Тепловые явления

Содержание
  1. Урок 1: Тепловые явления. Часть 1
  2. Природа теплоты. Температура
  3. Внутренняя энергия
  4. Можно ли энергию изменить?
  5. Каким бывает теплообмен?
  6. Тепловые явления
  7. Теплоемкость
  8. Тепловые потери
  9. Способы переноса тепла
  10. Конвекция
  11. Радиация
  12. Теплопроводность
  13. Термическое сопротивление
  14. Коэффициент теплопередачи
  15. Общий коэффициент теплопроводности
  16. Вводный урок по теме: «Тепловые явления». урок. Физика 8 Класс
  17. Как пощупать энергию
  18. Тепловые явления в жизни
  19. Почему железная дорога длиннее летом?
  20. Почему между трамвайными рельсами не оставляют зазоры?
  21. Почему летом провода линий электропередачи немного провисают?
  22. Почему на трубопроводах делают изгибы?
  23. Как правильно охладить продукты при помощи льда?
  24. Почему зимой мы носим теплую одежду?
  25. Почему стаканы из толстого стекла лопаются чаще, чем из тонкого?
  26. Лабораторная посуда
  27. Теплопередача
  28. Способы теплопередачи. Теплопроводность
  29. Конвекция и излучение
  30. Почему в окнах двойные стекла?
  31. Почему в снежную зиму деревья не вымерзают?
  32. Почему зимой мерзнут ноги в очень тесной обуви?
  33. Почему мы не обжигаем губы и рот, когда пьем из фарфоровой чашки?
  34. Тепловые процессы
  35. Количество теплоты
  36. Практическое применение

Урок 1: Тепловые явления. Часть 1

Тепловые явления

Природа теплоты. Температура

Внутренняя энергия

Можно ли энергию изменить?

Каким бывает теплообмен?

Природа теплоты. Температура

В глубокой древности люди приручили самое яркое явление природы – огонь. С этих пор был взят старт вверх на использование очень высоких температур. Даже в пламени простой свечи температура достигает 1000о С.

Это высоко или низко? Вода в кастрюльке кипит при 100о С, а температура огня в газовой горелке находится в пределах 1500 – 1800о С. У спирали электрической плитки 600 – 800о С, а спирали обычной лампочки 2500о С. С такими температурами люди сталкиваются дома.

А как же в промышленности? Вот несколько таких примеров.

  • Расплавленный чугун — 1500 — 1800о С.
  • Металл в прокатном стане -1300о С.
  • Газ от сгорающего топлива в автомобильном двигателе -1700о С.

Электрогазосварка — 7000о С.  

Жидкий чугун Источник                                               Электрогазосварка Источник

Это далеко не самые высокие температуры, которые создаются человеком или существуют вокруг в природе. В момент термоядерного взрыва достигается температура десятков миллионов градусов.

Человек имеет достижения и в сфере снижения температур. Прежде всего, раньше для охлаждения использовались смеси веществ. Например, смесь поваренной соли и снега давала возможность получить – 20о С.

Но более широкое применение «холод» получил, когда было замечено, что сжатый воздух при расширении охлаждается. Используя это свойство, получен жидкий кислород (-183о С), жидкий водород

(-253о С).

Жидкий кислород Источник

Низкие температуры, как и высокие, получили широкое применение. Суда – холодильники (в рыболовстве), шкафы – холодильники, морозильники. Эти устройства используют для хранения продуктов.

Обработка металлических изделий холодом повышает твердость металла и увеличивает срок его службы.

В медицине низкий температурный режим нужен для производства и хранения многих лекарств.

В деятельности людей нагревание и охлаждение находит очень разнообразное применение. Освоение этой сферы продолжается высокими темпами.

В далеком 1745 году М.В. Ломоносов утверждал, что энергия тепла объясняется постоянным движением мелких частиц, составляющих тела. К восемнадцатому столетию имелось иное учение о теплоте.

До Ломоносова считали, что теплота есть жидкость, Она заполняет пустые поры в теле, как вода бытовую губку. Жидкость эта прозрачная, у нее нет веса. Кажется, на самом деле это так. Например, тепло костра поступает в воду сквозь стенки котелка. Если опустить ложку в чашку с горячим чаем, то якобы через поры в ложке тепло передается ей.

Что теплота, невидна и ничего не весит, доказано было взвешиванием одного тела, но при разных температурах. Вес оказался одинаковым.

Такая жидкость была названа «теплородом».

Все-таки в конце восемнадцатого века утверждения и идеи Ломоносова были опытным путем доказаны английским ученым Румфордом. Корни теории теплоты теперь ученые находят в механике.

М.В.Ломоносов Источник

Непрекращающееся движение любой молекулы определяет ее кинетическую энергию. Общее беспорядочное перемещение этих мельчайших частиц вещества, составляющего тело, является тепловым движением. 

Чем быстрее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия, тем выше температура тела

Внутренняя энергия

Интересно было бы представить себя, например, внутри глиняной плитки в виде молекулы. Вокруг постоянно и хаотически движется огромное количество таких же маленьких, «шустрых» частиц. Молекулы участвуют в тепловом движении.

Источник

 Они друг на друга действуют, значит, есть потенциальная энергия каждой молекулы. Они еще и движутся, значит, имеют кинетическую энергию. Вот эта совместная энергия взаимодействия и движения  всех, вместе взятых молекул, образует внутреннюю энергию любого тела (обозначают ее обычно буквой U). В приведенном примере, тело – глиняная плитка.

Пусть над плиткой подняли глиняный шарик и отпустили его. Потенциальная энергия шарика, максимальная на высоте, заменяется кинетической. На месте удара шарика уже кинетическая энергия станет максимальной, но шарик не подскочит, а остановится, как бы влипая в плиту.

Превращение энергии Источник

Что произошло? Энергия исчезла? Конечно, нет. Опять следует представить себя маленькой молекулой, которая «видит»: на месте удара шарика о плиту наблюдается резкое увеличение скорости молекул глины, они же получили от молекул шарика толчок. В свою очередь, частицы передают изменение скорости соседним молекулам, а те — дальше.

Движение внутри тела убыстряется, значит, увеличивается кинетическая энергия частиц, составляющих тело. Это означает — растет внутренняя энергия тела. В шарике наблюдается то же самое. Внутренняя энергия шарика тоже растет.

Если бы существовал такой бытовой термометр, который фиксировал температуру во время удара, можно было бы заметить, что на месте удара температура резко повышается (ведь температура является мерой теплового движения молекул).

На примере глины трудно увидеть рост температуры. Зато подтвердить это легко в случае удара молотка по железному гвоздю. Шляпка гвоздя и сам молоток становятся горячими.

Источник

Не нужно путать внутреннюю энергию и механическую. Например, полная механическая энергия мяча, лежащего на поле, равна нулю (нет ни кинетической, ни потенциальной). Внутренняя же есть всегда, так как молекулы внутри мяча движутся постоянно и определяют его внутреннюю энергию. Иначе, механическая энергия – это энергия самого тела, а внутренняя – это энергия молекул внутри тела.

Источник

В приведенном примере происходит превращение разных видов энергии, что впервые заметил немецкий врач Юлиус Роберт Майер в 1838 году. Плавая в море, он с удивлением заметил, что температуры воды после бури бывает выше, чем до бури.

Как врач, занимаясь лечением матросов, он увидел, что цвет крови людей южных и северных широт отличается. На севере кровь имеет более темный оттенок красного.

Майер объяснил отличие цвета температурными условиями различных климатических зон и переходами энергий разных видов друг в друга.

Источник

Такой вид имеет закон сохранения энергии в изучаемых тепловых явлениях.

Можно ли энергию изменить?

Оказывается древние люди, никаких научных знаний не имея, могли изменять внутреннюю энергию используемых тел. Чтобы в пещере стало тепло, надо развести огонь. Сейчас для этого нужны спички. Но тогда, никто и не знал, что такое спички. Как же быть?

Выручало действие, которое требовало от древнего человека некоторой сноровки. Сухой острой палочкой человек пытался сверлить дырку в деревяшке. Делать это было нужно очень быстро и умело.

Секунд за 12-13 температура в месте сверления достигала 250о, и появлялся язычок огня. Дерево загоралось.

В основе такого получения огня лежало трение дерева по дереву, что приводило к нагреванию трущихся поверхностей.

Вращение палочки с помощью лука Источник

Применение спичек тоже основано на трении. Головка спички покрыта легко воспламеняющимся веществом, поэтому при трении о боковую поверхность коробка спичка загорается.

Источник

Итак, если над телом совершить работу (трение тел друг по другу, сгибание и разгибание куска проволоки, удары молота по наковальне), то внутренняя энергия его заметно увеличится.

Но тело само может работать. Если в бутылку с пробкой накачивать воздух (совершать над воздухом работу), внутренняя энергия воздуха вырастет, а температура станет больше. В момент, когда пробка выскочит из горлышка бутылки, на стекле наблюдается туман. Это говорит о снижении температуры тела (воздуха), т.е. и внутренняя энергия тоже уменьшается.

Пробку вытолкнул из горлышка воздух, т.е. совершая работу, сам воздух изменил свою энергию.

Источник

Не выполняя работу самим телом и над телом, изменить внутреннюю энергию также можно. Чайная ложка нагревается, если ее поместить в посуду с кипятком. В уютном помещении становится прохладней, если отключить батареи, от солнца нагреваются земля и воздух весной. Такие изменения называются теплообменом или теплопередачей, причем тепло передается от нагретого тела к более холодному.

Источник

Часть энергии, переходящая от нагретого тела к другому при теплообмене, называется количеством теплоты Q. Q измеряется, как работа и энергия, в джоулях.

Итак, изменить внутреннюю энергию возможно, но определить способ изменения ее — не всегда. Так, подняв со стола теплый металлический брусок, нельзя догадаться, был он нагрет трением или его достали из теплой воды, или он лежал на освещенном солнцем подоконнике.

Каким бывает теплообмен?

Теплообмен и теплопередача – это два названия одного и того же физического понятия. Они обозначают процесс обмена теплом. Есть три вида теплопередачи:

Источник

Первый вид теплообмена – теплопроводность. Изучив такое понятие, наконец-то, можно ответить на вопрос о шубе. Она греет? Нет, шуба сама по себе греть не может! Она удерживает человеческое тепло, не дает ему передаваться окружающим телам. Всему виной теплопроводность («тепло» «проводить» или «пропускать»).

У воздуха очень плохая теплопроводность, как и у дерева, кирпича, пенопласта, гипса и других веществ. Между ворсинками шубы находится как раз воздух, и он удерживается внутри, благодаря этим ворсинкам. То тепло, которое образовалось вокруг тела человека, не может выбраться наружу из-за слоя воздуха, который содержится в шубном мехе.

Воздух это тепло не проводит.

Аналогично и в примере со снегом. Снег очень пористый. Поры заполнены воздухом. Тепло, сохранившееся в земле осенью, не выходит из-под слоя снега в морозную пору.

Хорошая теплопроводность имеется у металлов. Поэтому в быту ручки металлических предметов, которые нужно нагревать, обычно делают из веществ с плохой теплопроводностью. У сковородок, кастрюль, чайников, паяльников, выжигателей ручки обычно деревянные или пластмассовые.

Источник

Обогрев помещений, нагревание и охлаждение жидкостей в емкостях осуществляется с помощью конвекции – второй разновидности теплопередачи. Конвекция обязательно сопровождается перемещением частей жидкости или газа, которые замещают друг друга. Эти части образуют целые потоки.

Например, теплый воздух от батареи идет потоком вверх, его место тут же занимает поток холодного воздуха, который, постепенно нагреваясь, тоже устремляется кверху и т.д.

Нагретая вода в чайнике, освобождает место холодным потокам, и те тоже нагреваются. В твердых телах это происходить не может. Конвекция не характерна для твердых тел. Там не происходит замены одних частей тела на другие.

Если конвекция протекает независимо от действий человека, ее называют естественной. Нагревание жидких веществ в сосудах, обогрев комнат батареями – это примеры естественной конвекции. Помешивание чая или каши приводит к быстрому их охлаждению. Это пример вынужденной конвекции, которая происходит с помощью человека.  

Источник

Есть еще вид теплообмена – лучистый обмен, иначе тепловое излучение. Энергия здесь переносится лучами. Например, уставшие туристы греются вблизи костра. В этом случае для теплопроводности нет условий, воздух — плохой проводник тепла. Конвекция тоже не подходит, теплые потоки воздуха от костра отправляются всегда вверх. Обогреваются люди с помощью невидимых тепловых лучей.

Лучистый обмен может происходить в среде, где нет вещества – в вакууме. Примером этому служит нагревание земли и всего, что на ней находится солнечными лучами. В этом случае излучение видимое.

Жарким летом не рекомендуется надевать на себя темную одежду. Почему? Поглощение и излучение поверхностями разного цвета происходит по-разному. Вот пример опыта, доказывающего это утверждение.

В опытах берут простое устройство, которое состоит из металлической круглой коробки и резинового шланга, что называется теплообменником. Коробка внутри заполнена воздухом, снаружи одна сторона — зеркальная, а другая — черная, матовая. Через отверстие по шлангу воздух из коробки может выходить в трубку жидкостного манометра (прибора для определения небольших величин давления).

Теплоприемник Источник

Нужно взять два совершенно одинаковых теплообменника и один поставить черной стороной к источнику тепла (лампе), а другой – зеркальной. Уровни жидкости в манометрах передвинутся. Объясняется это расширением нагреваемого воздуха.

Нагрев в коробке идет за счет лучистого теплообмена (теплопроводности и конвекции с боков лампы нет). Следует отметить различия в показаниях манометров.

Там, где теплообменник повернут к лампе черной стороной, воздух расширился больше, значит, нагрелся больше, поглотив больше энергии от источника тепла.

Тела темных цветов легче поглощают тепло, но легче и отдают его. В светлом ведре вода остывает медленнее, чем в темном.

Разновидности теплопередачи отдельно очень редко встречаются.

Источник

Человеком широко используется передача энергии в разных видах:

  • отопление домов и квартир;
  • использование теплиц и погребов;
  • термосы, печи и холодильники;
  • зимняя и летняя одежда, обувь;
  • приготовление пищи в специальной посуде;
  • загорание и закаливание.

И этот список можно продолжать и продолжать дальше. Значение теплоты для человека безгранично.

Источник: https://100urokov.ru/predmety/urok-1-teplovye-yavleniya-chast-1

Тепловые явления

Тепловые явления

Рассматривать тепловой режим зданий и проектировать солнечное отопление невозможно без понимания природы тепла и механизмов его переноса. Существуют два основных вида измерения теплоты: количественный; качественный.

Таким образом, единица количества теплоты определяется как количество теплоты, подвод (или отвод) которого вызывает нагревание (или охлаждение) 1 кг воды при атмосферном давлении на 1°К. В качестве базисного материала используется вода в силу своей общедоступности.

Теплоемкость

Другой мерой теплоты, тесно связанной с температурой и количеством теплоты, является теплоемкость или удельная теплоемкость. Не все материалы поглощают одинаковое количество тепла при определенном повышении температуры. Если для нагрева 100 кг воды на 1°C потребуется 418,3 кДж, то для нагрева того же количества алюминия — лишь 94,1 кДж.

Удельная теплоемкость представляет собой отношение количества теплоты, необходимого для повышения температуры определенной массы данного материала на определенное число градусов, к количеству теплоты, необходимому для повышения температуры той же массы воды на то же число градусов. Это отношение одинаково для любой системы единиц измерения.

Тепловые потери

Значение всего сказанного, по крайней мере, что касается зданий, заключается в том, что производство тепла стоит денег и требует ресурсов. Стоимость зависит от расхода тепла, который в свою очередь зависит от плотности потока тепловых потерь из здания в окружающую среду (зимой) или притока тепла из окружающей среды в здание (летом).

Величина теплового потока пропорциональна разности температур между источником тепла и предметом или помещением, в которое тепло поступает. Таким образом, тепло будет покидать здание быстрее в холодный день, чем в умеренный. Это, конечно, предполагает, что в здании применяются некоторые средства для поддержания постоянной температуры, например: калорифер, отопитель или дровяная печь.

Если плотность потока пропорциональна разности температур, то количество реально поступающего тепла зависит от величины сопротивления этому потоку.

Поскольку разность температур между внутренним помещением и внешней средой в основном определяется климатическими условиями, за исключением случаев искусственного понижения температуры внутри помещения, то, очевидно, что основные усилия затрачиваются на увеличение сопротивления потоку тепловых потерь.

Способы переноса тепла

Механизмы теплового потока и методы создания сопротивления ему многочисленны. Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению теплового сопротивления, необходимо сделать обзор основных способов переноса тепла от теплого предмета к более холодному, а именно рассмотреть:

  • конвекцию;
  • радиацию;
  • теплопроводность.

Конвекция

Конвекция — явление, состоящее в теплопередаче путем движения теплоносителей, т.е. жидкостей или газов.

Нагретый теплоноситель может перемещаться или быть перемещаем в более холодную зону, где он отдаст свое тепло для нагрева этой зоны.

Нагретая вода со дна чайника, стоящего на плите, поднимается вверх и смешивается там с более холодной водой, распространяя тепло и, нагревая всю массу намного быстрее, чем это происходило бы только за счет теплопроводности.

Жилой дом, оборудованный калорифером, обогревается таким же способом. Воздух нагревается газовой горелкой и подается в жилые помещения. Поскольку предметы в доме холоднее, чем горячий воздух, поступающий от горелки, тепло от воздуха передается помещению.

Нагретые теплоносители могут перемещаться путем естественной конвекции. При нагреве теплоноситель расширяется, распространяется в окружающей его более холодной среде и поднимается вверх. Более холодный теплоноситель занимает его место и в свою очередь нагревается. В то же время нагретый теплоноситель перемещается затем в место, где тепло поглощается, охлаждая теплоноситель.

Охлажденный таким образом теплоноситель, становясь тяжелее, стремится опуститься вниз, и цикл повторяется.

Если мы хотим лучше использовать запасенное в теплоносителе тепло или если мы хотим повысить интенсивность переноса тепла по сравнению с естественной конвекцией (например, в помещении, удаленном от калорифера), то для перемещения нагретого теплоносителя можно воспользоваться насосом или вентилятором.

Следует отметить, что конвекция и теплопроводность как физические явления проявляются одновременно.

Тепло от нагретой поверхности передается теплоносителю в результате теплопроводности до того, как это тепло будет унесено потоком; тепло от нагретого теплоносителя также передается холодной поверхности теплопроводностью.

Чем больше разность температур между теплой и холодной поверхностями, тем больше тепловой поток между ними. Удельная теплоемкость теплоносителя, его коэффициент теплопроводности и сопротивление потоку теплоносителя являются другими факторами, влияющими на конвективный теплообмен.

Радиация

Радиация представляет собой перенос тепла через пространство при помощи электромагнитных волн; большинство предметов, стоящих на пути видимого света, также препятствуют распространению тепловой энергии в виде излучения. Как мы знаем, земля получает тепло от солнца путем радиации.

Мы также участвует в радиационном теплообмене, когда стоим перед камином или горячей плитой. Радиация тепла осуществляется главным образом за счет невидимого длинноволнового излучения. Мы чувствует излучение тепла горячей плитой, даже тогда, когда она недостаточно горяча.

Тепло постоянно переносится излучением от более теплых предметов к более холодным пропорционально разности их температур и расстоянию между ними.

Тот же эффект, хотя и менее явный и труднее воспринимаемый, получается тогда, когда мы, сидя у окна зимней ночью, ощущаем холод: как источник тепла наше тело излучает его в холодную ночную атмосферу и в течение этого процесса охлаждается. Из трех основных способов теплообмена радиация труднее всего поддается количественному определению для зданий.

Теплопроводность

О теплопроводности мы узнаем в раннем возрасте интуитивным, но непосредственным образом. Когда сковорода в течение некоторого времени стоит на огне, ее ручка становится горячей. Это происходит потому, что тепло передается через металл от горелки к ручке. Тепло поступает к ручке, потому, что она намного холоднее горелки.

Скорость потока тепла к ручке чугунной сковороды значительно ниже, чем для медной, так как чугун имеет меньший коэффициент теплопроводности (обладает большим сопротивлением тепловому потоку) и более высокую удельную теплоемкость, чем медь. Это значит, что потребуется меньшее количество теплоты и меньшее время для нагрева меди.

Изложенные принципы являются основополагающими для расчета теплообмена за счет теплопроводности.

Термическое сопротивление

Из факторов, влияющих на степень передачи тепла за счет теплопроводности, наиболее важным при оценке сезонной потери тепла является термическое сопротивление строительных материалов. Все материалы обладают определенным конечным сопротивлением тепловому потоку; материалы, имеющие особо высокую величину, называются изоляционными.

Коэффициент теплопередачи

Противоположным по смыслу термическому сопротивлению является коэффициент теплопередачи, показывающий, какое количество тепла будет перенесено через здание во внешнюю среду зимой и получено от нее летом.

Коэффициент теплопередачи K является мерой способности данного материала пропускать тепло; он выражается в количестве теплоты в Дж, которое пройдет в 1 час через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м, когда между двумя поверхностями материала поддерживается разность температур в 1 °C; K измеряется в Дж/(час*м2*°C) или Вт/(м2*°C). Коэффициент C является коэффициентом, аналогичным K, но он выражает мощность теплового потока в Дж/ч (или Вт) через материал на единицу толщины. Деление K на толщину материала в метрах дает величину C для данного материала; чем ниже K или C, тем выше изоляционные свойства.

Общий коэффициент теплопроводности

Общий коэффициент теплопроводности U является мерой способности какой-либо конструкции здания (например, стены) пропускать поток тепла. Это — комбинированная тепловая величина, включающая свойства всех материалов строительной конструкции с учетом воздушных промежутков и воздушных пленок. Чем ниже величина U, тем выше изоляционные свойства конструкции.

Величина U выражается в Вт/(м2*°C). Чтобы найти общие потери тепла, величина U умножается на количество часов, на общую площадь поверхности и на разность температур внутренней и наружной поверхностей.

Например, для определения теплопотерь через стену площадью 5 м2 с величиной U, равной 0,67 за 8 час при внутренней температуре 18,5°С, а наружной -5°С, нужно перемножить 0,67*8*5*(18,5 — 5).

Величину U любой части здания (стены, крыши, окна и т.п.) можно вычислить, зная величины теплопроводности различных составных частей этой конструкции. В этот расчет входит и термическое сопротивление.

Сопротивление каждого элемента строительной конструкции представляет собой величину, обратную его коэффициенту теплопередачи:
R = 1/C или R = (1/K) (толщина).
Чем больше величина R материала, тем выше его изоляционная способность.

Величина Rt является суммой сопротивления отдельных элементов. Поэтому,

U = 1/(R1+R2+R3+…+Rx) или U = 1/Rt

Таким образом, расчет предусматривает сложение всех величин R конструкции здания, считая в числе этих элементов и внутреннюю неподвижную пленку воздуха, любые воздушные промежутки в строительных материалах более 20 мм и пленку наружного воздуха.
Величины этих сопротивлений будут даны в приложении Изоляционные свойства материалов.

После определения величин U всех конструкций здания (окон, стен, крыши и перекрытий), можно начать расчет общих потерь тепла. Один из подходов к решению задачи заключается в определении общих потерь тепла зданием при наружных температурах, близких к минимальным; эти экстремальные температуры называются расчетными температурами.

Перечень рекомендуемых расчетных температур будет дан в приложении Расчетные температуры.

Источник: http://www.mensh.ru/articles/teplovye-yavleniya

Вводный урок по теме: «Тепловые явления». урок. Физика 8 Класс

Тепловые явления

На данном уроке, тема которого: «Тепловые явления. Вводный урок», мы поговорим, что такое энергия, рассмотрим способы ее передачи, а также поговорим об изолированных системах.

Что такое энергия? Энергию мы непосредственно не наблюдаем. При взаимодействии тел, излучении, сжигании изменяются состояния отдельных тел, одна форма движения переходит в другую, разрушаются химические связи и возникает тепло, лучи поглощаются телом, и оно нагревается. Ничто не исчезает бесследно. Энергия – это то, что сохраняется.

Представьте: шарик закатился на горку (см. рис. 1).

Рис. 1. Закатившийся наверх шарик

Он перестал двигаться, но его энергия никуда не делась, она перешла в другой вид. Если шарик остановился под уклон, он начнет скатываться и в итоге будет двигаться, как до этого.

Если мы гнем проволоку, она нагревается: снова преобразование и сохранение энергии. То, что мы гнули проволоку, не пропало бесследно: работа перешла в теплоту (см. рис. 2).

Рис. 2. Переход работы в теплоту

Энергия передается от одного тела другому, например при столкновении двух бильярдных шаров. Энергия может переходить даже в излучение: раскаленные предметы начинают светиться. Наоборот тоже бывает, излучение переходит в тепло: мы греемся под лучами солнца (см. рис. 3).

Рис. 3. Переход излучения в тепло

Какая нам от этого польза? Если мы залили некоторое количество бензина в бак и машина проехала неизвестно какое расстояние, нам эта информация ничего не даст. Энергия превратилась – и всё.

Главное, чтобы мы могли записать уравнение: сколько энергии выделилось при сгорании бензина, такая работа и была совершена. А если были потери, то тоже известные, чтобы можно было поставить знак «равно».

Мы выделяем систему, в которой энергия сохраняется, чтобы потом записать равенство энергий до и после превращения.

Бензин сгорает: химическая энергия перешла в тепловую, а тепловая – в механическую. Мы остановимся подробнее на тепловой энергии.

Мы уже знакомы со строением вещества, оно состоит из молекул: это те же микроскопические бильярдные шары (см. рис. 4).

Рис. 4. Молекулы вещества

И к ним тоже можно применить эту модель: они обладают энергией, сталкиваются, взаимодействуют, при этом энергия передается.

Как пощупать энергию

Если из одного стакана в другой перетекает вода – это мы видим. Когда вода превращается в лед или пар – это тоже видно. Как передается и превращается энергия, мы понимаем, но пощупать не можем. Однако мы уже знаем, что энергия – это способность совершить работу, а ее мы можем определять количественно.Это модель, описывающая состояние тел и их взаимодействие. Модель удобная, она позволяет решить множество задач и описать множество процессов.

Энергия – это возможность совершить работу. Получается, если молекулы вещества обладают энергией, то они тоже могут совершить работу? Всё правильно, работа действительно совершается. Пробка выстреливает из бутылки с газированным напитком. Дым поднимается над костром вверх, хотя это твердые частицы тяжелее воздуха (см. рис. 5).

Рис. 5. Дым от костра

Нет смысла рассматривать каждую молекулу. Если на бильярдном столе хаотично движется десяток шаров (см. рис. 6), попробуйте проследить за каждым отдельно. Это, во-первых, очень сложно.

Или вообще невозможно, если вместо 10 шаров будут миллиарды молекул. А во-вторых, нам это и не нужно. Когда один шар передает энергию другому, в целом «суета» на столе будет такая же.

То есть нам нужно описывать всю систему.

Рис. 6. Хаотичное движение шаров

Суммарная энергия частиц, из которых состоит тело, называется внутренней энергией. Есть параметр, который люди давно научились измерять и использовать – температура, и она связана с внутренней энергией. Температура повысилась – значит, внутренняя энергия повысилась.

А как энергия передается? Один способ мы привыкли видеть в бильярде: через столкновение от частицы к частице.

Можно привести в контакт два тела с разными температурами, и частицы горячего тела с большей энергией «растолкают» частицы холодного тела с меньшей (см. рис. 7).

Рис. 7. Взаимодействие горячего и холодного тел

Частицы с большей энергией могут переместиться внутри вещества и там передать энергию (см. рис. 8).

Рис. 8. Перемещение частиц внутри вещества

Как вода в кастрюле возле дна нагревается, устремляется вверх и смешивается с холодной водой на поверхности, передавая ей энергию (см. рис. 9).

Рис. 9. Нагрев воды в кастрюле

Можно взять кусок железа и бить по нему молотком – железо нагреется. Здесь происходит, по сути, то же самое: совершая работу над телом, мы «расталкиваем» его частицы (см. рис. 10).

Рис. 10. Нагрев железа

Передаем им энергию.

Есть второй, особенный способ передачи энергии: через излучение. Оказывается, чтобы энергия передалась, частицам не обязательно контактировать. Энергия может передаваться на расстоянии и без столкновений частиц, посредством электромагнитного излучения (см. рис. 11).

Рис. 11. Передача энергии на расстоянии

Так энергия Солнца достигает Земли.

Вспомним закон сохранения механической энергии: в изолированной системе, в которой действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется. Энергия передается от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой. А куда же исчезает механическая энергия при наличии неконсервативных сил? Она как раз и превращается во внутреннюю.

Нет идеальных изолированных систем. Всё состоит из молекул, и контактов с ними не избежать. К тому же, энергия может передаваться и через излучение. Однако мы можем как угодно точно приблизиться к изолированной системе, к идеальной модели.

Число пи тоже нельзя записать конечным числом цифр. Можно расписать его с точностью до миллионных и точнее, приближаясь к идеалу. Но наши линейки измеряют с точностью до миллиметра, так что считать пи с точностью до сотых равным 3,14 нам чаще всего достаточно.

Так мы можем решать задачу о температуре чая в чашке и считать систему «чай + чашка» изолированной. Мы не учтем открытое рядом окно или включенную печку, если нам не нужна такая точность (см. рис. 12).

Рис. 12. Можно выбирать изолированную систему

При необходимости можно включить в систему даже тепловыделение кота под столом, тогда мы еще больше приблизимся к идеальной изолированной системе, только расчеты усложнятся, но нужно ли это нам? Мы всё измеряем с конечной точностью, и сами решаем, чем можно пренебречь.

Список литературы

  1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. А.В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Что такое молекула?
  2. Какие вы знаете способы передачи энергии?
  3. Что такое излучение?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/teplovye-yavleniya/teplovye-yavleniya-vvodnyy-urok

Тепловые явления в жизни

С тепловыми явлениями мы сталкиваемся ежедневно и вряд ли каждый раз задумываемся над превращениями, сопровождающих эти процессы. Например, просматривая прогноз погоды, мы думаем лишь о выборе подходящих одежды и обуви. Чтобы выпить горячий чай или кофе, мы нагреваем воду в чайнике.

Кладем мокрые вещи на горячую батарею, зная, что через несколько часов все высохнет, и т.д. И это только дома.

Трудно переоценить значимость тепловых явлений в нашей жизни: это плавление металла, сгорание топлива, изготовление новых материалов, создание тепловых двигателей и многое другое.

Почему железная дорога длиннее летом?

Этот вопрос может показаться тебе довольно странным, но длина железной дороги, точнее, ее рельсового пути, действительно увеличивается летом. Почему так происходит?

Все дело в тепловых явлениях: летом, под воздействием солнечных лучей, температура рельса может достигать и +40° С, а в зимние холода рельс остывает до -20—25°С. Известно, что при нагревании тела увеличиваются. Это происходит и с рельсами: летом они становятся длиннее.

Тем не менее говоря о том, что летом железная дорога длиннее, следует понимать, что на самом деле речь идет не об удлинении маршрута между городами, а всего лишь об увеличении общей суммы длин всех рельсов.

Посмотри внимательно на картинку справа. Железнодорожные рельсы специально укладывают так, чтобы между их стыками оставался небольшой зазор. Именно этот промежуток и рассчитан на увеличение длины рельсов при нагревании. Иногда его так и называют — «тепловой зазор».

Теперь понятно, что за счет общей длины всех зазоров и происходит увеличение длин рельсов при нагревании!

Почему между трамвайными рельсами не оставляют зазоры?

Трамвайные рельсы действительно укладывают, не оставляя никаких зазоров. Почему? Сравни картинки.

Рельсы трамвая

Железнодорожные рельсы

Трамвайные рельсы почти полностью опускают в землю: на поверхности остается только верхняя часть полотна. Поэтому можно с уверенностью говорить о том, что земля «спасает» рельсы от перегрева даже в самые жаркие дни. А так как трамвайные рельсы не перегреваются, то и их длина, в отличие от железнодорожных, практически не меняется. Поэтому между трамвайными рельсами и не оставляют зазоров.

Почему летом провода линий электропередачи немного провисают?

Действительно, провода линий электропередачи слегка провисают в теплое время года. Это не ошибка монтажников, а преднамеренное действие. Объяснить данное явление довольно просто.

Ты уже знаешь, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении — сжимаются.

Если сильно натянуть провод, то, охлаждаясь (это может случиться не только зимой, но и во время прохладных ночей в межсезонье и даже летом), он становится короче и может лопнуть.

Почему на трубопроводах делают изгибы?

Скорее всего, ты не раз видел наземные трубопроводы, в которых через определенные промежутки есть специальные изгибы в виде буквы П.

Такие изгибы сделаны не случайно. В связи с резкими перепадами температуры трубопроводы способны удлиняться и расширяться. На прямом участке такие изменения могут привести к серьезным деформациям. Поэтому и делают изгибы, чтобы компенсировать эту нагрузку.

Как правильно охладить продукты при помощи льда?

Представь, что тебе нужно охладить лимонад при помощи кубиков льда, замороженных в специальной форме, но бросать их внутрь нельзя.

Как ты поступишь? Поставишь кувшин на форму со льдом? Или наоборот, форму на горлышко кувшина? Более удобным кажется первый вариант, т.е. поставить кувшин на лед. Однако правильным с точки зрения физики является второй.

Конечно, это вовсе не означает, что охладить лимонад в кувшине, поставив его на лед, нельзя. Можно, но в данном случае охладится только нижний слой напитка.

Поэтому если нужно охладить всю жидкость, то лед следует положить сверху. Объяснение этому правилу довольно простое: охлажденный льдом воздух опускается вниз, постепенно охлаждая сосуд.

Свежая рыба для последующей транспортировки полностью покрывается измельченным льдом. Таким образом сохраняются вкусовые качества рыбы, и потребитель получает продукт, как будто только что выловленный из моря

Почему зимой мы носим теплую одежду?

Единственный правильный ответ на этот вопрос только один: потому что зимой холодно, и мы не хотим мерзнуть. А ты уверен, что именно одежда нас греет? Чтобы убедиться, так ли это на самом деле, ты можешь проделать следующий эксперимент.

Тебе понадобятся любая теплая куртка или пальто (желательно пуховик), которые ты носишь зимой, кубики льда и два небольших полиэтиленовых пакета. Итак, в оба пакета положи одинаковое количество кубиков льда и завяжи. Один пакет оставь на столе, а второй тщательно заверни в зимнюю куртку. Когда лед в первом пакете начнет таять, вытащи второй пакет со льдом из куртки.

Что произошло со льдом во втором пакете? Лед даже и не начал таять! На этом опыте ты наглядно убедился в том, что зимняя одежда абсолютно не греет. На самом деле она просто сохраняет температуру. Завернутый в куртку лед практически не растаял, и это значит, что его температура осталась прежней. И когда мы надеваем зимнюю одежду, она не греет — она не дает нашему телу охладиться, т. е.

сохраняет его температуру.

Почему стаканы из толстого стекла лопаются чаще, чем из тонкого?

Это действительно так: стаканы из тонкого стекла более устойчивы к горячей воде, чем из толстого.

Казалось бы, где логика? Но в данном случае нужно учитывать законы физики. Основная причина того, что стекло лопается, заключается в его неравномерном расширении.

Когда мы наливаем кипяток в стакан, то сначала прогреваются его внутренние стенки. А внешние стенки по-прежнему остаются недостаточно нагретыми и не выдерживают давления перегретого внутреннего слоя.

В этот момент и происходит лопание стекла.

Если хочешь долго пользоваться стаканами, то при покупке выбирай те, у которых тонкие не только стенки, но и дно

Теперь ты понял, почему толстое стекло чаще лопается, чем тонкое? Стенки стакана из тонкого стекла успевают прогреться гораздо быстрее. Это означает, что в стакане с тонкими стенками быстрее устанавливается одинаковая температура внутреннего и внешнего слоев стекла. А в стакане из толстого стекла все эти процессы протекают настолько медленнее, что оно не успевает прогреться и лопается.

Лабораторная посуда

Обрати внимание на стеклянную посуду, которую используют в лабораториях: она вся из очень тонкого стекла. Причем воду кипятят именно в таких сосудах, совершенно не опасаясь, что они лопнут прямо во время проведения исследования.

Теплопередача

Тот, кто хоть раз в жизни получал ожог, знает о нем не понаслышке. Способов обжечься довольно много. Например, можно нечаянно дотронуться до раскаленной сковородки, гриля или формы с пирогом, который только что достали из духовки.

Можно обжечься паром кипящей воды или очень горячим воздухом из фена. А можно просто лежать под палящим солнцем и получить ожог кожи. Все эти примеры указывают на разные способы передачи тепла от более горячего тела к более холодному.

Прежде чем налить кипяток в стакан, положи в него ложку. Таким образом, горячая вода отдаст часть своего тепла ложке, и температура кипятка в стакане станет ниже

Способы теплопередачи. Теплопроводность

Существуют различные способы передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Главное их отличие заключается в способе передачи тепла.

При теплопроводности передача тепла происходит при непосредственном контакте. Например, во время приготовления пищи нагретая плита передает тепло сковороде или кастрюле.

Конвекция и излучение

Для возникновения конвекции необходимо движение воздуха или воды. Конвекция — это передача тепла потоками жидкости или газа.

Наглядный пример конвекции — обогрев наших домов от батарей. Теплый воздух поднимается к потолку и равномерно распределяется по всей комнате. Охлаждаясь, воздух опускается. Потом процесс повторяется снова. Такая циркуляция воздуха и называется конвекцией.

Тепловое излучение — это передача тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами. Именно так попадает на Землю тепло от Солнца. При тепловом излучении нет необходимости в прямом контакте или наличии потоков жидкости или газа.

Почему в окнах двойные стекла?

Ты уже знаешь, что передача тепла происходит от более горячего тела к более холодному. Но у различных материалов разная способность передавать тепло, или разная теплопроводность. У дерева, стекла и воды она очень низкая.

Иногда вместо воздуха в конструкции окон используют другие газы, теплопроводность которых еще меньше

Окна делают из двух и более стекол, скрепленных между собой, с целью увеличения их теплоизоляционных свойств. Пространство между стеклами заполняется воздухом, теплопроводность которого в 40 раз меньше, чем у стекла. Типичная конструкция окон «стекло—воздух—стекло» позволяет лучше сохранить тепло в наших домах.

Почему в снежную зиму деревья не вымерзают?

В снежную зиму земля надежно защищена от промерзания. Как бы странно это ни звучало, но снег очень хорошо греет землю. А происходит это потому, что снег содержит воздух и является очень плохим проводником тепла. Почва не промерзает, и корни деревьев остаются в тепле.

Почему зимой мерзнут ноги в очень тесной обуви?

Это происходит потому, что в тесной обуви воздушная прослойка между ногой и сапогом или ботинком очень мала. Так как воздух — плохой проводник тепла, достаточный слой воздуха между ногой и обувью защитил бы от замерзания. Именно поэтому зимой нужно носить просторную обувь.

Почему мы не обжигаем губы и рот, когда пьем из фарфоровой чашки?

Скорее всего, ты не раз наблюдал такую картину: фарфоровая чашка, в которую только что налили кипяток, не настолько горячая, чтобы ее невозможно было взять в руки.

А что произойдет, если налить воду такой же температуры в металлическую чашку? Сможешь ли ты удержать эту чашку в руке, уже не говоря о том, чтобы прикоснуться к ней губами? Металлическая чашка моментально нагревается до такой степени, что в руки ты ее не возьмешь.

Объяснением этому является разная теплопроводность фарфора и металла: у фарфора она существенно ниже.

ссылкой

Источник: https://SiteKid.ru/fizika/teplovye_yavleniya.html

Тепловые процессы

Движение молекул в тепловом аспекте никогда не прекращается, так как любой тело характеризуется определенной внутренней энергией. Данный коэффициент напрямую зависит от температуры изучаемого вещества, агрегатного состояния тела и других физических моментов, самостоятельно функционирующих посредством механического движения.

Определение 2

Изменение внутренней активности тела без совершения указанной работы называется теплопередачей.

Этот процесс всегда происходит в направлении от тела с более высокой температурой к элементу с низкой температурой.

Тепловые процессы – вариация тепловых явлений, при которых кардинально видоизменяется уровень температуры веществ и тел, а также вероятно трансформация их агрегатных состояний.

К тепловым процессам относятся:

  • охлаждение;
  • нагревание;
  • парообразование;
  • кипение;
  • кристаллизация;
  • испарение;
  • сгорание;
  • конденсация;
  • сублимация;
  • десублимация.

До возникновения данной системы тепловые явления с точки зрения физики объяснялись посредством понятия “теплород”.

Ученые древности были уверены, что каждое вещество на земле обладает конкретной субстанцией, аналогичной по составу жидкости, выполняющей роль, которую в нынешнем представлении решает теплота.

Но от необычной идеи теплорода отказались только после того, как была озвучена концепция появления тепловых процессов.

Количество теплоты

Замечание 1

Совокупный коэффициент теплопроводности считается мерой возможности любой конструкции здания (например, стены) пропускать определенный поток солнечного света и тепла.

Этот показатель представляет собой комбинированную тепловую величину, которая состоит из всех материалов построения с учетом важных промежутков в воздушном пространстве.Исследовать тепловой режим сооружений и проектировать качественное отопление невозможно без понимания сущности природы тепла и механизмов его правильного переноса.

Исследователи основывают свою работы на таких двух основных вида измерения тепловых процессов:

  • количественный;
  • качественный.

Таким образом, коэффициент теплоты характеризуется количество подвод и тепловых элементов, которые способны вызывать охлаждение или нагревание воды при определенном атмосферном давлении.

В качестве основного материалов работе используется вода благодаря своей общедоступности. Значение этих условий заключается в том, что производство тепла требует денежных ресурсов.

Стоимость напрямую зависит от расхода тепловых процессов и от плотности потока потерь из строения в окружающую среду.

Размер теплового потока пропорционален разности температур между помещением и источником тепла. Таким образом, тепло может покинуть здание значительно быстрее в пасмурный день, чем в умеренный. Это предполагает, что при возведении нового сооружения необходимо учитывать все средства для поддержания постоянной нормальной температуры.

Практическое применение

Теперь возможно более тщательно рассмотреть практическое использование ранее введенных определений. Так, теплопроводность предоставляет теплообмен между физическими телами и внутри самого исследуемого материала.

Высокие показатели этого критерия свойственны металлам, которые позволяет осуществить необходимый подвод тепла к готовящимся продуктам.

Однако и материалы с низкой теплоотдачей находят свое активное применение, выступая в роли теплоизоляторов для препятствия потере тепла.

Благодаря использования таких материалов возможно обеспечить комфортные условия для нормального проживания в жилых домах. Однако вышеуказанными методами теплопередача не ограничивается. Существует еще вероятность передачи тепловых процессов без прямого контакта тел.

Пример 1

Систематические потоки горячего воздуха от радиатора или системы отопления в квартире. От нагретого обогревателя будет обязательно исходить поток теплого воздуха, осуществляя полноценный обогрев помещения.

Указанный способ обмена теплом называется конвекцией, благодаря которой теплопередача происходит путем потоков жидкости или газа.

Замечание 2

Все происходящее на Земле тепловые явления непосредственно связаны с излучением нашего главного источника — Солнца.

В связи с этим, можно определить еще один метод теплопередачи – тепловое регулярное излучение, которое обуславливается мощным электромагнитным излучением нагретого вещества. Именно таким образом Солнце обогревает нашу планету.

Стоит отметить, что тепловые явления, бесспорно, играют важную роль в жизни каждого человека, животных и растений. Изменение температуры воздуха на 2030° С при смене времени года будет видоизменять все вокруг нас.

От температурного режима окружающей среды зависит возможность нормальной жизни на Земле.

Люди за весь период истории смогли получить относительную независимости от природных факторов после того, как научились добывать и поддерживать огонь.

Тогда это считалось самым великим открытием, которое было сделано на заре развития современного общества.

История эволюции представлений о сути природы тепловых явлений можно назвать хорошим пример того, каким противоречивым и многогранным путем постигают научную истину.

Первые успехи в данной сфере науки относятся к началу XVII столетия, когда миру был представлен термометр, а следом появился шанс количественного изучения тепловых процессов и принципов макросистем.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/teplovye_yavleniya/

Booksm
Добавить комментарий