Урок по темата "Видове пренос на топлина". Ватата по-студена ли е през зимата от новата? През лятото въздухът в сградата се нагрява, получавайки

Определя се от интензивното хаотично движение на молекулите и атомите, от които се състои това вещество. Температурата е мярка за интензивността на движението на молекулите. Количеството топлина, притежавано от тялото при дадена температура, зависи от неговата маса; например при същата температура голяма чаша вода съдържа повече топлина от малка, а кофа със студена вода може да съдържа повече топлина от чаша гореща вода (въпреки че температурата на водата в кофата е по-ниска) . Топлината играе важна роля в живота на човека, включително и във функционирането на тялото му. Част от химическата енергия, съдържаща се в храната, се превръща в топлина, като по този начин поддържа телесната температура около 37 градуса по Целзий. Топлинният баланс на човешкото тяло също зависи от температурата на околната среда и хората са принудени да харчат много енергия за отопление на жилищни и промишлени помещения през зимата и охлаждане през лятото. По-голямата част от тази енергия се доставя от топлинни двигатели, като котли и парни турбини в електроцентрали, които изгарят изкопаеми горива (въглища, нефт) и генерират електричество.

До края на 18в. топлината се смяташе за материална субстанция, вярвайки, че температурата на тялото се определя от количеството „калорична течност“ или „калории“, които съдържа. По-късно Б. Ръмфорд, Дж. Джаул и други физици от онова време чрез гениални експерименти и разсъждения опровергаха теорията за „калориите“, доказвайки, че топлината е безтегловна и може да бъде получена във всяко количество просто чрез механично движение. Топлината сама по себе си не е вещество - това е просто енергията на движение на нейните атоми или молекули. Именно това е разбирането за топлина, към което се придържа съвременната физика.

Пренос на топлинае процесът на пренос на топлина в тялото или от едно тяло към друго, предизвикан от температурна разлика. Интензивността на топлообмена зависи от свойствата на веществото, температурната разлика и се подчинява на експериментално установените закони на природата. За да създадете ефективно работещи отоплителни или охладителни системи, различни двигатели, електроцентрали и топлоизолационни системи, трябва да знаете принципите на пренос на топлина. В някои случаи топлообменът е нежелателен (топлоизолация на пещи за топене, космически кораби и др.), а в други той трябва да бъде възможно най-голям (парни котли, топлообменници, кухненски прибори).

където, както преди, р- топлинен поток (в джаули за секунда, т.е. във W), Ае повърхността на излъчващото тяло (в m2), и T 1 и T 2 - температури (в Келвин) на излъчващото тяло и околната среда, поглъщаща това лъчение. Коефициент ссе нарича константа на Стефан-Болцман и е равна на (5,66961 x 0,00096) x 10 -8 W/(m 2 DK 4).

Представеният закон за топлинното излъчване е валиден само за идеален излъчвател - така нареченото абсолютно черно тяло. Никое истинско тяло не е такова, въпреки че плоската черна повърхност по своите свойства се доближава до абсолютно черно тяло. Светлите повърхности излъчват относително слабо. За да се вземе предвид отклонението от идеалността на множество "сиви" тела, в дясната страна на израза, описващ закона на Стефан-Болцман, се въвежда коефициент, по-малък от единица, наречен емисионна способност. За плоска черна повърхност този коефициент може да достигне 0,98, а за полирано метално огледало не надвишава 0,05. Съответно капацитетът за поглъщане на радиация е висок за черно тяло и нисък за огледално тяло.

Жилищните и офис помещения често се отопляват с малки електрически топлоизлъчватели; червеникавият блясък на техните спирали е видимо топлинно излъчване, близо до границата на инфрачервената част на спектъра. Помещението се загрява от топлина, която се носи основно от невидимата, инфрачервена част на лъчението. Устройствата за нощно виждане използват източник на топлинно излъчване и инфрачервен приемник, за да позволят виждане на тъмно.

Слънцето е мощен излъчвател на топлинна енергия; нагрява Земята дори на разстояние от 150 милиона км. Интензитетът на слънчевата радиация, регистриран година след година от станции, разположени в много части на земното кълбо, е приблизително 1,37 W/m2. Слънчевата енергия е източникът на живот на Земята. Търсят се начини за най-ефективното му използване. Слънчевите панели са създадени за отопление на къщи и генериране на електричество за битови нужди.

Предмет: Физика и астрономия

Клас: 8 рус

Предмет: Топлопроводимост, конвекция, радиация.

Тип урок: Комбиниран

Цел на урока:

Образователни: запознайте се с концепцията за пренос на топлина, видове пренос на топлина, обяснете, че преносът на топлина при всеки вид топлопредаване винаги върви в една посока; че в зависимост от вътрешната структура топлопроводимостта на различните вещества (твърди, течни и газообразни) е различна, че черната повърхност е най-добрият излъчвател и най-добрият абсорбатор на енергия.

Развитие: развийте познавателен интерес към предмета.

Образователни: да развият чувство за отговорност, способността за компетентно и ясно изразяване на мислите си, да могат да се държат и да работят в екип

Междупредметна комуникация: химия, математика

Нагледни помагала: 21-30 рисунки, таблица за топлопроводимост

Технически средства за обучение: ____________________________________________________

_______________________________________________________________________

Структура на урока

1. ОТНОСНОорганизация на урока(2 минути.)

Поздрав към учениците

Проверка на присъствието на учениците и готовността на класа за час.

2. Анкета за домашна работа (15 мин.)Тема: Вътрешна енергия. Начини за промяна на вътрешната енергия.

3. Обяснение на нов материал. (15 минути)

Метод за промяна на вътрешната енергия, при който частици от по-нагрято тяло, имащи по-голяма кинетична енергия, при контакт с по-малко нагрято тяло, предават енергия директно на частиците на по-малко нагрято тяло, се наричапренос на топлина Има три метода за пренос на топлина: топлопроводимост, конвекция и радиация.

Тези видове пренос на топлина имат свои собствени характеристики, но преносът на топлина с всеки от тях винаги върви в една и съща посока: от по-нагрято тяло към по-слабо нагрято . В този случай вътрешната енергия на по-горещо тяло намалява, а на по-студено се увеличава.

Явлението пренос на енергия от по-нагрята част на тялото към по-малко нагрята или от по-нагрято тяло към по-малко нагрято чрез директен контакт или междинни тела се наричатоплопроводимост.

В твърдото тяло частиците са в постоянно колебателно движение, но не променят равновесното си състояние. Тъй като температурата на тялото се повишава, когато се нагрява, молекулите започват да вибрират по-интензивно, тъй като тяхната кинетична енергия се увеличава. Част от тази повишена енергия постепенно се прехвърля от една частица към друга, т.е. от една част на тялото към съседни части на тялото и др. Но не всички твърди вещества пренасят енергия еднакво. Сред тях има така наречените изолатори, при които механизмът на топлопроводимост се осъществява доста бавно. Те включват азбест, картон, хартия, филц, гранит, дърво, стъкло и редица други твърди вещества. Medb и среброто имат по-голяма топлопроводимост. Те са добри топлопроводници.

Течностите имат ниска топлопроводимост. Когато течността се нагрява, вътрешната енергия се прехвърля от по-нагрята област към по-малко нагрята по време на сблъсъци на молекули и отчасти поради дифузия: по-бързите молекули проникват в по-малко нагрята област.

В газовете, особено в разредените, молекулите са разположени на доста големи разстояния една от друга, така че тяхната топлопроводимост е дори по-малка от тази на течностите.

Идеалният изолатор е вакуум , защото му липсват частици за пренос на вътрешна енергия.

В зависимост от вътрешното състояние топлопроводимостта на различните вещества (твърди, течни и газообразни) е различна.

Топлинната проводимост зависи от естеството на преноса на енергия в дадено вещество и не е свързана с движението на самото вещество в тялото.

Известно е, че топлопроводимостта на водата е ниска и когато горният слой на водата се нагрява, долният слой остава студен. Въздухът е дори по-лош проводник на топлина от водата.

Конвекция - е процес на пренос на топлина, при който енергията се пренася чрез струи течност или газ.Конвекция на латински означава"смесване". Конвекция не съществува в твърди тела и не се случва във вакуум.

Широко използвана в ежедневието и технологиите, ковекцията е естествено или безплатно .

Когато течности или газове се смесват с помпа или бъркалка, за да се смесят равномерно, конвекцията се нарича принуден.

Радиаторът е устройство, което представлява плосък цилиндричен контейнер, изработен от метал, едната страна на който е черна, а другата лъскава. В него има въздух, който при нагряване може да се разшири и да излезе през отвора.

В случай, че топлината се пренася от нагрято тяло към радиатор с помощта на невидими за окото топлинни лъчи, видът на топлопредаване се наричарадиация или лъчист пренос на топлина

Абсорбция наречен процес на преобразуване на радиационната енергия във вътрешна енергия на тялото

Радиация (или лъчист пренос на топлина) е процесът на пренос на енергия от едно тяло към друго с помощта на електромагнитни вълни.

Колкото по-висока е телесната температура, толкова по-висока е интензивността на радиацията. Преносът на енергия чрез радиация не изисква среда: топлинните лъчи могат да се разпространяват и през вакуум.

Черна повърхност-най-добър излъчвател и най-добър абсорбатор, следван от грапави, бели и полирани повърхности.

Добрите абсорбери на енергия са добри излъчватели на енергия, а лошите абсорбери на енергия са лоши излъчватели на енергия.

4. Консолидация:(10 минути)Въпроси, задачи и упражнения за самоконтрол

специфични задачи: 1) Сравнение на топлопроводимостта на метал и стъкло, вода и въздух, 2) Наблюдение на конвекция в жилищна стая.

6. Оценка на знанията на учениците (1 мин.)

Основна литература: Физика и астрономия 8 клас

Допълнителна литература: Н. Д. Битко “Физика” части 1 и 2

При естествени условия прехвърлянето на вътрешна енергия към топлообмен винаги се извършва в строго определена посока: от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура. Когато температурите на телата станат еднакви, настъпва състояние на топлинно равновесие: телата обменят енергия в равни количества.

Съвкупността от явления, свързани с преминаването на топлинна енергия от една част на пространството в друга, което се причинява от разликата в температурите на тези части, най-общо се нарича топлообмен.В природата има няколко вида топлообмен. Има три начина за пренос на топлина от едно тяло към друго: топлопроводимост, конвекция и радиация.

Топлопроводимост.

Поставете края на метален прът в пламъка на спиртната лампа. Прикрепяме няколко кибрита към пръта на равни разстояния един от друг с помощта на восък. При нагряване на единия край на пръчката восъчните топчета се топят и кибритените клечки падат една след друга. Това показва, че вътрешната енергия се прехвърля от единия край на пръта към другия.

Фигура 1 Демонстрация на процеса на топлопроводимост

Нека да разберем причината за това явление.

Когато краят на пръта се нагрее, интензивността на движение на частиците, които изграждат метала, се увеличава и тяхната кинетична енергия се увеличава. Поради хаотичността на топлинното движение те се сблъскват с по-бавни частици от съседния студен слой метал и им предават част от енергията си. В резултат на това вътрешната енергия се прехвърля от единия край на пръта към другия.

Прехвърлянето на вътрешна енергия от една част на тялото към друга в резултат на топлинното движение на неговите частици се нарича топлопроводимост.

Конвекция

Преносът на вътрешна енергия чрез топлопроводимост се извършва главно в твърдите тела. В течни и газообразни тела преносът на вътрешна енергия се извършва по други начини. Така че, когато водата се нагрява, плътността на нейните долни, по-горещи слоеве намалява, докато горните слоеве остават студени и тяхната плътност не се променя. Под въздействието на гравитацията по-плътните студени слоеве вода падат надолу, а нагрятите се издигат нагоре: възниква механично смесване на студени и нагрети слоеве течност. Цялата вода се затопля. Подобни процеси протичат и в газовете.

Преносът на вътрешна енергия, дължащ се на механично смесване на нагрети и студени слоеве течност или газ, се нарича конвекция.

Феноменът на конвекцията играе голяма роля в природата и технологиите. Конвекционните течения причиняват постоянно смесване на въздуха в атмосферата, поради което съставът на въздуха на всички места на Земята е почти еднакъв. Конвекционните токове осигуряват непрекъснато снабдяване на свежи порции кислород към пламъка по време на процесите на горене. Благодарение на конвекцията температурата на въздуха в жилищните помещения се изравнява по време на отопление, както и въздушно охлаждане на устройства по време на работа на различно електронно оборудване.

Фигура 2 Отопление и изравняване на температурата на въздуха в жилищни помещения по време на отопление поради конвекция

Радиация

Преносът на вътрешна енергия може да се осъществи и чрез електромагнитно излъчване. Това е лесно да се открие чрез опит. Да включим електрическата отоплителна печка. Той стопля добре ръката ни, когато го поднесем не само отгоре, но и отстрани на печката. Топлопроводимостта на въздуха е много ниска и конвекционните течения се издигат нагоре. В този случай енергията от спиралата, загрята от електрически ток, се пренася главно чрез радиация.

Преносът на вътрешна енергия чрез радиация се извършва не от частици материя, а от частици на електромагнитното поле - фотони. Те не съществуват „готови“ вътре в атомите, като електрони или протони. Фотоните възникват, когато електроните се преместват от един електронен слой в друг, разположен по-близо до ядрото, и в същото време носят със себе си определена част от енергията. Достигайки друго тяло, фотоните се поглъщат от неговите атоми и напълно им предават енергията си.

Прехвърлянето на вътрешна енергия от едно тяло към друго поради прехвърлянето й от частици на електромагнитното поле - фотони, се нарича електромагнитно излъчване.Всяко тяло, чиято температура е по-висока от температурата на околната среда, излъчва вътрешната си енергия в околното пространство. Количеството енергия, излъчвано от тялото за единица време, рязко нараства с повишаване на температурата.

Фигура 3 Експеримент, илюстриращ предаването на вътрешна енергия на горещ чайник чрез радиация

Фигура 4 Радиация от Слънцето

Транспортни явления в термодинамично неравновесни системи. Топлопроводимост

В термодинамично неравновесните системи възникват специални необратими процеси, наречени явления на пренос, в резултат на които се осъществява пространствен пренос на енергия, маса и импулс. Транспортните явления включват топлопроводимост (причинена от трансфер на енергия), дифузия (причинена от трансфер на маса) и вътрешно триене (причинено от трансфер на импулс). За тези явления преносът на енергия, маса и импулс винаги се извършва в посока, обратна на техния градиент, т.е. системата се доближава до състояние на термодинамично равновесие.

Ако в една област на газа средната кинетична енергия на молекулите е по-голяма, отколкото в друга, тогава с течение на времето, поради постоянни сблъсъци на молекули, възниква процес на изравняване на средните кинетични енергии на молекулите, т.е., с други думи, изравняване на температурите.

Процесът на пренос на енергия под формата на топлина се подчинява на закона на Фурие за топлопроводимостта: количеството топлина q, което се пренася за единица време през единица площ, е правопропорционално - температурен градиент, равен на скоростта на изменение на температурата на единица дължина x в посока на нормалата към тази зона:

, (1)

където λ е коефициентът на топлопроводимост или топлопроводимост. Знакът минус показва, че по време на топлинна проводимост енергията се пренася в посока на понижаване на температурата. Топлопроводимостта λ е равна на количеството топлина, пренесено през единица площ за единица време с температурен градиент, равен на единица.

Очевидно е, че топлината Q, преминала чрез топлинна проводимост през площта S по време на време t, е пропорционална на площта S, времето t и температурния градиент :

Може да се покаже, че

(2)

където с V - специфичен топлинен капацитет на газ при постоянен обем(количеството топлина, необходимо за нагряване на 1 kg газ с 1 K при постоянен обем), ρ - плътност на газа,<υ>- средна аритметична скорост на топлинно движение на молекулите,<л> - среден свободен път.

Тези. ясно е от какви причини зависи количеството енергия, пренесено чрез топлопроводимост, например от стая през стена към улицата. Очевидно е, че колкото повече енергия се прехвърля от помещението към улицата, колкото по-голяма е площта на стената S, толкова по-голяма е температурната разлика Δt в помещението и навън, толкова по-дълго е времето t за топлообмен между помещението и улицата и по-малка от дебелината на стената (дебелината на слоя вещество) d : ~.

В допълнение, количеството енергия, пренесено чрез топлопроводимост, зависи от материала, от който е направена стената. Различните вещества при едни и същи условия пренасят различни количества енергия чрез топлопроводимост. Количеството енергия, което се пренася чрез топлопроводимост през всяка единица площ на слой от вещество за единица време, когато температурната разлика между неговите повърхности е 1 ° C и когато дебелината му е 1 m (единична дължина), може да служи като мярка за способността на дадено вещество да пренася енергия чрез топлопроводимост. Тази стойност се нарича коефициент на топлопроводимост. Колкото по-висок е коефициентът на топлопроводимост λ, толкова повече енергия се пренася от слоя вещество. Металите имат най-голяма топлопроводимост, течностите имат малко по-малка. Сухият въздух и вълната имат най-ниска топлопроводимост. Това обяснява топлоизолационните свойства на дрехите при хората, перата при птиците и вълната при животните.

22.10.16 15:50:35 ч

Видове пренос на топлина

Физика 8 клас.

© Microsoft Corporation 2007. Всички права запазени. Microsoft, Windows, Windows Vista и други имена на продукти са или могат да бъдат регистрирани търговски марки и/или търговски марки в Съединените щати и/или други държави.

Информацията, съдържаща се в този документ, е само с илюстративна цел и не отразява възгледите на Microsoft Corporation към момента на писане на тази презентация. Тъй като Microsoft е чувствителна към променящите се пазарни условия, Microsoft не гарантира и не поема отговорност за точността на информацията, предоставена след тази презентация. MICROSOFT НЕ ДАВА НИКАКВИ ГАРАНЦИИ, ИЗРИЧНИ, КОСВЕНИ ИЛИ ЗАКОНОВИ, ПО ОТНОШЕНИЕ НА ИНФОРМАЦИЯТА В ТАЗИ ПРЕЗЕНТАЦИЯ.

ТОПЛОПРОВОДИМОСТ

пренос на енергия от по-нагрети области на тялото към по-слабо нагрети поради топлинно движение и взаимодействие на микрочастици (атоми, молекули, йони и др.), което води до изравняване на телесната температура.

Различните материали имат различна топлопроводимост

Медна стомана

ТОПЛОПРОВОДНОСТ В ДОМАКИНСТВОТО

Добра топлопроводимост

Лоша топлопроводимост

КОНВЕКЦИЯ

Това е пренос на енергия чрез струи течност или газ. По време на конвекция материята се пренася.

КОНВЕКЦИЯТА МОЖЕ ДА БЪДЕ:

НАТУРАЛЕН

ИЗКУСТВЕНИ

(ПРИНУДЕН)

Конвекция в ежедневието

Отопление на дома

Домашно охлаждане

И при топлопроводимостта, и при конвекцията едно от условията за пренос на енергия е наличието на материя. Но как топлината на Слънцето се предава на нас на Земята, защото космическото пространство е вакуум, т.е. там няма вещество или то е вътре много оскъдноусловие?

Следователно има някакъв друг начин за пренос на енергия

РАДИАЦИЯ

Радиацията е процес на излъчване и разпространение на енергия под формата на вълни и частици.

Всички тела около нас излъчват топлина в една или друга степен.

слънчева светлина

Устройството за нощно виждане ви позволява да уловите най-слабото топлинно излъчване и да го преобразувате в изображение

Светли (огледални) повърхности – отразяват топлинното излъчване

По този начин можете да намалите топлинните загуби или да насочите топлината към правилното място

Тъмните повърхности абсорбират топлинното лъчение

Слънчевият колектор е устройство за събиране на топлинна енергия от Слънцето (соларна централа), пренесена от видима светлина и близко инфрачервено лъчение. За разлика от слънчевите панели, които директно произвеждат електричество, слънчевият колектор произвежда нагряване на охлаждащия материал.

• Защо красиво проектираните отоплителни радиатори не се поставят в стаята близо до тавана?
• Защо в горещ слънчев летен ден носим леки и светли дрехи, покриваме главата си с лека шапка, панама и т.н.?
• Защо ножицата е по-хладна на допир от молива?