях и газах).
Посмотрите демонстрацию эксперимента и подготовьтесь ответить на мои вопросы.
Вопросы: (слайд 5)
1. По какой пластине теплота распространяется
быстрее, а по какой медленнее?
2. Сделайте вывод о теплопроводности данных
металлов. (Лучшая теплопроводность у
серебра и меди, несколько хуже у железа)
Обратите внимание, что при передаче тепла в данном случае переноса тела не происходит.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство).
Запишем основные особенности теплопроводности: (слайд 7)
- в твердых телах, жидкостях и газах;
- само вещество не переносится;
- приводит к выравниванию температуры тела;
- разные тела – разная теплопроводность
Примеры теплопроводности : (слайд 8)
1. Снег - пористое, рыхлое вещество, в нем
содержится воздух. Поэтому снег обладает плохой
теплопроводностью и хорошо защищает землю,
озимые посевы, плодовые деревья от вымерзания.
2. Кухонные прихватки сшиты из материала, который
обладает плохой теплопроводностью. Ручки
чайников, кастрюль делают из материалов
обладающих плохой теплопроводностью. Все это
защищает руки от ожогов, при прикосновении к
горячим предметам.
3. Вещества с хорошей теплопроводностью
(металлы) используют для быстрого нагревания тел
или деталей.
2. Конвекция
Отгадайте загадки:
1) Загляните под окошко –
Там растянута гармошка,
Но гармошке не играет –
Нам квартиру согревает... (батарея)2) Наша толстая Федора
наедается не скоро.
А зато когда сыта,
От Федоры – теплота... (печь)
Батареи, печи, радиаторы отопления используются человеком для обогрева жилых помещений, а точнее нагревания воздуха в них. Происходит это благодаря конвекции – следующему виду теплопередачи.
Конвекция
– это перенос энергии
струями жидкости или газа. (Слайд 9)
Попробуем объяснить, как происходит
конвекция в жилых помещениях.
Воздух, соприкасаясь с батареей, от нее
нагревается, при этом он расширяется, его
плотность становится меньше плотности холодного
воздуха. Теплый воздух, как более легкий,
поднимается вверх под действием силы Архимеда, а
тяжелый холодный воздух опускается вниз.
Затем снова: более холодный воздух доходит до
батареи, нагревается, расширяется, становится
легче и под действием Архимедовой силы
поднимается вверх и т.д.
Благодаря такому движению воздух в комнате
прогревается.
Бумажная вертушка, помещенная над включенной
лампой, начинает вращаться. (Слайд 10)
Попробуйте объяснить, как это происходит?
(Холодный воздух при нагревании у лампы
становится теплым и поднимается вверх, при этом
вертушка вращается).
Точно также происходит нагревание жидкости. Посмотрите эксперимент по наблюдению конвекционных потоков при нагревании воды (с помощью марганцовки). (Слайд 11)
Обратите внимание, что в отличие от теплопроводности, при конвекции происходит перенос вещества и в твердых телах конвекция не происходит.
Различают два вида конвекции: естественную
и вынужденную.
Нагревание жидкости в кастрюле или воздуха в
комнате – это примеры естественной конвекции.
Для ее возникновения вещества нужно нагревать
снизу или охлаждать сверху. Почему именно так?
Если нагревать будем сверху, то куда будут
перемещаться нагретые слои воды, а куда холодные?
(Ответ: никуда, так как нагретые слои и так уже
наверху, а холодные слои так и останутся внизу)
Вынужденная конвекция наблюдается, если
жидкость перемешивать ложкой, насосом или
вентилятором.
Особенности конвекции: (слайд 12)
- возникает в жидкостях и газах, невозможна в твердых телах и вакууме;
- само вещество переносится;
- нагревать вещества нужно снизу.
Примеры конвекции: (слайд 13)
1) холодные и теплые морские и океанические
течения,
2) в атмосфере, вертикальные перемещения воздуха
приводят к образованию облаков;
3) охлаждение или нагревание жидкостей и газов в
различных технических устройствах, например в
холодильниках и др., обеспечивается
водяное охлаждение двигателей
внутреннего сгорания.
3. Излучение
(Слайд 14)
Всем известно, что
Солнце основной
источник тепла на Земле. Земля находится от него
на расстоянии 150 млн. км. Как передается тепло от
Солнца на Землю?
Между Землей и Солнцем за пределами нашей
атмосферы все пространство – вакуум. А нам
известно, что в вакууме теплопроводность и
конвекция происходить не могут.
Каким способом происходит передача тепла? Здесь
осуществляется еще один вид теплопередачи –
излучение.
Излучение – это теплообмен, при котором энергия переносится электромагнитными лучами.
Отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум.
Посмотрите видеофрагмент об излучении (слайд 15).
Излучают энергию все тела: тело человека, печь,
электрическая лампа.
Чем выше температура тела, тем сильнее его
тепловое излучение.
Тела не только излучают энергию, но и поглощают
ее.
(слайд 16) Причем темные поверхности лучше
поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие
светлую поверхность.
Особенности излучения (слайд 17):
- происходит в любом веществе;
- чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение;
- происходит в вакууме;
- темные тела лучше поглощают излучение, чем светлые и лучше излучают.
Примеры использования излучения тел (слайд 18):
поверхности ракет, дирижаблей, воздушных
шаров, спутников, самолётов, окрашивают
серебристой краской, чтобы они не нагревались
Солнцем. Если наоборот надо использовать
солнечную энергию, то части приборов окрашивают
в темный цвет.
Люди зимой носят темные одежды (черного, синего,
коричного цвета) в них теплее, а летом светлые
(бежевые, белые цвета). Грязный снег в солнечную
погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с
темной поверхностью лучше поглощают солнечное
излучение и быстрее нагреваются.
IV. Закрепление полученных знаний на примерах задач
Игра «Попробуй, объясни» , (слайды 19-25).
Перед вами игровое поле с шестью заданиями, вы можете выбрать любое. После выполнения всех заданий вам откроется мудрое высказывание и тот, кто его очень часто произносит с экранов телевизоров.
1. В каком доме теплее зимой, если толщина стен одинакова? Теплее в деревянном доме, так как дерево содержит 70% воздуха, а кирпич 20%. Воздух - плохой проводник тепла. В последнее время в строительстве применяют «пористые» кирпичи для уменьшения теплопроводности.
2. Каким способом происходит передача энергии от источника тепла к мальчику? Мальчику, сидящему у печки, энергия в основном передается теплопроводностью.
3. Каким способом происходит передача
энергии от источника тепла к мальчику?
Мальчику, лежащему на песке, энергия от
солнца передается излучением,
а от песка теплопроводностью.
4. В каком из этих вагонов перевозят скоропортящиеся продукты? Почему? Скоропортящиеся продукты перевозят в вагонах, окрашенных в белый цвет, так как такой вагон в меньшей степени нагревается солнечными лучами.
5. Почему водоплавающие птицы и другие
животные не замерзают зимой?
Мех, шерсть, пух обладают плохой
теплопроводностью (наличие между волокнами
воздуха), что позволяет телу животного сохранять
вырабатываемую организмом энергию и
защищаться от охлаждения.
6. Почему оконные рамы делают двойными?
Между рамами содержится воздух, который
обладает плохой теплопроводностью и защищает
от потерь тепла.
«Мир интересней, чем нам кажется», Александр Пушной, программа «Галилео».
V. Итог урока
– С какими видами теплопередачи мы
познакомились?
– Определите, какой из видов теплопередачи
играет основную роль в следующих ситуациях:
а) нагревание воды в чайнике (конвекция);
б) человек греется у костра (излучение);
в) нагревание поверхности стола от включенной
настольной лампы (излучение);
г) нагревание металлического цилиндра,
опущенного в кипяток (теплопроводность).
Разгадайте кроссворд (слайд 26):
1. Величина, от которой зависит интенсивность
излучения.
2. Вид теплопередачи, который может
осуществляться в вакууме.
3. Процесс изменения внутренней энергии без
совершения работы над телом или самим телом.
4. Основной источник энергии на Земле.
5. Смесь газов. Обладает плохой
теплопроводностью.
6. Процесс превращения одного вида энергии в
другой.
7. Металл, имеющий самую хорошую
теплопроводностью.
8. Разреженный газ.
9. Величина, обладающая свойством сохранения.
10. Вид теплопередачи, который сопровождается
переносом вещества.
Разгадав кроссворд, вы получили еще одно слово, которое является синонимом к слову «теплопередача» – это слово… («теплообмен»). «Теплопередача» и «теплообмен» – одинаковые по смыслу слова. Используйте их, заменяя одно другим.
VI. Домашнее задание
§ 4, 5, 6, Упр. 1 (3), Упр. 2(1), Упр. 3(1) – письменно.
VII. Рефлексия
В конце урока предлагаем учащимся обсудить урок: что понравилось, что хотелось бы изменить, оценить свое участие в уроке.
Прозвенит сейчас звонок,
Подошел к концу урок.
До свидания, друзья,
Отдыхать пришла пора.
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 играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.
До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией , полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.
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).
где, как и ранее, q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 -8 Вт/(м 2 DК 4).
Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.
Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце ; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.
Теория:
Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой, или от одного тела другому, при их непосредственном контакте.
Чем плотнее молекулы расположены друг к другу, тем лучше теплопроводность тела.(теплопроводность зависит от удельной теплоемкости тела)
Рассмотрим опыт, на металлический стержень с помощью воска прикреплены гвоздики. С одного конца, к стержню поднесли спиртовку, тепло со временем распространяется по стержню, воск плавится и гвоздики падают. Это связано с тем, что молекулы при нагревании начинают двигаться быстрее. Пламя спиртовки нагревает один конец стержня, молекулы с этого конца начинают колебаться быстрее, соударяются с соседними молекулами, и передают им часть своей энергии, поэтому внутренняя энергия передается от одной части к другой.
Конвекция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах невозможна.
Излучение - перенос внутренней энергии лучами (электромагнитным излучением).
Задание:
Решение:
Ответ:
2.
1) Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу?
1) путём теплопроводности
2) путём конвекции
3) путём излучения
4) путём теплопроводности и конвекции
Решение (спасибо Алене):
путём излучения. Так как энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью, ведь между человеком и костром находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не может наблюдаться, по скольку костер находился рядом с человеком, а не под ним следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.
Ответ:
3
Задание:
Какое из веществ при нормальных условиях обладает наилучшей теплопроводностью?
1) вода 2) сталь 3) древесина 4) воздух
Решение:
Воздух обладает плохой теплопроводностью так как расстояние между молекулами велико. У стали самая маленькая теплоемкость.
Ответ:
2.
Задание огэ по физике (фипи):
1) Учитель провёл следующий опыт. Два одинаковые по размеру стержня (медный расположен слева, а стальной – справа) с закреплёнными на них с помощью парафина гвоздиками нагревались с торца с помощью спиртовки (см. рисунок). При нагревании парафин плавится, и гвоздики падают.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом излучения.
2) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом конвекции.
3) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности.
4) Плотность меди меньше плотности стали.
5) Теплопроводность меди больше теплопроводности стали
Решение:
Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности, внутренняя энергия переходит от одной части стержня к другой. Теплопроводность меди больше теплопроводности стали, так как медь прогревается быстрее.
Ответ:
35
Задание огэ по физике (фипи):
Два одинаковых бруска льда внесли с мороза в тёплое помещение. Первый брусок завернули в шерстяной шарф, а второй оставили открытым. Какой из брусков будет нагреваться быстрее? Ответ поясните.
Решение:
Быстрее будет нагреваться второй брусок, шерстяной шарф будет препятствовать передаче внутренней энергии из комнаты в брусок. Шерсть плохо проводит тепло, у нее плохая теплопроводность, благодаря этому брусок льда будет нагреваться медленнее.
Задание огэ по физике (фипи):
Горячий чайник какого цвета – чёрного или белого – при прочих равных условиях будет остывать быстрее и почему?
1)
белый, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
2)
белый, так как тепловое излучение от него более интенсивное
3)
чёрный, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
4)
чёрный, так как тепловое излучение от него более интенсивное
Решение:
Черные тела лучше поглощают тепловое излучение, например на солнце быстрее нагреется вода в черной баке, чем в белой. Справедлив и обратный процесс, черные тела остывают быстрее.
Ответ:
4
Задание огэ по физике (фипи):
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путем
1)
теплопроводности
2)
конвекции
3)
конвекции и теплопроводности
4)
излучения и конвекции
Решение:
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться только теплопроводностью. В твердом теле молекулы находятся около положения равновесия, и могут только колебаться около него, поэтому конвекция невозможна.
Ответ:
1
Задание огэ по физике (фипи):
Из какой кружки – металлической или керамической – легче пить горячий чай, не обжигая губы? Объясните почему.
Решение:
Теплопроводность металлической кружки выше, и тепло от горячего чая будет передаваться губам быстрее, и обжигать сильнее.
Любое материальное тело обладает такой характеристикой как теплота, которая может увеличиваться и уменьшаться. Теплота не является материальной субстанцией: как часть внутренней энергии вещества она возникает вследствие движения и взаимодействия молекул. Поскольку теплота различных веществ может отличаться, происходит процесс передачи тепла от более нагретой субстанции к веществу с меньшим количеством теплоты. Этот процесс носит название теплопередача. Основные и механизмы их действия мы рассмотрим в этой статье.
Определение теплопередачи
Теплообмен, или процесс переноса температуры, может происходить как внутри материи, так и от одного вещества к другому. При этом интенсивность теплообмена во многом зависит от физических свойств материи, температуры веществ (если в теплообмене участвуют несколько субстанций) и законов физики. Теплопередача - это процесс, который всегда протекает в одностороннем порядке. Главный принцип теплообмена заключается в том, что наиболее нагретое тело всегда отдаёт тепло объекту с меньшей температурой. Например, при глажке одежды горячий утюг отдаёт тепло брюкам, а не наоборот. Теплопередача - явление, зависимое от временного показателя, характеризующее необратимое распространение тепла в пространстве.
Механизмы теплопередачи
Механизмы теплового взаимодействия веществ могут приобретать разные формы. Известны три вида теплообмена в природе:
- Теплопроводность - механизм межмолекулярной передачи тепла из одного участка тела в другой или в иной объект. Свойство основывается на неоднородности температуры в рассматриваемых субстанциях.
- Конвекция - теплообмен между текучими средами (жидкая, воздушная).
- Лучевое воздействие - передача тепла от нагретых и нагреваемых за счёт своей энергии тел (источников) в виде электромагнитных волн с постоянным спектром.
Рассмотрим перечисленные виды теплообмена более подробно.
Теплопроводность
Чаще всего теплопроводность наблюдается в твёрдых телах. Если под воздействием каких-либо факторов у одного и того же вещества появляются участки с разными температурами, то тепловая энергия из более нагретого участка перейдёт к холодному. Подобное явление в некоторых случаях можно наблюдать даже визуально. Например, если взять металлический стержень, скажем, иголку, и нагреть его на огне, то через какое-то время увидим, как тепловая энергия передаётся по иголке, образуя на определённом участке свечение. При этом в месте, где температура выше, свечение ярче и, наоборот, где t ниже, оно темнее. Теплопроводность может наблюдаться также между двумя телами (кружкой горячего чая и рукой)
Интенсивность передачи теплового потока зависит от многих факторов, соотношение которых выявил французский математик Фурье. К этим факторам относится в первую очередь градиент температуры (соотношение разности температур на концах стержня к расстоянию от одного конца к другому), площадь сечения тела, а также коэффициент теплопроводности (у всех веществ он разный, но самый высокий наблюдается у металлов). Самый значительный коэффициент теплопроводности наблюдается у меди и алюминия. Неудивительно что именно эти два металла чаще используются в изготовлении электропроводов. Следуя закону Фурье, величину теплового потока можно увеличить или уменьшить, изменив один из этих параметров.
Конвекционные виды теплообмена
Конвекция, свойственная в основном для газов и жидкостей, имеет два компонента: межмолекулярную теплопроводность и движение (распространение) среды. Механизм действия конвекции происходит следующим образом: при повышении температуры текучей субстанции её молекулы начинают более активное движение и при отсутствии пространственных ограничений объём вещества увеличивается. Следствием данного процесса будет уменьшение плотности субстанции и её движение вверх. Яркий пример конвекции - это движение нагретого радиатором воздуха от батареи к потолку.
Различают свободные и вынужденные конвективные виды теплообмена. Теплопередача и движение массы при свободном типе происходит за счёт неоднородности субстанции, то есть горячая жидкость поднимается над холодной естественным образом без оказания влияния внешних сил (например, обогрев комнаты посредством центрального отопления). При вынужденной конвекции движение массы происходит под действием внешних сил, например, помешивание чая ложкой.
Лучистый теплообмен
Лучистая или радиационная теплопередача может происходить без контакта с другим объектом или субстанцией, поэтому возможна даже в Радиационный теплообмен присущ всем телам в большей или меньшей степени и проявляется в виде электромагнитных волн с непрерывным спектром. Яркий тому пример - солнечные лучи. Механизм действия выглядит следующим образом: тело непрерывно излучает определённое количество теплоты в окружающее его пространство. Когда эта энергия попадает на другой объект или субстанцию, часть её поглощается, вторая часть проходит насквозь, а третья отражается в окружающую среду. Любой объект может как излучать тепло, так и поглощать, при этом тёмные вещества способны поглощать больше тепла, чем светлые.
Комбинированные механизмы теплопередачи
В природе виды процессов теплообмена редко встречаются по отдельности. Гораздо чаще их можно наблюдать в совокупности. В термодинамике эти сочетания даже имеют названия, скажем, теплопроводность + конвекция - это конвективный теплообмен, а теплопроводность + тепловое излучение называют радиационно-кондуктивной теплопередачей. Кроме этого, выделяют такие комбинированные виды теплообмена, как:
- Теплоотдача - движение тепловой энергии между газом или жидкостью и твёрдым веществом.
- Теплопередача - передача t от одной материи к другой через механическое препятствие.
- Конвективно-лучистый теплообмен образуется при совмещении конвекции и теплового излучения.
Виды теплообмена в природе (примеры)
Теплообмен в природе играет огромную роль и не ограничивается нагреванием земного шара солнечными лучами. Обширные конвекционные потоки, такие как передвижение воздушных масс, во многом определяют погоду на всей нашей планете.
Теплопроводность ядра Земли приводит к появлению гейзеров и извержению вулканических пород. Это лишь малая часть в глобальных масштабах. В совокупности они образуют виды конвективного теплообмена и радиационно-кондуктивные типы теплопередачи необходимые для поддержания жизни на нашей планете.
Использование теплообмена в антропологической деятельности
Тепло - это важная составляющая почти всех производственных процессов. Сложно сказать, какой вид теплообмена человеком используется больше всего в народном хозяйстве. Наверное, все три одновременно. Благодаря процессам теплопередачи происходит выплавка металлов, производство огромного количества товаров, начиная с предметов повседневного использования и заканчивая космическими судами.
Крайне важное значение для цивилизации имеют тепловые агрегаты, способные преобразовывать тепловую энергию в полезную силу. Среди них можно назвать бензиновые, дизельные, компрессорные, турбинные установки. Для своей работы они используют различные виды теплообмена.
Лекция 11. Способы переноса теплоты. Температурное поле. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Теплообмен. Теплопередача.
1. Латыпов Р.Ш., Шарафиев Р.Г. Техническая термодинамика и энерготехнология химических производств.-М.:Энергоатомиздат, 1998.-344 с.
2. Баскаков А.П. Теплотехника.-М.:Энергоатомиздат, 1991.-244 с.
3. Алабовский А.Н., Константинов С.М., Недужий А.Н. Теплотехника.-Киев: Выща Школа, Головное издательство, 1986.-255 с.
4. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справочник.-М.: Издательство МЭИ, 1994.- 168 с.
5. Лариков Н.Н. Теплотехника: Учебник для вузов. -3-е изд., перераб. и дополн.-М.; Стройиздат, 1985 -432 с.ил.
Лекция 11. Способы переноса теплоты. Температурное поле. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Теплообмен. Теплопередача.
Теплота - 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 играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.
До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом – это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.
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).
Теплопередача – это теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей жидкости к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде. Интенсивность передачи теплоты при теплопередаче характеризуется коэффициентом теплопередачи k, численно равным количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между жидкостями в 1 К; размерность k - вт/ (м 2 ․К) [ккал/м 2 ․°С)]. Величина R, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением. Например, R однослойной стенки
где α 1 и α 2 - коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к холодной жидкости; δ - толщина стенки; λ - коэффициент теплопроводности.
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; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное). Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения DТ /Dx разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м 2) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(мDК)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:
где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье ; знак «минус» в нем указывает на то, что теплотапередается в направлении, обратном градиенту температуры.Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну извеличин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Дляздания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтомудля поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшатьтеплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.
Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов.
Конвекция. Как мы уже говорили, 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). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха. Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона
q = hA (T W - T ¥),
где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь поверхности источника тепла (в м 2), T W и T ¥ – температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м 2 хК). Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса. Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен. 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. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана – Больцмана
где, как и ранее, q – тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A – площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 – температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана – Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 –8 Вт/(м 2 DК 4).
Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя – так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана – Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.
Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей – это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия – источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.
