Рубрика:

Кондукция - это передача тепла через физический контакт. Цели обучения Оценить, почему для эффективной проводимости необходимы определенные характеристики Ключевые моменты В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.

Кондукция является наиболее важной формой передачи тепла внутри твердого объекта или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость наиболее значительна в твердых телах и менее значительна в жидкостях и газах из-за наличия пространства между молекулами.

Скорость передачи тепла путем теплопроводности зависит от разности температур, размера площади контакта, толщины материала и тепловых свойств материала s в контакте. Материя неподвижна в макроскопическом масштабе: мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля. Тепло, передаваемое от электроплиты ко дну кастрюли, является примером проводимости.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. Например, подушка в вашей спальне может быть той же температуры, что и металлическая дверная ручка, но на ощупь дверная ручка кажется более холодной. В целом, электропроводящие металлы, такие как медь, алюминий, золото и серебро, также являются хорошими проводниками тепла, в то время как электроизолирующие металлы, такие как дерево, пластик и резина, являются плохими проводниками тепла. Микроскопическое описание проводимости В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.

Тепло передается атомам и молекулам в атмосфере.

Тепло передается путем проводимости, когда соседние атомы вибрируют друг против друга, или когда электроны переходят от одного атома к другому. Кондукция является наиболее значимым способом передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость наиболее высока в твердых телах, поскольку сеть относительно тесных фиксированных пространственных связей между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.

Жидкости и газы менее электропроводны, чем твердые тела. Это связано с большим расстоянием между атомами в жидкости или, особенно, в газе: меньшее количество столкновений между атомами означает меньшую проводимость. Микроскопическая иллюстрация проводимости: Молекулы двух тел при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию от высокотемпературных областей к низкотемпературным.

На этом рисунке молекула в области более низкой температуры с правой стороны имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.

И напротив, молекула в области более высоких температур в левой части имеет высокую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Средняя кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной, см. рисунок выше. Совокупный эффект всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Поэтому при использовании кипятка ожог будет более сильным, чем при использовании горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля, и достигается равновесие.

Поскольку количество столкновений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если к холодной стене прикоснуться ладонью, она остывает быстрее, чем если к ней прикоснуться только кончиком пальца. Факторы, влияющие на скорость передачи тепла теплопроводностью Помимо температуры и площади поперечного сечения, еще одним фактором, влияющим на теплопроводность, является толщина материала, через который передается тепло.

Толщина материала, через который передается тепло.

Передача тепла от левой стороны к правой происходит через серию молекулярных столкновений. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи одного и того же количества тепла. Если ночью вам станет холодно, вы можете взять более толстое одеяло, чтобы сохранить тепло. Влияние толщины на теплопроводность: Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольным бруском.

И наконец, скорость передачи тепла зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора входят в простое уравнение, которое было получено в результате экспериментов и подтверждено ими.

Твердые тела не могут переносить тепло путем конвекции. Естественная конвекция обусловлена силами плавучести: горячий воздух поднимается вверх, поскольку его плотность уменьшается с ростом температуры. Этот принцип одинаково хорошо применим к любой жидкости.

Конвекция может переносить тепло гораздо эффективнее, чем теплопроводность. Воздух - плохой проводник и хороший изолятор, если пространство достаточно мало для предотвращения конвекции. Конвекция часто сопровождает фазовые изменения, например, когда пот испаряется с тела. Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается.

Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается.

Окружающая, более холодная жидкость вытесняется для ее замещения. Затем эта более холодная жидкость нагревается, и процесс продолжается, образуя конвекционный ток. Большинство домов не герметичны: воздух проникает и выходит через двери и окна, через трещины и щели, через проводку к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в обычном доме полностью обновляется менее чем за час. Предположим, что дом умеренных размеров имеет внутренние размеры Рассчитайте теплопередачу в единицу времени в ваттах, необходимую для нагрева поступающего холодного воздуха на Решение: 1 Определите массу воздуха, исходя из его плотности и заданного объема дома.

Скорость теплопередачи в единицу времени в ваттах, необходимую для нагрева поступающего холодного воздуха на Решение: 1 Определите массу воздуха, исходя из его плотности и заданного объема дома.

Этот показатель теплоотдачи равен энергии, потребляемой примерно сорока шести Вт лампочками. Вновь построенные дома рассчитаны на время ремонта 2 часа и более, а не 30 минут, как в данном примере. Часто используются погодные уплотнители, конопатка и уплотнение окон. Иногда в очень холодном или жарком климате предпринимаются более экстремальные меры для достижения стандарта воздухонепроницаемости, превышающего 6 часов для воздушной реконструкции. Даже более длительное время обновления вредно для здоровья, поскольку минимальное количество свежего воздуха необходимо для обеспечения кислородом дыхания и разбавления бытовых загрязнителей.

Массовая конвекция не может иметь место в твердых телах, так как в них не могут иметь место ни массовые потоки тока, ни значительная диффузия. Конвективные ячейки: Конвективные ячейки в гравитационном поле. Конвекция обусловлена крупномасштабным потоком вещества. В случае Земли циркуляция атмосферы обусловлена потоком теплого воздуха из тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха с полюсов к тропикам.

Примером конвекции является автомобильный двигатель, который охлаждается потоком воды в системе охлаждения, при этом водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням. Хотя конвекция часто сложнее, чем проводимость, мы можем описать ее и сделать некоторые простые и реалистичные расчеты ее эффектов. Например, кастрюля с водой на плите таким образом сохраняет тепло; океанические течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.

Конвекция в кастрюле с водой: Конвекция играет важную роль в передаче тепла внутри кастрюли с водой.

После того, как тепло проведено внутрь, передача тепла к другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более теплая вода расширяется, уменьшается в плотности и поднимается вверх, передавая тепло в другие области воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется непрерывно. Конвекция и изоляция Хотя воздух может быстро передавать тепло путем конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором.

Хотя воздух может быстро передавать тепло путем конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором.

Объем пространства, доступного для воздушного потока, определяет, действует ли воздух как изолятор или как проводник. Например, пространство между внутренней и наружной стенами дома составляет около 9 см 3. Добавление изоляции в стены препятствует движению воздуха, поэтому потери или приток тепла уменьшаются. Мех, волокно и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, задерживая его в пространствах, слишком маленьких для конвекции. У животных мех и перья имеют небольшой вес и поэтому идеально подходят для защиты.

Конвекция и изменение фазы Некоторые интересные явления происходят, когда конвекция сопровождается изменением фазы. Это позволяет нам охлаждать себя путем потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру нашего тела.

Для испарения пота с кожи необходимо тепло кожи, но без воздушного потока воздух становится насыщенным и испарение прекращается.

Без воздушного потока воздух становится насыщенным и испарение прекращается.

Поток воздуха, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим, поэтому испарение продолжается. Другой важный пример сочетания изменения фазы и конвекции происходит при испарении воды из океана. Тепло удаляется из океана по мере испарения воды.

Если водяной пар конденсируется в жидкие капли при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло, которое является скрытым теплом. Таким образом, происходит глобальный перенос тепла из океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых голов, больших кучевых облаков, которые поднимаются, когда водяной пар, перемещаемый конвекцией, конденсируется, выделяя огромное количество энергии, и эта энергия позволяет воздуху стать более плавучим и теплым, чем его окружение, и подняться вверх.

По мере того, как воздух продолжает подниматься, происходит конденсация, что, в свою очередь, заставляет облако подниматься еще выше. Этот механизм называется положительной обратной связью, так как процесс самоподкрепляется и самоускоряется.

Эти системы иногда вызывают сильные бури с молниями и градом и являются движущей силой ураганов. Кучевые облака: Кучевые облака возникают в результате подъема водяного пара в результате конвекции.

Подъем кучевых облаков может быть вызван образованием облачной системы.

Подъем облаков обусловлен механизмом положительной обратной связи. Излучение Излучение - это передача тепла посредством электромагнитной энергии Цели обучения Объяснить, как энергия электромагнитного излучения соответствует длине волны Ключевые моменты Энергия электромагнитного излучения зависит от цвета длины волны и изменяется в широком диапазоне: более короткая длина волны или более высокая частота соответствуют более высокой энергии.

Все объекты излучают и поглощают электромагнитную энергию. Цвет объекта связан с его излучательной способностью, или эффективностью излучения энергии. Идеальный излучатель, который часто называют черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение. Чистая скорость передачи тепла зависит от температуры объекта и температуры окружающей среды.

Чем больше разница, тем больше чистый тепловой поток. Температура объекта очень важна, поскольку испускаемое излучение пропорционально этой величине в четвертой степени. КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ Черное тело: теоретическое тело, аппроксимируемое отверстием в полой черной сфере, которое поглощает все падающее электромагнитное излучение и не отражает ни одного; оно имеет характерный спектр излучения.

Радиация Передача тепла от огня или Солнца может ощущаться. Однако пространство между Землей и Солнцем в основном пустое, в нем нет возможности передачи тепла путем конвекции или проводимости. Точно так же можно сказать, что печь горячая, не прикасаясь к ней и не заглядывая внутрь: она просто нагревается, когда вы проходите мимо. В этих примерах тепло передается путем излучения. Горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей, и для их распространения не нужна среда.

Мы используем разные названия для теплопередачи.

Мы используем разные названия для электромагнитных волн разной длины: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи.

Мы используем разные названия для электромагнитных волн разной длины: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи.

Навигация

comments

  1. Zolokazahn :

    зачем так много?

  2. Dijas :

    Замечательно, очень хорошая информация

  3. Mikakus :

    Очень не плохо написано, РЕАЛЬНО....

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *