2.2.3 Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Видеоурок: Изменение внутренней энергии в процессе теплопередачи. Решение задач

Лекция: Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Теплопередача и виды теплообмена

Существует несколько способов, позволяющих изменить внутреннюю энергию тела, одним из которых является теплопередача.

Теплопередача — это процесс, сопровождающийся переходом внутренней энергии от более нагретого к тела к менее нагретому. 

Стоит отметить, что в момент совершения теплопередачи работа над рассматриваемой системой не производится.

Теплопередача происходит в то время, когда между телами, что её совершают, имеется среда (жидкая, газообразная, вакуум). Данное физическое явление также называется

теплообменом.

Существует три основных вида теплообмена:

Теплопроводность

 

Если взять длинный железный стержень и держать один его конец над огнем, то со временем он нагреется полностью и держать его в руках будет невыносимо. Что же происходит с рассматриваемым телом с точки зрения физики?

Те атомы стержня, что находятся над огнем, начинают двигаться под действием температуры, то есть начинает увеличиваться их кинетическая энергия. Данное движение начинает переходить на соседние атомы и так по всей длине. Это объясняется с точки зрения механики — одна структурная единица начинает передавать импульс другой, тем самым передавая кинетическую энергию.

Теплопроводность — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретой части тела к менее нагретой за счет взаимодействия структурных единиц.

Процесс теплопроводности в различных веществах отличается. Таким образом, лучшими проводниками тепла являются металлы, самыми лучшими проводниками можно назвать золото и медь. Чуть хуже тепло проводит жидкость. Самыми плохими проводниками являются газы, их порой даже называют изоляторами. Именно поэтому окна делаются из нескольких стеклопакетов, между которыми находится воздух.

Для улучшения теплоизоляционных свойств домов используют пенопласт, кирпич, вата — они имеют пористую структуру, в порах которых содержится воздух. По такому же принципу в зимний период температуру нашего тела поддерживают с помощью меха, хлопка и других материалов, которые позволяют удерживать тепло на поверхности тела и предотвращают проникновение холода.

Конвекция

Несмотря на то, что воздух плохо проводит тепло, в наших домах благодаря батареям, наперекор погодным условиям, тепло. Это объясняет конвекция. 

Конвекция — это процесс передачи внутренней энергии газов и жидкостей в результате циркуляционных потоков и смешиванию теплых и холодных слоев.

Возле батареи воздух начинает нагреваться, благодаря чему расширяется и становится легче. С помощью выталкивающей силы он перемещается в верхние части комнаты. При этом холодный воздух снова поступает к батареям и с ним происходят те же процессы. Таким образом холодные и теплые слои начинают перемещаться по комнате потоками.

Этот процесс свойственный не только газам, но и жидкостям. По тому же принципу происходит нагревание жидкости в чайнике. Нижние слои воды нагреваются и перемещаются благодаря выталкивающей силе на поверхность, на их место перемещаются холодные слои.

Из-за большой силы взаимодействия между частицами твердого тела, в них конвекция не происходит.

Стоит обратить внимание на местоположение батарей — они обязательно должны находиться в нижней части комнат, иначе конвекция происходить не будет, и теплый воздух так и останется под потолком.

Что касается летнего кондиционирования воздуха, кондиционер следует располагать в верхней части комнаты — он выпускает холодный воздух, который опускается вниз комнаты.

Излучение

По какой причине на нашей Земле тепло? На этот вопрос достаточно просто ответить — благодаря Солнцу. Однако, как этот процесс объясняется с точки зрения физики? Вокруг нас существует постоянное магнитное поле, которое вызвано изменением электрического. В результате этого Землю окутывают электромагнитные волны.

Любая электромагнитная волна, вне зависимости от своей частоты, имеет энергию. Однако некоторые определенные частоты имеют наибольшую энергию, вызывающую излучение, способное нагреть тела вокруг себя.

По такому принципу происходит нагревание пищи в микроволновках.

cknow.ru

Разработка урока по теме «Способы изменения внутренней энергии»

Разработка урока по физике

Класс: 8

Способы изменения внутренней энергии

Учитель МАОУ-СОШ№1 Волкович Н.В.

Цель урока:

1. Познакомить учащихся с видами теплопередачи.

2. Научить их объяснять тепловые явления на основании молекулярно-кинетической теории.

3. Углубить знания учащихся о видах теплопередачи и их роли в природе и технике.

4. Рассмотреть примеры использования видов теплопередачи в различных областях человеческой деятельности.

Демонстрации:

1. Перемещение тепла по спицам из различных металлов;

2. Вращение вертушки над горящей лампой;

3. термоскоп;

4. слайд-шоу.

Ход урока

I. Проверка усвоения изученного материала (фронтальный опрос).

Вопросы для проверки:

1. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
   Ответ: Совершая механическую работу или теплопередачей.

2. Расскажите о процессе нагревания металлической ложки, погруженной в горячую воду.
   Ответ: Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц ложки . Молекулы воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц ложки будет увеличиваться. Температура воды уменьшиться, а температура ложки – увеличится. Через определенное время их температуры сравняются.

3. Какой процесс называют теплопередачей?
   Ответ: Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

4. Приведите примеры увеличения (уменьшения) внутренней энергии тела при совершении над ним (или этим телом над другими телами) механической работы.
   Ответ: При деформации тел (ударах, сгибании, разгибании, сжатии и т. д.) их внутренняя энергия увеличивается. Сжатый газ совершает работу, выталкивая пробку из сосуда, при этом внутренняя энергия газа уменьшается.

5. В теплую комнату внесли с улицы бутыль, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка выскочила из бутыли. Почему?
   Ответ: В теплой комнате температура воздуха, находящегося под пробкой, со временем увеличивается, при этом давление воздуха повышается и это приводит к выталкиванию пробки.

6. Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?
   Ответ: Над телами совершается работа силы трения, при этом их внутренняя энергия увеличивается, а значит и температура тел повышается.

II. Изучение нового материала.

План изложения нового материала:

1. Теплопроводность. Примеры в природе и технике.

2. Явление конвекции в жидкостях и газах. Примеры в природе и технике.

3. Излучение. Примеры в природе и технике.

4. Примеры теплообмена в быту.

Начало слайд-шоу по новой теме (управление сменой слайдов осуществляет учитель).
Формулировка темы урока (Презентация, слайд 1).

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи (теплообмена). Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи может производиться по-разному.
Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение или лучистый теплообмен (слайд 2).

Демонстрация опыта (опытная установка изображена на слайде 3 и рис. 6, стр. 11 учебника).
Определение теплопроводности (слайд 4):
1. Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой. 
В этом случае тела и все части, участвующие в процессе, находятся в непосредственном контакте.
Само вещество не перемещается вдоль тела – переносится лишь энергия
Объяснение механизма теплопроводности (слайд 5).
Показ сравнительных рисунков по теплопроводностям различных веществ (слайд 6) и теплоизоляционных материалов (слайд 7).
Примеры теплопроводности в природе (слайды 8, 9) и технике (слайд 10).
Демонстрация опыта (опытная установка изображена на слайде 11 и рис. 10, 11, стр. 14 учебника).
Определение конвекции (слайд 12):
2. Конвекция (от лат. конвекцио – перенесение) – перенос энергии самими струями газа или жидкости.
Этот вид теплопередачи не является чисто тепловым процессом, так как перемешивание слоев газа или жидкости всегда связано с какими-то внешними, нетепловыми причинами.
Конвекция в твердых телах и вакууме происходить не может.
Объяснение механизма конвекции в газах (слайд 13).
Объяснение понятия тяги и природы её возникновения (слайд 14).
Объяснение механизма конвекции в жидкостях (слайд 15).
Примеры конвекции в природе (слайды 16-18) и технике (слайд 19).
Демонстрация опыта, установка которого изображена на рис. 13, стр. 17 учебника.
Определение излучения (лучистого теплообмена) (слайд 21).
3. Излучение – это теплопередача, при которой энергия переносится различными лучами.
Объяснения механизма излучения (слайды 22, 23).
В этом случае перенос энергии осуществляется посредством электромагнитных волн, с физической природой которых мы ознакомимся позднее. Излучение не нуждается в каких-либо иных посредниках.
Излучение может распространяться и в вакууме (например, Солнечное излучение).
Темные тела лучше поглощают излучение и быстрее нагреваются, чем светлые. Темные тела быстрее охлаждаются. 
Примеры излучения в природе (слайд 24) и технике (слайд 25).
4. Примеры теплообмена в быту. (Показ слайдов 27-33).

III. Закрепление изученного материала.

Вопросы и задания по изученному сегодня материалу:

Заполните схему (слайд 35).
Ответ:

Ответьте на следующие вопросы: (слайды 37-46).

1. Почему вы обжигаете губы, когда пьёте чай одинаковой температуры из металлической кружки, и не обжигаете, когда пьёте чай из фарфоровой кружки?
Ответ. Металлическая кружка по сравнению с фарфоровой нагревается сильнее, вследствие высокой теплопроводности металла по сравнению с фарфором.
2. Почему ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы или дерева?
Ответ. Пластмасса и дерево имеют низкую теплопроводность. Такие ручки предохраняют руки человека от ожога.
3. Почему нагретая сковорода охлаждается в воде быстрее, чем на воздухе?
Ответ. Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух.
4. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?
Ответ. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждаются быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьшается, уменьшается и тяга.
5. Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?
Ответ. Батареи находятся ниже окон, для того, чтобы согревать холодный воздух, выходящий из окна. Благодаря конвекции теплый слой воздуха поднимается вверх и обогревается всё помещение.
6. Зачем самолёты красят «серебряной» краской?
Ответ. Для меньшего нагревания или охлаждения корпуса самолёта.
7. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?
Ответ. Темные тела лучше поглощают излучение Солнца и потому быстрее нагреваются.
8. Какой из изображенных чайников быстрее остынет?
Ответ. Быстрее остынет черный чайник, так как темные тела быстрее охлаждаются.
9. Посмотрите на рисунок. Почему одному мальчику жарко, а другому нет?
Ответ. Один из мальчиков одет в темную футболку, хорошо поглощающую солнечной энергии, и ему жарко. А другой одет в светлую футболку, которая плохо поглощает энергию Солнца.
10. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом? 
Ответ. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основания трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким образом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

Придумайте опыт по рисунку и объясните наблюдаемое явление. (слайд 47).

Ответ. Берем два стержня, имеющих различные теплопроводности материалов из которых они изготовлены, например, деревянный стержень и медный. Ближе к одному из концов стержней крепим на стержни (через небольшие промежутки) с помощью воска несколько гвоздей. Стержни с закрепленными гвоздями помещаем свободными концами в стакан с горячей водой. Через определенное время гвозди, закрепленные на медном стержне, начнут падать, начиная снизу. Медный стержень имеет очень хорошую теплопроводность. Гвозди, закрепленные на деревянном стержне, не будут падать, так как дерево плохо проводит тепло.

Показ слайда 49 на закрепление изученных видов теплопередачи.

Домашнее задание: (Слайд 50) § 4-6. Упр. 2, 3.
Кроссворд. (слайд 51)

infourok.ru

Решение — § 3. Способы изменения внутренней энергии тела / вопрос №3 по Физике за 8 класс А.В. Перышкин

Решебник №2/ § 3. Способы изменения внутренней энергии тела / вопрос / 3

Решебник №3/ § 3. Способы изменения внутренней энергии тела / вопрос / 3

ugdz.ru