Придумайте и проведите опыт по наблюдению конвекции в жидкостях и газах кратко

Обновлено: 04.07.2024

Се­го­дняш­нее за­ня­тие мы по­свя­тим изу­че­нию сле­ду­ю­ще­го вида теп­ло­пе­ре­да­чи – кон­век­ции. На про­шлом за­ня­тии мы уже го­во­ри­ли о яв­ле­нии теп­ло­про­вод­но­сти, ко­то­рое было свя­зан­но с теп­ло­вым дви­же­ни­ем ча­стиц, в слу­чае же кон­век­ции речь будет идти не о дви­же­нии от­дель­ных ча­стиц, а об их груп­пах. По­про­бу­ем рас­смот­реть яв­ле­ние кон­век­ции с по­зи­ции срав­не­ния с яв­ле­ни­ем теп­ло­про­вод­но­сти и вы­де­ле­ния от­ли­чий между этими ви­да­ми теп­ло­пе­ре­да­чи. Для этого про­ве­дем про­стой опыт.

2. Опыт с нагреванием льда в пробирке с водой

Опыт 1.С на­гре­ва­ни­ем льда в про­бир­ке с водой. На­бе­рем в про­бир­ку воду, по­ме­стим на дно ку­со­чек льда и нач­нем на­гре­вать за­жжен­ной све­чей у верх­не­го края, как это изоб­ра­же­но на ри­сун­ке 1.

Рис. 1. На­гре­ва­ние льда в про­бир­ке с водой.

В ходе про­ве­де­ния опыта мы за­ме­тим, что верх­няя часть про­бир­ки очень на­гре­ет­ся и вода в этой части может даже за­ки­петь, но лед при этом оста­нет­ся в своем кри­стал­ли­че­ском со­сто­я­нии и не рас­та­ет. По­че­му? Это объ­яс­ня­ет­ся недо­ста­точ­ной теп­ло­про­вод­но­стью воды для пе­ре­да­чи тепла в ниж­нюю часть про­бир­ки.

Если же те­перь про­ве­сти ана­ло­гич­ный опыт, но толь­ко рас­по­ло­жить пламя свечи у ниж­не­го края про­бир­ки, то мы уви­дим, как весь лед быст­ро рас­та­ет и вся вода со вре­ме­нем рав­но­мер­но про­гре­ет­ся и даже, воз­мож­но, за­ки­пит.

Про­ве­ден­ные опыты го­во­рят о том, что в дан­ном слу­чае пе­ре­нос энер­гии осу­ществ­ля­ет­ся не путем теп­ло­про­вод­но­сти, а на ос­но­ва­нии неко­го дру­го­го яв­ле­ния, ко­то­рое и имеет на­зва­ние кон­век­ция.

3. Опыт с демонстрацией явления конвекции в газе (в воздухе)

Опыт 2. Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в газе (в воз­ду­хе). Для на­гляд­но­го на­блю­де­ния кон­век­ции в воз­ду­хе возь­мем све­тиль­ник из 4 све­чей и кры­лат­ки, ко­то­рая может сво­бод­но вра­щать­ся, рас­по­ло­жен­ной ввер­ху (см. видео). За­жжем все свечи и сразу же по­лу­чим воз­мож­ность на­блю­дать вра­ще­ние уста­нов­лен­ной на све­тиль­ник кры­лат­ки. По­че­му так про­ис­хо­дит?

Воз­дух на­гре­ва­ет­ся пла­ме­нем каж­дой свечи и рас­ши­ря­ет­ся, вслед­ствие этого умень­ша­ет­ся его плот­ность, и по за­ко­ну Ар­хи­ме­да он на­чи­на­ет под­ни­мать­ся вверх и вра­щать вер­туш­ку. При этом, хо­лод­ный воз­дух, рас­по­ло­жен­ный во­круг, опус­ка­ет­ся, за­ни­мая место на­гре­то­го, на­гре­ва­ет­ся сам и под­ни­ма­ет­ся, об­ра­зуя так на­зы­ва­е­мые кон­век­тив­ные по­то­ки. Таким об­ра­зом, мы можем на­блю­дать яв­ле­ние кон­век­ции в воз­ду­хе для ис­сле­ду­е­мо­го све­тиль­ни­ка.

Ин­те­рес­но то, что при ту­ше­нии све­чек по оче­ре­ди, ско­рость вра­ще­ния кры­лат­ки по­сте­пен­но умень­ша­ет­ся, т. к. умень­ша­ет­ся объем цир­ку­ли­ру­ю­ще­го воз­ду­ха, и мы можем на­блю­дать, что яв­ле­ние кон­век­ции может быть раз­лич­ным по своей эф­фек­тив­но­сти в за­ви­си­мо­сти от усло­вий про­ве­де­ния опыта.

Ана­ло­гич­но более про­стой экс­пе­ри­мент можно про­ве­сти и прак­ти­че­ски без до­пол­ни­тель­но­го обо­ру­до­ва­ния, имея толь­ко ка­ран­даш и вы­ре­зан­ные бу­маж­ные ло­па­сти (см. Рис. 2).

Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в газе (в воз­ду­хе)

Рис. 2. Вра­ще­ние ло­па­стей бла­го­да­ря кон­век­ции воз­ду­ха из-за тепла руки че­ло­ве­ка.

Если на­деть ло­па­сти на острие ка­ран­да­ша и взять его вер­ти­каль­но в руку, то можно будет на­блю­дать вра­ще­ние ло­па­стей из-за воз­ник­но­ве­ния кон­век­тив­ных по­то­ков воз­ду­ха бла­го­да­ря теплу че­ло­ве­че­ской ла­до­ни.

4. Опыт с демонстрацией явления конвекции в жидкости (воде)

Опыт 3.Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в жид­ко­сти (воде). Опу­стим в пра­вое и левое ко­ле­но U-об­раз­ной труб­ки с водой по ложке с мар­ган­цов­кой, ко­то­рая будет вы­сту­пать в роли кра­си­те­ля для де­мон­стра­ции кон­век­тив­ных по­то­ков. Жид­кость на­чи­на­ет по­не­мно­гу окра­ши­вать­ся, но это про­ис­хо­дит бла­го­да­ря яв­ле­нию диф­фу­зии (т. е. из-за непре­рыв­но­го ха­о­тич­но­го теп­ло­во­го дви­же­ния ча­стиц ве­ще­ства), а кон­век­тив­ные по­то­ки пока не будут на­блю­дать­ся. Затем рас­по­ла­га­ем за­жжен­ную свечу под одним из колен труб­ки, как это по­ка­за­но на ри­сун­ке 3.

Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в жид­ко­сти (воде)

Рис. 3.

Де­мон­стра­ция кон­век­ции в жид­ко­сти с по­мо­щью окра­ши­ва­ния кон­век­тив­ных по­то­ков.Мы можем на­блю­дать яв­ле­ние, ана­ло­гич­ное преды­ду­ще­му опыту: на­гре­тая в пла­ме­ни свечи вода рас­ши­ря­ет­ся, умень­ша­ет­ся ее плот­ность, и окра­шен­ные мар­ган­цем по­то­ки нач­нут под­ни­мать­ся вверх. Можно за­ме­тить, что со вре­ме­нем про­гре­ва­ния воды про­цесс кон­век­ции про­те­ка­ет все ин­тен­сив­нее, и кон­век­тив­ные по­то­ки, до­хо­дя до верх­ней части труб­ки, на­чи­на­ют дви­гать­ся по го­ри­зон­таль­но­му участ­ку труб­ки и опус­кать­ся в пра­вом ее ко­лене. Это про­ис­хо­дит из-за того, что хо­лод­ная вода в пра­вом ко­лене опус­ка­ет­ся вниз и дви­жет­ся по ниж­не­му го­ри­зон­таль­но­му участ­ку труб­ки, за­ни­мая место под­няв­шей­ся теп­лой воды. Таким об­ра­зом, мы имеем воз­мож­ность на­блю­дать цир­ку­ля­цию кон­век­тив­ных по­то­ков в жид­ко­сти.

На ос­но­ва­нии про­ве­ден­ных опы­тов сде­ла­ем вывод о том, что такое яв­ле­ние кон­век­ции.

5. Определение понятия конвекция и ее типы

Опре­де­ле­ние: Кон­век­ция – это яв­ле­ние пе­ре­но­са энер­гии стру­я­ми, боль­ши­ми груп­па­ми ча­стиц жид­ко­стей или газов.

Т. е. по срав­не­нию с яв­ле­ни­ем теп­ло­про­вод­но­сти, когда при про­гре­ва­нии жид­ко­стей или газов про­цесс пе­ре­да­чи энер­гии ча­стиц через их дви­же­ние не так эф­фек­ти­вен, как пе­ре­да­ча энер­гии путем дви­же­ния целых групп ча­стиц, всту­па­ет в дей­ствие более ин­тен­сив­ное спо­соб теп­ло­пе­ре­да­чи путем кон­век­ции.

В ре­зуль­та­те рас­смот­рен­ных свойств кон­век­ции можно за­ме­тить, что она имеет место толь­ко в том слу­чае, если речь идет о теп­ло­пе­ре­да­че в ве­ще­стве (а имен­но в жид­ко­сти или газе), если же ве­ще­ства нет, то и не имеет смыс­ла го­во­рить о яв­ле­нии кон­век­ции.

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. В данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Рассмотрим физику данного явления. Будем использовать самый банальный пример — что будет происходить с водой, которую мы нагреваем в кастрюле на плите (рисунок 2) .

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.


Рисунок 3. Наглядное движение окрашенных слоев жидкости.

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,

для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем вентилятор или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту и природе

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).


Рисунок 6. Конвекция воздуха в комнате, обогреваемой батареей.

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.

Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.

Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.

  • Участник:Левина Лилия Петровна
  • Руководитель:Барковский Андрей Станиславович

Диффузия

Сегодня я представлю вам эксперимент по теме диффузия в жидких веществах.

Диффузия так же бывает в твердых и газообразных веществах. Но сегодня мы рассмотрим диффузию в жидкости, а именно в воде.

Целью нашего эксперимента является доказательство того что в жидкостях происходит диффузия.

Выдвинем гипотезу о том что в жидкостях происходит диффузия и докажем это на эксперименте.

Нальем в мензурку воду , далее прильем туда раствор медного купороса ,который имеет темно-голубой цвет.

Вначале между водой и раствором медного купороса будет резкая граница.

Если мензурку оставить в покое на неопределенное время то эта граница начнет постепенно размываться и вся жидкость в мензурке станет светло-голубого цвета.

Это доказывает что произошла диффузия.

В данном случае мы ускорим процесс диффузии механическим путем, придавая молекулам дополнительную энергию и увидим что раствор станет светло-голубым, то есть молекулы воды полностью перемешались с молекулами медного купороса.

Это доказывает что произошла диффузия воды и медного купороса. Таким образом мы доказали что диффузия в жидкостях происходит.

На практике данное явление используется например для размешивания сахара в чашке с чаем.

В природе диффузия происходит при смешивании пресной и соленой воды, при впадении рек в моря.

УМК: Перышкин А.В.Учебник физики 7 класс параграф 10

Спасибо за внимание!

Конвекция в жидкости

Сегодня на опыте будет показано одно из физических явлений -это конвекция в жидкостях .

Конвекция – это перемещение при нагреве теплых слоев жидкости вверх по закону Архимеда, то есть нагретые слои жидкости становятся менее плотными и поэтому поднимаются вверх.

В данном опыте мы используем v-образную трубку с соединяющей перемычкой в верхней части, закрепленную на штативе.

Так же нам понадобится спиртовка, воронка, колба с водой и перманганат калия.

Наливаем воду в трубку чуть выше перемычки.

Под один из концов трубки устанавливаем зажженную спиртовку и начинаем нагревать воду в трубке.

Данное свойство жидкости используется в различных отраслях промышленности, например при отоплении в наших домах.

В природе, например, таким образом происходит круговорот воды.

Для визуального определения движения воды мы используем KMnSO4.

В результате опыта мы доказали что жидкости при нагреве становятся менее плотными и поднимаются вверх.

Спасибо за внимание!

Изменение внутренней энергии пара и превращение ее в механическую энергию

Сегодня я представлю вам эксперимент по теме изменение внутренней энергии и переход ее в механическую энергию.

Целью нашего эксперимента является доказательство того что внутренняя энергия пара может совершать работу и переходить в механическую энергию.

Выдвинем гипотезу о том, что при теплопередаче внутренняя энергия пара может переходить в механическую и совершать работу. Докажем это на эксперименте.

Закрепим на штативе пробирку с водой и плотно закроем пробкой. С помощью спиртовки будем нагревать воду в пробирке, увеличивая внутреннюю энергию молекул.

Через некоторое время пар вытолкнет пробку, тем самым доказывая что внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию пробки, пробка получает импульс и при движении совершает работу.

На практике данное свойство применяется при работе двигателя внутреннего сгорания.

В природе данное явление используется при извержении вулкана.

Придумайте и проведите опыт по наблюдению конвекции в жидкостях и газах.


Конвекция в газах : нагрев воздуха в комнате батареей.

Плотность горячего воздуха меньше, чем плотность холодного, поэтому он поднимается вверх.

Батарею ставят внизу комнаты для того чтобы происходила циркуляция воздуха в комнате, а именно : горячий воздух поднимается вверх, тем самым нагревая холодный воздух в комнате.

Конвекция в жидкостях : процесс кипения воды.


Опишите опыт по наблюдению диффузии в газах?

Опишите опыт по наблюдению диффузии в газах.


Диффузия может проходить ?

Диффузия может проходить .

А. только в газах

Только в жидкостях и газах

Только в жидкостях

В жидкостях, газах и твердых телах.


Диффузия может проходить ?

Диффузия может проходить .

А. только в газах

Только в жидкостях и газах

Только в жидкостях

В жидкостях , газах и твёрдых телах.


Придумайте и осуществите опыт, доказывающий, что звучащее тело колеблется?

Придумайте и осуществите опыт, доказывающий, что звучащее тело колеблется.

Опишите ход проведения опыта и свои наблюдения.


1)Объясните причину конвекции жидкостей и газов?

1)Объясните причину конвекции жидкостей и газов.

2)в чём особенность каждого вида теплообмена?


Диффузия может происходить А?

Диффузия может происходить А.

Только в газах Б.

Только в жидкостях и газах В.

Только в жидкостях Г.

Газах, твердых телах.


В каких телах может происходить конвекция : в твёрдых телах, жидкостях, газах?

В каких телах может происходить конвекция : в твёрдых телах, жидкостях, газах?


По рисунку 2 и 3 опишите опыт по наблюдению диффузии в газах?

По рисунку 2 и 3 опишите опыт по наблюдению диффузии в газах.


Что служит источником физических знаний : а)измерения?

Что служит источником физических знаний : а)измерения.

Б)наблюдение и опыт В)только наблюдение г)только опыт.


Примеры конвекций в газах и в жикостях?

Примеры конвекций в газах и в жикостях.

Читайте также: