Теплопередача в природе и технике

Ключевые слова: ветер, муссоны, пассаты, бриз, гольфстрим.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь с явлениями природы, которые обусловлены процессами теплопередачи.

Мы живем в привычной для нас обстановке и не всегда задумываемся, почему происходят те или иные явления вокруг нас. Например, почему дует ветер? Попробуем разобраться. Солнечные лучи прогревают почву и атмосферу Земли. С ростом температуры объем воздуха увеличивается, он становится легче. Холодные массы воздуха с верхних слоев атмосферы перемещаются вниз, вытесняя теплый воздух снизу. В результате происходит перемещение слоев воздуха, возникает ветер. Таким образом, причина возникновения ветров — конвекция. Ветры оказывают существенное влияние на климат Земли.

Муссоны — устойчивые ветра, которые дуют летом с океана на материки, а зимой с суши на океаны. В летний период муссоны приносят обильные дожди в страны Южной и Юго-Восточной Азии, Африки и Австралии. Зимой муссоны несут с собой засуху.

Пассаты также имеют устойчивый характер, дуют от тропиков Северного и Южного полушарий к экватору. Пассаты формируют климат восточных берегов Южной Америки, Африки и Австралии. Самая большая в мире пустыня Сахара, расположенная в Северной Африке, формировалась под влиянием сухих и жарких пассатов, которые зарождаются на 30° широтах Северного полушария в центре Азии.

Конвекцией объясняется также возникновение дневного и ночного бризов (рис. 5.1), ветра, характерного для побережья большинства теплых морей. Днем суша у берега моря прогревается быстрее, чем вода. Температура воздуха над сушей выше, чем над морем. Если разность температур выше трех градусов, то теплый воздух над сушей поднимается вверх, на его место низом перемещается холодный воздух с моря, возникает дневной бриз.

Ночью суша остывает быстрее, чем море, воздух над морем становится теплее, чем над берегом. Поэтому воздушные потоки меняют свое направление на противоположное — ветер дует с суши на море. Возникает ночной бриз. Бриз — это легкий приятный ветерок, его скорость составляет (1—5 м/с).

Рис. 5.1. Дневной и ночной бриз

Из-за неравномерного нагревания воды в морях и океанах возникают постоянные океанские течения, которые также играют большую роль в формировании климата Земли. Гольфстрим — теплое морское течение в Атлантическом океане, оно обусловлено суточным вращением Земли и влиянием пассатных ветров. Теплые воды гольфстрима повышают температуру воздушных масс над морем, тем самым влияют на распределение атмосферного давления, а значит на циркуляцию атмосферы и формирование климата. Гольфстрим переносит теплые воды тропиков к умеренным широтам, благодаря этому климат Европы теплый и мягкий.

В Южном полушарии у берегов Антарктиды постоянно дуют сильные западные ветры. Они переносят воды океанов в восточном направлении и создают мощное океанское течение западных ветров. Это течение соединяет воды трех океанов: Тихого, Атлантического и Индийского и каждую секунду переносит около 200 млн. т воды.

Морские течения оказывают большое влияние на распределение осадков на поверхности земли. Кроме того, течения переносят с собой и живые организмы; это, прежде всего, планктон, за которым следуют и крупные животные. При встрече теплых течений с холодными образуются потоки воды, перемещающиеся вверх. Вследствие этого богатые питательными солями глубинные воды, поднимаясь вверх, создают благоприятные условия для развития планктона, рыб и морских животных.

Это интересно! Джунгарские ворота — горный переход между Джунгарским Алатау и хребтом Барлык, по которому проходит казахско-китайская граница, является одним из самых ветреных мест в Центральной Азии.

Преобладающее направление ветров юго-восточное, северо-восточное и северо-западное. Они возникают из-за большой разницы атмосферного давления по обе стороны Джунгарских ворот. Юго-восточный ветер, возникающий в низменности Эби-Нур, который носит название «евгей», проходя через Джунгарские ворота, достигает разрушительной силы (скорость 60—80 м/сек). Этот ураган может срывать крыши с домов, переворачивать на трассах автомобили, разрушать линии электропередач и т. д. На озере Алаколь «евгей» вызывает сильные штормовые явления с высотой волн до 4—5 метров. Он может опрокидывать рыбацкие лодки. «Евгей» особенно опасен в зимнее время, так как может привести к гибели людей на дорогах.

Человек издавна использует разные виды теплопередачи в повседневной жизни. Еще в древности человек, научившись добывать огонь, грелся у костра, готовил себе пищу, использовал меха животных для защиты от холода.

Зная о плохой теплопроводности кирпича, дерева, стекла и бетона, мы строим из этих материалов дома. Окна делаем двойными, так как знаем, что воздух между рамами плохо проводит тепло.

Осмотритесь у себя дома, и вы найдете массу применений явления теплопередачи.

Каждый из вас, возможно, хоть один раз, любовался воздушными шарами, которые медленно парят в небе (рис. 5.2). Внутри шара располагается специально оборудованная горелка, которая нагревает воздух внутри него. Теплый воздух наполняет пространство воздушного шара. Так как теплый воздух легче холодного воздуха, окружающего шар, то он поднимает шар на довольно большую высоту.

Рис. 5.2

На явлении вынужденной конвекции основана работа современных конвекционных печей (рис. 5.3), которые широко используются в заведениях общественного питания. В них в заднюю стенку монтируются нагревательный элемент (ТЭН) и вентилятор. При включении печи происходит вынужденная конвекция горячего воздуха, что обеспечивает равномерное прогревание и формирование одинакового условия по всему рабочему пространству печи. Такие печи используются для выпечки изделий из муки. К преимуществам конвекционных печей можно отнести их экономичность и экологичность.

Рис. 5.3. Конвекционные печи

Благодаря конвекции возможен обогрев помещения отопительными батареями, которые устанавливаются под окнами. Принцип очень прост: теплые потоки воздуха, перемещаясь, обогревают всю комнату.

Вопросы

1. Как возникают ветры?
2. В чем состоит различие между муссонами и пассатами? Как они влияют на климат Земли?
3. Объясните возникновение дневных и ночных бризов.
4. Почему для приготовления пищи используется металлическая посуда?
5. Почему оконные рамы в жилых домах делают двойными?
6. Из какого материала вы построили бы свой будущий дом: из кирпича, дерева или железа? Почему?
7. Как происходит обогрев помещения радиаторами отопления? Нарисуйте схему перемещения потоков воздуха от радиаторов отопления по комнате.

Творческая мастерская

1. Расскажите об устройстве термоса.
2. Подготовьте краткое сообщение о конструкции и материалах юрты. Каким образом в ее устройстве учтены разные виды теплопередачи?