Конвекция
Как нагретые жидкости и газы сами движутся вверх и переносят энергию. Чем конвекция отличается от теплопроводности, какой она бывает и где её видно: в радиаторе, печной трубе и ветре.
аудио-обзор «Конвекция»05:25- Почему нагретое вещество едет вверх
- Естественная и вынужденная конвекция, и чем конвекция не теплопроводность
- Опыты и жизнь: где мы видим конвекцию
Включили радиатор — и тёплый воздух сам уходит к потолку, хотя никто его не дует. А в твёрдом бруске, нагретом с одного конца, никакого «потока тепла вместе с веществом» нет. Что заставляет тёплый воздух и воду двигаться сами — и почему у твёрдых тел так не получается?
Объяснить, почему при нагревании снизу жидкость или газ начинают циркулировать, и назвать роль силы Архимеда
Отличить естественную конвекцию от вынужденной и теплопроводность от конвекции
Объяснить по рисункам опыты с нагреваемой колбой, вертушкой над лампой и моделью тяги и привести примеры конвекции в быту и природе
Конвекция как вид теплопередачи
Практическое применение конвекции
Почему нагретое вещество едет вверх
Жидкости и газы плохо проводят тепло: частицы там далеко друг от друга и почти не передают энергию соседям. Если бы тепло шло только так, вода в кастрюле прогревалась бы мучительно долго. Но она прогревается быстро — потому что включается другой способ: нагретое вещество само переезжает и везёт энергию с собой.
Представь пробку, которую держат под водой у дна. Отпустишь — она всплывёт: она легче воды вокруг. Нагретый слой воды у дна ведёт себя так же. Он нагрелся и расширился, стал менее плотным, чем холодная вода над ним. Теперь он «пробка»: его выталкивает вверх. А холодная и плотная вода сверху опускается вниз на его место.
Конвекция — перенос энергии потоками жидкости и газа.
Пошагово то, что показывают стрелки на рисунке:
- Пламя греет слои воды снизу.
- Нагретые слои расширяются, их плотность уменьшается.
- Сила Архимеда становится больше силы тяжести — и нагретые слои поднимаются вверх.
- Более холодные и плотные слои опускаются вниз.
- Так образуется циркуляция: вода идёт по кругу и переносит тепло.
Аналогия: нагретая вода у дна — как пробка, отпущенная под водой: она легче окружающей, и её выталкивает вверх, а холодная вода «тонет» на её место. Честная оговорка: пробка легче воды всегда, а нагретый слой — только пока он теплее соседей. Остынет — перестанет всплывать.
Как запомнить (правило самопроверки): греем снизу — поток идёт вверх, холодное опускается; тепло везёт само вещество.
Колбу с водой нагревают сверху, а не снизу. Будет ли такая же циркуляция, как на рисунке? Подумай, где окажется нагретый лёгкий слой.
показать
Колбу с водой нагревают сверху, а не снизу. Будет ли такая же циркуляция, как на рисунке? Подумай, где окажется нагретый лёгкий слой.
Нет. Нагретый слой и так оказывается наверху: он легче, и ему некуда всплывать, поэтому циркуляции нет. Естественная конвекция возникает при нагревании снизу.
Что такое конвекция согласно определению в учебнике?
Естественная и вынужденная конвекция, и чем конвекция не теплопроводность
Всё зависит от того, кто гонит поток. Если жидкость или газ движутся сами из-за разницы плотностей — это естественная конвекция. Если поток создаёт человек или механизм — вынужденная.
Естественная конвекция — конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.
Вынужденная конвекция — конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п.
Аналогия: естественная конвекция — как пробка, которая всплывает сама. Вынужденная — как чай, который ты размешиваешь ложкой: вещество движется потому, что его заставили. Оговорка: ложка не создаёт тепло, а только ускоряет перемешивание тёплых и холодных частей.
Как запомнить (правило самопроверки): «Сама — потому что греем снизу; силой — насос или мешалка». Слово «вынужденная» — вынудили, значит, есть насос или мешалка.
Теперь главное отличие от теплопроводности. При теплопроводности вещество остаётся на месте, а энергия передаётся от частицы к частице. При конвекции происходит перенос вещества: сами нагретые слои уезжают и везут тепло. Поэтому в твёрдых телах конвекции не бывает: их частицы могут только колебаться около положений равновесия, потока вещества образоваться не может.
| Признак | Теплопроводность | Конвекция |
|---|---|---|
Переносится ли вещество | Нет, частицы остаются на месте | Да, вещество движется потоком |
Жидкости и газы | Теплопроводность плохая | Основной способ передачи тепла |
Твёрдые тела | Возможна | Невозможна: частицы только колеблются |
Что нужно для потока | Не нужен поток | Нагрев снизу или насос, мешалка |
Конвекция идёт и в твёрдом теле: тепло перетекает от горячего конца к холодному.
В твёрдом теле частицы только колеблются около положений равновесия, потока вещества нет — конвекции нет. Передача тепла в нём — не конвекция, потому что вещество не переносится.
Что называют вынужденной конвекцией?
Опыты и жизнь: где мы видим конвекцию
Объяснять опыт по схеме: что нагревают → куда направлены стрелки → почему → вывод. Разберём опыты по рисункам из учебника.
Что видно: над электрической лампой расположена катушка-вертушка; синие стрелки направлены вверх, красная стрелка показывает вращение.
Почему: воздух возле лампы нагревается, расширяется, его плотность уменьшается — нагретые слои идут вверх.
Что делает поток: поднимающийся воздух давит на вертушку и раскручивает её.
Вывод: вертушка вращается потому, что воздух движется — значит, при конвекции переносится вещество, а не только энергия.
Что видно: нагреваемый сосуд с вертикальной трубой, из которой выходит пар; рядом миска с тёмными кусочками.
Что происходит: нагретый воздух и пар в трубе идут вверх по вертикальной трубе.
Вывод: так устроена тяга в печах и трубах — нагретые газы поднимаются вверх, и поток сам идёт по трубе.
На рисунке комнаты видно полную картину: воздух у радиатора нагревается и идёт вверх, у потолка отходит в сторону, остывает, опускается и возвращается вдоль пола. Это замкнутая циркуляция, как у воды в колбе. Так же работает обогрев комнат радиаторами водяного отопления. Ветры (бризы) — тоже конвекция: нагретые массы воздуха поднимаются, на их место приходят более холодные.
Как по виду стрелок на рисунке комнаты понять, где воздух теплее: у потолка или у пола?
показать
Как по виду стрелок на рисунке комнаты понять, где воздух теплее: у потолка или у пола?
У потолка. Нагретый воздух менее плотный и поднимается вверх, а холодный и плотный опускается к полу.
Почему радиаторы отопления в комнатах обычно устанавливают под окнами?
Тёплый воздух у радиатора расширяется, его плотность падает, сила Архимеда становится больше силы тяжести — и он поднимается к потолку, а холодный плотный воздух опускается и занимает его место. Получается циркуляция: энергию переносит само вещество. В твёрдом теле так не выйдет: частицы только колеблются около положений равновесия, потока вещества образоваться не может.
Жидкости и газы плохо проводят тепло, поэтому тепло в них передаётся конвекцией.
Нагретый снизу слой расширяется, становится менее плотным, поднимается; холодный опускается — получается циркуляция.
При конвекции переносится вещество, в твёрдых телах она невозможна.
Конвекция бывает естественной (нагрев снизу) и вынужденной (насосы, мешалки).
Примеры: радиаторы водяного отопления, тяга в печах и трубах, бризы.
Перенос энергии потоками жидкости и газа.
Конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п.
Конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.
- Конвекция
перенос энергии потоками жидкости и газа
- Естественная
нагрев снизу, разница плотностей слоёв
- Вынужденная
принудительное перемешивание насосом, мешалкой
- Твёрдые тела
конвекции нет, частицы только колеблются
- Что греют
найти источник нагрева и где он расположен
- Плотность
нагретый слой расширяется, плотность уменьшается
- Сила
сила Архимеда больше силы тяжести, слой поднимается
- Циркуляция
холодные плотные слои опускаются, поток замыкается
| Теплопроводность | Конвекция | |
|---|---|---|
Вещество переносится | нет | да |
Твёрдые тела | возможна | невозможна |
Жидкости и газы | плохая | основной способ |
Тяга в печах и трубах — это тоже конвекция: нагретые газы сами поднимаются вверх.
Бризы возникают из-за конвекции: нагретый воздух поднимается, а на его место приходит более холодный.
Дайте определение конвекции.
Это перенос энергии потоками жидкости или газа.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИ400 300 200 100 0 100 200 Q, кДж t, ºС
На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отдаваемого им количества теплоты . Масса тела равна 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?
0 D Q, Дж t, ºС 40 20 –20 С В А II I
На рисунке графически изображён процесс теплообмена для случая, когда в нагретую до 40 °С жидкость опускают кусок льда. Потерями энергии при теплообмене можно пренебречь. Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.
В алюминиевом калориметре массой 100 г находилось 200 г воды при комнатной температуре. Затем в воду опустили спираль сопротивлением 2 Ом, подключённую к источнику напряжением 12 В. На сколько градусов нагрелся калориметр с водой за 5 мин., если потери энергии в окружающую среду составили 25 %?
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса.
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса. В каком кувшине температура воды станет повышаться быстрее?
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Какова удельная теплота плавления вещества?
Что представляет собой процесс конвекции в жидкостях и газах?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Учебное пособие: Теплопередача и конвекция в жидкостях и газах
Данное учебное пособие предназначено для изучения темы «Конвекция» в рамках курса физики тепловых явлений. Пособие включает систематизированный теоретический материал, вопросы для проверки знаний с короткими ответами, темы для развернутых аналитических работ и эссе, а также глоссарий основных терминов.
1. Обзор ключевых концепций
Природа конвекции
Жидкости и газы отличаются плохой теплопроводностью. Однако прогрев комнат от радиаторов отопления или быстрое нагревание воды в сосуде происходят благодаря другому виду теплопередачи — конвекции.
- Конвекция — это вид теплопередачи, при котором перенос энергии осуществляется потоками жидкости или газа.
- Главное отличие от теплопроводности: при конвекции происходит непосредственный перенос вещества.
- Невозможность конвекции в твёрдых телах: в твёрдых телах конвекция не происходит, так как их частицы могут совершать лишь колебания около положений равновесия, что делает образование потока вещества невозможным.
Механизм естественной конвекции
Нагревание жидкостей и газов традиционно проводят снизу. Механизм процесса состоит из следующих этапов:
- Нагрев и расширение: слои жидкости или газа, находящиеся ближе всего к источнику тепла (например, к горелке или радиатору), нагреваются сильнее остальных и расширяются.
- Изменение плотности: при увеличении объёма тела и неизменной массе его плотность уменьшается.
- Действие силы Архимеда: на нагретый, менее плотный слой начинает действовать архимедова сила, превышающая действующую на него силу тяжести. Нагретая жидкость или газ поднимается вверх.
- Формирование циркуляции: более холодные и тяжелые слои около стенок или в верхней части опускаются вниз к источнику тепла, где также нагреваются и начинают движение вверх.
- В результате образуется постоянная циркуляция потоков, приводящая к равномерному прогреву всего объёма.
Классификация видов конвекции
Вид конвекции · Причина возникновения · Пример или способ осуществления
- Естественная конвекция — Возникает самопроизвольно при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.; • Обогрев комнаты радиатором отопления.<br>• Вращение бумажной вертушки над нагретой лампой.<br>• Возникновение естественной тяги в печах и каминах.<br>• Прогрев воды в колбе/кастрюле на горелке.
- Вынужденная конвекция — Возникает при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов.; • Перемешивание жидкостей мешалками.<br>• Прокачка жидкостей или газов с помощью насосов.
Проявление и применение конвекции в быту и технике
- Обогрев помещений: радиаторы отопления устанавливают в нижней части помещений (под окнами). Воздух около радиатора нагревается, расширяется и поднимается к потолку. Наверху он постепенно остывает, опускается вниз и снова поступает к радиатору.
- Обеспечение тяги: тяга представляет собой пример использования естественной конвекции. Она обеспечивает естественный приток свежего воздуха, необходимый для поддержания процессов горения в котлах, печах и каминах.
2. Вопросы для самопроверки с кратким ответом
- Что называют конвекцией?
- Ответ: Конвекция — это перенос энергии потоками жидкости или газа.
- В чём заключается основное отличие конвекции от теплопроводности?
- Ответ: В отличие от теплопроводности, при конвекции происходит перенос самого вещества.
- Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?
- Ответ: Частицы твёрдых тел могут только колебаться около положений равновесия, поэтому образование потока вещества в них невозможно.
- Почему жидкости и газы следует нагревать снизу, а не сверху?
- Ответ: При нагревании снизу нагретые слои расширяются, их плотность уменьшается, и они поднимаются вверх под действием силы Архимеда. Если нагревать вещество сверху, менее плотный горячий слой останется на поверхности, и циркуляция (конвекция) не возникнет.
- Какая сила заставляет нагретый слой жидкости или газа подниматься вверх?
- Ответ: Выталкивающая сила (сила Архимеда), которая становится больше силы тяжести из-за уменьшения плотности нагретого вещества при его расширении.
- Что такое вынужденная конвекция и с помощью каких устройств она осуществляется?
- Ответ: Это конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов. Она осуществляется с помощью насосов, мешалок и аналогичных устройств.
- Для чего используется тяга в печах, каминах и котлах?
- Ответ: Тяга используется для обеспечения естественного притока воздуха, необходимый для поддержания процесса горения.
3. Темы для развернутых ответов и эссе
- Физические основы естественной конвекции.
- Направление анализа: Подробно опишите цепочку физических процессов, происходящих при нагревании колбы с водой или воздуха в комнате. Объясните взаимосвязь между температурой, объёмом, плотностью, силой тяжести и архимедовой силой, приводящую к циркуляции вещества.
- Сравнительный анализ естественной и вынужденной конвекции.
- Направление анализа: Раскройте принципиальные различия в условиях возникновения естественной и вынужденной конвекции. Приведите примеры применения каждого вида в быту и инженерно-технических устройствах (насосы, мешалки, системы отопления).
- Роль конвекционных процессов в природе и повседневной жизни.
- Направление анализа: Опишите проявления конвекции в жилых помещениях (работа радиаторов, движение воздушных масс) и технических системах (печная тяга). Используя знания о тепловых явлениях, объясните механизмы образования естественных ветров на побережьях (дневных и ночных бризов).
4. Глоссарий терминов
- Вынужденная конвекция — Конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п.
- Естественная конвекция — Конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.
- Конвекция — Перенос энергии потоками жидкости и газа, сопровождающийся переносом вещества.
- Тяга — Явление естественного притока воздуха за счёт конвекции, используемое для поддержания горения в печах, котлах и каминах.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Конвекция | Перенос энергии потоками жидкости и газа. | Обогрев комнаты радиаторами водяного отопления, нагревание воды в кастрюле. |
| Вынужденная конвекция | Конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п. | Перемешивание жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок. |
| Естественная конвекция | Конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв. | Тяга в печах, котлах и каминах; нагревание воздуха над лампой. |