Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. давлений, тем лучше
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели урока:
- Познакомить учащихся с видами теплопередачи.
- Формировать умение объяснять теплопроводность тел с точки зрения строения вещества; уметь анализировать видеоинформацию; объяснять наблюдаемые явления.
Тип урока: комбинированный урок.
Демонстрации:
1. Перемещение тепла по металлическому стержню.
2. Видео демонстрация эксперимента по сравнению
теплопроводности серебра, меди и железа.
3. Вращение бумажной вертушки над включенной
лампой или плиткой.
4. Видео демонстрация возникновения
конвекционных потоков при нагревании воды с
марганцовкой.
5. Видео демонстрация по излучению тел с темной и
светлой поверхностью.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент
II. Сообщение темы и целей урока
На предыдущем уроке вы узнали, что внутреннюю
энергию можно изменить путем совершения работы
или теплопередачей. Сегодня на уроке мы
рассмотрим, как происходит изменение
внутренней энергии теплопередачей.
Попробуйте объяснить значение слова
«теплопередача» (слово «теплопередача»
подразумевает передачу тепловой энергии).
Существует три способа передачи теплоты, но
называть их я не буду, вы сами их назовете, когда
решите ребусы.
Ответы: теплопроводность, конвекция, излучение.
Познакомимся с каждым видом теплопередачи
отдельно, и пусть девизом нашего урока станут
слова М.Фарадея: «Наблюдать, изучать, работать».
III. Изучение нового материала
1. Теплопроводность
Ответьте на вопросы: (слайд 3)
1. Что произойдет, если в горячий чай опустим
холодную ложку? (Через некоторое время она
нагреется).
2. Почему холодная ложка нагрелась? (Чай отдал
часть своего тепла ложке, а часть окружающему
воздуху).
Вывод:
Из примера ясно, что тепло может
передаваться от тела, более нагретого к телу
менее нагретому (от горячей воды к холодной
ложке). Но энергия передавалась и по самой ложке
– от ее нагретого конца к холодному.
3. В результате чего происходит перенос тепла от
нагретого конца ложки к холодному? (В
результате движения и взаимодействия частиц)
Нагревание ложки в горячем чае - пример теплопроводности.
Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым, в результате теплового движения и взаимодействия частиц.
Проведем опыт:
Закрепим конец медной проволоки в лапке штатива. Воском к проволоке прикреплены гвоздики. Будем нагревать свободный конец проволоки свечей или на пламени спиртовки.
Вопросы: (слайд 4)
1. Что наблюдаем? (Гвоздики начинают
постепенно один за другим отпадать, сначала те,
которые ближе к пламени).
2. Как происходит передача тепла? (От горячего
конца проволоки к холодному).
3. Как долго будет происходить передача тепла по
проволоке? (Пока проволока вся не нагреется, т.
е пока температура во всей проволоке не
выровняется)
4. Что можно сказать про скорость движения
молекул на участке, расположенном ближе к
пламени? (Скорость движения молекул
увеличивается)
5. Почему нагревается следующий участок
проволоки? (В результате взаимодействия
молекул скорость движения молекул на следующем
участке также увеличивается и температура
данной части возрастает)
6. Влияет ли расстояние между молекулами на
скорость передачи тепла? (Чем меньше
расстояние между молекулами, тем с большей
скоростью идет перенос тепла)
7. Вспомните расположение молекул в твердых
телах, жидкостях и газах. В каких телах процесс
переноса энергии будет происходить быстрее? (Быстрее
в металлах, затем в жидкостях и газах).
Посмотрите демонстрацию эксперимента и подготовьтесь ответить на мои вопросы.
Вопросы: (слайд 5)
1. По какой пластине теплота распространяется
быстрее, а по какой медленнее?
2. Сделайте вывод о теплопроводности данных
металлов. (Лучшая теплопроводность у
серебра и меди, несколько хуже у железа)
Обратите внимание, что при передаче тепла в данном случае переноса тела не происходит.
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).
Запишем основные особенности теплопроводности: (слайд 7)
- в твердых телах, жидкостях и газах;
- само вещество не переносится;
- приводит к выравниванию температуры тела;
- разные тела – разная теплопроводность
Примеры теплопроводности : (слайд 8)
1. Снег - пористое, рыхлое вещество, в нем
содержится воздух. Поэтому снег обладает плохой
теплопроводностью и хорошо защищает землю,
озимые посевы, плодовые деревья от вымерзания.
2. Кухонные прихватки сшиты из материала, который
обладает плохой теплопроводностью. Ручки
чайников, кастрюль делают из материалов
обладающих плохой теплопроводностью. Все это
защищает руки от ожогов, при прикосновении к
горячим предметам.
3. Вещества с хорошей теплопроводностью
(металлы) используют для быстрого нагревания тел
или деталей.
2. Конвекция
Отгадайте загадки:
1) Загляните под окошко –
Там растянута гармошка,
Но гармошке не играет –
Нам квартиру согревает... (батарея)2) Наша толстая Федора
наедается не скоро.
А зато когда сыта,
От Федоры – теплота... (печь)
Батареи, печи, радиаторы отопления используются человеком для обогрева жилых помещений, а точнее нагревания воздуха в них. Происходит это благодаря конвекции – следующему виду теплопередачи.
Конвекция
– это перенос энергии
струями жидкости или газа. (Слайд 9)
Попробуем объяснить, как происходит
конвекция в жилых помещениях.
Воздух, соприкасаясь с батареей, от нее
нагревается, при этом он расширяется, его
плотность становится меньше плотности холодного
воздуха. Теплый воздух, как более легкий,
поднимается вверх под действием силы Архимеда, а
тяжелый холодный воздух опускается вниз.
Затем снова: более холодный воздух доходит до
батареи, нагревается, расширяется, становится
легче и под действием Архимедовой силы
поднимается вверх и т.д.
Благодаря такому движению воздух в комнате
прогревается.
Бумажная вертушка, помещенная над включенной
лампой, начинает вращаться. (Слайд 10)
Попробуйте объяснить, как это происходит?
(Холодный воздух при нагревании у лампы
становится теплым и поднимается вверх, при этом
вертушка вращается).
Точно также происходит нагревание жидкости. Посмотрите эксперимент по наблюдению конвекционных потоков при нагревании воды (с помощью марганцовки). (Слайд 11)
Обратите внимание, что в отличие от теплопроводности, при конвекции происходит перенос вещества и в твердых телах конвекция не происходит.
Различают два вида конвекции: естественную
и вынужденную.
Нагревание жидкости в кастрюле или воздуха в
комнате – это примеры естественной конвекции.
Для ее возникновения вещества нужно нагревать
снизу или охлаждать сверху. Почему именно так?
Если нагревать будем сверху, то куда будут
перемещаться нагретые слои воды, а куда холодные?
(Ответ: никуда, так как нагретые слои и так уже
наверху, а холодные слои так и останутся внизу)
Вынужденная конвекция наблюдается, если
жидкость перемешивать ложкой, насосом или
вентилятором.
Особенности конвекции: (слайд 12)
- возникает в жидкостях и газах, невозможна в твердых телах и вакууме;
- само вещество переносится;
- нагревать вещества нужно снизу.
Примеры конвекции: (слайд 13)
1) холодные и теплые морские и океанические
течения,
2) в атмосфере, вертикальные перемещения воздуха
приводят к образованию облаков;
3) охлаждение или нагревание жидкостей и газов в
различных технических устройствах, например в
холодильниках и др., обеспечивается
водяное охлаждение двигателей
внутреннего сгорания.
3. Излучение
(Слайд 14)
Всем известно, что
Солнце основной
источник тепла на Земле. Земля находится от него
на расстоянии 150 млн. км. Как передается тепло от
Солнца на Землю?
Между Землей и Солнцем за пределами нашей
атмосферы все пространство – вакуум. А нам
известно, что в вакууме теплопроводность и
конвекция происходить не могут.
Каким способом происходит передача тепла? Здесь
осуществляется еще один вид теплопередачи –
излучение.
Излучение – это теплообмен, при котором энергия переносится электромагнитными лучами.
Отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум.
Посмотрите видеофрагмент об излучении (слайд 15).
Излучают энергию все тела: тело человека, печь,
электрическая лампа.
Чем выше температура тела, тем сильнее его
тепловое излучение.
Тела не только излучают энергию, но и поглощают
ее.
(слайд 16) Причем темные поверхности лучше
поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие
светлую поверхность.
Особенности излучения (слайд 17):
- происходит в любом веществе;
- чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение;
- происходит в вакууме;
- темные тела лучше поглощают излучение, чем светлые и лучше излучают.
Примеры использования излучения тел (слайд 18):
поверхности ракет, дирижаблей, воздушных
шаров, спутников, самолётов, окрашивают
серебристой краской, чтобы они не нагревались
Солнцем. Если наоборот надо использовать
солнечную энергию, то части приборов окрашивают
в темный цвет.
Люди зимой носят темные одежды (черного, синего,
коричного цвета) в них теплее, а летом светлые
(бежевые, белые цвета). Грязный снег в солнечную
погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с
темной поверхностью лучше поглощают солнечное
излучение и быстрее нагреваются.
IV. Закрепление полученных знаний на примерах задач
Игра «Попробуй, объясни» , (слайды 19-25).
Перед вами игровое поле с шестью заданиями, вы можете выбрать любое. После выполнения всех заданий вам откроется мудрое высказывание и тот, кто его очень часто произносит с экранов телевизоров.
1. В каком доме теплее зимой, если толщина стен одинакова? Теплее в деревянном доме, так как дерево содержит 70% воздуха, а кирпич 20%. Воздух - плохой проводник тепла. В последнее время в строительстве применяют «пористые» кирпичи для уменьшения теплопроводности.
2. Каким способом происходит передача энергии от источника тепла к мальчику? Мальчику, сидящему у печки, энергия в основном передается теплопроводностью.
3. Каким способом происходит передача
энергии от источника тепла к мальчику?
Мальчику, лежащему на песке, энергия от
солнца передается излучением,
а от песка теплопроводностью.
4. В каком из этих вагонов перевозят скоропортящиеся продукты? Почему? Скоропортящиеся продукты перевозят в вагонах, окрашенных в белый цвет, так как такой вагон в меньшей степени нагревается солнечными лучами.
5. Почему водоплавающие птицы и другие
животные не замерзают зимой?
Мех, шерсть, пух обладают плохой
теплопроводностью (наличие между волокнами
воздуха), что позволяет телу животного сохранять
вырабатываемую организмом энергию и
защищаться от охлаждения.
6. Почему оконные рамы делают двойными?
Между рамами содержится воздух, который
обладает плохой теплопроводностью и защищает
от потерь тепла.
«Мир интересней, чем нам кажется», Александр Пушной, программа «Галилео».
V. Итог урока
– С какими видами теплопередачи мы
познакомились?
– Определите, какой из видов теплопередачи
играет основную роль в следующих ситуациях:
а) нагревание воды в чайнике (конвекция);
б) человек греется у костра (излучение);
в) нагревание поверхности стола от включенной
настольной лампы (излучение);
г) нагревание металлического цилиндра,
опущенного в кипяток (теплопроводность).
Разгадайте кроссворд (слайд 26):
1. Величина, от которой зависит интенсивность
излучения.
2. Вид теплопередачи, который может
осуществляться в вакууме.
3. Процесс изменения внутренней энергии без
совершения работы над телом или самим телом.
4. Основной источник энергии на Земле.
5. Смесь газов. Обладает плохой
теплопроводностью.
6. Процесс превращения одного вида энергии в
другой.
7. Металл, имеющий самую хорошую
теплопроводностью.
8. Разреженный газ.
9. Величина, обладающая свойством сохранения.
10. Вид теплопередачи, который сопровождается
переносом вещества.
Разгадав кроссворд, вы получили еще одно слово, которое является синонимом к слову «теплопередача» – это слово… («теплообмен»). «Теплопередача» и «теплообмен» – одинаковые по смыслу слова. Используйте их, заменяя одно другим.
VI. Домашнее задание
§ 4, 5, 6, Упр. 1 (3), Упр. 2(1), Упр. 3(1) – письменно.
VII. Рефлексия
В конце урока предлагаем учащимся обсудить урок: что понравилось, что хотелось бы изменить, оценить свое участие в уроке.
Прозвенит сейчас звонок,
Подошел к концу урок.
До свидания, друзья,
Отдыхать пришла пора.
В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.
Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность.
Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.
Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности
Выясним причину этого явления.
При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.
Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.
Конвекция
Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.
Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.
Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.
Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции
Излучение
Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.
Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля - фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.
Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля - фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.
Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение
Рисунок 4 Излучение от Солнца
Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность
В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту, т. е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.
Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.
Процесс
передачи энергии в форме теплоты
подчиняется закону теплопроводности
Фурье: количество теплоты q,
которое переносится за единицу времени
через единицу площади, прямо пропорционально
- градиенту температуры, равному скорости
изменения температуры на единицу длины
х в направлении нормали к этой площади:
, (1)
где λ - коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.
Очевидно,
что теплота Q,
прошедшая посредством теплопроводности
через площадь S
за время t,
пропорциональна площади S,
времени t
и градиенту температуры
:
Можно показать, что
(2)
где с V - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ - плотность газа, <υ> - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, <l > - средняя длина свободного пробега.
Т.е.
видно от каких причин зависит количество
энергии, передаваемое путем
теплопроводности, например, из комнаты
через стенку на улицу. Очевидно, что из
комнаты на улицу передается энергии
тем больше, чем больше площадь стенки
S,
чем больше разность температур Δt
в комнате и на улице, чем больше времени
t происходит теплообмен между комнатой
и улицей и чем меньше толщина стенки
(толщина слоя вещества) d:
~
.
Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Различные вещества при одинаковых условиях передают путем теплопроводности разное количество энергии. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1 м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.
Теория:
Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой, или от одного тела другому, при их непосредственном контакте.
Чем плотнее молекулы расположены друг к другу, тем лучше теплопроводность тела.(теплопроводность зависит от удельной теплоемкости тела)
Рассмотрим опыт, на металлический стержень с помощью воска прикреплены гвоздики. С одного конца, к стержню поднесли спиртовку, тепло со временем распространяется по стержню, воск плавится и гвоздики падают. Это связано с тем, что молекулы при нагревании начинают двигаться быстрее. Пламя спиртовки нагревает один конец стержня, молекулы с этого конца начинают колебаться быстрее, соударяются с соседними молекулами, и передают им часть своей энергии, поэтому внутренняя энергия передается от одной части к другой.
Конвекция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах невозможна.
Излучение - перенос внутренней энергии лучами (электромагнитным излучением).
Задание:
Решение:
Ответ:
2.
1) Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу?
1) путём теплопроводности
2) путём конвекции
3) путём излучения
4) путём теплопроводности и конвекции
Решение (спасибо Алене):
путём излучения. Так как энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью, ведь между человеком и костром находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не может наблюдаться, по скольку костер находился рядом с человеком, а не под ним следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.
Ответ:
3
Задание:
Какое из веществ при нормальных условиях обладает наилучшей теплопроводностью?
1) вода 2) сталь 3) древесина 4) воздух
Решение:
Воздух обладает плохой теплопроводностью так как расстояние между молекулами велико. У стали самая маленькая теплоемкость.
Ответ:
2.
Задание огэ по физике (фипи):
1) Учитель провёл следующий опыт. Два одинаковые по размеру стержня (медный расположен слева, а стальной – справа) с закреплёнными на них с помощью парафина гвоздиками нагревались с торца с помощью спиртовки (см. рисунок). При нагревании парафин плавится, и гвоздики падают.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом излучения.
2) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом конвекции.
3) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности.
4) Плотность меди меньше плотности стали.
5) Теплопроводность меди больше теплопроводности стали
Решение:
Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности, внутренняя энергия переходит от одной части стержня к другой. Теплопроводность меди больше теплопроводности стали, так как медь прогревается быстрее.
Ответ:
35
Задание огэ по физике (фипи):
Два одинаковых бруска льда внесли с мороза в тёплое помещение. Первый брусок завернули в шерстяной шарф, а второй оставили открытым. Какой из брусков будет нагреваться быстрее? Ответ поясните.
Решение:
Быстрее будет нагреваться второй брусок, шерстяной шарф будет препятствовать передаче внутренней энергии из комнаты в брусок. Шерсть плохо проводит тепло, у нее плохая теплопроводность, благодаря этому брусок льда будет нагреваться медленнее.
Задание огэ по физике (фипи):
Горячий чайник какого цвета – чёрного или белого – при прочих равных условиях будет остывать быстрее и почему?
1)
белый, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
2)
белый, так как тепловое излучение от него более интенсивное
3)
чёрный, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
4)
чёрный, так как тепловое излучение от него более интенсивное
Решение:
Черные тела лучше поглощают тепловое излучение, например на солнце быстрее нагреется вода в черной баке, чем в белой. Справедлив и обратный процесс, черные тела остывают быстрее.
Ответ:
4
Задание огэ по физике (фипи):
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путем
1)
теплопроводности
2)
конвекции
3)
конвекции и теплопроводности
4)
излучения и конвекции
Решение:
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться только теплопроводностью. В твердом теле молекулы находятся около положения равновесия, и могут только колебаться около него, поэтому конвекция невозможна.
Ответ:
1
Задание огэ по физике (фипи):
Из какой кружки – металлической или керамической – легче пить горячий чай, не обжигая губы? Объясните почему.
Решение:
Теплопроводность металлической кружки выше, и тепло от горячего чая будет передаваться губам быстрее, и обжигать сильнее.
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, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.
До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией , полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.
Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).
где, как и ранее, q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 -8 Вт/(м 2 DК 4).
Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.
Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце ; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.
