Хорошая и плохая теплопроводность

Хорошая и плохая теплопроводность

    Главная

  • Список секций
  • Физика
  • ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Проект разработан в соответствии со стандартом среднего общего образования по физике. При написании данного проекта рассмотрено изучение тепловых явлений, применение их в быту и технике. Помимо теоретического материала большое внимание уделено исследовательской работе – это опыты, которые отвечают на вопросы «Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела», «Одинаковая ли теплопроводность различных веществ», «Почему струи теплого воздуха или жидкости поднимаются вверх», «Почему тела с темной поверхностью нагреваются сильнее»; поиск и обработка информации, фотографий.Время работы над проектом: 1 – 1,5 месяца.Цели проекта:* практическая реализация имеющихся у школьников знаний о тепловыхявлениях;* формирование навыков самостоятельной исследовательской деятельности;* развитие познавательных интересов;* развитие логического и технического мышлений;* развитие способностей к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами ;

2. Основная часть.

2.1. Теоретическая часть

В жизни мы действительно ежедневно встречаемся с тепловыми явлениями. Однако не всегда мы задумываемся, что эти явления можно объяснить, если хорошо знать физику. На уроках физики мы познакомились со способами изменения внутренней энергии: теплопередачей и совершением работы над телом или самим телом. При контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются (не наступит тепловое равновесие). При этом механическая работа не совершается. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплообменом или теплопередачей. При теплопередаче энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный процесс самопроизвольно (сам по себе) никогда не происходит, т. е. теплообмен необратим. Теплообмен определяет или сопровождает многие процессы в природе: эволюцию звезд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и др. Виды теплопередачи : теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводностью называется явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.

2.2. Практическая часть.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Опыт №1

Взяли различные предметы: одну алюминевую ложку, другую деревянную, третью — пластмассовую, четвертую — из нержавеющего сплава, а пятую — серебряную. Прикрепили к каждой ложке каплями меда скрепки для бумаг. Вложили ложки в стакан с горячей водой, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Ложки нагреются, и по мере нагревания мед будет плавиться и скрепки отпадут.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен. Для этого опыта я взял стакан с кипятком и четыре вида ложек: алюминиевую, серебряную, пластмассовую и нержавеющую. Я опускал их по одной в стакан и засекал время: за сколько минут она нагреется. Вот, что у меня получилось:

Класс:

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

  • Познакомить учащихся с видами теплопередачи.
  • Формировать умение объяснять теплопроводность тел с точки зрения строения вещества; уметь анализировать видеоинформацию; объяснять наблюдаемые явления.

Тип урока: комбинированный урок.

Демонстрации:

1. Перемещение тепла по металлическому стержню.
2. Видео демонстрация эксперимента по сравнению теплопроводности серебра, меди и железа.
3. Вращение бумажной вертушки над включенной лампой или плиткой.
4. Видео демонстрация возникновения конвекционных потоков при нагревании воды с марганцовкой.
5. Видео демонстрация по излучению тел с темной и светлой поверхностью.

I. Организационный момент

II. Сообщение темы и целей урока

На предыдущем уроке вы узнали, что внутреннюю энергию можно изменить путем совершения работы или теплопередачей. Сегодня на уроке мы рассмотрим, как происходит изменение внутренней энергии теплопередачей.
Попробуйте объяснить значение слова «теплопередача» (слово «теплопередача» подразумевает передачу тепловой энергии). Существует три способа передачи теплоты, но называть их я не буду, вы сами их назовете, когда решите ребусы.

Ответы: теплопроводность, конвекция, излучение.
Познакомимся с каждым видом теплопередачи отдельно, и пусть девизом нашего урока станут слова М.Фарадея: «Наблюдать, изучать, работать».

Читайте также:  Стол и шкафы вокруг окна в детской

III. Изучение нового материала

1. Теплопроводность

Ответьте на вопросы: (слайд 3)

1. Что произойдет, если в горячий чай опустим холодную ложку? (Через некоторое время она нагреется).
2. Почему холодная ложка нагрелась? (Чай отдал часть своего тепла ложке, а часть окружающему воздуху).
Вывод: Из примера ясно, что тепло может передаваться от тела, более нагретого к телу менее нагретому (от горячей воды к холодной ложке). Но энергия передавалась и по самой ложке – от ее нагретого конца к холодному.
3. В результате чего происходит перенос тепла от нагретого конца ложки к холодному? (В результате движения и взаимодействия частиц)

Нагревание ложки в горячем чае — пример теплопроводности.

Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым, в результате теплового движения и взаимодействия частиц.

Закрепим конец медной проволоки в лапке штатива. Воском к проволоке прикреплены гвоздики. Будем нагревать свободный конец проволоки свечей или на пламени спиртовки.

Вопросы: (слайд 4)

1. Что наблюдаем? (Гвоздики начинают постепенно один за другим отпадать, сначала те, которые ближе к пламени).
2. Как происходит передача тепла? (От горячего конца проволоки к холодному).
3. Как долго будет происходить передача тепла по проволоке? (Пока проволока вся не нагреется, т. е пока температура во всей проволоке не выровняется)
4. Что можно сказать про скорость движения молекул на участке, расположенном ближе к пламени? (Скорость движения молекул увеличивается)
5. Почему нагревается следующий участок проволоки? (В результате взаимодействия молекул скорость движения молекул на следующем участке также увеличивается и температура данной части возрастает)
6. Влияет ли расстояние между молекулами на скорость передачи тепла? (Чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла)
7. Вспомните расположение молекул в твердых телах, жидкостях и газах. В каких телах процесс переноса энергии будет происходить быстрее? (Быстрее в металлах, затем в жидкостях и газах).

Посмотрите демонстрацию эксперимента и подготовьтесь ответить на мои вопросы.

Вопросы: (слайд 5)

1. По какой пластине теплота распространяется быстрее, а по какой медленнее?
2. Сделайте вывод о теплопроводности данных металлов. (Лучшая теплопроводность у серебра и меди, несколько хуже у железа)

Обратите внимание, что при передаче тепла в данном случае переноса тела не происходит.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство).

Запишем основные особенности теплопроводности: (слайд 7)

  • в твердых телах, жидкостях и газах;
  • само вещество не переносится;
  • приводит к выравниванию температуры тела;
  • разные тела – разная теплопроводность

Примеры теплопроводности: (слайд 8)

1. Снег — пористое, рыхлое вещество, в нем содержится воздух. Поэтому снег обладает плохой теплопроводностью и хорошо защищает землю, озимые посевы, плодовые деревья от вымерзания.
2. Кухонные прихватки сшиты из материала, который обладает плохой теплопроводностью. Ручки чайников, кастрюль делают из материалов обладающих плохой теплопроводностью. Все это защищает руки от ожогов, при прикосновении к горячим предметам.
3. Вещества с хорошей теплопроводностью (металлы) используют для быстрого нагревания тел или деталей.

2. Конвекция

1) Загляните под окошко –
Там растянута гармошка,
Но гармошке не играет –
Нам квартиру согревает. (батарея)

2) Наша толстая Федора
наедается не скоро.
А зато когда сыта,
От Федоры – теплота. (печь)

Батареи, печи, радиаторы отопления используются человеком для обогрева жилых помещений, а точнее нагревания воздуха в них. Происходит это благодаря конвекции – следующему виду теплопередачи.

Конвекция – это перенос энергии струями жидкости или газа. (Слайд 9)
Попробуем объяснить, как происходит конвекция в жилых помещениях.
Воздух, соприкасаясь с батареей, от нее нагревается, при этом он расширяется, его плотность становится меньше плотности холодного воздуха. Теплый воздух, как более легкий, поднимается вверх под действием силы Архимеда, а тяжелый холодный воздух опускается вниз.
Затем снова: более холодный воздух доходит до батареи, нагревается, расширяется, становится легче и под действием Архимедовой силы поднимается вверх и т.д.
Благодаря такому движению воздух в комнате прогревается.

Бумажная вертушка, помещенная над включенной лампой, начинает вращаться. (Слайд 10)
Попробуйте объяснить, как это происходит? (Холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх, при этом вертушка вращается).

Точно также происходит нагревание жидкости. Посмотрите эксперимент по наблюдению конвекционных потоков при нагревании воды (с помощью марганцовки). (Слайд 11)

Обратите внимание, что в отличие от теплопроводности, при конвекции происходит перенос вещества и в твердых телах конвекция не происходит.

Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную.
Нагревание жидкости в кастрюле или воздуха в комнате – это примеры естественной конвекции. Для ее возникновения вещества нужно нагревать снизу или охлаждать сверху. Почему именно так? Если нагревать будем сверху, то куда будут перемещаться нагретые слои воды, а куда холодные? (Ответ: никуда, так как нагретые слои и так уже наверху, а холодные слои так и останутся внизу)
Вынужденная конвекция наблюдается, если жидкость перемешивать ложкой, насосом или вентилятором.

Читайте также:  Как сделать стол на лоджии

Особенности конвекции: (слайд 12)

  • возникает в жидкостях и газах, невозможна в твердых телах и вакууме;
  • само вещество переносится;
  • нагревать вещества нужно снизу.

Примеры конвекции: (слайд 13)

1) холодные и теплые морские и океанические течения,
2) в атмосфере, вертикальные перемещения воздуха приводят к образованию облаков;
3) охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах, например в холодильниках и др., обеспечивается водяное охлаждение двигателей
внутреннего сгорания.

3. Излучение

Всем известно, что Солнце основной источник тепла на Земле. Земля находится от него на расстоянии 150 млн. км. Как передается тепло от Солнца на Землю?
Между Землей и Солнцем за пределами нашей атмосферы все пространство – вакуум. А нам известно, что в вакууме теплопроводность и конвекция происходить не могут.
Каким способом происходит передача тепла? Здесь осуществляется еще один вид теплопередачи – излучение.

Излучение – это теплообмен, при котором энергия переносится электромагнитными лучами.

Отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум.

Посмотрите видеофрагмент об излучении (слайд 15).

Излучают энергию все тела: тело человека, печь, электрическая лампа.
Чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение.

Тела не только излучают энергию, но и поглощают ее.
(слайд 16) Причем темные поверхности лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

Особенности излучения (слайд 17):

  • происходит в любом веществе;
  • чем выше температура тела, тем интенсивнее излучение;
  • происходит в вакууме;
  • темные тела лучше поглощают излучение, чем светлые и лучше излучают.

Примеры использования излучения тел (слайд 18):

поверхности ракет, дирижаблей, воздушных шаров, спутников, самолётов, окрашивают серебристой краской, чтобы они не нагревались Солнцем. Если наоборот надо использовать солнечную энергию, то части приборов окрашивают в темный цвет.
Люди зимой носят темные одежды (черного, синего, коричного цвета) в них теплее, а летом светлые (бежевые, белые цвета). Грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый, потому что тела с темной поверхностью лучше поглощают солнечное излучение и быстрее нагреваются.

IV. Закрепление полученных знаний на примерах задач

Игра «Попробуй, объясни», (слайды 19-25).

Перед вами игровое поле с шестью заданиями, вы можете выбрать любое. После выполнения всех заданий вам откроется мудрое высказывание и тот, кто его очень часто произносит с экранов телевизоров.

1. В каком доме теплее зимой, если толщина стен одинакова? Теплее в деревянном доме, так как дерево содержит 70% воздуха, а кирпич 20%. Воздух — плохой проводник тепла. В последнее время в строительстве применяют «пористые» кирпичи для уменьшения теплопроводности.

2. Каким способом происходит передача энергии от источника тепла к мальчику? Мальчику, сидящему у печки, энергия в основном передается теплопроводностью.

3. Каким способом происходит передача энергии от источника тепла к мальчику?
Мальчику, лежащему на песке, энергия от солнца передается излучением, а от песка теплопроводностью.

4. В каком из этих вагонов перевозят скоропортящиеся продукты? Почему? Скоропортящиеся продукты перевозят в вагонах, окрашенных в белый цвет, так как такой вагон в меньшей степе­ни нагревается солнечными лучами.

5. Почему водоплавающие птицы и другие животные не замерзают зимой?
Мех, шерсть, пух обладают плохой теплопроводностью (наличие между волокнами воздуха), что позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и защищаться от охлаждения.

6. Почему оконные рамы делают двойными?
Между рамами содержится воздух, который обладает плохой теплопроводностью и защищает от потерь тепла.

«Мир интересней, чем нам кажется», Александр Пушной, программа «Галилео».

V. Итог урока

– С какими видами теплопередачи мы познакомились?
– Определите, какой из видов теплопередачи играет основную роль в следующих ситуациях:

а) нагревание воды в чайнике (конвекция);
б) человек греется у костра (излучение);
в) нагревание поверхности стола от включенной настольной лампы (излучение);
г) нагревание металлического цилиндра, опущенного в кипяток (теплопроводность).

Разгадайте кроссворд (слайд 26):

1. Величина, от которой зависит интенсивность излучения.
2. Вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме.
3. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
4. Основной источник энергии на Земле.
5. Смесь газов. Обладает плохой теплопроводностью.
6. Процесс превращения одного вида энергии в другой.
7. Металл, имеющий самую хорошую теплопроводностью.
8. Разреженный газ.
9. Величина, обладающая свойством сохранения.
10. Вид теплопередачи, который сопровождается переносом вещества.

Разгадав кроссворд, вы получили еще одно слово, которое является синонимом к слову «теплопередача» – это слово… («теплообмен»). «Теплопередача» и «теплообмен» – одинаковые по смыслу слова. Используйте их, заменяя одно другим.

VI. Домашнее задание

§ 4, 5, 6, Упр. 1 (3), Упр. 2(1), Упр. 3(1) – письменно.

Читайте также:  Размер круглой детской кроватки

VII. Рефлексия

В конце урока предлагаем учащимся обсудить урок: что понравилось, что хотелось бы изменить, оценить свое участие в уроке.

Прозвенит сейчас звонок,
Подошел к концу урок.
До свидания, друзья,
Отдыхать пришла пора.

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

  1. теплопроводностью
  2. конвекцией
  3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

  • естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.

  • вынужденная

Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector