Aula sobre o tema “tipos de transferência de calor”. O algodão é mais frio no inverno do que o novo? No verão, o ar do prédio esquenta, recebendo

Determinado pelo intenso movimento caótico das moléculas e átomos que compõem esta substância. A temperatura é uma medida da intensidade do movimento molecular. A quantidade de calor que um corpo possui a uma determinada temperatura depende de sua massa; por exemplo, à mesma temperatura, um copo grande de água contém mais calor do que um pequeno, e um balde de água fria pode conter mais calor do que um copo de água quente (embora a temperatura da água no balde seja mais baixa) . O calor desempenha um papel importante na vida humana, inclusive no funcionamento do seu corpo. Parte da energia química contida nos alimentos é convertida em calor, mantendo assim a temperatura corporal em torno de 37 graus Celsius. O equilíbrio térmico do corpo humano também depende da temperatura ambiente, e as pessoas são obrigadas a gastar muita energia aquecendo instalações residenciais e industriais no inverno e resfriando-as no verão. A maior parte desta energia é fornecida por motores térmicos, como caldeiras e turbinas a vapor em centrais eléctricas que queimam combustíveis fósseis (carvão, petróleo) e geram electricidade.

Até finais do século XVIII. o calor era considerado uma substância material, acreditando-se que a temperatura de um corpo é determinada pela quantidade de “fluido calórico” ou “calórico” que ele contém. Mais tarde, B. Rumford, J. Joule e outros físicos da época, por meio de experimentos e raciocínios engenhosos, refutaram a teoria “calórica”, provando que o calor não tem peso e pode ser obtido em qualquer quantidade simplesmente por meio de movimento mecânico. O calor em si não é uma substância - é apenas a energia do movimento de seus átomos ou moléculas. Esta é precisamente a compreensão do calor que a física moderna adere.

Transferência de caloré o processo de transferência de calor dentro de um corpo ou de um corpo para outro, causado por uma diferença de temperatura. A intensidade da transferência de calor depende das propriedades da substância, da diferença de temperatura e obedece às leis da natureza estabelecidas experimentalmente. Para criar sistemas de aquecimento ou resfriamento que funcionem com eficiência, vários motores, usinas de energia e sistemas de isolamento térmico, você precisa conhecer os princípios da transferência de calor. Em alguns casos, a troca de calor é indesejável (isolamento térmico de fornos de fundição, naves espaciais, etc.), enquanto em outros deve ser a maior possível (caldeiras a vapor, trocadores de calor, utensílios de cozinha).

onde, como antes, q- fluxo de calor (em joules por segundo, ou seja, em W), Aé a área da superfície do corpo radiante (em m2), e T 1 e T 2 - temperaturas (em Kelvin) do corpo radiante e do ambiente que absorve essa radiação. Coeficiente éé chamada de constante de Stefan-Boltzmann e é igual a (5,66961 x 0,00096) x 10 -8 W/(m 2 DK 4).

A lei da radiação térmica apresentada é válida apenas para um emissor ideal - o chamado corpo absolutamente negro. Nenhum corpo real é assim, embora uma superfície preta plana em suas propriedades se aproxime de um corpo absolutamente negro. Superfícies claras emitem de forma relativamente fraca. Para levar em conta o desvio da idealidade de numerosos corpos “cinzentos”, um coeficiente menor que a unidade, chamado emissividade, é introduzido no lado direito da expressão que descreve a lei de Stefan-Boltzmann. Para uma superfície preta plana este coeficiente pode chegar a 0,98, e para um espelho de metal polido não excede 0,05. Conseqüentemente, a capacidade de absorção de radiação é alta para um corpo negro e baixa para um corpo espelho.

Os espaços residenciais e de escritórios são frequentemente aquecidos com pequenos emissores de calor eléctrico; o brilho avermelhado de suas espirais é radiação térmica visível, próxima à borda da parte infravermelha do espectro. A sala é aquecida pelo calor, que é transportado principalmente pela parte infravermelha invisível da radiação. Os dispositivos de visão noturna usam uma fonte de radiação térmica e um receptor sensível ao infravermelho para permitir a visão no escuro.

O Sol é um poderoso emissor de energia térmica; aquece a Terra mesmo a uma distância de 150 milhões de km. A intensidade da radiação solar registada ano após ano por estações localizadas em muitas partes do globo é de aproximadamente 1,37 W/m2. A energia solar é a fonte da vida na Terra. A busca por maneiras de utilizá-lo de forma mais eficaz está em andamento. Painéis solares foram criados para aquecer casas e gerar eletricidade para necessidades domésticas.

Assunto: Física e Astronomia

Classe: 8 rus

Assunto: Condução térmica, convecção, radiação.

Tipo de aula: Combinado

Objetivo da lição:

Educacional: apresentar o conceito de transferência de calor, tipos de transferência de calor, explicar que a transferência de calor com qualquer tipo de transferência de calor sempre ocorre em uma direção; que dependendo da estrutura interna, a condutividade térmica das diversas substâncias (sólidas, líquidas e gasosas) é diferente, que uma superfície preta é o melhor emissor e o melhor absorvedor de energia.

Desenvolvimento: desenvolver interesse cognitivo no assunto.

Educacional: desenvolver o sentido de responsabilidade, a capacidade de expressar com competência e clareza os pensamentos, ser capaz de se comportar e trabalhar em equipe

Comunicação interdisciplinar: química, matemática

Recursos visuais: 21-30 desenhos, tabela de condutividade térmica

Auxílios de treinamento técnico: ___________________________________________________

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Estrutura da aula

1. SOBREorganização da aula(2 minutos.)

Saudação aos alunos

Verificar a frequência dos alunos e a preparação para as aulas.

2. Pesquisa de lição de casa (15 min) Tópico: Energia interna. Maneiras de mudar a energia interna.

3. Explicação do novo material. (15 minutos)

É denominado método de alteração da energia interna, no qual partículas de um corpo mais aquecido, possuindo maior energia cinética, ao entrar em contato com um corpo menos aquecido, transferem energia diretamente para as partículas de um corpo menos aquecido.transferência de calor Existem três métodos de transferência de calor: condutividade térmica, convecção e radiação.

Esses tipos de transferência de calor possuem características próprias, porém, a transferência de calor com cada um deles ocorre sempre na mesma direção: de um corpo mais aquecido para um menos aquecido . Neste caso, a energia interna de um corpo mais quente diminui e a de um corpo mais frio aumenta.

O fenômeno de transferência de energia de uma parte mais aquecida do corpo para uma menos aquecida ou de um corpo mais aquecido para outro menos aquecido por meio de contato direto ou corpos intermediários é denominadocondutividade térmica.

Em um corpo sólido, as partículas estão constantemente em movimento oscilatório, mas não alteram seu estado de equilíbrio. À medida que a temperatura de um corpo aumenta quando ele é aquecido, as moléculas começam a vibrar com mais intensidade, à medida que sua energia cinética aumenta. Parte deste aumento de energia é gradualmente transferida de uma partícula para outra, ou seja, de uma parte do corpo para partes vizinhas do corpo, etc. Mas nem todos os sólidos transferem energia igualmente. Entre eles estão os chamados isolantes, nos quais o mecanismo de condução térmica ocorre de forma bastante lenta. Estes incluem amianto, papelão, papel, feltro, granito, madeira, vidro e vários outros sólidos. Medb e prata têm maior condutividade térmica. São bons condutores de calor.

Os líquidos têm baixa condutividade térmica. Quando um líquido é aquecido, a energia interna é transferida de uma região mais aquecida para uma menos aquecida durante colisões de moléculas e em parte devido à difusão: moléculas mais rápidas penetram em uma região menos aquecida.

Nos gases, especialmente nos rarefeitos, as moléculas estão localizadas a distâncias bastante grandes umas das outras, de modo que sua condutividade térmica é ainda menor que a dos líquidos.

O isolante perfeito é vácuo , porque faltam partículas para transferir energia interna.

Dependendo do estado interno, a condutividade térmica de diferentes substâncias (sólidas, líquidas e gasosas) é diferente.

A condutividade térmica depende da natureza da transferência de energia em uma substância e não está relacionada ao movimento da própria substância no corpo.

Sabe-se que a condutividade térmica da água é baixa e, quando a camada superior da água é aquecida, a camada inferior permanece fria. O ar é um condutor de calor ainda pior do que a água.

Convecção - é um processo de transferência de calor no qual a energia é transferida por jatos de líquido ou gás. Convecção em latim significa"misturando". A convecção não existe em sólidos e não ocorre no vácuo.

Amplamente utilizada na vida cotidiana e na tecnologia, a covecção é naturais ou gratuitos .

Quando líquidos ou gases são misturados com uma bomba ou agitador para misturá-los uniformemente, a convecção é chamada forçado.

Um dissipador de calor é um dispositivo que é um recipiente cilíndrico plano feito de metal, com um lado preto e o outro brilhante. Dentro dele há ar que, ao ser aquecido, pode se expandir e escapar pelo orifício.

No caso em que o calor é transferido de um corpo aquecido para um dissipador de calor usando raios de calor invisíveis aos olhos, o tipo de transferência de calor é denominadoradiação ou transferência de calor radiante

Absorção chamado de processo de conversão da energia da radiação em energia interna do corpo

Radiação (ou transferência de calor radiante) é o processo de transferência de energia de um corpo para outro usando ondas eletromagnéticas.

Quanto maior a temperatura corporal, maior a intensidade da radiação. A transferência de energia por radiação não requer um meio: os raios de calor também podem se propagar através do vácuo.

Superfície preta-melhor emissor e melhor absorvedor, seguidos de superfícies ásperas, brancas e polidas.

Bons absorvedores de energia são bons emissores de energia, e maus absorvedores de energia são maus emissores de energia.

4. Consolidação:(10 minutos) Perguntas, tarefas e exercícios de autoteste

tarefas específicas: 1) Comparação da condutividade térmica de metal e vidro, água e ar, 2) Observação de convecção numa sala de estar.

6. Avaliação do conhecimento do aluno (1 min)

Literatura básica: Física e astronomia 8ª série

Leitura adicional: N. D. Bytko “Física” partes 1 e 2

Em condições naturais, a transferência de energia interna para troca de calor ocorre sempre em uma direção estritamente definida: de um corpo com temperatura mais alta para um corpo com temperatura mais baixa. Quando as temperaturas dos corpos se tornam iguais, ocorre um estado de equilíbrio térmico: os corpos trocam energia em quantidades iguais.

O conjunto de fenômenos associados à transição da energia térmica de uma parte do espaço para outra, causada pela diferença nas temperaturas dessas partes, é geralmente denominado troca de calor. Existem vários tipos de transferência de calor na natureza. Existem três maneiras de transferir calor de um corpo para outro: condutividade térmica, convecção e radiação.

Condutividade térmica.

Coloque a ponta de uma haste de metal na chama da lamparina a álcool. Fixamos vários fósforos na haste a distâncias iguais uns dos outros usando cera. Quando uma extremidade da vareta é aquecida, as bolas de cera derretem e os fósforos caem um após o outro. Isso indica que a energia interna é transferida de uma extremidade da haste para a outra.

Figura 1 Demonstração do processo de condução térmica

Vamos descobrir o motivo desse fenômeno.

Quando a extremidade da haste é aquecida, a intensidade do movimento das partículas que compõem o metal aumenta e sua energia cinética aumenta. Devido à aleatoriedade do movimento térmico, eles colidem com partículas mais lentas da camada fria adjacente de metal e transferem parte de sua energia para elas. Como resultado, a energia interna é transferida de uma extremidade da haste para a outra.

A transferência de energia interna de uma parte de um corpo para outra como resultado do movimento térmico de suas partículas é chamada de condutividade térmica.

Convecção

A transferência de energia interna por condução térmica ocorre principalmente em sólidos. Em corpos líquidos e gasosos, a transferência de energia interna é realizada de outras formas. Assim, quando a água é aquecida, a densidade de suas camadas inferiores e mais quentes diminui, enquanto as camadas superiores permanecem frias e sua densidade não muda. Sob a influência da gravidade, camadas frias mais densas de água caem e as aquecidas sobem: ocorre a mistura mecânica de camadas frias e aquecidas de líquido. Toda a água esquenta. Processos semelhantes ocorrem em gases.

A transferência de energia interna devido à mistura mecânica de camadas aquecidas e frias de líquido ou gás é chamada de convecção.

O fenômeno da convecção desempenha um grande papel na natureza e na tecnologia. As correntes de convecção causam mistura constante do ar na atmosfera, devido à qual a composição do ar em todos os lugares da Terra é quase a mesma. As correntes de convecção fornecem um fornecimento contínuo de novas porções de oxigênio à chama durante os processos de combustão. Devido à convecção, a temperatura do ar nas instalações residenciais é equalizada durante o aquecimento, bem como o resfriamento do ar dos dispositivos durante a operação de diversos equipamentos eletrônicos.

Figura 2 Aquecimento e equalização da temperatura do ar em instalações residenciais durante aquecimento por convecção

Radiação

A transferência de energia interna também pode ocorrer através de radiação eletromagnética. Isso é fácil de descobrir através da experiência. Vamos ligar o fogão elétrico. Aquece bem a mão quando a trazemos não só de cima, mas também da lateral do fogão. A condutividade térmica do ar é muito baixa e as correntes de convecção aumentam. Neste caso, a energia da hélice aquecida pela corrente elétrica é transferida principalmente por radiação.

A transferência de energia interna por radiação é realizada não por partículas de matéria, mas por partículas do campo eletromagnético - fótons. Eles não existem “prontos” dentro dos átomos, como os elétrons ou os prótons. Os fótons surgem quando os elétrons se movem de uma camada de elétrons para outra, localizada mais próxima do núcleo, e ao mesmo tempo carregam consigo uma certa porção de energia. Chegando a outro corpo, os fótons são absorvidos por seus átomos e transferem completamente sua energia para eles.

A transferência de energia interna de um corpo para outro devido à sua transferência por partículas do campo eletromagnético - fótons, é chamada de radiação eletromagnética. Qualquer corpo cuja temperatura seja superior à temperatura ambiente irradia sua energia interna para o espaço circundante. A quantidade de energia emitida por um corpo por unidade de tempo aumenta acentuadamente com o aumento da temperatura.

Figura 3 Experimento que ilustra a transferência de energia interna de uma chaleira quente através de radiação

Figura 4 Radiação do Sol

Fenômenos de transporte em sistemas termodinamicamente fora de equilíbrio. Condutividade térmica

Em sistemas termodinamicamente fora de equilíbrio, surgem processos irreversíveis especiais, chamados fenômenos de transferência, como resultado dos quais ocorre a transferência espacial de energia, massa e momento. Os fenômenos de transporte incluem condutividade térmica (causada pela transferência de energia), difusão (causada pela transferência de massa) e atrito interno (causado pela transferência de momento). Para estes fenômenos, a transferência de energia, massa e momento ocorre sempre na direção oposta ao seu gradiente, ou seja, o sistema se aproxima de um estado de equilíbrio termodinâmico.

Se em uma região do gás a energia cinética média das moléculas é maior que em outra, então com o passar do tempo, devido às constantes colisões de moléculas, ocorre um processo de equalização das energias cinéticas médias das moléculas, ou seja, em outras palavras, equalização de temperaturas.

O processo de transferência de energia na forma de calor obedece à lei da condutividade térmica de Fourier: a quantidade de calor q que é transferida por unidade de tempo através de uma unidade de área é diretamente proporcional - gradiente de temperatura igual à taxa de mudança de temperatura por unidade de comprimento x na direção da normal a esta área:

, (1)

onde λ é o coeficiente de condutividade térmica ou condutividade térmica. O sinal negativo mostra que durante a condução térmica, a energia é transferida na direção da diminuição da temperatura. A condutividade térmica λ é igual à quantidade de calor transferida através de uma unidade de área por unidade de tempo com um gradiente de temperatura igual à unidade.

É óbvio que o calor Q passado por condução térmica através da área S durante o tempo t é proporcional à área S, ao tempo t e ao gradiente de temperatura :

Pode-se mostrar que

(2)

onde com V - capacidade térmica específica do gás a volume constante(a quantidade de calor necessária para aquecer 1 kg de gás em 1 K a volume constante), ρ - densidade do gás,<υ>- velocidade média aritmética do movimento térmico das moléculas,<eu> - caminho livre médio.

Aqueles. é claro de quais razões depende a quantidade de energia transferida por condução térmica, por exemplo, de uma sala através de uma parede para a rua. Obviamente, quanto mais energia é transferida da sala para a rua, maior será a área da parede S, maior será a diferença de temperatura Δt na sala e no exterior, maior será o tempo t para troca de calor entre a sala e a rua, e o menor a espessura da parede (espessura da camada de substância) d : ~.

Além disso, a quantidade de energia transferida por condução térmica depende do material de que a parede é feita. Diferentes substâncias nas mesmas condições transferem diferentes quantidades de energia por condutividade térmica. A quantidade de energia que é transferida por condução térmica através de cada unidade de área de uma camada de uma substância por unidade de tempo quando a diferença de temperatura entre suas superfícies é de 1 ° C e quando sua espessura é de 1 m (comprimento unitário) pode servir como uma medida da capacidade de uma substância de transferir energia por condutividade térmica. Este valor é chamado de coeficiente de condutividade térmica. Quanto maior o coeficiente de condutividade térmica λ, mais energia é transferida pela camada de substância. Os metais têm a maior condutividade térmica, os líquidos têm um pouco menos. O ar seco e a lã têm a condutividade térmica mais baixa. Isso explica as propriedades de isolamento térmico das roupas nos humanos, das penas nos pássaros e da lã nos animais.

22/10/16 15:50:35

Tipos de transferência de calor

Física 8º ano.

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CONDUTIVIDADE TÉRMICA

transferência de energia de áreas mais aquecidas do corpo para áreas menos aquecidas devido ao movimento térmico e interação de micropartículas (átomos, moléculas, íons, etc.), o que leva à equalização da temperatura corporal.

Diferentes materiais têm diferentes condutividades térmicas

Aço Cobre

CONDUÇÃO TÉRMICA EM DOMÉSTICO

Boa condutividade térmica

Má condutividade térmica

CONVECÇÃO

Esta é a transferência de energia por jatos de líquido ou gás. Durante a convecção, a matéria é transferida.

A CONVECÇÃO PODE SER:

NATURAL

ARTIFICIAL

(FORÇADO)

Convecção na vida cotidiana

Aquecimento doméstico

Resfriamento doméstico

Tanto na condutividade térmica quanto na convecção, uma das condições para a transferência de energia é a presença de matéria. Mas como o calor do Sol é transferido para nós na Terra, porque o espaço sideral é um vácuo, ou seja, não há substância lá, ou está em muito escasso doença?

Portanto, existe alguma outra maneira de transferir energia

RADIAÇÃO

A radiação é o processo de emissão e propagação de energia na forma de ondas e partículas.

Todos os corpos ao nosso redor emitem calor em um grau ou outro.

luz solar

Um dispositivo de visão noturna permite capturar a radiação térmica mais fraca e convertê-la em uma imagem

Superfícies claras (espelho) – refletem a radiação térmica

Desta forma, você pode reduzir a perda de calor ou direcionar o calor para o lugar certo

Superfícies escuras absorvem radiação térmica

Um coletor solar é um dispositivo para coletar energia térmica do Sol (usina solar) transferida por luz visível e radiação infravermelha próxima. Ao contrário dos painéis solares, que produzem eletricidade diretamente, um coletor solar produz aquecimento de um material refrigerante.

• Por que os radiadores de aquecimento lindamente projetados não são colocados na sala perto do teto?
• Por que em um dia quente e ensolarado de verão usamos roupas leves e leves, cobrimos a cabeça com um chapéu leve, chapéu panamá, etc.?
• Por que a tesoura é mais fria ao toque do que um lápis?