Народна Освіта » Фізика » § 7. Види теплообміну

НАРОДНА ОСВІТА

§ 7. Види теплообміну

Які особливості будови газів, рідин і твердих тіл?

Що відбувається з внутрішньою енергією тіла при теплопередачі?

Які способи зміни внутрішньої енергії тіла?

Ви вже знаєте, що внутрішню енергію системи можна змінювати шляхом теплообміну. Існує три види теплообміну: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

 

Виконаємо дослід. До металевого стержня за допомогою воску прикріпимо кілька кнопок (рис. 14). Один кінець стержня закріпимо в штативі, а інший будемо нагрівати в полум’ї спиртівки. Через деякий час побачимо, що кнопки почнуть відпадати від стержня: спочатку та кнопка, яка ближче до полум’я, потім наступна і т. д.

Оскільки кнопки відпадали неодночасно, то можна зробити висновок, що температура стержня підвищувалася поступово. Отже, поступово збільшувалася і внутрішня енергія стержня — вона передавалася від одного його кінця до іншого.

Механізм передачі енергії при теплопровідності можна пояснити наступним чином. Частинки металу ближчого до полум’я кінця стержня отримують від нього енергію, їхня кінетична енергія збільшується, вони починають більш інтенсивно коливатися. Оскільки частинки взаємодіють одна з одною, то вони передають частину своєї енергії сусіднім частинкам, змушуючи їх коливатися швидше. Ті, у свою чергу, передають енергію своїм «сусідам», і процес передачі енергії поширюється по всьому стержню. Збільшення кінетичної енергії частинок призводить до підвищення температури стержня.

Важливо, що при теплопровідності не відбувається переміщення речовини від одного тіла до іншого або від однієї частини тіла до іншої, але при цьому передається енергія.

Процес передачі внутрішньої енергії від одного тіла до іншого або від однієї частини тіла до іншої завдяки тепловому руху і взаємодії частинок називають теплопровідністю.

Різні речовини мають різну теплопровідність. Для того, щоб з’ясувати, чи хорошу теплопровідність мають рідини, виконаємо дослід. Заповнимо пробірку водою і на дно її покладемо шматочок льоду (рис. 15). Щоб лід не спливав, прикріпимо до нього якийсь металевий предмет. Будемо нагрівати верхню частину пробірки в полум’ї спиртівки. Через деякий час вода у верхній частині пробірки закипить, а лід при цьому не розтане. Отже, вода, так само як і всі рідини, має погану теплопровідність.

З’ясуємо, яку теплопровідністю мають гази. Виконаємо з цією метою дослід. Візьмемо суху пробірку, в якій немає нічого, крім повітря, і розташуємо її над полум’ям спиртівки (рис. 16). Палець, яким тримають пробірку, не відчує тепла. Отже, повітря та інші гази мають погану теплопровідність.

Найбільшу теплопровідність мають метали, найменшу — сильно розріджені гази. Це пояснюється особливостями їхньої будови. Молекули газів перебувають одна від одної на відстанях, більших, ніж молекули твердих тіл, і значно рідше стикаються. Тому і передача енергії від одних молекул до інших у газах відбувається не так інтенсивно, як у твердих тілах. Теплопровідність рідин займає проміжне значення між теплопровідністю газів і твердих тіл.

Різна теплопровідність речовин ураховується в побуті, в промисловості. Так, посуд, в якому готують їжу, повинен мати хорошу теплопровідність, аби передавати енергію від джерела (газового пальника, електричної плити) до їжі. Такий посуд, зазвичай, виготовляють з металу. Посуд, з якого їдять, навпаки, виготовляють із матеріалів, що мають погану теплопровідність: зі скла, глини, пластмаси. Для того, щоб можна було взяти в руки гарячу каструлю або сковорідку, їхні ручки виготовляють з дерева або інших матеріалів, що мають погану теплопровідність.

Матеріали з малою теплопровідністю, такі, як дерево, цегла, залізобетон (поєднання бетону і сталевої арматури), використовують для будівництва будинків. Це — пористі матеріали, в порах яких міститься повітря, що має погану теплопровідність.

Погану теплопровідність має сніг. Дослідження його властивостей показали, що шар снігу товщиною 16 см дуже добре захищає землю: за 5 днів при температурі —1,4 °С вона промерзає на 2 см. Ґрунт, який не захищений шаром снігу, промерзає на 30 см.

Гази і рідини мають погану теплопровідність. Виникає запитання: чому ж нагрівається повітря від батарей водяного опалення, чому нагрівається вода в каструлі на включеній електричній плиті? Щоб на нього відповісти, виконаємо дослід. Наллємо в колбу воду і акуратно опустимо на дно кілька кристаликів мідного купоросу (рис. 17). Будемо нагрівати колбу знизу так, щоб полум’я дотикалося її в тому місці, де лежать крис-талики. Можна помітити, що з дна колби будуть підніматися забарвлені струмини води. Досягнувши верхніх шарів води, вони почнуть опускатися.

 

Це явище можна пояснити наступним чином.

Нижній шар води нагрівається від полум’я спиртівки.

Нагріваючись, вода розширюється, її об’єм збільшується, а густина відповідно зменшується. На цей шар води діє сила Архімеда, яка виштовхує нагрітий шар рідини вгору. Його місце займає холодний шар води, який опустився вниз. Отже, енергія в даному випадку переноситься потоками рідини, що піднімаються.

 

7 Подібним чином здійснюється теплопередача і в газах. Зробимо з паперу вертушку і розмістимо її над електричною лампочкою, включеною в мережу (рис. 18). Вертушка почне обертатися. Це відбувається тому, що нагріті від лампочки менш щільні шари повітря під дією сили Архімеда піднімаються вгору, а більш холодні — опускаються вниз і займають їхнє місце. Шари нагрітого повітря, що піднімаються, призводять до обертання вертушки.

У проведених дослідах ми спостерігали ще один вид теплопередачі — конвекцію.

Конвекція — вид теплопередачі, при якому теплота передається потоками рідини або газу.

Конвекція пов’язана з перенесенням речовини, тому вона може здійснюватися тільки в рідинах і газах; у твердих тілах конвекція не відбувається. Конвекція грає основну роль при утворенні в атмосфері потоків повітря — вітрів.

_8 Вам добре відомо, що Сонце є джерелом тепла на Землі. Виникає

питання: як енергія передається від Сонця до Землі? Оскільки в просторі між Сонцем і Землею немає повітря, то енергія не може передаватися ні

конвекцією, ні теплопровідністю. Передача енергії в цьому випадку здійснюється шляхом випромінювання. Розглянемо цей вид теплопередачі.

Усі нагріті тіла випромінюють енергію. Піднісши руку збоку до спіралі електроплитки, включеної в мережу, або до батареї опалення, ви відчуєте тепло. Чим вище температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Виконаємо дослід. Візьмемо теплоприймач — металеву коробку, одна сторона якої блискуча, а інша — покрита чорною матовою фарбою. Усередині коробочки знаходиться повітря. З’єднаємо теплоприймач з манометром (рис. 19). Наллємо в посудину, в якої одна поверхня біла, а інша — чорна, окріп. Повернемо посудину до чорної сторони теплоприймача спочатку білою стороною, а потім — чорною. Рівень рідини в коліні манометра, що з’єднаний з теплоприймачем, знизиться. При цьому він знизиться більше, коли посудина повернена до теплоприймача чорною стороною.

Зниження рівня рідини в манометрі відбувається через нагрівання і розширення повітря в теплоприймачі. Отже, повітря, отримуючи від посудини з гарячою водою енергію, нагрівається. Оскільки повітря має погану теплопровідність, то за рахунок цього виду теплопередачі повітря в теплоприймачі нагріватися не може. Не нагрівається він і за рахунок конвекції, тому що посудина і теплоприймач розташовані на одному рівні. Отже, залишається погодитись, що посудина з гарячою водою випромінює енергію.

Дослід також показує, що чорна поверхня посудини випромінює більше енергії, ніж біла.

Виявляється, що чорна поверхня не тільки випромінює більше енергії, а й більше поглинає. Це можна довести експериментально. Піднесемо включену в мережу електроплитку спочатку до блискучої сторони теплоприймача, а потім — до чорної (рис. 20).

Зауважимо, що у другому випадку рідина в коліні манометра, який з’єднаний з теплоприймачем, опуститься нижче, ніж у першому.

Таким чином, тіла з темною поверхнею добре поглинають і випромінюють енергію, а тіла з білою або блискучою поверхнею погано випромінюють і погано поглинають її.

Для збереження їжі і напоїв гарячими використовують термос. Це — металева або скляна посудина з подвійними стінками. Внутрішня і зовнішня поверхні скляної посудини покриті блискучим шаром металу. Повітря між стінками відкачано. Оскільки повітря між стінками посудини немає, то відсутні як конвекція, так і теплопровідність. стінки посудини, завдяки блискучому покриттю, не дають можливості енергії передаватись і випромінюватись. Скляний посуд термоса поміщають у пластмасовий або металевий корпус, щоб захистити від пошкоджень, і закривають корком.

Запитання для самоперевірки

1.    Який вид теплопередачі називають теплопровідністю? Наведіть приклади теплопередачі шляхом теплопровідності.

2.    Який механізм теплопровідності?

3.    Порівняйте теплопровідності газів, рідин і твердих тіл та поясніть причину їхніх відмінностей.

4.    Який вид теплопередачі називають конвекцією? Наведіть приклади конвекції.

5.    Як відбувається нагрівання води в чайнику? Наведіть приклади теплопередачі шляхом випромінювання.

6.    Порівняйте випромінювання і поглинання енергії світлими і темними поверхнями тіл.

Завдання 7

1е. Придумайте і проведіть дослід, в якому спостерігається явище теплопровідності води і повітря. Будьте обережні при роботі з вогнем.

2.    Чому віконні рами роблять подвійними?

3.    У якому випадку швидше розтане лід: якщо в кімнаті його покласти на відкритому місці чи накрити шубою?

4е. Придумайте і проведіть дослід зі спостереження конвекції в рідинах і газах.

5.    Поясніть, чому опалювальні прилади встановлюють на підлозі (або близько до підлоги) і як відбувається процес нагрівання від них повітря в кімнаті.

6.    Чому кватирки для провітрювання кімнат розміщують у верхній частині вікна?

7.    Чому в тиху морозну погоду дим, що виходить із труб, піднімається вертикально вгору?

8.    Який сніг на відкритій поверхні тане швидше — чистий чи брудний?

9.    Чому найвища температура повітря не в полудень, а одразу після полудня?

Кількість теплоти.

Питома теплоємність речовини

Що називають теплообміном?

Які існують види теплообміну?

Ви знаете, що можливі два способи зміни внутрішньої енергії тіла: здійснення роботи і теплообмін. Виникає питання: яка величина характеризує зміну внутрішньої енергії тіла при теплообміні, е його мірою? Цю величину називають кількістю теплоти.

Кількістю теплоти називають фізичну величину, значення якої дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла в процесі теплообміну без здійснення роботи.

Кількість теплоти позначають літерою Q. Одиницею кількості теплоти, як і будь-якого виду енергії, е джоуль (1 Дж).

При передачі тілу деякої кількості теплоти без здійснення роботи його внутрішня енергія збільшується; якщо тіло віддає певну кількість теплоти, то його внутрішня енергія зменшується.

З’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти.

Якщо взяти дві однакові посудини, в одну з них налити 200 г води, а в іншу 800 г при одній і тій же температурі й поставити їх на однакові нагрівані, то раніше закипить вода в першій посудині. Таким чином, чим більша маса тіла, тим більша кількість теплоти потрібна йому для нагрівання. При охолодженні тіло з більшою масою віддає більшу кількість теплоти. Зрозуміло, що в даному випадку мова йде про тіла з одної і тої ж речовини і нагріваються вони або охолоджуються на одну і ту ж кількість градусів.

Отже, кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла, пропорційна його масі:

Q ~ т.

Тепер припустимо, що ми будемо нагрівати на однакових нагрі-вачах в одній посудині 200 г води від 20 °С до 50 °С, тобто на ЗО °С, а в іншій такій же посудині 200 г води від 20 °С до 100 °С, тобто на 80 °С. В першому випадку на нагрівання піде менше часу, ніж у другому. Отже, кількість теплоти, яку ми витратимо на нагрівання води на ЗО °С, менша, ніж кількість теплоти, необхідної для нагрівання води на 80 °С. Таким чином, кількість теплоти прямо пропорційна зміні температури.

У даному випадку кінцева температура L2 більша за початкову температуру tv тому зміна температури дорівнює L2 - Lr

Тоді

Q~ (<2 - iI)-

При охолодженні тіла кінцева температура L2 менша від початкової температури Lr тому зміна температури дорівнюватиме L1 - L2.

Наллємо в одну посудину 200 г води. В іншу таку саму посудину HajLTCMO трохи води і покладемо в неї таке MerPajieBe тіло, щоб загальна маса тіла і води дорівнювала 200 г. Переконаємося, що початкова температура в обох посудинах однакова. Будемо нагрівати посудини на однакових нагрівачах. Через деякий час виміряємо температуру. У посудині, в якій знаходиться тільки вода, температура буде нижча, ніж в тій, де були вода і металеве тіло. Отже, щоб температура вмісту в обох судинах була однаковою, воді потрібно передати більшу кількість теплоти, ніж воді і металевому тілу. Таким чином, кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого це тіло зроблено.

Таким чином, щоб розрахувати кількість теплоти Qf необхідну для нагрівання тіла з масою т від температури tx до температури t2, необхідно масу тіла помножити на різницю кінцевої і початкової температур і на коефіцієнт пропорційності с, що визначається родом речовини з якої складається тіло.

Q = Cm(L2-Ll).

Залежність кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла, від роду речовини характеризується фізичною величиною, що називається питомою теплоємністю речовини.

Питомою теплоємністю речовини називають фізичну величину, яка дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати тілу з масою 1 кг для нагрівання його на 1 °С.

Таку ж кількість теплоти тіло з масою 1 кг віддає при охолодженні на 1 °С.

 

Питома теплоємність позначається літерою с. Одиницею питомої теплоємності є

Значення питомої теплоємності речовин визначають експериментально. Деякі з них наведено в таблиці 4. Рідини мають більшу питому теплоємність, ніж метали; найбільшу питому теплоємність має вода, найменшу питому теплоємність з наведених у таблиці 4 речовин має золото.

Питома теплоємність води

 

 

Це означає, що для нагрівання

 

1 кг води на 1 °С необхідною є кількість теплоти, яка дорівнює 4200 Дж. При охолодженні 1 кг води на 1 °С виділиться кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж.

Оскільки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла, то можна сказати, що питома теплоємність показує, на скільки змінюється внутрішня енергія речовини з масою 1 кг при зміні її температури на 1 °С. Зокрема, внутрішня енергія 1 кг води при її нагріванні на I 0C збільшується на 4200 Дж, а при охолодженні на 1 °С — зменшується на 4200 Дж.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 9-08-2016, 22:00, посмотрело: 1971