Каким способом теплопередачи происходит нагревание воды: Каким способом теплопередачи происходит нагревание воды в кастрюле на газовой плите

Каким способом теплопередачи происходит нагревание воды в кастрюле на газовой плите

    Прежде чем ответить на этот вопрос, полезно было бы вспомнить, что такое теплопередача как физический процесс и какие ее виды существуют.

Теплопередача как физический процесс

   Нетрудно догадаться из самого названия, что теплопередача представляет собой процесс передачи тепла от одного предмета другому. По другому, это процесс обмена теплом/тепловой энергией.  И обмен этот может происходить тремя основными способами:

  1. от более горячего предмета к менее горячему;
  2. при непосредственном соприкосновении предметов;
  3. через перегородку из какого-лито материала, разделяющую предметы/тела.

   Суть теплопередачи заключается в том, чтобы уравновесить температуру предметов, которые до этого имели разную температуру. 

Виды теплопередачи

    Самыми простыми видами теплопередачи считают:

  1. конвекцию;
  2. теплопроводность;
  3. тепловое излучение.

   Есть и более сложные способы передачи тепла, которые попросту являются различными сочетаниями простых способов.

   Разберёмся с названными тремя. 

   Конвекцию объясняют как процесс теплопередачи посредством струй и потоков. Этот процесс можно легко понять, если представить, что нижние слои тела/вещества нагрелись и поднялись вверх (поскольку стали легче), а верхние, остывая, опустились вниз. И так по кругу. Ничего не напоминает? Да-да, образование облаков — самый яркий пример конвекции в природе.

   При теплопроводности передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому осуществляется при их соприкосновении и благодаря беспорядочному движению частиц тела — атомов, молекул, электронов и т.д. Как это происходит? В более горячей части предмета частицы двигаются быстрее и сталкиваются с медленными частицами в холодной части предмета, передавая им своё тепло. Передача тепла в таких случаях зависит от агрегатного состояния вещества. А их не так много — всего-то три и они хороши нам известны: жидкость, газ, твёрдое тело.

   Тепловое излучение представляет собой процесс передачи тепла посредством электромагнитных волн. Как думаете, как тепловая энергия Солнца достигает поверхности Земли? Все верно: благодаря тепловому излучению, ведь никакая конвекция и теплопроводность не способны передать энергию в пределах такого расстояния, да ещё с учетом вакуума, где молекул раз-два и обчелся.

Определим способ передачи тепла, описанный в задании

   Теперь рассмотрим случай с нагреванием кастрюли на газовой плите. Кастрюля нагревается от пламени газовой горелки и передаёт своё тепло воде, которая находится в непосредственном контакте со стенками кастрюли. При чем, в нижних слоях воды, находящихся на дне кастрюли вблизи к источнику тепла — к газовой горелке, частицы двигаются быстрее и передают тепловую энергию медлительным частицам верхних слоёв воды, отдаленных от этой горелки.  То есть явно прослеживается процесс передачи тепла посредством теплопроводности.

Виды теплопередачи 2, 3 и 4.

Физика 8 класс

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Вариант 2

I (1) Каким способом теплопередачи происходит нагревание воды в кастрюле на газовой плите?

1. Теплопроводностью. 2. Конвекцией. 3. Излучением.

II (1) Чтобы плодовые деревья не вымерзли, их приствольные круги на зиму покрывают опилками. Опилки обладают … теплопроводностью.

  1. хорошей

  2. плохой

Какие вещества обладают … 1 воздух

  1. (2) хорошей теплопроводностью? 2 мех

  2. (2) плохой теплопроводностью? 3 алюминий

4 свинец

V (1) В каком из перечисленных тел теплопередача происходит главным образом путем теплопроводности?

1. Воздух. 2. Кирпич. 3. Вода.

VI (2) Одна колба покрыта копотью, другая побелена известью (рис. 3). Они наполнены горячей водой одинаковой тем­пературы. В какой колбе быстрее остынет вода?

1 в побеленной колбе

2. в закопченной колбе

3. в обеих колбах температура воды будет одинаковая

VII (1) Можно ли предсказать, какое на­правление будет иметь

ветер у мо­ря с наступлением осенней холод­ной погоды?

Рис 3. 1. Нельзя. 2. С моря на сушу.

3. С суши на море.

4. днем с суши на море, а ночью с моря на сушу.

VIII (2) Воздух в комнате нагревается радиатором водяного отопления (рис. 4). В каком направлении он переме­щается?

  1. ABCD. 2. ADCB. Рис 4.

Физика 8 класс

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

3 вариант

I (1) Благодаря какому способу теплопередачи можно греть­ся у костра?

1. Теплопроводности. 2. Конвекции. 3. Излучению.

II (1) При одной и той же температуре металлические предме­ты на ощупь кажутся холоднее других. Это объясняется тем, что металлы обладают … теплопроводностью.

  1. хорошей 2. плохой

  2. Какие вещества обладают …

  1. (1) хорошей теплопроводностью?

  2. (2) плохой теплопроводностью?

  1. Вода.

  2. Латунь

  3. Железо

  4. Шерсть

V (1) Можно ли предсказать, какое направление будет иметь ветер на берегу моря в жаркий летний день?

  1. Нельзя.

  2. С моря на сушу.

  3. С суши на море.

  4. Днем с моря на сушу,
    с суши на море

VI (1) Каким способом возможна тепло­передача между телами, разделен­ными безвоздушным пространством?

  1. Теплопроводностью.

  2. Конвекцией.

  3. Излучением.

VII (1) Изменяется ли температура тела,
если оно больше испускает энергии излучением, чем поглощает ее? Рис 5.

  1. Тело нагревается.

  2. Тело охлаждается.

  3. Температура тела не изменяется.

VIII (1) Вода нагревается в сосуде с помощью спиртовки (рис. 5). В каком направлении она будет перемещаться?

1. ABCD. 2. ADCB

Физика 8 класс

ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Вариант 4

I (1) Благодаря какому способу теплопередачи нагреваются нижние слои атмосферы?

1. Теплопроводности. 2. Конвекции. 3. Излучению.

II (1) Чтобы ручка утюга не нагревалась, ее делают из пласт­массы. Пластмасса обладает … теплопроводностью.

1. хорошей 2. плохой

Какие вещества обладают …

  1. (2) хорошей теплопроводностью?

  2. (2) плохой теплопроводностью?

1 Сталь.

2 Пробка.

3 Медь.

4 Воздух.

V (2) В каких телах теплопередача может происходить путем конвекции?

  1. В воде.

  2. В песке.

  3. В воздухе.

Рис. 6

VI (2) На снег положили три куска сукна различной окраски: белый, черный и зеленый. Когда солнце пригрело, то спустя некоторое время под ними протаял снег (рис. 6). Каким номером на этом рисунке обозначено белое, черное и зеленое сукно?

  1. Белое — /, черное — 2, зеленое — 3.

  2. Белое — 2, черное — 3, зеленое — /.

  3. Белое — 3, черное — /, зеленое — 2.

VII (1) В каком чайнике быстрее остынет вода: в чистом белом или в закопченном?

  1. Одинаково.

  2. Быстрее в закопченном.

  3. Быстрее в чистом белом.

VIII (2) В каком направлении в атмосфере перемещается воздух в жаркий летний день (рис. 7)?

1. ABCD. 2. ADCB.

Рис 7.

Введение в теплообмен | Поговорим о науке

AB
10
Наука 10 (2005 г., обновлено в 2015 г.)
Блок D: Поток энергии в глобальных системах

AB
12
Наука 30 (2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок D: Энергетика и окружающая среда

до н.э.
9
Естествознание 9 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: Биосфера, геосфера, гидросфера и атмосфера взаимосвязаны, поскольку через них проходит круговорот материи и течет энергия.

МБ
10
Старший 2 науки (2001)
Кластер 4: Динамика погоды

NB
9
Наука 9: Динамика экосистемы (2020)
Экосистемы: энергия, материя и взаимодействия

NB
11
Физическая география 110 (без даты)
4. Атмосфера

ШЛ
10
Наука 1206 (2018)
Блок 1: Weather Dynamics

NL
12
Науки об окружающей среде 3205 (пересмотрено в 2010 г.)
Блок 5: Атмосфера и окружающая среда

NS
10
Наука 10 (2012, 2019)
Науки о Земле и космосе: динамика погоды

NU
10
Экспериментальная наука 10 — Земные системы
Раздел 2: Климатология и метеорология

НУ
10
Наука 10 (2005 г., обновлено в 2015 г.)
Модуль D: Поток энергии в глобальных системах

NU
12
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок D: Энергетика и окружающая среда

ON
7
Наука и техника, 1-8 классы (2007)
Тепло в окружающей среде

PE
10
Наука 431A (без даты)
Блок 4: Метеосистемы

КК
Раздел IV
Прикладная наука и технологии
Земля и космос

КК
Раздел IV
Наука и технология
Земля и космос

КК
Раздел IV
Наука и окружающая среда
Земля и Космос

YT
9
Science Grade 9 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: Биосфера, геосфера, гидросфера и атмосфера взаимосвязаны, поскольку через них проходит круговорот материи и течет энергия.

НТ
10
Science 10 (Альберта, 2005 г., обновлено в 2015 г.)
Модуль D: Поток энергии в глобальных системах

NT
12
Science 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок D: Энергетика и окружающая среда

ON
9
9 класс естественных наук (SNC1W) (2022)
Strand E: Исследование космоса

AB
7
Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль C: Нагрев и температура

МБ
7
Наука 7 класс (2000)
Кластер 2: Теория частиц материи

NB
7
Наука 7: Процессы на поверхности Земли (2020)
Материя

Нидерланды
7
Наука 7 класс (2013)
Модуль 2: Тепло и температура

NS
8
Наука 8 класс (2020)
Учащиеся создадут модель, демонстрирующую принципы кинетической молекулярной теории.

НУ
7
Наука 7 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок C: тепло и температура

PE
7
Естествознание, 7 класс (пересмотрено в 2016 г.)
Физические науки: жара

СК
7
Наука 7 класс (2009)
Физические науки – тепло и температура (HT)

ON
7
Наука и техника, 7 класс (2022)
Направление E: Тепло в окружающей среде

NT
7
Наука 7 (Альберта, 2003 г. , обновлено в 2014 г.)
Блок C: тепло и температура

AB
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Модуль B: Понимание технологий передачи энергии

AB
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (2006 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

АВ
10
Наука 10 (2005 г., обновлено в 2015 г.)
Раздел B: Поток энергии в технологических системах

AB
10
Наука 14 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок B: Понимание технологий передачи энергии

NU
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Блок B: Понимание технологий передачи энергии

NU
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (Альберта, 2006 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

NU
10
Наука 10 (2005 г., обновлено в 2015 г.)
Блок B: Поток энергии в технологических системах

НУ
10
Наука 14 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Понимание технологий передачи энергии

ON
11
Физика, 11 класс, университет (SPh4U)
Направление D: Энергия и общество

КК
Раздел IV
Экологические науки и технологии
Материальный мир

КК
Раздел IV
Наука и окружающая среда
Материальный мир

NT
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (Альберта, 2006 г. )
Модуль B: Понимание технологий передачи энергии

NT
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (Альберта, 2006 г.)
Модуль B: Общие сведения о системах преобразования энергии

НТ
10
Science 10 (Альберта, 2005 г., обновлено в 2015 г.)
Раздел B: Поток энергии в технологических системах

NT
10
Наука 14 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок B: Понимание технологий передачи энергии

BC
10
Естествознание 10 класс (март 2018 г.)
Большая идея: Энергия сохраняется, и ее преобразование может влиять на живые существа и окружающую среду.

МБ
12
Старший 4 Физика (2005)
Тема 1: Механика

NB
11
Физика 11 (2003)
Импульс и энергия

NS
11
Физика 11 (2021)
Импульс и энергия

ВКЛ.
12
Физика, 12 класс, Колледж (SPh5C)
Strand E: Энергетические преобразования

ON
12
Физика, 12 класс, университет (СПх5У)
Strand C: Energy and Momentum

PE
10
Наука 421А (2019)
Знание содержания: CK 3.2

PE
11
Физика 521А (2009)
Импульс и энергия

YT
10
Наука, 10 класс (Британская Колумбия, июнь 2016 г. )
Большая идея: Энергия сохраняется, и ее преобразование может влиять на живые существа и окружающую среду.

Речь идет о передаче тепла – Лаборатория наверху (Исследования Международной космической станции)

На этой неделе комментарии приглашенного блогера и научного сотрудника Международной космической станции Тары Раттли, доктора философии, о том, как она размышляет о физической науке о кипении в космосе.

Если вы не думаете о себе как о человеке, который когда-либо мог бы заинтересоваться физикой, давайте сведем это к минимуму.

Ты голоден. Настало время макарон. Ваша кастрюля с водой стоит на плите, вы включили максимальный нагрев, и начинается ожидание закипания. Вы нетерпеливо смотрите на кастрюлю, когда кажется, что вода начинает бурлить. Вам не терпится увидеть пузырьки, которые означают, что вы можете положить макароны в эту воду. Но что эти пузырьки говорят вам и что делает их ключевым показателем идеальной температуры воды для пасты?

 

 

На Земле вода закипает в результате естественной конвекции.
(Изображение предоставлено Маркусом Швайсом из Википедии)

 

Если немного упростить, кипячение на самом деле является очень эффективным процессом теплопередачи, и в данном случае кипячение передает тепло от огня на плите воде. который приготовит вашу пасту. Здесь, на Земле, это кажется достаточно простым: вы включаете конфорку, ждете несколько минут, и когда появляются все эти маленькие пузырьки, вы готовы приступить к приготовлению пищи.

Пока вы ждете, пока закипит кастрюля с водой, внутри происходит сложный процесс. Во-первых, жидкость на дне кастрюли, ближайшей к источнику тепла, начинает нагреваться; как это происходит, он поднимается. Поднимающаяся горячая вода заменяется более холодными и плотными молекулами воды. Молекулы воды в вашей кастрюле постоянно обмениваются таким образом благодаря силе тяжести, в конечном итоге нагревая всю кастрюлю с жидкостью. Это называется естественной конвекцией — движением молекул через жидкость, которая является основным методом передачи тепла (и массы).

  

Без плавучести и конвекции кипящие жидкости
ведут себя в космосе совершенно иначе.
(Видео любезно предоставлено НАСА)

 

Но естественной конвекции недостаточно, поскольку она еще не обеспечивает те пузырьки, которые вам нужны для пасты. Чтобы получить эти пузыри, вам нужно подождать достаточно долго, пока дно кастрюли не станет горячее, чем точка кипения воды. Когда точка кипения превышена, вы, наконец, начинаете видеть крошечные пузырьки водяного пара, которых вы так долго ждали! Пузырьки поднимаются за счет плавучести , а затем разрушаются, когда достигают более плотной и относительно более холодной воды на поверхности горшка. Это движение не только помогает быстрее перемещать воду (например, перемешивание), но и сами пузырьки также передают тепловую энергию. Это образование пузырьков называется пузырьковым кипением; гораздо более эффективный способ передачи тепла, чем естественная конвекция сама по себе. На самом деле настолько эффективно, что в конечном итоге приводит к более сложному кипячению, называемому переходным кипением — очень турбулентному потоку пузырьков, который указывает, что вода теперь достаточно горячая, чтобы приготовить макароны.

Однако в космосе пузыри ведут себя иначе. Без гравитации эффекты плавучести и конвекции отсутствуют. Более теплая вода не может подняться; вместо этого он остается возле источника тепла, становясь все горячее и горячее. Между тем, оставшаяся вода дальше от источника тепла остается относительно прохладной. Когда нагретая жидкость достигает точки кипения, пузырьки не поднимаются на поверхность. Вместо этого образовавшиеся пузырьки сливаются в один большой пузырь, который остается на нагретой поверхности. Внутри пузыря заключена драгоценная тепловая энергия! В результате получается неэффективный или, по крайней мере, совершенно другой способ передачи тепла.

 

 

Изображение кипения жидкости на нагревательной решетке во время низкой гравитации
, сделанное самолетом НАСА KC-135. Синие области обозначают 90 127 областей с низкой теплопередачей.
(любезно предоставлено Мэрилендским университетом)

Как оказалось, есть много ученых, которые очарованы тем фактом, что если вы вскипятите воду в космосе, вы получите один большой пузырь, который стремится «проглотить» меньший пузыри. Почему увлечение? Что ж, помимо знаний из учебника по фундаментальной термодинамике, поскольку кипение является очень эффективным процессом теплопередачи, понимание этого сложного процесса может помочь в создании более эффективных систем охлаждения для Земли и космоса. Например, автомобильные инженеры заинтересованы в разработке компактных энергоэффективных систем для охлаждения горячих автомобильных двигателей, основанных на механике теплопередачи при кипении.

На самом деле, ваш собственный холодильник использует хладагент с низкой точкой кипения и некоторыми связанными с этим изменениями давления, чтобы ваши продукты оставались холодными внутри. Передавая тепло от воздуха холодильника к хладагенту до точки кипения, тепло в конечном итоге рассеивается от пузырьков и излучается в воздух в вашем доме. По сути, хотя воздух внутри вашего холодильника может показаться вам холодным, на самом деле он достаточно теплый, чтобы вскипятить охлаждающую жидкость, что является тем самым процессом теплопередачи, который отвечает за сохранение холода вашей еды.

Установка для экспериментов по кипячению или BXF, которая была запущена на STS-133 в феврале 2010 года, позволит ученым провести углубленные исследования сложностей, связанных с образованием пузырьков в результате теплопередачи. Например, какую роль играют поверхностное натяжение и испарение при пузырьковом кипении, если плавучесть и конвекция не входят в уравнение? Что можно сказать о вариациях свойств поверхности нагрева? Контролируя гравитацию на Международной космической станции, ученые могут исследовать различные элементы кипения, что потенциально может привести к улучшению конструкции системы охлаждения. Повышение эффективности технологии охлаждения может оказать положительное влияние на мировую экономику и окружающую среду; две горячие темы, которые могут многое выиграть от кипячения в космосе.

Доктор Тара Раттли — научный сотрудник Международной космической станции (МКС) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в Космическом центре Джонсона (АО) в Хьюстоне.