Сравнение видов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике.

Урок № 6. Тема: Сравнение видов теплопередачи.

Примеры теплопередачи в природе и технике

Цель урока: Углубить знания учащихся о видах теплообмена и их роли и природе и технике. Рассмотреть примеры использования видов теплообмена в раз­личных областях человеческой деятельности.

Демонстрации:

1. Работа термоса.

2. Работа вертушки над поверхностью горячей воды.

3. Рисунки, слайды, таблицы по примерам теплопередачи и природе и технике.

Ход урока

Повторение изученного материала

1. Что понимают под внутренней энергией тела? При каких условиях внутренняя энергия тела изменяется?

2. Какой процесс называют теплопередачей? Перечислите виды теплопередачи.

3. Раскройте физическую суть процесса нагревания холодной металлической ложки, опущенной в горячую воду. Происходит ли при этом перенос вещества? Какие вещества обладают наибольшей теплопроводностью? наименьшей?

4. Почему при деформации тела его внутренняя энергия из­меняется?

5. Какой процесс называется конвекцией? Дайте объяснение этого процесса. В каких средах она возможна? Почему?

6. Каким видом теплопередачи солнечная энергия передается на Землю? Почему этот вид теплопередачи является единственно возможным в данном случае?

7. Что является источником теплового излучения? Какие тела поглощают излучение лучше? хуже?

8. Проверка решения задач № 1-3 из упр. 2 и № 1-3 из упр. 3.

Самостоятельная работа

Уровень 1

1. Почему ручки кранов у баков с горячей водой делают деревянными?

2. Какие из перечисленных ниже веществ обладают хорошей теплопро­водностью: медь, воздух, алюминий, вода, стекло, водяной пар?

Уровень 2

1. Что стынет быстрее: стакан компота или стакан киселя? Почему?

2. Обыкновенный или пористый кирпич обеспечит лучшую теплоизо­ляцию здания? Почему?

Уровень 3

1. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?

2. Зачем на нефтебазах баки для хранения топлива красят «серебряной» краской?

3. Почему термосы изготавливают круглого, а не квадратного сечения?

Уровень 4

1. Какие тела - твердые, жидкие или газообразные - обладают лучшей теплопроводностью?

2. Когда парусным судам удобнее входить в гавань - днем или ночью?

3. Почему самая высокая температура воздуха не в полдень, а после по­лудня?

4. Почему тонкая полиэтиленовая пленка предохраняет растения от ночного холода?

Фронтальный опрос:

1. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться одина­ково нагретыми?

2. Почему форточки для проветривания комнаты помещают в верх­ней части окна?

3. Почему снег в городе тает быстрее, чем в поле?

4. Почему в низинах растения чаще гибнут от заморозков, чем на возвышенностях?

5. Почему зимой в доме, где рамы двойные, теплее, чем в доме с однократным застеклением?

6. Почему эскимосы зимой смазывают лицо жиром?

7. В каком из двух сосудов закипит быстрее вода? Один сосуд свет­лый, а другой закопченный.

8. Согласны ли вы с утверждением, что шуба «греет»?

Изучение нового материала

Материал урока связан с определением места изученных ранее явлений в нашей жизни, поэтому можно объяснение построить на привлечении раз­личного дополнительного материала, который повысит познавательную деятельность учеников.

1. Ветры

Говоря о конвекционных эффектах, можно привести в качестве примера ветры, которые постоянно дуют в земной атмосфере. Именно перенос вет­рами огромной энергии, либо наоборот, приводит к заметному изменению погоды в данном регионе.

Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по­ низу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или мор­ской) бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начи­нает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой) бриз.

Побережье любого теплого моря зимой всегда имеет более высокую среднюю температуру, чем материковые области, которые могут находиться южнее. Пример. Побережье Мурманской облас­ти и центральная Сибирь. Существование теплых и холодных морских те­чений - тоже примеры конвекционных явлений.

1. Тяга

Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку или печь не будет поступать воздух, то горение прекратится. Для поддержания горения часто используют естественный приток воздуха — тягу. При этом над местом горения топлива устанавливают трубу. Нагреваясь, воз­дух расширяется, и давление в топке и трубе становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений хо­лодный воздух устремляется извне в топку, а теплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга.

С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница дав­лений наружного воздуха и воздуха в трубе. Часто можно в зоне промышленных предприятий увидеть высокие тру­бы из кирпича. Они служат для создания хорошей тяги. Теплый газ или дым легче холодного воздуха, и поэтому он поднимается вверх. Чем боль­ше перепад давления внизу и вверху трубы, тем лучше тяга. Поэтому трубы и делают высокими. Ясно, что из двух труб одинаковой высоты лучшая тяга будет у кирпичной, нежели у металлической. Горячий воздух в метал­лической трубе остывает при подъеме быстрее, отчего тяга уменьшается.

1. Водяное отопление

Жители стран, расположенных в уме­ренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свои жилища в холодную погоду. В жилых помещениях наиболее благо­приятной для человека считается температура 18—20 °С. Для поддержания такой температуры во многих домах применяют водяное отопление. Принцип отопления связан с циркуляцией горячей воды по трубам. Источником горячей воды являются котельные и ТЭЦ. Вода, циркулируя по трубам, отдает часть тепла, охлаждается, затем снова идет на нагрев в ТЭЦ. Любые изменения давления в системе регулируют при помощи рас­ширительных баков.

Нагревание воды в системах центрального отопления проис­ходит за пределами отапливаемого помещения (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ).

От нагревателя горячая вода по трубопроводам поступает в здания. Здесь (рис) она по глав­ному стояку 1 поднимается вверх, а оттуда — по трубам в отопи­тельные приборы (радиаторы 2). По мере охлаждения в них вода возвра­щается вниз и снова поступает к нагревателю. Так осуществляется не­прерывная циркуляция воды по всей системе. В небольших зданиях эта циркуляция возникает благодаря естественной конвекции, а в больших городских домах она происходит за счет действия специальных насосов (искусственная или принудительная конвекция).

Для предотвращения разрушения отопительной системы (в результате увеличения давления при расшире­нии нагреваемой жидкости) главный стояк 1 снабжают расширительным баком 3.

1. Термос

Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чай ник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный тепло обмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобре­тен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряющихся сжиженных га­зов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохра­нения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами (рис.).

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей, показано на рисунке. Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стен­ками. Внутренняя поверхность этих стенок покры­та блестящим металлическим слоем, а из прост­ранства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреж­дений, его помещают в картонный или металли­ческий футляр 3. Сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стен­ками препятствует переносу энергии путем кон­векции и теплопроводности, а блестящий слой на внутренней поверхности термоса препятствует пе­редаче энергии излучением.

Можно в качестве примера провести опыт: налить в открытый сосуд и термос равные порции воды, нагретой до 70°С. Затем, через 10 - 20 минут, измерить температуру в обоих сосудах. Ясно, что в термосе температура изменится очень слабо, а в открытом сосуде - заметно.

Использование теплиц. Роль стекла в создании в теплице оп­ределенного микроклимата (отражение теплового излучения нагре­той солнечными лучами почвы и препятствование конвекции в объеме теплицы).

По ходу объяснения материала заранее подготовленные учащиеся де­лают сообщения по теме, остальные - дополняют, исправляют ответы.

Закрепление материала

1. Какой из видов теплопередачи играет основную роль в нагревании воды в чайнике?

2. Человек греется у костра. Какой из трех видов теплопередачи иг­рает главную роль в передаче тепла от костра к человеку?

3. Почему не падают облака?

4. Стакан наполовину заполнен кипятком. В каком из двух случаев по­лучится менее горячая вода: а) если подождать 5 мин, а затем долить в стакан холодную воду; б) если сразу долить холодную воду, а за­тем подождать 5 мин?

5. Когда тяга в трубах лучше - зимой или летом? Почему?

6. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге - от жары. Объясните целесообразность этого.

7. Почему от закрытого окна, даже если оно плотно закрыто, дует (особенно зимой)?

8. Почему дневной бриз дует с моря в сторону берега, а ночной бриз — с берега в сторону моря?

9. В результате чего возникает тяга?

10. Как устроена система водяного отопления?

11. Расскажите об устройстве термоса. За счет чего в нем удается уменьшить теплообмен? Почему пища в термосе все-таки охлаждается?

Фронтальный опрос

1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Ответ. С увеличением высоты трубы увеличивается раз­ность давлений воздуха внутри трубы (горячего воздуха) и вне ее (более холодного наружного воздуха) на уровне основания трубы, т. е. увеличивается тяга.

1. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

Ответ. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основа­ния трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким обра­зом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

1. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Ответ. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждают­ся быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьша­ется, уменьшается и тяга.

1. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением. Какая из причин нагрева­ния приобретает большее значение при увеличении высоты полета? При уменьшении высоты?

Ответ. На малых высотах, где плотность воздуха значи­тельна, решающую роль в нагреве обшивки космического корабля играет трение о воздух. На больших высотах - нагрев солнечными лучами (трение о воздух становится несущественным).

1. Один из способов поддержания определенной температу­ры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость за­полняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентиля­тора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Ответ. В состоянии невесомости отсутствует естественная конвекция в жидкостях и газах. Поэтому приходится пользоваться вынужденной конвекцией.

Домашнее задание: § 4-6; с 178, № 965, 976, 981.