Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике
1. Введение
Сегодняшнее занятие является завершающим в теме «Различные способы теплопередачи», поэтому сделаем его обобщающим и обсудим различные способы теплопередачи в природе и технике и их особенности на конкретных примерах.
Важно понимать, что процессы теплопередачи в природе происходят непрерывно, и мы можем их наблюдать повсеместно в окружающем нас мире, о чем мы сегодня и поговорим. Вспомним способы теплопередачи:
2. Получение пара изо льда при нагревании
Пример 1. Получение пара изо льда при нагревании. Поместим в кастрюлю лед при температуре ниже 0°С и начнем ее нагревать, запишем происходящие при этом процессы и укажем наиболее активно проявляющие себя способы теплопередачи на каждом из этапов нагрева. Мы, конечно, понимаем, что последовательность переходов агрегатных состояний вещества при этом будет выглядеть, как на рисунке 1, но распишем их поподробнее.
|
|
|
|
|
Лед |
Вода |
Пар |
|
Рис. 1 |
|
|
1. Нагревание льда до температуры плавления 0°С. Основную роль играет явление теплопроводности, т. к. лед – твердое тело.
2. Плавление льда при температуре 0°С, температура не меняется до того момента времени, пока весь лед не растает. Основную роль играет, по-прежнему, явление теплопроводности.
3. Нагревание воды, образованной изо льда, от температуры 0°С до 
. В этом процессе и во всех последующих основную роль играет уже конвекция, как более эффективный способ теплопередачи в жидкостях и газах.
4. Кипение воды и образование пара при . Температура на протяжении этого процесса также не меняется. В процессе кипения явление конвекции, пожалуй, проявляет себя самым ярким образом, т. к. даже невооруженным глазом можно наблюдать процессы постоянного естественного перемешивания кипящей воды.
5. Нагревание пара от температуры и выше.
3. Образование зернистых пятен на поверхности солнца
Пример 2. Образование зернистых пятен на поверхности Солнца. Если посмотреть на фотографии поверхности Солнца, то можно заметить, что вся его поверхность зернистая, а не однородная (см. Рис. 2). С чем же это связано?
Рис. 2. Зернистая поверхность Солнца
Структуру Солнца можно разделить на несколько так называемых слоев, один из которых находится вблизи поверхности и называется конвективной зоной (см. Рис. 3).
Рис. 3. Строение Солнца
По названию этого слоя уже можно догадаться, что в нем происходит процесс конвекции: с одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны, с другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх. Вершинами же конвективных потоков являются неровности на поверхности Солнца, которые мы можем видеть на фотографиях в виде зернистости.
Таким образом, можно провести некоторую аналогию между процессами космического масштаба и обыкновенным кипением воды в кастрюле.
4. Процесс образования ветра
Пример 3. Процесс образования ветра. Схематически процесс образования ветра, т. е. движения воздушных масс, можно изобразить на рисунке 4.
Рис. 4. Процесс образования ветра.
Зарождаются потоки ветра, как правило, вблизи водоемов, и, прежде всего, это явление связано с различной теплопроводностью воды и земли (суши). Образование ветра являет собой цикл из двух частей:
1. Днем вода нагревается медленно, а суша получает тепло быстрее, т.е. воздух над водой более холодный, его плотность и давление выше, чем над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши из-за образовавшейся разности давлений.
2. Ночью же, когда суша все из-за той же разности в свойствах теплопроводности остывает быстрее, чем вода, ветер начинает дуть в обратную сторону – с суши на водоем.
5. Явление возникновения тяги в печной трубе
Пример 4. Явление возникновения тяги в печной трубе.
Определение. Тяга – это естественный приток воздуха. С понятием тяги встречаются, главным образом, при рассмотрении конструкции и принципа работы печной трубы (см. Рис. 5).
Рис. 5. Конструкция печной трубы. Схема возникновения тяги
Важнейшим элементом печи является дымовая труба (3), именно она обеспечивает движения конвективных потоков, которые и создают тягу. В области топки (2) горит пламя и разогревает воздух, у которого уменьшается плотность, и он по закону Архимеда начинает устремляться вверх по трубе. Та область, из которой разогретый воздух начал движение вверх, должна наполниться холодным воздухом, который поступает извне печи через топочную дверцу (1). Таким образом, процесс конвективной циркуляции воздуха – отток теплого из трубы и приток холодного из комнаты – и образует тягу.
Интересно заметить, что сила тяги зависит от многих параметров конструкции печи, но наиболее сильным образом – от длины и материала трубы. Например, если используется железная труба, как на рисунке 6, то тяга будет не такой сильной, т. к. воздух успеет отдать свое тепло трубе в процессе подъема, остынет, и конвективный поток замедлится. В кирпичной же трубе (см. Рис. 7), теплопроводность которой значительно меньше железной, воздух практически не будет успевать остывать, и скорость конвективного потока падать не будет, т. е. тяга будет сильнее.
|
|
|
|
Рис. 6. Камин с железной трубой |
Рис. 7. Печь с кирпичной трубой |
Как видно из указанного замечания относительно материала трубы, для процесса образования тяги важно не только явление конвекции, а и теплопроводности.
6. Особенности конструкции термоса
Пример 5. Особенности конструкции термоса. Как многие знают, термос – это сосуд, который не дает остывать или нагреваться содержимому. Видов термосов целое множество: одни предназначены для содержания жидкостей (горячего чая или кофе), другие для переноса горячей пищи, третьи, так называемые термосумки, зачастую используются для транспортировки охлажденных напитков (см. Рис. 8), и т. д.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8. Различные виды термосов |
|
|
|
|
Возникает вопрос, как же устроен термос, что он обеспечивает термоизоляцию от окружающей среды тех продуктов, которые в нем находятся. Интересно, что конструкция термоса предполагает ограничение активности всех процессов теплопередачи, которые могут происходить между его содержимым и окружающей средой. Для удобства изобразим примерную схему конструкции термоса на рисунке 9.
Одной из основных частей термоса является стеклянная колба (иногда железная), которая имеет двойную структуру (колба в колбе), и между ее стенок откачивается воздух до создания достаточно сильного вакуума. Такая конструкция колбы позволяет практически полностью оградить ее содержимое от теплообмена с окружающей средой посредством теплопроводности, т. к. в вакууме практически полностью отсутствует вещество, что не дает возможности эффективно происходить этим теплообменным процессам.
Для еще большего эффекта теплоизоляции конструкция колбы в термосе предусматривает ограничение процесса потери тепла путем излучения. Для этого внутренняя поверхность колбы покрывается тонким слоем олова (реже серебра), что делает ее зеркальной и не дает излучению покинуть внутреннее пространство колбы.
Рис. 9. Конструкция термоса
Дополнительную изоляцию от теплопроводности обеспечивает и материал футляра (корпуса), который в первую очередь несет защитную функцию и не позволяет колбе разбиться, и прослойка воздуха между футляром и наружной стенкой колбы, которая обладает достаточно плохими свойствами теплопроводности.
Главным уязвимым местом для утечки тепла в термосе является его горловина, поэтому конструкции его крышки уделяют отдельное внимание. Крышка термоса, как правило, состоит из резиновой пробки, которая плотно прилегает к горловине при закрывании, и пористого материала, расположенного внутри ее корпуса, который обеспечивает дополнительную теплоизоляцию.
На приведенных примерах мы с вами рассмотрели проявление различных способов теплопередачи в природе, а также применение и даже способы борьбы с ними в технике. На следующем уроке мы введем понятие, с помощью которого мы будем в дальнейшем измерять объемы тепловой энергии – количество теплоты.