§ 6. Види теплообміну

— еплообмін може здійснюватися різними способами.

Спостереження 1. Якщо доторкнутися до предметів, виготовлених з металів, дерева, пластмаси, то металеві предмети здаються холоднішими від дерев’яних, хоча їхня температура однакова, наприклад кімнатна. У цьому випадку ми відчуваємо прохолоду, тому що металеві предмети краще проводять тепло і швидше відбирають його від руки, тобто мають високу теплопровідність.

Спостереження 2. Батареї водяного опалення розміщують під вікном біля підлоги. Від них унизу холодне повітря нагрівається й піднімається вгору. Тримаючи руку над запаленою свічкою, ви відчуєте, як від її полум’я вгору піднімаються теплі потоки повітря. Підвісивши над джерелом тепла папірець, можна побачити, як він коливається від руху повітря. У цих прикладах теплообмін здійснюється за рахунок перенесення повітря або рідини. Такий процес передачі тепла називають конвекцією (з лат. convectio - перенесення).

Спостереження 3. Життя на Землі може існувати тому, що вона має придатну для цього температуру завдяки теплу, яке отримує зі світлом від Сонця. Земля і Сонце розташовані на великій відстані (150 млн км), у просторі між ними немає повітря. У цьому разі передача тепла відбувається за рахунок ще одного виду теплообміну — випромінювання.

Дослід 1. До мідного стержня парафіном або воском приклеїмо кілька сірників (мал. 35). Один кінець стержня нагріватимемо в полум’ї спиртівки або газового пальника.

Під час нагрівання парафін почне плавитися, і сірники відпадатимуть від стержня. Насамперед відпадуть ті сірники, які розміщені ближче до полум’я, а потім по черзі - всі інші.

Передачу тепла від більш нагрітої до менш нагрітої частини тіла внаслідок теплового руху частинок тіла називають теплопровідністю. При цьому відбувається передача енергії, а переносу речовини немає.

Дослід 2. У посудину, у якій нагрівається вода, вставимо алюмінієвий, дерев’яний, пластмасовий та скляний стержні (мал. 36). Покладемо зверху на них парафінові кульки. Спочатку розплавиться кулька на алюмінієвому стержні, потім - на скляному. На дерев’яному та пластмасовому стержнях парафін не розплавиться.

Різні речовини мають різну теплопровідність.

За кімнатної температури теплопровідність різних тіл різна (табл. 1).

Теплопровідність деяких речовин порівнянно з теплопровідністю скла    Таблиця 1

Добре проводять тепло метали, особливо срібло, золото, мідь. Погано проводять тепло вода, цегла, бетон, лід. Наприклад, теплопровідність бетону в 210 разів нижча за теплопровідність алюмінію. Корок, пінопласт, повітря мають дуже низьку теплопровідність. Такі речовини називають тепло-ізоляторами.

Вовна, пух містять повітря і тому мають низьку теплопровідність. Вони захищають тіло тварин від переохолодження або перегрівання.

Для достатньої теплоізоляції будинку його стіни з бетону повинні мати товщину ЗО см. Для забезпечення такої самої теплоізоляції стіни з алюмінію повинні були б мати товщину 63 м, а стіни з корка - 1,2 см.

Дослід 3. Якщо нагрівати воду у верхній частині пробірки (мал. 37), то вона в цьому місці закипить, а внизу можуть залишитися навіть шматочки льоду. Це свідчить про те, що вода -поганий провідник тепла. Якщо ж нагрівати посудину з водою знизу, то вся вода прогріється й закипить (мал. 38), тому що відбуватиметься переміщення верхніх холодних і нижніх нагрітих шарів води. Таке переміщення рідини називають конвекцією.

Конвекція — процес перенесення енергії струменями рідини або газу.

Дослід 4. Запалимо свічку, розмістимо над полум’ям вирізану з паперу «змійку» (мал. 39). Повітря біля полум’я свічки буде нагріватися і розширюватися. Густина розширеного повітря менша від густини холодного, тому шар теплого повітря піднімається вгору. Його місце відразу заступає сусідній шар холодного повітря, він нагрівається і починає рухатися вгору.

Під дією струменів нагрітого повітря паперова «змійка» обертається.

Явищем конвекції можна пояснити виникнення вітрів у природі.

Спостереження 4. Запалимо свічку. Коли над нею розмістимо спочатку нижчий, а потім - вищий скляний циліндр, відкритий з обох боків (мал. 40), то помітимо, що полум’я свічки буде видовжуватися. Такий циліндр - це маленька димова труба, яка створює тягу повітря. Що вища

труба, то краща тяга.

У сучасних будинках установлюють водяне опалення. Вода, нагріта в котлі (мал. 41), піднімається по трубах угору і віддає тепло радіаторам опалення.

Унаслідок конвекції нагрівається повітря в будинках, при цьому охолоджуються радіатори та вода в них. Охолоджена вода опускається вниз до котла, де знову нагрівається. Щоб уся вода, яка є в системі водяного опалення, нагрівалася, котли або інші нагрівальні установки розміщують у будинку якомога нижче.

Спостереження 5. Сидячи біля багаття, ми відчуваємо від нього тепло. Отже, відбувається теплообмін, але не через теплопровідність, бо повітря, яке є між полум’ям багаття і нами, — теплоізолятор. Конвекцією в цьому разі теплообмін також пояснити не можна, бо ми перебуваємо не над багаттям, а поряд із ним, і потоки холодного повітря йдуть до багаття з нашого боку. Тут маємо справу ще з одним видом теплообміну, який називають випромінюванням, про яке ми вже згадували, коли обговорювали нагрівання Землі світлом від Сонця крізь безповітряний простір. Звідси випливає, що для теплообміну випромінюванням не потрібне будь-яке проміжне середовище між тілом і нагрівником.

Дослід 5. Візьмемо теплоприймач (круглу коробочку, один бік якої дзеркальний, а другий - покритий чорною фарбою, мал. 42), з’єднаємо його за допомогою гумової трубки з манометром. Розмістимо на деякій відстані від теплоприймача ввімкнену електроплитку. Невдовзі манометр покаже, що тиск повітря в коробочці теплоприймача збільшився за рахунок його нагрівання від стінки коробочки, температура якої підвищилася внаслідок теплообміну з електроплиткою.

Усі оточуючі нас тіла й ми самі за будь-якої температури є джерелами теплового випромінювання, яке за своєю природою і властивостями подібне до світла й радіохвиль. Що вища температура тіла, то потужнішим є теплове випромінювання від нього. Ми не бачимо його оком, але сприймаємо шкірою, як жар, що йде від джерела. У нашому досліді розжарена електроплитка й була потужним джерелом теплового проміння, яке і сприйняв теплоприймач.

Випромінювання — це вид теплообміну, який може відбуватися без проміжного середовища між тілами і зумовлений випусканням і поглинанням ними теплового проміння.

Усі тіла не тільки випускають, а й поглинають теплове проміння. Щоб дослідити, як впливають властивості тіла на його здатність поглинати теплове проміння, повторимо наш дослід двічі: спочатку повернемо теплоприймач до електроплитки блискучою поверхнею, а потім - темною.

Подібні досліди показали, що тіла з темною поверхнею краще випромінюють і поглинають теплове проміння. Тіла, які мають світлу та блискучу поверхню, випромінюють і поглинають енергію гірше, ніж темні.

Тепер можна відповісти на запитання, для чого одні предмети фарбують у темний колір, а інші — у світлі, блискучі кольори. Наприклад, чайник з блискучою поверхнею довше зберігає воду теплою, тому що така поверхня менше випромінює тепла, ніж темна. Вагони-холодильни-ки фарбують у світлий колір, щоб вони не нагрівалися на сонці. Улітку ми зазвичай носимо світлий одяг, а взимку - темний.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Середня температура тіла людини 36,6 ^rC підтримується організмом за різноманітних умов життя і діяльності людини. У тканинах і органах тіла безперервно відбуваються процеси окиснення, що супроводжуються виділенням теплоти. Більша частина енергії, яка отримується від перетравлення харчових продуктів, затрачається на механічну роботу, виконання якої також супроводжується виділенням тепла в організмі. Усе це тепло розсіюється тілом людини в навколишнє середовище.

•    Самопочуття людини значною мірою залежить від кількості теплоти, яку втрачає організм. Залежно від призначення приміщення, виду виконуваної роботи і вологості повітря нормальною для людини може бути температура навколишнього середовища від 11 до 23 ^cC. Низькі температури прискорюють процеси вироблення теплоти в організмі. Високі - спричиняють посилення потовиділення, яке є засобом регулювання температури організму. Однак організм людини здатний підтримувати власну температуру сталою тільки за зміни температури навколишнього середовища в невеликих межах. Наприклад, для людини, яка перебуває в стані спокою, у вологому повітрі температура тіла починає підвищуватися за температури повітря вище від ЗО °С, а в сухому - від 40 ^eC.

•    Особливо чутливий організм людини до інтенсивності випромінювання. Негативно впливає на нього випромінювання гарячих предметів. Значний вплив на самопочуття людини має температура поверхонь приміщень, з якими тіло людини обмінюється теплом унаслідок випромінювання. Зміна температури стін від 20 до 10 ^riC спричиняє збільшення випромінювання тіла людини (виділення тілом тепла) на ЗО %.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Що таке теплопровідність?

2.    Що таке конвекція?

3.    Що таке випромінювання?

4.    Які явища природи пояснюються конвекцією?

5.    Яку роль відіграє випромінювання в житті людини?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ Розв’язуємо разом

1.    У якому стані внутрішня енергія 1 кг води більша: у твердому, рідкому чи газуватому?

Відповідь: внутрішня енергія 1 кг води у газуватому стані більша, ніж у рідкому, а в твердому - менша, ніж у рідкому стані.

2.    Як пояснити, що пожежник у спеціальному одязі може безпечно перебувати біля епіцентру вогню (мал. 43)?

Відповідь',тканину спецодягу виготовлено з матеріалів, які мають дуже низьку теплопровідність. Крім того, спецодяг має сріблястий колір і тому' відбиває теплове проміння.

3. Поясніть, чому птахи з великими крилами (орли, шуліки) можуть триматися на одній висоті, не махаючи крилами.

Відповідь: за рахунок висхідних потоків повітря, тобто конвекції.

Рівень А

16.    Холодна і гаряча вода складається з однакових молекул. Чи однакова внутрішня енергія холодної і гарячої води однакової маси? Чому?

17.    Чи змінилася внутрішня енергія чайної чашки, коли її переставили зі столу на полицю кухонної шафи?

18.    Під час обробки матеріалів інструменти верстатів (різці, свердла, фрези) сильно нагріваються. Чому?

19.    Чому, виконуючи вправи на канаті, не слід швидко опускатися, охопивши його руками?

20.    Поясніть такі факти: а) борошно, яке сиплеться з-під каменя в млині, гаряче; б) кулькові підшипники машин нагріваються під час роботи менше, ніж підшипники ковзання.

21.    Під час огляду космічного корабля після його повернення на Землю виявилося, що найбільше оплавилася й обгоріла поверхня того боку, яким корабель увійшов у земну атмосферу. Дайте цьому пояснення.

22.    Чому, коли варять варення, то намагаються користуватися дерев’яною ложкою, а не металевою?

23.    З якою метою у будинку між димарем і дошками стелі кладуть шар азбесту?

24.    Цегла здається на дотик теплішою за мармур за тієї самої температури. Який матеріал має кращі теплоізоляційні властивості?

25.    У якій з посудин швидше нагріється вода (мал. 44)?

26.    З якою метою у вікна вставляють подвійне або потрійне скло (мал. 45)?

27.    Чому в холодильних камерах м’ясокомбінатів або молокозаводів труби з охолоджувальною рідиною розміщують угорі, біля стелі?

28.    Чому в льоху прохолодно навіть у спеку?

29.    З якою метою в стінах приміщень роблять вертикальні труби-коло-дязі, сполучені отворами з кімнатами? Де розміщуються ці отвори?

30.    Чому холодильні установки, вагони-холодильники фарбують у світлий колір?

31.    У якій сукні влітку менш спекотно: у світлій чи темній? Поясніть чому.

32.    Чому зіпсувався медичний термометр, який залишили через недогляд на підвіконні сонячного дня?

33.    Улітку повітря в будинку нагрівається за рахунок тепла, що надходить крізь стіни, відчинені вікна і скло, яке пропускає сонячні промені. Про які види теплообміну йдеться в кожному випадку?

34.    Чи можна охолодити повітря в кімнаті, відкривши дверцята холодильника?

Рівень Б

35.    Чому пилка з недостатньо розведеними зубцями нагрівається більше, ніж з нормальним розведенням зубців?

36.    Після розрізання слюсарною ножівкою металевої деталі спостерігається нагрівання деталі й полотна ножівки. Унаслідок чого сталися такі зміни?

37.    Виконайте такий дослід: візьміть м’яку залізну або мідну дротину діаметром 3-4 мм, перегніть її кілька разів в одному й тому самому місці й торкніться цього місця рукою. Що відчуєте? Чому сталася ця зміна з дротиною?

38.    Шматок свинцю можна нагріти різними способами: вдаряючи по ньому молотком, вносячи його в полум’я пальника або гарячу воду. Чи можна стверджувати, що в усіх цих випадках шматок свинцю отримав певну кількість теплоти; що збільшилася його внутрішня енергія?

39.    Сірник спалахує, якщо його терти об коробку. Він також спалахує, коли його вносять у полум’я свічки. У чому спільність і відмінність причин, що зумовлюють спалахування сірника в цих випадках?

40.    Чому покришки автомобільних коліс виготовляють з гуми, яка не розм’якшується й не втрачає міцності навіть за 100 ^tC і вищої температури?

41.    Як можна зігріти змерзлі руки, не використовуючи нагрітих предметів або теплих рукавичок?

42.    Деяку масу води в одному випадку нагріли на 35 ^tC, а в іншому -охолодили на 10 ^lC. Збільшилась чи зменшилась внутрішня енергія води в кожному з випадків?

43.    Виконайте такий дослід: опустіть алюмінієву і залізну ложки в гарячу воду. Яка з них швидше нагріється? Яка з них має кращу теплопровідність?

44.    Чому шматки заліза і дерева на морозі здаються неоднаково холодними, а влітку в спекотний день бетонний стовп огорожі й залізна огорожа - неоднаково нагрітими?

45.    Чому щільний вологий ґрунт має значно більшу теплопровідність, ніж сухий і розпушений? Що треба зробити, щоб прискорити прогрівання ґрунту на більшу глибину? З якою метою коткують (ущільнюють) ґрунт?

46.    Чому радіатори водяного опалення в кімнаті встановлюють внизу й обов’язково біля вікна? Що було б, якби ці радіатори розмістили біля протилежної до вікна стіни?

47.    Коли довільне змішування холодної і гарячої води відбуватиметься швидше: якщо в гарячу воду наливати холодну чи в холодну наливати повільно гарячу в тій самій пропорції? Відповідь поясніть, перевірте на досліді, використовуючи при цьому термометр.

48.    У якому димарі краще утворюється тяга: цегляному чи металевому, якщо вони мають однакові внутрішній діаметр і висоту?

49.    Для чого в гасових лампах використовують високе скло (мал. 46)?

50.    Пасажири літака, який пролітає через протоку, відчувають невелике струшування («бовтанку») в ті моменти, коли літак пролітає якраз над берегами протоки; а над водою літак летить рівно. Дайте цьому пояснення.

51.    На малюнку 47, а в нижній посудині міститься лід, а у верхній -вода. На малюнку 47, б - навпаки. У якій посудині (ліворуч чи праворуч) швидше охолоне вода?

52.    Сталевар, спостерігаючи крізь темні окуляри за процесом сталеваріння, часто ще й загороджує обличчя рукою. Чому він це робить?

53.    В одному з двох однакових рідинних термометрів резервуар зачорнили, а після цього обидва термометри помістили в холодильник. Який термометр швидше покаже зниження температури і чому?

54.    Земна атмосфера внаслідок своєї прозорості дуже слабко поглинає сонячне проміння і через це не нагрівається. Чому ж улітку буває спекот-но навіть у тіні?

55.    Чи зміниться висота польоту повітряної кулі, якщо вона в літній день опиниться в тіні від хмари?

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк