Модель наглядно демонстрирует распространение тепла вдоль стержня. Левый конец стержня нагревается горелкой. Показан график температуры вдоль стержня. Можно изменять материал стержня и его толщину.
Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности переносится лишь энергия, а перемещение частиц вещества при этом не происходит.
Итак, теплопроводность - это передача кинетической энергии атомов и молекул более нагретой области атомам и молекулам менее нагретых областей. Это вызвано тем, что при взаимодействии (столкновении) сблизившихся атомов более быстрый атом чаще всего передает часть своей энергии менее быстрому. При теплообмене твердого тела с газом или жидкостью необходимо учитывать конвекцию и излучение. При не очень высоких температурах излучением обычно можно пренебречь. Модель содержит металлический стержень, с температурами t1 и t2 укрепленный на опорах, плохо проводящих тепло. Левый конец стержня нагревается горелкой и тепло переносится (распространяется) вдоль стержняслева направо.
Если бы стержень не терял тепло (из-за нагрева окружающего воздуха и теплового излучения), то температура стержня была бы постоянной и определялась бы только интенсивностью нагрева. Поскольку стержень отдает тепло окружающему воздуху (температура которого в модели предполагается равной 20ºC), температура вдоль стержня при смещении от нагревателя уменьшается. График показывает изменение температуры вдоль стержня (в предположении, что в поперечном сечении температура постоянна). Можно регулировать толщину стержня и интенсивность горения горелки (горелка идеализированная и для простоты регулируется температура нагреваемого конца стержня, а не поток тепла от горелки).Можно также выбирать стержни из различных металлов. Эксперименты с моделью показывают, что наилучшей теплопроводностью обладает медь, а за ней идут алюминий, железо и сталь. А также, что толстые стержни лучше передают тепло, чем тонкие.
Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.
При конвекции выравнивание температур в жидкостях и газах происходит в результате перемешиванием теплых и более холодных частей жидкости или газа. В твердых телах конвекции нет. При конвекции происходит и перенос вещества. Конвекция объясняется тепловым расширением тел и законом Архимеда. Чем выше температура, тем меньше плотность, и поэтому более нагретые части среды поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев жидкости или газа.
Модель демонстрирует движение холодных и нагретых частей воздуха в комнате с нагревателем.Холодный воздух показан синим цветом, а теплый - красным.
Благодаря конвекции происходит нагревание или охлаждение воздуха в наших комнатах. Воздух охлаждается вблизи стекол окна и опускается вниз, а его место занимает более теплый воздух комнаты. Без нагревателя в комнате устанавливается циркуляция воздуха, при которой воздух охлаждается около окна и опускается вниз, а вытесняемый им более теплый воздух поднимается вверх, идет к окну и охлаждаясь, опускается вниз. В результате такой циркуляции воздух в комнате охлаждается.
Нагреватель нагревает воздух. Плотность воздуха уменьшается, становиться меньше, чем у окружающего (более холодного) воздуха, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы воздух поднимается вверх. Его место внизу заполняет холодный воздух.
Итак, воздух, который соприкасается с нагревателем, нагревается и вследствие этого расширяется и поднимается вверх. Наверху он вытесняет вниз менее теплый воздух комнаты. В комнате возникает циркуляция воздуха, в результате которой воздух в комнате нагревается.
Если нагреватель стоит под окном, то опускающийся вниз охлажденный окном воздух перемешивается с поднимающимся вверх теплым воздухом от нагревателя. В этом случае влияние холодного окна оказывается наименьшим.
Модель наглядно демонстрирует излучение и поглощение тепловой энергии телами с различной окраской поверхности. Проводя эксперименты с моделью, можно убедиться, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию, чем тело со светлой или зеркальной поверхностью.
Теплообмен может осуществляться излучением. Тепловое излучение испускают все тела, но интенсивность этого излучения зависит от температуры тела (излучающей поверхности).Тела с низкой температурой излучают тепло слабо, а тела с высокой температурой сильнее.Тепловое излучение распространяется от тела-источника во всех направлениях. Попадая на поверхность других тел, излучение частично поглощается, а частично отражается. Поглощенная энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тела, и тело нагреваются.Кроме температуры интенсивность зависит от структуры излучающей поверхности. Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному.
Модель демонстрирует излучение и поглощение теплового излучения телами с различными поверхностями. Теплоприемник представляет собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой светлая (например, отполирована, как зеркало), а другая покрыта черной матовой краской.
Внутри коробочки находится воздух, который соединен трубкой с жидкостным манометром. Два теплоприемника соединены с манометром, позволяя измерять разность температур воздуха в теплоприемниках.
Излучатель - сосуд с горячей водой. Имеется три излучателя. Поверхность первого сосуда темная, второго -светлая, а у третьего - одна сторона темная, а другая светлая.
Если излучатель перенести на подставку между теплоприемниками, то перемещение столбика жидкости в манометре показывает, что воздух в теплоприемниках нагрелся (расширился) по-разному. Нагревание воздуха в теплоприемнике объясняется передачей ему энергии от нагретого тела. По величине смещения жидкости в манометре можно судить о количестве поглощенного теплового излучения. Эта энергия не передается теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий очень малой теплопроводностью. Вклад конвекции также очень мал, тем более, что теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном эксперименте передается с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.
Если поверхности теплоприемников, повернутые к излучающему телу разные, то столбик жидкости в манометре перемещается.
Проводя эксперименты, можно убедиться, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, вблизи нагревателя сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью. Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее.
Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением, а обратный процесс – кристаллизацией или отвердеванием. Модель – это десять наглядных упражнений на вычисление конечной температуры при плавлении льда в воде.
Переход вещества из твердого (кристаллического) состояния в жидкое называется плавлением,обратный процесс называется кристаллизацией или отвердеванием. (Пример плавления - таяние льда, обратный процесс происходит при замерзании воды.)
При плавлении вещество получает энергию. Отдавая количество теплоты, необходимое для плавления, среда охлаждается. При кристаллизации вещество, наоборот, отдает энергию в окружающую среду. Получая количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается.
В процессе плавления температура вещества не изменяется. Вся получаемая им энергия при этом тратится на разрушение кристаллической решетки и увеличение потенциальной энергии молекул тела.
Физическая величина, равная количеству теплоты, необходимого для превращения 1 кг кристаллическоговещества, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называется удельной теплотой плавлени. Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обычно обозначают греческой буквой λ (ламбда).
При кристаллизации вещества потенциальная энергия молекул уменьшается и в окружающую среду выделяется точно такое же (по модулю) количество теплоты, что и поглощается при его плавлении. Поэтому, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 кДж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.
Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу.
Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком минус.
Эта формула дает количество теплоты, необходимое для кристаллизации тела, имеющего температуру плавления.В более общем случае, если тело имеет температуру t, то для плавления тела его надо нагреть до температуры плавления t0(количество теплоты c·m·(t0-t ) ), а затем расплавить (количество теплоты λ m ). После этого можно ещё увеличить температуру расплава до температуры t1 (количество теплоты c2·m·(t1 -t0 ) ). Итак, полное количество теплоты, которое необходимо для плавления и увеличения температуры расплава до температуры t1, где c2 - удельная теплоемкость расплава.
Для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется, вообще говоря, разное количество теплоты. Модель – это 20 наглядных упражнений на вычисление конечной температуры при смешивании двух объемов жидкости с различными температурами.
Для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется, вообще говоря, разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит это тело.(и характеризуется удельной теплоемкостью вещества).
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1ºС, называется удельной теплоемкостью этого вещества. У каждого вещества своя удельная теплоемкость. Обозначается она латинской буквой C, а измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг·ºС) ).
Удельная теплоемкость одного и того же вещества при различных температурах или в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном), вообще говоря, различна.
Чтобы получить количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела, нужно удельную теплоемкость C тела умножить на его массу m и на разность его конечной t1 и начальной t0 температур:
Q = cm(t1-t0)
Количество теплоты Q, выделяемое телом при охлаждении определяется этой же формулой, но в этом случае t1 < t0 и, следовательно, Q<0, что означает, что при охлаждении тепло выделяется телом. При нагревании тела t1 > t0 и, следовательно, Q>0.
Модель наглядно демонстрирует зависимость скорости испарения жидкости от температуры жидкости (регулируется подогревом), площади свободной поверхности и от скорости воздушного потока. Простые опыты с моделью показывают, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и скорости потока воздуха.
С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра. При сильном ветре жидкость испаряется быстрее. Это происходит потому, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процес -конденсация. Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.
При испарении жидкость охлаждается и, став более холодной, чем окружающая среда, начинает поглощать ее энергию. При конденсации же, наоборот, происходит выделение теплоты в окружающую среду, и ее температура несколько повышается. Жидкости имеют различную температуру кипения. Скорость испарения жидкости зависит ее от температуры. Точнее, если температура жидкости увеличивается до температуры кипения, то скорость испарения жидкости тоже растет, достигая наибольшего значения при кипении. (Напомним, что нагреть жидкость до температуры выше температуры кипения в обычных условиях нельзя, все подводящееся тепло идет на испарение жидкости. Следовательно, скорость испарения жидкости при кипении зависит от потока тепла.) Поэтому скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и ее температуры. Скорость испарения жидкости зависит также от площади свободной поверхности, чем больше свободная поверхность, тем скорее жидкость испаряется.
При испарении жидкости наиболее быстрые молекулы, вылетев из жидкости, сталкиваются с молекулами воздуха, изменяют направление своего движения и могут возвращаться в жидкость. В процессе испарения устанавливается определенное соотношение между числом улетевших и числом вылетевших, но вернувшихся молекул жидкости. Воздушный поток уносит вылетевшие молекулы и поэтому при увеличении скорости обдувающего потока испарение жидкости также увеличивается.
Модель демонстрирует зависимость скорости испарения жидкости от температуры жидкости (регулируется подогревом, но из-за испарения жидкость охлаждается), площади свободной поверхности (регулируется размером пенопластовой пластинки) и от воздушного потока (регулируется скоростью вращения вентилятора). Чтобы выявить эти зависимости лучше всего изменять один из этих параметров, а два других не менять.
При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Модель – это десять наглядных упражнений на вычисление конечной температуры наглядно демонстрирует испарение жидкости в калориметре с учетом испарения ацетона.
При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение. Испарение- это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости. Испарение происходит следующим образом. Молекулы жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении,причем некоторые из них движутся быстрее, другие - медленнее. Вылететь наружу им мешает взаимное притяжение друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое происходит и с другими быстрыми молекулами. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение. Часть этих вылетевших молекул возвращается назад в жидкость. Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этого температура испаряющейся жидкости понижается, жидкость охлаждается.
Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, ацетон, спирт, бензин.
Физическая величина, равная количеству теплоты необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования. Удельную теплоту парообразования обозначают буквой r и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты, необходимое для превращения в пар m кг жидкости, взятой при температуре кипения, равно произведению удельной теплоты парообразования этой жидкости r на массу жидкости m, т. е. Q=r m. Количество теплоты, которое выделяется при конденсации m кг пара, при температуре кипения, определяется той же формулой, но со знаком минус. Имеем Q=-r m.
Модель: В калориметре находится m1 воды при температуре t1 и банка с легко испаряющейся жидкостью (массы m2 при температуре t2, температура кипения t0), из которой пары выводятся из калориметра. Если вода настолько теплая, что вся жидкость испаряется, то конечная температура t* жидкости удовлетворяет уравнению.
Слева записана теплота, выделившаяся при охлаждении воды, а справа сумма теплоты на нагрев второй жидкости и теплоты на ее испарение.Если же испаряется только часть жидкости с массой m2*, то конечная температура системы в калориметре равна t*=t0 и выполняется соотношение.
Третий вариант - конечная температура t* системы в калориметре меньше t0.
Можно нарисовать графики изменения температуры воды в калориметре от времени. В этих формулах использованы следующие обозначения: m1 - масса воды, t1 - начальная температура воды, c1 - удельная теплоемкость воды, m2 - масса жидкости, t2 - начальная температура жидкости, t0 - температура кипения жидкости, c21 - удельная теплоемкость жидкости, r - удельная теплота парообразования жидкости.
Модель наглядно демонстрирует зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Можно изменять температуру жидкости и давление окружающего ее воздуха.
Если увеличивать температуру жидкости, то при температуре кипения жидкость начинает кипеть, и дальнейший рост температуры невозможен. Все сообщаемое жидкости тепло идет на испарение. Кипение - это процесс перехода жидкости в пар вследствие образования и роста пузырьков пара, которые всплывают на её поверхность и лопаются. Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается с давлением в жидкости. Поэтому температура кипения зависит от давления жидкости. Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения, и при уменьшении внешнего давления, уменьшается и температура кипения.
Модель наглядно демонстрирует основные элементы холодильника.
При испарении жидкости тепло поглощается, а при конденсации выделяется. На этом основана работа холодильника: испарение и конденсация хладагента переносит тепло из холодильной камеры в окружающую (внешнюю) среду. Точнее, хладагент (в газообразном или жидком состоянии) движется по замкнутой системе, состоящей из двух трубок, разделенным друг от друга компрессором на одном конце и дроссельным устройством на другом.
В модели показаны основные элементы холодильника (интенсивность красного и синего цветов показывает температуру, температура увеличивается от синего к красному):
1. Конденсатор. Трубка, находящаяся снаружи холодильника и отдающая тепло внешней среде.
2. Дроссельное устройство (расширитель, капиллярная трубка). Терморегулирующий расширительный вентиль, являющийся дросселирующим устройством. Ограничивает скорость хладагента, переходящего из конденсатора с высоким давлением в испаритель с низким давлением.
3. Испаритель. Находится внутри холодильника, поглощает тепло, охлаждая камеру.
4. Компрессор - насос, который сжимает и перекачивает пары хладагента из испарителя в конденсатор. Создает разность давлений в конденсаторе и испарителе. Компрессор приводится в действие электродвигателем, который получает энергию от электрической сети.Компрессор засасывает из испарителя хладагент (находящийся там в виде пара), сжимает его, и выталкивает в конденсатор. При сжатии хладагента его температура повышается и лишнее тепло из конденсатора уходит во внешнюю среду. При этом охлаждении хладагент конденсируется (и выделяющееся при этом дополнительное тепло конденсации также передается внешней среде). Затем жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие поступает в испаритель, где из-за уменьшения давления хладагент испаряется, превращаясь в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, и происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.
Итак, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. В конденсаторе необходимо высокое давление, чтобы при комнатной температуре произошла конденсация (переход в жидкое состояние с выделением тепла). Жидкий хладагент далее проходит через дроссельный вентиль, где происходит его дросселирование (понижается давление) и подается в испаритель, где давление гораздо ниже. Под воздействием низкого давления хладагент кипит и переходит в газообразное состояние, поглощая тепло. Затем газообразный хладагент опять засасывается компрессором и поступает в конденсатор.
Обычно в холодильнике устанавливают температурный датчик (на нашем рисунке не показан), который размыкает электрическую цепь питания компрессора при достижении необходимой температуры. Когда температура в холодильнике повышается, датчик вновь включает компрессор.
