Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.
Что представляет собой?
В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.
Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания - это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи в твердых телах.
Яркие примеры конвекции - перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.
Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел
Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.
Возникновение понятия
Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.
Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.
Виды конвекции
Существует несколько видов описываемого нами явления - естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.
Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.
Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.
Конвекция в слоях земной коры
Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще Рассматривать можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.
Окружающими слоями для выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.
Отличия конвекции от теплопроводности
Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.
Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.
Примеры явления
Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.
Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.
Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.
На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.
Хорошие примеры конвекции - образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине посредством которых происходит выброс в атмосферу, делают максимально высокими.
Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике
Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:
- движение во время работы бытовых батарей отопления;
- образование и движение облаков;
- процесс движения ветра, муссонов и бризов;
- смещение тектонических земных плит;
- процессы, которые приводят к свободному газообразованию.
Приготовление пищи
Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.
Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.
Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.
Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!
Если вытянуть руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно ощутить, как над этими предметами поднимаются струи теплого воздуха. Листик бумаги, подвешенный над горящей свечей или электрической лампочкой, под воздействием поднимающегося теплого воздуха начинает вращаться.
Подобное явление можно объяснить следующим образом. Воздух соприкасается с горячей лампой, нагревается, расширяется и обретает менее плотное состояние, в отличие от окружающего холодного воздуха. Сила Архимеда, которая действует на теплый воздух со стороны холодного воздуха снизу вверх, превосходит силу тяжести, которая действует на теплый воздух. Таким образом, теплый воздух поднимается вверх, тем самым, уступая место холодному воздуху.
Подобные явления мы можем наблюдать при нагревании жидкости снизу. Теплые слои жидкости – менее плотные, а, следовательно, более легкие – вытесняются вверх более плотными и тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла и снова вытесняются менее нагретой жидкостью. Таким образом, такое движение равномерно прогревает всю воду. Это можно увидеть более наглядно, если на дно сосуда положить немного кристалликов марганцовки, которая окрашивает воду в фиолетовый цвет. В подобных опытах мы можем наблюдать еще одну разновидность теплопередачи – конвекция (латинское слово «конвекцио» – перенесение).
Следует отметить, что при процессе конвекции энергия перемещается самими струями газа или жидкости. К примеру, в комнате с отоплением, благодаря явлению конвекции поток нагретого воздуха поднимается к потолку, а холодного опускается к полу. Таким образом, воздух вверху гораздо теплее, чем возле пола.
Существует два вида конвекции: естественная (или другими словами свободная) и вынужденная. Примеры с нагревом жидкости и воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Мы можем наблюдать вынужденную конвекцию, когда перемешиваем жидкость ложкой, мешалкой, насосом.
Такие вещества как жидкости и газы необходимо нагревать снизу. Если же делать наоборот – нагревать их сверху, конвекции не будет. Теплые слои не могут физически опуститься ниже холодных, более плотных и тяжелых. Таким образом, для протекания процесса конвекции необходимо нагревать газы и жидкости снизу.
В твердых телах конвекция происходить не может. Нам уже известно, что в твердых телах, частицы колеблются около определенной точки, т.к. они удерживаются взаимным притяжением. Поэтому, при нагревании твердых тел, в них не может образовываться вещество. В твердых телах, энергия может передаваться за счет теплопроводности.
Конвекция широко распространена в природе: в нижних слоях земной атмосферы, морях, океанах, в недрах нашей планеты, на Солнце (в слоях до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности). С помощью явления конвекции осуществляют нагрев газов, а также жидкостей в разных технических устройствах.
Простым примером конвекции может также послужить охлаждение продуктов в холодильнике. Циркулирующий по трубам холодильника газ фреон, охлаждает пласты воздуха 
в верхней части холодильника. Охлажденный воздух, спустившись вниз, охлаждает все продукты, а потом снова направляется вверх. Когда мы раскладываем продукты питания в холодильнике, не стоит затруднять циркуляцию воздуха в нем. Решетка, расположенная ссади холодильника, служит для отвода теплого воздуха, который образуется в компрессоре при сжатии газа. Механизм охлаждения решетки также конвективный, поэтому следует оставлять свободным пространство за холодильником, чтобы конвекция проходила без затруднений.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Если вытянуть руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно ощутить, как над этими предметами поднимаются струи теплого воздуха. Листик бумаги, подвешенный над горящей свечей или электрической лампочкой, под воздействием поднимающегося теплого воздуха начинает вращаться.
Подобное явление можно объяснить следующим образом. Воздух соприкасается с горячей лампой, нагревается, расширяется и обретает менее плотное состояние, в отличие от окружающего холодного воздуха. Сила Архимеда, которая действует на теплый воздух со стороны холодного воздуха снизу вверх, превосходит силу тяжести, которая действует на теплый воздух. Таким образом, теплый воздух поднимается вверх, тем самым, уступая место холодному воздуху.
Подобные явления мы можем наблюдать при нагревании жидкости снизу. Теплые слои жидкости – менее плотные, а, следовательно, более легкие – вытесняются вверх более плотными и тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла и снова вытесняются менее нагретой жидкостью. Таким образом, такое движение равномерно прогревает всю воду. Это можно увидеть более наглядно, если на дно сосуда положить немного кристалликов марганцовки, которая окрашивает воду в фиолетовый цвет. В подобных опытах мы можем наблюдать еще одну разновидность теплопередачи – конвекция (латинское слово «конвекцио» – перенесение).
Следует отметить, что при процессе конвекции энергия перемещается самими струями газа или жидкости. К примеру, в комнате с отоплением, благодаря явлению конвекции поток нагретого воздуха поднимается к потолку, а холодного опускается к полу. Таким образом, воздух вверху гораздо теплее, чем возле пола.
Существует два вида конвекции: естественная (или другими словами свободная) и вынужденная. Примеры с нагревом жидкости и воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Мы можем наблюдать вынужденную конвекцию, когда перемешиваем жидкость ложкой, мешалкой, насосом.
Такие вещества как жидкости и газы необходимо нагревать снизу. Если же делать наоборот – нагревать их сверху, конвекции не будет. Теплые слои не могут физически опуститься ниже холодных, более плотных и тяжелых. Таким образом, для протекания процесса конвекции необходимо нагревать газы и жидкости снизу.
В твердых телах конвекция происходить не может. Нам уже известно, что в твердых телах, частицы колеблются около определенной точки, т.к. они удерживаются взаимным притяжением. Поэтому, при нагревании твердых тел, в них не может образовываться вещество. В твердых телах, энергия может передаваться за счет теплопроводности.
Конвекция широко распространена в природе: в нижних слоях земной атмосферы, морях, океанах, в недрах нашей планеты, на Солнце (в слоях до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности). С помощью явления конвекции осуществляют нагрев газов, а также жидкостей в разных технических устройствах.
Простым примером конвекции может также послужить охлаждение продуктов в холодильнике. Циркулирующий по трубам холодильника газ фреон, охлаждает пласты воздуха в верхней части холодильника. Охлажденный воздух, спустившись вниз, охлаждает все продукты, а потом снова направляется вверх. Когда мы раскладываем продукты питания в холодильнике, не стоит затруднять циркуляцию воздуха в нем. Решетка, расположенная ссади холодильника, служит для отвода теплого воздуха, который образуется в компрессоре при сжатии газа. Механизм охлаждения решетки также конвективный, поэтому следует оставлять свободным пространство за холодильником, чтобы конвекция проходила без затруднений.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
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)
- вынужденная
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.