Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.
Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.
Лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.
Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими-ся вокруг нас.
Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен .
Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.
Через пробку в нее вста-вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп . Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.
Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши-рился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением .
Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг-нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.
Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше). Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль-ной поверхностью.
Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.
Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни-ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.
Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо-ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.
Описание видеоурока
Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей. Без совершения работы тела могут нагреваться и остывать. Без совершения работы могут перемешиваться теплые и холодные слои жидкостей и газов. Без совершения работы может изменяться внутренняя энергия тела путем излучения, в том числе и через пустоту - вакуум. Рассмотрим виды теплопередачи.
Теплопроводность - явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Можно провести опыт, сконструировав установку: на треноге помещается кольцо из тонкой оцинкованной жести. В кольцо под углом 120 градусов вставляются (прикрепляются) три проволоки (медь, алюминий и сталь) в виде спиц, предварительно нужно окунуть их в расплавленный воск от старых свечей. Пока воск на них застывает, нужно прикрепить хотя бы через сантиметр сапожные гвоздики шляпками к стержню. Три начала спиц близко расположены в середине кольца. Зажжем спиртовку (или таблетку сухого спирта), поместим на подставке так, чтобы три начала спиц одинаково нагревались. И наблюдаем: через некоторое время начинает таять воск и первыми начинают отпадать гвоздики на медной спице, чуть позже - на алюминиевой и ещё позже - на железной.
Металлы обладают хорошей теплопроводностью, плохой теплопроводностью обладают пластмасса, резина, стекло, дерево, плексиглас, большинство изоляторов.
Второй вид теплопередачи - конвекция.
Конвекция - процесс теплообмена, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа. Проведём опыт: в колбу налить подкрашенную воду: капнуть раствора медного купороса или кристаллик марганцовки и снизу на спиртовке (или таблетка сухого спирта, или свеча) нагревать колбу. Через некоторое время можно заметить перемещение слоёв воды снизу вверх (а потом и по кругу).
Воздух - плохой проводник тепла, но он в комнате нагревается сам и, перемешивая тёплые и холодные слои, нагревает всю комнату. Под окнами находятся батареи центрального отопления. Здесь прикоснувшиеся к чугунной батарее, слои теплого воздуха по закону Архимеда, вытесняются холодными и поднимаются вверх. На освободившееся место подходят холодные слои, прикасаясь к поверхности батареи, нагреваются, и опять идут вверх и т.д. Слои теплого и холодного воздуха перемешиваются и нагревают всю комнату.
Третий вид теплопередачи - излучение. Излучение - перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Можно показать распространение солнечного света и тепла, проговорив, что излучение передаётся и через вакуум. Светлая поверхность отражает излучение, а темная поглощает. Поэтому летом нужно использовать светлую одежду, а зимой - темную. Поэтому самолеты и ракеты красят светлой краской, цистерны с перевозимым топливом - то же красят в светлые тона.
Трубы больших котельных строят высокими для того, чтобы «тяга» была лучше: столб теплого воздуха в трубе быстрее поднимается вверх, на его место снизу в топку быстрее поступает воздух с новой порцией кислорода и топливо горит лучше, нагрев воды быстрее, снабжение горячей водой квартир в системе центрального отопления - более уверенное. В термосе учитываются все три вида теплопередачи, чтобы горячий чай дольше не остывал: колба устанавливается на пластмассе, пробка - из пробкового дерева, т.к. у него теплопроводность минимальная, из двустенной колбы выкачан воздух, чтобы исключить конвекцию; и внутренняя поверхность колбы посеребрена, чтобы отражать внутрь тепловое излучение.
Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.
Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.
Особенности процесса
Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.
Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.
Варианты теплообмена
Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.
Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.
Результаты исследований
Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.
Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.
Теплопроводность: общая информация
Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.
Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.
Конвекция
Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.
Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.
В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.
Излучение
Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.
Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.
Особенности передачи тепла
Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.
На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.
Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.
Характеристика процесса теплопроводности
Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины - стационарным видом.
Изотермическая поверхность
Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.
В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.
Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.
Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.
Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.
Закон Фурье
Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.
Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.
Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.
Теплопроводность в твердой стенке
В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.
По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.
Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.
В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.
Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.
Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.
Теплопередача: особенности процесса
Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.
При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.
Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.
В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:
- к поверхности стенки от нагревающей жидкости;
- теплопроводностью через стенку;
- к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.
Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.
Заключение
Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.
Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.
Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.
В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.
В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.
Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.
Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.
Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.
В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.
При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.
Цели урока:
Общеобразовательная: обобщить основные знания по теме «Виды теплопередачи», познакомить восьмиклассников с проявлениями теплопроводности, конвекции, излучения в природе и технике;
Развивающая: продолжить формирование у обучающихся ключевых умений, имеющих универсальное значение для различных видов деятельности - выделение проблемы, принятие решения, поиска, анализа и обработки информации;
Воспитательная: воспитывать коллективизм, творческое отношение к порученному делу.
Подготовительная работа
Урок проводится в виде защиты учебных проектов по темам «Теплопроводность в природе и технике», «Конвекция в природе и технике», «Излучение в природе и технике». Ученики или учитель выбирают руководителя, который формирует на добровольных началах группу. Тема проекта определяется по соглашению или в результате жеребьевки.
Задание каждой группы включает теоретическое обоснование, эксперимент, мультимедийную презентацию.
Учащиеся самостоятельно распределяют обязанности, осуществляют поиск и сбор информации, ее анализ и представление, продумывают план эксперимента, подготавливают необходимое оборудование для его выполнения, обсуждают и объясняют наблюдаемое.
В ходе работы над проектом учитель и ученики тесно сотрудничают, в частности, проводятся консультации, на которых учитель осуществляет контроль и корректировку деятельности учащихся.
Оформление урока
Необходимо подготовить экран и мультимедийный проектор. На экран должен быть спроецирован слайд с названием темы урока. Оборудование для экспериментов следует разместить на демонстрационном столе.
Цели урока:
1. Образовательные:
Обобщить и систематизировать знания учащихся по теме: «Виды теплопередачи»;
Уметь описывать и объяснять такие физические явления, как теплопроводность, конвекция и излучение;
Уметь использовать полученные знания в повседневной жизни.
2. Развивающие:
Развитие слухового и зрительного восприятия;
Развитие мышления, речи, памяти, внимания;
Поиск, анализ и обработка информации.
3. Воспитательные:
Воспитание личностных качеств (аккуратности, умений работать в коллективе, дисциплинированности);
воспитание познавательного интереса к предмету;
способствовать воспитанию всестороннеразвитой личности ребёнка.
Оборудование: экран и мультимедийный проектор, презентация; оборудование, подготовленное каждой группой.
Ход урока.
I . Организационный этап (2 мин.)
Цель: включить учащихся в учебную деятельность, определить содержательные рамки урока:
Ознакомление с планом урока.
II. Актуализация знаний учащихся (35 мин.)
(Сл.1)
Цель: актуализировать знания о видах теплопередачи, обобщить и систематизировать знания о теплопередачи, конвекции и излучении, применить полученные знания в повседневной жизни.
(Сл.2)
1. Что с точки зрения физики объединяет следующие пословицы? (на слайде)
А) За горячее железо нехватайся. Затем кузнец клещи куёт, чтоб рук не ожечь.
Б) Наша изба неравного тепла. На печи тепло, на полу холодно.
В) Красное солнышко на белом свете чёрную землю греет.
Ответ: внутренняя энергия тел изменяется в результате теплопередачи.
2. В чём различие с точки зрения физики явлений, о которых говорится в пословицах ?
Ответ: в этих пословицах говорится о разных способах передачи тепла.
А как называются различнык способы передачи тепла в физике? (Виды теплопередачи)
3. А теперь сформулируйте тему нашего урока.
“Виды теплопередачи”
Учитель: На нашем уроке мы вспомним всё, что изучали по теме: «Виды теплопередачи». Сегодня мы обобщим, систематизируем и закрепим свои знания по данной теме. Полученные знания применим в повседневной жизни.
Построим систему знаний, элементы которой мы узнали при изучении данной темы. Представим это для наглядности в виде схемы.(шаблоны на партах учащихся).
Работаем вместе (заполняем вместе).
(Сл.3)
1) Как будет называться главная фигура, отражающая название темы и схемы?
Ш. - Виды теплопередачи.
У. - Зафиксируем это.Фигура 1-она будет главной в схеме; внесем в нее текст(название), выделим фигуру или текст цветом.
2) Что изменяется в результате теплопередачи? Какаой вид энергии изменяется в результате теплопередачи?
Ш. - Внутренняя энергия тел.
У. - Виды теплопередачи связаны с изменением внутренней энергией тел.
Зафиксируем это в фигуре 2.
3) Какому важному закону подчиняются виды теплопередачи, связанные с изменением внутренней энергии тел?
Ш. - Закону сохранения и превращения энергии.
У. - Верно. Запишем это в фигуре 3. Так как это - один из важнейших законов природы, фигуру 3 разместим над фигурами 1и 2.
4,5,6) С какими конкретными видами теплопередачи мы познакомились?
Ш. - Теплопроводность, конвекция, излучение.
У. - Правильно. Отразим это в схеме, а фигуры расположим под главной в один ряд, так как каждая соотносится с самостоятельным физическим явлением.
Остальные графы обобщающей таблицы, необходимо заполнить на протяжении всего урока, слушая выступления групп и используя полученные нами знания.
У. Наш урок посвящен защите учебных проектов. Мы повторим виды теплопередачи, познакомимся с проявлениями теплопроводности, конвекции, излучения в природе и технике. Три группы выбрали один из видов теплопередачи. Задание включало теорию, эксперимент и создание компьютерной презентации. По итогам защиты группа должна подготовить фотоотчет. Обратите внимание на то, что время защиты проекта не должно превышать 5-7мин.
4. Защита проектов.
(Сл.4)
1. О каком виде теплопередачи говорится в первой пословице?
(Сл.5) (теплопроводность) .
I группа
Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Теплопроводность — вид теплообмена, при котором происходит передача внутренней энергии от частиц более нагретой части тела к частицам менее нагретой части.
Эксперимент
Демонстрация разной теплопроводности серебряной(деревянной) ложки и ложки из нержавеющей стали после нагревания их в горячей воде.
Разные вещества имеют разную теплопроводность. Теплопроводность у металлов хорошая. Например, медь используется при устройстве паяльников. Теплопроводность стали в 10 раз меньше теплопроводности меди. Малой теплопроводностью обладают древесина и некоторые виды пластмасс. Это их свойство используется при изготовлении ручек для нагревательных предметов, например, чайников, кастрюль и сковородок.
Плохой теплопроводностью обладают войлок, пористый кирпич шерсть, пух, мех (обусловленная наличием между их волокнами воздуха), поэтому эти материалы, наряду с древесиной, широко используются в жилищном строительстве.
Мы принесли различные теплоизоляционные материалы- паклю, пенопласт, которые применяют в строительстве. Регулирование теплообмена является одной из основных задач строительной техники. В тех случаях, когда теплообмен является нежелательным, его стараются уменьшить. Для этого используют теплоизоляцию.
Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так хорошо, как и кирпичная стена. Это говорит о том, что воздух обладает плохой теплопроводностью. У жидкостей и газов теплопроводность очень мала, но и а газах и в жидкостях может передаваться тепло.
Как вам ни покажется странным, но и, снег, особенно рыхлый, обладает очень плохой теплопроводностью. Этим объясняется то, что сравнительно тонкий слой снега предохраняет озимые посевы от вымерзания.
Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.
(Сл.11) 2. А о каком виде теплопередачи говорится во второй пословице?
(Сл.12) (конвекция).
II группа
Конвекция - вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа и жидкости.
Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная.
Естественная конвекция - самопроизвольное охлаждение, нагревание, перемещение.
Вынужденная конвекция - перемещение с помощью насоса, мешалки и т.п.
Конвекция в жидкостях. Жидкости и газы нагреваются снизу, так как у них плохая теплопроводность. У горячих слоёв жидкости (газа) плотность уменьшается, и они поднимаются вверх, уступая место более холодным. Возникает циркуляция («движение по кругу») слоёв.
В твердых телах конвекции нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью.
Много проявлений конвекции можно обнаружить в природе и жизни человека. Конвекция также находит применение в технике.
Эксперимент
Демонстрация горения свечи, которую частично накрывают стеклянным цилиндром без дна (внизу оставляют свободное пространство); прекращение горения свечи при полном опускании стеклянного цилиндра.
Эксперимент
На столе два стакана с горячей водой, один стоит на льду, а на крышке другого лежит лед. Учащиеся объясняют, в каком стакане вода остынет быстрее (конвекция в жидкостях).
И чтобы кипяток быстрее остыл, мы ложечкой размешиваем (вынужденная конвекция)
Нагревание и охлаждение жилых помещений основано на явлении конвекции. Так охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Обогревательные приборы располагают внизу.
Бриз - возникает на границе суши и воды, т.к. они нагреваются и остывают по-разному. Вода нагревается и остывает медленнее, чем земля(песок) в 5 раз. Из-за этого днём над сушей образуется область низкого давления, а над морем - область высокого давления. Возникает движение воздушных масс из области высокого давления в область низкого давления, что и называется дневным бризом. Ночью все происходит наоборот.
(Сл.19 ) 3. А о каком виде теплопередачи говорится в третьей пословице?
(Сл.20) (излучение).
III группа
Излучение (лучистый теплообмен) - вид теплопередачи, при котором энергия переносится тепловыми лучами (электромагнитными волнами).
Происходит всегда и везде. Может осуществляться в полном вакууме.
Излучение происходит от всех нагретых тел (от человека, костра, печи и т..д.)
Чем больше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение.
Тела не только излучают энергию, но и поглащают.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.
Солнце- источник энергии на Земле.
Как передается солнечное тепло на Землю? Ведь в космическом пространстве нет ни твердых, ни жидких, ни газообразных тел. Следовательно, космическое пространство не может передавать тепло Солнца на Землю ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Дело в том, что тепло от Солнца к Земле передается также как сигнал с радиостанции приемнику, - электромагнитными волнами.
Много проявлений теплового излучения можно обнаружить в природе и жизни человека. Тепловое излучение также находит применение в технике.
Способность тел по разному поглощать энергию излучения используется человеком.
Вспаханная почва, почва с растительностью (Слайд). Днем почва поглощает энергию и нагревается излучением, но быстрее и охлаждается. На ее нагревание и охлаждение влияет присутствие растительности. Так, темная вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью.
На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается - излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. В такие ночи ранней весной возможны заморозки на почве. Если же погода облачная, то облака закрывают Землю и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения.
Демонстрация макета теплицы. Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Также пленка (стекло) препятствует движению теплого воздуха вверх, т.е. осуществлению конвекции. Таким образом, стекла теплиц действуют как «ловушка» энергии. Внутри теплиц температура выше, чем на незащищенном грунте, примерно на 10° С.(обогревают теплицу лампой и измеряют температуру снаружи и внутри теплицы, и она оказывается различной).
Какой из чайников быстрее остынет?
Для чего самолёты красят серебряной краской, а душ на даче в темный?
(Сл. 26) Термос (строение)
- Как уберечь энергию? (объясняют принцип действия и устройство термоса, акцентируя внимание на видах теплопередачи.)
Пробка (Закрепить конвекцию)
Вакуум (Долой теплопроводность)
Зеркало (Прочь излучение)
(Сл.27)
5. Обсуждение результатов заполнения таблицы
III. Заключение (3 мин)
Подведение итогов по всем этапам работы.
Рефлексия учащихся.
IV На дом:
повторить § 3 - 6, продолжить заполнение табл. дома,
творческое задание: составить кроссворды по теме « Виды теплопередачи».
Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады о применении теплопередачи в природе и технике. Примерными темами докладов могут быть: «Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос», «Виды теплопередачи в быту», «Теплопередача в атмосфере», «Учет и использование видов теплопередачи в сельском хозяйстве» и др.
Рефлексия
Если вы поняли материал, можете его рассказать и объяснить, то поставьте себе “5”.
Если материал поняли, но есть некоторые сомнения в том, что вы сможете его воспроизвести, то “4”.
Если материал усвоен слабо, то “3”.
Поднимите «смайлики”. С каким настроением у нас закончился урок?
Рефлексия урока .
Учащимся предлагается заполнить листы рефлексии.
сегодня я узнал…
было интересно…
я приобрел…
меня удивило…
урок дал мне для жизни…
мне захотелось…и я
Подведение итогов урока, выставление отметок.
или
III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП (3 мин)
Цель: дать анализ и оценку успешности достижения цели и наметить перспективу последующей работы;; поблагодарить одноклассников, которые помогли получить результаты урока.
Основы теории теплообмена.
Теплопередача – наука, занимающаяся изучением теплообмена между телами и распределением температуры в телах.
Основные формы передачи теплоты:
1. Теплопроводность.
2. Конвективный теплообмен.
3. Лучистый теплообмен.
Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты путем непосредственного соприкосновения тел или отдельных частей тела, имеющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происходит за счет передачи энергии микродвижения одних частиц другим.
В чистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а также в неподвижных газах и жидкостях в том случае, когда в них отсутствует конвекция.
Тепловой поток , .
Закон Фурье: тепловой поток пропорционален градиенту температуры и площади, то есть .
Плотность теплового потока , .
Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности через единичную толщину стенки при перепаде температуры в один градус, .
Конвективный теплообмен – процесс передачи теплоты, который осуществляется в пространстве (в объёме), за счёт движения макро частиц.
В этом процессе идёт совместное действие конвекции (движения) и передачи теплоты за счёт теплопроводности.
Уравнение Ньютона: , где - толщина приграничного слоя, в котором теплопередача происходит за счёт теплопроводности; - коэффициент конвективного теплообмена, .
Лучистый теплообмен – передача теплоты осуществляется в пространстве за счёт энергии электромагнитных волн.
Закон Стефана-Больцмана: , где - интенсивность излучения абсолютно чёрного тела.
Уравнение Ньютона-Рихмана: , где - коэффициент лучистого теплообмена.
Теплопроводность.
Температурное поле – совокупность значений температур в отдельных точках тела в зависимости от времени и пространственных координат.
Математическая запись нестационарного трёхмерного температурного поля: . Математическая запись стационарного трёхмерного поля: . Это поле называется стационарным, так как .
Изотермическая поверхность – геометрическое место точек имеющих одинаковую температуру.
Изотерма – пересечение изотермической поверхности с перпендикулярной плоскостью.
Изотермическая поверхность либо замыкается внутри тела, либо обрывается на его границе.
Температурный градиент есть вектор направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный пределу отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали ( 0 С/м )
Закон Фурье:
Тепловой поток: , .
Плотность теплового потока: , , .
Задачи теории теплопроводности:
1. Найти нестационарное трёхмерной температурное поле, .
2. Найти тепловой поток и плотность теплового потока, , .
Вопрос №32
Дифференциальное уравнение теплопроводности.
Условности:
1. Теплофизические свойства системы: , , .
2. Микрочастицы тела неподвижны.
3. Внутренние источники теплоты распределены в теле равномерно.
Где – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в любой точке тела, ;
– теплоемкость тела; – плотность тела; – объемная плотность тепловыделения, вm/м 3 ; – температура; – оператор Лапласа.
(для полярных координат , , ), .
Условия однозначности – математическое описание частных особенностей рассматриваемого процесса.
Решая уравнение , получим общее решение, которое в совокупности с условиями однозначности даст нам частные решения.
Условные однозначности:
1. Геометрические условия:
a. Форма тела:
i. Плоское тело.
ii. Цилиндрическое тело.
iii. Сферическое тело.
b. Ограниченное тело.
c. Неограниченное тело.
2. Физические условия:
a. Характер изменения физических параметров:
i. Характер изменения .
ii. Характер изменения .
iii. Характер изменения .
iv. Характер изменения .
3. Начальные условия (временные):
4. Граничные условия:
a. Граничные условия первого рода – закон изменения температуры на границе тела:
b. Граничные условия второго тела – закон изменения температурного потока в стенке тела:
c. Граничные условия третьего рода:
i. Закон изменения температуры окружающей среды.
ii. Закон, по которому идёт теплообмен тела с окружающей средой, .
d. Граничные условия четвёртого рода, .
Вопрос №33
1. Плоская стенка.
Дано: , , .
Найти: , , .
Решение:
Общее решение: .
Граничные условия: .
Термическое сопротивление плоской стенки - .
Отношение называется тепловой проводимостью стенки.
Вопрос №34
Рассмотрим передачу тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку (рис. 2б) при условиях: толщина слоев стенки , , ;
коэффициенты теплопроводности материалов соответственно , , ; контакт между стенками идеальный и температура на границе смежных слоев одинакова. Перенос тепла происходит в стационарных условиях – плотность теплового потока по всем слоям стенки имеет одно и то же значение (q=idem ). В этих условиях:
Выделим из этого ряда равенств разности температур (падение температуры по слоям стенки)
Складывая левые и правые части уравнений разности температур, получаем слева изменение температуры в стенке , справа – произведение плотности теплового потока q и общего термического сопротивления
Таким образом, для плотности теплового потока при переносе тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку получим следующее выражение:
В общем случае для стенки, состоящей из n – слоев , это выражение запишется так:
где R – общее термическое сопротивление многослойной стенки.
Вопрос №35
Количество теплоты, отдаваемое жидкостью твердой стенке или воспринимаемое жидкостью от стенки, определяется уравнением Ньютона–Рихмана
а плотность теплового потока следующим образом
где α – коэффициент, характеризующий условия теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела, называемый коэффициентом теплоотдачи , Вт/(м 2 ·°C) ; – температурный напор, 0 С .
В соответствии с формулой (61) по своему физическому смыслу коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока (q) на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды. Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.
Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов. В наиболее общем случае является функцией формы и размера тела, режима движения жидкости, физических свойств жидкости, положения в пространстве и состояние поверхности теплообмена и других величин. Процесс теплоотдачи в зависимости от природы движения жидкости протекает различно.
Вопрос №36
Лучистый теплообмен.
Твёрдые тела излучают и поглощают энергию во всём диапазоне длин волн поверхностным слоем. Интенсивность излучения зависит только от температуры. Жидкости ведут себя аналогичным образом. Газы излучают и поглощают энергию в ограниченном диапазоне длин волн всем объёмом. Интенсивность излучения газов зависит от температуры, толщины слоя и парциального давления компонентов.
Лучистая энергия - энергия, излучаемая телом во всём диапазоне длин волн, .
Интенсивность излучения – количество энергии, излучаемой с единицы поверхности, .
Лучистую энергию можно найти по формуле: .
Закон сохранения энергии: .
Где - коэффициент отражения, - коэффициент поглощения, - коэффициент прозрачности.
Если , то есть ,то тело называется абсолютно белым.
Если , то есть , то тело называется абсолютно чёрным.
Плотность интегрального излучения, отнесенная к рассматриваемому диапазону длин волн, называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м 3):
Угловая интенсивность: .
Спектральная угловая интенсивность: .
Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела E 0λ от длины волны λ и температуры Т
Закон Стефана-Больцмана: .
Степень черноты: .
3акон Кирхгофа формулируется так: отношение плотности полусферического интегрального излучения к поглощательной способности одинаково для всех тел имеющих одинаковую температуру и равно плотности интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела при той же температуре : , где - коэффициент поглощения.
Количество теплоты, которое останется у одного из двух тел: .
Закон смещения Вина гласит – длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (E 0λ =max) , обратно пропорциональна абсолютной температуре рис.11
Вопрос №37
Теплообмен излучением между твердыми телами.
На основании законов излучения получено расчетное уравнение лучистого теплообмена между телом 1 произвольной формы и поверхностью другого, большего и охватывающего его тела 2 (рис. 14)
где Q 1,2 – тепловой поток, передаваемый излучением телом 1 телу 2, Вт;
ε 1,2 – приведенная степень черноты тел 1 и 2, определяемая из выражения
F 1 и F 2 – площади поверхностей тел 1 и 2, м 2 ; Т 1 и Т 2 - абсолютная температура поверхностей тел 1 и 2, К.
Такой случай еще называют теплообменом излучением между телом и его оболочкой; внутреннее тело всегда тело 1.
Частный случай рассмотренного теплообмена - теплообмен между двумя параллельными неограниченными стенками (рис. 15). Когда F 1 = F 2 = F , применяют расчетное уравнение теплообмена излучением, а приведенная степень черноты определяется из выражения
Уравнение (2.57)можно использовать для расчета лучистого теплообмена между двумя телами любой формы и произвольного их расположения, только в каждом частном случае для определения приведенных степени черноты и поверхности (для ε 1,2 и F 1,2 ) имеются свои расчетные выражения.
Вопрос №38
Теплопередача чрез плоскую однослойную и многослойную
плоскую стенку
Уравнение теплопроводности: .
Граничные условия первого рода: .
Граничные условия третьего рода: , .
В этом ряду равенств первое уравнение определяет количество теплоты, передаваемой конвекцией (и излучением) от горячего теплоносителя к стенке; второе уравнение – то же количество теплоты, передаваемой теплопроводностью через стенку; третье уравнение – передачу того же самого количества теплоты, передаваемого конвекцией (и излучением) от стенки к холодному теплоносителю.
Выделим из этого ряда равенств разности температур
Складывая левые и правые части уравнений характеризующих разности температур и учитывая, что получим выражение для итоговой разности температур
где –термическое сопротивление плоской стенки (м 2 0 С\Bm )
Отсюда, следует выражение для плотности теплового потока и теплового потока (уравнение теплопередачи плоской стенки)
где q – плотность теплового потока (Вт/м 2) ;
Q – тепловой поток (Вт) ;
k=1/R – коэффициентом теплопередачи плоской стенки (Вт/м 2 ºС)
где -термическое сопротивление теплопередачи плоской стенки (м 2 ºС/Вт);
; - термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя, теплопроводности плоской стенки и термические сопротивления теплоотдачи со стороны холодного теплоносителясоответственно.
Температура внутренней и наружной поверхности стенки определяется из следующих соображений:
отсюда имеем
В случае многослойной стенки
Вопрос № 39
Теплопередача – передача теплоты от одного носителя к другому через разделяющую их твёрдую поверхность.
Стационарный процесс – процесс, при котором температуры сред не меняются, то есть .
Нестационарный процесс – процесс, при котором температуры сред меняются, то есть .
Для криволинейных стенок коэффициент теплопередачи принято определять по тому же уравнению, что и для плоской стенки В этом случае для криволинейных стенок расчетная поверхность теплопередачи определяется из выражения
Водяной эквивалент поверхности теплопередачи .
Для цилиндрических стенок: .
Линейный коэффициент теплопередачи: .
Коэффициент теплопередачи для внутренней стенки: .
Коэффициент теплопередачи для внешней стенки: .
Вопрос №40-41
Классификация теплообменных аппаратов.
1. По типу действия:
a. Аппараты поверхностного типа – аппараты, в которых передача теплоты идёт при наличии твёрдой поверхности.
i. Регенеративные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность попеременно омывается горячим и холодным теплоносителями. Эти аппараты используются в случаях, когда теплоносители обладают высокими температурами, или когда теплоносители не являются чистыми.
ii. Рекуперативные аппараты – аппараты поверхностного типа, в которых твёрдая поверхность омывается непрерывно горячим и тёплым теплоносителями через разделяющиеся поверхности.
1. Кожухо-трубные теплообменные аппараты.
2. Аппараты типа «труба в трубе»:
a. Однопоточные аппараты типа «труба в трубе».
b. Многопоточные аппараты типа «труба в трубе».
b. Аппараты смесительного типа – аппараты, в которых идёт непосредственное перемешивание горячих и холодных теплоносителей.
Схема аппарата типа «труба в трубе»:
Аппараты такого типа имеют простую конструкцию и высокие скорости потока, однако, для получения больших мощностей аппарата требуется установка большого количества элементов конструкции и сам аппарат будет занимать много места.
Схема аппарата кожухо-трубчатого типа:
В таких аппаратах возможно создание прямоточных, противоточных, перекрёстноточных, U-образных симметричных и других потоков.
Тепловой баланс теплообменного аппарата: , где - коэффициент эффективности теплового аппарата, .
1. (гидравлическое сопротивление мало), тогда , , , при .
2. Конденсатор.
3. Испаритель.
Мощность теплового аппарата (уравнение Гросгофа) : , где - средняя разность температур.
Для прямотока: , .
Для противотока: , .
Где и - водяные эквиваленты поверхности теплообмена.
Для любой схемы может быть определено в соответствие с двумя методиками:
1. Классическая методика: , где - коэффициент, зависящий от типа и свойств теплого аппарата, определяется по графикам функций и .
2. Метод Белоконя. Индекс противоточности:
Для прямотока .
Для противотока .
Для U-образной симметричной схемы .
Для любой схемы средняя разность температур: .
Вопрос №42
Различают два типа расчётов тепловых аппаратов:
1. Расчёт первого рода (конструктивный). Известно: , , , , , , , . Задача: Выбор или конструирование теплообменного аппарата ( , ). , и - температура конденсации.
1. Парокомпрессионные холодильные машины, в которых рабочим телом является пар, а рабочий процесс протекает в компрессоре.
2. Воздушные холодильные машины, в которых рабочим телом является воздух.
3. Абсорбционные холодильные машины, в которых идёт поглощение паров водными растворами.
4. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.
Рабочий процесс парокомпрессионной холодильной установки:
1-2 – адиабатическое сжатие; 4-5 – процесс дросселирования.
Схема парокомпрессионной холодильной установки:
Такие установки работают в следующем интервале температур: .
8. Пароструйные холодильные машины, имеющие инжекторы в качестве исполнительного механизма.