Підручник Фізика 8 клас - П.Ф. Пістун - Богдан 2016 рік

Розділ І ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§7. Види теплообміну

✓ Які особливості будови газів, рідин і твердих тіл?

✓ Що відбувається з внутрішньою енергією тіла при теплопередачі?

✓ Які способи зміни внутрішньої енергії тіла?

1. Ви вже знаєте, що внутрішню енергію системи можна змінювати шляхом теплообміну. Існує три види теплообміну: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Виконаємо дослід. До металевого стержня за допомогою воску прикріпимо кілька кнопок (рис. 14). Один кінець стержня закріпимо в штативі, а інший будемо нагрівати в полум’ї спиртівки. Через деякий час побачимо, що кнопки почнуть відпадати від стержня: спочатку та кнопка, яка ближче до полум’я, потім наступна і т. д.

Оскільки кнопки відпадали неодночасно, то можна зробити висновок, що температура стержня підвищувалася поступово. Отже, поступово збільшувалася і внутрішня енергія стержня — вона передавалася від одного його кінця до іншого.

Рис. 14

2. Механізм передачі енергії при теплопровідності можна пояснити наступним чином. Частинки металу ближчого до полум’я кінця стержня отримують від нього енергію, їхня кінетична енергія збільшується, вони починають більш інтенсивно коливатися. Оскільки частинки взаємодіють одна з одною, то вони передають частину своєї енергії сусіднім частинкам, змушуючи їх коливатися швидше. Ті, у свою чергу, передають енергію своїм «сусідам», і процес передачі енергії поширюється по всьому стержню. Збільшення кінетичної енергії частинок призводить до підвищення температури стержня.

Важливо, що при теплопровідності не відбувається переміщення речовини від одного тіла до іншого або від однієї частини тіла до іншої, але при цьому передається енергія.

Процес передачі внутрішньої енергії від одного тіла до іншого або від однієї частини тіла до іншої завдяки тепловому руху і взаємодії частинок називають теплопровідністю.

3. Різні речовини мають різну теплопровідність. Для того, щоб з'ясувати, чи хорошу теплопровідність мають рідини, виконаємо дослід. Заповнимо пробірку водою і на дно її покладемо шматочок льоду (рис. 15). Щоб лід не спливав, прикріпимо до нього якийсь металевий предмет. Будемо нагрівати верхню частину пробірки в полум’ї спиртівки. Через деякий час вода у верхній частині пробірки закипить, а лід при цьому не розтане. Отже, вода, так само як і всі рідини, мас погану теплопровідність.

4. З'ясуємо, яку теплопровідністю мають гази. Виконаємо з цією метою дослід. Візьмемо суху пробірку, в якій немає нічого, крім повітря, і розташуємо її над полум’ям спиртівки (рис. 16). Палець, яким тримають пробірку, не відчує тепла. Отже, повітря та інші гази мають погану теплопровідність.

Рис. 15

Рис. 16

Найбільшу теплопровідність мають метали, найменшу — сильно розріджені гази. Це пояснюється особливостями їхньої будови. Молекули газів перебувають одна від одної на відстанях, більших, ніж молекули твердих тіл, і значно рідше стикаються. Тому і передача енергії від одних молекул до інших у газах відбувається не так інтенсивно, як у твердих тілах. Теплопровідність рідин займає проміжне значення між теплопровідністю газів і твердих тіл.

5. Різна теплопровідність речовин ураховується в побуті, в промисловості. Так, посуд, в якому готують їжу, повинен мати хорошу теплопровідність, аби передавати енергію від джерела (газового пальника, електричної плити) до їжі. Такий посуд, зазвичай, виготовляють з металу. Посуд, з якого їдять, навпаки, виготовляють із матеріалів, що мають погану теплопровідність: зі скла, глини, пластмаси. Для того, щоб можна було взяти в руки гарячу каструлю або сковорідку, їхні ручки виготовляють з дерева або інших матеріалів, що мають погану теплопровідність.

Матеріали з малою теплопровідністю, такі, як дерево, цегла, залізобетон (поєднання бетону і сталевої арматури), використовують для будівництва будинків. Це — пористі матеріали, в порах яких міститься повітря, що має погану теплопровідність.

Погану теплопровідність має сніг. Дослідження його властивостей показали, що шар снігу товщиною 16 см дуже добре захищає землю: за 5 днів при температурі -1,4 °С вона промерзає на 2 см. Ґрунт, який не захищений шаром снігу, промерзає на 30 см.

6. Гази і рідини мають погану теплопровідність. Виникає запитання: чому ж нагрівається повітря від батарей водяного опалення, чому нагрівається вода в каструлі на включеній електричній плиті? Щоб на нього відповісти, виконаємо дослід. Наллємо в колбу воду і акуратно опустимо на дно кілька кристаликів мідного купоросу (рис. 17). Будемо нагрівати колбу знизу так, щоб полум’я дотикалося її в тому місці, де лежать кристалики. Можна помітити, що з дна колби будуть підніматися забарвлені струмини води. Досягнувши верхніх шарів води, вони почнуть опускатися.

Це явище можна пояснити наступним чином. Нижній шар води нагрівається від полум’я спиртівки. Нагріваючись, вода розширюється, її об’єм збільшується, а густина відповідно зменшується. На цей шар води діє сила Архімеда, яка виштовхує нагрітий шар рідини вгору. Його місце займає холодний шар води, який опустився вниз. Отже, енергія в даному випадку переноситься потоками рідини, що піднімаються.

Рис. 17

7. Подібним чином здійснюється теплопередача і в газах. Зробимо з паперу вертушку і розмістимо її над електричною лампочкою, включеною в мережу (рис. 18). Вертушка почне обертатися. Це відбувається тому, що нагріті від лампочки менш щільні шари повітря під дією сили Архімеда піднімаються вгору, а більш холодні — опускаються вниз і займають їхнє місце. Шари нагрітого повітря, що піднімаються, призводять до обертання вертушки.

У проведених дослідах ми спостерігали ще один вид теплопередачі — конвекцію.

Конвекція — вид теплопередачі, при якому теплота передається потоками рідини або газу.

Конвекція пов'язана з перенесенням речовини, тому вона може здійснюватися тільки в рідинах і газах; у твердих тілах конвекція не відбувається. Конвекція грає основну роль при утворенні в атмосфері потоків повітря — вітрів.

Рис. 18

8. Вам добре відомо, що Сонце є джерелом тепла на Землі. Виникає питання: як енергія передається від Сонця до Землі? Оскільки в проєгорі між Сонцем і Землею немає повітря, то енергія не може передаватися ні конвекцією, ні теплопровідністю. Передача енергії в цьому випадку здійснюється шляхом випромінювання. Розглянемо цей вид теплопередачі.

Усі нагріті тіла випромінюють енергію. Піднісши руку збоку до спіралі електроплитки, включеної в мережу, або до батареї опалення, ви відчуєте тепло. Чим вище температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Виконаємо дослід. Візьмемо теплоприймач — металеву коробку, одна сторона якої блискуча, а інша — покрита чорною матовою фарбою. Усередині коробочки знаходиться повітря. З'єднаємо теплоприймач з манометром (рис. 19). Наллємо в посудину, в якої одна поверхня біла, а інша — чорна, окріп. Повернемо посудину до чорної сторони теплоприймача спочатку білою стороною, а потім — чорною. Рівень рідини в коліні манометра, що з'єднаний з теплоприймачем, знизиться. При цьому він знизиться більше, коли посудина повернена до теплоприймача чорною стороною.

Рис. 19

Зниження рівня рідини в манометрі відбувається через нагрівання і розширення повітря в теплоприймачі. Отже, повітря, отримуючи від посудини з гарячою водою енергію, нагрівається. Оскільки повітря має погану теплопровідність, то за рахунок цього виду теплопередачі повітря в теплоприймачі нагріватися не може. Не нагрівається він і за рахунок конвекції, тому що посудина і теплоприймач розташовані на одному рівні. Отже, залишається погодитись, що посудина з гарячою водою випромінює енергію.

Дослід також показує, що чорна поверхня посудини випромінює більше енергії, ніж біла.

9. Виявляється, що чорна поверхня не тільки випромінює більше енергії, а й більше поглинає. Це можна довести експериментально. Піднесемо включену в мережу електроплитку спочатку до блискучої сторони теплоприймача, а потім — до чорної (рис. 20).

Рис. 20

Зауважимо, що у другому випадку рідина в коліні манометра, який з’єднаний з теплоприймачем, опуститься нижче, ніж у першому.

Таким чином, тіла з темною поверхнею добре поглинають і випромінюють енергію, а тіла з білою або блискучою поверхнею погано випромінюють і погано поглинають її.

Для збереження їжі і напоїв гарячими використовують термос. Це — металева або скляна посудина з подвійними стінками. Внутрішня і зовнішня поверхні скляної посудини покриті блискучим шаром металу. Повітря між стінками відкачано. Оскільки повітря між стінками посудини немає, то відсутні як конвекція, так і теплопровідність. стінки посудини, завдяки блискучому покриттю, не дають можливості енергії передаватись і випромінюватись. Скляний посуд термоса поміщають у пластмасовий або металевий корпус, щоб захистити від пошкоджень, і закривають корком.

Запитання для самоперевірки

1. Який вид теплопередачі називають теплопровідністю? Наведіть приклади теплопередачі шляхом теплопровідності.

2. Який механізм теплопровідності?

3. Порівняйте теплопровідності газів, рідин і твердих тіл та поясніть причину їхніх відмінностей.

4. Який вид теплопередачі називають конвекцією? Наведіть приклади конвекції.

5. Як відбувається нагрівання води в чайнику? Наведіть приклади теплопередачі шляхом випромінювання.

6. Порівняйте випромінювання і поглинання енергії світлими і темними поверхнями тіл.

Завдання 7

1. Придумайте і проведіть дослід, в якому спостерігається явище теплопровідності води і повітря. Будьте обережні при роботі з вогнем.

2. Чому віконні рами роблять подвійними?

3. У якому випадку швидше розтане лід: якщо в кімнаті його покласти на відкритому місці чи накрити шубою?

4. Придумайте і проведіть дослід зі спостереження конвекції в рідинах і газах.

5. Поясніть, чому опалювальні прилади встановлюють на підлозі (або близько до підлоги) і як відбувається процес нагрівання від них повітря в кімнаті.

6. Чому кватирки для провітрювання кімнат розміщують у верхній частині вікна?

7. Чому в тиху морозну погоду дим, що виходить із труб, піднімається вертикально вгору?

8. Який сніг на відкритій поверхні тане швидше — чистий чи брудний?

9. Чому найвища температура повітря не в полудень, а одразу після полудня?






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.