Классы
Предметы

Конвекция

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонементот 75 руб. в месяц
У вас уже есть абонемент? Войти
Конвекция

В ходе урока вы сможете самостоятельно изучить тему «Конвекция». Вы узнаете про другой способ теплопередачи, отличный от теплопроводности, – конвекцию. Рассмотрите опыты по выявлению этого процесса в жидкостях и газах, познакомитесь с объяснением этого явления на основании физических законов и узнаете, как используется этот процесс в обычной жизни.

1. Введение

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.

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

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).

 

 

 

 

 

 

 

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.

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.

Различают два типа конвекции.

 

 

Рис. 4. Свободная конвекция

Рис. 5. Вынужденная конвекция

На следующем уроке мы поговорим о третьем типе теплопередачи путем излучения.

 

Список рекомендованной 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.

 

Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Исследователь (Источник).

2. Экологический центр «Экосистема» (Источник).

3. Youtube (Источник).

 

Рекомендованное 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°С. Не противоречит ли это известному факту, что холодная вода опускается вниз, а теплая поднимается вверх?