Где применяется теплопроводность: Где применяется теплопроводность? – ответ на Uchi.ru

alexxlab | 10.02.2022 | 0 | Разное

Механизмы теплопередачи и их применение

Теплообменное оборудование и отопительные приборы выполняют свои функции прежде всего благодаря физическому процессу – теплопередаче (иначе — теплообмену): тело с более высокой температурой передает тепло телу с температурой ниже, пока не наступит относительное термодинамическое равновесие. При этом среды разделены либо твердой стенкой, либо другой поверхностью. Относительное термодинамическое равновесие предполагает, что в итоге величины вроде температуры будут примерно равняться друг другу.

Деятельность различных типов теплообменников и отопительных приборов основывается на разных физических процессах – в зависимости от механизмов теплопередачи:

• На теплопроводности
• На конвекции
• На тепловом излучении.

Теплопроводность и теплообменное оборудование

Процесс теплопроводности характеризуется способностью тел переносить энергию с помощью движущихся частиц. К таким частицам относятся молекулы, атомы, электроны и другие. Теплопроводность выше в твердых телах и меньше – в газообразных, это известно еще из школьного курса: молекулы в газах находятся дальше друг от друга, поэтому заявленный вид теплопередачи происходит медленнее. Интенсивность теплообмена связана с коэффициентом теплопередачи.

Кожухотрубные, спиральные, пластинчато-ребристые, секционные и другие теплообменники осуществляют обогрев за счёт теплопроводности.В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделяются стенкой, в регенеративных происходит поочередное взаимодействие горячего и холодного теплоносителя с определенной поверхностью.

Конвекция и отопительные приборы

При таком виде теплопередачи, как конвекция, внутренняя энергия передается потоком или струйно.

Конвекция бывает двух видов:

• вынужденная — при содействии внешних сил; инструментами могут выступать вентилятор, насос, смешивающий прибор.
• естественная — при нагреве происходит перемещение слоев воздуха.

Действие конвектора как отопительного прибора основано на этом механизме теплопередачи. Благодаря естественной термогравитационной конвекции нагретый воздух поднимается выше, а на его место приходит менее теплый, который находился наверху — так постепенно нагревается помещение.

Естественная конвекция ответственна за многие природные явления — в том числе за образование облаков. Искусственная конвекция влияет на работу сухих градирен — драйкулеров, которые осуществляют свою работу с помощью вентиляторов.

Тепловое излучение

Веществу свойственно излучать электромагнитные волны. Тепловое излучение как механизм теплопередачи основывается как раз на электромагнитном излучении, появляющимся из-за внутренней энергии, которым обладает тело. Чем выше температура вещества, тем выше излучение. Другие тела могут улавливать излучение или же отбрасывать его. Известно, что темные предметы легче поглощает излучение. Светлым предметам свойственно отражать излучение. Так, к примеру, тепловым излучением обладает металл в нагретом состоянии.

Многие искусственные источники освещения работают за счёт теплового излучения — в том числе лампы накаливания. В обогреве помещений также применяется механизм излучения — широко применяются инфракрасные обогреватели, излучателями служат галогенные, кварцевые, а также карбоновые лампы. Особенностью ИК-обогревателя является последовательность нагрева: при его действии сначала нагреваются предметы (например, мебель) и только потом от предметов нагревается воздух.

При обогреве помещения обычно ориентируются на конвекцию и теплопроводность, потому что использования теплового излучения дорого обходится. Чтобы оценить эффективность обогрева помещения, учитывайте распределение температуры воздуха относительно высоты самого помещения — итогом должно стать более-менее равномерное распределение, чтобы теплый воздух не концентрировался у потолка, а пол не был холодным. Необходимо обратить внимание не только на процесс теплообмена оборудования, но и на теплопотери.

теория тепла, полезно знать

05.09.2017, 5934 просмотра.

Теплопроводность | 8 класс | Физика

Содержание

Внутренняя энергия тела может изменяться без совершения работы — за счет теплопередачи. Когда мы подносим металлическую палку к пламени свечи, ее конец тоже становится горячим.

На этом примере видно, что внутренняя энергия может передаваться от одних тел к другим. Также внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой — ведь нижняя часть палки не касается свечи, но нагревается.

То же явления мы можем наблюдать, опустив железную ложку в кипяток. Вскоре конец ложки, не погружённый в воду, станет горячим (рисунок 1).

Рисунок 1. Пример теплопроводности

Одним из видов теплопередачи является теплопроводность. Именно его мы наблюдаем в приведенном примере. На данном уроке мы более подробно рассмотрим это явление.

Определение тепловодности

Теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. 

• теплопроводность свойственна веществам во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном
• разные вещества обладают разной теплопроводностью

Рассмотрим подробнее последнее утверждение. Поднесем к огню конец деревянной палочки (рисунок 2). Он загорится. Тем не менее, другой ее конец останется холодным. Следовательно, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Рисунок 2. Нагревание различных материалов для оценки их теплопроводности.

Если мы заменим деревянную палочку на металлическую, то она вся довольно быстро нагреется. Держа такой предмет, можно легко обжечься.

Это говорит о том, что металлы имеют большую теплопроводность. Серебро медь и золото имеют наибольшую теплопроводность.

Теплопроводность твердых тел

Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 3. 

Рисунок 3. Теплопроводность твердого тела.

Прикрепляем к штативу один конец толстой медной проволоки. Под другим концом проволоки расположим спиртовую горелку. К проволоке прикрепим с помощью воска небольшие гвоздики (рисунок 3, а).

Начнем нагревать свободный конец проволоки с помощью спиртовки (рисунок 3, б). Воск постепенно начнет таять.

Поочередно гвоздики начнут отваливаться, начиная с тех, что находятся ближе к огню спиртовки (рисунок 3, в).

Объясним происходящее со стороны физики:

1. Частицы металла находятся очень близко к друг другу. Они колеблются в определенных положениях
2. Скорость колебательного движения частиц при нагревании металла сначала увеличивается в той части проволоки, которая находится ближе к огню
3. За счет взаимодействия частиц металла друг с другом, увеличивается скорость движения соседних частиц
4. При увеличении скорости их движения, начинает подниматься температура

Этот процесс будет постепенно проходить по всей длине проволоки.

При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Рассмотрим еще один опыт (рисунок 3). На этот раз с другой стороны подставим к горелке еще один штатив с закрепленной на нем проволокой. Различие будет в ее материале — проволока сделана из стали.

Рисунок 3. Теплопроводность различных металлов.

В процессе нагревания мы увидим, что гвоздики на медной проволоке отваливаются быстрее. Медь быстрее нагревается по всей длине. Это показывает нам, что тепловодность различных металлов неодинакова. Медь имеет большую тепловодность, чем сталь.

Теплопроводность жидкостей

Проведем простой опыт. Наполним пробирку водой и начнем подогревать ее верхнюю часть (рисунок 4).

Рисунок 4. Теплопроводность жидкости.

Вода в верхней части пробирки быстро закипит, а у дна просто нагреется. Это говорит о том, что у жидкостей теплопроводность невелика (исключение составляют ртуть и расплавленные металлы).

Причина небольшой теплопроводности жидкостей — расположение молекул в их строении. Расстояние между молекулами жидкости больше, чем в твердых телах. 

Теплопроводность газов

Исследуем на опыте теплопроводность газов. Наденем на палец пробирку. Будем нагревать ее дно в пламени спиртовки (рисунок 5).

Рисунок 5. Теплопроводность газа.

Нам придется долго ждать, чтобы почувствовать тепло нагретого в пробирке воздуха. Расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Значит, теплопроводность газов еще меньше.

Волосы, шерсть, перья птиц обладают плохой теплопроводностью. Причина этому — между волокнами этих веществ содержится воздух. 

Теплопроводность объясняется переносом энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии частиц вещества. Чем больше расстояние между частицами и слабее взаимодействие между ними, тем меньшей теплопроводностью обладает тело. Поэтому наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (безвоздушное пространство). Нет частиц — нет теплопроводности.

Применение

Иногда необходимо предохранить тело от нагревания или охлаждения. Для этого используют тела с малой теплопроводностью. Если кастрюли и сковородки делают из металла (позволяет быстрее нагреваться), то их ручки делают из дерева или пластмассы. Это позволяет нам не обжигаться. По этой же причине кружки и стаканы изготавливают преимущественно из пластмассы, стекла, фарфора.

Материалы, которые используют при строительстве домов (бревна, кирпичи, бетон) обладают плохой теплопроводностью. Таким образом строения меньше охлаждаются.

В устройстве термоса тоже применяется явление теплопроводности (рисунок 6). Из пространства между колбой и кожухом выкачан воздух, так почти не осуществляется теплопередача.

Рисунок 6. Устройство термоса.

Снежный покров имеет плохую теплопроводность. Это имеет огромное значение для живых организмов: многие зимующие растения защищены от вымерзания; крупные животные ночуют, зарывшись в снег; мелкие могут вести активную жизнь в норах, вырытых под снегом.

Теплопередача посредством теплопроводности

Силы, определяющие теплопроводность, и способы ее применения

Теплопередача — одна из основных физических сил, управляющих всеми реакциями на этой планете.

Теплопередача, управляемая законами термодинамики, позволяет использовать энергию и применять ее для питания бесчисленных повседневных систем. Механизм теплообмена объясняется первым законом термодинамики. Этот закон гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только передана между системами. Неизбежно, когда энергия передается между двумя системами, часть энергии теряется в окружающей среде. Эта потеря энергии происходит в виде тепла и может также упоминаться как тепловая энергия. Тепловая энергия, содержащаяся в системе, отвечает за температуру окружающей среды.

Методы теплопередачи

Существует три метода, облегчающих теплопередачу. Эти методы известны как проводимость, конвекция и излучение.

Излучение переносит тепло с помощью электромагнитных волн и не связано с каким-либо взаимодействием между веществами. Тепло, которое исходит от солнца, является примером излучения.

Конвекция происходит в жидкостях и газах и описывает перемещение тепла из одного места в другое, чему способствует движение жидкостей. При нагревании жидкости расширяются и становятся менее плотными. Горячая жидкость поднимается и вытесняет находящуюся над ней холодную жидкость, толкая ее вниз к источнику тепла. Эта холодная жидкость будет нагреваться и подниматься вверх, создавая постоянный поток жидкости из области с высокой температурой в область с низкой температурой. Конвекция объясняет, как плинтусные радиаторы могут обогреть всю комнату. Горячий воздух, вырабатываемый радиаторами, быстро поднимается вверх, толкая холодный воздух вниз к нагревателю на полу, создавая постоянный воздушный поток.

Теплопередача посредством теплопроводности включает передачу тепла между двумя материалами в результате поверхностного контакта. Между материалами не происходит обмена веществом, только энергией. Этот тип теплопередачи происходит в твердых материалах и вызывается колебаниями частиц. Под воздействием потока энергии частицы в твердом теле начинают покачиваться, вращаться и вибрировать, создавая кинетическую энергию. Типичным примером проводимости является процесс нагревания сковороды на плите. Тепло от горелки передается непосредственно на поверхность сковороды. Температура является мерой количества кинетической энергии, перерабатываемой частицами в образце вещества. Чем больше кинетическая энергия материала, тем выше будет его внутренняя температура.

Рисунок 1: Схема механизмов теплопередачи

Теплообмен в металлах

Вещество с высокой кинетической энергией также будет иметь высокую теплопроводность. Теплопроводность описывает, насколько эффективно материал может пропускать через себя тепло. Он определяется скоростью потока энергии на единицу площади по сравнению с градиентом температуры. Большинство значений электропроводности выражаются в ваттах на метр на градус Кельвина Вт/м•К.

Теплопроводность объясняет, почему ходьба босиком по холодному кафельному полу кажется намного прохладнее, чем ходьба по ковру, хотя оба они имеют комнатную температуру. Плитка и камни имеют более высокую теплопроводность, чем ковер и ткани, поэтому они могут отводить тепло от ног с гораздо большей скоростью, благодаря чему плитка кажется прохладной на ощупь.

Металлы являются примером материала с высокой теплопроводностью, который может быстро передавать тепло. Внутренняя структура молекулы металла содержит свободные электроны, которые могут свободно перемещаться в объеме материала. Эти свободные электроны быстро сталкиваются с другими частицами, заставляя внутреннюю структуру металла вибрировать быстрее и быстрее нагреваться. Эти быстрые вибрации способствуют потоку энергии и тепла по всему металлу.

Такие металлы, как медь, алюминий и серебро, часто используются для изготовления тепловых приборов и инструментов. Медные трубы — это провода, которые чрезвычайно популярны для использования в доме для быстрой передачи энергии и тепла из одной области в другую. Алюминий имеет чрезвычайно схожие тепловые свойства с медью и часто используется в качестве экономичной замены для выполнения тех же функций. Серебро является одним из наиболее широко используемых металлов для тепловых применений. Более 35% всего серебра, производимого в США, используется в электронике или электротехнике. Спрос на серебро продолжает расти, поскольку оно становится важнейшим компонентом в производстве солнечных батарей. Другие материалы с высокой теплопроводностью, такие как алмазы, также имеют множество практических применений. Алмазный порошок часто используется в электронике для отвода тепла от чувствительных участков и защиты их от перегрева.

Рис. 2. Стандартные солнечные панели, которые часто изготавливаются из серебра

 

Теплопередача в неметаллах

Неметаллические материалы используют фононы для передачи тепла по градиенту от холодной области к теплой. Пластмассы, пенопласт и дерево — все это примеры материалов с низкими значениями теплопроводности. Эти материалы известны как изоляторы и могут ограничивать поток тепла. Изоляторы имеют множество чрезвычайно полезных применений, которые могут защитить энергию от потери в окружающую среду. Пена является чрезвычайно полезным изоляционным материалом для дома и строительства. Более 50% всей бытовой энергии используется для обогрева или охлаждения дома. Использование материала с высокой теплопроводностью для изоляции дома может существенно снизить количество энергии, необходимой для обогрева или охлаждения здания. Цены на энергоносители во всем мире постоянно растут, что делает идеальным сохранение как можно большего количества электроэнергии и тепла для снижения счетов за электроэнергию.

Заключение

Теплопроводность является чрезвычайно важным свойством материала, которое позволяет тысячам производственных систем функционировать должным образом и эффективно. В каждой экосистеме постоянно происходит обмен теплом в виде потерянной энергии. Использование тепловой энергии для промышленных и практических процессов привело к созданию превосходных энергосберегающих технологий, которые используются ежедневно. Теплопроводность, излучение и конвекция — это разные способы прохождения тепла через систему. Структура, плотность и состав материала являются факторами, которые могут влиять на теплопроводность образца. Материалы с высокими или низкими значениями теплопроводности используются для различных повседневных применений. Хотя это сильно недооценено, жизнь не была бы такой же без теплопередачи и теплообмена.

Ссылки
Шинде С. и Гоэла Дж. (2006). Материалы с высокой теплопроводностью. Нью-Йорк: Спрингер. doi:10.1007/b106785]
Учебное пособие по физике. (н.д.). Получено с https://www.physicsclassroom.com/class/thermalP/Lesson-1/Methods-of-Heat-Transfer
Что такое тепловая энергия? (н.д.). Получено с https://www.khanacademy.org/science/physics/work-and-energy/work-and-energy-tutorial/a/what-is-thermal-energy

Рекомендуемое изображение: https://unsplash. ком

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Примеры проводимости: Основные типы

Проводимость — это движение тепла или электричества через материал без какого-либо заметного движения материала. Узнайте больше о дирижировании в реальной жизни и просмотрите несколько примеров дирижирования.

иллюстрация инфографики дирижёр

Реклама

Теплопроводность.

Простые термины

Теплопроводность — это один из способов передачи тепла из одного места в другое. Проводимость возникает, когда энергия передается от одного атома или объекта к другому. Это происходит за счет тепла или электричества. Проводимость может происходить в жидких, газообразных или твердых телах.

• Чтобы между двумя объектами существовала проводимость, они должны соприкасаться друг с другом.
• Чтобы между атомами внутри одного и того же объекта возникала проводимость, они также должны соприкасаться (или почти соприкасаться).

Когда возникает проводимость, она не заставляет объект(ы) двигаться так, как это может воспринимать человек. Это связано с тем, что проводимость не вызывает смещения материалов.


Повседневные примеры теплопроводности

Теплопроводность и теплопроводность означают одно и то же. Когда молекулы нагреваются, они начинают вибрировать, что заставляет их передавать кинетическую энергию другим молекулам, с которыми они вступают в контакт.

• Вы можете согреть мышцы спины с помощью грелки. По мере того, как подушка нагревается, она передает тепло той части тела, с которой соприкасается.
  
• Тепло от горячей жидкости нагревает саму чашку. Если вы возьмете чашку с горячим кофе, чаем или бульоном, сама чашка будет горячей, и ваши руки это почувствуют.
  
• Если вам холодно и кто-то держит вас, чтобы согреть, тепло передается от их тела к вашему.
  
• Если оставить металлическую ложку в кастрюле, она нагреется от кипящей воды внутри кастрюли.
  
• Шоколадная конфета в вашей руке в конечном итоге растает, так как тепло передается от вашей руки к шоколаду.
• При глажке предмета одежды утюг горячий и тепло передается одежде.
• Если разжечь огонь в камине кочергой и оставить кочергу в огне, кочерга сильно нагреется.
• Теплообменник использует горячую жидкость для передачи тепла более холодной жидкости без прямого контакта между ними.
• Если вы прикоснетесь к горячей плите, к пальцу будет передано тепло, и ваша кожа обожжется.
  
• Песок может проводить тепло. Вот почему прогулка по пляжу в жаркий летний день согреет ваши ноги.
• Важно защищать лапы собаки при ходьбе по горячему асфальту или бетону. Они проводят тепло к ногам вашего питомца так же, как и к вашим.
• Лампочки выделяют тепло. Если дотронуться до горящей лампочки, можно обжечь руку.
  

Существует множество дополнительных примеров теплопроводности помимо перечисленных выше.

Повседневная электрическая проводимость

Электрическая проводимость возникает, когда электрически заряженные частицы движутся через какой-либо тип среды для производства электрической энергии.

• Провода в вашем доме проводят электричество и позволяют включать свет, когда вы щелкаете выключателем.
• Когда вы включаете компьютер или любые другие электрические или работающие от батареек устройства или устройства, они работают благодаря электропроводности.
• В стационарном телефоне звуковые волны преобразуются в электричество, которое передается по проводам на телефон другого человека. Там он преобразуется обратно в звуковые волны.
• Молниеотводы устанавливаются на зданиях, чтобы привлечь молнию, чтобы поразить их и передать их энергию в землю через прикрепленные провода, а не повредить конструкцию.
• Сердце имеет собственную естественную систему электропроводности. Когда сердце бьется, его электрические сигналы заставляют сердце биться в соответствующем ритме.
• Если электрическая система в чьем-то сердце не работает должным образом, человеку может потребоваться установка кардиостимулятора для имитации проводимости.
• Ионы в воде заставляют ее проводить электричество. Вот почему важно избегать купания во время грозы; если молния ударит в воду, любой, кто окажется в ней, рискует получить удар током.
• Это также относится к электроприборам и воде. Если подключенный к сети фен (или любой другой электрический предмет) упал в ванну или раковину, наполненную водой, не прикасайтесь к нему. Вода будет проводить электричество так, что прикосновение к устройству может привести к поражению электрическим током.
• Когда поваренная соль растворяется в воде, она может проводить электричество. Это потому, что вода отделяет ионы натрия от ионов хлора.
  

Реклама

Материалы, являющиеся хорошими проводниками

Некоторые материалы очень хорошо работают в качестве проводников.

• алюминий
• латунь
• бронза
• медь
• золото
• графит
• железо
• ртуть
• сталь
• серебро

Дополнительные способы передачи тепла

Теплопроводность — один из трех способов передачи тепла. Он также может передаваться конвекцией и излучением. Пока вы открываете примеры теплопроводности, продолжайте и узнайте больше об этих других механизмах теплопередачи. Начните с изучения некоторых примеров конвекции. Затем просмотрите несколько примеров радиации в повседневной жизни.

Штатный писатель

• средняя школа
• старшая школа
• колледж

Статьи по теме

• Примеры тепловой энергии

  Термины «тепло» и «тепловая энергия» — это термины, которые мы используем для описания уровня активности молекул в объекте.