Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике

Введение

Тепло сопровождает все процессы в природе и технике. Мы чувствуем его, когда солнце согревает лицо, когда закипает вода в чайнике или когда дует тёплый ветер. Все эти явления объединяет одно — теплопередача, то есть процесс передачи внутренней энергии от более нагретых тел к менее нагретым.

В физике различают три основных способа теплопередачи:

1. Теплопроводность,

2. Конвекция,

3. Излучение.

Каждый способ имеет свои особенности и примеры проявления в окружающем мире.

1. Теплопроводность

Определение:
Теплопроводность — это передача тепла от более нагретых участков вещества к менее нагретым без переноса самого вещества.

В твёрдых телах тепло передаётся через колебания частиц к соседним.
Металлы обладают высокой теплопроводностью, потому что в них двигаются свободные электроны.
Воздух и дерево — плохие проводники, поэтому применяются как теплоизоляторы.

Примеры:

• Металлическая ложка быстро нагревается в горячем чае.

• Тепло проходит от утюга к ткани.

• Вата, пух, пенопласт сохраняют тепло, так как между их волокнами — воздух.

Процесс превращения льда в пар при нагревании:
Если лёд нагревать, он сначала плавится, превращаясь в воду (поглощая тепло), а затем закипает и превращается в пар.
На каждом этапе изменяется внутренняя энергия вещества, но при плавлении и кипении температура остаётся постоянной.
Этот процесс — наглядный пример передачи и поглощения тепловой энергии.

2. Конвекция

Определение:
Конвекция — это перенос тепла струями жидкости или газа, при котором перемещается само вещество.

Особенности:

• Конвекция возможна только в жидкостях и газах.

• При нагревании вещество расширяется, становится легче и поднимается вверх, а холодное опускается вниз, образуя конвекционные потоки.

Примеры:

• Нагрев воды в кастрюле снизу;

• Образование ветра (тёплый воздух поднимается, холодный опускается);

• Циркуляция воды в океанах и течениях.

Процесс образования ветра:
Ветер — это движение воздуха, вызванное разностью температур и давлений.
Нагретый воздух у поверхности Земли поднимается вверх, на его место поступает более холодный воздух.
Так образуется конвекционное движение воздуха — ветер.

Явление возникновения тяги в печной трубе:
Когда воздух в печи нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх по трубе.
Холодный воздух снаружи поступает внутрь, создавая постоянную циркуляцию.
Так возникает естественная тяга, необходимая для горения и удаления дыма.

3. Излучение

Определение:
Излучение — это передача тепла электромагнитными волнами, не требующая присутствия вещества.

Особенности:

• Происходит даже в вакууме;

• Все тела излучают энергию, если их температура выше абсолютного нуля;

• Чёрные тела поглощают тепло лучше, чем светлые.

Примеры:

• Тепло от Солнца достигает Земли через космическое пространство;

• Жар от костра ощущается даже на расстоянии;

• Электрические обогреватели излучают инфракрасное тепло.

Образование зернистых пятен на поверхности Солнца:
Солнечные пятна — это области, где температура ниже, чем вокруг.
Они возникают из-за неравномерного переноса энергии конвекцией и излучением внутри Солнца.
Этот пример показывает, что даже в звёздах действуют те же физические законы теплопередачи.

Особенности конструкции термоса

Термос устроен так, чтобы свести теплопередачу к минимуму всеми способами:

• Между стенками — вакуум, который предотвращает теплопроводность и конвекцию;

• Внутренняя поверхность покрыта блестящим металлом, отражающим тепловое излучение;

• Герметичная крышка препятствует движению воздуха.

Таким образом, термос удерживает температуру жидкости, используя знания о трёх способах теплопередачи.

Сравнение способов теплопередачи

Вывод

Три способа теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — действуют в природе и технике одновременно.
Понимание этих процессов позволяет людям проектировать системы отопления, создавать термосы, управлять климатом и даже изучать процессы в звёздах.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется теплопередачей?

2. Назови три способа теплопередачи.

3. Почему лёд при нагревании превращается сначала в воду, а затем в пар?

4. Чем отличается теплопроводность от конвекции?

5. Что вызывает образование ветра?

6. Почему дым выходит через трубу вверх?

7. Как объяснить появление солнечных пятен?

8. Почему термос долго сохраняет температуру жидкости?

9. Может ли излучение происходить в вакууме?

10. Приведи примеры использования теплопередачи в природе и в технике.