Примеры теплопередачи можно встретить повсюду — в природе, технике и повседневной жизни.

Примеры передачи тепловой энергии

Самым большим примером передачи тепла является солнце, которое согревает планету Земля и все, что на ней находится. В повседневной жизни можно встретить массу подобных вариантов, только в гораздо менее глобальном смысле. Итак, какие же примеры теплопередачи можно наблюдать в быту?

Вот некоторые из них:

• Газовая или электрическая плита и, например, сковорода для жарки яиц.
• Автомобильные виды топлива, такие как бензин, являются источниками тепловой энергии для двигателя.
• Включенный тостер превращает кусок хлеба в тост. Это связано с лучистой тепловой энергией тоста, который вытягивает влагу из хлеба и делает его хрустящим.
• Горячая чашка дымящегося какао согревает руки.
• Любое пламя, начиная от спичечного пламени и заканчивая массивными лесными пожарами.
• Когда лед помещают в стакан с водой, тепловая энергия из воды его плавит, то есть сама вода является источником энергии.
• Система радиатора или отопления в доме обеспечивает тепло в течение долгих и холодных зимних месяцев.
• Обычные печи являются источниками конвекции, в результате чего помещенный в них пищевой продукт нагревается, и запускается процесс приготовления.
• Примеры теплопередачи можно наблюдать и в своем собственном теле, взяв в руку кусочек льда.
• Тепловая энергия есть даже внутри у кошки, которая может согреть колени хозяина.

Тепло — это движение

Тепловые потоки находятся в постоянном движении. Основными способами их передачи можно назвать конвенцию, излучение и проводимость. Давайте рассмотрим эти понятия более подробно.

Что такое проводимость?

Возможно, многие не раз замечали, что в одном и том же помещении ощущения от прикосновения с полом могут быть совершенно разные. Приятно и тепло ходить по ковру, но если зайти в ванную комнату босыми ногами, ощутимая прохлада сразу дает чувство бодрости. Только не в том случае, где есть подогрев полов.

Так почему же плиточная поверхность мерзнет? Это все из-за теплопроводности. Это один из трех типов передачи тепла. Всякий раз, когда два объекта различных температур находятся в контакте друг с другом, тепловая энергия будет проходить между ними. Примеры теплопередачи в этом случае можно привести следующие: держась за металлическую пластину, другой конец которой будет помещен над пламенем свечи, со временем можно почувствовать жжение и боль, а в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

Факторы проводимости

Хорошая или плохая проводимость зависит от нескольких факторов:

• Вид и качество материала, из которого сделаны предметы.
• Площадь поверхности двух объектов, находящихся в контакте.
• Разница температур между двумя объектами.
• Толщина и размер предметов.

В форме уравнения это выглядит следующим образом: скорость передачи тепла к объекту равна теплопроводности материала, из которого изготовлен объект, умноженной на площадь поверхности в контакте, умноженной на разность температур между двумя объектами и деленной на толщину материала. Все просто.

Примеры проводимости

Прямая передача тепла от одного объекта к другому называются проводимостью, а вещества, которые хорошо проводят тепло, называются проводниками. Некоторые материалы и вещества плохо справляются с этой задачей, их называют изоляторами. К ним относят древесину, пластмассу, стекловолокно и даже воздух. Как известно, изоляторы фактически не останавливают поток тепла, а просто его замедляют в той или иной степени.

Конвекция

Такой вид теплопередачи, как конвекция, происходит во всех жидкостях и газах. Можно встретить такие примеры теплопередачи в природе и в быту. Когда жидкость нагревается, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности. Теплые молекулы текучей среды начинают двигаться вверх, в то время как охладитель (более плотная жидкость) начинает тонуть. После того как прохладные молекулы достигают дна, они опять получают свою долю энергии и снова стремятся к вершине. Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

Примеры теплопередачи в природе можно привести следующие: при помощи специального оборудованной горелки теплый воздух, наполняя пространство воздушного шара, может поднять всю конструкцию на достаточно большую высоту, все дело в том, что теплый воздух легче холодного.

Излучение

Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем.

Излучение — это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. Примеры теплопередачи в быту можно рассмотреть при помощи обычной антенны. Как правило, то, что хорошо излучает, также хорошо и поглощает. Что касается Земли, то она принимает энергию от солнца, а затем отдает ее обратно в космос. Эта энергия излучения называется земной радиацией, и это то, что делает возможной саму жизнь на планете.

Примеры теплопередачи в природе, быту, технике

Передача энергии, в частности тепловой, является фундаментальной областью исследования для всех инженеров. Излучение делает Землю пригодной для обитания и дает возобновляемую солнечную энергию. Конвекция является основой механики, отвечает за потоки воздуха в зданиях и воздухообмен в домах. Проводимость позволяет нагревать кастрюлю, всего лишь поставив ее на огонь.

Многочисленные примеры теплопередачи в технике и природе очевидны и встречаются повсюду в нашем мире. Практически все из них играют большую роль, особенно в области машиностроения. Например, при проектировании системы вентиляции здания инженеры высчитывают теплоотдачу здания в его окрестностях, а также внутреннюю передачу тепла. Кроме того, они выбирают материалы, которые сводят к минимуму или максимизируют передачу тепла через отдельные компоненты для оптимизации эффективности.

Испарение

Когда атомы или молекулы жидкости (например, воды) подвергаются воздействию значительного объема газа, они имеют тенденцию самопроизвольно войти в газообразное состояние или испариться. Это происходит потому, что молекулы постоянно движутся в разных направлениях при случайных скоростях и сталкиваются друг с другом. В ходе этих процессов некоторые из них получают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы отталкиваться от источника нагревания.

Однако не все молекулы успевают испариться и стать водяным паром. Все зависит от температуры. Так, вода в стакане будет испаряться медленнее, чем в нагреваемой на плите кастрюле. Кипение воды значительно увеличивает энергию молекул, что, в свою очередь, ускоряет процесс испарения.

Основные понятия

• Проводимость — это передача тепла через вещество при непосредственном контакте атомов или молекул.
• Конвекция — это передача тепла за счет циркуляции газа (например, воздуха) или жидкости (например, воды).
• Излучение — это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.
• Испарение — это процесс, при котором атомы или молекулы в жидком состоянии получают достаточно энергии, чтобы стать газом или паром.
• Парниковые газы — это газы, которые задерживают тепло солнца в атмосфере Земли, производя парниковый эффект. Выделяют две основные категории — это водяной пар и углекислый газ.
• Возобновляемые источники энергии — это безграничные ресурсы, которые быстро и естественно пополняются. Сюда можно отнести следующие примеры теплопередачи в природе и технике: ветры и энергию солнца.
• Теплопроводность — это скорость, с которой материал передает тепловую энергию через себя.
• Тепловое равновесие — это состояние, в котором все части системы находятся в одинаковом температурном режиме.

Применение на практике

Многочисленные примеры теплопередачи в природе и технике (картинки выше) указывают на то, что эти процессы должны быть хорошо изучены и служили во благо. Инженеры применяют свои знания о принципах передачи тепла, исследуют новые технологии, которые связаны с использованием возобновляемых ресурсов и являются менее разрушительными для окружающей среды. Ключевым моментом является понимание того, что перенос энергии открывает бесконечные возможности для инженерных решений и не только.

Теплопроводность. Примеры вокруг нас

Способы передачи тепла

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Поделиться ссылкой

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

«Виды теплопередачи:
теплопроводность, конвекция, излучение»

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.  Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».

Теплопроводность в жизни человека

Теплопроводность в жизни человека

1МАОУ «СОШ-63»

1МАОУ «СОШ-63»

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

С давних времен и до сегодняшнего дня люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с теплой одеждой и посудой, наиболее часто становились причиной различных болезней, плохого питания и неспособности противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его теплопроводность и быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. В данной работе мы постараемся разобраться в этом, а также ответить на вопрос, почему некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло?

Объектом исследования является явление теплопроводности.

Предметом исследования являются кухонная посуда, строительные материалы, ткани, снег.

Цель работы заключается в экспериментальном изучении теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов и снега.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Изучить информацию о теплопроводности;

Исследовать теплопроводность различных веществ и материалов;

Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физических законах;

Представить свои примеры теплопроводности;

Описать роль теплопроводности в повседневной жизни и в строительстве.

Основными методами исследования являются:

Изучение литературы по теплопроводности материалов;

Проведение экспериментов по изучению теплопроводности;

Анализ полученных результатов.

Актуальность данной работы заключается в том, что она может стать полезным источником для изучения теории на уроках физики, а также пробудить в учениках интерес и любовь к физике. Кроме того, данная работа представляет собой первые шаги на пути к серьезным открытиям в сфере теплопроводности, способным изменить нашу жизнь в лучшую сторону.

Глава 1. Из истории открытия теплопроводности Явление теплопередачи

В современной жизни материальный комфорт в каждом доме связан с тепловыми явлениями. Без теплоты в доме, без посуды, удерживающей тепло, без теплой одежды зимой и без многого другого сейчас невозможно представить жизнь. В древности люди тоже не могли обойтись без теплой одежды и предметов быта. Поэтому многие ученые и философы начали интересоваться тепловыми явлениями еще в древние времена.

Явление теплопередачи изучалось несколько веков. Но, ни в древности, ни в средние века оно не было изучено до конца. Были лишь простые и единые описания теплопередачи. Ученые утверждали, что если температура вещества повышается, то оно получает теплоту, а если температура понижается, то вещество выделяет теплоту в окружающую среду.

На протяжении многих веков ученые изучали тепловые явления, однако их деятельность получила развитие только в XVIII веке благодаря изобретенному Галилеем термометру. Первые исследования с помощью термометра были посвящены калориметрии — методу измерения количества теплоты, изучению теплового расширения тел, явлений теплопроводности. Поэтому, можно считать, что основные понятия о теплоте появились именно в XVIII веке.

В сочинении «Мемуары о теплоте» ученые Антуан Лавуазье (1743-1794) и Пьер Лаплас (1749-1827) рассказали о развитии учения о теплоте, понятии температуры, количестве теплоты и о теплоемкости. Благодаря французским ученым явление передачи тепла начало активно изучаться, и появилось множество работ, посвященных изучению теплоты.

Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. В работе Ньютон сформулировал закон охлаждения тел. В законе говорилось о том, что температура тела уменьшается пропорционально по мере охлаждения, приближаясь к температуре окружающей среды. Выяснилось, что скорость охлаждения зависит от параметра k=αAC (коэффициента теплопроводности). Ньютон доказал, что с увеличением коэффициента k, тело будет охлаждаться быстрее (Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»).

Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что процесс охлаждения осуществляется различными способами, которые имеют разную физическую силу. Так возникли излучение теплопроводности и тепловое излучение. Эти два самостоятельных направления отличаются друг от друга тем, что тепловое излучение может осуществляться даже в полном вакууме, а излучение теплопроводности нет, также первое не требует прямого контакта при теплопередаче, а для второго оно необходимо. При теоретическом анализе, основанного на законе охлаждения Ньютона, произошли некоторые трудности, но Фурье сформулировал, что поток тепла пропорционален разности градиенту температуры, таким образом, он сформулировал закон теплопроводности. Закон Фурье показывает, что количество теплоты Q, проходящее через площадку S, за время T, вдоль направления X определяется по формуле:

где dT/dx — изменение температуры на единицу длины, k — коэффициент теплопроводности.

Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»

В 1744 — 1745 годах появилось утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением молекул тела. Данное утверждение высказал М.В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода». Однако предположения Ломоносова расходились с действующими в то время теориями о теплоте. Поэтому, чтобы отличие взглядов Ломоносова и теорий теплоты стало очевидным, обратимся к XVIII столетию и представлениям о теплоте того времени. Теплоту представляли в виде невесомой и невидимой жидкости, которая впитывает поры тела. Жидкость, которая является невидимой и невесомой одновременно назвали теплородом.

В конце XVIII века английский физик Румфорд доказал правильность идеи Ломоносова. К такому выводу Румфорд пришел, когда наблюдал за изготовлением пушек. Он обратил внимание на то, что при сверлении ствола пушки сверло сильно нагревается. Это означало, что при трении тела нагреваются. Данное явление было известно еще в начале истории человечества. Древние люди с помощью трения добывали огонь, но они не смогли увидеть за этим явлением закон природы. Румофорд стал первым исследователем, кому это оказалось посильным. При наблюдении за сверлением ствола пушки у физика появился вопрос: отчего происходит нагревание тела? Не происходит ли нагревание оттого, что металлические опилки, полученные при сверлении, обладают меньшей теплоемкостью, чем сам ствол пушки? Ответ заключается в том, что количество теплоты металла при переходе в опилки может уместиться в них, только если будет повышение температуры.

Когда появилось предположение о том, что теплоемкость сплошного металла и теплоемкость опилок одинаковы, то оказалось, что объяснения Румфорда о нагревании металла неверно. Тогда Румфорд предположил, что теплота входит в изделие из воздуха. В доказательство физик залил водой рассверливаемый ствол пушки. Получилось так, что вода нагрелась и даже закипела. Значит и первое, и второе объяснения являются верными. Узнав свою правоту Румфорд заявил: «для того чтобы получить теплоту в неограниченном количестве, достаточно продолжить сверлить, при этом теплоту нельзя считать теплородом». Поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.

Глава 2. Теплопроводность 2.1. Определение теплопроводности

Различают три вида теплопередачи: конвенция, излучение и теплопроводность. Конвенция — процесс передачи тепла движущими массами жидкости и газа. Тепловое излучение — перенос тепла в газообразной середе или вакууме в виде электромагнитных волн. Теплопроводность — способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток. Тепловой поток возникает из-за разности температур на противоположных поверхностях.

Мы остановимся на третьем виде теплопередачи и узнаем о теплопроводности немного больше. Теплопроводность больше проявляется в сплошных твердых телах, а также теплопроводность находится и в капельках жидкостях и газах. В твердых материалах основным видом теплообмена является теплопроводность. Теплопроводность материалов зависит от средней плотности и химико-минерального состава, влажности, структуры и средней температуры материала. Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тeм ниже его теплопроводность. Тeплопроводность увеличивается тогда, кoгда увеличивается влажность материала. Рaзличные материалы имеют разную теплопроводность, одни медленно проводят теплоту, другие — быстрeе. Поэтому и количественный показатель теплопроводности — коэффициент теплопроводности (λ (лямбда)) — бyдeт y всех материалов свой. С увеличением плотности, влажности и температуры материала повышается λ. Коэффициент теплопроводностизaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.

2.2. Суть теплопроводности

Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Теплопроводность — это свойство тел проводить тепло, основанное на теплообмене, которое происходит между атомами и молекулами тела. Однако, при теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. Все потому, что у жидкостей теплопроводность небольшая. Газы тоже имеют маленькую теплопроводность.

Теплопроводность жидкости намного меньше теплопроводности твердого тела. Это зависит от молекул, которые наводятся в том или ином теле и от плотности. Жидкости имеют маленькую теплопроводность из-за того, что молекулы в ней расположены далеко друг от друга, в отличие от молекул твердого тела. Плотность газа меньше плотности жидкости, следовательно, молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга, а это значит, что газы имеют теплопроводность меньше, чем любые жидкости.

Плохой теплопроводностью обладают не только газы и жидкости, но и волосы, шерсть, перья и бумага. Известно, что между волокнами этих веществ расположен воздух, а это преграда для передачи тепла. Поэтому шерсть обладает плохой теплопроводностью, а значит, что она не пропускает холод и способна удерживать тепло, поэтому в мороз смело можно надевать шерстяную кофту и не волноваться о том, что можно замерзнуть. Теперь нам известно, что благодаря плотно соединенным шерстяным волоскам кофта обладает плохой теплопроводность и не пропускает холод.

Глава 3. Экспериментальные работы по изучению и созданию теплопроводности различных материалов

В России в зимнее время года, температура на улице становится все ниже. Известно, что самые холодные зимы именно в нашей стране. Однако низкие температуры не останавливают отважных ребят, которые, несмотря на мороз, выходят слепить снеговиков и покататься на санках. В некоторых случаях через определенное время дети жалуются на озябшие руки и ноги. В то же время другие ребята продолжают играть и веселиться, несмотря на холод. Нам стало интересно, почему некоторые дети в одинаковой по внешнему виду одежде замерзают, а некоторые продолжают гулять, не обращая внимания на мороз. Мы попробовали разобраться в этом и изучить свойства различных тканей с точки зрения физики. Чтобы решить проблему с теплой одеждой, нам необходимо исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность.

Опыт №1 Изучение теплопроводности тканей

Необходимые приборы и материалы:

Лед 2х4х2 см.

Полиэтиленовые пакетики 7х5 см.

Термометр

Флисовая ткань10х10 см.

Синтетическая ткань 10х10 см.

Фланелевая ткань 10х10 см.

а

б

Хлопковая ткань 10х10 см.

Рис.2 – «Изучение теплопроводности тканей»

Болоньевая ткань 10х10 см.

Трикотажная ткань 10х10 см.

Ход работы:

Подготовить лед и кусочки ткани одинакового размера.

Положить лед в полиэтиленовые пакетики и обернуть различными кусочками ткани (Рис.2а;б– «Изучение теплопроводности тканей»).

Завязать ткани со льдом так, чтобы воздух не попадал внутрь ткани.

Через 1 час измерить температуру льда во всех пакетиках с тканью.

Табл.1 – «Теплопроводность тканей»

Спустя 1 час лед во всех тканях растаял. Только в пакетике с флисовой тканью (№2) остался лед. Это означает, что флисовая ткань не пропускает тепло и обладает плохой теплопроводностью, а значит, во флисовой одежде зимой замерзнешь намного позже, чем, например, в болоньевой. Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.

Из приведенной таблицы (Табл.1 – «Теплопроводность тканей») видно, что наименьшая температура воды (+9,4^°С) сохранилась у флисовой ткани. Затем, по мере повышения температуры воды в ткани идет хлопковая ткань (+11,2 ^°С), болоньевая (+12,3^°С), синтетическая (+13,5^°С). Высокой теплопроводностью обладают трикотажная (+14,7^°С) и фланелевая (+15,4^°С) ткани.

Рис.3 – «Изменение температуры льда»

Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.

Теплопроводность тканей можно выразить графически. Для этого начертим график зависимости (Рис.3 – «Изменение температуры льда») температуры (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Опыт № 2 Изучение теплопроводности кухонной посуды

Необходимые приборы и материалы:

Термометр

Кастрюля из нержавеющей стали

Эмалированная кастрюля

Чугунная кастрюля

Вода 54°С

Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»

Ход работы:

Налить воду одинаковой температуры во все кастрюли и закрыть их (Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»).

Измерить начальную температуру воды и стенок кастрюль, записать температуры.

Через 5 минут заново измерить температуру стенок и воды.

Измерять температуры на протяжении 1 часа, через каждые 5 минут.

Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»

Мы измеряли температуру стенок кастрюль и записали полученные результаты в таблицу (Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»), из которой видно, что температура стенок чугунной кастрюли не изменялась на протяжении 25 минут. Температура стенок эмалированной кастрюли на протяжении 20 минут не изменялась. Температура стенок кастрюли из нержавейки сразу начала снижаться. Это значит, что кастрюля из нержавейки имеет хорошую теплопроводность и не способна хорошо удерживать тепло.

Табл.3 – «Температура воды»

Также мы измеряли температуру воды в разных кастрюлях на протяжении 2 часов. Результаты опыта мы записали в таблицу (Табл.3 – «Температура воды»), из которой видно, что температура воды в кастрюле из нержавейки снижалась постепенно. Температура воды в чугунной кастрюле начала снижаться сразу.

Проанализировав две таблицы, можно сказать, что температура стенок чугунной кастрюли почти не изменилась, но температура воды сразу начала снижаться. Это говорит о том, что вода, находящаяся в кастрюле, нагревает ее, чтобы не позволить пройти воздуху и остудить воду. Поэтому если температура стенок кастрюли из нержавейки быстро снижаться, а температура воды остается прежней, то нержавеющий материал обладает хорошей теплопроводностью и не способен удержать тепло на долгое время.

Теплопроводность различных материалов, из которых сделаны кастрюли можно выразить графически, построив график зависимости (Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюль») температуры стенок (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюли»

Снижение температуры воды в кастрюлях из разных материалов можно выразить графиком зависимости (Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях») температуры воды (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях»

Опыт № 3 Изучение теплоизоляционных свойств снега

Фермеры часто задаются вопросом о том, как повысить переносимость живыми организмами и растениями низкой температуры в зимний период. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности почв. И в 10 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Если снег рыхлый, то воздух заполняет промежутки между кристаллами снега и быстрее остужает почву, чем липкий снег. Кроме того, температура почвы под снегом зависит от толщины снежного покрова. Поэтому, чем больше толщина снежного покрова, тем медленнее изменяется температура почвы под снегом.

Необходимые приборы и материалы:

Термометр

Линейка

Рис.7 – «Измерение температуры снега»

Ход работы:

Измерить температуру на поверхности снега (Рис.7 – «Измерение температуры снега»).

Измерить толщину снежного покрова.

Измерить температуру на поверхности почвы под снегом.

Рассчитать разность температур.

Сравнить теплопроводность снега и температуру почвы при разной толщине снежного покрова.

Табл.4 – «Температура снега»

Записать полученные результаты в таблицу.

На протяжении 2-х недель мы измеряли толщину и температуру снега, и температуру почвы под снегом. Полученные результаты мы записали в таблицу (Табл.4 – «Температура снега»), из которой видно, что чем больше толщина снега, тем выше температура почвы под снегом. Это говорит о том, что температура почвы под снегом также зависит от толщины снега.

Опыт №4 Изучение теплопроводности строительных материалов

В строительстве часто используют теплозащитные материалы. Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, для тепловой защиты конструкций зданий и cооpyжений. Основной особенностью подобных материалов являются малая или средняя плотность и низкая теплопроводность. Мы решили узнать, какие строительные материалы имеют плохую теплопроводность и способны сохранять тепло в доме.

Необходимые приборы и материалы:

Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1

Пенопласт

Пеноплекс

Бетон

Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплекса»

Дерево

Кирпич

Ход работы:

Подключить МИТ-1 к источнику питания.

Сделать отверстие в материалах диаметром 6мм.

Вставить измерительный зонд МИТ-1 исследуемые материалы (Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплеска»).

Снять показания.

Записать полученные результаты в таблицу.

Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов»

Из полученной таблицы (Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов») видно, что наименьшей теплопроводностью обладает пенопласт (0,0446Вт/мК), значит, пенопласт способен долго удерживать тепло. Именно поэтому в строительстве пенопласт часто используют для обшивки домов. Хорошей теплопроводностью обладают бетон (1,055Вт/мК) и кирпич (1,095Вт/мК), это говорит о том, что бетон и кирпич плохо сохраняют тепло. Поэтому материалы, обладающие хорошей теплопроводностью, используют только для строительства домов.

Заключение

Подводя итоги исследования теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов, снега, можно сделать следующие выводы:

Результаты исследования теплопроводности показывают, что чем лучше теплопроводность, тем хуже материал удерживает тепло. Если теплопроводность плохая, значит материал хорошо удерживает тепло и не пропускает холод.

Изучение теплопроводности доказывает, что теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния. У твердых тел теплопроводность будет больше, чем у жидкостей или газов.

Теплопроводность тканей зависит от молекул, которые входят в состав тканей. Ткани, имеющие в своем составе молекулы, расположенные далеко друг от друга, имеют теплопроводность лучше, чем ткани с составом молекул, не имеющих воздуха между собой.

Изучение теплопроводности снега доказывает, что рыхлый снег является плохим носителем тепла, в то время как липкий снег способен хорошо удерживать тепло и согревать землю. Как показали исследования, толщина снежного покрова играет большую роль в изменении температуры почвы.

Изучение истории теплопроводности позволило нам узнать, что явление теплопроводности изучалось на протяжении несколько веков. Теплопроводность является одним из видов теплопередачи, в процессе которого частицы тела взаимодействуют друг с другом, стремясь сделать температуру тела одинаковой.

Теплопроводность различных материалов широко используется в строительстве, быту и часто встречается в повседневной жизни человека. Изучение теплопроводности имеет большое значение для здоровья и комфорта человека, а также играет бoльшую рoль в создании материала, полeзного для человека. Таким образом, создание и открытие веществ, обладающих теплоизоляционными свойствами, является одним из вaжнейших задач человечества.

Библиографический список

Беляевский И. А. Исследование теплопроводности различных веществ// Международный школьный научный вестник. – 2017. — №1. – С.72-76

Буховцев Б. Б., Мякишев Г. Я., Сотский Н. Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобраоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – 16-е изд. – М.: Просвещение, 2007. 366с.

Коноплева Н. К. Алюминий, нержавейка… — выбираем домашнюю кастрюлю(посуду). – URL: http://www.liveinternet.ru/users/v0va07/post201139685

Прохоров А. М. Физичес кая энциклопедия в пяти томах. Советская энциклопедия, 1988. – 532с.

Чуянов В. А.Энциклопедический словарь юного физика. Сост. — М.: Педагогика, 1984.— 352 с., ил.

Просмотров работы: 3300

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ

БИЛЕТ №1

ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА. ТЕРМОМЕТРЫ. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ.

Тепловые явления – явления, связанные с изменением температуры тел.

Тепловое движение – хаотическое движение частиц, из которых состоят тела.

Интенсивность теплового движения очень высока. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул – несколько сотен метров в секунду (скорость пули).

Температура – физическая величина, определяющая направление теплопередачи: при теплопередаче внутренняя энергия всегда переходит от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Тела с одинаковой температурой находятся в состоянии теплового равновесия.

Температуру измеряют с помощью термометров. Часто используют жидкостные термометры, действие которых основано на том, что жидкость при нагревании расширяется. Измеряют температуру в градусах.

В шкале Цельсия за 0° принята температура плавления льда. Градусы Цельсия обозначают °С.

В шкале Фаренгейта за 0° принята температура плавления льда, а за 100° температура кипения воды при атмосферном давлении. Градусы Фаренгейта обозначают °F.

В шкале Кельвина за 0° принята температура абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела). Градусы Кельвина обозначают K.

0°С = 32°F = 273 К

БИЛЕТ №2

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ОБЪЯСНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ УЧЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОМ СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА.

Энергия характеризует способность тела или системы взаимодействующих тел совершить работу.
Частицы, из которых состоят тела, движутся и взаимодействуют друг с другом. Поэтому они обладают и кинетической, и потенциальной энергией.
Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц, из которых состоит тело. U – внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела изменяется при его нагревании или охлаждении, изменении агрегатного состояния и при химических реакциях.

Внутренняя энергия

Кинетическая энергия движущихся молекул Потенциальная энергия взаимодействия молекул

Внутренняя энергия зависит от

t тела агрегатного состояния тела m тела
m₁ < m₂
U₁ < U₂

Способы изменения внутренней энергии

Совершение работы Теплопередача
трение, деформация передача тепла от более нагретого
тела к менее нагретому без совершения
работы
Е – энергия (Дж)
Е_п = mgh (А — работа)
Е_к =
U = Е_п + Е_к

БИЛЕТ №3

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ.

Теплопроводность – вид теплопередачи, обусловленный передачей энергии от одного тела к другому в результате теплового движения и взаимодействия молекул.
Передача энергии посредством теплопередачи может происходить и между частями одного тела.
При теплопроводности происходит передача энергии, но не происходит переноса вещества.
Теплопроводностью называют также способность вещества проводить тепло. Высокой теплопроводностью обладают все металлы. Намного хуже проводят тепло: вода, кирпич и стекло. Вакуум тепло не проводит.
Особенно мала теплопроводность газов. Дело в том, что в газах молекулы находятся далеко друг от друга, а теплопроводность обусловлена взаимодействием молекул между собой.

Примеры:

1. Птицы зимой сидят нахохлившись. Перья задерживают воздух, а он обладает плохой теплопроводностью.

2. Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуда из металла – он лучше проводит тепло и еда быстрее нагревается.

3. Пористые вещества (пенопласт, ткани, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью.

БИЛЕТ №4

Вопрос связан с физикой. очень важно помогите. Приведите 10 примеров теплопроводности. Заранее спасибо, кто откликнется*

Мы обжигаем губы, когда пьем чай из металлической кружки, так как благодаря высокой теплопроводности температура стенок металлической кружки высока. У фарфора теплопроводность значительно ниже, температура стенок такой кружки не такая высокая Вода быстрее нагреется в новом чайнике. За счет слоя накипи теплопроводность старого чайника ниже, чем нового Температура тела человека выше 20°С. Теплообмен между человеком и водой намного интенсивнее, так как теплопроводность воды больше теплопроводности воздуха. Поэтому в воде с температурой 20°С холоднее, чем на воздухе с температурой 16°С Зимой ноги быстрее замерзнут в тесной обуви, чем в просторной. В просторной обуви воздушная прослойка между ногой и обувью благодаря плохой теплопроводности воздуха будет лучше удерживать тепло, исходящее от ноги Лучшее сохранение тепла шерстяной одеждой объясняется тем, что в шерсти содержится больше воздуха, чем в хлопке. Благодаря плохой теплопроводности воздуха шерсть лучше защищает тело от охлаждения На зиму приствольные круги земли у плодовых деревьев покрывают слоями торфа, навоза, древесных опилок, чтобы защитить деревья от замерзания. Все эти материалы обладают плохой теплопроводностью Прежде чем налить в стакан кипяток, в стакан опустите чайную ложку. Благодаря высокой теплопроводности металла это предотвращает стакан от резкого перегрева и разрушения Во время сильной жары в странах Средней Азии люди носят шапки-папахи и ватные халаты – чапаны. Благодаря плохой теплопроводности этих материалов они защищают людей от перегрева (при этом температура окружающего воздуха должна быть выше температуры тела человека, тогда этот способ действует) Снег — пористое, рыхлое вещество, в нем содержится воздух. Поэтому снег обладает плохой теплопроводностью и хорошо защищает землю, озимые посевы, плодовые деревья от вымерзания Зимой воробей нахохливается. Торчащие перья способствуют удержанию воздуха, а вместе с ним и тепла, исходящего от тела воробья Вода прозрачна, она меньше чем земля поглощает солнечное излучение, поэтому нагревается лучами солнца медленнее, чем суша. Кроме этого удельная теплоемкость воды гораздо больше удельной теплоемкости почвы Горячая вода, оставленная в термосе, охлаждается медленно, из-за слабого теплообмена с окружающей средой Теплообмен в термосе слабый поэтому его можно использовать в качестве холодильника

пример один : во время полового акта от тела к телу путем соприкосновения частей.