Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом: Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества? 1) только теплопроводность 2) только конвекция 3) только излучение 4) только теплопроводность и излучение

теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Если к металлическому стержню с помощью воска прикрепить несколько гвоздиков (рис. 68), закрепить один конец стержня в штативе, а другой нагревать на спиртовке, то через некоторое время гвоздики начнут отпадать от стержня: сначала отпадет тот гвоздик, который ближе к спиртовке, затем следующий и т.д.

Это происходит потому, что при повышении температуры воск начинает плавиться. Поскольку гвоздики отпадали не одновременно, а постепенно, можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому.

2. Передачу энергии при теплопроводности можно объяснить с точки зрения внутреннего строения вещества. Молекулы ближнего к спиртовке конца стержня получают от неё энергию, их энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться и передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня.

Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другому или от одной части тела к другой передается энергия.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению частиц называется теплопроводностью.

3. 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 теплопроводностью 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.

4. 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 на дно колбы с водой аккуратно через трубочку опустить кристаллик марганцево-кислого калия и нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежит кристаллик, то можно увидеть, как со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Объясняется это явление так. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соответственно уменьшается. На этот слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь, нагреваясь, перемещается вверх и т.д. Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости (рис. 69).

Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла (рис. 70), 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.

Теплопередача, которая осуществляется в этом опыте и в опыте, изображенном на рисунках 69, 70, называется конвекцией.

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.

5. 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.

Если закрепить металлическую коробочку (теплоприёмник), одна сторона которой блестящая, а другая чёрная, в штативе, соединить коробочку с манометром, а затем налить в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток, то, повернув сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной, можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной (рис. 71).

Понижение уровня жидкости в манометре происходит потому, что воздух в теплоприёмнике расширяется, это возможно при нагревании воздуха. Следовательно, воздух получает от сосуда с горячей водой энергию, нагревается и расширяется. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью и конвекция в данном случае не происходит, т.к. плитка и теплоприёмник располагаются на одном уровне, то остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию.

Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником.

Чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно также доказать экспериментально, если поднести включённую в сеть электроплитку сначала к блестящей стороне тенлоприёмника, а затем к чёрной. Во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, опустится ниже, чем в первом.

Таким образом, 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.

Содержание

• ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
  • Часть 1
• Ответы

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

1) конвекции
2) излучения и конвекции
3) теплопроводности
4) конвекции и теплопроводности

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

1) только в газах
2) только в жидкостях
3) только в газах и жидкостях
4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?

1) только с помощью теплопроводности
2) только с помощью конвекции
3) только с помощью излучения
4) всеми тремя способами

4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) излучение и теплопроводность
4) конвекция и теплопроводность

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) только излучение
4) только теплопроводность и излучение

6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) конвекция и теплопроводность
3) излучение и теплопроводность
4) только конвекция

7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

1) газобетона
2) железобетона
3) силикатного кирпича
4) дерева

8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?

1) в металлической
2) в пластмассовой
3) одновременно
4) скорость остывания воды зависит от её температуры

9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?

10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?

1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.
2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.
3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.
4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.

11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.
2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.
3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.
4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.
5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.
2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.
4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.
5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.

Ответы

Количество теплоты. Удельная теплоёмкость →

← Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии

Тест по физике Виды теплопередачи 8 класс

06.09.2022 Физика Тесты8 класс

Тест по физике Виды теплопередачи 8 класс с ответами. Тест включает два варианта, в каждом по 10 заданий.

Вариант 1

1. На каком из способов теплопередачи основано нагревание твердых тел?

А. теплопроводность
Б. конвекция
В. излучение

2. Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?

А. теплопроводность
Б. конвекция
В. излучение

3. Какое из перечисленных ниже веществ имеет наибольшую теплопроводность?

А. мех
Б. дерево
В. сталь

4. Какое из перечисленных ниже веществ имеет наименьшую теплопроводность?

А. опилки
Б. свинец
В. медь

5. В какой кастрюле находящаяся в ней жидкость охладится быстрее (рис. 35)?

А. 1
Б. 2
В. жидкость охладится быстрее, если положить лед сбоку

6. Назовите возможный способ теплопередачи между телами, разделенными безвоздушным пространством

А. теплопроводность
Б. конвекция
В. излучение

7. Металлическая ручка и деревянная дверь будут казаться на ощупь одинаково нагретыми при температуре …

А. выше температуры тела
Б. ниже температуры тела
В. равной температуре тела

8. В каком направлении в атмосфере перемещается воздух в жаркий летний день (рис. 36)?

А. АВСD
Б. ADCB

9. Что происходит с температурой тела, если оно поглощает столько же энергии, сколько излучает?

А. тело нагревается
Б. тело охлаждается
В. температура тела не меняется

10. Какой из стаканов (рис. 37) при наливании кипятка с большей вероятностью останется цел?

А. 1
Б. 2

Вариант 2

1. Каким из способов происходит теплопередача в жидкостях?

А. теплопроводность
Б. конвекция
В. излучение

2. Какие виды теплопередачи не сопровождаются переносом вещества?

А. конвекция и теплопроводность
Б. излучение и конвекция
В. теплопроводность и излучение

3. Какое из перечисленных ниже веществ обладает наименьшей теплопроводностью?

А. воздух
Б. чугун
В. алюминий

4. Какое из перечисленных ниже веществ обладает хорошей теплопроводностью?

А. солома
Б. вата
В. железо

5. В каком чайнике кипяток остынет быстрее (рис. 38)?

А. 1
Б. 2

6. В каких случаях теплопередача может происходить путем конвекции?

А. в песке
Б. в воздухе
В. в камне

7. Металлическая ручка будет казаться на ощупь холоднее деревянной двери при температуре …

А. выше температуры тела
Б. ниже температуры тела
В. равной температуре тела

8. Верхнюю часть пробирки со льдом поместили в пламя. Расплавится ли лед в нижней части пробирки (рис. 39)?

А. не расплавится
Б. расплавится

9. Что происходит с температурой тела, если оно больше поглощает энергии, чем излучает?

А. тело нагревается
Б. тело охлаждается
В. температура тела не меняется

10.

При сравнении теплопроводности металлов для опыта были выбраны медный и стальной стержни, к которым прикреплены пластилином кнопки (рис. 40). Какой стержень обладает большей теплопроводностью?

А. стальной
Б. медный

Ответы на тест по физике Виды теплопередачи 8 класс
Вариант 1
1-А
2-В
3-В
4-А
5-Б
6-В
7-В
8-Б
9-В
10-Б
Вариант 2
1-Б
2-В
3-А
4-В
5-Б
6-Б
7-Б
8-А
9-А
10-Б

PDF версия для печати
Тест Виды теплопередачи 8 класс
(181 Кб)

Опубликовано: 06.

09.2022 Обновлено: 06.09.2022

Поделись с друзьями

Найти:

5.6 Методы теплопередачи – проводимость, конвекция и излучение Введение – Колледж Дугласа, физика 1207

Глава 5 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

• Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересными, чем влияние теплопередачи на систему, являются методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит теплообмен. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю для приготовления пищи, или медленно, например, через стенки ящика со льдом для пикника. Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду для зимы), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнитель вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша, чтобы отражать лето). Солнечный лучик). С передачей тепла связано так много процессов, что трудно представить себе ситуацию, при которой передача тепла не происходит.

Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, происходит только тремя способами:

1. Теплопроводность — передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте. (Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.
2. Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в печи с принудительной подачей воздуха и в климатических системах.
3. Теплопередача посредством излучения происходит при излучении или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого вида электромагнитного излучения. Очевидным примером является нагревание Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.

Рисунок 1. В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы подробно рассмотрим эти методы в трех следующих модулях. Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но у всех трех есть одна общая черта: они передают тепло исключительно за счет разницы температур. Рисунок 1.

• Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

проводимость

передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте

конвекция

перенос тепла макроскопическим движением жидкости

излучение

теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

 

13.

4: Методы теплопередачи

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

14518

• Boundless (теперь LumenLearning)
• Boundless

цели обучения

• Оценить, почему определенные характеристики необходимы для эффективного проведения

Теплопроводность

Теплопроводность – это передача тепла через неподвижное вещество посредством физического контакта. (Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое от электрической плиты ко дну кастрюли, является примером теплопроводности.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. Например, подушка в вашей комнате может иметь ту же температуру, что и металлическая дверная ручка, но дверная ручка на ощупь холоднее. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло.

Микроскопическое описание проводимости

В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии. Тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы вибрируют друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Теплопроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость больше в твердых телах, потому что сеть относительно близких фиксированных пространственных отношений между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.

Жидкости и газы обладают меньшей проводимостью, чем твердые тела. Это связано с большим расстоянием между атомами в жидкости или (особенно) в газе: меньшее количество столкновений между атомами означает меньшую проводимость.

Микроскопическая иллюстрация проводимости : Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

(Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной (см. рисунок выше). Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур \(\mathrm{T=T_{горячее}-T_{холодное}}\). Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Факторы, влияющие на скорость теплопередачи за счет теплопроводности

Помимо температуры и площади поперечного сечения, еще одним фактором, влияющим на теплопроводность, является толщина материала, через который передается тепло.

Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Если вам станет холодно ночью, вы можете взять более толстое одеяло, чтобы согреться.

Влияние толщины на теплопроводность : Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой. Температура материала равна \(\mathrm{T_2}\) слева и \(\mathrm{T_1}\) справа, где \(\mathrm{T_2}\) больше, чем \(\mathrm{ Т_1}\). Скорость передачи тепла теплопроводностью прямо пропорциональна площади поверхности \(\mathrm{A}\), разности температур \(\mathrm{T_2−T_1}\) и проводимости вещества kk. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине \(\mathrm{d}\).

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами. Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как показанная на рисунке выше, определяется выражением \(\mathrm{\frac{Q}{t}=\frac{kA(T_2−T_1)}{d} }\) где \(\mathrm{\frac{Q}{t}}\) — скорость теплопередачи в джоулях в секунду (Ватт), \(\mathrm{k}\) — теплопроводность материала , \(\mathrm{A}\) и \(\mathrm{d}\) — его площадь поверхности и толщина, а \(\mathrm{(T_2−T_1)}\) — разность температур поперек плиты.

Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости, такой как двигатель автомобиля, охлаждаемый водой в системе охлаждения.

цели обучения

• Проиллюстрировать механизмы конвекции с фазовым переходом

Пример \(\PageIndex{1}\):

Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома.

Большинство домов негерметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час.

Предположим, что дом средних размеров имеет внутренние размеры 12,0 м × 18,0 м × 3,00 м в высоту и весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в единицу времени в ваттах, необходимую для нагрева поступающего холодного воздуха на 10,0 ºC, заменив, таким образом, тепло, передаваемое только конвекцией.

Стратегия:

Тепло используется для повышения температуры воздуха так, чтобы \(\mathrm{Q=mcΔT}\). Тогда скорость теплопередачи равна \(\mathrm{\frac{Q}{t}}\), где \(\mathrm{t}\) — время оборота воздуха. Нам дано, что \(\mathrm{ΔT}\) равно 10,0ºC, но мы все еще должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить QQ. Удельная теплоемкость воздуха представляет собой средневзвешенное значение удельной теплоемкости азота и кислорода, которое равно \(\mathrm{c=cp≅1000 \;J/kg⋅C}\) (обратите внимание, что удельная теплоемкость при постоянном давлении должна использоваться для этого процесса). 96 \;Дж {1800 \; с}=4,64 \; кВт}\).

Эта скорость теплопередачи равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью 100-ваттными лампочками.

Новопостроенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не 30 минут для дома в этом примере. Обычно используются зачистка от атмосферных воздействий, уплотнение и улучшенные уплотнители окон. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более экстремальные меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха. Еще более длительное время оборота вредно для здоровья, поскольку для снабжения кислородом для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей требуется минимальное количество свежего воздуха. Термин, используемый для обозначения процесса проникновения наружного воздуха в дом через щели вокруг окон, дверей и фундамента, называется «инфильтрацией воздуха».

Конвекция

Конвекция (показана на ) — это согласованное коллективное движение ансамблей молекул внутри жидкостей (например, жидкостей, газов). Конвекция массы не может происходить в твердых телах, так как в твердых телах не может происходить ни объемного течения, ни значительной диффузии. Вместо этого диффузия тепла в твердых телах называется теплопроводностью, которую мы только что рассмотрели.

Конвекционные ячейки : Конвекционные ячейки в гравитационном поле.

Конвекция обусловлена ​​крупномасштабным потоком вещества. В случае Земли атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам. (Обратите внимание, что вращение Земли вызывает изменения направления воздушного потока в зависимости от широты.) Примером конвекции является автомобильный двигатель, охлаждаемый потоком воды в системе охлаждения, при этом водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням.

Хотя конвекция обычно более сложна, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и выполнить некоторые простые, реалистичные расчеты ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Этот принцип применим в равной степени к любой жидкости. Например, кастрюля с водой на плите согревается таким образом; океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.

Конвекция в кувшине с водой : Конвекция играет важную роль в передаче тепла внутри этого кувшина с водой. После прохождения внутрь теплопередача к другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она поднимается, чтобы передать тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс продолжает повторяться.

Конвекция и изоляция

Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Расстояние между внутренней и внешней стенами дома, например, составляет около 9см (3,5 дюйма) — достаточно большой для эффективной работы конвекции. Добавление изоляции стен предотвращает поток воздуха, поэтому потери (или приток) тепла уменьшаются. Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь. Мех, волокно и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, задерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции. У животных мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для их защиты.

Конвекция и фазовые переходы

Некоторые интересные явления происходят, когда конвекция сопровождается фазовым переходом. Он позволяет нам охлаждаться за счет потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Тепло от кожи требуется для того, чтобы пот испарился с кожи, но без притока воздуха воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим воздухом, и таким образом продолжается испарение.

Другой важный пример комбинации фазового перехода и конвекции возникает при испарении воды из океана. Тепло отводится от океана при испарении воды. Если водяной пар конденсируется в виде капель жидкости при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло (это выделение тепла является скрытой теплотой). Таким образом, происходит общий перенос тепла из океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков — огромных кучевых облаков, поднимающихся в стратосферу на высоту до 20,0 км. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии, и эта энергия позволяет воздуху становиться более плавучим (теплее, чем его окружение) и подниматься вверх. По мере того, как воздух продолжает подниматься, образуется больше конденсата, который, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, так как процесс усиливает и ускоряет сам себя. Эти системы иногда вызывают сильные бури с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы.

Кучевые облака : Кучевые облака образуются из-за водяного пара, который поднимается из-за конвекции. Подъем облаков управляется механизмом положительной обратной связи.

Излучение

Излучение – это передача тепла посредством электромагнитной энергии

Цели обучения

• Объяснить, как энергия электромагнитного излучения соотносится с длиной волны

Излучение

Вы можете почувствовать передачу тепла от огня или Солнца. Тем не менее пространство между Землей и Солнцем в значительной степени пусто, без какой-либо возможности передачи тепла путем конвекции или теплопроводности. Точно так же вы можете сказать, что духовка горячая, не прикасаясь к ней и не заглядывая внутрь — она просто согревает вас, когда вы проходите мимо.

В этих примерах тепло передается излучением. Горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей, и для их распространения не требуется никакой среды. Мы используем разные названия для электромагнитных волн разных длин волн: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Излучение от пожара : Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет, хотя и драматический, передает относительно небольшую тепловую энергию. Конвекция передает энергию от наблюдателей по мере подъема горячего воздуха, в то время как проводимость здесь пренебрежимо медленная. Кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, поэтому вы можете почувствовать присутствие огня, не глядя на него прямо.

Энергия электромагнитного излучения зависит от его длины волны (цвета) и изменяется в широких пределах; меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии. Мы можем записать это как:

\[\mathrm{E=hf=\dfrac{hc}{λ}}\]

, где \(\mathrm{E}\) — энергия, \(\mathrm{f }\) — частота, \(\mathrm{λ}\) — длина волны, а \(\mathrm{h}\) — константа.

Поскольку при более высоких температурах выделяется больше тепла, изменение температуры сопровождается изменением цвета. Например, электрический элемент в печи светится от красного до оранжевого, а высокотемпературная сталь в доменной печи светится от желтого до белого. Излучение, которое вы чувствуете, в основном инфракрасное, температура которого еще ниже.

Излучаемая энергия зависит от ее интенсивности, которая представлена ​​высотой распределения .

Спектр излучения: (а) График спектров электромагнитных волн, испускаемых идеальным излучателем при трех различных температурах. Интенсивность или скорость испускания излучения резко возрастает с температурой, а спектр смещается в сторону видимой и ультрафиолетовой частей спектра. Заштрихованная часть обозначает видимую часть спектра. Очевидно, что сдвиг в сторону ультрафиолета с температурой приводит к смещению видимого изображения от красного к белому и к синему при повышении температуры. (b) Обратите внимание на изменения цвета, соответствующие изменениям температуры пламени.

Тепло

Перенос

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение. Скорость передачи тепла излучением во многом определяется цветом объекта. Черный — самый эффектный, а белый — наименее. Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают носить черную одежду. Точно так же черный асфальт на парковке будет жарче, чем соседний серый тротуар в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем серый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем серый. Так, в ясную летнюю ночь асфальт будет холоднее серого тротуара, потому что черный излучает энергию быстрее, чем серый.

Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. Напротив, белый — плохой поглотитель, а также плохой излучатель. Белый предмет отражает все излучение, как зеркало. (Идеальная, отполированная белая поверхность выглядит как зеркало, а разбитое зеркало выглядит белым. )

Между температурой идеального излучателя и длиной волны, при которой он излучает наибольшее количество излучения, существует разумная связь. Он называется законом смещения Вина и определяется как: 9{−3} \; м⋅К}\).

Серые объекты обладают одинаковой способностью поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя похожим, но более сложным образом, что придает им определенный цвет в видимом диапазоне и может делать их особенными в других диапазонах невидимого спектра. Возьмем, к примеру, сильное поглощение инфракрасного излучения кожей, что позволяет нам быть очень чувствительными к нему.

Хорошие и плохие излучатели : Черный предмет — хороший поглотитель и хороший излучатель, а белый (или серебристый) предмет — плохой поглотитель и плохой излучатель. Как будто излучение изнутри отражается обратно в серебряный предмет, тогда как излучение изнутри черного предмета «поглощается» при попадании на поверхность и оказывается снаружи и сильно излучается. 94}}\) — постоянная Стефана-Больцмана, А — площадь поверхности объекта, Т — его абсолютная температура в градусах Кельвина. Символ e обозначает коэффициент излучения объекта, который является мерой того, насколько хорошо он излучает. Идеальный угольно-черный (или черное тело) излучатель имеет e=1e=1, тогда как идеальный отражатель имеет \(\mathrm{e=0}\). Реальные объекты попадают между этими двумя значениями. Например, нити накаливания вольфрамовой лампочки имеют ee около 0,5, а сажа (материал, используемый в тонерах для принтеров) имеет (наибольшую известную) излучательную способность около 0,9.9.

Интенсивность излучения прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры — очень сильная температурная зависимость. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности объекта. Если расколоть угольки костра, произойдет заметное увеличение излучения из-за увеличения площади излучающей поверхности.

Чистая скорость теплопередачи

Чистая скорость теплопередачи за счет излучения (поглощение минус излучение) связана как с температурой объекта, так и с температурой окружающей его среды. Предполагая, что объект с температурой \(\mathrm{T_1}\) окружен средой с одинаковой температурой \(\mathrm{T_2}\), чистая скорость передачи тепла излучением составляет: 94)}\)

где e — коэффициент излучения только объекта. Другими словами, не имеет значения, является ли окружение белым, серым или черным; баланс излучения в объект и из него зависит от того, насколько хорошо он излучает и поглощает излучение. Когда \(\mathrm{T_2>T_1}\), величина \(\mathrm{\frac{Q_{net}}{t}}\) положительна; то есть чистая передача тепла происходит от более горячих объектов к более холодным объектам.

Ключевые моменты

• В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.
• Теплопроводность является наиболее важной формой теплопередачи внутри твердого объекта или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте.
• Проводимость наиболее значительна в твердых телах и меньше в жидкостях и газах из-за пространства между молекулами.
• Скорость теплопередачи за счет теплопроводности зависит от разницы температур, размера площади контакта, толщины материала и тепловых свойств материала(ов), находящегося в контакте.
• Конвекция обусловлена ​​крупномасштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые тела не могут передавать тепло посредством конвекции.
• Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Этот принцип применим в равной степени к любой жидкости.
• Конвекция может передавать тепло намного эффективнее, чем теплопроводность. Воздух — плохой проводник и хороший изолятор, если пространство достаточно маленькое, чтобы предотвратить конвекцию.
• Конвекция часто сопровождает фазовые переходы, например, когда пот испаряется с вашего тела. Этот массовый поток при конвекции позволяет человеку охлаждаться, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела.
• Энергия электромагнитного излучения зависит от длины волны (цвета) и изменяется в широких пределах: меньшей длине волны (или большей частоте) соответствует большая энергия.
• Все объекты излучают и поглощают электромагнитную энергию. Цвет объекта связан с коэффициентом излучения или эффективностью излучения энергии. Черный цвет наиболее эффективен, а белый — наименее эффективен (\(\mathrm{e=1}\) и \(\mathrm{e=0}\) соответственно).
• Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. 94}}\) — постоянная Стефана-Больцмана, \(\mathrm{A}\) — площадь поверхности объекта, а \(\mathrm{T}\) — его абсолютная температура в градусах Кельвина.
• Чистая скорость теплопередачи связана с температурой объекта и температурой его окружения. Чем больше разница, тем выше чистый тепловой поток.
• Температура объекта очень важна, потому что испускаемое излучение пропорционально этой величине в четвертой степени.

Ключевые термины

• теплопроводность : мера способности материала проводить тепло
• естественная конвекция : метод переноса тепла. Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается вверх. Окружающая, более холодная жидкость перемещается, чтобы заменить ее. Затем эта более холодная жидкость нагревается, и процесс продолжается, образуя конвекционный поток.
• положительная обратная связь : петля обратной связи, в которой выходной сигнал системы усиливается с чистым положительным усилением в каждом цикле.
• черное тело : теоретическое тело, приближенное к отверстию в полой черной сфере, которое поглощает все падающее электромагнитное излучение и не отражает его; имеет характерный спектр излучения.
• излучательная способность : Склонность поверхности к излучению энергии, обычно измеряемая на определенной длине волны.

ЛИЦЕНЗИИ И АВТОРСТВО

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​ПРЕДОСТАВЛЕННОЕ РАНЕЕ

• Курирование и пересмотр. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/thermal%20conductivity . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Проводимость (тепло). Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Conduction_(heat) . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Колледж OpenStax, Колледж физики. 18 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax, CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42228/latest/?collection=col11406/1.7 . Лицензия : CC BY: Attribution

Колледж OpenStax, Колледж физики. 15 октября 2012 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42228/latest/?collection=col11406/1.7 . Лицензия : CC BY: Attribution

естественная конвекция. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/natural%20convection . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Конвекция. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Convection . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

положительных отзывов. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/positive_feedback . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42229/latest/?collection=col11406/1.7 . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Кучевые облака. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Cumulus_clouds . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

черное тело. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en. wiktionary.org/wiki/blackbody . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Коэффициент излучения

. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en.wiktionary.org/wiki/emissivity . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42230/latest/?collection=col11406/1.7 . Лицензия : CC BY: Attribution

Огонь. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Fire . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

---

Эта страница под названием 13.