Содержание
Теплообмен
Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:
- теплопроводностью
- конвекцией
- излучением
Теплопроводность
Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим.
Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.
Конвекция
Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:
- естественная (или свободная)
Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.
- вынужденная
Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.
Излучение
Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения.
При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.
Другие заметки по физике
Вода и человек в ней / Полезная информация / Дискус
Каждому из нас привычно ежедневное пользование водой дома и наслаждение водой в поездках на море. О воде мы знаем… да практически ничего. Из курса «природоведение» за 4-й класс мы уяснили, что вода покрывает более 2/3 земного шара, из курса «химии» за 8-й класс мы точно знаем химическое соединение Н2О. А еще, что вода прозрачна, и не имеет вкуса, цвета и запаха (что явно под сомнением). Что ж, вот еще несколько фактов о воде на заметку начинающему дайверу.
Как стало известно из источников, заслуживающих доверия — вода является неким универсальным растворителем, что подтверждается рядом бытовых фактов а также наличием на планете Земля пресных и соленых водоемов, в которых в том или ином количестве содержатся растворенные соли. В водоемах с пресной водой концентрация солей около 1-2 г/л, в морской же воде соли около 40 г/л. И плотность воды зависит именно от концентрации в ней соли. В среднем же, плотность воды в 775 раз больше плотности воздуха. Именно этот феномен и объясняет легкость, образующуюся в теле человека, находящегося в воде. И чем больше в воде соли — тем ощутимей легкость. Поэтому, привычные нам резкие «надводные» движение в воде выполнить практически невозможно. Попробуйте пройтись привычным шагом, если воды вам где-то по пояс или выше. Грациозность кенгуру и стремительность лани вам обеспечены. А причиной всему сопротивление, которое оказывает вода. Следствием этого, как раз, и являются именно плавательные движения, совершаемые человеком в воде.
Вода обладает большей теплопроводностью (примерно в 25 раз), а также теплоемкостью (примерно в 4 раза) чем воздух. Этим и объясняется тот факт, что в воде с температурой 30 градусов человек может переохладиться, чего на воздухе при такой же температуре произойти не может.
Звук в воде распространяется гораздо быстрее, чем на воздухе. На воздухе скорость звука составляет 336 м/с, а в воде — 1445 м/с. Именно поэтому рыбаки раздраженно шипят на шумящих неподалеку купальщиков. А вот со светом дела обстоят несколько сложнее. В сухую, солнечную погоду, на воздухе свет поглощается всего на 5-10% на 1 км пути света. В воде же показатели совершенно иные. На 1 м пути обычной водой поглощается 10-25% света, а морской — 31%. И виной тому отражающая способность воды, а также поглощение и рассеивание света молекулами воды и взвешенными частицами воды. От количества взвешенных в воде частиц зависит также прозрачность воды.
А теперь, немного о законах физики. Как известно, согласно закону Архимеда, на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.
Это и есть сила плавучести. При равенстве силы тяжести и силы плавучести — тело может свободно перемещаться в жидкости в любых направлениях. Отсюда и понятия отрицательной, нулевой и положительной плавучести. Для плавания оптимальными являются условия небольшой отрицательной плавучести (0,5-1 кг).
Сушка | Теплоемкость и теплопроводность
Опубликовано Джон Фукс
Если вы сделали вывод из нескольких предыдущих блогов, что тепло является одним из основных факторов сушки, вы правы. Но прежде чем мы поговорим о тепле, давайте «подготовим сцену». Теплота — это то вещество, которое увеличивает температуру вещества при добавлении и снижает температуру при поглощении. Температура – это уровень возбуждения атомов или молекул вещества.
Теплоемкость –
Различные материалы требуют, чтобы различное количество тепла добавлялось или поглощалось на единицу объема для достижения заданного изменения температуры.
Вода, например, требует гораздо больше тепла для достижения заданного изменения температуры, чем что-то вроде равного объема воздуха. Точно так же от воды может быть поглощено больше тепла, чем от воздуха. Таким образом, вода может «хранить» гораздо больше тепла, чем воздух. Рассмотрим этот простой пример: если у вас есть два полотенца, одно сухое, а другое мокрое, и вы поместите их в духовку при температуре 200 градусов по Фаренгейту, какое полотенце останется горячим дольше после того, как вы достанете его из духовки? Любой, кому предлагали одно из этих горячих полотенец во время долгого перелета на самолете, знает, что мокрое полотенце сохраняет свою температуру намного дольше, чем сухое полотенце. Примерно по той же причине вы наполняете грелку горячей водой, а не горячим воздухом, чтобы поддерживать ее теплой в течение длительного периода времени. Исходя из веса, теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем у воздуха (и помните, что воздуху требуется гораздо больший объем, чтобы произвести тот же вес).
Сталь имеет примерно 1/2 теплоемкости воздуха (на вес), в то время как алюминий имеет теплоемкость примерно в два раза больше, чем сталь, но все же не равна теплоемкости воздуха. Таким образом, воздух имеет разумную способность удерживать тепло, но для удержания определенного количества тепла требуется гораздо больше воздуха, чем воды.
Теплопроводность –
Теплопроводность – это мера способности тепла проходить через материал. Опять же, простой пример — рассмотрим духовку, установленную на температуру 350 градусов по Фаренгейту. Это обычная температура, используемая для выпечки в домашней духовке. Несмотря на то, что температура воздуха в духовке составляет 350 градусов по Фаренгейту, большинство из нас, не колеблясь, засовывает туда руку и двигает ею в течение нескольких секунд. ОДНАКО, если в этой духовке выпекается пирог, и он находился там достаточно долго, чтобы форма для пирога достигла температуры 350F, я думаю, что мы все перестанем прикасаться к этой форме для пирога и вместо этого будем использовать прихватку.