Конвекция. Излучение.

Урок № 5. Тема: Конвекция. Излучение.

Цель урока: раскрыть механизм передачи энергии в жидкостях и газах; объяснить явление излучения и его особенности.

Демонстрации:

1. Вращение вертушки над горящей лампой.

2. Нагревание раствора медного купороса в колбе.

3. Взаимодействие источника излучения с теплоприемником.

Ход урока

Повторение.

1. Дайте определение теплопередачи. Перечислите три ее вида.

2. Объясните процесс распространения тепла по проволоке. Происходит ли при теплопроводности перенос вещества?

3. Сравните теплопроводности твердых, жидких тел и газов. Почему шерсть, пух, мех и другие пористые тела обладают плохой теплопроводностью?

4. Дайте объяснение очень малой теплопроводности разре­женных газов. Где и как используются вещества с малой теплопро­водностью?

5. Почему ватные пальто и меховые шапки предохраняют те­ло человека и от мороза и от сильной жары? При какой примерно температуре имеет смысл надевать такую одежду в жару?

6. Зачем ствол винтовки (ружья) покрывают деревянной ствольной накладкой?

7. Почему вы обжигаете губы, когда пьете чай из металличе­ской кружки, и не обжигаете, когда пьете из фарфоровой кружки? (Температура чая одинаковая.)

8. В какой обуви больше мерзнут ноги зимой: в просторной или тесной?

Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Явление конвекции в жидкостях и газах.

2. Излучение (лучистый теплообмен)

1. Явление конвекции в жидкостях и газах.

Опр. под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Опыт 1. Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться (этот опыт проиллюстрирован в учебнике на с. 14). Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодных, по­этому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жид­кость.

На опыте 2 по нагреванию пробирки с водой, на дно которой опущены кристаллики медного купороса, мы замечаем голубые «змейки», которые поднимаются вверх (рис. 11).

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это — длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении кон­векционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемеши­вание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности явля­ется то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не пере­носится.

Холодные и теплые морские и океанские течения - примеры конвекции.

1. Излучение (лучистый теплообмен)

Опр. под лучистым теплообменом, или просто излучением, понимают пе­ренос энергии в виде электромагнитных волн.

Любое нагретое тело являет­ся источником излучения. Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в ва­кууме. Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Если поставить опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике на с. 17, мы можем убедиться в том, что от излучателя лучистая энергия попадает на теплоприемник, и нагретый в колене манометра воздух увели­чивает свое давление. Если темную мембрану теплоприемника заменить на зеркальную, то степень поглощения лучистой энергии станет заметно меньше, что видно по малому перепаду уровней жидкости в коленах мано­метра.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отда­ют в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной темпе­ратуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Спо­собность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов (серебристая окраска воздушных ша­ров и крыльев самолетов; темная окраска предметов для большего их нагрева (приборы на искусственных спутниках Земли); крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

Закрепление изученного материала

• Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

• Почему конвекция невозможна в твердых телах?

• Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхно­стью больше нагреваются излучением, чем со светлой.

Домашнее задание: §5, 6; вопросы и задания к параграфу; упр. 2, 3.

Дополнительный материал

Конвекция

С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов в виде очень плотной жидкой массы. Ядро окру­жают полужидкая мантия и литосфера. Самый верхний слой литосферы - земная кора.

Литосфера состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности мантии. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в различных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов.

Там, где плиты расходятся, возникают океанские впадины. В других местах, где плиты сталкиваются, образуются горные массивы. Скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно и плит 2-3 см в год. Однако за геологические эпохи плиты могут переме­щаться на сотни и тысячи километров.

Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни и тысячи раз больше, чем у изоляторов? Дело, очевидно, в структуре металлов, в особенностях металлической связи.

В самом деле, если бы теплопроводность металлов определялась только колебаниями частиц в узлах кристаллической решетки, то она бы не отли­чалась от теплопроводности изоляторов. Но в металлах есть еще множество свободных электронов - электронный газ, который и обеспечивает их вы­сокую теплопроводность.

В участке металла с высокой температурой часть электронов приобре­тает большую кинетическую энергию. Так как масса электронов очень ма­ла, то они легко проскакивают десятки промежутков между ионами. Говорят, что у электронов большая длина свободного пробега. Сталкиваясь с ионами, находящимися в более холодных слоях металла, электроны пере­дают им избыток своей энергии, что приводит к повышению температуры этих слоев.

Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше тепло­проводность. Именно поэтому у чистых металлов, где в кристаллической решетке дефектов относительно мало, теплопроводность велика. У сплавов, где дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше, соответственно меньше и теплопроводность.