Город Истра 2019г.

Содержание:

1.      Титульный лист. Содержание………………………………………….…….2

2. Введение…………………………………………………………………….....3

3.       Глава 1. Основная  часть

3.1     Теплопроводность……………………………………………………..4-6

3.2     Конвекция………………………………………………………………6-7

3.3     Излучение………………………………………………………………8-9

4.      Глава 2. Практическая часть, опыты …………………………………….10-15

4.1  Теплопроводность

4.2   Конвекция

4.3   Излучение

5. Заключение. Выводы………………………………………………………….16
6. Список  использованной  литературы……………………………………….17

Введение.

Теплота - кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека

Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному. Когда физические тела одной системы имеют разную температуру, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному. Теплопередачу невозможно остановить, можно только замедлить её. Теплопередача сопровождает многие процессы в природе (например, ход эволюции звёзд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и т. д.), в технике и в быту. Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопроводностью.

 Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Глава 1. Основная  часть

                                                     3.1 Теплопроводность.

Свойство тел передавать тепло от более нагретых своих частей менее нагретым называют теплопроводностью.

С давних времен и до сегодняшних дней люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с недостаточно 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, чтобы быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. Так почему же некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло?

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.

Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. Знаменитый ученый 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

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.

Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Вообще, 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.

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 теплопроводности зaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.

Из какой кружки вы предпочитаете пить горячий чай – фарфоровой или металлической? Конечно, не желая получить ожог, вы выберите фарфоровую.

Воздух, лёд, снег, являются плохими проводниками тепла. Это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах. Например, тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег. А благодаря тому, что водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.

Невозможно представить мир без теплопроводности. Ведь это явление, действительно, очень важно для жизни людей и животных.

Рис.1

3.2.  Конвекция.

Термин " конвекция"  впервые  появился  в  1834  году.  Английский  ученый  Вильям  Прут  предложил  ее  для  описания  перемещения  тепловых  масс  в  нагретых  жидкостях. Однако же  само  исследование  конвекции  началось  лишь  в   1916  году.  Было  установлено,  что переход  от  диффузии  к конвекции  в  подогреваемых  снизу  жидкостях  возникает  при  достижении  определенных  температур.  Немного  позже  это  значение  стало  называться  "числом  Роэля". Оно  было  названо  в  честь  того,  кто  исследовал  данное  явление.  Результаты  опытов  объяснили  перемещение  тепловых  потоков  под  влиянием  силы  Архимеда.

При  конвекции  внутренняя  энергия  передается  струями и  потоками  газа  или  жидкости. В основе  явления конвекции  лежит  расширение  более  холодного  вещества  при  соприкосновении  с  горячими  массами.  Тогда  нагреваемое вещество  теряет  плотность  и становится  легче  по  сравнению  с  окружающим  его  холодным  пространством.  Данная  характеристика  чаще  всего  наблюдается  при перемещении  тепловых  потоков  при  нагревании  воды.

Если  поместить  руку  над  горящей  лампой  или  плитой, можно почувствовать,  что  над  ними  поднимаются  теплые  струи  воздуха.  Или, например, в  комнате  теплый  воздух  в  середине  помещения  с  отопительными  приборами  перемещается,  тогда  нагретые  потоки  воздуха  движутся  под  потолок,  а  холодный  воздух  опускается  к поверхности  пола. Поэтому  при  включенном  отоплении  вверху  комнаты  воздух  теплее, чем в нижней  части.

В  природе  также  существует  конвекция. Она  участвует  в образовании  газообразных  веществ  в  толще  земной  коры.  Рассмотрим  земной  шар  как  сферу,  состоящую  из  нескольких  концентрических  слоев. В центре  располагается  массивное  ядро,  которое  представляет собой  жидкую  массу  высокой  плотности  с  содержанием  металлов. Окружают  ядро  жидкая  мантия  и  литосфера. Верхний  слой  представляет  собой  земную  кору.  Литосфера  сформирована  из  свободно  движущихся  потоков,  которые   перемещаются  по  мантии. В  ходе  неравномерного  нагревания  участков  мантии  и  горных пород  происходит  образование  конвективных  потоков. Под  воздействием  конвективных  потоков  возникает  перемещение  континентов  и преобразование  ложа  океанов.  На  конвекции завязана  возможность  парения  птиц. Менее  плотные  и  более  теплые  воздушные  массы  при  неравномерном  нагревании у  Земли  приводят  к  возникновению  потоков.  Такие  потоки  способствуют  процессу  парения. Чтобы  птицам  преодолевать  без  больших  затрат    определенные  расстояния,  они  должны  уметь  находить  подобные  потоки  воздуха.

Также  существует  два  вида  конвекции: естественная  и  вынужденная.  Пример  естественной  конвекции  можно  наблюдать  при  перемещении  потоков  горячего  и  холодного  воздуха  в  середине  помещения. Вынужденная  конвекция  происходит,  если  перемешивать  жидкости  ложкой и т.д.(см.рис.2).

Рис.2

3.3. Излучение.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля. Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Излучение можно представить себе как возникновение и распространения волн, приводящее к возмущению поля. Распространение энергии выражается в виде электромагнитного, ионизирующего и гравитационного излучений. Электромагнитные волны – это возмущение электромагнитного поля. Они бывают радиоволновыми, инфракрасными (тепловое излучение), терагерцовыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и видимыми (оптическими). Электромагнитная волна имеет свойство распространяться в любых средах. Характеристиками электромагнитного излучения являются частота, поляризация и длина. Наиболее профессионально и глубоко природу электромагнитного излучения изучает наука квантовая электродинамика. Она позволила подтвердить ряд теорий, которые широко используются в различных областях знаний. Особенности электромагнитных волн: взаимная перпендикулярность трех векторов - волнового, и напряженности электрического поля и магнитного поля; волны являются поперечными, а вектора напряженности в них совершают колебания перпендикулярно направлению ее распространения.

Тепловое же излучение возникает за счет внутренней энергии самого тела. Тепловое излучение - это излучение сплошного спектра, максимум которого соответствует температуре тела. Если излучение и вещество термодинамичны, излучение - равновесное. Это описывает закон Планка. Но на практике термодинамическое равновесие не соблюдается. Так более горячему телу свойственно остывать, а более холодному, напротив, нагреваться. Данное взаимодействие определено в законе Кирхгофа. Таким образом, тела обладают поглощающей способностью и отражающей способностью. Ионизирующее излучение - это микрочастицы и поля, имеющие способность ионизировать вещество. К нему относят: рентген и радиоактивное излучение с альфа, бета и гамма лучами. При этом рентгеновское излучение и гамма-лучи являются коротковолновыми. А бета и альфа частицы являются потоками частиц. Существуют природные и искусственные источники ионизации. В природе это: распад радионуклидов, лучи космоса, термоядерная реакция на Солнце. Искусственные это: излучение рентгеновского аппарата, ядерные реакторы и искусственные радионуклиды. В быту используются специальные датчики и дозиметры радиоактивного излучения. Всем известный Счетчик Гейгера способен идентифицировать корректно только гамма-лучи. В науке же используются сцинтилляторы, которые отлично разделяют лучи по энергиям.

 Гравитационным считается излучение, в котором возмущение пространственно временного поля происходит со скоростью света. В общей теории относительности гравитационное излучение обусловлено уравнениями Эйнштейна. Что характерно, гравитация присуща любой материи, которая движется ускоренно. Но вот большую амплитуду гравитационной волне может придать только излучать большой массы. Обычно же гравитационные волны очень слабые. Прибор, способный их зарегистрировать, - это детектор. Излучение Хокинга же представляет собой скорее гипотетическую возможность испускать частицы черной дырой. Эти процессы изучает квантовая физика. Согласно данной теории черная дыра только поглощает материю до определенного момента. При учете квантовых моментов получается, что она способна излучать элементарные частицы.

 Рис.3

Глава 2.  Практическая часть,  опыты.

Теплопроводность.

Опыт 1.

Цель опыта: убедиться, что самой высокой теплопроводностью обладают металлы, причем у разных металлов теплопроводность разная.

Теплопроводность - это вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов. Теплопроводность различных веществ отличается. Самой высокой теплопроводностью обладают металлы, причем у разных металлов теплопроводность разная.

Чтобы убедиться в этом проведём опыт:

           Рис.4

Как показано на рисунке, приклеим воском гвоздики к соединённым между собой медной и стальной проволоке, и начнём нагревать место соединения проволок. Мы увидим, что гвоздики, прикрепленные воском к медной проволоке, раньше отрываются, чем отрываются гвоздики от стальной проволоки (см.рис.4) Этот опыт показывает, что по медной проволоке тепло передается быстрее, чем по стальной.

Вывод: мы убедились, что самой высокой теплопроводностью обладают металлы, что у разных металлов теплопроводность разная и, что теплопроводностьпроволоки меди выше теплопроводности стальной проволоки.

Конвекция.

Одним из естественных способов распространения теплоты в природе является конвекция. Это наблюдается в жидкостях и газах. Основана конвекция на том, что участки жидкости или газа при нагревании становятся менее плотными и поднимаются вверх, а более холодные, более тяжелые слои опускаются вниз. Источник тепла обычно помещается внизу, поэтому происходит непрерывное перемещение нагретых слоев вверх, а холодных вниз. Но при невесомости, например, в помещении орбитальной станции, такой способ распространения тепла не действует, ведь вес - регулировщик теплоты - отсутствует.

Рассмотрим   на  нескольких  опытах,  как  происходит  циркуляция  воздушных  масс,  которые  образуют  вихревой  поток  и   способствуют  равномерному  прогреванию  того  или  иного  продукта.

 Цель опыта : выявить циркуляция воздушных потоков и научиться ее

                                               Опыт 1.

Цель опыта : выявить циркуляция воздушных потоков и научиться ее  определять.

Для  опыта,  демонстрирующего  циркуляцию  воздушных  потоков,   потребуется  стекло  от  керосиновой  лампы  или  бутылка  с  ровно  отрезанным  дном (см. рис.5).

Итак.  Поставим  стекло  на  горящую  свечу. Свеча  погаснет, так  как  горячий  воздух  с продуктами  горения  уходит  вверх,  а свежему  воздуху  пройти  негде. Но  если  в стекло  вставить  полоску  из бумаги,  она разделит  внутреннее  пространство  на  две  половины:  в той ,  где  находится  свеча,  горячий  воздух  будет   идти  вверх,  а  более  холодный  воздух  будет  притекать  в  свече  сверху-  по другую  сторону  перегородки. Перегородка  играет  важную  роль в  снабжении  свечи  свежим  воздухом  и  без  нее  не  будет  циркуляции  воздуха.  Чтобы  убедиться, можно  выдернуть  бумажку  из  бутылки.  Свеча  погаснет  моментально.

Вывод:  мы научились определять циркуляцию воздушных потоков масс.

Рис.5

Опыт  2

Циркуляция  воздуха  в  помещении  -  это  то,  что  отвечает за  здоровье  людей,  находящихся  в комнате. Именно  качественная  циркуляция  воздушных  масс  способствует  предотвращению  возникновению  грибка  и  скопления  аллергенов.  Оптимальная  циркуляция  воздуха  составляет  30 м3  в час  на  человека.  В  процессе  работы  вентиляционной  системы  учитываются  такие  факторы,  как  перемещение  воздушных  масс (см. рис.6).

Рис.6

Опыт 3.

Цель опыта: определить то, что воздух в закрытых помещениях подвижен.

 Проделаем  опыт,  который  подтверждает,  что воздух  в  закрытой  комнате  подвижен.

Для  этого  нужна  бумажная  змея.  Ее можно  сделать из  листа  бумаги. Затем  нарисовать  змею  и  вырезать  ее  ножницами. На  хвосте  змеи,  в  середине,  выдавить  острием  карандаша  углубление.  Теперь  проверим,  действует  ли  змея (см. рис. 7).  Наденем  на  углубление  кончик  карандаша  и поднимем,  затем  нужно  легонько  дунуть  на  змею снизу.  Она  должна  завертеться. Значит,  змея  чувствует,  когда  воздух  поднимается  вверх.  Этим  опытом можно  воспользоваться,  чтобы  поискать  в комнате  место,  где  воздух  поднимается  вверх.  Поднесем  карандаш  к  батарее  центрального  отопления, -  Змея  завертелась!

Из  этого  опыта  можно  сделать  вывод, что  змея  будет тем  быстрее  вертеться,  чем  горячее  батарея.  Это  потому,  что  батарея  нагревает  воздух.  В комнате  происходит  распределение  тепла  с помощью  конвекции -  потоков  воздуха:  теплый  воздух  поднимается  вверх.  Он и   вертит  змею.

Вывод: с помощь проделанного опыта я научилась определять то, что воздух в закрытой комнате подвижен.

Рис 7

Излучение.

Опыт 1.

 В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°. Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.

Вывод: На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.

Опыт 2.

Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.

Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.

Вывод: Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.

Опыт 3.

 Разные тела поглощают энергию по-разному. Например, если теплоприемник окрасить с одной стороны в белый цвет, а с другой в темный, то при поднесении  нагретого тела к темной стороне,  то столбик жидкости понизится сильнее, чем, если бы мы поднесли это нагретое тело к светлой стороне. То есть тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию,  чем тела, у которых поверхность светлая. На следующем рисунке продемонстрирован этот опыт.

Но зато, тела имеющие темную поверхность охлаждаются быстрее, чем тела со светлой поверхностью.

Вывод: Эта способность тел широко применяется на практике. Например, крылья воздушных судов красят светлой краской, чтобы они не нагревались солнцем

Заключения. Выводы.

          Из всех наших приведённых объяснений, рассуждений  и выводов  было подтверждено, что теплопередачей называют процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. В жизни все они чаще всего действуют одновременно. Поэтому вокруг себя мы можем наблюдать множество примеров применения разных видов теплопередачи.

   В ходе изучения этой темы стало понятно, что знания различных способов передачи тепла имеют большое значение в жизни человека. Применяя эти знания, можно многое объяснить. А ученые-технологи создают новые строительные материалы, которые хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений.

   Данная тема актуальна и сейчас, тем, что от теплопередачи и её видов и от их существования зависит жизнь людей, животных и всего мира. Ведь на первом месте у человека стоит, не как вы думаете, любовь, деньги, а жизнь. Жизнь это что-то уникальное, не просто какая-то вещь или игрушка,   жизнь – это активное существование. Если бы человек не развивал науку, не было бы активного развития мира,  того скачка вперёд, который полностью изменил жизнь не только человека, но и других живых существ. Человек благодаря науке физике изменил  планету и выбрался в космос. Ведь именно физика, это то, что реально изменила, как и внутреннее, так и внешнее состояние жизни. Именно открытия в физике, это и есть тот скачок, прорыв в жизни людей, такие как полёт в космос, открытие закона падения камня, законов движения и сохранения энергии, открытие электрического тока.

   Теплопередача, кажется, просто три способа передавать тепло, но если их не было бы или на это как-то повлиял человеческий фактор, то планета Земля закончила бы свое существование в космосе!

Список  использованной  литературы.

1.      Учебник физики 8 класс: Перышкин А.В

2.      Энциклопедический  словарь  юного  физика: Мигдал А.Б

3.      Большая энциклопедия опытов и экспериментов «Простая наука» от Издательства АСТ

4.      Учебник «Занимательная физика»: Перельман Я.И

5.      Энциклопедия «Физика на каждом шагу»: Перельман Я.И

Использованный сайт: https://fizi4ka.ru/