Конвекция. Излучение

На прошлом уроке мы с вами подробно рассмотрели один из видов теплопередачи — теплопроводность. Давайте вспомним, что теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой при их непосредственном контакте.

Ещё раз обратим внимание на то, что при теплопроводности не происходит переноса вещества.

Однако существуют и другие виды теплопередачи — это конвекция и излучение. Именно этим явлениям и будет посвящён наш с вами сегодняшний урок.

Мы уже знаем, что газы и жидкости обладают плохой теплопроводностью. Однако возникают закономерные вопросы: почему же нагревается вода в кастрюле, поставленной на включённую плиту? И почему же прогревается воздух в комнате от батарей водяного отопления?

Ответим на первый вопрос, проделав следующий опыт. Нальём в колбу воду и аккуратно опустим на дно несколько кристалликов марганцовки.

Затем поставим колбу на спиртовку так, чтобы её пламя касалось колбы в том месте, где лежат кристаллики.

Через некоторое время мы с вами увидим, как со дна колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. А достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Наблюдаемое нами явление можно объяснить следующим образом. Нижний слой воды нагревается от стенки колбы. Вы знаете, что при увеличении температуры тело начинает расширяться. Вследствие чего уменьшается плотность тела. На этот тёплый слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает его вверх. На место тёплого слоя опускается холодный слой воды. После нагревания, этот слой воды также начнёт двигаться вверх, а его места займёт новый слой. И так будет происходить до тех пор, пока температура воды не выровняется по всему своему объёму. Таким образом, энергия переносится посредством поднимающихся потоков жидкости.

А кто из вас не замечал такую картину: в морозное утро дым из печной трубы серебристым столбом поднимается вверх?

Найдём объяснение и этому факту. Нагретый в печной трубе воздух становится легче холодного, и по закону Архимеда холодный воздух, подтекая под нагретую часть, заставляет его подниматься вверх. При таком перемещении нагретого объёма вещества и переносится теплота.

В рассмотренных нами примерах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи — конвекцию.

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками жидкости или газа, то есть сопровождается переносом вещества.

Конечно же у вас может возникнуть закономерный вопрос: а возможна ли конвекция в твёрдых телах? Очевидно, что нет, так как конвекция связана с переносом вещества. А в твёрдом теле вещество не может перемещаться по объёму.

Конвекция обуславливает множество явлений природы и процессов, происходящих в повседневной жизни. Так, например, благодаря конвекции создаётся нужная тяга в печах и каминах, чтобы полностью сжечь в них топливо. Для создания нужной тяги даже в очень небольших котельных трубы делают высотой в несколько десятков метров.

А, самой высокой дымовой трубой в мире является труба Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане. Её высота равна 420 м.

Экибазстузская ГРЭС-2

Примером использования конвекции является система водяного отопления домов. Вы наверняка замечали, что отопительные батареи в основном размещаются внизу (под окнами).

Это сделано для того, чтобы ускорить конвекцию воздуха в помещении. Холодный воздух от окна спускается вниз, где он соприкасается с батареями. Получив от них теплоту, он поднимается вверх, уступая место холодному воздуху. В результате такой конвекции и происходит прогревание воздуха по всему объёму комнаты.

Конвекцией объясняются ночные и дневные ветры — бризы, возникающие на берегах морей и океанов.

На берегу водоёмов в жаркий летний день вода нагревается Солнцем медленнее, чем суша, так как вода обладает малой теплопроводностью. Это вызывает понижение давления воздуха над сушей. Поэтому холодный воздух перемещается с водоёма на сушу. Это — дневной бриз.

Дневной бриз

Ночью же наоборот, суша охлаждается быстрее, чем вода. Поэтому ночной бриз дует от суши к водоёму.

Ночной бриз

Рассмотренные примеры — это примеры естественной конвекции. Когда же естественной конвекции недостаточно, то используют вынужденную конвекцию. При вынужденной конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил. Примерами такой конвекции могут служить движение воздуха в помещении под действием вентилятора. Или добыча нефти из глубинных слоёв Земли при помощи мощных насосов.

Добыча нефти

Проведём такой опыт. Возьмём теплоприёмник — это металлическая коробочка, одна сторона которой блестящая, а другая покрыта матовой чёрной краской. Внутри коробочки находится воздух.

Установим вертикально электрическую плитку, а возле неё укрепим теплоприёмник, соединённый с манометром. И начнём нагревать плитку.

Через некоторое время мы заметим, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, начнёт понижаться, что говорит о нагревании воздуха внутри теплоприёмника и повышении вследствие этого его давления.

Могло ли это произойти за счёт теплопроводности воздуха? Очевидно, нет, так как теплопроводность воздуха мала, а теплота к приёмнику была перенесена достаточно быстро.

Тогда может быть это произошло за счёт конвекции? Опять нет, так как конвекционные потоки идут вверх.

Оказывается, существует ещё один способ передачи теплоты — излучение. Его главной особенностью является то, что оно возможно не только в среде, но и в вакууме. Значит, основным способом переноса теплоты от электрической плитки к теплоприёмнику было излучение. Нагревание воздуха в теплоприёмнике произошло потому, что он поглотил энергию, переданную излучением. Любое тело излучает энергию. Но эта энергия зависит от многих факторов, в частности от температуры тела. Чем она выше, тем больше энергии излучает тело, и наоборот.

А теперь зададимся вопросом, одинаково ли излучают и поглощают тела? Чтобы на него ответить, проведём такой опыт. Возьмём два теплоприёмника и укрепим их на одинаковом расстоянии от сосуда, в котором находится вода, так, чтобы черные поверхности теплоприёмников были обращены к сосуду.

Присоединим к теплоприёмникам манометры. Обратите внимание, что одна из стенок сосуда покрашена чёрной, а другая белой краской. Будем нагревать сосуд с водой на плитке и проследим за изменением уровней жидкостей в коленах манометра, присоединённого к теплоприёмникам. Через некоторое время уровень жидкости в колене манометра, соединённом с левым теплоприёмником, понизится, что говорит о большем нагревании в нём воздуха, чем в правом приёмнике.

Так как левый теплоприёмник получил теплоту, излучаемую чёрной поверхностью сосуда, то можно сделать важный вывод о том, что чёрные поверхности излучают больше энергии, чем белые.

Тогда возникает закономерный вопрос: а одинаково ли поглощают энергию черные и белые поверхности? Опять ответим на вопрос с помощью опыта. В схему предыдущего опыта внесём небольшие изменения. Заменим сосуд на другой, полностью окрашенный в чёрный цвет, а правый теплоприёмник повернём к сосуду белой стороной.

Опять нагреем сосуд с водой и будем следить за уровнями жидкостей в коленах манометра.

Можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённого с левым теплоприёмником, ниже, чем в другом колене. Значит, температура воздуха в этом теплоприёмнике выше, чем во втором. Но оба теплоприёмника поглощали энергию от одного сосуда, только один теплоприёмник был повернут к нему чёрной поверхностью, а другой — белой. Значит, чёрная поверхность поглощает энергии больше, чем белая.

Именно поэтому, в летний солнечный день в чёрной одежде значительно жарче, чем в белой.

На основании проделанных опытов и наблюдений можно утверждать, что черные поверхности при равной температуре и поглощают, и излучают энергии больше, чем белые.

Конвекция | 8 класс | Физика

Содержание

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем. 

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. На данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Рисунок 1. Отличие конвекции от теплопроводности на опыте с водой в пробирке

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Рассмотрим физику данного явления. Будем использовать самый банальный пример — что будет происходить с водой, которую мы нагреваем в кастрюле на плите (рисунок 2) .

Рисунок 2. Конвекция в жидкости

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

{"questions":[{"content":"При конвекции[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["теплые слои поднимаются, а холодные опускаются","теплые слои опускаются, а холодные поднимаются","жидкость равномерно нагревается"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.

Рисунок 3. Наглядное движение окрашенных слоев жидкости

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Конвекция в газах

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

Рисунок 4. Конвекция в газах

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

{"questions":[{"content":"При конвекции нагретый слой воздуха[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["имеет меньшую плотность, чем холодный","имеет большую плотность, чем холодный","имеет такую же плотность, как и холодный"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит, 

Для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

Конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

1. Естественная (свободная)
2. Вынужденная
Рисунок 5. Виды конвекции

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем вентилятор или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).

Рисунок 6. Конвекция воздуха в комнате, обогреваемой батареей

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

{"questions":[{"content":"Чтобы происходила конвекция, жидкость или газ необходимо нагревать[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["снизу","сверху","равномерно по всему объему"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Рисунок 7. Конвекция в квартире

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Конвекция в природе

Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.  

Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.

Рисунок 8. Циркуляция атмосферы

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.

Рисунок 9. Океанические течения

Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

Рисунок 10. Дневной и ночной бризы

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.

Проводимость, конвекция и излучение — естествознание 8-го класса

Что такое тепло? Вся материя состоит из молекул и атомов. Эти атомы всегда находятся в разных видах движения (поступательном, вращательном, колебательном). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Все дело имеет эту тепловую энергию. Чем большее движение имеют атомы или молекулы, тем больше тепла или тепловой энергии они будут иметь. Что такое температура? Из видео выше, которое показывает движение атомов и молекул видно, что одни движутся быстрее, чем другие. Температура – ​​это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе. Как тепло переведено? Тепло может перемещаться из одного места в другое тремя способами: Проводимость, конвекция и излучение. И теплопроводность, и конвекция требуют вещество для передачи тепла. Если есть разница температур между двумя системами тепло всегда найдет способ перейти от высшей системы к низшей. ПРОВОДИМОСТЬ Теплопроводность – это передача тепла между веществами, находятся в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше дирижер, тем больше будет быстро передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии, и вибрировать больше. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и переносят часть своей энергии им. Затем это продолжается и передает энергию от горячий конец вниз к более холодному концу вещества. КОНВЕКЦИЯ Передача тепловой энергии от горячих мест к холодным конвекцией. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодные области в жидкости или газе. Тогда более холодная жидкость или газ занимает место более теплые области, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывному схема циркуляции. Кипящая вода в кастрюле является хорошим примером этого. конвекционные потоки. Другой хороший пример конвекции находится в атмосфере. Поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а холодный движется в. ИЗЛУЧЕНИЕ Излучение – это способ передачи тепла, который не зависит при любом контакте между источником тепла и нагретым объектом, как в случае с проводимостью и конвекцией. Тепло может передаваться через пустое пространство тепловое излучение, часто называемое инфракрасным излучением. Это тип электромагнитное излучение. Никакого обмена массой и среды не требуется. процесс излучения. Примерами излучения является тепло от солнца или тепла, выделяемого нитью накаливания лампочки. http://www.edinformatics.com/math_science/how_is_heat_transferred.htm Conduction, Convection, & Radiation

Difference Between Conduction, Convection and Radiation (with Comparison Chart)

While теплопроводность — передача тепловой энергии при прямом контакте, конвекция — движение теплоты при действительном движении материи; излучение это передача энергии с помощью электромагнитных волн.

Материя присутствует вокруг нас в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход вещества из одного состояния в другое называется изменением состояния, происходящим за счет теплообмена между веществом и окружающей его средой. Итак, теплота – это переход энергии из одной системы в другую, за счет разности температур, который происходит тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Люди часто неправильно понимают эти формы теплопередачи, но они основаны на различных физических взаимодействиях для передачи энергии. Чтобы изучить разницу между проводимостью, конвекцией и излучением, давайте взглянем на статью, представленную ниже.

Содержание: проводимость, конвекция и излучение

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Основание для сравнения	Проводимость	Конвекция	Излучение
Значение	Теплопроводность – это процесс, при котором происходит передача тепла между объектами путем прямого контакта.	Конвекция относится к форме теплопередачи, при которой передача энергии происходит внутри жидкости.	Излучение относится к механизму передачи тепла без какого-либо физического контакта между объектами.
Представление	Как тепло распространяется между объектами, находящимися в непосредственном контакте.	Как тепло проходит через жидкости.	Как тепло течет через пустые пространства.
Причина	Из-за разницы температур.	Из-за разницы в плотности.	Происходит от всех объектов при температуре выше 0 К.
Возникновение	Происходит в твердых телах в результате молекулярных столкновений.	Происходит в жидкостях из-за фактического потока материи.	Происходит на расстоянии и не нагревает промежуточное вещество.
Передача тепла	Использует нагретое твердое вещество.	Использует промежуточное вещество.	Использует электромагнитные волны.
Скорость	Медленная	Медленная	Быстрая
Закон отражения и преломления	Не соблюдается	Не соблюдается	Соблюдается




Определение теплопроводности

Теплопроводность можно понимать как процесс, который обеспечивает прямую передачу тепла через вещество из-за разницы температур между соседними частями объекта. Это происходит, когда температура молекул, присутствующих в веществе, увеличивается, что приводит к сильной вибрации. Молекулы сталкиваются с окружающими молекулами, заставляя их тоже вибрировать, что приводит к переносу тепловой энергии в соседнюю часть объекта.

Проще говоря, всякий раз, когда два объекта находятся в непосредственном контакте друг с другом, происходит передача тепла от более горячего объекта к более холодному благодаря теплопроводности. Далее, объекты, которые позволяют теплу легко проходить через них, называются проводниками.

Определение конвекции

В науке под конвекцией подразумевается форма передачи тепла посредством реального движения материи, которое происходит только в жидкостях. Жидкость относится к любому веществу, молекулы которого свободно перемещаются из одного места в другое, например к жидкости или газу. Это происходит естественно или даже принудительно.

Гравитация играет большую роль в естественной конвекции, так как когда вещество нагревается снизу, это приводит к расширению более горячей части. За счет плавучести более горячее вещество поднимается вверх, так как оно менее плотное, а более холодное заменяет его опускаясь на дно, за счет большой плотности, которое при нагревании движется вверх, и процесс продолжается. При конвекции при нагревании вещества его молекулы расходятся и расходятся.

Когда конвекция осуществляется принудительно, вещество вынуждено двигаться вверх с помощью любых физических средств, таких как насос. Например. Система воздушного отопления.

Определение излучения

Механизм теплопередачи, в котором не требуется среда, называется излучением. Это относится к движению тепла волнами, так как для прохождения через него не нужны молекулы. Объект не должен находиться в прямом контакте друг с другом для передачи тепла. Всякий раз, когда вы чувствуете тепло, не касаясь предмета, это происходит из-за излучения. Кроме того, цвет, ориентация поверхности и т. д. являются некоторыми из свойств поверхности, от которых сильно зависит излучение.

В этом процессе энергия передается через электромагнитные волны, называемые лучистой энергией. Горячие объекты обычно излучают тепловую энергию в более прохладное окружение. Лучистая энергия способна перемещаться в вакууме от источника к более холодным местам. Лучшим примером излучения является солнечная энергия, которую мы получаем от солнца, даже несмотря на то, что оно находится далеко от нас.


Основные различия между проводимостью, конвекцией и излучением

Существенные различия между проводимостью, конвекцией и излучением объясняются следующим образом:

1. Теплопроводность — это процесс, при котором тепло передается между частями континуума посредством прямого физического контакта. Конвекция — это принцип, при котором тепло передается потоками в жидкости, то есть в жидкости или газе. Излучение – это механизм теплопередачи, при котором переход происходит посредством электромагнитных волн.
2. Теплопроводность показывает, как тепло передается между объектами, находящимися в непосредственном контакте, а Конвекция отражает, как тепло распространяется через жидкости и газы. В отличие от этого, излучение показывает, как тепло проходит через места, где нет молекул.
3. Теплопроводность происходит в результате разницы температур, т.е. тепловые потоки из высокотемпературной области в низкотемпературную. Конвекция происходит из-за изменения плотности, так что тепло перемещается из области с низкой плотностью в область с высокой плотностью. Наоборот, все объекты выделяют тепло, имея температуру более 0 К.
4. Проводимость обычно происходит в твердых телах за счет столкновения молекул. Конвекция происходит в жидкостях за счет массового движения молекул в одном направлении. Напротив, Излучение происходит через космический вакуум и не нагревает промежуточную среду.
5. Передача тепла осуществляется через нагретое твердое вещество при теплопроводности, тогда как при конвекции тепловая энергия передается через промежуточную среду. В отличие от рациона, для передачи тепла используются электромагнитные волны.
6. Скорость теплопроводности и конвекции меньше скорости излучения.