Конвекция. Излучение

На прошлом уроке мы с вами подробно рассмотрели один
из видов теплопередачи — теплопроводность. Давайте вспомним, что теплопроводность
— это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной
части тела к другой при их непосредственном контакте.

Ещё раз обратим внимание на то, что при
теплопроводности не происходит переноса вещества.

Однако существуют и другие виды теплопередачи — это конвекция
и излучение. Именно этим явлениям и будет посвящён наш с вами сегодняшний
урок.

Мы уже знаем, что газы и жидкости обладают плохой
теплопроводностью. Однако возникают закономерные вопросы: почему же нагревается
вода в кастрюле, поставленной на включённую плиту? И почему же прогревается
воздух в комнате от батарей водяного отопления?

Ответим на первый вопрос, проделав следующий опыт.
Нальём в колбу воду и аккуратно опустим на дно несколько кристалликов
марганцовки. Затем поставим колбу на спиртовку так, чтобы её пламя касалось
колбы в том месте, где лежат кристаллики.

Через некоторое время мы с вами увидим, как со дна
колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. А достигнув верхних слоёв
воды, эти струйки начнут опускаться.

Наблюдаемое нами явление можно объяснить следующим
образом. Нижний слой воды нагревается от стенки колбы. Вы знаете, что при
увеличении температуры тело начинает расширяться. Вследствие чего уменьшается
плотность тела. На этот тёплый слой воды действует архимедова сила, которая
выталкивает его вверх. На место тёплого слоя опускается холодный слой воды.
После нагревания, этот слой воды также начнёт двигаться вверх, а его места
займёт новый слой. И так будет происходить до тех пор, пока температура воды не
выровняется по всему своему объёму. Таким образом, энергия переносится
посредством поднимающихся потоков жидкости.

А кто из вас не замечал такую картину: в морозное утро
дым из печной трубы серебристым столбом поднимается вверх?

Найдём объяснение и этому факту. Нагретый в печной
трубе воздух становится легче холодного, и по закону Архимеда холодный воздух,
подтекая под нагретую часть, заставляет его подниматься вверх. При таком
перемещении нагретого объёма вещества и переносится теплота.

В рассмотренных нами примерах мы наблюдали ещё один
вид теплопередачи — конвекцию.

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия
передаётся потоками жидкости или газа, то есть сопровождается переносом
вещества.

Конечно же у вас может возникнуть закономерный вопрос:
а возможна ли конвекция в твёрдых телах? Очевидно, что нет, так как конвекция
связана с переносом вещества. А в твёрдом теле вещество не может перемещаться
по объёму.

Конвекция обуславливает множество явлений природы и
процессов, происходящих в повседневной жизни. Так, например, благодаря
конвекции создаётся нужная тяга в печах и каминах, чтобы полностью сжечь в них
топливо. Для создания нужной тяги даже в очень небольших котельных трубы делают
высотой в несколько десятков метров.

А, самой высокой дымовой трубой в мире является труба
Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане. Её высота равна 420 м.

Экибазстузская
ГРЭС-2

Примером использования конвекции является система
водяного отопления домов. Вы наверняка замечали, что отопительные батареи в
основном размещаются внизу (под окнами).

Это сделано для того, чтобы ускорить конвекцию воздуха
в помещении. Холодный воздух от окна спускается вниз, где он соприкасается с
батареями. Получив от них теплоту, он поднимается вверх, уступая место
холодному воздуху. В результате такой конвекции и происходит прогревание
воздуха по всему объёму комнаты.

Конвекцией объясняются ночные и дневные ветры — бризы,
возникающие на берегах морей и океанов.

На берегу водоёмов в жаркий летний день вода
нагревается Солнцем медленнее, чем суша, так как вода обладает малой
теплопроводностью. Это вызывает понижение давления воздуха над сушей. Поэтому
холодный воздух перемещается с водоёма на сушу. Это — дневной бриз.

Дневной бриз

Ночью же наоборот, суша охлаждается быстрее, чем вода.
Поэтому ночной бриз дует от суши к водоёму.

Ночной бриз

Рассмотренные примеры — это примеры естественной
конвекции. Когда же естественной конвекции недостаточно, то используют
вынужденную конвекцию. При вынужденной конвекции перемещение вещества
обусловлено действием внешних сил. Примерами такой конвекции могут служить
движение воздуха в помещении под действием вентилятора. Или добыча нефти из
глубинных слоёв Земли при помощи мощных насосов.

Добыча нефти

Проведём такой опыт. Возьмём теплоприёмник — это
металлическая коробочка, одна сторона которой блестящая, а другая покрыта
матовой чёрной краской. Внутри коробочки находится воздух.

Установим вертикально электрическую плитку, а возле неё
укрепим теплоприёмник, соединённый с манометром. И начнём нагревать плитку.

Через некоторое время мы заметим, что уровень жидкости
в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, начнёт понижаться, что
говорит о нагревании воздуха внутри теплоприёмника и повышении вследствие этого
его давления.

Могло ли это произойти за счёт теплопроводности
воздуха? Очевидно, нет, так как теплопроводность воздуха мала, а теплота к приёмнику
была перенесена достаточно быстро.

Тогда может быть это произошло за счёт конвекции?
Опять нет, так как конвекционные потоки идут вверх.

Оказывается, существует ещё один способ передачи
теплоты — излучение. Его главной особенностью является то, что оно
возможно не только в среде, но и в вакууме. Значит, основным способом переноса
теплоты от электрической плитки к теплоприёмнику было излучение. Нагревание
воздуха в теплоприёмнике произошло потому, что он поглотил энергию, переданную
излучением. Любое тело излучает энергию. Но эта энергия зависит от многих
факторов, в частности от температуры тела. Чем она выше, тем больше энергии
излучает тело, и наоборот.

А теперь зададимся вопросом, одинаково ли излучают и
поглощают тела? Чтобы на него ответить, проведём такой опыт. Возьмём два
теплоприёмника и укрепим их на одинаковом расстоянии от сосуда, в котором
находится вода, так, чтобы черные поверхности теплоприёмников были обращены к
сосуду.

Присоединим к теплоприёмникам манометры. Обратите
внимание, что одна из стенок сосуда покрашена чёрной, а другая белой краской. Будем
нагревать сосуд с водой на плитке и проследим за изменением уровней жидкостей в
коленах манометра, присоединённого к теплоприёмникам. Через некоторое время
уровень жидкости в колене манометра, соединённом с левым теплоприёмником,
понизится, что говорит о большем нагревании в нём воздуха, чем в правом приёмнике.

Так как левый теплоприёмник получил теплоту,
излучаемую чёрной поверхностью сосуда, то можно сделать важный вывод о том, что
чёрные поверхности излучают больше энергии, чем белые.

Тогда возникает закономерный вопрос: а одинаково ли
поглощают энергию черные и белые поверхности? Опять ответим на вопрос с помощью
опыта. В схему предыдущего опыта внесём небольшие изменения. Заменим сосуд на
другой, полностью окрашенный в чёрный цвет, а правый теплоприёмник повернём к
сосуду белой стороной. Опять нагреем сосуд с водой и будем следить за уровнями
жидкостей в коленах манометра.

Можно заметить, что уровень жидкости в колене
манометра, соединённого с левым теплоприёмником, ниже, чем в другом колене.
Значит, температура воздуха в этом теплоприёмнике выше, чем во втором. Но оба теплоприёмника
поглощали энергию от одного сосуда, только один теплоприёмник был повернут к
нему чёрной поверхностью, а другой — белой. Значит, чёрная поверхность
поглощает энергии больше, чем белая.

Именно поэтому, в летний солнечный день в чёрной
одежде значительно жарче, чем в белой.

На основании проделанных опытов и наблюдений можно
утверждать, что черные поверхности при равной температуре и поглощают, и
излучают энергии больше, чем белые.

Факты о Теплопередаче | Веб-Знайка

Факты о Теплопередаче | Веб-Знайка

• Web-Знайка
• Интересные факты
• О научном простыми словами

Известны 3 способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

• Теплопроводность связана с распространением тепла в твердых телах. Тепло переходит от горячего тела к холодному или от горячего участка тела к холодному. Быстро движущиеся или колеблющиеся молекулы соударяются с соседними, заставляя их двигаться быстрее.

• Материалы, хорошо проводящие тепло, например металлы, на ощупь кажутся холодными, потому что они быстро отводят тепло от ваших пальцев. Наилучшие проводники тепла — серебро, медь и золото.

• Материалы, плохо проводящие тепло, называются теплоизоляторами. Они позволяют сохранять температуру тела, уменьшая потери тепла. Дерево — один из лучших теплоизоляторов. Вода также является хорошим теплоизолятором, поэтому аквалангисты часто пользуются «мокрыми» костюмами.

• Излучение — это передача тепла в виде тепловых лучей, т.е. невидимых волн инфракрасного излучения. При излучении тепло распространяется без непосредственного контакта.

• Конвекция — это распространение тепла потоками жидкости или газа. Конвективные потоки порождаются разностью температур.

• Теплый воздух или вода поднимаются, потому что при нагревании расширяются и становятся менее плотными и более легкими, чем холодный воздух или вода.

На место восходящего теплого воздуха (воды) вниз устремляется холодный. В результате этой непрерывной циркуляции воздушных и водных масс происходит перераспределение тепла на Земле.

Конвективные потоки в воздухе вызывают дождь. Конвективные потоки в мантии Земли движут литосферные плиты.

• Факты о Трении

• Факты о Теории Эйнштейна

Новые публикации

Если молния ударит в океан — пострадает ли рыба?

Мотивация — как ей управлять?

9 полезных свойств имбирного чая

Польза или вред здоровью от замороженных фруктов и овощей

Заморозка фруктов, овощей и зелени на зиму

Иван Сергеевич Тургенев — русский писатель-реалист, поэт и драматург.

Иван IV Васильевич — Грозный

Русский царь Иван III (3) Великий

Это интересно!

Важные открытия, сделанные телескопом «Хаббл»

Открытие рентгеновских лучей – одно из величайших медицинских достижений…

Почему горят уши?

Изменение голоса при гриппе и ОРВИ. Почему это происходит?

Самое читаемое

Как жили женщины в Древней Греции

По какой причине зрачки у коз прямоугольной формы

О чем рассказывает эпическая поэма «Махабхарата»

Самые жестокие люди мира

Кто открыл ядро клетки?

Какие животные обитают в Африканских джунглях?

Кто такие Эмпаты?

Советский ученый расшифровавший язык Майя Юрий Валентинович Кнорозов

Теплопередача: теплопроводность, конвекция, излучение

Теория сохранения энергии говорит нам, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Его можно только трансформировать в разные формы. Тепловая энергия – это тепловая энергия в виде тепла, которая передается при наличии разницы температур. Тепловая энергия может передаваться от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, пока оба тела не достигнут теплового равновесия.

Тепловое равновесие

Тепловое равновесие – это состояние, при котором два вещества достигают одинаковой температуры и, следовательно, между ними больше не происходит передачи тепловой энергии. Его также можно описать как изотермическое состояние. Чтобы это считалось изотермическим состоянием, два тела должны соприкасаться друг с другом.

Если кусок льда с температурой -5°C положить на стол с температурой 25°C, будет ли достигнуто тепловое равновесие?

Решение

Тепловая энергия стола будет передаваться льду из-за разницы температур (ΔT) в 20°C, пока эти два объекта не достигнут теплового равновесия. Таким образом, тепловое равновесие будет достигнуто, когда эти два тела достигнут одной и той же температуры.

Направление теплопередачи

Температура двух областей при существующем температурном градиенте определяет направление теплопередачи. Направление тепловой энергии всегда будет от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, когда в системе нет внешних подводов тепла. В приведенном выше примере тепло передается от стола ко льду, так как стол имеет более высокую температуру.

Методы передачи тепла

Существует три основных метода передачи тепла. К ним относятся конвекция, теплопроводность и излучение.

Конвекция

Также известная как конвективная теплопередача, влечет за собой передачу тепла посредством движения жидкости, которая может быть в форме газа или жидкости. Когда жидкость движется, тепловая энергия передается от движения частиц в жидкости.

Перемещение горячей жидкости внутри трубопровода приведет к нагреву трубы, поскольку тепловая энергия будет передаваться от горячей жидкости к стенкам трубопровода, вызывая нагрев материала.

Теплопроводность

Это метод теплопередачи, возникающий из-за столкновений между частицами и субатомными частицами внутри тела. Когда субатомные частицы сталкиваются друг с другом, происходит передача кинетической энергии, известной как внутренняя энергия, которая создает тепло.

Когда горячую сковороду снимают с плиты и кладут на стол, тепловая энергия горячей сковороды будет локально передаваться поверхности стола за счет столкновения частиц между двумя поверхностями.

Излучение

Излучение — это способ передачи тепла в виде световых или электромагнитных волн. Этот тип энергии излучается определенными материями вокруг нас.

Примером радиационной теплопередачи является обогрев помещения за счет тепловой энергии, излучаемой камином. В этом примере теплопередача за счет теплопроводности также происходит в помещении, но с меньшей скоростью.

Коэффициент теплопередачи

Это физическое свойство объекта, используемое для выражения того, насколько хорошо передается тепло. Если коэффициент теплопередачи (h) велик, то тепло будет легче и быстрее передаваться от одного объекта к другому, и наоборот. Коэффициент теплопередачи зависит от двух параметров – теплопроводности и толщины материалов, в которых происходит теплопередача.

Теплопроводность — это мера способности материала проводить тепло. Если теплопроводность высокая, коэффициент теплопередачи также будет выше. А также, если материал достаточно толстый, то итоговый коэффициент теплопередачи будет ниже.

Уравнение теплопередачи

Скорость теплопередачи можно описать следующим уравнением. Имейте в виду:

1. ч — коэффициент теплопередачи.
2. Q — теплопередача, измеренная в ваттах.
3. ΔT — разница температур между двумя интересующими объектами (измеряется в Кельвинах).
4. A – площадь поверхности зоны проводимости в м ² .
5. T1 и T2 — температура поверхности и окружающей среды соответственно.

\[Q = h \cdot A \cdot \Delta T = h \cdot A \cdot (T_2 — T_1)\]

Нагревается сковорода диаметром 20см и глубиной 5см. Энергия передается конвекцией от плиты ко дну кастрюли с мощностью 600 Вт. В результате температура на внешнем дне кастрюли равна 380 К. Найти коэффициент теплопередачи, если температура на внутренней поверхности дна 300 К. К. 92K]\)

Теплопередача – Основные выводы

• Передача тепловой энергии – это передача тепловой энергии между двумя телами из-за разницы температур.

• Тепловая энергия может передаваться тремя основными способами.

• Конвекция, теплопроводность и излучение являются методами передачи тепловой энергии.

• Коэффициент теплопередачи — это характеристика теплопроводности материала, которая измеряет, насколько хорошо тепло передается через материал.

Три способа передачи тепла | Проводка | Конвекция | Радиация

Тепло всегда передается от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой.

Все три метода теплопередачи имеют свои области применения. Например, форму лучше всего нагревать с помощью встроенного нагревателя (кондуктивного), а стекло можно гнуть с помощью инфракрасных нагревателей. Часто используется комбинация падающего тепла (например, излучение в сочетании с конвекцией)

Кондуктивный нагрев
Чем ровнее поверхность, тем лучше теплопередача. Воздушные зазоры между нагревателем и нагреваемой поверхностью могут снизить производительность нагревателя.

1. Для вставных нагревателей убедитесь, что размеры нагревателя/канавки/паза соответствуют техническим характеристикам нагревателя (температура, удельная мощность в ваттах). Для картриджных нагревателей вы можете выбрать конструкцию с разъемной оболочкой, чтобы устранить воздушные зазоры.
2. Для нагревателей, устанавливаемых непосредственно на поверхность (таких как гибкие нагреватели, ленточные нагреватели), убедитесь, что поверхность соответствующим образом подготовлена, а нагреватели установлены правильно.

Нагрев за счет конвекции
Конвекция в самых общих чертах относится к движению молекул внутри жидкостей (т. е. газа, воздуха или жидкостей). Это движение может быть естественным или вынужденным. В промышленных приложениях в большинстве случаев лучше принудительно использовать это движение. Воздушные обогреватели требуют постоянного потока воздуха, проходящего через нагревательный элемент; иначе ТЭН сгорит (особенно если не установлены датчик высокой температуры и расходомер!). Этот минимальный воздушный поток зависит от типа нагревателя и мощности. В жидкостях это движение можно осуществить, установив в жидкости какой-либо механизм перемешивания, чтобы погружной нагреватель мог правильно передавать тепло.

Нагрев излучением (Тепловое излучение)
Электромагнитный спектр охватывает огромный диапазон длин волн, от очень коротких волн до очень длинных.

Единственная область электромагнитного спектра, к которой чувствителен наш глаз, — это «видимый» диапазон, определяемый цветами радуги.

В промышленном нагреве обычно используется ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое или коротковолновое радиоизлучение.

Инфракрасное излучение — это только один из четырех способов передачи тепла посредством излучения

Солнце — самый большой, но не единственный объект, дающий лучистую энергию; любой объект, температура которого выше 0 К, будет излучать некоторую лучистую энергию. Человеческое тело имеет температуру около 310 К и излучает в основном в дальнем инфракрасном диапазоне.

Задача ученых состояла в том, чтобы показать, как эта лучистая энергия связана с температурой объекта.

Если объект поместить в контейнер, стенки которого имеют одинаковую температуру, мы ожидаем, что объект придет в тепловое равновесие со стенками корпуса, и объект должен излучать лучистую энергию так же, как и стенки контейнера. Такой объект поглощает и излучает одинаковое количество энергии. Теперь почерневшая поверхность поглощает все падающее на нее излучение, и она должна излучать таким же образом, если она находится в тепловом равновесии. Поэтому равновесное тепловое излучение называют излучение черного тела .

Первое соотношение между температурой и лучистой энергией было выведено И. Стефаном в 1884 г. и примерно в то же время теоретически объяснено Больцманом. В нем указано:

, где полная энергия на единицу площади в секунду излучается задним телом, T — его абсолютная (термодинамическая) температура и постоянная Стефана-Больцмана.

Великий вопрос на рубеже веков заключался в том, чтобы объяснить, каким образом вся лучистая энергия, испускаемая черным телом, распределяется по различным частотам или длинам волн излучения. «Классическая» теория электромагнитных осцилляторов Максвелла не смогла объяснить наблюдаемое распределение яркости. Максу Планку пришлось решить эту дилемму, показав, что энергия осцилляторов должна быть равна квантуется , т. е. энергии не могут принимать никакого значения, а должны изменяться ступенчато, величина каждой ступени, или кванта, пропорциональна частоте осциллятора и равна h v , где h — постоянная Планка. Исходя из этого предположения, Планк вывел распределение яркости черного тела и показал, что оно определяется его температурой. Как только температура черного тела определена, закон Планка можно использовать для расчета интенсивности света, излучаемого телом, как функции длины волны. Наоборот, если измеряется распределение яркости излучающего тела, то, подобрав к нему планковскую кривую, можно определить его температуру.

Приведенные ниже кривые показывают, что чем горячее тело, тем ярче оно на более коротких длинах волн. Температура поверхности Солнца составляет 6000 К, а пики планковской кривой находятся в видимом диапазоне длин волн. Для тел холоднее Солнца пик кривой Планка смещается в сторону более длинных волн, пока не будет достигнута температура, при которой в видимом диапазоне излучается очень мало лучистой энергии.