Теплопроводность, конвекция, излучение

Ключевые слова: теплопередача, теплопроводность, конвекция, излучение, количество теплоты.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь с разными видами теплопередачи.

Это вы знаете. При контакте тел, имеющих разные температуры, происходит теплообмен (теплопередача), в результате которого между телами устанавливается тепловое равновесие. Теплопередача является одним из способов изменения внутренней энергии, при этом внутренняя энергия тела с более высокой температурой переходит во внутреннюю энергию менее нагретого тела без совершения механической работы.

Величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи, называется количеством теплоты и обозначается буквой $Q$. Из определения ясно, что количество теплоты измеряется в джоулях.

Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность — передача тепловой энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам. Теплопередача может происходить как между разными телами, так и между разными частями одного и того же тела. На молекулярном уровне теплопередачу можно объяснить так: молекулы с более высокими значениями кинетической энергии передают часть этой энергии более медленным молекулам.

Запомните! При теплопроводности происходит передача энергии, но нет переноса вещества.

Опыт 1. В штативе закрепим горизонтально металлический стержень, а к нему снизу пластилином на одинаковом расстоянии друг от друга прикрепим канцелярские кнопки. Второй конец стержня начнем нагревать пламенем свечи, как показано на рисунке 4.1. Через некоторое время кнопки начнут отпадать. Сначала отпадут кнопки у нагретого конца стержня, потом по очереди остальные. Этот опыт показывает, что вдоль стержня от более нагретого конца к менее нагретому концу идет теплопередача.

Рис. 4.1

Опыт 2. В пробирку положим небольшое количество льда, сверху разместим подходящий по диаметру пробирки круглый металлический грузик, которым прижмем лед, чтобы он не всплыл, и осторожно нальем холодной воды. Поднесем к пробирке спиртовку, как показано на рисунке 4.2, через некоторое время верхние слои воды начнут закипать, а внизу кусочки льда все еще остаются в прежнем состоянии. Это говорит о том, что вода — плохой проводник тепла.

Рис. 4.2. Теплопроводность воды

Опыт 3. Наденем на палец сухую пробирку. Поднесем к донышку пробирки спиртовку, как показано на рисунке 4.3. При этом палец долго не будет чувствовать тепло. Это говорит о том, что воздух является плохим проводником тепла.

Рис. 4.3. Теплопроводность воздуха

Разные тела обладают различной теплопроводностью. Самые хорошие проводники тепла — металлы. Вода, стекло, дерево, пластмасса имеют малую теплопроводность. Все газы имеют очень низкую теплопроводность. По этой причине все пористые материалы (мех, шерсть, вата) плохо проводят тепло, что позволяет использовать их для защиты от холода. Например, животные линяют два раза в год: весной и осенью. Весной и летом мех животного становится короче и реже, а осенью гуще и длиннее, что позволяет им хорошо защищаться от холода.

Чтобы не замерзнуть от холода зимой, люди надевают шубы, одежду с ватной или синтетической пористой прокладкой.

Конвекция — это передача тепловой энергии потоками жидкостей или газов.

Из определения вытекает, что конвекция невозможна в твердых телах, так как слои вещества в твердых телах перемещаться не могут.

Опыт 1. Нальем в колбу воду, как показано на рисунке 4.4, и аккуратно положим щипцами на дно колбы маленький кусочек акварельной краски. Начнем нагревать воду. Через некоторое время в центральной части колбы окрашенные струйки воды начнут подниматься вверх и опускаться вдоль ее стенок вниз. Вода вблизи боковых стенок колбы более холодная. Мы наблюдаем естественное перемешивание нагретых и ненагретых слоев воды.

Рис. 4.4

Опыт 2. Возьмем вертушку, проткнем ее в центре иголкой с ниткой и поднимем за нитку. Осторожно подведем под вертушку зажженную свечку, как показано на рисунке 4.5. Она начнет вращаться. Это нагретые слои воздуха, поднимаясь, вращают вертушку.

Рис. 4.5

При конвекции происходит перенос вещества. Разделяют естественную (свободную) и вынужденную конвекцию. Перемешивание слоев воды в опыте 1 — это пример свободной конвекции. Вы дышите на руки и согреваете ее потоком теплого воздуха из ваших легких — это пример вынужденной конвекции.

Излучение. Передача тепловой энергии в процессе распространения электромагнитных волн называется излучением. Солнечные лучи согревают почву и земную атмосферу, сидя у камина, мы ощущаем приятное тепло. Приблизив руки на некоторое расстояние к включенной электроплитке или утюгу, мы чувствуем исходящее от приборов тепло. Все это примеры переноса энергии излучением. Излучение является единственным видом теплопередачи, которая может происходить и в вакууме. Механизм теплопередачи излучением сложен. В 9 и 10 классах вы будете подробно изучать все закономерности теплового излучения.

Вопросы

1. Какие виды теплопередачи вы знаете?
2. Что такое теплопроводность?
3. Почему ручки кастрюль, сковородок делают из пластмассы, а саму посуду из металла? Ответ обоснуйте.
4. Почему подкладки зимних курток заполняют синтетическим пористым материалом или пухом?
5. Приведите примеры веществ с хорошей и плохой теплопроводностью.
6. Что представляет собой конвекция?
7. Чем отличается конвекция от теплопроводности?
8. Приведите примеры передачи тепла излучением.
9. В каких средах возможны такие процессы как теплопроводность, конвекция, излучение?

Творческая мастерская

1. Возьмите две одинаковые пластиковые бутылки. Налейте в них теплую воду ~40 °C. Одну бутылку заверните махровым полотенцем, вторую оставьте в прежнем состоянии. Замерьте температуру обеих бутылок через 3–4 часа. Как вы думаете, какая из них окажется теплее? Почему?
2. Почему чай в термосе долгое время не остывает?
3. Как вы думаете, для чего нагревательный элемент располагают на дне электрочайника?
4. Какой вид теплопередачи наблюдается, если поднести руку к включенной электрической лампе накаливания?
5. Расскажите по рисунку 4.6 о видах теплопередачи.

Рис. 4.6. Конвекция, теплопроводность и излучение