Что будет если нагреть воздух: Расширение и сжатия воздуха при нагревании и охлаждении в жидком азоте

Содержание

Расширение и сжатия воздуха при нагревании и охлаждении в жидком азоте

Очень наглядный опыт! Многие догадываются, что при нагревании вещества увеличиваются в объеме, а при охлаждении – уменьшаются. И не важно, твердое это тело, жидкость или газ. Всё изменяет размер. Вот только в обычной жизни в подобное слабо верится. Наливаешь себе два половника супа, разогреваешь. Как было два, так два и осталось. Да и кастрюля в холодильнике меньше места не станет занимать, когда охладится.

На самом деле объем меняется. Только незначительно, незаметно для человеческого глаза. При нагревании молекулы в веществе становятся более подвижными и начинают отдаляться друг от друга. Расстояние больше – объем больше. При охлаждении, соответственно, наоборот. В твердом веществе самые сильные связи между молекулами, в жидком – послабее, а в газообразном – самые слабые. Вот, и выходит, что газ изменяет объем легче, чем вещества в других агрегатных состояниях.

или

Теперь об условиях.

Чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем значительнее увеличивается объем. Чем больше скорость охлаждения или нагревания (разница температуры вещества и окружающей среды), тем быстрее будет виден результат.

Обычный воздух в пластиковой бутылке будет в этом опыте главным героем. Шарик – индикатором.

Самое простое и доступное – погрузить конструкцию в кипящую воду, т.е. в среду с температурой около100оС. Воздух в бутылке нагревается, расширяется, шарик надувается. Дальше возьмем менее распространенную в быту среду – жидкий азот. Можно, конечно, и обычный лед, но тогда будет не так эффектно! Азот кипит при температуре -196оС. Разница почти 300 градусов. Объем воздуха сокращается в разы. Не то что шарик сдувается – бутылка сжимается! Очень наглядно.

Для закрепления, и дабы вернуть бутылке прежнюю форму, повторим процедуру с нагреванием.

Ну, а конфетти – это так… приятный бонус.

А что , если нагреть.. нагреваем воздух

Что делается с воздухом при нагревании? Кое-что ты уже об этом знаешь. Мыльный пузырь летал потому, что теплый воздух в пузыре был легче воздуха в комнате. Хитрая змея вертелась возле печки потому, что теплый воздух поднимался вверх.

Как же это получается, что при нагревании воздух становится легче? Куда девается его вес? Сделаем опыт. Возьми бутылку из белого стекла, по возможности с тонкими стенками. Подбери к ней плотную пробку. Если корковой пробки нет, годится свежая морковка. Подбери стеклянную трубку, например, из набора для писания букв, и плотно вставь ее в отверстие пробки. Налей в бутылку немного воды, подкрашенной чернилами. Нижний конец трубки должен быть погружен в воду.

Узнаешь это сооружение? Точно с таким мы устраивали три фонтана. Только фонтана здесь не будет. Просто, когда ты обхватишь бутылку руками, вода начнет подниматься по трубке.

Значит, что-то вытесняет из бутылки воду, раз она полезла в трубку! Что же это такое? Ты, наверное, уже сообразил, что это опять он, невидимка-воздух. Тепла твоих рук оказалось достаточно, чтобы воздух нагрелся, расширился и потеснил воду!

Наш опыт не очень интересен на первый взгляд. В нем ничто не вертится и не крутится, не летит и не взрывается, не подпрыгивает и не бьет фонтаном. Но результат получился очень важный: при нагревании воздух расширяется. И расширяется сильно, если даже теплота твоих рук дала заметное действие.

А теперь о весе. Скажем, был у тебя один литр воздуха. И весил этот воздух 1,2 г (одну целую и две десятых грамма). Столько примерно он и весит. А потом ты этот воздух нагрел, да так сильно, что он расширился вдвое и стал занимать уже не 1 л, а 2. Сколько же он теперь весит? Да те же самые 1,2 г. Воздух ведь ниоткуда не прибыл и никуда не убыл. Просто он расширился, сделался более редким. Значит, общий вес нагретого воздуха не изменился.

Что же тогда изменилось? Изменился вес 1 л. Если литр холодного воздуха весил 1,2 г, то 2 л горячего воздуха весят те же самые 1,2 г. Значит, 1 л теперь весит 1,2 : 2 = 0,6 г! Горячий воздух стал как бы легче потому, что он стал реже.

В действительности, для того чтобы воздух расширился вдвое, его нужно нагреть очень сильно, примерно до 300°. В наших опытах он нагревается гораздо слабее. Но все равно: даже и при небольшом нагревании воздух на сколько-то расширяется. Значит, каждый литр, даже каждый кубический сантиметр его становится хоть немного легче. И он теперь всплывет, поднимется в более холодном, более плотном окружающем воздухе. Он сможет крутить вертушку. Он сможет поднять легонькую оболочку мыльного пузыря. А если его будет очень много, разница в весе окажется достаточной, чтобы поднять целый монгольфьер!

Ну, а если воздух снова охладить? Отними ладони от бутылки, через некоторое время вода в трубке опустится и все придет в прежнее положение. Значит, при охлаждении воздух занимает меньше места, он сжимается. Это мы с тобой тоже уже видели. Сжавшийся воздух втянул воду под стакан в опыте «Сухим из воды».

Что происходит с воздухом при нагревании?

Было бы здорово, если бы, налив всего половник супа и разогрев его, можно было бы получить 2 половника, ведь, как известно, тела при нагреве увеличиваются в объеме. 🙂 Это, конечно, шутка, но, что касается воздуха, то с ним происходит именно так, о чем и будет мой ответ.

Что происходит с воздухом при повышении его температуры

При нагревании воздуха происходит его расширение, а при охлаждении он сжимается. Все дело в молекулах, которые, по мере нагрева, двигаются интенсивнее, а значит, отдаляются друг от друга. Поскольку увеличивается расстояние, возрастает объем, а в противном случае происходит обратное. В твердых телах «сцепление» молекул самое крепкое, вот и объем они меняют не так заметно. В жидкостях эти связи чуть слабее, ну, а в газах — так и вовсе ничтожны, поэтому воздух, как и другие газообразные вещества, меняет объем гораздо легче и более заметно.

Наглядный опыт

Главное условие — температура, причем, чем больше скорость ее возрастания, а также разница с температурой внешней среды, тем быстрее буден виден эффект. Итак, для опыта потребуются обычная пластиковая бутылка и надувной шарик, который будет выступать в роли индикатора. Следует:

  • одеть шарик на горлышко бутылки и поместить последнюю в горячую воду;
  • индикатор — шарик, начнет надуваться;
  • переместив конструкцию в холодную воду, можно наблюдать уменьшение объема воздуха в бутылке — шарик начнет сдуваться.

На первый взгляд, никакой это не опыт, ведь здесь ничего не крутится и не вертится, не взрывается и не летает. Но важен результат: было получено наглядное подтверждение тому, что воздух увеличился в объеме при нагреве. Многие считают, что, поскольку наполненные горячим воздухом шары взмывают вверх, воздух теряет массу — становится легче. Это не так, воздух просто становится разреженным, увеличивая объем.

Допустим, есть 5 л воздуха, вес которого примерно 5 г. При нагреве объем возрос до 10 л, а значит, тот же воздух как бы стал легче в 2 раза, ведь теперь уже 10 л весят все те же 5 г. Никуда воздух не делся, а просто стал более разреженным.

Понятие абсолютной и относительной влажности. Влияние влажности на здоровье человека

Главная / Энциклопедия / Абсолютная и относительная влажность

Для примера возьмем кубометр воздуха. Этот кубометр будем насыщать водяным паром до тех пор, пока воздух сможет удерживать воду в газообразном состоянии. Вот это и есть абсолютная влажность — показатель предельного количества жидкости, которую может удерживать воздух.

Понятно, что воздух не может быть максимально насыщен водяным паром постоянно. В действительности же воды в воздухе содержится меньше, чем говорят показатели абсолютной влажности. Величина, показывающая нам действительное содержание водяного пара в воздухе, и называется относительной влажностью. Показания относительной влажности указывают в процентах — сколько процентов влаги содержится в воздухе относительно показаний абсолютной влажности.

Возможность воздуха удерживать в себе воду не безгранична и зависит от температуры. Например, при 20 °С в одном кубометре воздуха будет примерно 17 г воды. А при 0 °С — всего 5 г. То есть чем ниже температура, тем меньше способность воздуха удерживать воду.

Если воздух нагреть, то абсолютная влажность не изменится — сколько было воды в воздухе, столько и останется. А вот способность впитывать воду сильно возрастет.

Из-за этого уменьшается относительная влажность. Так она указывает на долю воды в воздухе по сравнению с максимально возможной. Получается, что вода из воздуха при нагревании никуда не исчезает, но показатель относительной влажности сильно падает.

Влияние влажности на здоровье

Самочувствие человека напрямую зависит от влажности воздуха. И главный показатель — это относительная влажность. Именно от относительной влажности зависит скорость испарения влаги с нашей кожи и со слизистых оболочек.

Скорость испарения в разы увеличивается при низкой относительной влажности.

Что происходит, когда мы вдыхаем воздух?

Чтобы легкие нормально работали, воздух в дыхательных путях увлажняется. Как мы говорили выше, в холодную погоду воздух имеет низкую абсолютную влажность. В холодном состоянии он не может удерживать достаточное для нормальной жизни человека количество воды.

Когда мы вдыхаем холодный воздух, он резко нагревается в нашем организме. И тут же резко падает относительная влажность вдыхаемого воздуха. Чтобы поддержать необходимый уровень влажности, поверхности дыхательных путей начинают выделять слизь.

Замечали, что на морозе нос начинает «течь»? Это нормальная реакция здорового организма на вдыхание холодного воздуха.

А вот в теплом помещении ситуация иная. Воздух, который подогрели батареи, сохраняет низкое уличное влагосодержание. Дополнительную воду получить негде. В результате в комнатах наблюдается низкая влажность — обычно 10–20%. А в норме должна быть не ниже 40%!

Казалось бы, и здесь наш организм сможет сам доувлажнить вдыхаемый воздух. Однако это не так. Рефлекторное увлажнение дыхательных путей работает только при низких температурах. А в домах мы вдыхаем уже нагретый воздух — в помещении поверхности дыхательных путей начинают пересыхать. Механизм самоувлажнения не включается.

Для поддержания влажности воздуха в нормальном диапазоне 40–60% в жилых помещениях используется система увлажнения воздуха. Самая лучшая на сегодня система увлажнения — форсуночная. Она тратит минимум энергии, в ней не развивается микрофлора, она незаметна и полностью автоматизирована. Эта технология в ближайшие годы заменит устаревшие изотермические и ультразвуковые системы, так же как смартфоны постепенно заменили кнопочные телефоны.

Посмотрите ролик, где известнейший детский врач Евгений Комаровский объясняет, что такое абсолютная и относительная влажность.

 

Почему зимой мы болеем чаще, что с этим делать

Давайте обсудим один из важных плюсов увлажнения воздуха – снижение числа простудных заболеваний. По разным данным, правильное увлажнение воздуха в зимний период способно снизить частоту заболеваний в 1,5 – 2 раза. Кроме того, значительно снижается тяжесть симптомов и число дней, проведенных в состоянии болезни.

Давайте разберемся.

Как известно, воздух характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная – это просто сколько испарившейся воды находится в воздухе (например, граммов этой воды в кубометре воздуха), а относительная – это насколько меньше содержание такой воды по сравнению с тем, сколько бы вообще мог воздух удержать в себе. Возможности воздуха удерживать в себе воду не безграничны и имеют совершенно конкретный предел, причем этот предел зависит от температуры. Чем ниже температура – тем ниже (причем, сильно ниже!) способность воздуха удерживать в себе испарившуюся воду.

Получается, если воздух нагреть, то абсолютная влажность не изменится, так как сколько было воды в воздухе, столько и останется. А вот способность впитать воду сильно возрастет и, следовательно, уменьшится относительная влажность, которая, как мы уже знаем, есть доля имеющейся в воздухе воды по сравнению с максимально возможной. В этом и скрыто коварство, вода из воздуха при нагревании никуда вроде бы не пропадает, а относительная влажность сильно падает. 

Но почему вообще важна относительная влажность? Да потому, что ощущаем-то мы именно ее. Именно от относительной влажности зависит скорость испарения влаги с кожи, со слизистых, с волос. И резкое (в разы!) увеличение скорости испарения играет ключевую роль во всех проявлениях «низкой влажности».

А теперь посмотрим, что происходит, когда мы вдыхаем воздух? В дыхательных путях он должен увлажниться, иначе легкие не смогут правильно работать. В холодную погоду на улице воздух имеет низкую абсолютную влажность, так как в холодном состоянии он не может удержать в себе достаточное количество воды. При вдыхании такой воздух нагревается, это естественно, и его относительная влажность резко падает при этом, как мы уже знаем. 

К счастью, организм прекрасно научен бороться с подобной ситуацией. Чтобы повысить количество воды во вдыхаемом холодном воздухе, поверхности дыхательных путей активно начинают выделять мокроту. Нос «течет» на морозе, это абсолютно нормальная реакция здорового организма, легкие защищены.

А вот в теплом помещении в зимнее время ситуация иная. Воздух, нагреваясь в комнате, тем не менее сохраняет низкое «уличное» влагосодержание, воды-то ему впитать неоткуда. В результате – в комнате низкая относительная влажность, обычно 10 – 20% (при норме в 35 – 60%), и в разы увеличившаяся по сравнению с нормой скорость испарения. Казалось бы, проблем нет, ведь на морозе наш организм прекрасно справляется с доувлажнением при вдыхании. А вот и нет! Рефлекторное «намокание» слизистых работает при низкой температуре, а мы-то вдыхаем уже нагретый воздух! 

С точки зрения эволюции человек очень недавно начал жить в искусственно нагретом воздухе, поэтому организм не имеет приспособленности к такой ситуации. С его точки зрения, если воздух теплый, то и на улице тепло, а раз на улице тепло, то и относительная влажность – не низкая.

Поэтому при вдыхании нагретого искусственно воздуха, без добавления влаги (в то время как при естественном потеплении погоды на улице воздух набирает влагу), поверхности дыхательных путей начинают пересыхать, полноценный механизм самоувлажнения не включается. Но слизистая на то и слизистая, она нормально чувствует себя только в мокром состоянии. А в подсохшем перестает хорошо сопротивляться болезнетворным микроорганизмам и не может эффективно от них избавляться, так как для этого была бы нужна мокрота, которой уже нет в достаточном количестве на поверхности. Все! Здравствуйте, вирусы, здравствуйте, бактерии.

Получается, что организм человека просто не готов к ситуации, когда вдыхаемый воздух теплый, но имеет столь низкую влажность. В природе такого нет, даже в пустыне. И основной причиной увеличения числа простудных заболеваний зимой является не морозный воздух на улице, к периодическому пребыванию в котором здоровый организм прекрасно адаптируется, а длительное пребывание в условиях низкой влажности теплых помещений. 

Воздействие сухого воздуха закрытых помещений имеет накопительный эффект, вред наносит постоянное пребывание в таких условиях. Попытка «оздоровить» комнату при помощи проветривания только ухудшает ситуацию, так как влажность еще сильнее снижается из-за обильного поступления уличного воздуха с низким влагосодержанием.

Поэтому важно, чтобы как можно большую часть дня и взрослые, и дети находились бы в эволюционно привычных для организма условиях. То есть либо на свежем воздухе, где температура и абсолютная влажность согласуются друг с другом, либо в теплом помещении, но с работающим увлажнением, чтобы не было несоответствия влажности и температуры.

К сожалению, в России ситуация с влажностью воздуха складывается особенно неудачно, но дело тут уже в культурных различиях. Мы привыкли топить тепло и ходить зимой дома в легкой одежде. В холодное время года повышение температуры в комнате на 5 градусов означает падение относительной влажности примерно на 10%. Воздух у нас в домах обычно суше, чем в странах, привыкших экономить на отоплении.

Вывод прост. Ни хорошая вентиляция, ни проветривание ситуацию не исправят. Для поддержания здоровой атмосферы в закрытых помещениях зимой совершенно необходимо увлажнять воздух, причем необходимо убедиться, что система увлажнения действительно справляется с задачей. Ну и гулять побольше!

Как важно использовать увлажнитель воздуха зимой в квартире

Зима в наших широтах всегда наступает неожиданно и надолго, заставляя человека приспосабливаться к меняющимся погодным условиям. Изменение климата влияет не только на человека, но и на его жилище – с наступлением морозов в каждом доме включается центральное отопление. Но, спасаясь от холода, мы почему-то начинаем ощущать сильную сухость воздуха, чувствуем себя некомфортно, не говоря о том, что это провоцирует болезни.

Решить эту проблему можно, если обеспечить свой дом подходящей климатической техникой, а именно – увлажнителем воздуха. Подобрав функциональную и надежную модель, можно перестать страдать от неприятных ощущений и плохого самочувствия и создать для себя комфортную атмосферу.

Сушат ли батареи центрального отопления воздух?

В зимнее время года, когда включается центральное отопление, мы замечаем, что воздух становится суше. Как на это влияет отопление? Дело в том, что батареи способны испарять воду, нагревая те или иные предметы. Именно поэтому мы сушим на них мокрые вещи. Однако осушение воздуха происходит несколько иным способом из-за того, что он находится в газообразном состоянии.

 

Тем не менее, зимой действительно наблюдается повышенная сухость воздуха. Это происходит из-за того, что окружающая температура влияет на содержание влаги в воздухе. Для того чтобы это понять, следует знать о таких понятиях, как «абсолютная влажность» и «относительная влажность». Абсолютная влажность — количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины, ее обычно измеряют в г/м³.

В связи с тем, что при определенной температуре воздуха в нем может содержаться только определенное количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, а с уменьшением температуры воздуха – снижается), ввели понятие относительной влажности.

Относительная влажность воздуха — это отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной массовой доли водяного пара в воздухе при данной температуре. Относительная влажность воздуха – это процент влаги в воздухе на конкретный момент. Например, ее может быть 15 г/м³., а это только 50% по отношению к 100% возможным. 

!Если температура повышается, то воздух способен удержать большее количество влаги! 

Поэтому зимой, когда холодный воздух с улицы попадает в теплую квартиру, нагревается, и его влагосодержание увеличивается, а относительная влажность падает (той влаги, что была в воздухе, не хватает, чтобы заполнить кубометр воздуха). А чем ниже относительная влажность, тем суше становится воздух. Пытаясь восполнить влагу, он забирает воду из окружающих источников (из только что помытой посуды, мокрых вещей, аквариума для рыб), и в том числе, с тела человека. Именно из-за этого начинает ощущаться сухость кожи, глаз, слизистой оболочки.

Для человека нормальная влажность воздуха, при которой ему комфортно, это примерно 40-60%. Соответственно, если это значение ниже, человеку будет некомфортно, это приведет к плохому самочувствию и даже проблемам со здоровьем. Для комфортного самочувствия и нормальной терморегуляции тела, человеку необходим достаточный уровень влажности воздуха в помещении.

Почему важна влажность воздуха в квартире?

Из-за изменения температур зимой сильно повышается сухость воздуха. Этот уровень может не составлять и 20% при необходимом – от 40%. 

Такие показатели негативно влияют на состояние человека. Кожа начинает сохнуть и шелушиться (появляются микротрещинки, раздражения), в глазах появляется жжение (появляется риск воспаления, особенно это заметно для тех, кто носит линзы, или для людей с чувствительными глазами), высыхает носоглотка (начинает отекать, провоцируя затрудненное дыхание и вероятность заболеть), ухудшается общее самочувствие человека. Хуже всего людям с хроническим бронхитом, синуситом, астмой, аллергией. Недостаточная влажность воздуха влияет даже на нервную систему – при слишком сухом воздухе организм не насыщается кислородом, а это приводит к повышенной усталости, головокружениям, плохому настроению.

Список негативных последствий от недостаточной увлажненности воздуха велик, а из-за особенностей климата избежать этого не удается. В этой ситуации необходимо принимать меры для поддержания комфортного микроклимата в доме и хорошего самочувствия его жильцов. Прошлые поколения применяли простой способ увлажнения воздуха – наши бабушки и мамы развешивали мокрые полотенца на батареях, чтобы влага с них испарялась в воздух, ставили большие банки с водой в комнатах, стараясь таким образом поддерживать баланс влажности в помещении. 

Сегодня это стало намного проще с появлением современной техники – удобных и простых увлажнителей воздуха. Они бывают различными по виду и принципу работы, поэтому дальше мы разберемся в том, какой увлажнитель выбрать для дома или квартиры.

Виды увлажнителей воздуха

На сегодняшний день существует три вида увлажнителей воздуха:

  • Механические
  • Паровые
  • Ультразвуковые
Механический увлажнитель (или мойка воздуха) включает две функции – увлажнения и очистки воздуха. Вода в приборе из специального резервуара попадает на водяной очиститель, затем испаряется в виде холодного пара и распространяется по комнате. Воздух таким образом и увлажняется и очищается одновременно. Недостаток данного вида увлажнителей в износе очищающего элемента.

Паровой увлажнитель работает по такому же принципу, что и обычный электрический чайник: вода в устройстве доводится до кипения – и испаряется в помещение. В некоторых моделях в комплекте есть медицинская насадка для ингаляции. Такие приборы достаточно просты, однако у них есть существенный минус – температура пара достаточно высокая (50-60 С), поэтому оставлять прибор включенным без присмотра в комнате, где есть дети или животные, нельзя, чтобы они не обожглись. Также у паровых увлажнителей выше потребление электроэнергии.

Ультразвуковой увлажнитель – это наиболее современный и оптимальный выбор для квартиры или дома. Принцип работы здесь следующий – вода из резервуара поступает на встроенную ультразвуковую пластину, которая использует высокочастотную вибрацию и разбивает жидкость на мельчайшие частицы, а они распространяются по помещению и увлажняют воздух. Такие модели практически бесшумны, поэтому их можно включать даже ночью – они не помешают сну. Опция автоматического отключения сама останавливает работу увлажнителя, если вода в баке закончилась. Кроме того, они экономичнее, например, паровых увлажнителей. В большинстве моделей присутствует встроенная подсветка, и это позволяет использовать прибор в качестве ночника. Ухаживать за прибором не сложно – достаточно лишь иногда промывать функциональные детали и чистить ультразвуковой элемент от налета. Сделать это можно самостоятельно.

Установка увлажнителя воздуха

Важные моменты при установке увлажнителя воздуха:

  • Увлажнитель устанавливают на ровную горизонтальную поверхность в удалении от отопительных приборов. 
  • Распылитель влаги не должен направляться на комнатные растения и другие предметы.
  • Нельзя устанавливать увлажнитель на теплых поверхностях. 
  • Периодически по мере загрязнения необходимо очищать внутренние детали прибора влажной тряпочкой.

Таким образом, увлажнители мягко поддерживают оптимальный уровень влажности в любых условиях. Они подходят не только для улучшения самочувствия человека, но и для растений, животных, или в домах с антикварной мебелью, картинами. Незаменим увлажнитель, если в доме есть маленькие дети или люди с аллергией, астмой, хроническими простудами. Увлажнитель будет поддерживать необходимый комфортный микроклимат, не зависимо от времени года.


Баллон, наполненный воздухом при температуре 273 К и атмосферном

Условие задачи:

Баллон, наполненный воздухом при температуре 273 К и атмосферном давлении 100 кПа, закрыт клапаном, поверхность которого 10 см2, а вес 20 Н. До какой температуры следует нагреть воздух в баллоне, чтобы он открыл клапан?

Задача №4.3.30 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

\(T_0=273\) К, \(p_{атм}=100\) кПа, \(S=10\) см2, \(P=20\) Н, \(t_1-?\)

Решение задачи:

В начале клапан находится в состоянии устойчивого равновесия. Далее, при нагревании газа будет увеличиваться и его давление, поскольку клапан еще не сдвинулся, и процесс можно считать изохорным. В конце концов давление увеличиться настолько, что клапан откроется. Запишем закон Шарля, которому подчиняется изохорный процесс (\(V=const\)):

\[\frac{{{p_{атм}}}}{{{T_0}}} = \frac{{{p_1}}}{{{T_1}}}\]

\[{T_1} = \frac{{{p_1}{T_0}}}{{{p_{атм}}}}\]

Так как ответ нужно выразить в градусах Цельсия, то пользуясь известной формулой взаимосвязи шкал Цельсия и Кельвина, имеем:

\[{t_1} = \frac{{{p_1}{T_0}}}{{{p_{атм}}}} – 273\;\;\;\;(1)\]

Перед тем, как произойдет открытие клапана, сумм всех сил, действующих на него, должна быть равной нулю согласно первому закону Ньютона (смотри рисунок):

\[{p_1}S = {p_{атм}}S + P\]

\[{p_1} = {p_{атм}} + \frac{P}{S}\;\;\;\;(2)\]

Подставим формулу (2) в формулу (1), в итоге конечная формула будет иметь вид:

\[{t_1} = \left( {{p_{атм}} + \frac{P}{S}} \right)\frac{{{T_0}}}{{{p_{атм}}}} – 273\]

Подставим численно исходные данные и сосчитаем ответ:

\[{t_1} = \left( {100 \cdot {{10}^3} + \frac{{20}}{{10 \cdot {{10}^{ – 4}}}}} \right)\frac{{273}}{{100 \cdot {{10}^3}}} – 273 = 54,6^\circ\; C\]

Ответ: 54,6° C.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Если Вам понравилась задача и ее решение, то Вы можете поделитесь ею с друзьями с помощью этих кнопок.

Температура влияет на давление воздуха

ПЛАНЫ УРОКОВ созданы BY:

Кен Какасулефф
Начальная школа Франктона
405 Сиглера улица (индекс
) Франктон, ИН 46044
Электронная почта: kaky @ iquest.сеть

Предметная область: ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКА

Уровень оценки: 4-6

Национальные стандарты
  • СОДЕРЖАНИЕ СТАНДАРТ B: В результате их деятельности по оценкам 5-8, все учащиеся должны развить понимание
    • Свойства и изменения свойств в веществе
      • Вещество имеет характерные свойства, например: плотность, точка кипения и растворимость — все это независимо от количества образца.Смесь вещества часто можно разделить на исходные вещества, использующие одну или несколько характеристик характеристики.
    • Движения и силы
    • Передача энергии
      • Энергия является свойством многих веществ и связаны с теплом, светом, электричеством, механическим движением, звук, ядра и природа химического вещества.Энергия переносится разными способами.
Объективы
  • Для демонстрации расширения нагретого воздуха
  • Чтобы продемонстрировать, что теплый воздух поднимается вверх, потому что он меньше плотный
Расчетное время
Результаты
  • Студенты должны продемонстрировать понимание плотности воздух в зависимости от температуры
  • Студенты должны быть в состоянии продемонстрировать подъемную силу нагретый воздух
Ресурсы
  • Подключение к Интернету
  • Различные материалы, перечисленные в каждом мероприятии
Оценка
  • Студенты смогут продемонстрировать знания базового принципы, перечисленные в результатах письменного упражнения

Ключ Вопросы

1.Что происходит, когда воздух нагревается или охлаждается?
2. Как температура воздуха влияет на плотность воздуха?

Нагрев земли, который, в свою очередь, нагревает атмосферу, отвечает за движения и движения воздуха в Атмосфера. Чем быстрее движутся молекулы, тем горячее воздух. Как молекулы нагреваются и движутся быстрее, они расходятся. Так воздух, как большинство других веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Поскольку между молекулами больше пространства, воздух меньше плотный чем окружающее вещество и горячий воздух плывет вверх.Это концепция, использованная в воздушных шарах. Воздух нагревается горелка, и расширяющийся воздух становится менее плотным, в результате чего воздушный шар подняться сквозь более плотный и прохладный окружающий воздух.


Деятельность под руководством учителя

Что происходит при нагревании воздуха?

Что происходит, когда воздух нагревается?
W Воздух в руке легче холодного, поэтому при нагревании он поднимается вверх.Затем холодный воздух устремляется к земле, чтобы занять его место. В небольшом масштабе этот эффект можно увидеть, когда Солнце нагревает поле и воздух над ним поднимается в виде термика; часто можно увидеть птиц, похожих на орлов, парящих в этих воздушных потоках.
Птицы могут взлетать вверх на столбах теплого восходящего воздуха, называемого термиками.
Предыдущий:
Назад
Книга:
1001
Раздел:
земной шар
Глава:
Погода и климат

Что происходит с давлением воздуха, когда воздух нагревается?

Теплый воздух вызывает повышение давления воздуха .Когда молекул воздуха и сталкиваются, они оказывают друг на друга силу. Когда молекулы газа нагреваются , молекулы движутся быстрее, и повышенная скорость вызывает больше столкновений. В результате на каждую молекулу действует большая сила, и давление воздуха увеличивается.

Щелкните, чтобы увидеть полный ответ

С учетом этого, что происходит с атмосферным давлением при нагревании воздуха?

Когда воздух нагревается, молекулы начинают вибрировать и сталкиваться друг с другом, увеличивая пространство вокруг каждой молекулы.Противоположный эффект происходит при , когда охлаждает воздух . При понижении температуры молекулы движутся медленнее, занимая меньше места. Объем пространства, который занимает air , сокращается или снижает давление воздуха .

Еще можно спросить, а при нагревании воздуха, скорее всего, будет? Теплый воздух легче холодного воздуха , поэтому при нагревании воздуха поднимается вверх. Затем более холодный воздух устремляется на землю и занимает его место.В мелком масштабе этот эффект можно увидеть, когда Солнце нагревает поле и air над ним поднимается в виде термика; Вы часто можете увидеть птиц, похожих на орлов, парящих в этих воздушных потоках .

Соответственно что происходит при нагревании воздуха?

Воздух расширяется, когда нагревает , потому что молекулы, которые нагревают , перемещаются быстрее и дальше друг от друга. — В атмосфере имеется 1,09 x 10> 44 молекул воздуха . * Воздух , когда нагревает , расширяется и поднимается вверх из-за молекул, которые перемещаются все быстрее и дальше друг от друга.Пока сжимается при охлаждении.

Влияет ли температура на воздух?

Это происходит, когда температура воздуха повышается. Молекулы теплого воздуха обладают большей энергией, поэтому они движутся быстрее и создают большее давление. Точно так же холодный Воздух имеет меньше энергии и, следовательно, оказывает меньшее давление на окружающую среду. При добавлении тепла температура воздуха и давление повышаются.

Принципы нагрева и охлаждения

Понимание того, как тепло передается с улицы в ваш дом и от вашего дома к вашему телу, важно для понимания проблемы поддержания прохлады в вашем доме.Понимание процессов, которые помогают сохранять ваше тело прохладным, важно для понимания стратегий охлаждения вашего дома.

Принципы теплопередачи

Тепло передается к объектам, таким как вы и ваш дом, и от них посредством трех процессов: теплопроводности, излучения и конвекции.

Проводимость — это тепло, проходящее через твердый материал. В жаркие дни тепло проходит в ваш дом через крышу, стены и окна. Теплоотражающие крыши, изоляция и энергоэффективные окна помогут снизить теплопроводность.

Излучение — это тепло, перемещающееся в виде видимого и невидимого света. Солнечный свет — очевидный источник тепла для дома. Кроме того, низковолновое невидимое инфракрасное излучение может переносить тепло непосредственно от теплых предметов к более холодным. Благодаря инфракрасному излучению вы можете почувствовать тепло горячего элемента конфорки на плите даже через всю комнату. Старые окна позволят инфракрасному излучению, исходящему от теплых предметов снаружи, проникать в ваш дом; оттенки могут помочь заблокировать это излучение.Новые окна имеют низкоэмиссионные покрытия, которые блокируют инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также будет переносить тепло от стен и потолка прямо к вашему телу.

Конвекция — еще одно средство для достижения тепла от ваших стен и потолка. Горячий воздух естественным образом поднимается вверх, унося тепло от стен и заставляя его циркулировать по всему дому. Когда горячий воздух проходит мимо вашей кожи (и вы вдыхаете его), он согревает вас.

Охлаждение тела

Ваше тело может охладиться посредством трех процессов: конвекции, излучения и потоотделения.Вентиляция усиливает все эти процессы. Вы также можете охладить свое тело с помощью теплопроводности — например, некоторые автокресла теперь оснащены охлаждающими элементами, — но это, как правило, непрактично для использования в домашних условиях.

Конвекция возникает, когда тепло уносится от вашего тела через движущийся воздух. Если окружающий воздух холоднее вашей кожи, воздух поглотит ваше тепло и поднимется. По мере того, как нагретый воздух поднимается вокруг вас, более прохладный воздух движется, чтобы занять его место и поглотить больше вашего тепла.Чем быстрее движется воздух, тем прохладнее вы чувствуете.

Излучение возникает, когда тепло распространяется через пространство между вами и предметами в вашем доме. Если предметы теплее, чем вы, тепло пойдет к вам. Удаление тепла через вентиляцию снижает температуру потолка, стен и мебели. Чем прохладнее ваше окружение, тем больше тепла вы будете излучать на предметы, а не наоборот.

Потоотделение может быть неудобным, и многие люди предпочли бы оставаться спокойным без него.Однако в жаркую погоду и при физических нагрузках пот является мощным охлаждающим механизмом тела. Когда влага покидает поры кожи, она переносит с собой много тепла, охлаждая ваше тело. Если ветерок (вентиляция) пройдет по вашей коже, эта влага испарится быстрее, и вам станет еще прохладнее.

Учебник по физике

Если вы следовали инструкциям с самого начала этого урока, значит, вы постепенно усложняли понимание температуры и тепла.Вы должны разработать модель материи, состоящую из частиц, которые вибрируют (покачиваются в фиксированном положении), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения придают частицам кинетическую энергию. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Мы надеемся, что вы приняли понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Разница температур между двумя соседними объектами вызывает эту теплопередачу. Передача тепла продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение горячей кружки кофе и нагревание холодной банки с попой. Наконец, мы исследовали мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны ответить на некоторые из следующих вопросов:

  • Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
  • Почему всегда устанавливается тепловое равновесие, когда два объекта передают тепло?
  • Как происходит теплопередача в объеме объекта?
  • Существует более одного метода передачи тепла? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Проводимость — вид из частиц

Давайте начнем наше обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в чашку из пенополистирола с холодной водой.Тепло передается от горячей воды к холодной до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток подразумевает передачу тепла от одного места к другому при отсутствии какого-либо материального потока. Нет никакого физического или материального перехода от горячей воды к холодной. От горячей воды к холодной передается только энергия.Кроме потери энергии, от горячей воды больше ничего не ускользнет. И кроме получения энергии, в холодную воду больше ничего не попадает. Как это произошло? Каков механизм, который делает возможным кондуктивный тепловой поток?

Подобный вопрос относится к вопросу на уровне частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из крошечных частиц, атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию.Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по всему пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это называется поступательной кинетической энергией и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться в фиксированном положении. Это дает частицам кинетическую энергию колебаний и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких вигглеров и маленьких вздоров.Вигглеры — это частицы, колеблющиеся в фиксированном положении. Они обладают колебательной кинетической энергией. Удары — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметры образца вещества. Так же, как периметр вашей собственности (как в недвижимости) является самым дальним продолжением собственности, так и периметр объекта является самым дальним продолжением частиц в образце материи.По периметру бэнгеры сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже с окружающим воздухом. Даже вигглеры, закрепленные по периметру, трясутся. Находясь по периметру, их шевеление приводит к столкновениям с находящимися рядом частицами; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких бомберов и вигглеров являются упругими столкновениями, в которых сохраняется общее количество кинетической энергии всех сталкивающихся частиц.Конечный эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы потеряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы получат немного кинетической энергии. Температура — это мера среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в более высокотемпературном объекте больше частиц с большей кинетической энергией, чем в более низкотемпературном объекте.Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце материи, логично сделать вывод, что объект с более высокой температурой потеряет некоторую кинетическую энергию, а объект с более низкой температурой получит некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких бомжей и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов становится равной.При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу в энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потерям энергии. В среднем, нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц по периметру.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от высокотемпературного объекта низкотемпературному объекту. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить в терминах суммарного эффекта столкновений целой группы маленьких бомжей .Нагревание и охлаждение — макроскопические результаты этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию металлической банки с горячей водой, расположенной внутри чашки из пенополистирола, содержащей холодную воду. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией — это частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией, и ударяется о частиц металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке.Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла, поэтому они довольно быстро нагреваются по всей емкости. Канистра нагревается почти до той же температуры, что и горячая вода. Металлическая банка, будучи цельной, состоит из маленьких вигглеров . Вигглеры по внешнему периметру металла могут ударить по частицам в холодной воде. Столкновения между частицами металлической банки и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде.Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, где частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию.На макроскопическом уровне можно было бы наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому посредством столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не движется через границу. Изменения температуры полностью объясняются увеличением и уменьшением кинетической энергии во время столкновений.

Проводимость в объеме объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через большую часть объекта? Например, предположим, что мы достаем керамическую кружку для кофе из шкафа и ставим ее на столешницу. Кружка комнатной температуры — может быть, 26 ° C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80 ° C.Кружка быстро нагревается. Энергия сначала проникает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем он течет через большую часть керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность самой керамики?

Механизм теплопередачи через объем керамической кружки описан так же, как и раньше. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченных вигглеров. Это частицы, которые колеблются в фиксированном положении.Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. По мере того как они извиваются более энергично, они сталкиваются с своими соседями и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично покачиваться, и их столкновения с соседями увеличивают их колебательную кинетическую энергию. Процесс передачи энергии посредством маленьких бэнгеров продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом).Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука почувствует это.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия частиц с частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. То же самое с металлическими предметами? Например, вы, вероятно, заметили высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, когда ее ставят на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог.Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободных электронов . Электроны внешней оболочки атомов металла распределяются между атомами и могут свободно перемещаться по всей массе металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение.Главное, чтобы понять, что передача тепла через металлы происходит без движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как относящуюся к категории теплопроводности.

Теплопередача конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством передачи тепла? Может ли тепло передаваться через объем объекта другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. В модели теплопередачи через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду использовалась теплопроводность.Керамика кофейной кружки и металл сковороды твердые. Передача тепла через твердые тела происходит за счет теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые закреплены на месте. Жидкости и газы — не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Обычно тепло не проходит через жидкости и газы за счет теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи.Модель, используемая для объяснения передачи тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс передачи тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию жидкостей, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печи.Металлический горшок, в котором хранится вода, нагревается конфоркой печи. По мере того, как металл нагревается, он начинает передавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. По мере того, как вода на дне кастрюли становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционных токов . Горячая вода начинает подниматься к верху кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально.И более холодная вода, которая была наверху горшка, движется к дну горшка, где она нагревается и начинает подниматься. Эти циркуляционные токи медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для нагретой воды для передачи энергии от дна горшка к поверхности.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, установленный на полу холодного помещения, нагревает воздух в помещении. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере того, как воздух нагревается, он расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься.Когда горячий воздух поднимается, он выталкивает часть холодного воздуха в верхнюю часть комнаты. Холодный воздух движется в нижнюю часть комнаты, заменяя поднявшийся горячий воздух. По мере того, как более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается обогревателем и начинает подниматься. И снова медленно образуются конвекционные токи. Воздух движется по этим путям, неся с собой энергию от обогревателя по всей комнате.

Конвекция — это основной метод передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух.Часто говорят, что тепла поднимается в этих ситуациях на . Более подходящее объяснение — сказать, что нагретая жидкость поднимается на . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на полу, он уносит с собой более энергичные частицы. По мере того как более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха в верхней части комнаты увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует увеличению температуры.Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный метод передачи тепла всегда предполагает передачу тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорийности, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорийности тепло было жидкостью, а движущаяся жидкость — теплом. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Два обсуждаемых здесь примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции.Движущая сила циркуляции жидкости является естественной — разница в плотности между двумя местами в результате нагрева жидкости в каком-либо источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающих сил, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются. Мы не будем здесь приводить подобные объяснения.) Естественная конвекция является обычным явлением в природе. Океаны и атмосфера Земли нагреваются естественной конвекцией. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция включает перемещение жидкости из одного места в другое вентиляторами, насосами и другими устройствами.Многие системы отопления дома включают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи, выдувается вентиляторами через воздуховоды и выпускается в помещения в местах вентиляции. Это пример принудительной конвекции. Перемещение жидкости из горячего места (около печи) в прохладное (комнаты по всему дому) приводится в движение вентилятором. Некоторые духовки являются духовками с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые нагнетают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины увеличивают нагревательную способность огня, продувая нагретый воздух из каминного блока в соседнее помещение.Это еще один пример принудительной конвекции.


Передача тепла излучением

Последний метод передачи тепла включает излучение. Излучение — это передача тепла посредством электромагнитных волн. Для излучать означает посылать или распространять из центра. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветов, спицы колес или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника.Передача тепла излучением включает перенос энергии от источника к окружающему его пространству. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, лишенную материи (то есть вакуум). Фактически, тепло, получаемое на Землю от Солнца, является результатом распространения электромагнитных волн через пустоту космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия высвобождается, пропорциональна температуре Кельвина (Т), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k • T 4

Чем горячее объект, тем больше он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину и частоту излучаемых волн. Объекты при обычной комнатной температуре излучают энергию в виде инфракрасных волн.Поскольку мы невидимы для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаружить такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видеозаписи излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой набор или диапазон длин волн. Обычно его называют спектром излучения . По мере увеличения температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются.Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимой области спектра. К счастью, это обеспечивает удобное предупреждение для пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить накаливания лампы накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, в которой находится нить накала.Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение от лампочки.

Тепловое излучение — это форма передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, вызывая увеличение средней кинетической энергии их частиц и повышение температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое посредством электромагнитного излучения.Изображение справа было получено тепловизионной камерой. Камера обнаруживает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. Более горячие
цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения любезно предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице относилось к различным методам теплопередачи. Были описаны и проиллюстрированы проводимость, конвекция и излучение.Макроскопия была объяснена с точки зрения частиц — постоянная цель этой главы Учебного пособия по физике. Последняя тема, которую мы обсудим в Уроке 1, носит более количественный характер. На следующей странице мы исследуем математику, связанную со скоростью теплопередачи.

Проверьте свое понимание

1. Рассмотрим объект A с температурой 65 ° C и объект B с температурой 15 ° C.Два объекта помещаются рядом друг с другом, и маленькие бомбы начинают сталкиваться. Приведет ли какое-либо столкновение к передаче энергии от объекта B к объекту A? Объяснять.

2. Предположим, что объект A и объект B (из предыдущей задачи) достигли теплового равновесия. Столкнулись ли частицы двух объектов друг с другом? Если да, то приводит ли какое-либо столкновение к передаче энергии между двумя объектами? Объяснять.

NWS JetStream — Передача тепловой энергии

Источником тепла для нашей планеты является солнце. Энергия от солнца передается через космос и через атмосферу земли к поверхности земли. Поскольку эта энергия нагревает поверхность земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией. Есть три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

  • излучение
  • проводимость
  • конвекция

Излучение

Если вы стояли перед камином или возле костра, вы почувствовали теплопередачу, известную как излучение.Сторона вашего тела, ближайшая к огню, нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с передачей тепла. По такому же принципу работают тепловые лампы, которые согревают пищу. Радиация — это передача тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

Большая часть электромагнитного излучения, приходящего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть излучается видимым светом. Свет состоит из волн разной частоты.Частота — это количество случаев, когда событие повторяется за установленное время. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих через точку каждую секунду.

Наш мозг интерпретирует эти разные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Волны от солнца, которые мы не можем видеть, — это инфракрасные волны, которые имеют более низкие частоты, чем красные, и ультрафиолетовые, которые имеют более высокие частоты, чем фиолетовый свет.[подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла на наших телах.

Большая часть солнечной радиации поглощается атмосферой, и большая часть того, что достигает поверхности Земли, излучается обратно в атмосферу, превращаясь в тепловую энергию. Объекты темного цвета, например асфальт, поглощают лучистую энергию быстрее, чем объекты светлого цвета. Однако они также излучают свою энергию быстрее, чем объекты более светлого цвета.

Обучающий урок: тает в сумке, а не в руке

Проводимость

Проводимость — это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества.Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретой на плите? Через некоторое время ручка ложки нагреется.

Это происходит из-за передачи тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются, металл нагревается (оранжево-красное свечение) за счет передачи тепла от дуги.

Это называется теплопроводностью и является очень эффективным методом передачи тепла в металлах. Однако воздух плохо проводит тепло.

Конвекция

Конвекция — это передача тепловой энергии в жидкости.Этот вид нагрева чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечное излучение падает на землю, нагревая скалы. Когда температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. Когда он поднимается, пузырек охлаждается за счет тепла, содержащегося в пузыре, движущемся в атмосферу.

По мере того, как масса горячего воздуха поднимается, воздух заменяется окружающим более прохладным и более плотным воздухом, который мы ощущаем как ветер. Эти движения воздушных масс могут быть небольшими в определенном регионе, например, локальные кучевые облака или большие циклы в тропосфере, охватывающие большие участки земли. Конвекционные течения ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

Быстрые факты

Это не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца, вызывающее солнечные ожоги, ведущие к раку кожи.Солнечное тепло не приводит к солнечным ожогам.

Согласно данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, которые достигают Земли — ультрафиолетовых лучей A (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB). Чрезмерное воздействие на них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

  • UVA-лучи могут преждевременно состарить вашу кожу, вызвать морщины и пигментные пятна, а также могут проходить через оконное стекло.
  • Лучи UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

Безопасного способа загара не существует. Это включает излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, загорая, вы повреждаете кожу. По мере нарастания этого ущерба вы ускоряете старение кожи и повышаете риск развития всех типов рака кожи.

Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проходить сквозь облака и вызывать солнечный ожог, если вы достаточно долго находитесь на улице.

Теплообмен в атмосфере

Тепло движется в атмосфере так же, как оно движется через твердую Землю (глава «Тектоника плит») или другую среду.Далее следует обзор того, как тепло течет и передается, но применительно к атмосфере. Излучение — это передача энергии между двумя объектами с помощью электромагнитных волн. Тепло излучается от земли в нижние слои атмосферы.

В случае с проводимостью тепло перемещается из областей с большим количеством тепла в области с меньшим количеством тепла при прямом контакте. Более теплые молекулы быстро вибрируют и сталкиваются с другими соседними молекулами, передавая свою энергию. В атмосфере проводимость более эффективна на более низких высотах, где плотность воздуха выше; передает тепло вверх туда, где молекулы расходятся дальше друг от друга, или переносит тепло вбок от более теплого к более холодному месту, где молекулы движутся менее энергично.

Теплообмен при движении нагретых материалов называется конвекцией . Тепло, исходящее от земли, вызывает в атмосфере конвекционные ячейки.

Тепло у поверхности Земли

Около половины солнечной радиации, которая попадает в верхние слои атмосферы, отфильтровывается, прежде чем достигнет земли. Эта энергия может поглощаться атмосферными газами, отражаться облаками или рассеиваться. Рассеяние происходит, когда световая волна ударяется о частицу и отскакивает в другом направлении.

Около 3 процентов энергии, падающей на землю, отражается обратно в атмосферу. Остальное поглощается камнями, почвой и водой, а затем излучается обратно в воздух в виде тепла. Эти инфракрасные волны могут быть видны только инфракрасными датчиками.
Поскольку солнечная энергия постоянно поступает в атмосферу Земли и на поверхность земли, становится ли планета горячее? Ответ — нет (хотя следующий раздел содержит исключение), потому что энергия с Земли уходит в космос через верхние слои атмосферы.Если количество, которое выходит, равно количеству, которое входит, то средняя глобальная температура остается неизменной. Это означает, что тепловой баланс планеты сбалансирован. Что произойдет, если энергии поступит больше, чем уйдет? Если уходит больше энергии, чем входит?

Сказать, что тепловой баланс Земли сбалансирован, игнорирует важный момент. Количество поступающей солнечной энергии на разных широтах разное). Как вы думаете, куда попадает больше всего солнечной энергии и почему? Где остается меньше всего солнечной энергии и почему?

Разница в солнечной энергии, получаемой на разных широтах, вызывает атмосферную циркуляцию.

Продолжительность дня Угол Солнца Солнечное излучение Альбедо
Экваториальный регион Практически весь год Высокая Высокая Низкий
Полярные области Ночь 6 месяцев Низкий Низкий Высокая

Парниковый эффект

Исключение из того, что температура на Земле находится в равновесии, вызвано парниковыми газами.Но сначала необходимо объяснить роль парниковых газов в атмосфере. Парниковые газы нагревают атмосферу, улавливая тепло. Часть теплового излучения от земли задерживается парниковыми газами в тропосфере. Как одеяло на спящем человеке, парниковые газы действуют как изоляция для нашей планеты. Потепление атмосферы из-за изоляции парниковыми газами называется парниковым эффектом . Парниковые газы — это компонент атмосферы, который регулирует температуру Земли.

Парниковые газы включают CO 2 , H 2 O, метан, O 3 , оксиды азота (NO и NO 2 ) и хлорфторуглероды (CFCs). Все это нормальная часть атмосферы, кроме ХФУ. В таблице ниже показано, как каждый парниковый газ попадает в атмосферу естественным образом.

Парниковый газ Откуда взялось
Двуокись углерода Дыхание, извержения вулканов, разложение растительного материала; сжигание ископаемого топлива
Метан Разложение растительного сырья при определенных условиях, биохимические реакции в желудке
Закись азота Вырабатывается бактериями
Озон Атмосферные процессы
Хлорфторуглероды Не встречается в природе; сделано людьми

Различные парниковые газы по-разному улавливают тепло.