3. Виды теплопередачи : конвекция, теплопроводность, излучение.

Можно привести множество примеров, когда внутренняя энергия тела увеличивается при контакте с более нагретым телом Например можно нагреть воду в сосуде, поставив его на горячую плиту. Или же нагревается ложка, опущенная в чай. Такой способ изменение внутренней энергии называется теплопередачей.

Существуют три вида теплопередачи : теплопроводность, конвекция и излучение.

Каждый вид имеет свои особенности, но каждый из них всегда идет в одном направлении: от более нагретого тела к менее нагретому.

При этом вн. энергия более нагретого тела уменьшается, а более холодного – увеличивается.

Вн. энергия может передаваться и от более нагретой части одного и того же тела к другой части.

Явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой или от более нагретого тела к менее нагретому через непосредственный контакт или промежуточные тела называется теплопроводностью.

В твердом теле частицы постоянно находятся в колебательном движении, но не изменяют своего равновесного состояния. По мере роста температуры тела при его нагревании молекулы начинают колебаться интенсивнее, так как увеличивается их кинетическая энергия. Но не все твердые тела передают одинаково энергию. Среди них имеются так называемые изоляторы, у которых механизм теплопроводности передается медленно. К ним относятся асбест, картон, бумага, войлок, гранит, дерево, стекло и ряд других твердых тел.

В металлах находится большое число свободных электронов. Эти электроны с большей скоростью переносят свою энергию от более нагретой части металла к менее нагретой. Поэтому в опыте с нагреванием медного стержня сначала отпадали те кнопки, которые располагались ближе к пламени. Большую теплопроводность имеют медь, серебро.

У жидкостей, за исключение расправленных металлов, например ртути, теплопроводность невелика.

При нагревании жидкости внутренняя энергия переносится из более нагретой облaсти в менее нагретую при соударениях молекул и частично за счет диффузии: более быстрые молекулы проникают в менее нагретую область

Известно, что теплопроводность воды мала, и при нагревании верхнего слоя воды нижний ее слой остается холодным. Однако воды в чайниках и кастрюлях доводят до кипения быстро. Почему?

Проведем такой опыт. Расположим стеклянную трубку с водой над пламенем горелки диагонально.. В обоих концах трубки помещены одинаковые термометры. При нагревании показания одного термометра (того что пониже) остаются почти без изменений, а второго начинают быстро увеличиваться. Термометр повыше показывает большую температуру вследствие того, что вода при нагревании расширяется. Ее плотность при этом уменьшается, и поэтому под действием архимедовой силы более нагретые слои воды поднимаются вверх.

Вода в чайнике быстро закипает по этой же причине. Нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются кверху, а на их место поступает холодная вода.

Почему батареи центрального отопления помещаются у пола, а форточки расположены в верхней части окна? Если бы было наоборот, мы бы быстро обнаружили что комната не согревается батареей и не проветривается при открытой форточке. При соприкосновении с горячей батарее воздух в нижних слоях комнаты начинается нагреваться. Он расширяется, становится легче и под действием архимедовой силы поднимается вверх, к потолку. На его место приходят более тяжелые слои холодного воздуха. Нагреваясь, они также уходят к потолку. Возникает непрерывное течение воздуха: теплого – снизу вверх и холодного – сверху вниз.

Открывая форточку, мы впускаем в комнату поток холодного воздуха. Он тяжелее комнатного и поэтому идет вниз, вытесняя теплый воздух.

В рассмотренных случаях мы рассматриваем вид теплопередачи, который называется конвекцией.

Конвекция – это процесс теплопередачи, при котором энергия переносится струями жидкости или газа.

Конвекция отсутствует в твердых телах и не имеет места в вакууме.

Рассмотренная нами конвекция является естественной, или свободной.

Естественная конвекция часто оказывается недостаточной. В таких случаях прибегают к вынужденной конвекции, когда для равномерного и быстрого прогревания жидкостей или газов их перемешивают насосом или мешалкой.

Стоя у раскаленной печи, мы ощущаем тепло. Энергия Солнца передается к нам на землю. Поднося руку к пламени костра, мы даже снизу чувствуем жар.

Как же передается тепло? Явно не с помощью теплопроводностью, так как воздух плохой проводник тепла. И не путем конвекции, потому что тогда воздух всегда поднимается вверх

Чтобы провести опыт возьмем Теплоприемник. Это прибор, представляющий собой плоскую цилиндрическую емкость из металла, одна сторона которой черная, а другая блестящая. Внутри нее имеется воздух, который при нагревании может расширяться и выходить наружу через отверстие.

Соединим теплоприемник с жидкостным манометром и расположим его около нагретой гири или плитки. Мы заметим перемещение столбика жидкости в манометре, что указывает на нагревание и расширение воздуха в теплоприемники при передаче ему тепла от гири.

Если поместить между нагретой гирей и приемником тепла экран, например лист бумаги, то нагревание прекращается.

В данном случае теплота передается от нагретого тела к теплоприемнику с помощью невидимых глазом тепловых лучей. Этот вид теплопередачи называется излучением, или лучистым теплообменом.

Излучением называется процесс передачи энергии от одного тела к другом с помощью электромагнитных волн.

Интенсивность излучение тем выше, чем больше температура тела.

Тепловые лучши могут распространяться и через вакуум.

Темный цвет поглощает больше *пример с теплоприемником, который поворачивают вначале темной стороной к нагретому телу, затем блестящей*

*Далее пример с черным и белым чайником и термометрами в низ. Черный быстрее остывает*

Черная поверхность – лучший излучатель и лучший поглотитель, а затем следуют грубая, белая и полированные поверхности.

Хорошие поглотители – хорошие излучатели, а плохие поглотители – плохие излучатели.

*Далее инфа о Солнце, аля Солнце – большой самоуправляемый источник огромной энергии. Выделение энергии происходит с центральной части и простирается до одной трети его радиуса. На второй трети находятся слои, которые передают энергию только путем поглощения и переизлучения энергии. Этот процесс сопутствует уменьшению температуры.