§ 8. Види теплопередачі. Теплопровідність

Що таке «теплота»? Вважали, що деяка невидима теплова рідина (латинською мовою «флогістон») перетікає від теплого тіла до холодного, і що в гарячому тілі є більше флогістону, ніж у холодному.

Цікаво, що сама теорія виявилася неправильною (немає ніякого флогістону), але отримані нею формули справедливі і до сьогодні. Деякі терміни тих часів і нині використовуються. Ми кажемо: «Теплота перетікає від гарячого тіла до холодного», хоча нічого не тече. Або: «Тіло отримало деяку кількість теплоти», хоча правильніше буде: «Тіло отримало деяку кількість теплової енергії». Енергетичну якість їжі лікарі-дієтологи до цього часу вимірюють у калоріях, яка була введена як одиниця вимірювання кількості флогістону.

Кількість теплоти - це енергія, яка передається від одного тіла до іншого при теплопередачі. Ця енергія позначається літерою Q і вимірюється у джоулях (Дж). Існують три способи теплопередачі: конвекція, теплопровідність і випромінювання. Усі види передачі теплоти підкоряються одному основному правилу: самовільно теплота передається тільки від гарячого тіла до холодного (мал. 8.1).

Конвекція

Теплота може передаватися за допомогою механічного перенесення деякої маси нагрітої речовини в рідкому чи газоподібному стані. Так, вентилятор калорифера чи фена (мал. 8.2) переміщує повітря, продуваючи його між пластинами чи спіралями, які розігріті електричним струмом. Кондиціонер так само «проганяє» повітря, охолоджуючи його на пластинах холодильника. Такий спосіб теплообміну називають вимушеною конвекцією (від лат. convectio - доставка).

В умовах земного тяжіння тепла рідина або газ піднімається вгору під дією архіме-дової сили. Таке перемішування теплих і холодних мас газу чи рідини називають природною конвекцією. Тому батареї опалення

краще розміщати під вікнами. Холодне повітря опускається вниз, нагрівається і піднімається вгору. Далі рухається попід стелею до протилежної стіни кімнати, перемішується з іншими шарами повітря, охолоджується, опускається вниз і т. д. Шляхи переміщення повітря в кімнаті можна прослідкувати за допомогою свічки, оскільки потоки повітря відхиляють полум'я.

Тепла вода в трубах водяного опалення сама піднімається вгору, а охолоджена - опускається вниз. Великі птахи та планеристи вміють ширяти в повітрі і навіть підніматися вгору, використовуючи висхідні конвективні потоки теплого повітря.

ДОСЛІД 8.1

Виготуйте з паперу спіраль, як показано на малюнку 8.3. Помістіть її центр на вершину зігнутого дроту над полум'ям свічки. Спіраль почне обертатися. Поясніть дослід.

ДОСЛІД 8.2. Коміоки Бенаоа

Це дуже гарний і цікавий дослід.

Нагрійте парафін (він продається в аптеках) до рідкого стану в невеликій бляшанці. Додайте туди алюмінієвого порошку від срібної фарби. Потім поставте все це на повільний вогонь і спостерігайте зверху за рідиною. При досягненні певної температури ви побачите, що поверхня покрилася візерунком, що схожий на бджолині соти (мал. 8.4а). Спробуйте пояснити цей дослід, який здійснив французький вчений Анрі Бенар. Щось подібне можна спостерігати за допомогою телескопів зі спеціальними світлофільтрами на поверхні Сонця (мал. 8.46).

Теплопровідність

Теплопровідністю називають процес передачі кінетичної енергії від молекули до молекули. У більш нагрітій частині тіла молекули рухаються швидше і, при взаємодіях із повільнішими сусідами, передають їм частину своєї енергії. Зауважимо, що в твердих тілах механізм передачі теплової енергії складніший. У металах, наприклад, значну роль у цьому процесі відіграють вільні електрони.

ДОСЛІД 8.3

Візьміть металічний стержень довжиною 10-15 см і прикріпіть до нього за допомогою розплавленого парафіну ряд маленьких цвяшків чи кнопок (мол. 8.5). Один кінець стержня можна тримати у плоскогубцях, а інший помістити у вогонь газового пальника.

Через деякий час цвяшки почнуть відпадати. Поясніть, чому цвяшки починають відпадати і чому - саме від гарячого краю стержня.

Закон теплопровідності

Теплопровідність (здатність проводити теплоту) різних матеріалів різна. Гази мають малу теплопровідність, а метали - найбільшу. Якби не конвекція, то кімната не прогрілась би і за цілий день, оскільки повітря має малу теплопровідність.

бажано, щоб теплопровідність стін будівель була низькою, тоді взимку теплота не буде «тікати» з квартири, а влітку спека з вулиці не проникатиме всередину. Розглянемо, від чого залежить значення потоку теплоти крізь стіну (мал. 8.6).

Стіни будинку мають забезпечувати теплову ізоляцію стіни товщиною / за одиницю часу t:де Q - кількість теплоти, S- площа поверхні, через яку проходить тепло, і t- час. Дослід показує, що потік тепла, що проходить крізь стіну будинку (перпендикулярно до поверхні), прямо пропорційний різниці температур внутрішньої і зовнішньої сторони стіни

/| - (_{2 и} і обернено пропорційний товщині стіни / (Z₁ - температура внутрішньої поверхні

стіни, I₂ - зовнішньої"). Зрозуміло, що чим

довше відбувається теплообмін і чим більша площа, тим більше теплової енергії пройде через поверхню.

* Формулу для розрахунку густини потоку теплоти (формула Фур'є) записують так:

де к - коефіцієнт теплопровідності, який залежить від матеріалу стіни. Формулу (8.1) можна записати і так:

У такому вигляді формула означає наступне: кількість теплоти, що протікає через деяку поверхню, прямо пропорційна площі поверхні, часу протікання і різниці температур між внутрішньою і зовнішньою поверхнями стіни, а також обернено пропорційна товщині перешкоди.

Кількість теплоти Qвимірюють у джоулях, площу поверхні S- у м², час t -

у секундах, потужність потоку тепла

відності к - у Вт/(м-К).

В таблиці 8.1 наведені коефіцієнти теплопровідності різних речовин. Коефіцієнт k для срібла дорівнює 407 Вт/(м-К). Це означає, що через кожний квадратний метр поверхні стіни зі срібла завтовшки в 1 м при різниці температур ГС (чи I K-градус Кельвіна, бо вони рівні за значенням) за 1 с протікає407 Дж теплоти. Стільки ж теплоти віддає камін середньої потужності. Цегляна стіна пропускає в 600 разів менше теплоти, тому стіни роблять із цегли, а не зі срібла.

Таблиця 8.1

Коефіцієнти теплопровідності різних матеріалів

Добрі провідники тепла		Погані провідники тепла		Tcnлоізола юри
	K		к,		к,
Срібло		Ртуть		Шкіра
Мідь		Мармур		Деревина
Золото		Лід (O0C)		Корок
Алюміній		Фарфор		Скловата
Платина		Бетон		Пінопласт
Олово		Скло		Повітря
Сталь		Цегла		Пір’я
Свинець		Вода		Вакуум

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Вода проводить тепло в 200 раз гірше, ніж мідь, а повітря - в 100 разів гірше, ніж вода. Гелій-2 при температурі < 2,19 K втрачає в'язкість і проводить тепло в 100 разів краще, ніж мідь.

Випромінювання

Для того щоб встановити, нагрітий предмет чи ні, іноді досить наблизити до нього руку, не торкаючись самого предмета. Ми відчуємо тепло на відстані, тому що теплові рецептори шкіри руки сприймають випромінювання, яке йде від нагрітого предмета. Відомі випадки надзвичайно великої чутливості цих рецепторів у деяких людей. Вони можуть читати пальцями текст, схований у конверті. Справа в тому, що чорні літери випромінюють тепла більше, ніж білий аркуш, і ця різниця відчувається шкірою пальців. Коли ми сидимо близько біля багаття і відчуваємо жар в обличчя, то досить прикритися рукою: так ми перекриваємо шлях тепловим променям.

Наша планета і всі ми отримуємо теплоту від Сонця. Теплоту нам приносить випромінювання і це найшвидший спосіб теплопередачі, оскільки теплові промені поширюються зі швидкістю світла. За межами атмосфери на кожен квадратний метр поверхні, перпендикулярної до сонячних променів, припадає 1360 Bt - це так звана «сонячна стала». Сонячні батареї, які набувають усе більшого поширення, отримують трохи менше енергії через невелике поглинання енергії атмосферою. Не забуваймо, що Землю від Сонця відділяють 150 мільйонів кілометрів космічної пустоти.

Крім теплових променів, на Землю від Сонця приходить ще багато інших променів, як видимих людським оком, так і невидимих. Видиме біле світло має у своєму складі цілий набір кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

За червоною межею знаходяться невидимі інфрачервоні промені, які відкрив у сонячному спектрі ще у 1800 р. англійський астроном Вільям Гершель. Цікаво, що навіть тонкий шар води майже повністю поглинає інфрачервоне випромінювання.

Скафандр космонавта повинен захистити його від страшенної спеки на сонячній стороні й від космічного холоду - з тіньової (мал. 8.7). Це означає, що матеріал скафандра повинен мати дуже добрі теплоізоляційні властивості і добре відбивати сонячні промені. Крім того, скафандр повинен перерозподіляти тепло і це здійснюється за допомогою постійної циркуляції рідини в системі трубок усередині скафандра.

Вакуум. Якщо з герметичної посудини відкачати повітря, то там утворюється, як прийнято говорити, вакуум (лат. vacuum - пустота, порожнеча). Повністю відкачати повітря неможливо, тому вакуум - поняття відносне.

Відсмоктуючи повітря із пластикової пляшки, ми створюємо досить слабкий вакуум. Спеціальні вакуумні насоси здатні створювати глибокий вакуум, майже такий, як у космосі.

Передача теплоти через вакуум за рахунок теплопровідності і конвекції практично неможлива. Цим користуються в техніці для теплоізоляції. Наприклад, у термосі зроблено подвійні стінки, а з проміжку між ними викачане повітря. Домашній бойлер обгорнутий спеціальним теплоізолюючим матеріалом.

Розглянемо детальніше будову термоса.

Ми використовуємо його в побуті для зберігання продуктів теплими чи холодними. Всередині пластикового чи металевого корпусу знаходиться головна частина термоса (мал.

8.8) - скляна (чи металева) колба, що має подвійні дзеркальні стінки, з-поміж яких викачане повітря.

Відсутність повітря між стінками ослаблює конвекцію і теплопередачу, зменшуючи втрати теплоти в 5 разів. Якщо зробити стінки дзеркальними, то перекривається шлях втратам через випромінювання, і втрати теплоти зменшуються ще в 6 разів. У результаті, втрати теплоти становлять близько 3%. У промисловості та наукових лабораторіях для зберігання зріджених газів (азот, кисень, водень, гелій) використовують посудину Дьюара (мол. 8.9), «нащадком» якої і є побутовий термос.

ПРОЕКТ 8.Ί

Капніть на розігріту поверхню пательні крапельку води. Почується шипіння, і крапелька почне «бігати» поверхнею. Дайте відповідь на наступні запитання:

1.    Чому крапелька так довго «живе», чому вона, така маленька, одразу ж не випаровується, перебуваючи в тепловому контакті з розігрітою сковорідкою?

2.    Чому крапелька хаотично пересувається поверхнею?

3.    Чому дане явище можливе тільки починаючи з деякої (досить високої^-) температури поверхні пательні?

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Кількістю теплоти Q називають енергію, яка передається від одного тіла до іншого при теплообміні.

Існують три способи теплопередачі: конвекція, теплопровідність і випромінювання. У термосі, наприклад, зведені до мінімуму всі три способи проникнення теплової енергії крізь стінки.

Самовільно тепло передається тільки від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. Кінцевим станом вільного теплообміну є теплова рівновага. Формула для розрахунку кількості теплоти, що передається при те-

ВПРАВА №8

1.    Який фізичний зміст виразу «кількість теплоти»?

2.    Якщо влітку лежати на землі й дивитися в горизонтальному напрямі, то можна побачити «коливання повітря». Як ви думаєте, що це насправді таке?

3.    Чому тепле повітря піднімається вгору, а холодне - опускається вниз?

4.    Чому морозильну камеру встановлюють у верхній частині камери холодильника?

5.    Чому орел може літати, не махаючи крилами?

6.    Чому дим від багаття піднімається вгору, адже він складається з частинок незгорілого палива?

7.    У яких одиницях вимірюють тепловий потік?

8.    Які плюси і мінуси використання срібної ложечки для помішування чаю?

9.    Чому металеві предмети в кімнаті здаються на дотик холоднішими за дерев'яні?

10.    Чому, купаючись у воді, що має температуру 20 °С, ми відчуваємо її як прохолодну, а в повітрі тієї самої температури - холоду не відчуваємо?

11.    Чому в «пуховику» (куртка з пуховою підкладкою) і під периною так тепло?

12.    Чому будівельні блоки роблять із пустотами?

13.    Чому «гріє» шуба і чи гріє вона взагалі?

14.    Чому, коли взимку в квартирі ввімкнені обігрівачі, температура в приміщенні не зростає безмежно, а встановлюється на певному рівні?

15.    Чому батареї опалення складаються з пластин, які мають велику площу?

16.    Чому хутро має такі добрі теплоізоляційні властивості?

17.    Людина може витримати в сухому повітрі температуру до + 160 °С. Чому це можливо?

18.    Чому не боляче, якщо доторкнутися до добре нагрітої праски мокрим пальцем?

19.    Чому сніг оберігає озимину від вимерзання?

20.    Чому пізньої осені ясна ніч обіцяє ранковий заморозок?

21.    Чому під склом теплиці тепліше, ніж на вулиці, адже скло відбиває частину променів?

22.    Що треба зробити, щоб швидше охолодити гарячий чай: відразу вкинути в нього цукор і потім зачекати 5 хв. чи, зачекавши 5 хв., вкинути цукор? (При розчиненні цукру поглинається певна кількість енергії.)

23.    Чому пробку для термоса краще робити з коркового дерева?

24.    Чому, коли холодно, кішка спить, згорнувшись у клубочок, а коли тепло -розтягнувшись?

25.    У квартирі два зовнішні термометри, один знаходиться на сонячній стороні, інший - на тіньовій, а) Чому вони показують різну температуру? 6) Чому різниця в показах термометрів більша в сонячну погоду, ніж у хмарну?

26.    Чому тепле повітря і тепла вода мають меншу густину, ніж холодні?

27.    Чому дим, що йде з пічної труби, піднімається вгору?

28.    Чому пінопластові плити, покриті алюмінієвою фольгою, є добрими те-плоізоляторами?

29.    Чому ранкова роса вважається ознакою гарної погоди на день?

30.    Чому брудний сніг тане швидше?

31.    Який спосіб передачі теплоти: а) найшвидший; б) найповільніший?

32.    Як залежить кількість енергії, що витрачається на опалення, від площі поверхні й товщини зовнішніх стін?

33.    Чому чим холодніше на вулиці, тим сильніше треба обігрівати квартиру?

35.    Чим обмежені мінімальні розміри теплокровних тварин?

36.    Маємо дві однакові запаяні скляні порожнисті кулі. В одній із них повітря знаходиться при нормальному тиску, а в іншій - вакуум. Як, не роблячи ніяких вимірів, дізнатися, в якій із них вакуум, а в якій - повітря?

37.    Яка кількість теплоти проходить крізь мідні пластини теплообмінника кондиціонера за одну хвилину роботи? Загальна площа пластин 200 см², товщина 2 мм, різниця температур поверхонь 0,5°С.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка