06. Конвекция

Опыт с нагреванием льда в пробирке с водой

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.

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

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».

Конвекция и теплопроводность

При нагревании верхней части пробирки мы не заметим нагревания ее нижней части. Значит ли это, что вода не обладает теплопроводностью? Нет, тепло передается от верхней части воды вниз. Но теплопередача посредством теплопроводности в воде происходит намного медленнее, чем посредством конвекции при нагревании нижней части пробирки. Поэтому считаем, что определяющим механизмом теплопередачи в пробирке является конвекция.

В переводе с латинского слово «конвекция» означает «перенесение, перенос». Продемонстрируем явление конвекции в газах и жидкостях на двух опытах.

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 и расположена вверху. Зажжем все свечи и сразу же имеем возможность наблюдать вращение установленной на светильник крылатки (рис. 3). 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.

Конвекция в квартире

Наверняка в каждой квартире есть комната, в которой больше источников тепла, чем в соседней: кухня с печкой, комната с горячей батареей, в то время как, например, в коридоре источников тепла нет. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха. Сделать это можно, наблюдая за пламенем спички или зажигалки, только делать это нужно очень осторожно.

Если поместить зажигалку внизу проема, будем наблюдать поток холодного воздуха, потому что холодный воздух имеет большую плотность и находится внизу. Мы увидим, что холодный воздух движется из холодной комнаты в теплую. Если же поместить зажигалку вверху проема, увидим направление потока менее плотного теплого воздуха. Естественно, что теплый воздух движется из теплой комнаты в холодную (рис. 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 (рис. 5), т. е. из-за непрерывного хаотичного теплового движения частиц вещества. Конвективные потоки пока не будут наблюдаться.

Затем располагаем зажженную свечу под одним из колен трубки (рис. 6).

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.

Определение понятия конвекции и ее типы

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

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 интенсивный способ теплопередачи – путем конвекции (рис. 7).

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.

Различают два типа конвекции (рис. 8).

1. Свободная – как правило, отвечает за описание связанных с ней природных явлений (образование ветров, течений в океанах).

2. Вынужденная – как правило, процесс, связанный с искусственным перекачиванием воздуха и жидкостей в технических системах или же с простым размешиванием горячей жидкости (например, чая).

На следующем уроке мы поговорим о третьем типе теплопередачи – излучении.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.

2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «ecosystema.ru» (Источник)

2. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 16: вопросы № 1-6; упражнения № 1-3. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа. 2010.

2. Почему для кипячения воды в кастрюле мы нагреваем дно кастрюли, а не ее крышку?

3. Почему в безветренную погоду дым от костра поднимается вертикально вверх?

4. * В сильный мороз в естественных водохранилищах у дна размещается слой теплой воды при температуре около +4 ℃. Не противоречит ли это известному факту, что холодная вода опускается вниз, а теплая поднимается вверх?