08. Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике

Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике

Здравствуйте, сегодняшний урок – завершающий в теме различных способов теплопередачи, поэтому он будет посвящён различным способам теплопередачи, а также теплопередаче в природе и технике.

Теплопередача – непрерывный процесс, происходящий ежеминутно. Всегда, непрерывно, каждую секунду мы наблюдаем этот процесс.

Теплопередача, как правило, осуществляется всеми доступными способами, это теплопроводность, конвекция и излучение.

Рассмотрим первый пример. Он будет посвящён нагреванию воды.

Если взять кастрюлю, положить в неё кусок льда и понаблюдать, как будет происходить нагревание, то мы сможем увидеть, как происходят все процессы теплопередачи. Во-первых, при нагревании лёд постепенно нагревается до температуры плавления, а мы знаем, что лёд начинает плавиться или таять при 0 градусов по Цельсию. Затем лёд будет таять, плавиться, превращаться в воду и, до тех пор пока весь лёд не превратится в воду, он будет сохранять температуру 0 градусов по Цельсию.

Затем вся образовавшаяся вода, продолжая получать тепло, будет нагреваться до температуры кипения – 100 градусов.

Дальше вода будет кипеть (кипит вода при 100 градусах Цельсия), пока вся не превратится в пар, и уже в дальнейшем будет происходить нагревание не самой воды, а водяного пара.

Все эти процессы, которые сейчас были перечислены, происходят за счёт двух видов теплопередачи. В первую очередь, это теплопроводность. Она обеспечивает нагревание льда, кастрюли и воды. Именно при помощи этого процесса происходит нагревание. Но во время кипения, когда процесс передачи тепла не может происходить только с помощью одних молекул, то есть молекулы не успевают передавать тепло, включается более интенсивный процесс – конвекция. И уже сам процесс кипения, процесс перехода воды в пар происходит при помощи конвекции.

О конвекции можно говорить и тогда, когда мы рассматриваем Солнце, потому что большую часть Солнца составляют конвективные потоки. Когда удаётся посмотреть фотографию Солнца, сделанную через телескоп, можно увидеть зернистость, как будто Солнце покрыто отдельными зёрнышками. Каждое из этих зёрнышек не что иное, как вершина конвективного потока – когда энергия от областей, близких к центру Солнца, поднимается к поверхности. Это можно сравнить с тем, как происходят конвективные потоки в кипящей жидкости.

Рассмотрим второй, более общий пример, который встречается в природе не только в кипении и нагревании воды, а, например, в образовании ветра.

Этот пример можно связать с тем, что вода и суша обладают различной теплопроводностью.

Поскольку вода – жидкость, нагревается она медленно. В течение дня вода приобретает внутреннюю энергию неспешно. Быстрее же нагревается суша. Поэтому в результате такого неравномерного нагрева ветер, перемена в движении воздуха, дует в одну сторону.

А ночью, когда суша остывает быстрее, чем вода, ветер, наоборот, начинает дуть в другую сторону. Это движение можно объяснить и теплопроводностью, и конвекцией.

Обратите внимание, что во всех приведённых примерах говорится о том, что движется вещество – молекулы и атомы.

Следующий пример. Тяга – естественный приток воздуха. Рассмотрим явление тяги на примере печной трубы.

Главная часть любого устройства, где используется тяга, – это, конечно же, труба. Труба в данном случае играет очень важную роль – она обеспечивает движение конвективных потоков. Если в центре находится топка и там горит огонь, то воздух в этой части трубы нагревается, его плотность уменьшается, и, благодаря действию силы Архимеда, воздух начинает подниматься вверх – это и называется конвективным потоком.

Естественно, воздух, который уходит из трубы, освобождает место, и через топку начинается тяга, то есть сюда подаётся воздух. В данном случае важно понимать, что тяга будет зависеть от того, из чего сделана труба. Если труба железная, то воздух, поднимаясь, достаточно быстро остывает от окружающей среды, тем самым тяга уменьшается. Если труба кирпичная, то в ней воздух остывает медленнее, поэтому достаточно быстро устремляется вверх. В этом случае тяга достаточно большая.

Последний пример – устройство термоса.

Термос использует возможность задействовать все виды теплопередачи. Он устроен следующим образом.

Главная часть любого термоса – стеклянная колба. В некоторых термосах пытаются делать эту колбу железной. Колба имеет двойные стенки и состоит из дутого стекла. Из пространства между двумя стенками откачивают воздух, там создаётся вакуум. Таким образом, всё, что помещается внутрь этой колбы, будет лишено возможности теплопередачи с окружающей средой. Вакуум не даёт возможности теплу уходить или проникать внутрь колбы. Чтобы уменьшить количество потерянного тепла, стенки колбы обязательно делаются зеркальными. Они покрываются специальным металлом. За счёт металлической полированной поверхности уменьшается поток излучения, из-за которого температура внутри колбы может изменяться.

Вся колба помещается в футляр, первоочередной задачей которого является предохранение колбы от повреждений. Также между футляром и колбой создаётся прослойка воздуха, который не даёт теплу уйти из колбы или, наоборот, попасть в неё. Единственное место, откуда может происходить утечка тепла, – горловина колбы. Чтобы этого избежать, используется крышка, состоящая из специальной пористой прокладки, которая препятствует утечке тепла, и пробка, которая плотно закрывает горловину.

В этом уроке были рассмотрены все возможные способы теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Также было рассмотрено применение способов теплопередачи в технике и природе.