Какие виды теплопередачи есть: Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность. Основы теории теплопередачи и способы передачи тепла

Содержание

Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность. Основы теории теплопередачи и способы передачи тепла

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи : теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение . Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Теплопередача в природе позволяет существовать Вселенной в том виде, к которому все мы привыкли. Трудно сказать, как бы выглядел мир, исчезни процесс теплопередачи хоть на мгновение. Давайте подробнее рассмотрим, какие существуют виды теплопередачи и что понимается под этим термином.

Согласно общепринятому определению, теплопередача представляет собой физический процесс, при котором тепловая энергия тем или иным способом распределяется между несколькими телами с различной степенью нагрева. Процесс прекращается при выравнивании их температур, или, другими словами, при достижении

Перечислим, какие бывают базовые виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, излучение. Все остальные возможные разновидности представляют собой сочетание двух или нескольких базовых способов. Этот момент всегда необходимо учитывать.

Конвекция знакома каждому с детства. Само латинское слово «convectio» означает перенос. Следовательно, при конвекции имеет место перенос тепла потоками самого вещества. Она характерна для газов и жидкостей, хотя иногда происходит в некоторых сыпучих материалах. Представим жаркий летний день: над поверхностью нагретой земли заметно легкое марево — это искажение объясняется восходящими воздушными потоками. С наступлением ночи, когда нагревающее действие прекращается, начинается процесс выравнивания температур поверхности земли и воздуха: почва сообщает тепловую энергию нижним (это смешанный механизм передачи тепла), которые поднимаются вверх, замещаясь более холодными воздушными массами. Вот другой пример: помещаем кипятильник в емкость с водой и включаем его в сеть. При внимательном наблюдении заметны движущиеся потоки воды. Горячие массы смещаются от источника тепла, а на их место поступают более холодные.

Что может быть лучше интересной беседы за чашкой горячего чая холодным зимним вечером? При этом достаточно на мгновение отвлечься и взяться за выглядывающий край металлической ложки, чтобы быстро отдернуть руку, избегая ожога. Причина проста — некоторые виды теплопередачи очень быстро нагрели металл ложки до температуры воды в чашке. Речь идет о теплопроводности. Ситуаций, в которых можно встретиться с таким видом передачи тепла, огромное количество. Дадим определение: теплопроводность — это перенос тепловой энергии от более нагретого участка тела к более холодному посредством составляющих тело частиц (электроны, атомы, молекулы). Частный случай — передача тепла между разными объектами, находящимися в соприкосновении. Разные материалы обладают различной теплопроводностью. Так, если нагреть один конец то второй будет холодным. А вот если проделать такой опыт с металлическим прутом, то результат будет противоположный. Данная разница обусловлена различием во внутренней структуре материалов.

Рассматривая нельзя не упомянуть передачу тепла излучением. Источник тепла генерирует электромагнитные колебания с длиной волны до 1000 мкм (инфракрасная часть спектра). Интенсивность лучистого потока и температура нагретого тела находятся в прямой зависимости. Чтобы понять, как излучение переносит тепло, достаточно провести небольшой эксперимент — разжечь костер и поместить между собой и огнем прозрачное стекло. Несмотря на преграду, тепло все равно будет передаваться. Или посмотрите на кошку, которая зимой лежит на подоконнике под лучами солнца, греясь. Все просто — в этих примерах тепловая энергия передается излучением. Одна из особенностей такого способа передачи тепла — независимость от промежуточных сред. Если при конвекции перенос происходит самим веществом (газом), а при теплопроводности — частицами, то излучение не нуждается в «посредниках». Так, Солнце передает свое тепло через вакуум именно посредством излучения.

Теплопередачей или теорией теплообмена называют науку, изучающую законы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Основы учения о теплоте были заложены русским ученым

М.В. Ломоносовым, в середине XVIII в. создавшим механическую теорию теплоты и основы закона сохранения и превращения материи и энергии. В дальнейшем развитии учения о теплоте разрабатывались его общие положения.

В настоящее время теплопередача вместе с технической термодинамикой составляет теоретические основы теплотехники.

3.2. Основные виды теплообмена

Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты. Процесс теплообмена – это самопроизвольный процесс переноса (передачи) теплоты в пространстве при неоднородном распределении температур. Разность температур – это необходимое условие теплообмена, причем тепло распространяется от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Перенос теплоты при наличии разности температур может быть осуществлен внутри твердого тела, в жидкой, газообразной среде, на границе твердого тела с окружающей его средой, в двух средах, разделенных перегородкой.

Исследования показывают, что теплообмен является сложным процессом. Однако ради простоты изучения различают три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводностью называется перенос теплоты внутри тела соприкасающимися, беспорядочно движущимися микрочастицами (атомами, молекулами, электронами). То есть частицы, соприкасаясь, разносят тепло. Можно наблюдать, как при нагревании металлического стержня с одного конца теплота постепенно распространяется по всему стержню. Объясняется это тем, что в нагреваемом конце стержня тепловое движение молекул, атомов и свободных электронов постепенно ускоряется, а это значит, что внутренняя кинетическая энергия их увеличивается. При соударениях часть их энергии передается дальше по стержню, что и приводит к распространению теплоты по всему стержню. В жидкостях (капельных и газообразных) процесс переноса теплоты теплопроводностью очень невелик.

Конвекция – перенос теплоты при перемещении объемов текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Различают свободную и вынужденную конвекции. При свободной конвекции перемещение жидкости происходит под действием разности плотностей отдельных частей жидкости при нагревании, например, перенос теплоты от наружной поверхности горячей батареи холодному воздуху в помещении. Если перемещение вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой и т.д., то такая конвекция называется вынужденной. При этом распространение теплоты, т.е. прогревание всей массы жидкости, происходит значительно быстрее, чем при свободной.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением – тепловой энергии в лучистую и обратно.

Для переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией необходима материальная среда, для передачи теплоты излучением такая среда не нужна.

При теплообмене между двумя телами внутренняя энергия тела с более высокой температурой уменьшается, а тела с менее высокой температурой, на столько же увеличивается. Процесс теплообмена протекает тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся энергией. При ее отсутствии процесс теплообмена прекращается и наступает тепловое равновесие.

Рассмотренные формы переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно двумя, а чаще – тремя способами. Например, обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или газом) происходит путем теплопроводности и конвекции одновременно и называется

конвективным теплообменом или теплоотдачей. В паровых котлах в процессе переноса теплоты от топочных газов к внешней поверхности кипятильных труб одновременно участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. От внешней поверхности кипятильных труб к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи теплота переносится путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности труб к воде теплота переносится путем теплопроводности и конвекции. В практических расчетах такие сложные процессы иногда целесообразно рассматривать как одно целое. Так, например, передачу теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи.

Рассмотрим каждый из трех способов переноса теплоты (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение), а также и объединяющий их сложный процесс переноса теплоты.

Теплопроводность

Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела. Поэтому, при его изучении, прежде всего необходимо установить понятия температурного поля и градиентатемпературы.

Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его нагретости. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Если температура меняется во времени, поле называется неустановившимся (нестационарным), а если не меняется – установившимся (стационарным).

При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность . Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или замыкаются на себе или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 1)

Рис 1. К определению температурного градиента.

При этом более резкое изменение температуры получается в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали называется градиентом температур : = (1)

Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры. Температурный градиент показывает, насколько интенсивно (резко) меняется температура в толще тела и является важной величиной, определяющей многие физические явления (появление трещин в хрупком теле от неравномерного нагрева, термические деформации и т.д.)

Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком .

Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока :

(2)

Величины Q и q являются векторами, направленными по нормали к изотермической поверхности, причем за положительное направление принимается направление в сторону уменьшения температуры. Векторы теплового потока и градиента температур противоположны.

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры: (3)

где коэффициент теплопроводности, характеризующий способность тел проводить теплоту и зависящий от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и пористости. Влага, заполняя поры тела, увеличивает теплопроводность, а пористость наоборот, уменьшает ее, так как чем пористее тело, тем больше в нем содержится воздуха, а теплопроводность воздуха, как и вообще всех газов, низкая (в 20 – 25 раз меньше теплопроводности воды).

Приближенные значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов приведены в приложении в табл. 1.

Основы теплопередачи

К атегория:

Передвижные электростанции

Основы теплопередачи

Теплопередачей или теплообменом называется процесс переачи тепловой энергии (теплоты) как внутри тела от более нагретых его частиц к менее нагретым, так и от одних тел к другим. Теплопередача играет большую роль в работе теплосиловых установок и их агрегатов, паровых котлов и машин, двигателей внутреннего сгорания, радиаторов и др.

Теплообмен представляет собой сложный процесс и может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью называется передача тепловой энергии от одних соприкасающихся частиц или тел к другим. Этим способом теплота передается главным образом в твердых телах, но может передаваться в жидкостях и газах.

Молекулы, обладающие большой кинетической энергией, при столкновении с молекулами, имеющими меньшую кинетическую энергию, передают последним часть своей тепловой энергии.

В металлах теплота передается колебаниями мельчайших частиц, а в жидкостях и газах — перемешиванием.

Если нагревать воду или газ (в закрытом сосуде сверху), то теплота верхних слоев воды или газа будет передаваться холодным нижним слоям только в результате теплопроводности.

Конвекцией называется передача теплоты путем перемешивания между собой частиц газа или жидкости и перемещения их из области одних температур в область других температур. Передача теплоты совместным действием теплопроводности и конвекции называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен возможен между металлической стенкой и газом или жидкостью, омывающими эту стенку. Частицы газа или жидкости, соприкасающиеся с горячей стенкой, нагреваются в результате теплопроводности; вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы перемещаются вверх и переносят с собой некоторое количество теплоты. Такая передача теплоты называется естественной или свободной конвекцией.

При вынужденном перемещении частиц жидкости или газа (с помощью насоса или вентилятора) интенсивность теплообмена значительно увеличивается; такая теплопередача называется принудительной конвекцией.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, которая в неподвижном теплоносителе невелика, так как газы и жидкости -плохие проводники теплоты.

Примером конвективного теплообмена может служить нагревание воды в паровом котле: передача теплоты от нагретой стенки котла к воде осуществляется главным образом естественной конвекцией и лишь в незначительной части — теплопроводностью.

Тепловым излучением или лучеиспусканием называется передача тепловой энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часть тепловой энергии каждого-тела превращается в лучистую энергию, которая в виде электромагнитных волн распространяется во ‘все стороны. Встречая на> своем пути другие тела, лучистая энергия частично поглощается ими, превращаясь снова в тепловую энергию (теплоту).

В практических условиях теплообмен осуществляется не одним каким-либо способом, а одновременно всеми. Такой теплообмен принято называть сложным.

Теплопроводность. Рассмотрим часто встречающуюся на практике передачу теплоты теплопроводностью через плоскую стенку. Процесс передачи теплоты будем считать стационарным, т.е. температура в различных точках стенки с течением времени не изменяется.

Следовательно, коэффициент теплопроводности представляет собой количество теплоты, передаваемое через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур 1 °С в течение 1 ч.

Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, удельного веса, влажности и температуры вещества. При расчетах значения коэффициентов теплопроводности берут из справочников.

Рис. 1. Схема передачи теплоты через однослойную, стенку

Конвекция. Рассмотрим теплообмен конвекцией между жидкостью и стенкой.

Коэффициент теплоотдачи а может быть определен только опытным путем. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от значительного количества факторов, для его определения требуется проведение большого числа опытов.

Для сокращения количества опытов разработана так называемая «теория подобия». Теория подобия дает возможность проводить опыты не на самих аппаратах, для которых нужно определить коэффициент теплоотдачи, а «а уменьшенных и упрощенных моделях, что требует меньших затрат и может быть выполнено в более короткие сроки.

Тепловое излучение. Передача теплоты излучением не требует непосредственного соприкосновения тел и может происходить при значительном расстоянии между ними.

Каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию. Лучистая энергия является результатом сложных молекулярных и внутримолекулярных процессов, порождаемых энергией других видов. Источником теплового излучения является тепловая энергия. Количество возникающей лучистой энергии зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Излучение тел представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от долей микрона до десятков километров: космические, рентгеновы, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и другие лучи. Свойства этих лучей различны; для теплотехники представляют интерес такие лучи, которые поглощаются телами и энергия которых снова превращается в тепловую. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, длины волн которых колеблются от 0,4 до 40 мкм.

Попадая на какое-либо тело, лучистая энергия частично поглощается им, частично отражается от него и частично проходит сквозь тело. Тело, полностью поглощающее попадающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным, полностью отражающее — абсолютно белым. Тела, которые полностью пропускают через себя лучистую энергию, называются прозрачными (или диатермичными).

Абсолютно черных и абсолютно белых тел в природе не существует. Поэтому обычно принято называть тела серыми. К абсолютно черным телам близки бархат, черное сукно и сажа, которые поглощают до 95-98% теплового излучения. К абсолютно белым телам близки полированные медь и алюминий, которые поглощают только 2-4% теплового излучения. Приме-

В теплотехнике, как было указано выше, часто происходит сложный теплообмен: например, между продуктами сгорания топлива и стенкой (топка парового котла, камера сгорания и цилиндр дизеля). При этом теплообмен осуществляется конвекцией и излучением.

Теплообмен излучением наиболее интенсивно происходит при температурах выше 600 °С; при меньших температурах теплота передается в основном конвекцией и теплопроводностью.

Многоатомные газы также способны излучать и поглощать лучистую энергию. В продуктах сгорания топлива содержатся трехатомные газы СОг и НгО, а также двухатомные N2, Ог и СО.

Газы излучают и поглощают лучистую энергию в определенных интервалах длин волн.

Закономерности излучения различных газов различны. Однако для упрощения практических расчетов количество энергии, излучаемой газом, принято определять по закону Стефана-Больц-мана. Степень черноты газов берется из таблиц или графиков.

В теплотехнике наиболее часто передача тепла от одной среды (греющей) к другой (нагреваемой) осуществляется через однослойную или многослойную стенку. Такой общий процесс передачи тепла может быть расчленен на несколько простейших процессов.

Рассмотрим процесс передачи тепла от греющей среды к нагреваемой через плоскую трехслойную стенку (рис. 2). Будем считать, что тепловой поток направлен слева направо, температура греющей среды (жидкости или газа) tu а температура нагреваемой среды (жидкости или газа) t2.

От греющей среды к поверхности первого слоя стенки теплота передается только конвекцией или конвекцией и излучением, через трехслойную стенку — теплопроводностью и, наконец, от третьего слоя стенки к нагреваемой среде- конвекцией. На всех указанных этапах передачи теплоты от греющей среды к нагреваемой тепловой поток будет одинаковым.

Коэффициент теплопередачи выражает собой количество теплоты, которое передается от греющей среды к нагреваемой череа стенку площадью 1 м2 при разности температур 1°С в течение 1 ч. Значение коэффициента теплопередачи для трехслойной стенки определяют по формуле

Рис. 2. Схема теплопередачи через трехслойную стенку

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой .
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

  1. теплопроводностью
  2. конвекцией
  3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец , но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью .
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность .
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь .
Теплопроводность у различных веществ различна.
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). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции : небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

  • естественная (или свободная)
Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется. Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме .
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Физика 8 класс. Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность :: Класс!ная физика


Физика 8 класс. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

(или теплообмен)

— один из способов изменения внутренней энергии тела (или системы тел), при этом внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Существует 3 вида теплопередачи:

Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.

Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.
Это является частным случаем закона сохранения энергии.

ИНТЕРЕСНО

Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов.
Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!
|

— перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры тела.
Не сопровождается переносом вещества!

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.
Теплопроводность различных веществ разная.
Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,

причем у разных металлов теплопроводность отличается.

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

При нагревании верхнего конца закрытой пальцем пробирки с воздухом внутри можно не бояться обжечь палец, т.к. теплопроводность газов очень низкая.
Интересно, что можно было бы поднести руку почти вплотную к пламени, например, газовой горелки (температура больше 1000 градусов) и не обжечь ее, если бы …

А что если бы?

Газ, как правило, очень плохой проводник тепла, поэтому достаточно было бы лишь небольшой прослойки воздуха между рукой и пламенем. Но!
Но существует такое явление, как конвекция в газах, поэтому вблизи пламени руку сильно жжет.

Устали? — Отдыхаем!

Блог инженера теплоэнергетика | Виды теплообмена

         Здраствуйте, друзья! В этой статье я хотел бы рассмотреть виды теплообмена на примере обычного отопительного радиатора. Часто приходится отвечать на вопросы на тему теплообмена, теплопередачи и оффлайн и через форму обратной связи на блоге, и замечаю, что не всегда собеседник понимает, как же передается тепловая энергия от теплоносителя (воды) через радиатор. Итак, какие же виды теплообмена существуют?

        Их собственно три — теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен (радиация). Рассмотрим последовательно все эти три вида теплообмена. Постараюсь рассказать об этом просто, без излишнего углубления в формулы и технические термины.

       Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором происходит передача тепла от более нагретой части тела к менее нагретой. Так, на примере радиатора, процесс передачи тепловой энергии теплопроводностью происходит в металлической стенке отопительного прибора. То есть, нагретая вода протекая внутри радиатора, отдает часть своей тепловой энергии металлу теплопроводностью. Металл, в свою очередь, также отдает часть тепловой энергии  теплопроводностью окружающей среде, воздуху. У воздуха, правда, относительно невысокая теплопроводность.

        Именно так происходит процесс теплообмена теплопроводностью. Хотел бы здесь сказать еще про теплоотдачу и теплопередачу. Эти два термина часто путают. Теплоотдача — это перенос тепла от  греющего тела к стенке, либо перенос тепла от стенки к нагреваемому телу. Теплопередача — это в целом явление переноса теплоты от греющего тела к нагреваемому через разделительную стенку. Вообще теплоотдача и теплопередача имеют одну физическую природу, но все таки это различные понятия.

       Конвекция — это вид теплообмена в жидких и газообразных веществах, при котором горячие слои вещества в движении перемешиваются с более холодными и отдают им часть своего тепла. На примере радиатора это происходит так: воздух в помещении, нагреваясь у стенки радиатора, уходит вверх, вытесняя более холодный воздух (с большей массой вниз), затем холодный воздух нагревается и поднимается вверх, а остывший воздух ( с большей массой) уходит вниз. И так непрерывно происходит этот конвективный процесс. Есть такой вид отопительных приборов — конвекторы. Это фактически оребренные трубы.

В таких отопительных приборах большая часть передачи тепла происходит конвекцией, воздухообменом.

        И наконец, последний вид теплообмена — лучистый теплообмен, или радиация. Лучистый теплообмен — это переход тепла от одного тела к другому при помощи тепловых лучей. Этот вид теплообмена и подарил название отопительным приборам — радиаторам. В радиаторах значительная часть теплообмена происходит именно лучистым теплообменом.

      Рассмотрим подробнее, как это происходит. Горячий радиатор посылает во все стороны помещения тепловые лучи, которые содержат в себе особый вид тепловой энергии, называемой лучистой энергией. Причем эти тепловые лучи распространяли бы тепло, даже если в комнате не было воздуха. А это говорит о том, что радиационный теплообмен это особый вид теплообмена, отличный от например, конвекции.

       В случае с радиатором тепловые лучи ведут себя следующим образом. Они попадают на находящиеся в помещении предметы или человека, и превращаются в тепловую энергию. Отсюда и ощущение тепла. Вот почему, например, закрытые декоративной панелью радиаторы хуже обогревают помещение. Часть лучистой энергии в таком случае просто теряется на обогрев декоративной панели. 

       Характерный пример отопительных приборов, отдающих большую часть тепла лучистым теплообменом — это инфракрасные обогреватели.


Виды теплопередачи в быту, их учет и использование

Основные виды теплопередачи в быту — это перераспределение температур путем нагрева, излучения или конвекции. Разные материалы имеют отличные друг от друга свойства. Хорошими проводниками являются все металлические изделия.

Классификация

Существуют основные виды теплопередачи в быту: теплопроводность (между твердыми телами), конвекция (имеет отношение к газовым средам), излучение (передача тепла бесконтактным способом). Теплопередача обозначает действие преобразования энергии внутри предмета без осуществления внешнего воздействия на него. Перенос тепла происходит благодаря внутренним процессам.

Виды теплопередачи в быту:

  • Перенос энергии от разогретой подошвы утюга к тканям.
  • Нагрев металлической вставки рукоятки ножа после опускания его кончика в кипящую воду.
  • Ручка металлического половника становится огненной, после опускания его в горячий суп.
  • Нагрев плафона освещения от лампы накаливания, размещенной внутри люстры.

Перечисленные процессы описывают только некоторые виды теплопередачи в быту. Нагрев воздуха от батареи является примером конвекции, когда энергия пассивно передается от твердого тела газообразному веществу. Этот процесс описывают взаимодействием молекул между собой.

Материалы

Рассматривать примеры теплопередачи в природе и быту проще всего на металлических предметах. Они обладают самыми высокими показателями теплопроводности. К таким относят медные стержни (штативы, проволоку, трубы, пружины), сталь и сплавы.

Доказательством теплопередачи является стеклянный термометр. Стальная ножка контактирует с ртутью, нагревается человеческим телом. Жидкое вещество начинает расширяться, что мы видим по встроенной шкале.

Пластмассы тоже хорошо передают тепло. Этот процесс мы наблюдаем в процессе зарядки смартфона, планшета или ноутбука. Задняя крышка всегда более тёплая. Там и происходит перераспределение внутренней энергии.

Изученные виды теплопередачи в природе, быту используются повсеместно. В обычном чайнике тепло от металлического корпуса передается жидкости. А она в свою очередь нагревает ручку из пластмассового материала. Передача энергии в последнем случае осуществляется за счет пара.

Закономерности вокруг нас

Теплопередача в природе, технике, быту зависит от множества условий. Соприкасаемые друг с другом материалы передают энергию по-разному. Это мы можем увидеть на примере обычного окна. Между стеклянными поверхностями задуман промежуток из воздушной прослойки. Последняя слабо передает тепло.

Стеклянные поверхности быстро принимают и отдают энергию. Пористые материалы обладают практически нулевой теплопроводностью. Поэтому их используют для утепления фасадов зданий при строительстве.

Доказательством различной теплопроводности является одежда, сделанная из различных по свойствам тканей. Шерсть и другие ворсистые материалы плохо проводят тепло. А плащевка (синтетика) пропускает энергию моментально. Поэтому в изделиях из таких тканей холодно зимой.

Закономерности дома

По утрам наливая кружку горячего чая, какие мы можем увидеть виды теплопередачи? Их учёт и использование в быту будет выглядеть так:

  • Кружка горячего чая помещается в подстаканник из слабо проводящего тепло материала. Часто этот вариант используется проводниками в поездах.
  • Металлические кастрюли оборудуются крышками с ручками из пробкового дерева либо пластмассы. Последние материалы практически не нагреваются.
  • Ручки ножей, ложек, половников также оформляются пластиковыми вставками.
  • У газовых и электрических плит поверхность духового шкафа покрывается фольгированным материалом, способным отражать тепло. А между корпусом и нагревающимися элементами предусмотрены воздушные зазоры.

Для рационального потока воздуха в комнате форточки на окнах располагаются наверху. Тепло всегда поднимается, а холодный воздух с улицы помогает равномерно распределяться энергии в помещении. Когда мы открываем окно, мерзнут в первую очередь именно ноги. Эта неравномерность выравнивается за счет конвекции.

Отличия

Существуют свои особенности различных видов теплопередачи. У конвекции преимущественно перенос тепла происходит за счет смешивания газов. Молекулы передают энергию за счет соприкосновения. В конце процесса температура в замкнутом объеме выравнивается. После закрытия окна в комнате температура воздуха одинакова везде, если нет других источников тепла или холода.

Теплопередача зависит от вида материала. Так, сталь и медь после соприкосновения будут отличаться по температуре. Это объясняется различными свойствами передачи энергии. Нагретый металлический предмет не нагревает пробковый материал. Ложка в стакане чая раскаляется так, что невозможно ее взять в руки. Однако она может быть изготовлена из алюминиевого сплава, а он обладает низкой теплопроводностью.

Излучение наблюдают во всех вышеперечисленных примерах. За счет этого явления происходит незначительная потеря энергии. В бытовых приборах это явление наблюдается особенно сильно: в нагревателях, утюгах, паяльниках. Заметить лучи можно, поднося руку на расстоянии к поверхности нагрева. Ощущаться должно небольшое тепло — это происходит за счет инфракрасного излучения.

Излучение

Используются все виды теплопередачи в природе, быту, технике. Излучение инфракрасного спектра можно встретить в медицинских приборах. Оно положительно влияет на поверхность тела. Таким образом прогревают мышцы, суставы, внутренние органы.

В природе главным источником тепла являются солнечные лучи. Именно излучением согревается планета Земля. Все растения питаются этой энергией. Моря и океаны, воздух приходят в движение. Ветра образуются под влиянием инфракрасного спектра.

Излучение учитывают при производстве всех бытовых приборов, работающих от электрического тока. Телефонные мобильные аппараты греются постоянно. Именно поэтому не рекомендуется располагать смартфоны в области сердца.

Доказательства закономерностей опытами

Для проведения простого эксперимента потребуется медный провод небольшой длины. Оголяют два конца, один из которых берут в руку. Второй помещают над огнем или в кипящую воду.

Постепенно оба конца становятся горячими. Но в области изоляции провод можно спокойно удерживать. Это есть доказательство теплопроводности. Для опыта с конвекцией достаточно открыть окно. Предметы внизу будут более холодными, чем у потолка. После закрытия форточки температура тел сравняется.

Излучение можно ощутить от любого нагретого предмета. На расстоянии ощущается передача тепла. При таянии льда на расстоянии ощущается и холод. Невидимые лучи можно почувствовать рукой, если засунуть её в пространство морозилки холодильника.

Теплопроводность ощущается при работе стиральной машины. Достаточно потрогать крышку люка при нагреве воды. Воск на свече нужен для снижения теплоотдачи, чтобы она горела дольше.

Опыты с различными материалами

Доказательство теплопроводности можно получить путем нагрева стальной и серебряной ложек. Два металла имеют различные свойства передачи энергии. На конец ручки каждой ложки нужно нанести воск. Далее нагревают оба предмета от одинакового источника тепла с другой стороны.

У стальной ложки воск растает гораздо раньше, что говорит о лучшей теплопроводности. Вместо воска можно взять кусочек замороженного сливочного масла или маргарина для опыта в домашних условиях.

Второй опыт доказывает зависимость теплопроводности от цвета материала. Потребуется темный и светлый чайники. Оба сосуда нагревают до кипения в них воды и засекают время остывания каждого.

По законам физики темный чайник остывает дольше. Это доказывает, что светлые материалы нагреваются меньше. Поэтому в жаркое время носят белые панамки. Ведь солнечные лучи притягиваются черной тканью.

В мороз же мы носим теплые шарфы, чтобы не произошло обледенение лица. Так, в шерстяной варежке рука абсолютно не мерзнет в морозилке. Это говорит о низкой теплопроводности материала.

Виды теплопередачи .теплопроводность Поурочные планы, Поурочные планы по физике 8 класс, Физика

Цели: ознакомить учащихся с видами теплообмена; научить их объяс­нять тепловые явления на основании молекулярно-кинетической теории. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: перемещение тепла по спицам из различных металлов; вращение вертушки над горящей лампой; нагревание раствора медного купороса в колбе; взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Ход урока

I . Организационный момент

II . Повторение.

Проверка домашнего задания

Перед началом урока можно провести проверку выполнения домашнего задания. При этом один из учеников может ответить на вопросы в конце параграфа, а другой описать итог экспериментальной работы. При этом все неточности должны фиксироваться, причем не столько учителем, сколько учениками, которые принимают активное участие в работе.

III . Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Теплопроводность.

2. Явление конвекции в жидкостях и газах.

3. Излучение.

Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Изменение внутренней энергии посредством теплообмена может производиться по-разному. Различают три вида теплообмена:

1. Теплообмен посредством теплопроводности.

Теплопроводность – такой тип теплообмена, когда тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Подготовив установку, чуть-чуть модифицированную по сравнению с той, что представлена в учебнике, ставим опыт, который показывает, что по разным материалам тепло перемещается с разной скоростью.

Для опыта необходимо взять два стержня одинаковой геометрии из ме­ди и железа. На равных расстояниях по длине стержней укрепить кнопки на воске и свободные концы стержней начать нагревать от спиртовки. Легко заметить, что первыми кнопки нач­нут падать с медного стержня. То есть тепло быстрее перемещается по медному стержню.

Можно провести и еще один опыт: на деревянный цилиндр накалывает­ся ряд кнопок, и цилиндр обертывается одним слоем бумаги . При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелки происходит не­равномерное обугливание бумаги.

Учитель задает вопрос:

– Почему бумага, прилегающая к кнопкам, обуглилась меньше?

Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содер­жании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемеща­ется. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие – плохие про­водники тепла. Это – различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теп­лопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

2. Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться . Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, по­этому нагрев производят снизу. При этом конвекционное потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жид­кость. На опыте по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены, кристаллики медного купороса, мы замечаем голубые «змейки», которые поднимаются вверх.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это отделительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении кон­векционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемеши­вание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности явля­ется то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не пе­реносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения – примеры конвекции.

3. Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают пе­ренос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело являет­ся источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Если поставить опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике на с. 89, мы можем убедиться в том, что от излучателя лучистая энергия попадает на теплоприемник, и нагретый в колене манометра воздух увеличивает свое давление. Если темную мембрану тепло приемника заме­нить на зеркальную, то степень поглощения лучистой энергии станет за­метно меньше, что видно по малому перепаду уровней жидкости в коле­нах манометра.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отда­ют в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной темпе­ратуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Спо­собность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

IV . Закрепление изученного

С целью закрепления изученного материла можно провести в конце урока краткий опрос-беседу по следующим вопросам:

– Приведите примеры, какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность?

– Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

– Почему конвекция невозможна в твердых телах?

– Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой.

Домашнее задание

§ 5-7 учебника.

2 Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку докла­ды о применении теплопередачи в природе и технике. Примерными темами докладов могут быть: «Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос», «Виды теплопередачи в быту», «Теплопередача в атмосфере», «Учет и использование видов тепло­передачи в сельском хозяйстве» и др.

3. Упражнения 2-4.

Дополнительный материал

Конвекция

С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом прибли­жении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концен­трических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из ме­таллов в виде очень плотной жидкой массы. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера. Самый верхний слой литосферы – земная кора.

Литосфера состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности ман­тии. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в различных участках мантии в ней возникают кон­вективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих кон­тиненты к ложа океанов.

Там, где плиты расходятся, возникают океанские впадины. В других местах, где плиты сталкиваются, образуются горные массивы. Скорость перемещения конвек­тивных потоков в мантии очень мала. Соответственно и плит 2-3 см в год. Однако за геологические эпохи плиты могут перемещаться на сотни и тысячи километров.

Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни и тысячи раз больше, чем у изоляторов? Дело, очевидно, в структуре металлов, в осо­бенностях металлической связи.

В самом деле, если бы теплопроводность металлов определялась только колеба­ниями частиц в узлах кристаллической решетки, то она бы не отличалась от тепло­проводности изоляторов. Но в металлах есть еще множество свободных электронов -электронный газ, который и обеспечивает их высокую теплопроводность.

В участке металла с высокой температурой часть электронов приобретает боль­шую кинетическую энергию. Так как масса электронов очень мала, то они легко проскакивают десятки промежутков между ионами. Говорят, что у электронов большая длина свободного пробега. Сталкиваясь с ионами, находящимися в более холодных слоях металла, электроны передают им избыток своей энергии, что при­водит к повышению температуры этих слоев.

Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше теплопровод­ность. Именно поэтому у чистых металлов, где в кристаллической решетке дефек­тов относительно мало, теплопроводность велика. У сплавов, где дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше, соответственно меньше и теп­лопроводность.

 

Феноменологический закон теплопроводности. Виды теплопередачи. — КиберПедия

Закон Фурье Q=λ* (t1-t2/δ)*F*∆r. (Q=Дж, t=°С, ∆r=с, λ=Вт/м°С)

λ – (коэффициент теплоты) физическая величина, численно равная количеству теплоты, проход в единицу времени через пластинку толщиной 1м, площадью 1м², при разности t на ее поверхности 1°С. Теплопроводность зависит, от ряда параметроа материала, измеряется Вт(м°С) (λ – из СНиПа)

Термическое сопротивление пластин (Фурье) q=λ(t1-t2/δ)= (t1-t2/(δ/λ))= (t1-t2/R). R-термическое сопротивление, изм.(м²°С)/Вт. Термическое сопротивление однорядной пластины называется физическая величина, численно равная разности температур на сторонах пластины, при плотности потока теплоты, через пластину в 1Вт/м².

Виды теплопередачи

кондукций-передача теплоты между твердыми телами, или в твердом теле, при их непосредственном контакте или передача энергии молекул, без их физического перемещения g=λ*( t1-t2) Коэффициент λ(теплопроницания зависит от толщиныи теплопроводности материала).

-конвекций – твердое тело с жидкостью, или газом. При этом виде теплопередачи осуществляется передача энергии молекул, чась из которых физически перемещаются q=ά(альфа)к(tповерхности-tвоздуха). Ά(альфа)к – коэффициент конвекционного теплообмена.

-излучением – между телами на расстоянии. Этот вид теплопередачи осуществляется вследствие излучения и поглощении электромагнитных волн. (Инфракрасн. Диапазон) q= ά(альфа)л(tповерхн1-tповерхн2). (ά(альфа)л – коэффициент лучистого теплообмена).

Дополнительный материал билет 4,5.

 

  1. Теплопередача конвекцией. Коэффициент теплоотдачи конвекцией.

-конвекций – твердое тело с жидкостью, или газом. При этом виде теплопередачи осуществляется передача энергии молекул, часть из которых физически перемещаются q=ά(альфа)к(tповерхности-tвоздуха). Ά(альфа)к – коэффициент конвекционного теплообмена. Вт/м²°С

Одновременно с конвекцией происходит молярный перенос веществ и теплопроводность, т.е. количество теплоты, передаваемое конвекцией зависит:

-от характера движения жидкой или газообразной среды.

-от плотности, вязкости, t жидкой или газообразной среды.

-от состояния поверхности твердого тела

-от температурного перепада

Для расчетов теплообмена внутри поверхностей с воздухом. ά(альфа)к =1,66³√∆t

∆t=tв-tп – разность между температурой воздуха и поверхности.

Для расчета теплообмена наружной поверхности с воздухом (ф-ла Франка) αнк =7,74ν0,656 + 3,78e-1,91ν

V – скорость ветра принимать(м/с), принимают для зимы среднюю скорость из тех румбов, повторяемость которых составляет 16% и более; е = 2,718 — основание логарифма.

 

5. теплопередача-передача энергии от одного тела к другому. Излучением – между телами на расстоянии. Этот вид теплопередачи осуществляется вследствие излучения и поглощения электромагнитных волн инфракрасного диапазона. q=αΛ (t поверх 1 –tповерх2) αΛ – коэффициент лучистого теплообмена.Вт/м2 ˚С Если 2 плоских тела расположены параллельно друг от друга на большом расстоянии, то плотность потока теплоты между телами опред формулой:     6.теплообмен поверхностей ограждения с окр средой. α-коеффициент теплоотдачи q=α (t поверх 1 –tвозд и окрпредм) отдача тепла поверхностью ограждения может происходить конвекцией и излучением, поэтому α=αк(конвекц)Λ(излучен) для внутр поверхности ограждения коэффициент теплоотдачи обознается αв для наружной — αв q =αв(t в -tп1) q=αн(tп2-tн) αв = 8,7 Вт/м2˚С αн=23 Вт/м2˚С анализ составляющих элементов теплообмена. — доля участия излучения в αвсоставляет 60%, в αн 14% — величина αн в 3,2 раза больше αв, что явилось следствием воздействия ветра — в коэф αкдля наружной пов-тиестеств конвекция (второе слагаемое в формуле для αк) даже при несильном ветре не снижается до нуля. — на величину αв главное влияние оказывает разность температур (t в — tп1) и коэф излучения поверхности. -.на величину αн оказывает влияние скорость ветра Сопротивление теплопередаче ограждения q=t1-t2/Rk t – темп пов-ти ограждения, Rk термическое сопротивление q=tв-tн/Rо где Rо сопротивление теплопередаче, t внутреннего и наружного воздуха Rо – физическая величина, численно равная разности температур воздуха по разные стороны ограждения при плотности потока теплоты через ограждение в 1 Вт/м2 Формула сопротивления теплопередачи ограждения без теплопроводных включений
8 эквивалентное термическое сопротивление ограждения при параллельном расположении слоев.   9 При смешанном распоолжении слоев эта методика есть в СНиП»строит теплотехника» Сначала панель делят перпендикулярными плоскостями находят Ri ИRа Затем делят параллельными плоскостями на 3 участка, находят Ri ИRв Rkэкв = Ra +2Rв / 3  

Конспект урока по физике 8 класса по теме:»Виды теплопередачи»

Дата_______________

Класс: 8

Тема урока: Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопередача в природе и технике.

Цель:

  1. ознакомить учащихся с видами теплообмена; научить их объяснять тепловые явления на основании молекулярно-кинетической теории.

  2. развитие научного мышления учащихся, познавательных и творческих способностей, любознательности и интереса к явлениям природы, осознанных мотивов учения;

  3. воспитание ответственности, научной и экологической культуры, понимания социальной роли физической науки.

Демонстрации: перемещение тепла по спицам из различных металл и вращение вертушки над горящей лампой; нагревание раствора медного купороса в колбе; взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Тип урока: изучение нового материала

Метод обучения: словесный, практический

Модули: ИКТ, диалоговое обучение, учет возрастных особенностей, лидерство в обучении, работа с талантливыми и одаренными, оценивание для бучения и оценивание обучения, критическое мышление.

Ход урока.

  1. Организационный момент.

  2. Повторение. Проверка домашнего задания

Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

Ответ: Совершая механическую работу или теплопередачей.

Расскажите о процессе нагревания металлической ложки, погруженной в горячую воду.

Ответ: Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц ложки. Молекулы воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц ложки будет увеличиваться. Температура воды уменьшиться, а температура ложки – увеличится. Через определенное время их температуры сравняются.

Какой процесс называют теплопередачей?

Ответ: Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Приведите примеры увеличения (уменьшения) внутренней энергии тела при совершении над ним (или этим телом над другими телами) механической работы.

Ответ: При деформации тел (ударах, сгибании, разгибании, сжатии и т. д.) их внутренняя энергия увеличивается. Сжатый газ совершает работу, выталкивая пробку из сосуда, при этом внутренняя энергия газа уменьшается.

В теплую комнату внесли с улицы бутыль, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка выскочила из бутыли. Почему?

Ответ: В теплой комнате температура воздуха, находящегося под пробкой, со временем увеличивается, при этом давление воздуха повышается и это приводит к выталкиванию пробки.

Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?

Ответ: Над телами совершается работа силы трения, при этом их внутренняя энергия увеличивается, а значит и температура тел повышается.

Изучение нового материала

Работа в группах создание ментальных карт по теме: Виды теплопередачи.

Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двум способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Изменение внутренней энергии посредством теплообмена может производиться по разному. Различают три вида теплообмена:

1. Теплообмен посредством теплопроводности.

Теплопроводность — такой тип теплообмена, когда тепло перемещаете от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие тепловом движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Ставим опыт, который показывает что по разным материалам тепло перемещается с разной скоростью (рис. 1).

Для опыта необходимо взять два стержня одинаковой геометрии из меди и железа. На равных расстояниях по длине стержней укрепить кнопки на воске и свободные концы стержней начать нагревать от спиртовки Легко заметить, что первыми кнопки нач­нут падать с медного стержня. То есть тепло быстрее перемещается по медному стержню.

Можно провести и еще один опыт: на деревянный цилиндр накалывает­ся ряд кнопок, и цилиндр обертывается одним слоем бумаги (рис. 2). При кратковременном помещении цилиндра в пламя горелки происходит не­равномерное обугливание бумаги.

Учитель задает вопрос:

— Почему бумага, прилегающая к кнопкам, обуглилась меньше?

Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содер­жании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемеща­ется. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие — плохие про­водники тепла. Это — различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теп­лопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

2. Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться (этот опыт проиллюстрирован в учебнике на с. 14). Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, по­этому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жид­кость.

На опыте по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены кристаллики медного купороса, мы замечаем голубые «змейки», которые поднимаются вверх.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это — длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении кон­векционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемеши­вание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности явля­ется то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не пе­реносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения — примеры конвекции.

3. Под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают пе­ренос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело являет­ся источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в ва­кууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Если поставить опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике, мы можем убедиться в том, что от излучателя лучистая энергия попадает на теплоприемник, и нагретый в колене манометра воздух уве­личивает свое давление. Если темную мембрану теплоприемника заме­нить на зеркальную, то степень поглощения лучистой энергии станет за­метно меньше, что видно по малому перепаду уровней жидкости в коле­нах манометра.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отда­ют в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной темпе­ратуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Спо­собность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

Закрепление изученного материала.

Ответьте на следующие вопросы:

1. Почему вы обжигаете губы, когда пьёте чай одинаковой температуры из металлической кружки, и не обжигаете, когда пьёте чай из фарфоровой кружки?

Ответ. Металлическая кружка по сравнению с фарфоровой нагревается сильнее, вследствие высокой теплопроводности металла по сравнению с фарфором.

2. Почему ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы или дерева?

Ответ. Пластмасса и дерево имеют низкую теплопроводность. Такие ручки предохраняют руки человека от ожога.

3. Почему нагретая сковорода охлаждается в воде быстрее, чем на воздухе?

Ответ. Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух.

4. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?

Ответ. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждаются быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьшается, уменьшается и тяга.

5. Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?

Ответ. Батареи находятся ниже окон, для того, чтобы согревать холодный воздух, выходящий из окна. Благодаря конвекции теплый слой воздуха поднимается вверх и обогревается всё помещение.

6. Зачем самолёты красят «серебряной» краской?

Ответ. Для меньшего нагревания или охлаждения корпуса самолёта.

7. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?

Ответ. Темные тела лучше поглощают излучение Солнца и потому быстрее нагреваются.

8. Какой из изображенных чайников быстрее остынет?

Ответ. Быстрее остынет черный чайник, так как темные тела быстрее охлаждаются.

9. Посмотрите на рисунок. Почему одному мальчику жарко, а другому нет?

Ответ. Один из мальчиков одет в темную футболку, хорошо поглощающую солнечной энергии, и ему жарко. А другой одет в светлую футболку, которая плохо поглощает энергию Солнца.

10. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Ответ. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основания трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким образом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание §5-8

Рефлексия

Что нового, интересного вы узнали сегодня на уроке?

Какие понятия должны запомнить?

Что понравилось на уроке? Почему?

Что не понравилось?

Лист оценивания.

Изучение нового материла

Критерии оценивания флипчата:

1.наглядно- 3 балла

2.доступно- 4 балла

Повторение д/з

Ответили на все вопросы – по 2 балла за 6 вопросов

Изучение нового материла

Критерии оценивания ментальной карты:

1.наглядно- 3 балла

2.доступно- 4 балла

Закрепление.

Ответили на все вопросы – по 2 балла за 10 вопросов

Итого:

32-39 баллов оценка — «5»

18-31 баллов оценка — «4»

17-23 баллов оценка — «3»

1-16 баллов оценка — «2»

Индивидуальный лист самооценивания:

Ф.И. ученика____________________

этап урока

количество баллов

итога за урок

Проверка д/з

изучение нового материала

Закрепление

5.6 Методы теплопередачи – теплопроводность, конвекция и излучение Введение – Физика Колледжа Дугласа 1207

Глава 5 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

  • Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересными, чем влияние теплопередачи на систему, являются методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит теплообмен. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю для приготовления пищи, или медленно, например, через стенки ящика со льдом для пикника.Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду для зимы), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнитель вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша, чтобы отражать лето). Солнечный лучик). С передачей тепла связано так много процессов, что трудно представить себе ситуацию, при которой передача тепла не происходит. Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, происходит только тремя способами:

  1. Теплопроводность — передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.
  2. Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в печи с принудительной подачей воздуха и в климатических системах.
  3. Теплопередача посредством излучения происходит при излучении или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого вида электромагнитного излучения.Очевидным примером является нагревание Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.
Рисунок 1. В камине передача тепла осуществляется всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы подробно рассмотрим эти методы в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но все три имеют одну общую черту: они передают тепло исключительно за счет разницы температур. Рисунок 1.

Проверьте свое понимание

1: Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

  • Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Концептуальные вопросы

1: Каковы основные способы передачи тепла от горячего ядра Земли к ее поверхности? С поверхности Земли в космос?

2: Когда наши тела становятся слишком горячими, они реагируют на это выделением пота и усилением кровообращения на поверхности, чтобы отвести тепловую энергию от ядра. Как это повлияет на человека в джакузи с температурой 40,0 o C?

3: На рис. 2 показан вид в разрезе термоса (также известного как сосуд Дьюара), который представляет собой устройство, специально предназначенное для замедления всех форм теплопередачи.Объясните функции различных частей, таких как вакуум, серебрение стенок, тонкостенная длинная стеклянная горловина, резиновая опора, воздушный слой и пробка.

Рисунок 2. Конструкция термоса предназначена для подавления всех методов передачи тепла.

Глоссарий

проводимость
передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте
конвекция
перенос тепла макроскопическим движением жидкости
излучение
теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Решения

Проверьте свое понимание

1: Теплопроводность: Тепло передается вашим рукам, когда вы держите чашку горячего кофе.

Конвекция: теплопередача, когда бариста «варит» холодное молоко для приготовления горячего какао .

Радиация: подогрев холодной чашки кофе в микроволновой печи.

 

Механизмы теплопередачи — Energy Education

Рисунок 1. На фотографии выше показан аэрогель, чрезвычайно хороший теплоизолятор, между паяльной лампой и спичками. Аэрогель блокирует все тепло от паяльной лампы и предотвращает возгорание спичек. [1]

Механизмы теплопередачи — это способы передачи тепловой энергии между объектами, и все они основаны на основном принципе, согласно которому кинетическая энергия или тепло должны быть в равновесии или в равных энергетических состояниях .Существует три различных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучистое тепло (часто называемое излучением, но это более общий термин, включающий множество других явлений). [2] Существует родственное явление, связанное с передачей скрытого тепла, называемое эвапотранспирацией.

Проводка

Основная статья

Теплопроводность — простейшая модель теплопередачи с точки зрения возможности математического объяснения происходящего.Это движение кинетической энергии в материалах из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой через вещество. [3] Молекулы будут просто отдавать свою энергию соседним молекулам, пока не будет достигнуто равновесие. Модели проводимости не имеют дело с движением частиц внутри материала.

Конвекция

Рисунок 2. Воздух над сушей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. [4]
основной артикул

Конвекция — это передача тепла посредством движения жидкости (например, воздуха или воды).Разница между проводимостью и конвекцией заключается в движении материального носителя; конвекция — это движение тепловой энергии за счет движения горячей жидкости (в отличие от нагревания другого материала за счет раскачивания атомов). Обычно это движение происходит в результате различий в плотности. Более теплые частицы менее плотны, поэтому частицы с более высокой температурой будут перемещаться в области с более низкой температурой, а частицы с более низкой температурой — в области с более высокой температурой. Жидкость будет оставаться в движении, пока не будет достигнуто равновесие.

Радиация

Рисунок 1: Костры излучают лучистую «энергию» и ощущаются как «лучистое тепло». [5]
основной артикул

Тепло, передаваемое излучением, называется лучистым теплом. Подобно свету, лучистое тепло является лучистой энергией, и для его переноса не обязательно требуется среда. Этой форме передачи энергии способствует электромагнитное излучение. [6] Все движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитное излучение.Эта излучаемая волна будет двигаться, пока не столкнется с другой частицей. Частица, получившая это излучение, получит его в виде кинетической энергии. Частицы будут получать и излучать излучение даже после того, как все будет иметь одинаковую температуру, но этого не замечают из-за того, что в этот момент материал находится в равновесии.

Этот тип теплопередачи особенно важен при установлении температуры Земли. Излучение, как передача тепла, — это то, как Земля получает энергию от солнца. Радиация также важна для парникового эффекта.

Эвапотранспирация

Рисунок 1. Круговорот воды зависит от эвапотранспирации. [7]
основной артикул

Эвапотранспирация — это энергия, переносимая фазовыми переходами, такими как испарение или сублимация. [8] Вода требует достаточного количества энергии для изменения фазы, поэтому этот процесс подтверждает, что водяной пар имеет связанное с ним достаточное количество энергии. Этот тип механизма передачи энергии часто не указывается среди различных типов механизмов передачи, так как его сложнее понять.

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Викисклад. (30 июля 2015 г.). Аэрогель [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Aerogel_matches.jpg
  2. ↑ Гиперфизика, Теплопередача [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
  3. ↑ Гиперфизика, Теплопроводность [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html#c2
  4. ↑ «Выбор чтения свойств материи: плотность создает течения». [В сети]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
  5. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire_from_brazier.jpg
  6. ↑ Р. Чабай и Б. Шервуд, «Энергия и импульс в излучении», в Matter & Interactions, 3-е изд., Hoboken, NJ: Wiley, 2011, ch.24, sec.5, pp. 1002-1003
  7. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Эвапотранспирация#/media/File:Surface_water_cycle.svg
  8. ↑ Геологическая служба США, Эвапотранспирация — круговорот воды [онлайн], доступно: http://water.usgs.gov/edu/watercycleevapotranspiration.html

Теплопередача: никакого волшебства в этом нет — Урок

(3 рейтинга)

Быстрый просмотр

Уровень: 10 (9-11)

Необходимое время: 30 минут

Урок Зависимость: Нет

Предметные области: Физические науки, физика

NGSS Ожидаемые характеристики:


Поделиться:

Резюме

Теплопередача — важная концепция, которая очевидна в нашей повседневной жизни, но часто неправильно понимается учащимися.На этом уроке учащиеся изучают научные концепции температуры, тепла и теплопередачи посредством теплопроводности, конвекции и излучения. Эти концепции иллюстрируются сравнением с магическими заклинаниями, используемыми в историях о Гарри Поттере. Эта инженерная учебная программа соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Тепло — это концепция, которую важно понимать в различных областях техники.Это особенно актуально для инженеров-строителей, инженеров-механиков и химиков, поскольку теплопередача играет ключевую роль в выборе материалов, эффективности машин и кинетике реакций соответственно. На этом уроке учащиеся узнают, как теплопередача применяется в технике, и им предлагается рассмотреть примеры инженерных проектов, основанных на научных принципах теплопередачи.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Дайте определение и объясните тепло, проводимость, конвекцию и излучение.
  • Объясните связь между кинетической и потенциальной энергией атомов в термодинамической системе.
  • Соотнесите приведенные выше концепции с обычными инженерными проектами и примерами из природы.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.достижениястандарты.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты следующего поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS

ГС-ПС3-2.Разработайте и используйте модели, чтобы проиллюстрировать, что энергию в макроскопическом масштабе можно объяснить либо движением частиц, либо энергией, хранящейся в полях. (9-12 классы)

Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Ключевые дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки
Разработать и использовать модель на основе фактических данных для иллюстрации отношений между системами или между компонентами системы.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Энергия — это количественное свойство системы, которое зависит от движения и взаимодействия материи и излучения внутри этой системы. Наличие единственной величины, называемой энергией, объясняется тем фактом, что полная энергия системы сохраняется, даже если внутри системы энергия постоянно передается от одного объекта к другому и между ее различными возможными формами.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

В макроскопическом масштабе энергия проявляется множеством способов, таких как движение, звук, свет и тепловая энергия.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Эти взаимосвязи лучше понять в микроскопическом масштабе, где все различные проявления энергии могут быть смоделированы как комбинация энергии, связанной с движением частиц, и энергии, связанной с конфигурацией (относительным положением частиц). В некоторых случаях энергию относительного положения можно рассматривать как накопленную в полях (которые опосредуют взаимодействия между частицами).Это последнее понятие включает в себя излучение, явление, при котором энергия, хранящаяся в полях, перемещается в пространстве.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Энергия не может быть создана или уничтожена — она только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и/или полями или между системами.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология
  • Технологические инновации часто возникают, когда идеи, знания или навыки используются совместно в рамках технологии, между технологиями или в других областях.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Энергия не может быть создана или уничтожена; однако его можно преобразовать из одной формы в другую.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Энергия может быть сгруппирована в основные формы: тепловая, лучистая, электрическая, механическая, химическая, ядерная и другие.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ
Техас — Наука
  • описать, как макроскопические свойства термодинамической системы, такие как температура, удельная теплоемкость и давление, связаны с молекулярным уровнем материи, включая кинетическую или потенциальную энергию атомов; (Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • противопоставить и привести примеры различных процессов переноса тепловой энергии, включая теплопроводность, конвекцию и излучение; и (Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • анализировать и объяснять повседневные примеры, иллюстрирующие законы термодинамики, в том числе закон сохранения энергии и закон энтропии.(Оценки 9 — 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Рабочие листы и вложения

Посетите [www.Teachengineering.org/lessons/view/uoh_magic_lesson01] для печати или загрузки.

Больше учебных программ, подобных этому

Высший элементарный урок Что такое тепло?

Студенты узнают об определении тепла как формы энергии и о том, как оно существует в повседневной жизни. Они узнают о трех типах теплопередачи — теплопроводности, конвекции и излучения, а также о связи между теплом и изоляцией.

Высший элементарный урок Что модно, а что нет?

С помощью простых демонстрационных упражнений под руководством учителя учащиеся изучают основы физики теплопередачи посредством теплопроводности, конвекции и излучения.Они также узнают о примерах отопительных и охлаждающих устройств, от плит до автомобильных радиаторов, с которыми они сталкиваются в своих домах, школах…

Высший элементарный урок Насколько жарко?

Студенты узнают о природе тепловой энергии, температуре и о том, как материалы хранят тепловую энергию.Они обсуждают разницу между проводимостью, конвекцией и излучением тепловой энергии, а также выполняют задания, в которых исследуют разницу между температурой, тепловой энергией и …

Деятельность средней школы Топить или не топить?

Учащиеся знакомятся с различными видами энергии с упором на тепловую энергию и виды теплопередачи, поскольку перед ними стоит задача разработать лучший термос для путешествий, который будет экономически выгодным, эстетичным и будет соответствовать цели дизайна по поддержанию жидкостей в горячем состоянии.

Предварительные знания

Учащиеся должны быть знакомы с понятием энергии и законом сохранения энергии. Они также должны иметь базовые знания по химии в средней школе.

Введение/Мотивация

(Заранее сделайте копии рабочего листа с инструкциями по переносу тепла, по одной на каждого учащегося, и приготовьте несколько кубиков льда для быстрой демонстрации.Раздайте рабочие листы сейчас, чтобы помочь учащимся оставаться вовлеченными и следить за содержанием по мере его представления. В инструкциях основное внимание уделяется определениям и примерам теплопередачи.)

Сегодня мы поговорим о понятии, которое покажется вам знакомым: тепло. Хотя я уверен, что вы уже слышали слово «тепло», сегодня мы собираемся обсудить науку и физику, лежащие в основе того, что такое тепло на самом деле. Может ли кто-нибудь описать ситуацию, в которой вы чувствовали себя самым холодным или самым горячим из всех, что вы когда-либо чувствовали? (Послушайте нескольких учеников.Избегайте рассказывания историй и отвлекающих разговоров.) Кто-нибудь из вас обжегся во время приготовления пищи или, может быть, обморозился, находясь в снегу? (Послушайте несколько примеров учеников.)

Когда мы говорим о том, жарко или холодно, мы имеем в виду температуру. Температура – ​​это мера средней тепловой энергии в системе. (Напишите определение на классной доске.) Если у объекта, например противня для выпечки, много энергии, он кажется горячим, а если у него меньше энергии, то он кажется менее горячим.Чтобы помочь объяснить это, может ли кто-нибудь сказать мне, из каких основных элементов (строительных блоков) состоит типичная форма для выпечки? (Возможные ответы: металл, молекулы, атомы.) Если вы помните из уроков химии, противень состоит из миллиардов и миллиардов атомов, которые вибрируют и перемещаются на месте. Как мы узнали в нашем разделе об энергии, все, что движется, имеет кинетическую энергию, поэтому мы определяем температуру как меру энергии в системе. Таким образом, когда атомы в системе движутся быстрее, система имеет больше энергии и более высокую температуру, а когда атомы движутся медленнее, система имеет меньше энергии и более низкую температуру.Мы знаем, что энергия не может быть создана или уничтожена, а непрерывно передается между различными формами потенциальной и кинетической энергии. На сегодняшнем уроке мы узнаем о тепле и трех способах его передачи.

В науке мы определяем теплоту как передачу тепловой энергии от одной системы к другой. (Добавьте это определение на доску.) Мне нужен один доброволец. (Призовите одного из учащихся подойти к классу. Дайте ему кубик льда.) Как ощущается лед на вашей руке? (Ответ: Холод) Как вы думаете, как тепло передается между вашей рукой и льдом? (Ожидаемый ответ: От льда у меня стынет рука.) Хорошо спасибо. (Пусть учащийся сядет.) Это демонстрирует важную концепцию тепла: Тепло всегда переходит от высокой энергии к низкой энергии. Поскольку в руке (имя учащегося) было больше энергии, чем во льду, энергия передавалась от руки ко льду. Таким образом, лед заставляет вашу руку чувствовать себя холодной, но это потому, что ваша рука передает энергию льду, в результате чего температура льда повышается, а температура вашей руки понижается. Так что действительно, ваша рука делает лед теплее! Инженеры используют это детальное понимание теплопередачи для выполнения многих задач.Например, давайте рассмотрим двигатель автомобиля.

Чтобы автомобиль двигался, его двигатель сжигает бензин или дизельное топливо и преобразует химическую потенциальную энергию, запасенную в топливе, в кинетическую энергию. В этой реакции выделяется огромное количество тепла, которое передается двигателю. Если двигатель перегревается, детали начинают ломаться. Чтобы поддерживать более терпимую температуру двигателя, инженеры разработали систему, которую мы называем радиатором. Жидкость в радиаторе проходит через двигатель, где тепло передается жидкости, которая затем возвращается к радиатору, где охлаждается, прежде чем вернуться к двигателю.Учащиеся могут провести собственный эксперимент с соответствующим заданием «Что лучше всего работает в радиаторе?» путем измерения различий в передаче тепловой энергии между различными жидкостями.

Этот пример радиатора демонстрирует один тип теплопередачи. В оставшейся части нашего сегодняшнего разговора мы определим и обсудим все способы передачи тепла. Кроме того, мы увидим примеры теплопередачи как в волшебном мире Гарри Поттера, так и в нашей повседневной жизни.

(Продолжайте, предоставляя учащимся информацию о содержании предыстории урока.)

Предыстория урока и концепции для учителей

Температура

Температура – ​​это мера средней тепловой энергии в системе или теле. Мы используем три общепринятые шкалы для измерения температуры: по Фаренгейту, по Цельсию и по Кельвину. Шкала Фаренгейта определяет точку замерзания воды как 32 ⁰F и точку кипения воды как 212 ⁰F, тогда как шкала Цельсия определяет точку замерзания воды как 0 ⁰C и точку кипения воды как 100 ⁰C.Шкала Кельвина представляет собой адаптацию шкалы Цельсия, которая устанавливает абсолютный ноль как 0 К. При абсолютном нуле атомы перестают двигаться, и тепловой энергии не существует. Для справки, одним из самых холодных материалов является жидкий азот, температура которого составляет 77 К, что составляет -196 ⁰C или -321 ⁰F.

Тепло

Тепло является важной концепцией для исследователей, ученых и инженеров. Термин «тепло» отличается от температуры тем, что это не мера тепловой энергии, а скорее мера передачи тепловой энергии.Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. При передаче тепловой энергии она всегда переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией (о чем свидетельствует лед в руке ученика). Хотя принято думать, что холодные предметы дают нам что-то при прикосновении, скорее наши тела теряют энергию, что приводит к снижению нашей тепловой энергии и температуры.

Проводимость

Теплопроводность – это передача тепла за счет прямого контакта систем.Атомы, вибрирующие в одном объекте, при контакте воздействуют на атомы другого объекта. У объекта с большей тепловой энергией атомы колеблются быстрее, чем у объекта с меньшей тепловой энергией, и при их соприкосновении происходит передача энергии от объекта с большей энергией к объекту с меньшей энергией. Из-за близости атомов и молекул проводимость наиболее эффективна в твердой и жидкой фазах и менее эффективна в газовой фазе. Эту концепцию можно проиллюстрировать, пытаясь охладить напиток.Напиток охлаждается быстрее, если его положить в ведро с ледяной водой (≈4 ⁰C), а не в холодильник (≈4 ⁰C), потому что через жидкость контактирует с напитком больше молекул, чем через охлажденный воздух.

Внутри проводимости есть понятие проводимости. Проводимость не ограничивается пребыванием между двумя объектами; это также может быть передача тепла внутри одного объекта или материала. Например, если на плите нагревается металлическая сковорода (плита передает свою тепловую энергию металлической сковороде), то слой атомов в сковороде в месте контакта с плитой начинает вибрировать быстрее, что затем взаимодействует со следующим слоем атомов и так далее по всей сковороде.Проводимость, то есть способность материала передавать тепловую энергию, в значительной степени зависит от молекулярной структуры и связи материала. Проводники — это материалы, которые быстро передают тепло, а изоляторы — это материалы, которые не передают тепло эффективно. Такие материалы, как металлы, стекло и керамика, являются хорошими проводниками; такие материалы, как пластик, дерево и пенопласт, являются изоляторами.

(Чтобы заинтересовать учащихся, используйте примеры заклинаний из историй о Гарри Поттере, чтобы проиллюстрировать концепцию проводимости.) Из мира Гарри Поттера одно заклинание под названием flagrante заставляет объект сжигать всех, кто к нему прикасается. Обычно объекту требуется высокая тепловая энергия для передачи этой энергии посредством проводимости, но в этом случае предполагается, что магия передает энергию. В маггловском мире (нашем мире) существует множество искусственных и естественных примеров проводимости. Например, проводимость проиллюстрирована на примере автомобильного радиатора (см. рис. 1). Одной из функций системы радиатора является циркуляция охлаждающей жидкости через горячий блок двигателя, который передает свое тепло за счет теплопроводности жидкости радиатора, тем самым уменьшая количество тепла в двигателе и снижая риск перегрева.Еще одним примером технологии, в которой применяется понимание теплопроводности, является использование изоляционных материалов, которые сопротивляются потоку тепла и уменьшают теплопроводность. Люди и животные используют изоляционные материалы; мы строим дома и здания с изоляцией, чтобы регулировать температуру, а у животных, таких как моржи, есть жировая ткань, называемая ворванью, которая изолирует их от холодной окружающей среды. Рисунок 1. Радиатор автомобиля использует как конвекцию, так и теплопроводность для охлаждения двигателя. Copyright © 2006 Билл Ригли, Wikipedia Commons http://en.wikipedia.org/wiki/Файл:Automobile_radiator.jpg

Конвекция

Конвекция часто наблюдается при движении сыпучих жидкостей. Когда жидкости или газы текут, они обмениваются тепловой энергией с другими средами, с которыми вступают в контакт. Как обсуждалось ранее, жидкость радиатора охлаждается, когда она возвращается в радиатор; это достигается за счет прохождения воздуха над горячим радиатором и передачи тепла от радиатора к воздуху. Кроме того, конвекция может происходить внутри отдельного тела жидкости из-за изменения температуры в объемной массе жидкости.Подобно проводимости твердых тел, объемные системы жидкостей могут иметь разные температурные градиенты, но жидкость отличается тем, что эта разница температур может привести к значительным изменениям плотности. Поскольку жидкости, такие как газы и жидкости, могут свободно перемещаться, если температура одной части жидкости повышается (из-за теплопроводности или излучения), ее плотность уменьшается, а эта часть жидкости поднимается. Конвекцию можно проиллюстрировать камином, который нагревает воздух в комнате, заставляя его расширяться и подниматься, в то время как более холодный воздух у потолка падает к огню, где он нагревается.Конвекция проявляется во многих сценариях в виде непрерывного процесса нагрева и охлаждения, о чем свидетельствуют эти восходящие и нисходящие движения.

(Чтобы заинтересовать учащихся, используйте примеры заклинаний из серии книг о Гарри Поттере, чтобы проиллюстрировать концепцию конвекции). воздух выходит из палочки. Горячий воздух — это движение объемной жидкости, которая передает тепло любому объекту, с которым сталкивается.В маггловском мире существует множество искусственных и естественных примеров конвекции. Инженеры разработали печи, электронные системы охлаждения и теплообменники, такие как автомобильные радиаторы, чтобы извлечь выгоду из концепции конвекции. Как обсуждалось выше, жидкость в радиаторе автомобиля нагревается двигателем, после чего циркулирует обратно к радиатору и охлаждается воздухом, проходящим над поверхностью радиатора. Радиатор представляет собой пример непрерывного процесса нагрева и охлаждения жидкости, приводимый в действие не изменением плотности, а механическим насосом.Большие уши слона являются примером естественного радиатора; теплая кровь циркулирует сердцем в уши и охлаждается воздухом, который проходит над поверхностью уха. Непрерывный процесс охлаждения теплой крови, циркулирующей через уши, помогает животному сохранять прохладу в сильную африканскую жару.

Радиация

Излучение – это передача тепла электромагнитными волнами. Электромагнитные волны могут передаваться в пространстве без присутствия материи, но тепловая энергия не генерируется до тех пор, пока волны не соприкоснутся с материей.Когда электромагнитные волны контактируют с материей, они переносят тепло, увеличивая тепловую энергию материи. Интересно отметить, что тепло, переносимое излучением, является функцией поглощения материей электрометрических волн. Белые объекты отражают большую часть падающего на них света, тем самым поглощая очень мало энергии и избегая передачи тепла из-за излучения. На другом конце спектра черные объекты поглощают весь свет и имеют максимальную теплопередачу за счет излучения.Но излучение происходит не только от видимого света; это также может быть связано с электромагнитными волнами в диапазоне инфракрасных и других.

(Чтобы заинтересовать учащихся, используйте примеры заклинаний из Гарри Поттера, чтобы проиллюстрировать концепцию излучения.) В вымышленных историях о Гарри Поттере одним из примеров излучения является заклинание под названием lumus , которое заставляет палочку передавать луч света. Хотя заклинание используется больше как фонарик, оно все же производит электромагнитные волны, передающие тепло.В маггловском мире также существует множество искусственных и естественных примеров радиации. Одной из простых демонстраций является концентрация солнечного света в тонкой точке с помощью увеличительного стекла. Если держать его неподвижно на листе бумаги, энергия солнца в конечном итоге заставляет бумагу дымиться и загораться. Техническим примером использования излучения для передачи тепла является микроволновая печь, которая передает микроволны в пищу, заставляя атомы вибрировать быстрее и повышая температуру.Основным примером излучения в природе является солнце, которое является источником тепла и тепла для всего живого на Земле. Один из способов увидеть влияние солнца на передачу тепла — сравнить климат на экваторе с климатом ближе к полюсам. Разница в средних температурах обусловлена ​​углом, под которым электромагнитные волны сталкиваются с поверхностью Земли.

Связанные виды деятельности

Закрытие урока

После того, как учащиеся выполнили соответствующее задание, привлеките их внимание для повторения всех основных понятий:

  • Обсудите важность понимания удельной теплоемкости различных материалов и важность учета этих свойств инженерами при проектировании конструкций, устройств, химикатов и большинства продуктов.
  • Попросите учащихся объяснить по крайней мере один естественный и один искусственный пример каждого из трех типов массообмена энергии.
  • Завершите урок, установив краткую и начальную связь между теплом и более широкой темой термодинамики. Теплообмен часто преподается непосредственно перед или во время раздела по термодинамике, поэтому важно помочь учащимся понять, как тепло вписывается в более широкую тему термодинамики.

Словарь/Определения

проводимость: передача тепла путем движения атомов вследствие контакта от систем с высокой температурой к системам с более низкой температурой.

конвекция: передача и перемещение тепла объемным потоком жидкости.

тепло: передача тепловой энергии между системами или внутри одной системы.

излучение: передача тепла за счет поглощения и излучения электромагнитных волн.

температура: Мера средней тепловой энергии в системе или теле.

Оценка

Оценка перед уроком

Энергетический обзор: Устно повторите вместе с учащимися концепции энергии и закон сохранения энергии.Задавайте вопросы, чтобы освежить свои знания об энергии и соединить понятия энергии и тепла. Например:

  • Что говорит нам закон сохранения энергии? (Ответ: Энергия не может быть создана или уничтожена.)
  • Каковы две основные формы энергии? (Ответ: Потенциальная и кинетическая энергия.)
  • Назовите мне несколько сценариев, в которых существует потенциальная и кинетическая энергия? (Ответ: Потенциальная энергия: книга на полке; кинетическая энергия: шар для боулинга, катящийся по полу; обе: летящая птица и т. д.)

Встроенная оценка урока

Ведение заметок с подсказками: Во время урока перемещайтесь по классу, чтобы наблюдать за прогрессом каждого учащегося в листе подсказок для заметок по переносу тепла. В конце урока соберите рабочие листы, чтобы оценить вовлеченность учащихся и их понимание пройденного материала.

Оценка итогов урока

Словарный запас: Попросите учащихся дать определения и написать краткие определения всех слов словаря.

Домашнее задание

Примеры исследований: Попросите учащихся исследовать искусственные и естественные примеры теплопроводности, конвекции и излучения.Попросите их написать короткие абзацы, объясняющие их пример поиска для каждого.

Рекомендации

Джарвис, Лори и Деб Симонсон. «Теплообмен: теплопроводность, конвекция, излучение». WISC-Онлайн. Опубликовано в 2004 г. Технологический колледж Фокс-Вэлли. По состоянию на 6 декабря 2012 г. (Полезно для простых определений и иллюстраций.) http://www.wisc-online.com/Objects/ViewObject.aspx?ID=sce304

Зоннтаг, Ричард.Э., Клаус Боргнакке и Гордан Дж. Ван Вилен. Основы термодинамики . 7-е издание. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., 2008.

.

Авторские права

© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2012 Университет Хьюстона

Авторы

Брэдли Безесс, Джереми Арднер

Программа поддержки

Программы Национального научного фонда GK-12 и исследовательского опыта для учителей (RET), Хьюстонский университет

Благодарности

Содержание этой цифровой библиотеки было разработано Инженерным колледжем Хьюстонского университета в рамках гранта Национального научного фонда GK-12, номер DGE 0840889.Однако это содержание не обязательно отражает политику NSF, и вы не должны предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 16 апреля 2022 г.

Механизмы потери или передачи тепла

Утечка (или передача) тепла изнутри наружу (от высокой температуры к низкой) посредством трех механизмов (по отдельности или в комбинации) из дома:

  • Проводка
  • Конвекция
  • Радиация

Примеры передачи тепла путем теплопроводности, конвекции и излучения

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание примеров теплопередачи теплопроводностью, конвекцией и излучением

  • Теплопроводность : тепло, проходящее через стены дома от высокой температуры внутри до низкой температуры снаружи.
  • Конвекция : тепло, циркулирующее в комнатах дома.
  • Излучение : Солнечное тепло, проникающее в дом.

Проводка

Теплопроводность — это процесс, при котором тепло передается от горячей области твердого тела к холодной области твердого тела за счет столкновений частиц.

Другими словами, в твердых телах атомы или молекулы не имеют свободы движения, как жидкости или газы, поэтому энергия сохраняется в вибрации атомов.Атом или молекула с большей энергией передает энергию соседнему атому или молекуле посредством физического контакта или столкновения.

На изображении ниже тепло (энергия) передается от конца стержня в пламени свечи к более холодному концу стержня по мере того, как колебания одной молекулы передаются следующей; однако движения энергичных атомов или молекул нет.

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы запустить анимацию.

Анимация свечи проводимости

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание анимации «Свеча проводимости»

Пример проведения

Рука держит металлический стержень над зажженной свечой.Молекулы быстро нагреваются в месте, где пламя касается стержня. Затем тепло распространяется по всему металлическому стержню, и его можно почувствовать рукой.

При отоплении жилых помещений тепло передается за счет теплопроводности через твердые тела, такие как стены, полы и крыша.

Пример проводки в отношении отопления жилых помещений

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание примера теплопроводности жилых помещений

Пример проводки в отношении отопления жилых помещений

Изобразите сечение стены в доме.Внутри дома 65°F, а снаружи 30°F. Две стрелки указывают изнутри дома наружу, чтобы показать, как тепло передается изнутри дома наружу через стену посредством теплопроводности.

Потери тепла через сплошную стену за счет теплопроводности

Конвекция

Конвекция — это процесс, при котором тепло передается от одной части жидкости (жидкости или газа) к другой за счет объемного движения самой жидкости. Горячие области жидкости или газа имеют меньшую плотность, чем более холодные области, поэтому они имеют тенденцию подниматься.По мере того, как более теплые жидкости поднимаются, они замещаются более холодными жидкостями или газами сверху.

В приведенном ниже примере тепло (энергия), исходящее от пламени свечи, поднимается вверх и заменяется окружающим его холодным воздухом.

Пример передачи тепла конвекцией

Нажмите здесь, чтобы открыть текстовое описание анимации конвекционной свечи

Пример конвекции

Рука над зажженной свечой. Когда свеча нагревает воздух, тепло поднимается к руке.В конце концов становится слишком жарко, и рука отрывается от свечи.

В бытовом отоплении конвекция представляет собой механизм потери тепла за счет утечки теплого воздуха наружу при открывании дверей или просачивания холодного воздуха в дом через щели или отверстия в стенах, окнах или дверях. Когда холодный воздух соприкасается с обогревателем в помещении, он поглощает тепло и поднимается вверх. Холодный воздух, будучи тяжелым, опускается на пол и нагревается, таким образом медленно нагревая весь воздух в помещении.

Инструкции : Нажмите кнопку воспроизведения ниже и наблюдайте, что происходит с холодным воздухом (синие стрелки), когда он входит в дом и сталкивается с теплым воздухом (красные стрелки), выходящим из вентиляционного отверстия:

Конвекция в комнате Анимация

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание анимации «Конвекция в комнате»

Пример конвекции при отоплении жилых помещений

Представьте себе комнату с открытой дверью, впускающей прохладный воздух слева, и радиатором, создающим тепло, справа.Поскольку радиатор нагревает воздух вокруг себя, воздух поднимается вверх и заменяется холодным воздухом. Как только теплый воздух попадает на потолок, он движется влево к открытой двери, охлаждаясь по мере движения. Прохладный воздух из открытой двери движется вправо по полу к радиатору, который нужно нагреть. Общий эффект представляет собой круговой конвекционный поток воздуха в помещении.

Радиация

Излучение – это перенос тепла посредством электромагнитных волн в пространстве. В отличие от конвекции или проводимости, когда энергия от газов, жидкостей и твердых тел передается молекулами с их физическим движением или без него, излучение не нуждается в какой-либо среде (молекулах или атомах).Энергия может передаваться излучением даже в вакууме.

На изображении ниже солнечный свет распространяется на землю через пространство, где нет газов, твердых тел или жидкостей.

Пример анимации излучения

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание анимации «Пример излучения»

Пример излучения

Представьте Солнце и Землю со стрелами, летящими от Солнца к Земле через пространство.Стрелки представляют энергию, которая передается на Землю через излучение, для которого не требуется никакой среды (атомов или молекул).

Проверь себя

Во-первых, определите тип потери тепла в доме, изображенный на изображениях A-J: теплопроводность, конвекция или излучение. Затем нажмите и перетащите каждое изображение в нужную категорию в нижней части экрана.

Проверь себя Активность

Нажмите здесь, чтобы открыть текстовое описание задания «Проверь себя»

Проверь себя: виды теплопотерь

Определите тип потери тепла (проводимость, конвекция или излучение) для каждого из следующих примеров:

  1. Выход тепла через крышу дома
  2. Горелка для плиты
  3. Кипяток
  4. Галогенная лампа с факелом, излучающая свет и тепло
  5. Широко распахнутая дверь, впускающая холодный воздух
  6. Огонь, создающий тепло
  7. Выход тепла через стену
  8. Зеркало, отражающее солнечный свет
  9. Выход тепла через окно
  10. Отвод тепла через дымоход

Ответы:

А.Проводка

Б. Радиация

С. Конвекция

D. Радиация

E. Конвекция

F. Радиация

Г. Проводимость

Г. Радиация

I. Проводка

Дж. Радиация

Снижение энергопотребления

Есть два способа снизить потребление энергии.

  1. Самый экономичный способ — улучшить «оболочку» дома — стены, окна, двери, крышу и полы, окружающие дом, — путем улучшения изоляции (потери проводимости) и герметизации утечек воздуха с помощью уплотнения (конвекция). потери).
  2. Второй способ снизить энергопотребление — повысить эффективность печи, которая обеспечивает тепло.

Проводимость и конвекция

Щелкните здесь, чтобы открыть текстовое описание диаграммы проводимости и конвекции

Штриховой чертеж дома со стрелками, указывающими от стен и крыши, показывающий проводимость, и стрелки, текущие по кругу внутри дома, показывающие конвекцию.

Теплопередача — Викиверситет

Существует 2 основных механизма передачи тепла от более горячего материала к более холодному:

Проводка[править | править источник]

Это происходит, когда два твердых объекта соприкасаются внутри жидкостей или между соприкасающимися жидкостями и твердыми телами.Некоторые материалы проводят тепло намного лучше, чем другие. Например, металлы обычно лучше проводят тепло, чем дерево. Хорошие теплопроводники при комнатной температуре часто кажутся прохладными на ощупь, поскольку они отводят тепло тела от руки более теплого человека.

Пример[править | править источник]

Кирпичный дом поглощает тепло солнечного излучения в течение дня на поверхности кирпичей. Это тепло медленно проходит через кирпичи и нагревает дом только после того, как достигает внутреннего края.Это может занять несколько часов. Таким образом, в домах может быть жарче всего после захода солнца.

Конвекция[править | править источник]

Для этого типа теплопередачи требуется жидкость, которая может быть газом или жидкостью, и сила, действующая на жидкость, например сила тяжести. Конвекция возникает из-за изменения плотности жидкостей при изменении температуры этих жидкостей. Обычно жидкости при нагревании становятся менее плотными, но есть и исключения. В случае жидкости, которая при нагревании становится менее плотной, более горячая часть жидкости поднимается, а более холодная опускается.Как раз обратное произошло бы, если бы жидкость становилась более плотной при нагревании. Если жидкость не меняет плотность при нагревании, то конвекции не будет, хотя проводимость внутри жидкости все же будет происходить гораздо медленнее.

Пример[править | править источник]

Внутри мантии Земли горячая магма поднимается к земной коре, выделяет тепло посредством теплопроводности или вулканизма, затем опускается обратно к более горячему ядру и повторяет процесс. Это создает конвекционные ячейки, где этот процесс повторяется в стабильной схеме потока в течение миллионов или даже миллиардов лет.Одним из результатов является то, что место, где поднимается горячая магма, образует «горячую точку», которая создает серию вулканов, прокалывая кору по мере дрейфа континентальных и океанических плит. Именно такой горячей точкой были созданы Гавайские острова.

Химические фазовые переходы[править | править источник]

Тепло может привести к плавлению твердых тел в жидкости или кипению жидкостей в газы. Часть тепла поглощается самим фазовым переходом, а часть может затем уноситься жидкостью посредством конвекции.Сочетание фазовых переходов и конвекции охлаждает объект быстрее, чем одна конвекция.

Пример[править | править источник]

Кузнецы часто бросают раскаленные докрасна или раскаленные добела металлы в воду, чтобы «закалить» их. Это заставляет воду кипеть и уносить тепло в виде пара.

Радиация[править | править источник]

Излучение происходит от всех объектов выше абсолютного нуля на любой другой объект в пределах его видимости. Это происходит, когда молекулярные колебания вызывают испускание частиц с поверхности объекта.В зависимости от температуры объекта может испускаться множество различных частиц. Таким образом, излучаются разные частоты; включая инфракрасный свет, видимый свет, ультрафиолет, радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. д. Излучение уникально тем, что это единственный тип теплопередачи, который может происходить в вакууме. Излучение — чрезвычайно быстрый механизм передачи тепла (оно происходит со скоростью света) при условии, что более горячий объект очень горячий (тысячи градусов). Более холодные объекты не излучают много энергии.Излучение, полученное объектом, будет обратно пропорционально квадрату расстояния от излучающего объекта.

Пример[править | править источник]

Излучение звезд, таких как наше Солнце, — это способ передачи света и тепла планетам.

Теплопередача внутри материала или между двумя материалами происходит в обоих направлениях, но от более горячего материала к более холодному передается больше тепла, чем от более холодного к более горячему. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температуры не сравняются внутри материала или между двумя материалами.В этот момент в обоих направлениях будет происходить равное количество теплопередачи, и система будет оставаться в тепловом равновесии до тех пор, пока в системе не произойдут какие-либо изменения.

Типы теплопередачи и их примеры

Когда два тела с разными температурами находятся в тепловом контакте друг с другом, тепловая энергия от горячего тела переходит к холодному телу в виде тепла. Это называется теплопередачей .
Передача тепла – естественный процесс.Оно продолжается все время, пока тела, находящиеся в тепловом контакте, имеют разные температуры. Различают три вида теплопередачи. Они приведены ниже в списке:

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – это процесс, при котором тепло передается за счет прямого контакта молекул. Это может происходить в твердых телах, жидкостях и газах. Проводимость осуществляется за счет свободных электронов.

Что такое конвекция тепла?

Конвекция — это процесс, при котором тепло передается за счет движения молекул вверх и вниз или за счет фактического движения молекул.Конвекция происходит только в жидкостях и газах. Конвекционный поток является примером передачи тепла.

Что такое тепловое излучение?

Излучение – это вид теплопередачи, при котором тепло передается через открытое пространство. Встречается только в газах.
 
Посмотреть видео о методах теплопередачи:

Применение теплопроводности:
Теплопроводность играет важную роль в нашей повседневной жизни:

  • Кухонная утварь, электрочайники, утюги, паяльники и т.п.изготовлены из металлов, чтобы быстро проводить тепло. их ручки сделаны из пластика или дерева, которые являются плохими проводниками.
  • У птиц есть перья, которые согревают их тела, потому что перья плохо проводят тепло.
  • шерстяная одежда и одеяла замедляют передачу тепла. Это происходит потому, что шерсть задерживает в себе воздух. Воздух плохой проводник тепла.
  • Лед покрыт джутовыми ковриками, чтобы уменьшить скорость его таяния.
  • Джут
  • — плохой проводник тепла.
  • Изоляционный материал (например,грамм. пенополистирол) заполняют между двойными стенками холодильника, уменьшая передачу тепла через стенки холодильника.
  • Двойные плоские окна используются в зданиях для замедления теплопередачи. Воздух между двумя слоями стекла действует как изолятор.
  • В термосах
  • используется воздух или вакуум для замедления передачи тепла путем теплопроводности.

Сколько типов теплопередачи?

Существует три способа передачи тепла, которые приведены в списке ниже:

См. также:
Температура

Понимание трех типов теплопередачи

Понимание трех типов теплопередачи поможет вам более эффективно изолировать помещение, а не просто тратить деньги на дорогие счета за электроэнергию, как большинство людей.Независимо от того, находитесь ли вы в жарком климате или в холодном климате, все дело в том, чтобы сохранить тепло на своем месте.

Существует три вида теплопередачи: проводимость, конвекция, и излучение . Все три из них должны быть рассмотрены, если вы хотите эффективную конструкцию изоляции для вашего старого дома.

Тепло всегда стремится переместиться в более прохладные места. Зимой мы боремся за то, чтобы сохранить тепло, а летом стараемся его не допустить. Но это все та же игра.

Давайте рассмотрим каждый тип теплопередачи и как заставить его работать на вас, а не против вас.

Теплопроводность

Когда дело доходит до изоляции зданий, кондуктивное тепло малоэффективно. Примером проводящего тепла может быть установка кастрюли с водой на плиту и включение плиты на полную мощность. Тепло передается непосредственно от плиты к кастрюле и снова от кастрюли к воде, в результате чего вода закипает.

Кондуктивный теплообмен происходит, когда более холодный предмет соприкасается с более теплым. Тепло перетекает в более холодный предмет до тех пор, пока не будет достигнуто температурное равновесие.Точно так же, как электричество передается по электрическим линиям, кондуктивное тепло передается почти таким же образом. Разорвите соединение, и поток остановится.

Как остановить теплопроводность: По возможности используйте терморазрыв. Оставьте воздушное пространство или поместите изоляцию, такую ​​как жесткая пена, между элементами здания, чтобы предотвратить тепловые мосты и остановить поток проводящего тепла.

Лучистое тепло

Каждый удивляется, как чердак может нагреваться до 140ºF, когда на улице всего 95ºF? Как насчет огромной разницы температур в тени и на солнце? Лучистое тепло является ответом.

Наши дома постоянно бомбардируются солнечными лучами, которые по сути являются лучистым теплом. Радиация согревает землю днем, а ночью при ее отсутствии все быстро остывает.

В южном климате большая часть расходов на кондиционирование воздуха приходится на тепловое излучение. Обычная изоляция из пенопласта или стекловолокна мало что может остановить этот вид теплопередачи.

Как остановить лучистое тепло: Установите излучающий барьер на внутренних поверхностях вашего дома, на которые попадают прямые солнечные лучи.Большинство лучистых барьеров блокируют около 95-97% лучистого тепла и стоят всего несколько копеек за квадратный фут.

В изоляционной промышленности об этом уже давно не задумывались, и я не понимаю, почему. Радиационный барьер может иметь огромное значение, если его разместить на нижней стороне крыши или любой другой внешней стене.

Конвективное тепло

Подумайте о фене, и вы получите довольно хорошее представление о том, что такое конвективное тепло. Конвективное тепло воздействует на дома за счет инфильтрации воздуха.Горячий воздух выходит через прохудившиеся окна, двери без уплотнителя, щели в каркасе, сайдинге, обшивке, кровле или еще что-нибудь!

Старые дома иногда представляют собой большие дырявые сита. Вот как они были спроектированы. Они дышат и постоянно обмениваются воздухом с внешним миром. Некоторый воздухообмен необходим для здорового дома, но вы хотите контролировать, когда и где происходит обмен воздуха.

Как остановить конвективное тепло: Остановите поток воздуха, и вы остановите конвекцию.Заклейте окна и двери уплотнителями, загерметизируйте внешние отделочные доски, установите прокладки на выходе (большинство крышек распределительных щитков являются большим источником проникновения воздуха и могут быть легко устранены с помощью этого недорогого продукта), используйте монтажную пену для заполнения больших зазоров. Все дело в затягивании конверта.

Если вы спроектируете изоляцию с помощью этой трехсторонней атаки, вы сможете лучше изолировать и получить больше отдачи от затраченных средств. Выясните, какая из них является вашей основной причиной прибавления/отдачи тепла, и сначала решите эту проблему, а затем переходите к следующей.

Когда дело доходит до изоляции, работайте с умом, а не усерднее.

Подпишитесь прямо сейчас, чтобы получить БЕСПЛАТНУЮ электронную книгу!

Основатель и главный редактор

Я люблю старые дома, работать своими руками и учить других тому, как делать это самому! Всему можно научиться, если только дать ему шанс.