Реферат на тему «Конвекция дома»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 13 ИМЕНИ А.Л.ШИРОКИХ»

Реферат

на тему: «Конвекция в доме и излучение в природе»

г. Сарапул 2016 г.

Конвекция в доме и излучение в природе.

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях. Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды. Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако, касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Существует несколько видов описываемого нами явления – естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой. Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Естественная конвекция

Вынужденная конвекция

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты. Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника.

Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки. Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы.

Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить: движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления; образование и движение облаков; процесс движения ветра, муссонов и бризов; смещение тектонических земных плит; процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов. Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Конвекция. Конвективный теплообмен

Конвекция (от лат. Convectio — доставка) — это перенос массы в результате перемещения газа или жидкости.

Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.

Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда есть небольшие участки, в которых плотность отличается от плотности основного окружающей их массы вещества. Тогда при притяжения под действием силы Архимеда эти участки начинают перемещаться. Примером свободной конвекции является всем известный движение воздуха в помещении, в котором работает печь, является радиатор или другой источник тепла.

Вынужденная конвекция обусловлена внешним механическим воздействием на среду. Примерами ее является обычное перемешивание жидкости ложкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т.п.. Физические процессы, происходящие во время вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтекания неподвижных моделей потоком воздуха.

Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразном и жидком среде при условии, что существует разница температур между частями этой среды. Для осуществления эффективного конвективного теплообмена в жидкостях и газах с земным условиям их необходимо прогревать снизу. Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, потому что теплые слои расположены сверху и опуститься ниже холодных, тяжелых, они не могут.

При отсутствии силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблюдаться не будет. Итак, пользоваться там, например, спичками и газовыми горелками нельзя: продукты сгорания погасят пламя.

Конвекция в твердых телах происходить не может, потому что частицы [и них колеблются около определенной точки, они содержатся сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твердых телах передается теплопроводностью.

Конвекция — это, что такое, какие, определение, значение, доклад, реферат, конспект, сообщение, вики — WikiWhat

Конвекция в жидкости

Подогрев жидкости (рис. 58, а) приводит к тому, что она расширяется и более лёгкая жидкость поднимается, образуя конвекционную струю. На рисунке стрелками показано движение струй жидкости.

Конвекция газов

В газах образуется не струя, а пузырь (рис. 58, б), в котором температура выше, чем в окружающей среде. Размер пузыря зависит от физических условий. Например, в конвективной зоне Солнца его диаметр достигает 700—800 км. Нагретый воздух легче и поднимается под действием силы Архимеда. При подъ­ёме давление в окружающей среде уменьшается и пузырь рас­ширяется. Поскольку теплопроводность газа мала, пузырь рас­ширяется адиабатически, и температура в нем падает.

Адиабатический гра­диент

Если проследить за отдельным пузырём и фиксировать изменение температуры в нем в зависимости от положения пузыря, то обнаружится, что определённый таким образом градиент тем­пературы имеет строго определённое значение в зависимости от физических условий (температуры, плотности химического состава вещества) — значение, называемое адиабатическим гра­диентом.

Если градиент температуры окружающего газа больше ади­абатического, то по мере подъёма газ в пузыре остаётся более горячим, чем окружающий газ, и пузырь продолжает подни­маться. Если же температура окружающей среды падает мед­ленно (градиент температуры меньше адиабатического), то пу­зырь быстро сливается с окружающим газом, и конвекция не возникает. При развитой конвекции значение градиента тем­пературы только на малую величину превышает адиабатиче­ский градиент. Пузырь в процессе движения разрушается, пе­редавая свою энергию окружающей среде.

Примеры конвекции

Каждый из нас встречался с конвекцией достаточно часто. Ниже приведено несколько примеров. Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Посмотрите на закипающую, но ещё не закипевшую воду в кастрюле. Движение воды в ней и есть конвекция в жидкости. Труднее увидеть конвекцию в газах, но и это возможно. В жаркий летний день Солнце на­гревает почву, которая, в свою очередь, нагревает воздух. Гра­диент температуры в воздухе достаточно большой, и пузырь, оторвавшись, поднимается вверх. Его не видно, но когда тем­пература в пузыре падает до точки росы, начинается конден­сация воды и появляется облако. Астроному известно прояв­ление конвекции на Солнце — это грануляция. Каждая гранула представляет собой горячий пузырь, вернее его верхнюю часть, выходящую на поверхность Солнца.

Картинки (фото, рисунки)

• Рис. 58. Конвекция (а — в жидкости; б — в газе)

На этой странице материал по темам:

• Рримеры конвекции

• 15 примеров конвекции

• Сообщение на тему конвекция 1948 г.р

• Конвекция в газах опыт примеры

• Примеры конвексии

Физика для чайников. Что происходит у нас на кухне с точки зрения науки | ОБЩЕСТВО

С какими физическими и химическими явлениями мы сталкиваемся практически каждый день, в специальной подборке «АиФ-НН».

Нагревание чайника

Явление: конвекция и теплопередача.

В основе нагревания воды в чайнике лежит физическое явление — конвекция. Теплота передаётся чайнику снизу, а вода — плохой проводник тепла. Именно благодаря конвекции энергия переносится струями жидкости, и вода нагревается по всему объёму.

Закрываем чайник при кипении мы тоже не случайно. При открытой крышке часть молекул, имеющих большую кинетическую энергию, будет улетать, унося энергию, поэтому вода быстрее закипит, если крышку закрыть.

Присутствует в чайной церемонии и такое физическое явление, как теплопередача. Не зря ручки у самоваров всегда были деревянными — дерево не самый лучший проводник тепла. Как, впрочем, и пластмасса, из которой сегодня делают электрические чайники.

Хорошая хозяйка также знает, что, если положить в стакан металлическую ложку, та примет часть тепла, и температура воды станет ниже. Тепловое расширение внутренних стенок будет меньше, и деформация не окажется разрушительной для стакана. Хорошо охладит чай и металлический подстаканник, поскольку он сам быстро нагревается и забирает тепло.

Заваривание чая

Явление: диффузия.

А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик, не размешивая, можно увидеть, как распространяется чайный настой в чистой воде. Происходит диффузия жидкостей. Конечно, все мы знаем, что чай надо заваривать кипятком. Оказывается, при высокой температуре диффузия в жидкостях происходит быстрее. Примером диффузии в твёрдом теле может быть консервация. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе тех же овощей или грибов.

На кухне можно наблюдать и физическое явление диффузии газов. Благодаря ему, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления можно отравиться угарным и другими ядовитыми газами.

Гашение соды уксусом

Явление: реакция нейтрализации.

Без этого явления не было бы у хозяек вкусной выпечки. Когда мы гасим соду в ложке уксуса, происходит химическая реакция нейтрализации. Её результат — углекислый газ. Он стремится покинуть тесто и изменяет его структуру, делая пористым и рыхлым.

Правда, любой химик вам скажет: гасить соду вовсе не обязательно. При температуре от 60 градусов (а лучше 200) происходит разложение соды на карбонат натрия, воду и всё тот же углекислый газ. Однако реакция будет проходить несколько хуже, чем при гашении соды, а значит, хуже может оказаться и вкус готовых изделий из теста.

Варка курицы и пельменей

Явление: гидростатика — закон Архимеда.

Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на три четверти — в зависимости от размера курицы. Погружённая в кастрюлю курица заметно уменьшается в весе, а вода поднимается к краям кастрюли. Это явление объясняется выталкивающей силой, или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объёме погружённой части тела. Тот же принцип действует и при варке пельменей. Они вытеснят часть воды наверх ровно в том объёме, который занимают сами.

Собственно, свой закон Архимед придумал, занимаясь будничным делом — принимая ванну. Легенда гласит, что нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («Нашёл!»).

Проверка агрегатного состояния яиц

Явление: сохранение момента импульса.

Если раскрутить покрытое скорлупой варёное и сырое яйцо, то первое начнёт вращаться, а второе останется неподвижным. Всё потому, что внутри сырого яйца есть жидкость. Постоянно смещающийся внутри центр тяжести быстро замедляет вращение. У варёного же яйца центр тяжести остаётся в одной точке.

Добавляя при варке яиц соль, можно запустить химический процесс. Оказывается, именно в солёной воде белок «свёртывается» быстрее. Такая мгновенная реакция предотвращает яйца от растрескивания в кипятке.

Опускать яйца вариться именно в холодную воду тоже надо из научных соображений. Вещества, содержащиеся в яйце, при охлаждении сжимаются по-разному: белок уменьшается в объёме гораздо существеннее, чём скорлупа. Тогда мембрана, окружающая белок, отрывается от внутренней поверхности скорлупы и легко отходит.

Работа микроволновой печи

Явление: электромагнитное излучение.

Обычная микроволновая или СВЧ-печь с точки зрения физики носит устрашающее название — магнетрон. Это основной элемент каждой микроволновки, по сути, вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение частотой 2,45 ГГц. Такое излучение необычно воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище, а также на молекулы жиров и сахара.

При облучении электромагнитными волнами эти молекулы начинают колебаться. Из-за этого между ними возникает трение, за счёт него выделяется тепло. Оно-то и разогревает пищу изнутри.

Расширим картину мира

Научный сотрудник Института прикладной физики РАН, популяризатор науки Артём Коржиманов, кандидат физико-математических наук:

«Конечно, окружающие нас бытовые приборы инженеры делают так, чтобы мы не разбирались особо, как это всё действует. Мы приходим в магазин, покупаем вещь, в случае поломки несем её в мастерскую. Но знание, как всё это устроено, в некотором смысле расширяет наши потребительские возможности — например, по управлению автомобилем, выбору марки машины. Если вы понимаете, как это работает, вы сможете более обоснованно и аргументированно сделать покупку. Это экономит время и деньги.

Знание, как вселенная устроена с точки зрения физических и химических явлений, расширяет картину мира, делает её более полной. Такая информация позволяет нам быть более мобильными в восприятии всего нового. Потом, просто понимая, что гроза — это электричество, можно обезопасить себя от неё».

Интересный факт

В быту мы часто сталкиваемся со статическим электричеством. Именно из-за него во все стороны торчат волосы после соприкосновения с пластиковой расчёской, «трещат» и липнут к телу синтетические вещи.

Если рассматривать эффект с физической точки зрения, то это самопроизвольно образующийся электрический заряд, возникающий из-за трения поверхностей друг о друга. Причиной тому — соприкосновение двух различных веществ самого диэлектрика. Атомы одного вещества отрывают электроны другого. После их разъединения каждое из тел сохраняет свой разряд, но при этом разность потенциалов растёт.

Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Они не дают статическому заряду нанести человеку вред после мгновенного разряда.

Статическое электричество отлично снимает обычная вода. Вода — хороший проводник и при небольшом начальном напряжении «принимает» весь заряд на себя.

Теплота. Виды теплообмена реферат по физике

Реферат по ФИЗИКЕ На тему: «Теплота. Теплообмен и его виды» г.Владикавказ 2005 План: 1. Введение. Понятие теплоты 2. Теплопередача 3.Три основных вида передачи тепла 4. Роль теплоты и её использование 5. Список использованной литературы 1. Введение ТЕПЛОТА, кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м F 04 4 К) Металлы Алюминий 205 Бронза 105 Висмут 8,4 Вольфрам 159 Железо 67 Золото 287 Кадмий 96 Магний 155 Медь 389 Мышьяк 188 Никель 58 Платина 70 Ртуть 7 Свинец 35 Цинк 113 Другие материалы Асбест 0,08 Бетон 0,59 Воздух 0,024 Гагачий пух (неплотный) 0,008 Дерево (орех) 0,209 Магнезия (MgO) 0,10 Опилки 0,059 Резина (губчатая) 0,038 Слюда 0,42 Стекло 0,75 Углерод (графит) 15,6 Теплопроводность металлов обусловлена колебаниями кристаллической решетки и движением большого числа свободных электронов (называемых иногда электронным газом). Движение электронов ответственно и за электропроводность металлов, а потому неудивительно, что хорошие проводники тепла (например, серебро или медь) являются также хорошими проводниками электричества. Тепловое и электрическое сопротивление многих веществ резко уменьшается при понижении температуры ниже температуры жидкого гелия (1,8 K). Это явление, называемое сверхпроводимостью, используется для повышения эффективности работы многих устройств – от приборов микроэлектроники до линий электропередачи и больших электромагнитов. Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха. Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона q = hA (TW F 0 2 D T F 0 A 5), где q – тепловой поток (измеряемый в ваттах), A – площадь поверхности источника тепла (в м2), TW и T F 0 A 5 – температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м2хК). Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность – это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные. Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса. Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен. Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур. На рис. 8 представлена зависимость энергии теплового (инфракрасного) излучения от длины волны. Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра. Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток

Ефимова Марина Викторовна | Институт математики и фундаментальной информатики СФУ

кандидат физико-математических наук

тел.: (391)291-22-13
e-mail:
адрес: г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Д 5-14
год рождения: 1978

Место работы и должность

Образование

• Красноярский государственный технический университет — инженер-математик, 2000 г.

Стаж работы (полных лет)

Общий: 19
По специальности: 10

Научные направления, профессиональные интересы

• Механика жидкости и газа
• Устойчивость течений

Диссертации

Кандидатская диссертация

Устойчивость равновесных состояний и течений бинарных смесей в плоских слоях Научная библиотека диссертаций и авторефератов dis — 2008 г.

Публикации

Последние публикации:

1. The effect of interfacial heat transfer energy on a two-layer creeping flow in a flat channel : доклад, тезисы доклада [доклад, тезисы доклада, статья из сборника материалов конференций]

   2019, Journal of Physics: Conference Series

2. The effect of interfacial heat transfer energy on a two-layer creeping flow in a flat channel [доклад, тезисы доклада, статья из сборника материалов конференций]

   2019, Journal of Physics: Conference Series

3. СОПРЯЖЕННАЯ ЗАДАЧА СОВМЕСТНОГО ДВИЖЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ И ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ : доклад, тезисы доклада [доклад, тезисы доклада, статья из сборника материалов конференций]Андреев В. К., Ефимова Марина Викторовна, Национальный исследовательский Томский государственный университет; Механико-математический факультет; Кафедра физической и вычислительной механики; Под редакцией Д. П. Касымова

   2018, Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии

4. Thermal-Concentration Convection in a System Of Viscous Liquid and Binary Mixture in a Plane Channel with Small Marangoni Numbers [статья из журнала]

   2018, Journal of Applied Mechanics and Technical Physics

5. Термоконцентрационная конвекция в системе вязкой жидкости и бинарной смеси в плоском канале при малых числах Марангони : научное издание [статья из журнала]

   2018, Прикладная механика и техническая физика

Показать ещё публикации

6. Properties of Solutions for the Problem of a Joint Slow Motion of a Liquid and a Binary Mixture in a Two-Dimensional Channel [статья из журнала]

   2018, Journal of Applied and Industrial Mathematics

7. Свойства решений задачи совместного медленного движения жидкости и бинарной смеси в плоском канале : научное издание [статья из журнала]

   2018, Сибирский журнал индустриальной математики

8. A Priori Estimates of the Adjoint Problem Describing the Slow Flow of a Binary Mixture and a Fluid in a Channel : сборник научных трудов [статья из журнала]

   2018, JOURNAL OF SIBERIAN FEDERAL UNIVERSITY-MATHEMATICS & PHYSICS

9. Двумерное движение системы бинарная смесь-жидкость при параболическом нагреве на твердых стенках : доклад, тезисы доклада [доклад, тезисы доклада, статья из сборника материалов конференций]

   2017, ЗАДАЧИ СО СВОБОДНЫМИ ГРАНИЦАМИ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ И ПРИЛОЖЕНИЯ

10. On one two-dimensional stationary flow of a binary mixture and viscous fluid in a plane layer : научное издание [статья из журнала]

    2016, Journal Siberian Federal University. Mathematics and Physics

11. О совместном движении бинарной смеси и вязкой жидкости в плотном слое : доклад, тезисы доклада [доклад, тезисы доклада, статья из сборника материалов конференций]

    2016, Актуальные проблемы прикладной математики и механики

12. Монотонные возмущения равновесного состояния двухслойной системы бинарных смесей : научное издание [статья из журнала]

    2010, Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика

13. Неклассические модели конвекции: Точные решения и их устойчивость : научное издание [статья из журнала]

    2009, Вычислительные технологии

Список публикаций сформирован в автоматическом режиме. Сообщите, если заметили неточности.

Наиболее значимые публикации:

• Андреев В.К., Ефимова М.В. О совместном движении бинарной смеси и вязкой жидкости в плоском слое / Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции, посвященной памяти академика А. Ф.Сидорова, и Всероссийской молодежной школы-конференции, п. Абрау-Дюрсо, 5-10 сентября 2016 г., с. 6-7
• Efimova M. On one two-dimensional stationary flow of a binary mixture and viscous fluid in a plane layer // Journal Siberian Federal University. Mathematics and Physics. 2016. 9(1). C. 30-36.
• Ефимова М.В. О решении двумерной задачи конвекции с переменным градиентом температуры /Тезисы докладов XVIВсероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, г. Красноярск, 2015, с. 34-35
• Ефимова М.В. Об одном решении уравнений конвекции для двухслойной системы // Тезисы докладов VIII Международной конференции “Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике”, г. Новосибирск, 2015, с. 33
• Ефимова М.В. О возникновении конвекции в двухслойной системе жидкостей под действием градиента давления // Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения: тезисы докладов V Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых, 29 июня – 4 июля 2014 / Алт. гос.техн.ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт.гос.техн.ун-та, 2014 – 139 с. С. 38-39
• Ефимова М.В. Об устойчивости конвективного плоскопараллельного движения двухслойной системы // Новые математические модели механики сплошных сред: построение и изучение. Тезисы докладов всероссийской конфкеренции, приуроченной к 95-летию академика Л.В. Овсянникова. – Новосибирск, 2014. С. 57-58
• Ефимова М.В. Об устойчивости совместного стационарного течения бинарной смеси и вязкой теплопроводной жидкости // (Тезисы докладов Международной конференции «Информационно – вычислительные технологии и математическое моделирование», 2013, г. Кемерово, КемГУ) [Электронный ресурс]: (тексто – графические материалы). Кемерово: КемГУ, 2013. CD-ROM № гос. регистрации – 0321302759, св-во № 32057 от 21.06.2013
• Ефимова М.В. Совместное движение бинарной смеси и вязкой жидкости под действием термоконцентрационных сил // Вычислительные технологии – Новосибирск, Т18. №3. 2013. С. 4-12

Ссылка на профиль в Академии Google

Примеры конвенции в природе и технике

1. Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба.

Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша нагревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу, с моря перемещается к берегу — дует ветер. Это и есть бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз — движение холодного воздуха от суши к морю.

2. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку, в печь, в трубу самовара не будет поступать воздух, то горение топлива прекратится. Обычно используют естественный приток воздуха — тягу. Для создания тяги над топкой, например в котельных установках фабрик, заводов, электростанций, помещают трубу. При горении топлива воздух в ней нагревается. Как мы уже знаем, от этого плотность воздуха уменьшается. Значит, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый поднимается вверх — образуется тяга. На рисунке 190 изображена установка опыта, поясняющего образование тяги.

Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

3. Центральное водяное отопление. Во многих современных больших зданиях устраивают водяное отопление.

В подвальном этаже здания устанавливают котел 1 (рис. 191), в нем нагревается вода. От верхней части котла главная труба 2 идет на чердак, где она соединяется с расширительным баком 3. Расширительным он называется потому, что в него поступает избыточный объем воды, образующийся при расширении ее от нагревания. От расширительного бака по чердаку проводят систему распределительных труб 4, от которых отходят вниз вертикальные трубы 5, проходящие через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи б, составленные из чугунных труб и устанавливаемые обычно под окнами.

Горячая вода нагревает трубы батарей, отдавая им часть своей энергии. От труб энергия передается воздуху комнаты. Сама вода, становится холоднее и по системе нижних отводных труб 7, расположенных в подвале, поступает в котел, где снова нагревается, поднимается на чердак, опять попадает в батареи, отдает им энергию и т. д. Такое движение воды в системе центрального отопления и, следовательно, перенос энергии от котла к батареям происходит все время, пока нагревается котел, и осуществляется оно благодаря конвекции.

В больших зданиях создают искусственную (принудительную) циркуляцию воды при помощи насоса, который непрерывно гонит воду в нужном направлении.

В системах отопления, применяемых в городах и некоторых рабочих поселках, горячую воду получают не от собственного котла, а от тепловых электростанций (ТЭЦ), доставляющих горячую воду нескольким жилым кварталам и даже целым районам города.

Из наших жилых помещений даже при хорошей теплоизоляции энергия передается наружу. Поэтому зимой приходится непрерывно обогревать помещение, чтобы поддерживать в нем постоянную температуру.

Упражнения.

1. Расскажите, как образуется ветер, тяга. 2. Как осуществляется перенос энергии от котла к батареям в системе центрального отопления? 3. Почему подвал — самое холодное место в доме? 4. Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна? 5. Для чего делают высокими заводские трубы? 6. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом? Ответ поясните. 7. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Конвекция в науке: определение, уравнения и примеры — видео и стенограмма урока

Что такое конвекционные токи?

Вы когда-нибудь держали руку над кастрюлей с кипящей водой? Вы, наверное, не смогли бы удерживать его там долго. Но когда вы кладете руку рядом с того же банка, вы чувствуете себя прекрасно. Почему так случилось? Из-за конвекции!

Существует три типа теплопередачи: кондуктивная, конвекционная и радиационная. Конвекция — это тип теплопередачи, которая может происходить только в жидкостях и газах, потому что она включает в себя физически движущиеся жидкости или газы.

Конвекция возникает, когда существует разница температур между двумя частями жидкости или газа. Горячая часть жидкости поднимается, а более холодная опускается. Но давайте возьмем пример, чтобы подумать о , почему это происходит с , чтобы не предположить, что у жидкости есть собственный разум.

После дня хорошего, основательного обучения пора сделать перерыв. Вы ставите чайник, чтобы заварить чашку чая. Чайник нагревает воду снизу, давая молекулам у дна больше кинетической энергии (энергии движения).Это дополнительное движение позволяет молекулам немного разойтись. Если они больше разнесены, значит, вода менее плотная. Холодная вода обычно плотнее горячей.

Конвекционные токи в кипящей воде — кастрюле или чайнике.

Что произойдет, если вы поместите что-то менее плотное внутрь более плотного? Что ж, попробуйте положить пробку под воду. Вы не удивитесь, увидев, как он прыгнет прямо на поверхность.Таким же образом горячая вода на дне чайника менее плотная, чем холодная вода над ним, поэтому она будет подниматься на поверхность. Попав туда, он снова остывает, потому что находится дальше от нагревательного элемента. Это заставляет его становиться более плотным и тонуть.

Эти движения воды являются конвекционными потоками, поэтому кипящая вода так сильно перемещается. Вода нагревается и становится менее плотной, затем поднимается и охлаждается, снова становясь более плотной, пока не тонет.Этот процесс повторяется снова и снова. И все это из-за простой разницы температур между верхом и низом чайника.

Итак, буквально минуту назад я спросил вас, почему так жарко над кипящей водой, когда совершенно удобно положить рядом с ним руку. Причина этого — конвекционные токи. Это потому, что нарастает жара. Когда вы кладете руку рядом с горшком, вы получаете энергию через другие типы теплопередачи, такие как теплопроводность и излучение. Но не очень.Однако над ним вы добавляете в смесь конвекцию. Нагретый воздух буквально поднимается к вам к руке.

Какие типичные ошибки студенты делают с теплом в термодинамике?

Какой отличный вопрос!

Вы можете представить себе heat как чистую энергию, передаваемую от одного объекта к другому (тепловое взаимодействие) из-за разницы температур. Это процесс, обычно осуществляемый за счет теплопроводности или излучения (+ конвекция, испарение и т. Д.).).

Одно из наиболее распространенных заблуждений / ошибок, которые я вижу, связано с плохим различением тепла, работы, тепловой энергии и температуры.

За пределами физики / химии / и т. Д. Мы часто говорим о «тепле» не совсем точно с научной точки зрения, что, вероятно, не помогает; прежде чем мы впервые узнаем о концепции тепла в физике, химии или о чем-то еще, скорее всего, мы использовали этот термин уже много лет.

Тепло по сравнению с работой:

• В отличие от механического взаимодействия, при котором совершается работа, тепло не требует макроскопического движения системы

• Энергия передается, когда более быстрых молекул в более горячем объекте сталкиваются с более медленными молекулами в более холодном объекте
  -Чистый результат — передача энергии от более горячего объекта к более холодному объекту

Heat Vs.Температура

• Температура — это переменная состояния , которая количественно определяет «жаркость» или «холодность» системы
• Тепло не является переменной состояния. Нет смысла говорить о том, как меняется тепло.
• Теплопередача — это следствие разницы температур между объектами

Heat Vs. Тепловая энергия

• Тепловая энергия — это энергия системы , обусловленная движением ее атомов и молекул
• Тепловая энергия — это переменная состояния; имеет смысл поговорить о том, как #E_ «th» # изменяется в процессе
• Тепло не является переменной состояния
• Тепло может вызвать изменение тепловой энергии системы

По тому же предмету студенты часто хотят предположить, что наблюдаемое повышение температуры подразумевает увеличение тепла, но нагрев системы — это только один способ изменить ее температуру! Вы также можете изменить температуру системы, выполняя какие-либо работы с системой (например, с трением).

Например, в адиабатическом процессе # Q = 0 # и первый закон сообщает нам

# W = DeltaE_ «th» #

#:. # Наблюдение за системой ничего не говорит нам о процессе, посредством которого энергия входит или покидает систему !

PHYS 200 — Лекция 21 — Термодинамика

PHYS 200 — Лекция 21 — Термодинамика

Глава 1. Температура как макроскопическое термодинамическое свойство [00:00:00]

Профессор Рамамурти Шанкар : Хорошо, класс, с возвращением.Это наши последние две недели. У нас будет немного другой график для набора задач. Я собираюсь назначить кое-что сегодня, а это будет в следующую среду. Я даю достаточно времени, чтобы вы могли спланировать свои действия. Затем я, вероятно, дам вам последний набор задач из двух или трех задач на то, что я делаю ближе к концу. Придется играть на слух.

Хорошо, это еще одна новая тема по термодинамике, новое начало для тех, кто хочет начать все сначала. И есть также вещи, которые вы, вероятно, видели в старшей школе, по крайней мере, некоторые из них.Итак, все следующие четыре лекции посвящены изучению тепла, температуры, теплопередачи и тому подобного.

Итак, мы начнем с интуитивного определения температуры, которое есть у каждого. Так что держитесь за это; это правильная интуиция. Но, как физики, мы, конечно, хотим быть более точными, более осторожными. Итак, допустим, у вас есть понятие горячего и холодного. Даже это требует немного большей точности. Это вводит понятие так называемого термодинамического равновесия.Как и механическое равновесие, это очень важная концепция.

Итак, я расскажу вам, что такое равновесие, на конкретном примере. Если вы возьмете чашку горячей воды и еще одну чашку холодной воды, каждая чашка, если вы достаточно долго ждали, считается находящейся в состоянии равновесия, пока чашки были изолированы от внешнего мира и не допускались. чтобы остыть или нагреться. Мы думаем, что они поддерживают определенную температуру. Мы говорим, что он находится в состоянии теплового равновесия, потому что кажется, что эта температура не меняется.Сейчас мы не определили, что это за температура, но мы можем говорить о том, изменилось ли то, что это было, или нет. Таким образом, он остынет до некоторой температуры и будет поддерживать ее. Будь очень осторожен. Если вы оставите чашку кофе в этой комнате, она остынет, потому что в комнате другая температура. Но я говорю о чашке кофе, изолированной от всего; поддерживает температуру. Вот еще одна чашка холодного напитка, при которой мы чувствуем более низкую температуру.Они оба находятся в состоянии равновесия.

Равновесие — это когда макроскопические свойства системы перестали изменяться. Если вы теперь налейте одну из этих чашек в другую, это будет период, когда система не будет находиться в равновесии в том смысле, что у нее нет четко определенной температуры. Например, если вы просто налили его сверху, горячее находится сверху, холодное — снизу, наступит переходный период, когда вы действительно даже не можете сказать, какова температура смеси. Некоторые части горячие, некоторые холодные; в этой системе нет температуры. Но если вы подождете достаточно долго, пока две части узнают друг друга, они превратятся в какой-то непригодный для питья беспорядок, но хорошо то, что у него будет четко определенная температура. Это опять же система, находящаяся в равновесии.

Итак, вы должны понять, что температура и тепловое равновесие представляют собой общие макроскопические свойства, и они не всегда определяются. На микроскопическом уровне — это не секрет — все мы знаем, что все состоит из атомов и молекул.Атомы и молекулы, образующие жидкость или газ, всегда имеют четко определенные состояния. Каждая молекула имеет определенное местоположение, определенную скорость. Но на макроскопическом уровне, когда вы не вникаете в мелкие детали, а сосредотачиваетесь на нескольких вещах, таких как температура, они не всегда имеют четко определенное значение; вот что вам нужно понять. У вещей есть четко определенная ценность, когда они успокаиваются.

Сколько времени нужно, чтобы остепениться? Все зависит от того, какую систему вы изучаете.Но в целом вы все можете сказать, когда оно успокоилось. Вот еще один пример. Предположим, вы берете газ и помещаете его внутрь этого поршня, помещаете внутрь немного газа, вы кладете грузы, и все находится в равновесии. Мы говорим, что оно находится в равновесии, потому что макроскопические вещи, которые вы видите невооруженным глазом, ничего не меняется. Он просто так будет сидеть. Но если вы сейчас вдруг уберете, скажем, треть груза, поршень поднимется, немного встряхнется, возможно, осядет в новом месте.Если вы подождете несколько секунд, новое место снова установится, и невооруженным глазом вы не увидите ничего, что выглядело бы так, как будто что-то происходит.

В промежутках вы увидите, как движутся поршни, газ турбулентный, давление высокое в некоторых областях, низкое в некоторых областях, затем оно стабилизируется. Это понятие системы в равновесии, а между ними есть состояния системы, которые не находятся в равновесии. Теперь, когда система находится в таком равновесии, мы можем присвоить ей температуру, которую мы называем T .Прямо сейчас мы ничего не знаем об этой температуре, поэтому мы собираемся создать ее с нуля, кроме вашего инстинктивного ощущения того, что такое температура.

Один из законов термодинамики называется нулевым законом — нулевым законом, потому что они записали первый закон, затем они вернулись и пришли к идее, которая была еще более глубокой, и они сказали: «Мы назовем это нулевым законом. ” Нулевой закон гласит: «Если a и b имеют одинаковую температуру и b и c имеют одинаковую температуру, то a и c имеют одинаковую температуру.”

Так вот, я вижу сегодня в аудитории недоверие. Почему вы называете это законом? Послушайте, я думаю, что ключ к нашей способности говорить о температуре в глобальном масштабе — это предположение, что если я возьму термометр и измерю что-то там, а затем вернусь и опущу термометр сюда, и он покажет то же число, тогда Я могу заключить, что эти две сущности, которые никогда не встречались напрямую, тоже имеют одинаковую температуру. Это не так — это кажется вам довольно очевидным, но все понятие температуры основано на том факте, что вы можете определить атрибут, называемый температурой, который можно глобально сравнивать между двумя системами, которые никогда не встречались напрямую, но встречались с третьей системой.

Глава 2. Калибровка приборов температуры [00:06:45]

Хорошо. Итак, когда у нас есть некоторое представление о горячем и холодном, давайте теперь решим быть более количественными. Это все равно, что сказать, что кого-то высокого и низкого недостаточно. Мы выясняем, какой рост, сколько футов, сколько дюймов, сколько миллиметров. Итак, мы хотим получить количественные данные. Все, что у нас есть сейчас, — это понятие горячего и холодного. Итак, мы пытаемся найти способ уточнить, насколько жарко и насколько холодно. Итак, люди сказали: «Давайте посмотрим на некоторые вещи в мире, которые, кажется, зависят от температуры.”

Одна вещь, которая, кажется, зависит от температуры, заключается в следующем. Вы берете эту измерительную линейку по стандартам Национального бюро, хранимую в каком-то стеклянном ящике при определенной температуре. Вы вытаскиваете его — или делаете его копию, вытаскиваете на улицу и оставляете в комнате. Вы можете обнаружить, что если в комнате было жарче, чем в стеклянной витрине, этот стержень затем расширился до новой длины. Итак, один стержень находится вне корпуса, один стержень находится внутри корпуса, поэтому сравнение имеет смысл. С этим парнем в витрине с кондиционером ничего не сделали, но этот расширяется.Итак, один из способов определить температуру — просто спросить, какова длина этого стержня, и каким-то образом соотнести длину стержня с температурой.

Итак, вы можете это сделать. Итак, что вам нужно сделать — что вам нужно сделать в первую очередь, это определить, нанести на него какие-то отметки, чтобы при каждом дополнительном росте чего-то мы могли сказать, что температура повысилась на некоторую величину. Итак, нам нужны единицы измерения температуры, это совершенно произвольно. И вам нужны стандарты, например, эта измерительная ручка, вы знаете, это не — ничего внутреннего по своей природе в метре, мы просто придумали это и сказали: «Давайте назовем это метром.В случае с измерителем нулевой закон заключается в том, что если вы поднесете метр рядом с моей, и мы согласны, вы можете взять измеритель где-нибудь в другом месте и определить, что это будет метр, потому что, если эта палка имеет такую ​​же длину, как и эта и до тех пор, пока это одно, то эти два равны по длине. Но температура — вы аналогичным образом воспользуетесь этим стержнем и скажете: «Этот стержень имеет определенную длину, если держать его наверху этого ведра с некоторой жидкостью, и такую ​​же длину, когда я держу его в этом ведре, тогда два ведра одинаковы. температура.«Таким образом, мы можем использовать маркировку на этом стержне по сравнению с нерасширенной длиной в качестве меры температуры.

Итак, люди выбирают что-нибудь попроще, чем этот стержень. Они замечают, что жидкости расширяются, когда вы их нагреваете. Вот почему в летний день, если вы наполняете свой бензобак, вам нужно оставить немного места наверху, чтобы перелив мог вытечь из него; или не следует заливать его полностью, иначе резервуар разобьется. Итак, жидкости расширяются. Итак, один из способов измерения температуры — это взять немного жидкости, налить ее туда, а затем поместить в жаркое помещение и, возможно, наблюдать, как жидкость расширяется до новой высоты.А затем нарисуйте какие-то разметки, и каждая разметка может быть определенной температуры.

Но у людей была идея получше, чем эта. У них была следующая идея термометра, в котором у вас много жидкости в резервуаре, очень тонкая трубка, отведенная наверху, и жидкость, таким образом, находится здесь. Итак, что в этом умном, так это то, что если оно увеличится на один процент, ваши глаза должны быть достаточно хороши, чтобы увидеть увеличение роста на один процент. Если эта жидкость расширяется на один процент по объему, этот один процент по объему, и он поднимается по этой узкой трубке, может подняться совсем немного [показывает на картинку], потому что дополнительный объем, который вы получите от расширения, будет равен площади этой трубки, умноженной на дополнительный Δx, на который он расширяется. Итак, вы увеличиваете расширение, заставляя всю расширительную жидкость подниматься по этой чрезвычайно узкой трубке. На самом деле трубка настолько узкая, что вы, вероятно, даже не можете ее хорошо увидеть, поэтому у них есть небольшая призма, которая увеличивает ртуть или спирт в термометре.

Хорошо, теперь у нас есть способ отследить температуру. Мы можем рисовать какие-то линии, произвольные линии, это не имеет значения. Это может быть ноль, может быть пять, это может быть 19; вам просто нужно убедиться, что он монотонный.Тогда, когда он будет на 21, мы можем утверждать, что 21 сейчас жарче, чем 19. Но вам нужен лучший масштаб, чем этот. Несмотря на то, что на практике это математически адекватно, люди решают сделать это следующим образом. Они сказали: «Мы хотим установить термометры так, чтобы люди во всем мире, в разных частях мира, в разных странах, в разных лабораториях могли прийти к согласию. Итак, мы дадим возможность каждому сделать свой собственный термометр по следующему рецепту ». Мы окунем этого парня в ведро со льдом и водой.Это называется точкой плавления воды, так что… или точкой замерзания воды; точка плавления льда или точка замерзания воды не имеет значения. Мы замечаем, что по мере остывания воды в окружающем нас мире внезапно начинают образовываться кубики льда. Мы приближаемся к температуре, при которой это происходит впервые, и погружаем туда термометр, и какое бы значение мы ни получили, мы будем постулировать, что это ноль градусов по Цельсию. Это просто определение.

Мы считаем, что это хорошее определение, потому что это могут делать люди во всем мире.Конечно, если вы живете в Кувейте, это вам не поможет; нет льда. Но они выяснили, что в тех частях света, где есть лед, это очень хорошее определение. У тебя лед, у тебя ноль градусов. Затем они сказали: «Давайте найдем еще одну общедоступную вещь», а это, как вы все знаете, точка кипения воды. Если вы поставите воду на плиту, она нагревается, нагревается и нагревается, и внезапно она начинает пузыриться, закипать и испаряться. Эта температура будет называться 100 градусов, 100 градусов по Цельсию.Затем вы берете этот столбец между нулем и 100 и делите его на 100 равных частей. И это постулируется как температура где-то между нулем и 100. Если вы прошли 79 процентов пути до вершины, отсюда сюда, температура составит 79 градусов. Так были введены градусы, это шкала Цельсия, и вы, ребята, знаете, что существуют разные шкалы. У вас может быть шкала Фаренгейта, у вас может быть любая другая шкала, в которой то, что вы хотите назвать точкой замерзания, отличается.Кто-то думает, что это ноль, кто-то думает, что это 32. И вы можете снова назвать это как-то иначе, и вы можете разделить этот интервал на 100 частей, 180 частей, как хотите. Но философия та же. Вам нужно найти две точки, которые легко воспроизводимы, и разделить область между ними на некоторое количество равных шагов. Если есть 100 одинаковых ступеней, вы говорите, что это шкала Цельсия, при условии, что наименьшая из них называется нулевой. Вот такие у вас термометры.

Теперь с этим есть некоторые проблемы.Одна из проблем заключается в том, что точка кипения воды не кажется очень надежной. Потому что, если, например, вскипятить воду в Аспене, вы поймете, что она не закипает — она, кажется, кипит быстрее, чем на равнинах. Вы можете спросить: «Откуда вы это знаете?» может быть, он все еще делает то же самое. Я знаю, что из-за того, что я пытался что-то приготовить, сварить немного риса и овощей, я обнаружил, что они вообще не готовят. В Денвере оно закипает перед приготовлением; таким образом мы знаем, что в горах, вероятно, закипает раньше, чем на равнинах.Итак, кто будет решать, какая на самом деле температура? Итак, вы должны быть более осторожными, когда говорите о температуре кипения и замерзания, потому что кажется, что вещи не закипают при определенной, предсказуемой и фиксированной температуре.

Это очень глубокий аргумент, который я никогда полностью не ценил, когда изучал предмет, заключается в том, что все это циклическое определение. Потому что вы можете не знать, что температура меняется, потому что этот термометр согласно постулату, по определению будет температурой.Как это может быть неправильно? Что неправильно, так это то, что вы знаете, что это ненадежный метод, потому что физические явления, такие как приготовление риса, не воспроизводятся точкой кипения воды. Его готовят на равнинах, а в горах не готовят, поэтому мы знаем, что всему виной температура кипения. Рис — это рис. Вот откуда мы знаем, что это плохой показатель. Итак, в наши дни у людей есть гораздо более хитрые меры, и я вам немного расскажу об этом. Но долгое время это было очень хорошим началом. Не беспокойтесь о том, что вода на разных высотах кипит по-разному; вы можете подняться на уровень моря, и это достаточно хорошее определение.Уровень моря практически постоянен во всем мире, и вы можете сказать, что давление на уровне моря — это давление на уровне моря; просто ρgh атмосферы. Хорошо, это обычное определение температуры.

Проблема началась, когда люди поняли, что если вы сделаете термометр из своей любимой жидкости, может быть, ртути, а я сделаю термометр из спирта, они согласятся на нуле, и они согласятся на 100, потому что это то, как вы это исправили. Вы подстроили его так, что при нуле все говорят ноль; 100 все говорят 100.

А как насчет 74 градусов или 75 градусов? Я говорю, что это 75, если моя жидкость поднялась на три четверти пути к вершине. В этот момент ваш может не пройти и трех четвертей пути. Другими словами, у вас есть две вещи, два графика, у которых есть ноль и 100 градусов; один график может быть таким, другой может быть таким. Так что, когда я думаю, что это 75, вы можете подумать, что это 72. На 100 мы согласимся, потому что мы так приготовили. Другими словами, неверно, что все жидкости расширяются с одинаковой скоростью.Итак, вам нужно будет выбрать одну жидкость и сказать: «Мы клянемся этой жидкостью, и когда эта жидкость пройдет половину пути, мы скажем, что она 50 градусов». Итак, вам нужно будет выбрать жидкость, вам нужно будет провести международную конвенцию, вы знаете, есть алкогольное лобби и нет алкогольного лобби; они утверждают. Наконец, они нашли гораздо лучшее решение, чем эти жидкости.

Они выяснили, что если вы используете газ — вы можете определять температуру, используя газы, которые обладают очень, очень хорошими свойствами. А это газовый термометр, о котором я вам сейчас расскажу. Итак, вот как построить газовый термометр. Вы берете немного газа в баллон. Типичный для меня контейнер во всем — всякий раз, когда я рисую что-либо термодинамическое, это будет газ внутри какого-то баллона с некоторыми грузами на нем, и это определяет давление газа. Конечно, давление будет мг этих гирь, разделенных на площадь цилиндра. Это давление плюс атмосферное. И объем такой, каким бы ни был объем, умноженный на высоту.

Вот что мы просим вас сделать. Возьмите произведение давления на объем для любой пробы газа. Возьмите немного газа, поместите его в этот резервуар и теперь поместите его на разные поверхности, например, на горячую плиту, на плиту, на ванну с водой, и измерьте температуру, используя какой-нибудь стандартный метод до этого момента, например, ртутным термометром. Вы заметите, что температура, измеренная по какой-то разумной схеме, показывает, что произведение P на V лежит на прямой линии [рисует диагональную линию на плате]. Если вы соедините точки, вы обнаружите, что продукт PV линейен по этой температурной переменной.

И это ноль градусов, а это 100 градусов. Вот и вся прелесть газового термометра. Если вы возьмете другой газ и поместите другое количество другого газа в другой баллон, вы получите другой график; это может выглядеть так [рисование другой прямой линии]. Для вас это ноль, а это 100. Но самое главное, что это тоже прямая линия.То, что это также прямая линия, имеет следующий смысл, который вы, ребята, можете доказать на собственном досуге, а именно: если я думаю, что мой газ поднялся на 56 процентов пути до вершины, значит, температура составляет 56 градусов. , Я спрашиваю, что у вас сделано, вы обнаружите, что ваш тоже 56 процентов пути пролез. Это свойство прямых линий. Вы можете показать, что если вы взяли две прямые линии, независимо от их наклона, если они согласны, если это ноль, а это 100, у них другой наклон, когда вы поднялись на полпути, нарисуйте линию с 50 градусов и спросите, что сделал какой-либо газ, они все поднялись до середины пути от нулевой точки до 100-й. Другими словами, газовые термометры согласуются не только в конечных точках, где они должны по конструкции, они, кажется, согласуются полностью между ними.

Но есть одно требование. Этот газ должен быть очень разбавленным. Чем больше он разбавлен, тем лучше получается. Итак, возьмите неон или фреон или что угодно. Не накачивайте много бензина; поставьте наименьшее количество газа, которое вам может сойти с рук. Затем вы обнаружите, что все газы обладают тем свойством, что если вы откалибруете их на ноль и 100, они согласуются между ними.Вам это ясно?

Возьмите продукт P умножьте на В вашего газа, поместив его на разные поверхности, измерьте продукт, постройте этот график. Когда вы находитесь на льду [точка замерзания воды], вы называете это нулем; всякий раз, когда вы находитесь в кипящей воде, вы называете это 100. Вы обнаруживаете, что они соединены прямой линией, тогда каждая промежуточная точка, которую вы разделили поровну, приводит к равному увеличению произведения: P умножить на V . P умножить на V для газа лучше, чем объем ртути или объем воды, потому что он не зависит от газа.Так что пользоваться газовым термометром может каждый. Вот почему мы предпочитаем газовый градусник.

Итак, это интересный вопрос об измерениях или определениях и циклических определениях — вы должны быть осторожны. Законы природы позволяют вам выбирать все, что вам нравится, что зависит от температуры, и использовать это как определение температуры, как термометр. Итак, почему одни термометры предпочтительнее других? Они предпочтительнее других, если законы природы принимают простейшую форму, когда их описывают в терминах этих термометров.Другими словами, возьмите метровую палку. Что отличает хорошую метрическую штангу от стандарта? Вы говорите тот, который не расширяется, но мы не знаем, что это значит. Эта метрическая палка — стандартная; по определению это правильно. Но тогда вы скоро обнаружите, что на самом деле это не так просто, потому что есть хорошие и плохие измерительные стержни. Например, одна и та же измерительная ручка в одно время года не соответствует своей длине в другое время года; тогда мы понимаем, что это плохая метрическая палка. Точно так же есть хорошие и плохие термометры, и люди приходят сюда на газовом термометре.

Глава 3. Абсолютный ноль, тройная точка воды, Кельвин [00:22:25]

Если у вас есть газовый термометр, то из газового термометра получилось что-то очень интересное. Если охладить его ниже нуля и спросить, в каком направлении оно пойдет, я не знаю, насколько низко вы могли бы опуститься. Раньше люди не могли опускаться ниже нуля, но теперь мы можем опускаться на одну миллиардную градуса выше определенной точки. Я вам сейчас скажу, эти термометры каким-то образом показывают, что продукт PV исчезает при температуре минус 273.16, предполагая, что в этой температуре есть что-то особенное. Потому что, если вы взяли еще один газ — ну, я собираюсь здесь немного обмануть — это также экстраполирует ту же температуру. Итак, все газы, все газовые термометры говорят, что в этой температуре есть что-то особенное, потому что тогда все наши давления исчезают. Итак, охлаждая заданное количество газа, даже при заданном объеме, если вы сохраните объем постоянным и спросите, какое давление мне нужно, сколько грузов я должен надеть; которая уменьшается и исчезает при этой температуре.И это называется абсолютным нулем температуры.

Его называют абсолютным нулем по многим причинам. Во-первых, в отличие от нуля по шкале Цельсия, который ни в коем случае не является самой низкой возможной температурой, абсолютный ноль — это минимально возможная температура. Почему? Потому что давление газа можно уменьшать, уменьшать и уменьшать, но худшее, что может случиться, — это то, что оно может упасть до нуля. Вот и все. Он не может опуститься ниже без давления. Мы найдем и другие способы. Это температура, при которой вы концептуально не увидите, что дальнейшее охлаждение невозможно.Это потребует от вас понимания того, что означают горячее и холодное. Но прямо сейчас это говорит о том, что все газовые термометры показывают эту температуру.

Итак, люди решили: «Знаете что, называть этот ноль искусственно». Это основано на одержимости людей водой. Но если вы думаете, что законы науки описывают всю вселенную, как насчет планет, на которых нет воды? Правильно? Вы не можете описать. Предположим, вы разговариваете с другой цивилизацией; Планета обезьян. Вы хотите сказать этим ребятам: «Мы установим нашу температуру; ноль — это когда вода замерзает », а они говорят:« Как это называется водой? » «Вы знаете, что вы пьете.«Вы не знаете, что пьют эти обезьяны. Может, они пьют метан или жидкий водород. Мы не знаем. С другой стороны, вы говорите: «Возьмите любой пар и подождите, пока произведение давления и объема не станет равным нулю, назовем это нулем», — это универсальный стандарт. Это не связано с чем-то, что называется водой. Некоторое время это было хорошо, но не годится в качестве универсального устройства для термометров. Итак, отсюда можно установить ноль температур.

Как только они это сделали, они назвали этот ноль, им нужна была еще одна температура.И они решили, что если вы запускаете новую шкалу температур, вы ставите ноль не по шкале Цельсия, а теперь она называется Кельвином. И все будет следовать прямой линии, но чтобы определить, что означает один градус, вам нужно определить еще одну температуру. Вот как мы определяем прямую линию; эта температура будет называться 273,16. Но эта точка называется тройной точкой воды. Что такое тройная точка воды? Вы знаете, что вода и лед могут сосуществовать, и вы знаете, что вода и пар могут сосуществовать при температуре 100 градусов.Но, изменяя давление, температуру и объем, вы действительно можете найти определенную волшебную точку, в которой одновременно могут сосуществовать лед, вода и пар. Он не может выбирать между этими тремя вариантами.

Лед, плавающий на воде, — это когда вода не решила, быть ли ей льдом или водой. Это точка сосуществования двух вещей. А когда вода на плите закипает, вода и пар сосуществуют. Но я говорю об определенных условиях давления, температуры и объема, при которых вода, лед и пар сосуществуют.Это уникальная ситуация; вы не можете добраться до этого никакими другими средствами. И эту температуру мы назовем плюсом 273,16 в этих абсолютных единицах.

Итак, в основном, что вы сделали, перейдя к абсолютным единицам, так это то, что вы переместили ноль в более естественную точку, где встречаются все графики; затем вы определяете один градус Кельвина как такой, что 273,16 Кельвина приведут вас к тройной точке воды. Итак, если вас это сбивает с толку, я просто говорю, что точка кипения воды не является фиксированным числом.Едешь в горы, все меняется. Но только при одном условии могут сосуществовать вода, лед и пар. Вы не можете получить это никаким другим способом. Итак, все согласятся с этой конкретной ситуацией, которая будет называться 273,16 Кельвина.

Теперь, кажется, есть правило. Вы можете сказать «градус Цельсия», но не должны говорить «градус Кельвина». Во многих книгах было сделано много чего. Я все время забываю — на самом деле, я снова забыл, и ничего страшного со мной не случилось. Поэтому я не думаю, что вам следует уделять слишком много внимания тому, можно ли назвать что-то «градус Кельвина» или просто «Кельвин».«Я думаю, что цель языка — не допускать двусмысленности. Но когда они говорят: «градус Кельвина», и я нахожу, что вы, ребята, не запутаетесь, я не думаю, что это имеет большое значение. Но вы обнаружите, что если вы очень эрудированный человек, вы никогда не напишете «степень Кельвина». Но, сказав это, не придерживайтесь этих стандартов — я просто не чувствую никакой привязанности к этому конкретному, полностью искусственному и пустому соглашению. Но вы должны помнить, если вы берете GRE или что-то в этом роде, это не называется «градус Кельвина».«Хорошо, что касается нас, шкала Кельвина похожа на шкалу Цельсия, за исключением того, что ноль сместился сюда. Вот и все. Это шкала температуры, которую вы будете использовать. Это абсолютная температура. С этого момента всякий раз, когда я пишу T , я говорю о Кельвине, а не о градусах Цельсия. Это все о тепле, я имею в виду, о температуре.

Глава 4. Удельная теплоемкость и другие тепловые свойства материалов [00:28:55]

Теперь я хочу поговорить о тепле. Итак, тепло обозначается символом Q , и вы должны спросить себя: «О чем мы говорим, когда говорим о тепле?» Опять же, давайте использовать ваше интуитивное представление о том, что такое тепло.Скажем, у меня есть ведро с водой; Я хочу его разогреть. И как ты это делаешь? Вы ставите ведро на что-то еще, что, по вашему мнению, более горячее, и когда они соединяются, вода каким-то образом становится все горячее и горячее. Итак, мы говорим, что нагрели воду, и говорим, что передали тепло.

Так вот, люди не были уверены, что на самом деле было передано. Что идет от плиты к воде? Почему плита, если она не подключена к розетке, становится холоднее, а вода становится горячее? Они просто решили назвать это калорийной жидкостью. Они вообразили, что существует некая жидкость, в которой много горячего, но не так много холодного. Когда вы складываете вместе горячее и холодное, эта волшебная жидкость перетекает из горячего в холодное и при этом нагревает холодное. И они решили измерить это в калориях. Итак, вы должны определить, что такое калории. Другими словами, вы хотите спросить: «Сколько тепла нужно, чтобы нагреть это ведро с водой?» И они сформулировали правило: мы собираемся определить так называемую калорию, в которой количество необходимых калорий равно массе воды, умноженной на изменение температуры.Это будут калории.

Другими словами, если бы у меня была емкость с 10 граммами воды, и температура поднялась — извините, это масса воды в граммах. Если у вас есть 1 грамм воды, вы что-то с ним сделали, и температура поднялась на семь градусов, вы, по определению, накачали 7 калорий. Если бы это был килограмм воды, это называлось бы килокалорией. Иногда используют граммы и калории; иногда используют килограммы и килокалории. Но определения последовательны; если вы кладете килограмм в грамм, положите килограмм в калории.

Хорошо. Теперь предположим, что вы говорите: «Я не хочу говорить просто о воде, я хочу поговорить о чем-то еще о обогреве». Может, я хочу нагреть грамм меди ». Итак, вы запишите следующее правило. Количество тепла, необходимое для нагрева чего-либо — выберите свой любимый материал — золото. Затем, я думаю, мы все понимаем, что количество тепла должно быть пропорционально количеству материала, который вы пытаетесь нагреть. Это наше интуитивное представление. Если у вас есть один кусок золота, на который уходит некоторое количество калорий, у вас есть второй такой же кусок; по определению, это должно потреблять столько же калорий.Если сложить их вместе, становится ясно, что какой бы ни была эта калорийность, вам нужно вдвое больше. Итак, оно должно быть пропорционально массе вещества. И оно должно быть пропорционально тому, к чему вы стремитесь, а именно повышению температуры. Но это верно для любого вещества, будь то нагревание меди, дерева или золота; Независимо от того, что вы нагреваете, действительно, потребность в тепле пропорциональна массе и [изменению температуры]. Итак, что отличает один материал от другого? Мы помещаем сюда число, и это число называется удельной теплоемкостью.Удельная теплоемкость — это свойство этого материала.

Вы должны понимать, что определенные формулы будут зависеть от определенных параметров генетически, а некоторые вещи зависят от фактического материала. На самом деле количество примерно такое же. Я имею в виду, может быть, я на секунду вам скажу. Если вы перейдете к жидкостям, которые, как я сказал, расширяются, вы можете сделать то же самое. Возьмите стержень, начните его нагревать и спросите: «Насколько он расширится, если я нагрею его на некоторую величину ΔT ?» Чему это будет пропорционально? Кто-нибудь может подумать, чему это может быть пропорционально? Да?

Студент: Исходная длина?

Профессор Рамамурти Шанкар: Зависит от исходной длины стержня.Итак, почему это так? Почему мы думаем, что он должен быть пропорционален длине стержня?

Студент: Потому что он расширился на основе того, что было раньше.

Профессор Рамамурти Шанкар: Да, это основано на том, что было раньше. Да?

Студент: Что ж, каждый цикл стержень будет расширяться на некоторую величину, поэтому [неразборчиво]

Профессор Рамамурти Шанкар: Верно. Я думаю, что один из способов сказать это — взять метр, он расширяется до некоторой степени, поставить рядом с ним еще один метр, который расширяется до такой же величины по определению идентичных вещей.У двухметровой палки он расширится вдвое. Итак, мы указываем длину этого. Итак, что бы вы ни топили — кусок дерева, кусок стали — это правда. Но тогда тот факт, что тепло по-разному влияет на медь по сравнению с деревом, можно указать, поставив здесь число. То, что α называется коэффициентом линейного расширения, и это зависит от материала. Это верно независимо от того, что вы нагреваете.

Итак, эти конкретные числа, эти коэффициенты, эти α , которые приходят, будут приходить постоянно, так что вам следует к ним привыкнуть. Вот еще один. Давай поиграем в эту игру еще раз. Мы можем спросить, насколько изменяется объем тела, когда я его нагреваю. Что ж, изменение объема, опять же, будет пропорционально начальному объему, умноженному на повышение температуры. Затем вы ставите другое число; это называется коэффициентом объемного расширения. А это зависит от материала.

Итак, если взять медь, медь будет иметь некий α ; железо будет другое α ; дерево будет иметь другой α .У каждого материала будет свой α . Это свойство материала. Если вы скажете: «Ну, у меня что-то было, и когда я нагрел это на один градус, оно увеличилось на девять дюймов; еще один увеличился на два дюйма ». Ясно ли, что первая расширяется легче? Это не так, потому что первый мог быть длиной в милю, а второй — в фут. Итак, вы должны исключить определенные универсальные факторы, а остальное вы вложите в свойство материала.

Точно так же, когда вы переходите к удельной теплоемкости, вы спрашиваете, сколько тепла нужно, чтобы нагреть какой-либо объект, это зависит от массы. Неважно, что вы греете. Зависит от повышения температуры, потому что в этом вся цель добавления тепла; в ΔT он всегда будет линейным. Это свойство материала, и по определению c равно одной калории на грамм или одной килокалории на килограмм воды. Когда у вас есть… Итак, помните, что одна калория на грамм воды — это определение.Как только вы определите, что вода имеет удельную теплоемкость в одну калорию на грамм, вы можете определить удельную теплоемкость для других материалов с помощью следующего процесса.

Итак, что вы делаете? Вы берете емкость с водой. Предположим, контейнер имеет нулевую массу, поэтому мне не о чем беспокоиться. Это приблизительное значение. Если вас это беспокоит, вы знаете, возьмите огромную емкость, чтобы объем воды преобладал над площадью поверхности емкости. В любом случае, контейнер заброшен; у тебя есть вода.Эта вода имеет некоторую начальную температуру T ₁ , и у меня есть новый материал, свинец, и я хочу найти его удельную теплоемкость. Итак, я беру на себя инициативу в виде гранул и нагреваю свинцовые гранулы до некоторой температуры T ₂ и бросаю этих ребят в эту воду. Это будет пример, когда первоначально свинец находится в равновесии, возможно, в печи, при температуре T ₂ ; вода в равновесии, возможно, в комнате, при температуре T ₁ .Потом кладу гранулы в воду, и будет период, когда температура не определится. Затем, вскоре они стабилизируются до некоторой обычной температуры, которая называется T _f .

А теперь постулат — это постулат или закон. Общее изменение в Q равно нулю. Другими словами, если Q потеряно одним телом и получено другим телом; потеря и прибыль должны быть равны. Это новый закон. Вы можете сочинять все новые законы, какие захотите. Вы не знаете, правы ли они, но вы сначала придумываете этот закон.В таком случае, что вы можете сказать по этой конкретной проблеме? При любой из этих тепловых проблем я призываю вас нарисовать следующую картину. Вот одна температура, вот другая температура, вот последняя, ​​которую мы не знаем, но мы можем измерить термометром и измерить ее. Затем вы указываете массу воды и удельную теплоемкость воды, которая равна 1 умножению на ΔT , что является конечной температурой минус начальная температура. То же самое для свинцовых гранул; Масса свинца, у свинца есть символ Pb, умноженная на удельную теплоемкость, которую я не знаю, умноженная на изменение температуры, которая составляет T _f — T ₂ = 0.Сумма всех мс ΔT с равна нулю. Это приток тепла, воды. Это, если вы разобрались, будет отрицательным числом, потому что вы можете увидеть, что T _f ниже начального T . Это окажется отрицательным, а положительное и отрицательное в сумме дадут ноль. Итак, что вы не знаете? Ну вы знаете массу воды. В частности, вода по определению равна 1; T _f и T ₁ измеряются термометрами. Вам необходимо измерить массу свинца; они известны; Вы можете найти c . Итак, это подарок на день рождения вам, ребята. Если вы когда-нибудь увидите это на экзамене, прыгайте первым, потому что вы делали это в старшей школе, и я знаю, что дети любят такого рода проблемы с калориметром. Да?

Студент: Глядя на объем в этом уравнении, он линейно расширяется, но не проблема с жидкостью, измерением жидкости, изменением объема, но он не расширялся [неразборчиво]

Профессор Рамамурти Шанкар: Да.Это правильно. Итак, суть в том, что если бы все было линейно расширено, у нас не было бы разногласий между разными термометрами. Таким образом, оказывается, что в отличном приближении изменение длины пропорционально длине, но не в точности пропорционально длине. Будут термины, включающие более высокие степени длины. Мало того, конкретные нагреваемые материалы также не являются постоянными. Мы сказали, что удельная нагретая вода равна 1. Оказывается, в определенном диапазоне температур это будет 1; на другом диапазоне это не совсем 1. Я сказал тебе давно. Все, что я тебе говорю, неправильно. Возникает вопрос: «Сколько знаков после запятой вам нужно перейти, прежде чем вы откроете мою ошибку?» Удельная теплоемкость материалов не является постоянной величиной, поскольку в большой индустрии конкретные материалы рассчитываются, исходя из атомов и квантовой механики. Таким образом, ни одна из вещей, рассматриваемых как константы, никогда не бывает постоянной, включая альфа- и бета-версии.

Я всегда могу ошибиться, сказав, что α само по себе может зависеть от температуры, а также зависимость от L не может быть линейной.Но вы также должны рассмотреть вопрос о размерах и сказать, что если это не L , если вы хотите поместить L ² в качестве поправки к формуле для соответствия единицам, L ² необходимо разделить на другую длину, чтобы сохранить единицы. Какая у нас еще длина? Может оказаться, что это межатомное расстояние. Итак, как только в игру вступят атомарные свойства, вы можете найти способы вычислить поправки.

Итак, все эти законы, на самом деле, очень предварительные и приблизительные.Это довольно древняя физика. Я думаю, что так, как я читаю здесь курс физики, иногда я нахожусь в 1600-х годах, иногда в 1400-х годах, иногда в 2000 году, но я возвращаюсь туда-сюда. Это было давно, когда люди даже не знали об атомах. Итак, они пытались сделать все, что в их силах, и эмпирическим путем вы обнаружили, что как только вы нашли удельную теплоемкость свинца, правильно, вы решите ее, тогда вы можете провести еще один эксперимент, используя это значение, и вы обнаружите, если вы используете правильные значения, ΔQ в сумме дают ноль.Опять же, когда он складывается до нуля, он добавляет к нулю с очень хорошим приближением в течение эпохи. Еще одна эпоха, когда люди ставят все более точные эксперименты, все сбито. Фактически, удельная теплоемкость всех материалов, кажется, стремится к нулю, когда вы приближаетесь к абсолютной температуре. Но вы должны понимать законы квантовой физики, чтобы понять, почему это происходит.

Итак, это период, когда люди исследуют температурные диапазоны, близкие к комнатной температуре, или точке кипения или замерзания воды, что является очень узким интервалом температуры.Если вы посмотрите на историю Вселенной, у вас будут невероятно высокие температуры около Большого взрыва, и даже сейчас остальная часть Вселенной купается при некоторой температуре, которая оказывается очень, очень низкой, то есть около трех градусов; это называется излучением черного тела от Большого взрыва. Итак, температура Вселенной колеблется в огромных пределах, и только когда вы исследуете разные диапазоны, вы видите другую физику.

Если вы приедете в лабораторию Sloan, вы можете опуститься до температуры ниже 1 градуса Кельвина или сотой доли Кельвина, и в прошлом году мы слышали доклад о физике при одной миллиардной Кельвина.Если вы хотите охладить их, и охладить, и охладить до нуля градусов Кельвина, смотрите, вот и я. Нулевой Кельвин — это барьер, который мы не можем преодолеть, точно так же, как скорость света — это то, что мы не можем преодолеть.

Это все большие сюрпризы. То, что скорость имеет верхний предел, не очевидно даже для Ньютона. Почему нет? Почему бы не поставить ракеты поверх ракет? Точно так же, почему бы не построить все лучше и лучше холодильники? Причина, по которой вы не можете опуститься ниже нуля, заключается в том, что когда вы приближаетесь к нулю, все механические атрибуты давления просто исчезают, и они не могут иметь отрицательных значений.Вы узнаете об этом больше, если глубже поймете тепло.

Глава 5. Смена фазы [00:43:17]

В любом случае, прямо сейчас ΔQ = 0 — это правило, которое вы используете. Я уверен, что вы, ребята, знаете, как решать эти задачи. Теперь есть небольшой поворот, я просто хочу вам об этом сказать. Изюминка в следующем. Так что беру лед — лед, кстати, не всегда на нуле. Вы знаете, вы можете опуститься ниже нуля. В вашем холодильнике температура на несколько градусов ниже нескольких десятков ниже нуля.Итак, возьмем лед и позвольте мне измерить — я беру этот контейнер, кладу лед, скажем, при минус 30 градусах. Я перешел на градус по Цельсию, так что мы можем относиться ко льду. И я кладу его на какой-то источник тепла и смотрю, сколько калорий поступает. Позвольте мне сделать устройство, которое будет накачивать фиксированное количество калорий каждую секунду. Итак, как функция времени, я ожидаю, что температура здесь повысится. Вы это понимаете? Каждую секунду я получаю некоторое количество калорий, и это количество калорий будет для меня произведено mc ΔT , m и c — постоянные величины, поэтому ΔQ пропорционально ΔT .Но если вы разделите оба значения на прошедшее время, тогда скорость повышения температуры будет скоростью, с которой тепло поступает в систему. Если тепло течет с постоянной скоростью, температура должна повышаться, и это действительно так. Температура льда идет от минус 30 до минус 20, до минус 10 и так далее. Но как только он достигает нуля, он застревает. Я знаю, что идет тепло, но не становится жарче. Но замечаю, что лед начинает таять. Будет период между здесь и здесь, когда я накачу калории, у меня не будет повышения температуры, но я получу преобразование льда в воду.И будет период, когда этот парень будет похож на воду с плавающими на ней кусками льда. И пока весь лед не превратится в воду, вся система останется при этой температуре.

Это очень интересное свойство. Теперь, если вы действительно возьмете настоящий горшок и положите на него кусок льда, вы знаете, что произойдет, верно? Дно льда растает; он может даже испариться. Я говорю не об этом, потому что это не система, в которой есть глобально определенная температура.Я хочу, чтобы вы нагревали лед так медленно, как только вы добавите немного калорий, дайте ему достаточно времени, чтобы все эти ребята разделили это тепло, чтобы вся система имела одну общую температуру. Посмотрим, как поднимется температура. Я говорю, что он застревает на нуле, но ваши калории кое-что вам дают; они превращают лед в воду. Затем вы можете спросить, хорошо, какое наказание я должен заплатить, это называется скрытой теплотой плавления, и, опять же, я знаю только калорий на грамм, это 80 калорий на грамм воды. Некоторые из ваших ΔQ теперь идут не на повышение температуры, а на плавление этого количества материала при скрытой теплоте плавления. Вот сколько Q нужно, чтобы растопить такое количество материала, а L варьируется от вещества к веществу, но вода составляет 80 калорий на грамм. Если вы хотите превратить твердую ртуть в жидкую ртуть, ее номер будет другим. Затем, когда все стали водой, эта однородная система воды начинает расти. И это называется фазовым переходом.Фазовое изменение — это изменение своего атомного расположения по сравнению с обычным массивом; например, при превращении твердого вещества в жидкость. В твердом теле у каждого есть свое место; вы можете встряхнуть там, где находитесь, но жидкость вы можете бегать.

Удельная теплоемкость льда не совпадает с удельной теплотой воды, поэтому будьте осторожны. Несмотря на то, что он по-прежнему состоит из молекул воды, калорий, необходимых для нагрева одного грамма льда, составляет примерно половину того, что требуется для нагрева одного грамма воды. Итак, в этих задачах не ошибайтесь.

Хорошо, тогда вы идете, и я думаю, вы знаете, где будет следующая остановка. Когда вы дойдете до 100 градусов, снова он застрянет, пока все не испарится, а затем вы получите пар. Затем у вас может быть перегретый пар, температура которого превышает 100 градусов. Итак, это скрытая теплота испарения. Я действительно не знаю, что — вы хотите что-то написать, я думаю, это 500 с лишним калорий на грамм. Этой информации я не ношу в голове. Итак, если я скажу вам, что взял немного льда при минус 30 и сбросил 5000 калорий, где он в конечном итоге окажется? Вы должны сначала потратить несколько калорий, идя отсюда сюда, у вас осталось немного денег, вы можете начать плавить это, может быть, у вас там кончится материал, и это то, что у вас будет.Некоторое количество воды и немного льда. Если в вашем распоряжении еще больше калорий, вы можете все растопить и начать нагревать. Вы можете пойти этим путем и у вас могут закончиться калории; Если нет, продолжайте ходить туда-сюда и там, и вы можете закончить там, если получите достаточно калорий.

Или можно задать вопрос: «Сколько калорий нужно, чтобы преобразовать лед при минус 30, скажем, в воду при 100?» Для этого вам нужно выполнить мc ΔT , m умноженное на скрытую теплоту для этого, mc ∆T для этого и m умноженное на скрытую теплоту испарения для этого.

Итак, проблемы, с которыми вы можете столкнуться, в большинстве случаев довольно просты. Единственная проблема, при которой действительно могут возникнуть проблемы, заключается в следующем. Я скажу вам об этом. Предположим, я беру немного воды и льда, так что это ноль. Лед, скажем, минус 40, вода плюс 80. На самом деле, позвольте мне сделать эту воду плюс 40. Я объединяю их и спрашиваю вас, что будет.

Это тонкая проблема. Если у вас было два — если у вас была вода в 40, а у вас была вода в 20, вы можете легко догадаться, что она окажется где-то посередине; вы можете рассчитать это.Теперь это более тонко. У вас вода в 40, у вас лед в минус 40, вы сводите их и спрашиваете, что происходит. Что ж, ответ будет зависеть от того, сколько вещей у вас есть. Если под водой на отметке 40 вы имеете в виду Атлантический океан, а под льдом вы имеете в виду пару кубиков льда, мы знаем, что произойдет. Этих парней заткнут; они собираются таять; вы окажетесь где-нибудь здесь. Затем вы можете легко рассчитать конечную температуру, сказав, что mc умножить на ΔT для воды по величине будет теплом, отданным ей.Это тепло, которое должно пройти сюда мс ΔT ; затем нагрейте, чтобы растопить это количество льда, затем нагрейте, чтобы поднять это количество воды до этой конечной температуры. Затем вы можете определить конечную температуру.

Итак, если вы хотите решить эту проблему, и я даю вам некоторую массу для этого льда, воды, и я даю вам некоторую массу для льда, вы можете сначала сделать оптимистическое предположение, что в конечном итоге вы превратитесь в воду, но при неизвестной температуре. Мы называем неизвестную температуру Т ; это T ₁ , это T ₂ . Напишите уравнения, только если у вас будет еще один член. Вот какое тепло нужно, чтобы растопить лед. Вы решаете T . Если вы получили положительный ответ, вы можете использовать его, потому что предположение, что вы оказались на воде, означало, что вы нагрели лед, вы растопили лед в воду, а затем нагрели воду с нуля до конечной воды. Но если вы выполнили расчет и получили отрицательное значение T , этот ответ нельзя использовать вслепую, потому что предположение, что вы находитесь по ту сторону льда, неверно.Затем вы можете попробовать что-нибудь еще; Вы можете предположить, что вы здесь. Если вы думаете, что находитесь здесь, значит, вы просто нагрели лед отсюда сюда. Эта вода, которую вы довели до нуля, высосала из нее мс ΔT , затем вы сняли скрытую теплоту таяния. Ты снимаешь тепло, когда замерзаешь, а потом тебе понадобится еще больше, чтобы спуститься сюда. Тогда все эти потери исходной воды равны приросту этого льда. Вы можете предположить это здесь, вы можете решить для этого T . Когда вы решаете для этого T , если у вас есть отрицательное число, то все в порядке. Это будет хорошее предположение, если я скажу, что брызнул двумя каплями воды на большой айсберг; мы знаем, что все закончится льдом, и это хорошая отправная точка.

Но если я дам вам числа, которые выглядят как-то бессмысленно, когда я не знаю, выиграет это или это выиграет, есть третья возможность. Третий вариант — в конце дня вы окажетесь здесь с некоторым количеством воды и некоторым количеством льда при нулевой температуре.Итак, это третий вариант, который вам, возможно, придется рассмотреть, если ни один из них не работает. Тогда вопрос не в том, какова конечная температура. Но в чем тогда вопрос? Что вы хотите знать в таком случае? Сколько льда и сколько воды? Это вопрос.

И есть несколько способов выяснить это. Позвольте мне просто сказать словами, я не хочу заниматься этой алгеброй, потому что для вас, ребята, это будет довольно легко. Если это вопрос… Предположим, обе попытки потерпят неудачу. Я взял положительный T , предположил, что я здесь, и я предполагаю, что лед растаял, и я получил отрицательный ответ; это сбито.Я беру отрицательный T и предполагаю, что все замерли, и это не работает. Затем я выбираю этот вариант — немного воды и немного льда. И вопрос: «Сколько осталось?» Вы решаете это, выполнив следующие действия. Вы говорите, что весь этот лед пошел отсюда туда. Он делает это за счет поглощения мс ΔT ; умножить массу льда на удельную теплоемкость льда на ΔT . Может быть, было минус 40, у ΔT плюс 40. Вы отдаете это тепло этому парню; это тепло, которое ты высасываешь из этого парня.Когда вы высасываете это из этого парня, сначала вы доводите его до нуля, а затем у вас все еще остается немного тепла, которое вы можете извлечь из него, вы будете использовать это для преобразования воды в лед по цене 80 калорий за грамм. Может быть, вы сможете заморозить 5 граммов или 5 килограммов воды; это будет лишний лед, остальное — вода, с которой вы начали. Общая масса будет такой же, но если у вас есть 60 граммов воды, вы доведите 60 граммов до нуля, и у вас все еще есть еще немного тепла, которое нужно извлечь; возможно, вы превратите 10 граммов в лед, а 50 останутся в виде воды.Итак, окончательным ответом будет 50 граммов воды, 10 граммов льда плюс любые граммы льда, с которых вы начали. Это самая сложная проблема теплообмена. Если вы, ребята, хотите, чтобы я вам еще что-нибудь рассказал, я расскажу, или я могу двигаться дальше. Я не знаю, что ты думаешь по этому поводу. Вы понимаете, что вам нужно делать в каждой проблеме?

Хорошо. Итак, применяется сохранение тепла. Итак, самая сложная часть — это изменение фазы, когда у вас есть изменение фазы, вы должны помнить, что в формуле mc ΔT — ΔQ есть еще один член, еще один член это.Итак, следующий вопрос, который мы задаем, — «Каким образом тепло течет?» Мы говорим, что у вас есть эти калории, я имею в виду, как они текут, какова скорость — что заставляет их течь. Итак, оказывается, существует три популярных способа передачи тепла; один называется излучением.

Глава 6. Теплообмен за счет излучения, конвекции и теплопроводности [00:55:06]

Радиация — это когда тепловая энергия покидает какое-то горячее тело и приходит к вам без использования какой-либо среды, например, тепла от Солнца.Итак, на самом деле это электромагнитное излучение, которое исходит от горячих светящихся объектов и идет прямо к вам. Электромагнитному излучению не нужен воздух, не нужно ничего. Фактически, если бы ему был нужен воздух, мы бы не получали тепла от Солнца, потому что между Землей и Солнцем нет среды. По большей части это просто вакуум. Итак, если вы взяли один из этих обогревателей, вы знаете, со светящимися красными спиралями, и вы почувствуете тепло. Если я начну откачивать воздух из этой комнаты, конечно, вы будете очень быстро умирать, но вашими последними мыслями будут: «Мне все еще тепло» [смех], потому что радиация будет продолжать поступать к вам. Хорошо? Это радиационное тепло. Есть много законов для излучения; Я не хочу давать их вам, потому что есть формулы, которые вы запоминаете, и вы не слишком разбираетесь в физике прямо сейчас. Если не считать, что это электромагнитное излучение, что бы это ни значило — мы еще не дошли до этого. Вот что приходит отсюда сюда и может прийти в вакууме. Ему не нужна среда, это ключ.

Тогда второй способ передачи тепла называется конвекцией. Итак, конвекция объясняется на следующем примере.У вас есть вода; вы кладете его на горячую тарелку. Затем в его нижней части вода нагревается. Когда он становится горячим, он расширяется, а когда он расширяется, плотность уменьшается; следовательно, из-за потери плавучести он начнет подниматься. Помните, вода принадлежит воде. Кусок чего-то другого с меньшей плотностью всплывет наверх. Но дело в том, что вода не имеет фиксированной плотности. Если его нагреть, плотность уменьшается, поэтому у водяных парней внизу плотность меньше — они как кусок пробки, они поднимутся наверх. Когда они поднимутся наверх, холодная вода с большей плотностью упадет вниз. Итак, вы настроили ток. Горячее поднимается наверх, а холодное опускается. И это тоже происходит в атмосфере. В жаркий день воздух у земли действительно нагревается и поднимается, а холодный воздух опускается вниз, и вы создаете эти тепловые токи. Итак, здесь вы пытаетесь уравнять температуру между холодной и горячей областью за счет фактического движения некоторого материала. В излучении у вас нет среды, передающей тепло, потому что среда даже не присутствует в излучении.При конвекции среда действительно движется. Горячие парни физически перемещаются в другое место, а холодные приходят сюда, и в результате этого процесса тепло передается.

Теплопередача, на которой я хочу остановиться немного количественно, — это теплопроводность. Итак, теплопроводность — это то, что вы все испытали. Я имею в виду, если у вас есть сковорода, почему у нее деревянная ручка? Простая причина; если бы у вас была стальная ручка, вы положили бы ее на горячую плиту и положили бы сюда руку, факт, что ваше тело где угодно, 98 градусов, а это бог знает, 200 градусов, у вас будет тепло течь отсюда сюда. Итак, мы хотим понять, с какой скоростью течет тепло от горячего конца к холодному.

Итак, вы можете представить стержень некоторого сечения A , один конец стержня находится в каком-то резервуаре при некоторой температуре T ₁ , другой конец — при температуре T ₂ . Кстати, сейчас я ввожу новый термин под названием резервуар. Резервуар — это другое тело, похожее на нас с вами, за исключением того, что оно не похоже на нас с вами. Это огромно. Он такой большой, что его температуру нельзя изменить.На него можно сесть, зажаришь и испаришься, но температура не изменится. Никакое тело на самом деле не является резервуаром. Если вы уроните кубик льда в Атлантике, вы понизите температуру в Атлантике, но незначительно. Итак, возьмите предел Атлантики, уходит в бесконечность, тогда у вас есть резервуар. На резервуарах есть одна этикетка, а именно, какая у нас температура. Значит, может быть что-то достаточно большое — эта комната похожа на резервуар. Вы ставите сюда чашку кофе, вы говорите, что он достигнет комнатной температуры.На самом деле, комнатная температура соответствует температуре кофе, но не наполовину, а немного выше. Но комната достаточно велика, так что мы можем приписывать комнатную температуру совершенно независимо от входящих и выходящих тел. Итак, это связано слева с огромным резервуаром, возможно, со смесью воды и льда при нулевых градусах; это пароводяная смесь при температуре около 100 градусов. Вы кладете туда жезл. Мы знаем, что тепло будет течь от горячего тела от горячего конца к холодному. И мы хотим написать формулу того, сколько тепла течет в секунду.Опять же, я буду писать эти формулы снова и снова. Итак, вы должны спросить себя, от чего это будет зависеть? От каких свойств он будет зависеть в целом, независимо от того, из чего сделан стержень? Вы можете придумать такое? Да?

Студент: [неразборчиво]

Профессор Рамамурти Шанкар: Вы сказали поперечное сечение. Итак, почему мы говорим — по какой причине вы можете назвать крест —

Студент: Если вы просто хотите рассмотреть стержень с удвоенной площадью поперечного сечения, вы придумаете [неразборчиво], два стержня и дважды [неразборчиво]

Профессор Рамамурти Шанкар: Да, хорошо, позвольте мне взглянуть на этот аргумент.Возьмем один стержень, и для удобства примем его за прямоугольный стержень. Возьмите еще один стержень, прямоугольный стержень; они оба будут передавать одинаковое количество тепла в течение определенного времени. Просто склейте их вместе и скажите, что это моя новая удочка. Мы знаем, что он будет передавать вдвое больше тепла. Итак, он будет пропорционален площади. И почему течет тепло? Течет из-за разницы температур. Итак, это всегда есть; это основная сила теплопередачи. Такова динамика термодинамики; вот что вызывает поток тепла.Но затем мы находим как эмпирический факт, что если эти два резервуара разделены таким расстоянием, то тепловой поток будет намного меньше, чем когда они расположены ближе. Кажется, это зависит от того, сколько разницы температур упаковано в пространстве. Итак, вы хотите разделить на Δx не бесконечно мало; это длина стержня, разделяющего горячий и холодный концы. Другими словами, если вы уменьшите разницу температур на одну милю, тепловой поток будет соответственно уменьшен, тогда как при огромной разнице температур между очень маленьким пространственным разделением будет очень устойчивый поток тепла; вот что мы говорим.Вы понимаете, что это правда, независимо от того, о каком материале я говорю. Когда я сказал, что один стержень плюс один стержень — это два стержня, не имеет значения, из чего он сделан. Опять же, сопоставив все эти факторы, которые вы можете аргументировать на общих основаниях, вы должны теперь спросить: «Что происходит, когда это медный стержень против серебряного стержня против деревянного стержня?»

Итак, вы должны указать здесь еще одно число — каппа [ κ ]; не k ребята, это κ , и это называется теплопроводностью этого материала. Иногда ставишь минус; Знак минус просто означает, что он течет от горячего к холодному. Меня не волнует, ставите ли вы знак «плюс» или «минус»; всем известно, что тепло будет переходить от горячего к холодному. Итак, просто запомните это направление потока, и это все, что меня волнует, этот знак здесь. Этот κ является собственностью материала.

Еще раз позвольте мне сказать вам — вы можете сказать: «Ну, у меня есть два резервуара, горячий и холодный. Я соединил их двумя разными стержнями. Этот стержень переносил вдвое больше тепла в секунду, чем другой стержень.Неужели дирижер лучше? » Нет. Может быть, его поперечное сечение в 10 000 раз больше. Итак, что вы хотите сделать, так это уравнять игровое поле и сравнить стержни одинакового поперечного сечения, одинаковой разницы температур, одинаковой длины, а затем спросить, кто проводит больше тепла. Это зависит от материала, и это то, что вы извлекли из материала. Это свойство дерева или меди из стали; это теплопроводность.

Глава 7. Тепло как кинетическая энергия атома и ее измерение [01:03:27]

Хорошо.Теперь, последняя тема будет больше размахивать руками. Я не хочу вдаваться в подробности. Это действительно связано с теплом. Раньше люди просто говорили, что это жидкость, и постулировали закон сохранения для жидкости. Вы можете постулировать то, что хотите, вы должны убедиться, что это работает, и, кажется, это работает в том смысле, что все значения ΔQ в любой реакции в сумме равны нулю. Но затем люди получают намеки на то, что, возможно, то, что мы называем теплом, не полностью зависит от других вещей, которые мы узнали.

Итак, где вы берете ключ? Одна подсказка в том, что давным-давно, когда мы изучали механику, мы говорили о двух машинах, которые подъезжают и сталкиваются; они врезаются в один большой кусок. Итак, у вас нет ни кинетической энергии, ни потенциальной энергии. Потенциальная энергия всегда равна нулю, они движутся на одной высоте, кинетическая энергия для этого была ½ мв ² , для этого ½ мв ² ; в конце ничего нет. Ни кинетики, ни потенциала, мы просто сдались и сказали: «Послушайте, сохранение энергии не применимо к этой проблеме.«Мы просто говорим, что это неэластично. С другой стороны, всякий раз, когда это происходит, мы обнаруживаем, что тела становятся горячими. Вот еще что вы можете сделать: вы можете взять пушечное ядро ​​и сбросить его с большой башни. Думаю, именно так некоторые во французской армии впервые обнаружили эту особенность; вы уронили ядра с большой высоты. Когда они ударяются о песок, они начинают нагреваться. Или вы просверливаете дыру в пушке, это то, что сделал Граф-кто-то, и он также заметил, что вам нужно постоянно заливать воду, чтобы сверло не нагрелось.Очень часто механическая энергия теряется, и вещи нагреваются. Итак, у вас возникает подозрение, каким бы ни был лежащий в основе механизм, может быть, есть правило, которое гласит, что если вы теряете столько механической энергии, которую не можете учесть, то это переводится в фиксированное количество калорий. Если это так, то мы, по крайней мере, получим словарь между калориями и джоулями.

Итак, джоули — это энергия, которую вы видите, калории — это энергия, которую вы не видите. Это должно было быть предпосылкой. Но сначала вы должны доказать, что каждый раз, когда вы теряете некоторое количество джоулей, вы получаете фиксированное количество калорий.И этот эксперимент принадлежит Джоуля.

Вот эксперимент Джоуля. Это очень, очень просто и расскажет всю историю. У вас есть небольшой контейнер с веслом. Это вал со шкивом, а здесь вес. Так что смотрите, попробуйте представить себе этих ребят. У вас есть веревка, обмотанная вокруг верхнего шкива, и когда вы позволите этому весу опуститься, он опустится вот так; он будет вращать вал. И налей сюда воды, а у меня несколько торчат плавники, которые взбивают воду.Итак, это как эта штука, взбиватель яиц, не так ли? Фактически, этим летом я попытался провести эксперимент с взбивателем для яиц с группой старшеклассников, и я был полностью унижен, потому что ничего не произошло, как планировалось. Но идея та же. Вы каким-то образом взбалтываете воду. Но этот парень сделал это особенно просто. Мое взбивание яиц было недостаточно хорошим; Возможно, через некоторое время вы поймете, почему это нехорошо. Что он сделал, так это поставил эти лопасти, позволив весу спуститься отсюда сюда.Теперь мы можем отслеживать, сколько механической энергии теряется, верно? Потому что, если эта масса находится в состоянии покоя и при падении на высоту мг падает до высоты h , предполагается, что она будет иметь кинетическую энергию мг · ч . Допустим, у него есть кинетическая энергия, которая не равна мг / ч . Итак, мг / ч минус кинетическая энергия отсутствует. Итак, некоторое количество джоулей ушло. Итак, вода нагревается.

Когда вода нагреется, сразу можно спросить, сколько калорий было добавлено в воду.Потому что вода нагревается одинаково, независимо от того, ставите ли вы ее на плиту или взбиваете ее. Похоже, это не зависит от того, как стало жарко. Это имеет тот же эффект. Эта вода горячая во всех смыслах. Итак, вы, должно быть, положили немного калорий. Вы можете узнать, сколько калорий вы добавили, посмотрев на массу воды; удельная теплоемкость воды 1; глядя на повышение температуры. Итак, некоторых джоулей не хватает, некоторые калории закачаны в воду. Затем вы спрашиваете: «Есть ли пропорциональность между джоулями и калориями?» И вы обнаружите, что это так.А это 4,2 джоуля на калорию.

Другими словами, если вы можете потратить 4,2 джоуля механической энергии, вы получите одну калорию, которую можно использовать для любых целей отопления. Итак, в примере сталкивающихся автомобилей, у этого была некоторая энергия, у этого была некоторая энергия, все измерялось в джоулях; они ударились вместе, они остановились. Это означает, что вы можете взять это количество джоулей, разделить его на 4,2 и получить некоторое количество калорий. Представьте, что вся машина сделана из меди. Тогда эти калории вызовут повышение температуры, верно, равное ΔQ составляет мк ΔT . Это будет повышение температуры машины.

На практике будут и другие потери, потому что вы слышали звук, ну, это немного энергии ушло; ты не получишь его обратно. Может, летят какие-то искры, это световая энергия; это ушло. Вы вычитаете все это и обнаруживаете, что в конце концов калории объясняют недостающие джоули.

Итак, это заставило людей подумать, что это просто еще одна форма энергии. Потому что, если вы добавите это к своему энергетическому балансу, нет причин продолжать извиняться за Закон сохранения энергии.Закон сохранения энергии фактически не нарушается даже при неупругом столкновении, если включить тепло как форму энергии. А коэффициент пересчета составляет 4,2 джоуля на калорию. Но возникает вопрос: «Какое право вы имеете называть это энергией?» Мы думаем, что энергия — в первую очередь, когда вы говорите, что кто-то энергичен, вы имеете в виду, что кто-то бездумно бегает взад и вперед. Энергия связана с движением. Эти две машины двигались, и мы с полным правом можем сказать, что в них есть энергия. А как насчет потенциальной энергии? Что ж, если машина начинает подниматься в гору и замедляется, мы думаем, что у нее есть потенциал.Если вы отпустите его, он вернется и даст вам кинетическую энергию. Итак, большинство людей представляют энергию просто кинетической энергией. Это потеряно. И все же вы получаете взамен калории, поэтому спрашиваете себя: «Что это может быть?»

Что ж, правильный ответ на этот вопрос пришел только тогда, когда мы поняли, что все состоит из атомов. Если допустить, что все состоит из атомов, то окажется, что кинетическая энергия атомов — это то, что мы называем теплотой. Но нужно быть очень осторожным. Возьмите полный бак бензина.Я бросаю это в тебя. Весь резервуар движется, это не то, что я называю теплом. Хорошо? Вы можете видеть это движение. Я говорю о баллоне с бензином, который, кажется, никуда не денется; тем не менее, у него есть двигательная энергия, потому что маленькие ребята ходят туда-сюда. Итак, мы обнаружим то, что я собираюсь показать вам в следующий раз, — это то, что если вы отслеживаете кинетическую энергию каждой отдельной молекулы в этой машине, каждой отдельной молекулы в этой машине, до и после, и вы добавили их вверх, вы получите точно такое же число. Единственная разница будет заключаться в том, что изначально машина имеет общую общую скорость; макроскопическая скорость вы можете видеть. Вдобавок ко всему, это случайное движение молекул, из которых состоит машина. То же самое и с другой машиной. Когда они сталкиваются вместе, макроскопическое движение полностью исчезает, и все движение является тепловым. Но это все еще кинетическая энергия, и это мы увидим в следующий раз.

[конец стенограммы]

Вернуться к началу

Physics 101: Lecture 26 Conduction, Convection, Radiation

Jan 01, 2016

ReportDownload

Description:

Финал.Физика 101: Лекция 26 Проводимость, конвекция, излучение. Сегодняшняя лекция будет посвящена главам 14.4-14.9 учебника. Обзор. Тепло — это ПОТОК энергии Поток энергии может увеличивать температуру Удельная теплоемкость DT = Q / (c m) Скрытое тепло тепло, связанное с изменением фазы Сегодня: Тепло — PowerPoint PPT Presentation

Выписка:

Физика 106P: Лекция 1 Заметки Физика 101: Лекция 26
Заключительный этап
1
Обзор
Поток энергии может повысить температуру
Удельная теплоемкость
Сегодня: Тепло
Теплопередача: Проводимость
Высокоскоростные молекулы слева сталкиваются с низкоскоростными молекулами справа
энергия, передаваемая молекулам с более низкой скоростью
передача тепла от горячего к холодному
I = скорость теплопередачи = Q / t [Дж / с]
I = k A (TH-TC) / L
k = «теплопроводность»
R = L / (Ak) = тепловое сопротивление: Тогда I = DT / R
demos
TH
Hot
TC
Холодный
Conduction ACT
Холодной зимней ночью, которая поможет вам согреться в постели.
Тонкая хлопковая простыня
Толстое шерстяное одеяло
Preflight 1
В прохладную ночь вы застилаете постель тонкой хлопковой простыней, накрытой толстым шерстяным одеялом. Когда вы лежите, накрытый, тепло покидает ваше тело, проходит через простыню и одеяло в воздух комнаты. Сравните количество тепла, протекающего через простыню, с количеством тепла, протекающего через одеяло.
1. Через лист проходит больше тепла, чем через одеяло.
2. Через одеяло проходит больше тепла, чем через простыню.
3. Через лист проходит столько же тепла, что и через одеяло.
, поскольку лист тоньше, тепло может проходить через него легче.
Количество тепла, которое выходит из вашего тела, уходит в комнату, поэтому одинаковое количество тепла должно проходить через одеяло и простыню.
Все эти разговоры о одеялах вызывают у меня сонливость, так что я пойду проверить это.
15
правильно
Сравните тепловой поток через материал 1 и 2.
A) h2> h3 B) h2 = h3 C) h2

Оцените T0 температуру между двумя
A) 5 C B) 12. 5 куб. как поток жидкости)
h2 = h3
k1A (T0-TC) / Dx1 = k2A (TH-T0) / Dx2
ответы: T0 = 2,27 CH = 318 Вт
Dx1 = 0,02 м A1 = 35 м2 k1 = 0,080 Дж / smC
Dx2 = 0,075 м A1 = 35 м2 k1 = 0,030 Дж / смC
22
Проводимость ACT
1) Медь 2) Сталь 3) Алюминий
24
141.bin
Конвекция теплопередачи
Поднимается воздух с меньшей плотностью
Охлаждение воздуха подается вниз
Практические аспекты
«верхом на термиках»
Теплопередача: Излучение
Iemit = Q / t = eAT4
T — температура объекта в Кельвине
= постоянная Стефана-Больцмана = 5.67 x 10-8 Дж / с-м2-K4
«Среда» не требуется
Iabsorb = eAT04
хорошие эмиттеры (e близко к 1) также являются хорошими поглотителями
DEMO
35
Теплопередача: Излучение
Iemit = eAT4
Iabsorb = eAT04
HW
38
Земля Домашнее задание
Земля имеет температуру поверхности около 270 К и коэффициент излучения 0,8, в то время как космос имеет температуру около 2 К. Какова чистая мощность, излучаемая Землей в свободное пространство?
(Радиусы Земли и Солнца Re = 6,38 × 106 м, Rs = 7 × 108 м.)
Inet = Iemit — Iabsorb = eA (T4 — T04)
42
Preflight
Однажды зимой солнце светило весь день. Ближе к закату начинает падать легкий снег. Он накапливается, не плавясь на цементной площадке, но тает сразу же при попадании на дорогу с черным асфальтом, прилегающую к детской площадке. Как вы это объясните.
асфальт поглощает больше солнечного тепла в течение дня, поэтому он растапливает снег.
45
Эффект Альбедо. Бу да.
Из-за трения между дорогой и шинами людей поверхность стала теплее.
Физика 101: Лекция 26, Pg *
Резюме
Излучение
50
(
)
(
)
(
)
(
)

Слайды лекций по проводимости, конвекции и радиации | PHYS 101

Physics 101: Lecture 26, Pg 1 Physics 101: Lecture 26 Conduction, Convection + Radiation Сегодняшняя лекция будет охватывать главу учебника 14. 4-14.9 Physics 101: Lecture 26, Pg 2 Review Тепло — это ПОТОК энергии Поток энергии может увеличиваться температура Удельная теплоемкость ∆Τ = Q / (см) Скрытая теплота, связанная с изменением фазы Сегодня: Теплопроводность Конвекционное излучение 07 Физика 101: Лекция 26, стр. 5 Предполетная подготовка В прохладную ночь вы застилаете постель тонкой хлопковой простыней, покрытой толстое шерстяное одеяло.Когда вы лежите, накрытый, тепло покидает ваше тело, проходит через простыню и одеяло в воздух комнаты. Сравните количество тепла, протекающего через простыню, с количеством тепла, протекающего через одеяло. 1. Через лист проходит больше тепла, чем через одеяло. 2. Через одеяло проходит больше тепла, чем через простыню. 3. Через лист проходит столько же тепла, что и через одеяло. 15 Физика 101: Лекция 26, стр. 6 Проводимость с 2 слоями ACT Сравните тепловой поток через материал 1 и 2.A) I1> I2 B) I1 = I2 C) I1 10 Теплопередача: Излучение Все вещи излучают электромагнитную энергию (свет) Iemit = »e =» σ = Электромагнитные волны (среда не требуется) Все вещи поглощают энергию из окружающей среды Iabsorb = T Окружение в T0 Hot плита 35 Физика 101: Лекция 26, стр. 11 Теплопередача: Излучение Все вещи излучают и поглощают электромагнитную энергию T Окрестности в T0 Горячая плита 38 Физика 101: Лекция 26, стр. 12 Предполетная подготовка Однажды зимой солнце светило весь день .Ближе к закату начинает падать легкий снег. Он накапливается, не плавясь на цементной площадке, но тает сразу же при попадании на дорогу с черным асфальтом, прилегающую к детской площадке. Как вы это объясните. 45

Guenter Ahlers Group

Guenter Ahlers Group
Слева направо: Даниэла Нарезо-Гусман, Гюнтер Алерс и Пинг Вей (июнь 2014 г., Геттинген, Германия)


Вращающийся конвекционный аппарат Пинга (Фото: Соня Фернандес, март 2015 г.)

Турбулентность в конвекции с тепловым приводом

Когда жидкость нагревается снизу, конвекция возникает, когда градиенты температуры достаточно велики. Даже при гораздо большей разнице температур конвективный поток становится настолько сильным, что поле скоростей становится турбулентным (обзор этого явления, написанный для широкой аудитории физиков, см. В недавней статье в журнале Physics с открытым доступом). Турбулентная конвекция — важный процесс во многих отношениях. Он естественным образом встречается в атмосфере и океанах Земли и, таким образом, оказывает как краткосрочное, так и долгосрочное воздействие на климат и погоду. Он встречается в мантии Земли и способствует движению континентальных плит и вулканизму.Во внешнем ядре Земли он определяет магнитное поле, которое защищает нас от космического излучения. Это важный механизм переноса тепла во внешнем слое Солнца, влияющий на температуру окружающей среды. Он играет важную роль во многих промышленных процессах, где его усиление или подавление может иметь значительные экономические последствия. Это обычное явление в повседневной жизни, которое вызывает восхищение у неспециалистов.

Чтобы добиться прогресса в понимании сложных явлений, подобных упомянутым выше, часто используются идеализированные лабораторные системы, поскольку они позволяют проводить количественные экспериментальные исследования конкретных аспектов проблемы.Мы изучаем это турбулентное состояние в количественно контролируемых лабораторных условиях при градиентах температуры, которые превышают начальное в от десяти тысяч до миллиарда раз. Наш основной акцент был сделан на измерениях турбулентного переноса тепла, на исследованиях тепловых пограничных слоев вблизи верхней и нижней ограничивающих пластин, а также на исследованиях крупномасштабных течений в этой системе. Если вы хотите узнать больше по этой теме, вы можете прочитать доклад, сделанный 30 марта 2000 г. на KITP, или более свежий доклад, сделанный 13 апреля 2005 г. в Центре междисциплинарных исследований в области механики жидкостей.

---

Модели конвекции
Последние публикации
Недавние тезисы

ИТСТ — Физический факультет — Институт теоретической физики им. Кавли — Калифорнийский университет в Санта-Барбаре
Тематическая группа APS по статистической и нелинейной физике — Домашняя страница APS

---

Guenter Ahlers / [email protected]

Мантийная конвекция и дрейф континентов

Английский геолог Артур Холмс внес не один, а два важных вклада в наше понимание того, как работает Земля.

Сэр Артур Холмс (1890-1965), британский геолог, внесший вклад в наше понимание возраста Земли. Фото любезно предоставлено Эдинбургским университетом, факультет геологии и геофизики.

Он был первым земным ученым, который осознал механические и термические последствия мантийной конвекции, и он широко применил недавно разработанный метод радиоактивного датирования минералов в первой попытке количественной оценки возраста Земли.

Холмсу повезло, что явление радиоактивности было открыто во время его обучения в аспирантуре Лондонского Имперского колледжа науки.Холмс приехал туда, чтобы изучать физику, но переключился на геологию, прежде чем получить высшее образование в 1910 году. Между тем, в 1905 году английский физик Эрнест Резерфорд предположил, что энергия, излучаемая радиоактивными минералами в форме частиц и лучей, может быть использована для датирования минералов. Этот метод, называемый радиоактивным датированием, измеряет скорость распада некоторых нестабильных атомов, таких как уран, содержащихся в минералах. Используя эту новую технику, Холмс смог определить возраст минералов и, следовательно, пород, в которых они находятся, и в 1913 году сформулировал первую количественную геологическую шкалу времени. Он оценил возраст Земли в 1,6 миллиарда лет, что намного старше, чем считалось в то время. Холмс пересматривал эту оценку на протяжении всей своей жизни, поскольку методы измерения улучшались. В 1953 году американский геохимик Клер С. Паттерсон наконец установил истинный возраст Земли в 4,55 миллиарда лет.

Холмс также внес большой вклад в теорию дрейфа континентов. Эта теория была предложена немецким метеорологом и геологом Альфредом Вегенером в 1912 году и утверждает, что положение континентов на поверхности Земли со временем значительно изменилось.Идея Вегенера была далеко не общепринятой, поскольку было неясно, что заставит большие континенты перемещаться по поверхности Земли.

В 1919 году Холмс предложил механизм: континенты переносятся потоком мантии, на которой они сидят, и что мантия течет, потому что она конвекционная. Предупреждая, что его идеи были «чисто умозрительными», он предположил, что горные породы в недрах Земли будут плавно подниматься к поверхности из глубины Земли при нагревании за счет радиоактивности, а затем опускаться обратно вниз по мере того, как они охлаждаются и становятся более плотными. Холмс предположил, что конвекционные потоки проходят через мантию так же, как нагретый воздух циркулирует в комнате, и в процессе радикально меняют форму поверхности Земли. Он предположил, что восходящая конвекция может поднимать или даже разрывать кору, что боковое движение может толкать кору в сторону, как конвейерная лента, и что там, где конвекция направляется вниз, плавучие континенты сморщиваются и образуют горы. Холмс также понимал важность конвекции как механизма потери тепла Землей и охлаждения ее глубоких недр.Только после Второй мировой войны ученые смогли предоставить убедительные доказательства в поддержку фундаментальной концепции Холмса. (Чтобы узнать, как это произошло, прочтите профиль Гарри Гесса). Теории Холмса продолжали подкрепляться новыми данными сейсмологов, физиков-минералов и геохимиков.

Холмс начал свою основную работу, «Принципы физической геологии», стоя на страже против немецких зажигательных бомб в лабораториях Даремского университета, где он был главой геологического факультета.