Основные понятия и определения в теплопередаче конспект
Обновлено: 07.07.2024
Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
-
;
- конвекцией;
- излучением (радиацией).
Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.
Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом.
Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.
Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями.
Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен). Например испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. и.т.д. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества.
Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.
Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.
Виды теплообмена и способы передачи тепла
В физике выделяют несколько видов теплообмена:
Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.
Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.
Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.
Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.
Теплопроводность
В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена.
Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Рассмотрим более подробно теплопроводность.
Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.
Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.
Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах.
Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.
Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.
В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.
Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:
В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.
Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.
Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.
Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.
С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.
Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.
Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.
Конвекция
При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах.
В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:
Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.
Вынужденная конвекция - зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.
Излучение
Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К.
Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.
Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
-
;
- конвекцией;
- излучением (радиацией).
Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть своей кинетической энергии.
Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.
Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-кондуктивным теплообменом.
Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.
Процессы теплообмена могут происходит в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д. В зависимости от этого теплообмен протекает по разному и описывается различными уравнениями.
Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен). Например испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. и.т.д. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА
Виды теплопередачи теплопроводность
1.Цель урока: Дать представление о теплопроводности и объяснить это явление на основе молекулярно-кинетических представлений
1) дать определения основных понятий, изучаемых в данной теме: теплопередачей.
2) установить зависимость теплопроводности от рода вещества
3) учить приводить примеры теплопередачи в природе и технике.
развивающие
1).продолжить развитие умения анализировать опыты и делать на их основе выводы, формирование умения работать в группах;
2)способствовать формированию навыков экспериментальной работы и развитию аналитического мышления учащихся
воспитательные способствовать привитию культуры умственного труда, создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу
3.Тип урока Урок изучения новой темы.
4. Применяемые методы, технологии : технология проблемного обучения, использование элементов ИКТ технологии.
5.Формы работы учащихся групповая работа, индивидуальная работа
6.Необходимое техническое оборудование мультимедийный проектор, выход в Интернет
7.Структура и ход урока
Деятельность учителя
Деятельность ученика
Проверка готовности класса к уроку, приветствие
Формулирует тему урока, цели и задачи, мотивирует учеников на изучение нового материала
Настраиваются на работу, Записывают число и тему урока в тетрадь.
Актуализация знаний учащихся
Проверка домашнего задания. Опрос.
Отвечают домашнее задание
Формулирование вопросов учащимся
Предлагает ответить на вопросы: как вы думаете: что такое теплопроводность, теплопередача? Слушает ответы.
Отвечают на вопросы, слушают одноклассников
Изучение нового материала
Воспринимают информацию, сообщаемую учителем
Объясняет новый материал, опираясь на ресурсы
Формулирование вопросов учащимися
Отвечает на вопросы учащихся
Задают вопросы учителю
Ответы учащихся на вопросы учителя
Задает вопросы учащимся
Отвечают на вопросы учителя
Формулирование контрольного вопроса или задания
Знакомятся с заданием
Выполнение учащимися контрольного задания
Анализирует ответы учащихся, оценивает их деятельность
Записывают домашнее задание
Оценивают работу на уроке
Конспект урока
Эпиграф к уроку на доске: Сено в стогах держит тепло всю зиму.
Мне приходилось ночевать в стогах.
В октябре, когда трава на рассвете
Покрылась инеем, как солью.
К.Паустовский.
I . Актуализация знаний
Перед началом урока можно провести проверку выполнения домашнего задания. Вспомним ранее изученный материал:
Какую энергию называют внутренней энергией тела?
Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию?
Приведите примеры изменения внутренней энергии с помощью совершения работы.
Приведите примеры изменения внутренней энергии способом теплопередачи.
Объясните на основе молекулярного строения тела вещества нагревание спицы, опущенной в горячую воду.
Качественные задачи (решаются устно)
а) Почему из проколотой шины выходит с шипением холодный воздух?
б) Как изменится внутренняя энергия резинового жгута при его растяжении? Почему?
в) Закрытую пробирку погрузили в горячую воду. Изменилась ли кинетическая и потенциальная энергия в пробирке? Если изменилась, то как?
При этом все неточности должны фиксироваться, причем не столько учителем, сколько учениками, которые принимают активное участие в работе.
II . Изучение нового материала
План изложения нового материала:
1. Теплопроводность как способ теплопередачи.
2. Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов.
3. Примеры практического применения явления теплопроводности.
Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи может производиться по- разному. Различают три вида теплопередачи:
Как вы думаете: что такое теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача?
(Учитель слушает ответы учащихся)
Вопрос к учащимся: Когда металлическая ложка помещается в горячий суп, то ее свободный конец вскоре нагревается. Почему?
Демонстрация теплопроводности.
Выслушав ответы, делает вывод:
Теплопроводность (учитель объясняет, что такое теплопроводность).
Теплопроводность – вид теплопередачи, при котором происходит перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, приводящий к выравниванию температур. Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени. Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содержании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.
Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемещается. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.
Вопросы для учащихся:
Почему в морозный день опасно лизать языком металлические предметы и не опасно - деревянные?
Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность.
2.Объяснение теплопроводности твердых тел на основе молекулярно-кинетических представлении. (модель твердого тела)
Механизм теплопроводности:
Амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки в точке А меньше, чем в точке В. Вследствие взаимодействия атомов друг с другом амплитуда колебаний атомов, находящихся рядом с точкой В, возрастает
3.Объяснение теплопроводности жидкостей и газов на основе молекулярно-кинетических представлений.
Вещества, в которых расстояния между молекулами большие - плохие проводники тепла. Это — различные породы древесины, строительный кирпич, в котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теплопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.
3. Примеры практического применения явления теплопроводности.
Для предохранения тела от охлаждения или нагревания применяют вещества с малой теплопроводностью: ручки сковородок, корпус утюга изготавливают из пластмассы, чтобы снять горячие крышки – прихватки из ткани .
Учащиеся объясняют слайды, делают выводы.
III . Закрепление изученного материла
С целью закрепления изученного материла можно провести краткий опрос-беседу по следующим вопросам:
1.Почему ту часть печи, на которой готовят пищу, покрывают чугунной плитой?
2.Почему нагретые детали в воде охлаждаются быстрее, чем на воздухе?
3.Необходимо быстрее охладить бутылку с лимонадом. Куда ее следует поместить бутылку: в снег или измельченный лед, если температура их одинакова?
4.С какой целью трубы водопровода укладывают глубоко под землей?
5. Почему Иванушка - дурачок остался жив после купания в кипящей воде?
Отвечают на вопросы.
Выполнение контрольного задания.
Ученики выполняют тестовые задания.
1.Какие из веществ обладают наибольшей теплопроводностью:
а) бумага, б ) солома, в) серебро, г) чугун?
2. Какие из веществ обладают наименьшей теплопроводностью:
а) бумага, б) солома, в) серебро, г) чугун?
3.Металлическая ручка и деревянная дверь будут казаться на ощупь одинаково нагретыми при температуре:
а) выше температуры тела, б) ниже температуры тела, в) равной температуры тела.
4.Чтобы плодовые деревья не замерзли, их приствольные круги на зиму покрывают опилками. Опилки обладают …. Теплопроводностью
а) хорошей, б) плохой.
5. В каком из перечисленных тел теплопередача происходит главным образом путем теплопроводности?
а) в воздухе, б) в кирпиче, в) в воде.
V . Домашнее задание. §4. Ответить на вопросы. Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады о применении теплопередачи в природе и технике.
Читайте также: