Предмет: Физика и астрономия
Класс: 8 рус
Тема: Теплопроводность, конвекция, излучение.
Тип урока: Комбинированный
Цель занятия:
Учебная: познакомить с понятием теплопередачи, с видами теплопередачи, объяснить, что передача теплоты при любом из видов теплопередачи всегда идет в одном направлении; что в зависимости от внутреннего строения теплопроводность различных веществ(твердых, жидких и газообразных) различна, что черная поверхность лучший излучатель и лучший поглотитель энергии.
Развивающая: развить познавательный интерес к предмету.
Воспитательная: воспитать чувство ответственности, способность грамотно и четко выражать свои мысли, уметь держать себя и работать в коллективе
Межпредметная связь: химия, математика
Наглядные пособия: 21-30 рисунки, таблица теплопроводности
Технические средства обучения: __________________________________________________
_______________________________________________________________________
Структура урока
1. О рганизация урока (2 мин.)
Приветствие учащихся
Проверка явки учащихся и готовности класса к уроку.
2. Опрос домашнего задания(15 мин) Тема: Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии.
3. Объяснение нового материала. (15 мин)
Способ изменения внутренней энергии при котором частицы более нагретого тела, имея большую кинетическую энергию, при контакте с менее нагретым телом передают энергию непосредственно частицам менее нагретого тела называют теплопередачей Существуют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Эти виды теплопередачи имеют свои особенности, однакопередача теплоты при каждом из них всегда идет в одном направлении:от более нагретого тела к менее нагретому . При этом внутренняя энергия более нагретого тела уменьшается, а более холодного –увеличивается.
Явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой или от более нагретоготела к менее нагретому через непосредственный контакт или промежуточные тела называется теплопроводностью.
В твердом теле частицы постоянно находятся в колебательном движении, но не изменяют своего равновесного состояния. По мере роста температуры тела при его нагревании молекулы начинают колебаться интенсивнее, так как увеличивается их кинетическая энергия. Часть этой увеличившейся энергии постепенно передается от одной частицы к другой, т.е. от одной части тела к соседнтм частям тела и т.д. Но не все твердые тела одинаково передают энергию. Среди них есть так называемые изоляторы, у которых механизм теплопроводности происходит достаточно медленно. К ним относятся асбест, картон, бумага, войлок, нранит, дерево, стекло и ряд других твердых тел. Большую теплопроводность имеют медб, серебро. Они являются хорошими проводниками тепла.
Ужидкостей теплопроводность невелика. При нагревании жидкости внутренняя энергия переносится из более нагретой области в менее нагретую при соударениях молекул и частично за счет диффузии: юолее быстрые молекулы проникают в менее нагретую область.
Вгазах, особенно в разреженных, молекулы находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга, поэтому их теплопроводность еще меньше, чем у жидкостей.
Совершенным изолятором является вакуум , поптому что в нем отсутствуют частицы для передачи внутренней энергии.
Взависимости от внутреннего состояния теплопроводность разных веществ(твердых, жидуих и газообразных) различна.
Теплопроводность зависит от характера переноса энергии в веществе и не связана перемещением самого вещества в теле.
Известно, что теплопроводность воды мала, и при нагревании верхнего слоя воды нижний слой остается холдным. Воздух еще хуже, чем вода, проводит тепло.
Конвекция - это процесс теплопередачи, при котором энергия переносится струями жидкости или газа.Конвекция в переводе с латинского означает «перемешивание». Конвекция отсутствует в твердых телах и не имеет места в вакууме.
Широко используемая в быту и технике ковекция является естественной или свободной .
Когда для равномерного перемешивания жидкостей или газов их перемешивают насосом или мешалкой конвекция называется вынужденной.
Теплоприемник –это прибор, представляющий собойплоскую цилиндрическую емкость из металла, одна сторона которой черная, а другая блестящая. Внутри нее имеется воздух, который при нагревании может расширяться и выходить наружу через отверстие.
В случае, когда теплота передается от нагретого тела к теплоприемнику с помощью невидимых глазом тепловых лучей вид теплопередачи называется излучением или лучистым теплообменом
Поглощением называетсяпроцесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию тела
Излучением (или лучистым теплообменом)- называется процесс передачи энергии от одного тела к другому с помощью электромагнитных волн.
Чем больше температура тела, тем выше интенсивность излучения. Передача энергии излучением не нуждается в среде: тепловые лучи могут распространяться и через вакуум.
Черная поверхность -лучший излучатель и лучший поглотитель, а затем следуют грубая, белая и полированная поверхности.
Хорошие поглотители энергии- хорошие излучатели, а плохие поглотители- плохие излучатели энергии.
4. Закрепление : (10 мин) вопросы для самопроверки, задания и упражнения
ные задания:1)Сравнение теплопроводности металла и стекла, воды и воздуха, 2)Наблюдение конвекции в жилом помещении.
6. Оценка знаний учащихся.(1 мин)
Основная литература: Физика и астрономия 8 класс
Дополнительная литература: Н. Д. Бытько «Физика» части 1 и 2
Теория:
Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой, или от одного тела другому, при их непосредственном контакте.
Чем плотнее молекулы расположены друг к другу, тем лучше теплопроводность тела.(теплопроводность зависит от удельной теплоемкости тела)
Рассмотрим опыт, на металлический стержень с помощью воска прикреплены гвоздики. С одного конца, к стержню поднесли спиртовку, тепло со временем распространяется по стержню, воск плавится и гвоздики падают. Это связано с тем, что молекулы при нагревании начинают двигаться быстрее. Пламя спиртовки нагревает один конец стержня, молекулы с этого конца начинают колебаться быстрее, соударяются с соседними молекулами, и передают им часть своей энергии, поэтому внутренняя энергия передается от одной части к другой.
Конвекция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах невозможна.
Излучение - перенос внутренней энергии лучами (электромагнитным излучением).
Задание:
Решение:
Ответ:
2.
1) Турист разжёг костёр на привале в безветренную погоду. Находясь на некотором расстоянии от костра, турист ощущает тепло. Каким способом в основном происходит процесс передачи теплоты от костра к туристу?
1) путём теплопроводности
2) путём конвекции
3) путём излучения
4) путём теплопроводности и конвекции
Решение (спасибо Алене):
путём излучения. Так как энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью, ведь между человеком и костром находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь тоже не может наблюдаться, по скольку костер находился рядом с человеком, а не под ним следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.
Ответ:
3
Задание:
Какое из веществ при нормальных условиях обладает наилучшей теплопроводностью?
1) вода 2) сталь 3) древесина 4) воздух
Решение:
Воздух обладает плохой теплопроводностью так как расстояние между молекулами велико. У стали самая маленькая теплоемкость.
Ответ:
2.
Задание огэ по физике (фипи):
1) Учитель провёл следующий опыт. Два одинаковые по размеру стержня (медный расположен слева, а стальной – справа) с закреплёнными на них с помощью парафина гвоздиками нагревались с торца с помощью спиртовки (см. рисунок). При нагревании парафин плавится, и гвоздики падают.
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом излучения.
2) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом конвекции.
3) Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности.
4) Плотность меди меньше плотности стали.
5) Теплопроводность меди больше теплопроводности стали
Решение:
Прогревание металлических стержней происходит в основном способом теплопроводности, внутренняя энергия переходит от одной части стержня к другой. Теплопроводность меди больше теплопроводности стали, так как медь прогревается быстрее.
Ответ:
35
Задание огэ по физике (фипи):
Два одинаковых бруска льда внесли с мороза в тёплое помещение. Первый брусок завернули в шерстяной шарф, а второй оставили открытым. Какой из брусков будет нагреваться быстрее? Ответ поясните.
Решение:
Быстрее будет нагреваться второй брусок, шерстяной шарф будет препятствовать передаче внутренней энергии из комнаты в брусок. Шерсть плохо проводит тепло, у нее плохая теплопроводность, благодаря этому брусок льда будет нагреваться медленнее.
Задание огэ по физике (фипи):
Горячий чайник какого цвета – чёрного или белого – при прочих равных условиях будет остывать быстрее и почему?
1)
белый, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
2)
белый, так как тепловое излучение от него более интенсивное
3)
чёрный, так как он интенсивнее поглощает тепловое излучение
4)
чёрный, так как тепловое излучение от него более интенсивное
Решение:
Черные тела лучше поглощают тепловое излучение, например на солнце быстрее нагреется вода в черной баке, чем в белой. Справедлив и обратный процесс, черные тела остывают быстрее.
Ответ:
4
Задание огэ по физике (фипи):
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путем
1)
теплопроводности
2)
конвекции
3)
конвекции и теплопроводности
4)
излучения и конвекции
Решение:
В твёрдых телах теплопередача может осуществляться только теплопроводностью. В твердом теле молекулы находятся около положения равновесия, и могут только колебаться около него, поэтому конвекция невозможна.
Ответ:
1
Задание огэ по физике (фипи):
Из какой кружки – металлической или керамической – легче пить горячий чай, не обжигая губы? Объясните почему.
Решение:
Теплопроводность металлической кружки выше, и тепло от горячего чая будет передаваться губам быстрее, и обжигать сильнее.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ В алюминиевую и стеклянную кастрюли одинаковой вместимости налили горячую воду. Какая из кастрюль быстрее нагреется до температуры налитой в нее воды? Алюминий быстрее проводит тепло по сравнению со стеклом, поэтому алюминиевая кастрюля быстрее нагреется до температуры налитой в нее воды
КОНВЕКЦИЯ В промышленных холодильниках воздух охлаждается с помощью труб, по которым течет охлажденная жидкость. Где надо располагать эти трубы: вверху или внизу помещения? Для охлаждения помещения трубы, по которым течет охлажденная жидкость, нужно располагать вверху. Горячий воздух, соприкасаясь с холодными трубами, будет охлаждаться и под действием силы Архимеда опускаться вниз.
Вид теплопередачи Особенности теплопередачи Рисунок Теплопроводность Требует определенного времени Вещество не перемещается Атомно-молекулярный перенос энергии Конвекция Переносится вещество струями Наблюдается в жидкости и газе Естественная, вынужденная Теплый вверх, холодный вниз Излучение Излучают все нагретые тела Осуществляется в полном вакууме Излучается, отражается, поглощается
Теплопередача - самопроизвольный необратимый процесс переноса энергии от более нагретых тел или участков тела к менее нагретым. Теплопередача является способом изменения внутренней энергии тела или системы тел. Теплопередача определяет и сопровождает процессы в природе, в технике и в быту. Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание.
В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.
Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность.
Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.
Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности
Выясним причину этого явления.
При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.
Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.
Конвекция
Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.
Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.
Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.
Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции
Излучение
Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.
Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля - фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.
Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля - фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.
Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение
Рисунок 4 Излучение от Солнца
Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность
В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту, т. е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.
Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.
Процесс
передачи энергии в форме теплоты
подчиняется закону теплопроводности
Фурье: количество теплоты q,
которое переносится за единицу времени
через единицу площади, прямо пропорционально
- градиенту температуры, равному скорости
изменения температуры на единицу длины
х в направлении нормали к этой площади:
, (1)
где λ - коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.
Очевидно,
что теплота Q,
прошедшая посредством теплопроводности
через площадь S
за время t,
пропорциональна площади S,
времени t
и градиенту температуры
:
Можно показать, что
(2)
где с V - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ - плотность газа, <υ> - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, <l > - средняя длина свободного пробега.
Т.е.
видно от каких причин зависит количество
энергии, передаваемое путем
теплопроводности, например, из комнаты
через стенку на улицу. Очевидно, что из
комнаты на улицу передается энергии
тем больше, чем больше площадь стенки
S,
чем больше разность температур Δt
в комнате и на улице, чем больше времени
t происходит теплообмен между комнатой
и улицей и чем меньше толщина стенки
(толщина слоя вещества) d:
~
.
Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Различные вещества при одинаковых условиях передают путем теплопроводности разное количество энергии. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1 м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.
