Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
2.1
Строение вещества. Модели строения газа, жидкости и твердого тела
Газ это вещество, состоящее из молекул и расстояния между молекулами во много раз больше самих молекул. Газ не имеет формы и объема. Газ — занимает весь предоставленный ему объем и принимает форму сосуда в котором он помещен.
Жидкость- это вещество, состоящее из молекул расстояние между молекулами соизмеримо с размерами самих молекул. Молекулы жидкости образуют небольшие скопления молекул и наступают такие моменты, когда молекула совершает так называемый «прыжок» из одного скопления в другое этими прыжками и обуславливается текучесть жидкостей. Жидкости не имеют формы, но у них есть определенный объем. Жидкости только принимают форму сосуда, в котором они помещены.
Твердое тело состоит из молекул. Твердое тело имеет кристаллическую решетку, которая образована различными химическими связями (ионной, ковалентной, металлической). Твердые тела сохраняют объем и форму.
2.2
Тепловое движение атомов и молекул. Связь температуры вещества со
Скоростью хаотического движения частиц. Броуновское движение.
Диффузия
Многие явления природы свидетельствуют о хаотичном движении микрочастиц, молекул и атомов вещества. Чем выше температура вещества, тем более интенсивно это движение. Поэтому теплота тела является отражением беспорядочного движения составляющих его молекул и атомов.
Доказательством того, что все атомы и молекулы вещества находятся в постоянном и беспорядочном движении, может служить диффузия – взаимопроникновение частиц одного вещества в другое (см. рис. 20а). Так, запах быстро распространяется по комнате даже при отсутствии движения воздуха. Капля чернил быстро делает весь стакан с водой однородно чёрным, хотя, казалось бы, сила тяжести должна помогать окрашивать стакан только в направлении сверху-вниз. Диффузию можно обнаружить и в твёрдых телах, если прижать их плотно друг к другу и оставить на длительное время. Явление диффузии демонстрирует, что микрочастицы вещества способны самопроизвольно двигаться во все стороны. Такое движение микрочастиц вещества, а также его молекул и атомов, называют их тепловым движением.
Очевидно, что все молекулы воды в стакане движутся даже, если в нём нет капли чернил. Просто, диффузия чернил делает тепловое движение молекул заметным. Другим явлением, позволяющим наблюдать за тепловым движением и даже оценивать его характеристики, может служить броуновское движение, которым называют видимое в микроскоп хаотическое движение любых мельчайших частичек в совершенно спокойной жидкости. Броуновским оно было названо в честь английского ботаника Р. Броуна, который в 1827 году, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры пыльцы одного из растений, обнаружил, что они непрерывно и хаотически движутся.
2.3
Тепловое равновесие
При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.
Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
2.4
Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения
Внутренней энергии
Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом.
Они обладают одновременно кинетической и потенциальной энергией.
Эти энергии и составляют внутреннюю энергию тела.
Таким образом, внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц,
из которых состоит тело.
Внутренняя энергия характеризует тепловое состояние тела.
СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.
Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.
2.5
Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
Теплопроводность.
опыт №1:стальной стержень со спичками на пластилине нагреваем с одного конца.
Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором энергия передается частицами, имеющими большую энергию, частицам, имеющим меньшую энергию ( от нагретой части тела к холодной).
Частицы передают энергию в результате теплового движения и взаимодействия частиц
опыт № 2: нагреваем 2 стержня: стальной и медный одновременно.
Медь нагревается быстрее, чем железо.
Особенности теплопроводности:
1) само вещество не переносится;
2) разные вещества имеют разную теплопроводность
(у металлов – хорошая; у жидкостей – мала; у газов – почти нет)
Конвекция.
опыт №3: включенная электрическая плитка, сверху к которой подносят электрический султан.
Почему бумага шевелится? В результате обсуждения – вывод: нагретый воздух поднимается вверх (всплывает по закону Архимеда) и шевелит бумагу.
опыт №4:колба с водой и крупинкой марганца нагревается снизу.
Конвекция – это вид теплообмена, при котором тепло переносится самими струями газа или жидкости.
.опыт №5:одна колба с водой и крупинкой марганца нагревается сама, а другая нагревается и постепенно перемешивается.
В обоих происходит конвекция. Конвекция бывает: естественная и вынужденная.
1) само вещество переносится;
2) существует только в жидкостях и газах, ее нет в твердых телах,
3) чтобы она происходила, нагревать нужно снизу.
Нагревание воздуха в комнате происходит в результате конвекции, а чтобы она происходила, нагревать нужно снизу, значит, радиаторы отопления должны быть внизу, под окном, т.е. в самом холодном месте комнаты.
опыт №6:включенная электрическая плитка, к которой сбоку подносится теплоприемник, соединенный с жидкостным манометром.
.Это действительно новый вид теплообмена- излучение (лучистый теплообмен).
Примером являются солнечные лучи и тепловые лучи, испускаемые нагретыми телами.
Излучение — это теплообмен, при котором энергия переносится электромагнитными лучами.
1) излучают все нагретые тела (твердые, жидкие, газообразные),
2) происходит в вакууме,
3) зависит от цвета поверхностей (темная поверхность лучше излучает и поглощает тепло, светлая- наоборот).
2.6
Дата добавления: 2020-11-23 ; просмотров: 47 ; Мы поможем в написании вашей работы!
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.
Как радиатор отопления нагревает помещение
Самое забавное в радиаторах отопления, что они на самом деле не радиаторы вообще. Дело в том, что термин «радиатор» является немного неподходящим для устройства обогревающего помещение. Слово радиатор пошло от английского слова “radiate”, что переводится как излучать. Но радиаторы на самом деле не излучают тепло, они обогревают помещение за счет конвекции.
Так что же это тогда?
Вне зависимости от материала батарей отопления и их конструкции, подавляющее большинство радиаторов излучает около 80% производимого тепла при помощи конвекции, в результате на тепловое излучение остается всего 20%. Не беспокойтесь, в таком соотношении нет ничего плохого. Некоторые специалисты ошибочно считают, что это соотношение составляет 50 на 50.
Радиаторы изобрел русский бизнесмен Сан-Галли, хотя некоторые люди до сих пор оспаривают его изобретение.
Он назвал их «горячими ящиками», что является достаточно точным описанием радиатора. Теплая коробка, которая перемещает воздух вокруг себя и поднимает температуру в помещении.
В США их называют – обогреватели. Стоит отметить, что американцы используют более точный термин происходящий от слова “heaters”. Ведь именно это и делают радиаторы – обогревают и отдают тепло.
Ученый будет относиться к нагреву, как к тепловой энергии, которая может перемещаться в пространстве путем теплопроводности, конвекции или излучения. Ваш домашний алюминиевый радиатор установленный на стене под окном — нагревает холодный воздух над ним, и с помощью малейших сквозняков из окна, конвекционные потоки перемещают тепло по комнате.
Как радиатор отопления нагревает комнату?
Конвекционные потоки создаются, когда воздух над радиатором нагревается, затем охлаждается и затем снова нагревается. Этот процесс происходит непрерывно, пока у вас включено отопление. Таким образом радиаторы перемещают тепло по комнате, что делает дом теплым и уютным. Если выразиться по-научному — тепло создается за счет перехода потенциальной энергии в кинетическую.
Когда радиатор отопления нагревает воздух — это заставляет атомы вибрировать на высокой частоте. Атомы продолжают вибрировать все быстрее и быстрее в результате чего создается тепловая энергия. Этот процесс известен как конвекция.
Как ни с транно, к подогреву пола термин “радиатор” подходит гораздо лучше. Поскольку эта система фактически излучает тепло по всей комнате. Более половины тепла, создаваемого системами теплого пола производится через излучение.
Возьмите от радиатора максимум
Учитывая, что радиатор работает создавая эти прекрасные конвекционные потоки, в то время как вы смотрите футбол – стоит убедиться, что тепло остается внутри дома. Это позволит сэкономить энергию, деньги и тепло. Тепловая энергия, как Гудини – любит незаметно исчезать.
Она может уходить через крышу, окна, стены и любой маломальский зазор невидимый для человеческого глаза. Ваши бедные биметаллические радиаторы (или горячие ящики ☺) работают так тяжело, а вы позволяете теплу покидать дом? Не делайте этого!
Установите чердачную изоляцию, изолируйте полости стен и убедитесь, что окна находятся в хорошем состоянии. Это позволит удержать атомы внутри помещения и не даст им вырваться на улицу унося с собой драгоценные градусы тепла.
