Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.
Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное (подробно об этом можно почитать в \(7\) теме). Вспомним, с чем связано тепловое действие тока. Оно объясняется тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.
Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A, где \(А\) — работа тока, \(Q\) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле A = U⋅I⋅t. Тогда количество теплоты будет определяться по такой же формуле Q = U⋅I⋅t.
Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока \(I\), сопротивление участка цепи \(R\) и время \(t\). Зная, что напряжение U равно U = IR, получим: Q = I2⋅R⋅t
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христиапович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.
Джоуль Джеймс Прескотт (\(1818–1889\)) – английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внес значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.
Эмилий Христианович Ленц (\(1804-1865\)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской АН (\(1830\)), ректор Санкт-Петербургского университета (с \(1863\)) — один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.
Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.
Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).
Для примера, перегрузка проводов на \(25\)% приводит к сокращению срока их службы где-то с \(20\) лет до \(3-5\) месяцев, а перегрузка проводов на \(50\)% — до нескольких часов.
Источники:
Перышкин А. В Физика. 8 класс // ДРОФА, 2013
http://www.myshared.ru/slide/93472/
http://electricalschool.info/main/osnovy/1090-zakon-dzhoulja-lenca.html
http://class-fizika.narod.ru/10_7.htm
http://уроки.мирфизики.рф/%d0%b7%d0%b0%d0%ba%d0%be%d0%bd-%d0%b4%d0%b6%d0%be%d1%83%d0%bb%d1%8f-%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d1%86%d0%b0/
http://www.nscience.ru/chemistry/physical/thermodynamics/what_does_thermidynamics_research/
http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-1/1-2
http://to-name.ru/biography/emilij-lenc.htm
http://mistroim.ru/remont-pomesheniy/elektrichestvo/kakie-neispravnosti-v-elektroseti-mogut-vozniknut/
http://frutmrut.ru/zakon-dzhoulya-lenca
Разработка урока физики » Количество теплоты, выделяемое проводником с током. Закон Джоуля-Ленца»
Тема: Количество теплоты, выделяемое проводником с током. Закон Джоуля-Ленца.
Цель:
1.Вывести формулу, выражающую закон Джоуля- Ленца; рассмотреть применение этой формулы на практике; закрепить знание по темам: напряжение, мощность и работа электрического тока.
2. Развивать учебно-информационные навыки
3.Воспитывать аккуратность при работе в тетрадях и у доски
Ход урока
1.ОРГ часть
Приветствие. Сообщение темы урока через анализ пословиц
Быстро нагревается- быстро остывает
Работающей мельнице некогда замерзать
— О какой физической величине идет речь в этих пословицах?
Правильно , сегодня мы с вами на уроке будем говорить о количестве теплоты, выделяемое проводником с током, выведем формулу для расчета этой физической величины. Но в начале давайте вспомним, что изучали на прошлых уроках.
2. Проверка знаний
1. Логическая цепочка ( заполнение пропусков в формуле поочередно)
Цепочка после заполнения заполнения
Цепочка до заполнения
-Объясните, в каких единицах измеряется каждая физическая величина.
2. Проверка домашнего задания
Определите силу тока в цепи
Определите напряжение на батареи
Рассчитайте напряжение на лампе
Рассчитайте напряжение на реостате
Вычислите мощность тока в лампе
Вычислите мощность тока в реостате
Рассчитайте работу электрического тока в лампе
Рассчитайте работу электрического тока в реостате
Ответы
1
2
3
4
5
6
7
8
Ответ
0,24 А
9,6 В
2,4 В
7,2 В
0,576 Вт
1,728 Вт
34,56 Дж
103,68 Дж
3. Самостоятельная работа
Определите силу тока в цепи
Определите напряжение на батареи
Рассчитайте напряжение на лампе
Рассчитайте напряжение на реостате
Вычислите мощность тока в лампе
Вычислите мощность тока в реостате
Рассчитайте работу электрического тока в лампе
1,2 задание общее ,далее
1вариант выполняет задания под нечетными номерами, т.е. 3,5,7
2 вариант выполняет задание под четными номерами, т.е. 4,6,8.
(самопроверка по ответам)
Ответы
№ вопроса
1
2
3
4
5
6
7
8
Ответ
0,4 А
2 В
1,2 В
0,8 В
0,48 Вт
0,32Вт
288 Дж
192 Дж
3.Объяснение нового материала
(анализ пословиц)
— С какими физическими величинами связано количество теплоты? ( С работой и временем).
Q=А
-Как обозначается количество теплоты? (Q )— Подумайте и скажите, в какой зависимости находятся количество теплоты и время работы проводника ? ( В прямой пропорциональной зависимости. Чем дольше работает проводник с током, тем больше выделится количества теплоты) .
Электрический ток нагревает проводник. А с чем это связано? Ответ на этот вопрос найдите в учебнике.
(Работа с учебником)
Опыт показывает, что в неподвижных металлах вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты , выделяемое проводником, по которому течет ток ,равно работе тока
A=UIt, Q=A, то Q= UIt, U=lR, Q=l 2Rt
Количество теплоты, выделяемое проводником с током , равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
К этому же выводу пришли независимо друг от друга английский ученый Джеймс Джоуль и русский ученый Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля-Ленца.
(Просмотр ролика об Эмилии Ленце ( 6 мин) )
4. Первичное закрепление материала
1) выведите формулу для вычисления количества теплоты, выделяемое проводником, если известно
напряжение, сопротивление и время работы проводника (Q= )
мощность электроприбора и его время работы (Q=Рt)
2)Используя карточку 1,определите, какое количество теплоты выделит лампочка
Дано: СИ Решение:
t=10 мин 600 с Q=l 2Rt
R=3 Ом Q=600·3·0,4=720 Дж
I=0,4 А Ответ : 720 Дж
Q-?
3)интерактивный тест « Закон Джоуля-Ленца» https://drive.google.com/file/d/0B5kPsZr7nFJLVnBZN3duUEF1Vk0/view?usp=sharing
Итог 1)Рефлексия
2) Д.з. п. 53
2) карточка
Определите какое количество теплоты выделит лампочка
Рассчитайте количество теплоты, выделяемое реостатом.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током. | Методическая разработка по физике (8 класс) по теме:
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
« Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива»Методическая разработка урока в 8 классе по теме » Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива»…
Количество теплоты. Единицы количества теплоты. Удельная теплоемкость. Расчет количества теплоты. 8 классКоличество теплоты. Единицы количества теплоты. Удельная теплоемкость. Расчет количества теплотыЦели урока:Обучающая:ввести понятие количества теплоты, удельной теплоемкости.обосновать зависимос…
ПЛАН -КОНСПЕКТ урока «Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива» в 8 классеПлан-конспект урока, тест, самоанализ урока…
Расчет количества теплоты необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлажденииТема урока: Расчет количества телоты необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлажденииТип урока: комбинированный.Форма урока: урок — решения задач….
Методическая разработка урока по теме «Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении.Представлена методическая разработка урока в 8 классе с использованием образовательной информационно-коммуникационной технологии и применением блокнота-мимио. Урок изучения нового материала по теме &q…
Презентация к уроку «Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении». 8 классПрезентация для сопровождения урока по теме «Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении». * 8 класс….
Решение задач на расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении.Презентация к уроку физики «Решение задач на расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении. » (8 класс)…
«Количество теплоты, выделяемое проводником с током. КПД электронагревательных приборов». 8-й класс
Тип урока: усвоение нового материала.
Вид обучения на уроке: объяснительно-иллюстративный, практический.
Цель: вывести формулу для нахождения количества теплоты, выделяемого проводником с током.
Задачи:
- образовательная: практическим путем вывести формулу для нахождения количества теплоты, выделяемого проводником с током; преобразовать полученную формулу, используя имеющиеся знания о законе Ома; ввести понятие КПД электронагревательных приборов
- воспитательная:
- развивающая: научиться работать в группе, анализировать результаты, полученные практическим путем.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, 5 плоских батареек на 4,5 В, 2 амперметра, 2 резистора сопротивлением по 2 Ом, резистор сопротивлением 1Ом, резистор сопротивлением 3 Ом, соединительные провода.
Используемые материалы: презентация к уроку (Приложение 1), распечатка задач (Приложение 2).
Меры безопасности: учащиеся должны быть ознакомлены с техникой безопасности при работе с электрооборудованием. Цепи замыкаются только после проверки их учителем. Тактильная проверка резисторов осуществляется только после размыкания цепей.
Примечание: используются резисторы с открытой спиралью, при указанных в работе технических характеристиках оборудования и времени прохождения электрического тока, температура спиралей безопасна для учащихся.
Ход урока
Вспоминаем действия электрического тока (Приложение 1, слайды 2-5). Останавливаем внимание на тепловом действии
Демонстрируем электроприборы (Приложение 1, слайд 6). Ставим вопрос: “Почему в одном случае тепловое действие тока сильнее, а в другом слабее?” Формулируем тему урока. (1 мин)
Разбиваем класс на 4 группы. Группам выдается соответствующее оборудование и предлагается собрать электрические схемы, различные для каждой группы (Приложение 1, слайд 8). (6 мин)
По команде учителя цепи замыкаются. Через 1 минуту цепи размыкаются, и участникам предлагается проверить (рукой), какой резистор нагрелся больше. Участники первой группы сравнивают свой резистор с резистором второй группы, а участники второй группы – с резистором первой. Участники третьей группы сравнивают свой резистор с резистором четвертой группы, а участники четвертой группы – с резистором третьей.
Группам предлагается сформулировать вывод (4 мин):
- 1,2 группы: как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от напряжения в цепи? Все записывают этот вывод.
- 3,4 группы: как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от силы тока в цепи? Все записывают этот вывод.
По команде учителя замыкаются все цепи теперь уже на 2 минуты. (2 мин)
Цепи размыкаются, и все учащиеся формулируют вывод о том, как количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока, зависит от времени его прохождения. Все записывают вывод.
Совместно выводим формулу для расчета теплоты. (Приложение 1, слайд 9). (2 мин)
Используя закон Ома, преобразуем эту формулу. 1, 2 группы записывают значение теплоты через сопротивление и напряжение. 3,4 группы – через сопротивление и силу тока. (3 мин)
Записываем все выведенные формулы. (1 мин)
Решаем 3 задачи, 3 человека у доски [1]. В каждой задаче используется одна из выведенных формул (приложение 2). (7 мин)
Делаем вывод, от чего же зависит эффективность электронагревательных приборов.
Говорим о том, что не вся энергия электрического тока оказывается нам полезной. Вводим понятие КПД электронагревательных приборов. (7 мин)
Домашнее задание на выбор (3 мин)
3 любые задачи из задачника на расчет величин, входящих в новые формулы.
Вычисление КПД одного из электронагревательных приборов, находящихся у вас дома.
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Используемая литература.
- Сборник задач по физике: 7-9 классы/Авт.-сост. Е.Г. Московкина, В.А. Волков. — М.: ВАКО, 2011. — 176 с.
Вариант 1 1. Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике уменьшить в 2 раза?
2. Какую энергию расходует электрический утюг за 1 мин, если сопротивление его нагревательного элемента 100 Ом, а сила тока в нем 2 А? 1. 7560 Дж; 2. 24 000 Дж; 3. 36 000 Дж; 4. 66 000 Дж. 3. В нагревательном элементе чайника при напряжении 220 В сила тока 5 А. Какое количество теплоты выделит чайник за 5 мин? 1. 5400 Дж; 2. 72 600 Дж; 3. 150 000 Дж; 4. 96 000 Дж; 5. 330 000 Дж. 4. Железная и медная проволоки одинаковых размеров соединены последовательно и подключены к источнику тока. Что можно сказать о количестве теплоты, выделяемом этими проволоками?
Вариант 2 1. Как изменится количество теплоты, выделяемое спиралью электрической плитки, если ее длину уменьшить в 2 раза?
2. В электрической лампе нить накаливания имеет сопротивление 440 Ом. Вычислите количество теплоты, выделяемое лампой за 10 мин, если сила тока в ней 0,5 А. 1. 5760 Дж; 2. 24 000 Дж; 3. 36 000 Дж; 4. 66 000 Дж. 3. Включенная часть реостата имеет сопротивление 10 Ом и напряжение 30 В. Какое количество теплоты выделится реостатом за 10 мин? 1. 5400 Дж; 2. 72 600 Дж; 3. 150 000 Дж; 4. 96 000 Дж; 5. 33 000 Дж. 4. Электрические лампы сопротивлением 200 и 400 Ом соединены параллельно и подключены к источнику тока. Что можно сказать о количестве теплоты, выделяемом ими за одно и то же время?
|
Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца
Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах электролитов, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с молекулами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.
Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на нагревание проводников, т. е. на увеличение их внутренней энергии. Мерой же изменения внутренней энергии тела является количество теплоты. Значит, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе тока.
Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:
А = UIt.
Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или
Q = UIt.
Пользуясь законом Ома, можно выразить количество теплоты, выделяющееся в участке цепи при работе тока, через силу тока, сопротивление участка цепи и время.
Зная, что U= IR, получим:
Q=IRIt
т. е.
Q=I2Rt
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тона, сопротивления проводника и времени.
К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.
Вопросы. 1. Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током? 2. По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике током? 3. Как, пользуясь законом Ома, можно выразить количество теплоты, выделяемое током в проводнике, через силу тока, сопротивление проводника и время? 4. Как формулируется закон Джоуля Ленца?
Упражнения. 1. Какое количество теплоты выделится за 30 мин в проволочной спирали сопротивлением 20 Ом при силе тока 5 A? 2. С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте. 3. Если нагревательный прибор (кипятильник) вынуть из воды, не выкормив предварительно его из сети, то он быстро перегорает. Почем? 4. В цепь источника тока включены последовательно три проволоки одинакового сечения и длины: медная, стальная и никелиновая. Какая из них больше нагреется? Ответ обоснуйте и по возможности проверьте в классе на опыте.
1
Первый слайд презентации: 8 класс
1 Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца. 25.02.2021г
Изображение слайда
2
Слайд 2: Потребители электрического тока
Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний. Чем вы руководствовались, делая выбор ? Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах ? Потребители электрического тока 2
Изображение слайда
3
Слайд 3: Почему же проводники нагреваются?
БАТАРЕЯ Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов. Провод — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно, увеличивается его температура. А это означает, что проводник нагревается. Почему же проводники нагреваются?
Изображение слайда
4
Слайд 4
+ + + + + + + + — — — — — —
Изображение слайда
5
Слайд 5
Тепловое действие тока Электрический ток нагревает проводник. 5
Изображение слайда
6
Слайд 6: Нагревание металлических проводников
В неподвижных металлических проводниках работа электрического тока идёт на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. А = Q 6
Изображение слайда
7
Слайд 7: От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду?
Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике. Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник. 7
Изображение слайда
8
Слайд 8: От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду?
Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от электрического сопротивления проводника (R). От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду? Вещество Удельное сопротивление, мкОм*м сталь 0,098 свинец 0,205 никелин 0,45 8
Изображение слайда
9
Слайд 9: Какой проводник нагреется сильнее?
Вещество Удельное сопротивление, мкОм*м Нагрев проводника сталь 0,098 слабый свинец 0,205 средний никелин 0,45 сильный Нагреется сильнее проводник с большим удельным сопротивлением. 9
Изображение слайда
10
Слайд 10: ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Q = I 2 R t Q – количество теплоты, [Дж] I – сила тока, [ A ] R – сопротивление, [Ом] t – время, [ c ] 10
Изображение слайда
11
Слайд 11: Автобиографическая справка
11 Ленц Эмилий Христианович (1804 –1865гг) Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловое действие тока, и закона, определяющего направление индукционного тока. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889 гг.) Обосновал на опытах закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.
Изображение слайда
12
Слайд 12
Использование теплового действия тока 12
Изображение слайда
13
Слайд 13
Нагревательный элемент Тонкий проводник в виде спирали, изготовленный из материала с большим удельным сопротивлением и высокой температурой плавления. 13
Изображение слайда
14
Слайд 14: Короткое замыкание
Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Назначение предохранителей — отключение линии, если сила тока превысит допустимую норму.
Изображение слайда
15
Слайд 15: Упр.37(1,4), П-1196
15
Изображение слайда
16
Слайд 16: П-1201
16
Изображение слайда
17
Слайд 17: Количество теплоты, выделяемое током в проводнике:
Q = А = U I t 1 Q = I 2 R t 2 3 17
Изображение слайда
18
Слайд 18
A R 1 =2 Ом R 2 =4 Ом Опыт 1 V 1 мин V
Изображение слайда
19
Слайд 19
Опыт 1 I 1 = I 2 = I =1 A U 1 = 2 B U 2 = 4 B t = 60 c
Изображение слайда
20
Слайд 20
Опыт 1 Q 1 =I 1 U 1 t = 1A ∙ 2 В ∙ 60 с = 120 Дж Q 2 =I 2 U 2 t = 1A ∙ 4В ∙ 60 с = 240 Дж При последовательном соединении проводников большее количество теплоты выделяется в большем сопротивлении.
Изображение слайда
21
Слайд 21
Опыт 2 R 1 = 2 Ом R 2 = 4 Ом V A A 1 мин
Изображение слайда
22
Слайд 22
Опыт 2 U 1 = U 2 = U =6 B I 1 =3A I 2 =2,5 A t = 60 c
Изображение слайда
23
Слайд 23
Опыт 2 Q 1 =I 1 U 1 t = 3 A ∙ 6В ∙ 60 с = 1080 Дж Q 2 =I 2 U 2 t = 2,5 A ∙ 6В ∙ 60 с = 900 Дж При параллельном соединении проводников большее количество теплоты выделяется в меньшем сопротивлении.
Изображение слайда
24
Последний слайд презентации: 8 класс: Домашнее задание
§ 53,56 решить задачи П-1194,1197,1198 24
Изображение слайда
термодинамика — Тепловыделение в токопроводящем проводе
термодинамика — Тепловыделение в токонесущем проводе — Physics Stack ExchangeСеть обмена стеков
Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.
Посетить Stack Exchange- 0
- +0
- Авторизоваться Подписаться
Physics Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для активных исследователей, ученых и студентов-физиков.Регистрация займет всего минуту.
Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществуКто угодно может задать вопрос
Кто угодно может ответить
Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх
Спросил
Просмотрено 3к раз
$ \ begingroup $Скорость производства тепла в проводе, по которому проходит электрический ток, пропорциональна. 2 R $.
Эту формулу можно вывести следующим образом. Сначала мы предполагаем, что материал ведет себя омически и, следовательно: $ V = I \ cdot R $. Далее мы знаем, что $ P = I \ cdot V $. Подставьте закон Ома в предыдущее уравнение, чтобы получить искомую формулу.
Альтернативный вывод был бы более формальным с использованием вектора Пойнтинга. Вы представляете себе провод, через который проходит постоянный ток. Это вызовет магнитное поле. (Используйте закон Ампера, чтобы найти это поле). Затем также рассчитайте электрическое поле, используя значение тока и сопротивление материала.2 реала.
Вот ссылка, которая решает проблему с вектором Пойнтинга: http://web.mit.edu/8.02t/www/materials/InClass/_notes/IC_Sol_W15D1_1.pdf
Создан 17 июн.
Марникс63255 серебряных знаков1313 бронзовых знаков
$ \ endgroup $ 0 $ \ begingroup $Для омических проводников соотношение может быть установлено следующим образом: dH = V dQ => dH = V (dQ / dt) dt Как мы знаем, dQ / dt = I и V = IR => dH = I I R dt Интегрируя с обеих сторон, получаем H = I ^ 2 * R * т Следовательно, выделяемое тепло пропорционально квадрату тока, проходящего через проводник.
Создан 17 июн.
$ \ endgroup $ Physics Stack Exchange лучше всего работает с включенным JavaScriptВаша конфиденциальность
Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в отношении файлов cookie.
Принимать все файлы cookie Настроить параметры
Логический класс| Дом
ТОК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Введение:
Когда электрический ток проходит через проводник, через некоторое время проводник нагревается и выделяет тепло.Это происходит из-за преобразования некоторой электрической энергии, проходящей через проводник, в тепловую. Этот эффект электрического тока называется тепловым эффектом тока.
Когда ток течет по проводнику, в проводнике генерируется тепловая энергия. Нагревательный эффект электрического тока зависит от трех факторов:
- Сопротивление R проводника. Чем выше сопротивление, тем больше тепла.
- Время t, в течение которого течет ток.Чем больше время, тем больше выделяется тепла
- Величина тока I. Чем выше сила тока, тем больше выделяется тепла.
Следовательно, эффект нагрева, создаваемый электрическим током I, проходящим через проводник сопротивления, R в течение некоторого времени, t определяется как H = I 2 Rt. Это уравнение называется уравнением Джоуля электрического нагрева.
Электроэнергия и мощность
Работа, совершаемая при проталкивании заряда по электрической цепи, определяется выражением w.d =
VItТак что мощность, P = w.d / t = VI
Электрическая мощность, потребляемая электроприбором, определяется как P = VI = I 2 R = V 2 / R
Области применения нагрева электрическим током
Большинство бытовых электроприборов таким образом преобразуют электрическую энергию в тепло. К ним относятся лампы накаливания, электрический нагреватель, электрический утюг, электрический чайник и т. Д.
В осветительных приборах
- Лампы накаливания — изготовлены из вольфрамовой проволоки, заключенной в стеклянную колбу, из которой удален воздух.Это потому, что воздух окисляет нить. Нить нагревается до высокой температуры и становится раскаленной добела. Вольфрам используется из-за его высокой температуры плавления; 3400 0 Колба заполнена неактивным газом, например. аргон или азот при низком давлении, что снижает испарение вольфрамовой проволоки. Однако одним из недостатков инертного газа является то, что он вызывает конвекционные токи, которые охлаждают нить накала. Эта проблема сводится к минимуму за счет наматывания проволоки таким образом, чтобы она занимала меньшую площадь, что снижает потери тепла за счет конвекции.
- Люминесцентные лампы — эти лампы более эффективны по сравнению с лампами накаливания и служат намного дольше. У них есть пары ртути в стеклянной трубке, которая при включении испускает ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет порошок в трубке светиться (флуоресцировать), то есть испускать видимый свет. Из разных порошков получаются разные цвета. Обратите внимание, что люминесцентные лампы дороги в установке, но их эксплуатационные расходы намного меньше.
В электронагревателе
- Электрические плиты — электрические плиты раскалены докрасна, и произведенная тепловая энергия поглощается кастрюлей за счет теплопроводности.
- Электронагреватели — лучистые обогреватели становятся красными при температуре около 900 0 ° C, а испускаемое излучение направляется в комнату с помощью полированных отражателей.
- Электрочайники — нагревательный элемент размещается на дне чайника так, чтобы нагреваемая жидкость покрывала его. Затем тепло поглощается водой и распределяется по всей жидкости за счет конвекции.
Электрические утюги — при прохождении тока через нагревательный элемент выделяемая тепловая энергия передается к основанию из тяжелого металла, повышая его температуру.Затем эта энергия используется для прессования одежды. Температуру утюга можно контролировать с помощью термостата (биметаллической планки).
Когда между концами резистора приложена разность потенциалов V, электрический
Полебудет действовать на свободные электроны. Работа электрического поля на бесплатном
электронов за время t равно W = Vq
Вт = V это W = i2 Rt
ii) Эта работа, совершаемая полем, преобразуется в тепловую энергию резистора через столкновения с решеткой.{2}} \)
б) Тепло, выделяемое в данном резисторе заданным током, пропорционально времени, в течение которого в нем существует ток, т.е. \ (H \ propto t \)
c) Тепло, выделяемое в резисторе заданным током в заданное время, пропорционально его сопротивлению.
v) Электрический нагреватель, электрический утюг, электрическая лампочка, электрическая плита — вот некоторые из инструментов, которые воздействуют на тепловой эффект Джоуля и преобразуют электрическую энергию в тепловую.Эффект Джоуля необратим .
Джоулев нагрев , также известный как Омический нагрев и резистивный нагрев , представляет собой процесс, при котором прохождение электрического тока через проводник производит тепло. Первый закон Джоуля , также известный как закон Джоуля-Ленца , [1] , утверждает, что мощность нагрева, создаваемая электрическим проводником, пропорциональна произведению его сопротивления на квадрат тока: Джоулев нагрев влияет на весь электрический проводник, в отличие от эффекта Пельтье, который передает тепло от одного электрического спая к другому.
Постоянный ток :
Самая общая и основная формула для Джоулева нагрева:
{\ displaystyle P = (V_ {A} -V_ {B}) I}, где
- P — мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую,
- I — ток, проходящий через резистор или другой элемент,
- {\ displaystyle V_ {A} -V_ {B}} — падение напряжения на элементе.{2} / R} где R — сопротивление.
Переменный ток :
Основная статья: Питание переменного тока
Когда ток меняется, как в цепях переменного тока,
\ (P \ влево (т \ вправо) = U \ влево (т \ вправо) I \ влево (т \ вправо) \)
, где t — время, а P — мгновенная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло.
Намного чаще средняя мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:
\ ({{P} _ {avg}} = {{U} _ {rms}} {{I} _ {rms}} = I_ {rms} ^ {2} R = U_ {rms} ^ {2} / R \)
{\ displaystyle P_ {avg} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} = I _ {\ text {rms}} ^ {2} R = U _ {\ text {rms}} ^ { 2} / R}, где «avg» обозначает среднее значение за один или несколько циклов, а «rms» обозначает среднеквадратичное значение.{*}} \ right) \)
, где \ (\ varnothing \) — разность фаз между током и напряжением, {\ displaystyle \ operatorname {Re}} Re означает действительную часть, Z — комплексное сопротивление, а Y * — комплексное сопряжение проводимости. (равно 1/ Z * ).
Химическое воздействие электрического тока :
Прохождение электрического тока через проводящую жидкость вызывает химические реакции.Получающиеся эффекты получили название химического
.воздействия токов. Процесс нанесения слоя любого желаемого металла на другой материал с помощью электричества называется гальваникой.
1. Найдите энергию, рассеиваемую за 5 минут электрической лампочкой с нитью накала 500 Ом, подключенной к источнику питания 240 В.
Раствор:
E = Pt = V2 / R * t = (240 2 * 5 * 60) / 500 = 34,560 Дж.
2. Электрическая лампочка имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Вычислить:
и) Ток через нить накала
ii) Сопротивление нити накала лампы .Раствор:
P = VI I = P / V = 100/240 = 0,4167A
По закону Ома V = IR R = V / I = 240 / 0,4167 = 575,95 Ом.1. Для нагрева воды используется погружной нагреватель мощностью 2,5 кВт. Вычислить:
i) Рабочее напряжение нагревателя, если его сопротивление 24 Ом
ii) Электрическая энергия преобразуется в тепловую за 2 часа.
Раствор
P = VI = I 2 R
I = (2500/24) 1/2 = 10,2062A
В = ИК = 10,2062 * 24 = 244,9488 В
E = VIt = Pt = 2500 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 7 Дж
ИЛИ E = VIt = 244,9488 * 10,2062 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 7 Дж.
1. Найдите напряжение на клеммах E 1 и E 2 , как показано на рисунке.
Решение:
Ток на рисунке
\ (I = \ frac {9-3} {10} = 0,6A \)
\ ({{V} _ {1}} = {{E} _ {1}} + I {{r} _ {1}} = 3 + 0,6 \ times 1 = 3,6 В; {{V} _ {2}} = {{E} _ {2}} — Я {{r} _ {2}} = 9-0,6 \ умножить на 2 = 7,8 В \)
2. Рассчитайте установившийся ток в резисторе 2 W , показанном на рисунке.Внутреннее Сопротивление батареи незначительно, а емкость конденсатора 0,2 м F.
Решение:
Сопротивление параллельной комбинации резисторов 2 Вт и 3 Вт равно
.\ (\ frac {1} {R} = \ frac {1} {2} + \ frac {1} {3} = \ frac {5} {6} \ Rightarrow \, \, \, \, \, R = 1.2 \, \, \ Omega \)
Это сопротивление последовательно с 2,8 W , что дает общее эффективное сопротивление
= 1,2 + 2,8 W = 4 W . {2}} {Power} \, \, = \, \, \ frac {100 \, x \, 100} {1000} \, \, \, = \, \, 100 \, \ Omega \)
И как рассеивается 62.{2}} {{{R} _ {H}}} \, \, = \, \, 62.5 \)
В H = 25 В.
.
Что такое Джоулевое нагревание? | Документация SimWiki
Джоулевое нагревание — это физический эффект, при котором прохождение тока через электрический проводник производит тепловую энергию.Эта тепловая энергия затем проявляется в повышении температуры материала проводника, отсюда и термин «нагрев». Можно рассматривать джоулева нагревание как преобразование между «электрической энергией» и «тепловой энергией», следуя принципу сохранения энергии.
История и терминология
Эффект нагрева был впервые изучен и охарактеризован известным тогда ученым-любителем Джеймсом Прескоттом Джоулем примерно в 1840 году. В качестве менеджера пивоварни своей семьи Джоуль решил исследовать, может ли недавно изобретенный электродвигатель работать. более эффективен, чем паровые машины, используемые на этом процессе, с точки зрения стоимости (оказалось, что нет, электроэнергию нужно было производить из цинковых батарей).1 \).
Среди этих экспериментов было исследование связи между электрическим током, протекающим через проводник, и повышением его температуры. Эксперимент состоял из погруженного в воду провода, подключенного к клеммам батареи. Когда контур был включен, можно было измерить повышение температуры воды. Анализ записанных данных привел к первоначальной форме соотношения, ныне известного как первый закон Джоуля, согласно которому «тепло, выделяемое в проводе за единицу времени, пропорционально сопротивлению провода и квадрату силы тока».2R \ tag {1} $$
где:
- \ (H \) — тепло, выделяемое проводником, в Джоулях;
- \ (I \) — электрический ток, протекающий по проводнику, в амперах;
- \ (R \) — электрическое сопротивление, Ом;
- \ (t \) — прошедшее время в секундах. 2R \ tag {2} $$
Как это работает?
Тогда было известно, благодаря Джоуля, что тепло в проводнике генерируется под действием электрического тока, но как?
Электрический ток — это не что иное, как движение потока электронов, вызванное так называемой «электродвижущей силой»: разницей в электрическом потенциале через две точки в материале, которая имеет тенденцию заставлять электроны в материале двигаться.Обратите внимание, что он «имеет тенденцию» вызывать движение, потому что это движение зависит от многих факторов: наличия свободных электронов для перемещения, «легкости», с которой электроны могут двигаться, и величины электродвижущей силы. Этот эффект резюмируется в законе Ома:
$$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$
В нем говорится, что электрический ток \ (I \), который представляет собой количество движущегося электрического заряда в единицу времени, протекающего через проводник, пропорционален разности электрического потенциала на его концах \ (V \) и обратно пропорционален сопротивление материала проводника \ (R \).
Это сопротивление представляет собой противодействие проводника току: чем выше сопротивление, тем труднее течь току. Эксперименты показали, что сопротивление зависит не только от материала проводника, но и от его геометрии (длины и площади поперечного сечения). Следовательно, указывается внутреннее свойство материала, удельное сопротивление, такое, что сопротивление (\ (R \)) проводника можно рассчитать как:
$$ R = \ frac {\ rho l} {A} \ tag {4} $$
где:
- \ (\ rho \) — собственное удельное сопротивление материала проводника;
- \ (l \) — длина проводника между точками приложения разности электрических потенциалов;
- \ (A \) — площадь поперечного сечения проводника.5 \).
Таким образом, можно увидеть, что все материалы в разной степени противодействуют протеканию тока: одни материалы лучше проводят электрический ток, а другие хуже (но лучше изолируют электрический ток, что является также очень полезно, потому что ток может быть заблокирован, например, из соображений безопасности). 3 \).
Но как все это связано с джоулевым нагревом? Глядя на закон Джоуля, мы можем видеть, что для данного тока, чем выше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется. Проще говоря, чем сложнее перемещать электроны по проводнику, тем больше работы затрачивается на их перемещение, работа, которая непосредственно преобразуется в тепло в материале. А «напрямую» означает, что в этом процессе энергия не теряется в других формах. Действительно, это один из немногих в природе процессов, обладающих такой характеристикой.
Как рассчитать Джоулевое нагревание?
Учитывая, что у нас есть электрический проводник (может быть проволокой, стержнем или пластиной) длиной \ (l \), площадью поперечного сечения \ (A \), который сделан из материала с удельным сопротивлением \ (\ rho \) , можно рассчитать его электрическое сопротивление с помощью уравнения 4, которое было опубликовано выше.
$$ R = \ frac {\ rho \ l} {A} \ tag {4} $$
Если проводник затем подвергается воздействию разности электрических потенциалов \ (V \) на его концевых выводах (при постоянном токе), ток \ (I \) будет течь через него, согласно закону Ома, из уравнения 3:
$$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$
Мощность \ (P \), рассеиваемая в проводнике и превращающаяся в тепло, определяется законом Джоуля.2R \ tag {2} $$
Количество тепла \ (Q \) затем накапливается в проводнике через время \ (t \):
$$ Q = Pt \ tag {5} $$
Скорость повышения температуры в проводнике может быть определена соотношением:
$$ T = \ frac {Q} {см} \ tag {6} $$
Где \ (c \) — удельная теплоемкость материала, а \ (m \) — полная масса проводника.
Здесь предполагается, что все геометрические и материальные параметры постоянны по всей длине проводника и что для величин используется согласованная система единиц.2R \ tag {8} $$
А в остальном расчет остается равным.
Применение Джоулевого нагрева
Нагрев материалов в диапазонеДж широко используется во многих приложениях в быту, на транспорте и в промышленных изделиях. Назову несколько:
Лампы накаливания , в которых нить накаливания нагревается электричеством и излучается свет.
Духовки сопротивления, , в которых тепло от проводника используется за счет теплового излучения и конвекции.Например:
- Домашняя печь-бройлер, в которой в верхней части духовки размещены резисторы для нагрева пищи с этого направления.
Духовки с тостером- , в которых сверху и снизу размещены сопротивления для разогрева пищи со всех сторон.
- промышленные электрические печи, в которых с каждой стороны размещены резисторы для равномерного нагрева обрабатываемого продукта, например, для отверждения краски или удаления влаги.
Прямой резистивный нагрев, , где тепло от проводника используется за счет прямого теплового потока.Примеры:
- печи сопротивления, в которых горшок ставится непосредственно над тостером для хлеба
- , где сопротивление с каждой стороны ломтика хлеба находится в прямом контакте
- Обогрев лобового стекла автомобиля, где к стеклу прилагается сопротивление для его нагрева равномерно и предотвращать конденсацию, офисная кофеварка
- , в которой сопротивление используется в два этапа: сначала для кипячения воды и повышения ее температуры, а затем для поддержания температуры кастрюли
Индукционный нагрев, с переменными магнитными полями индуцируют токи, протекающие в материале, что создает эффект Джоуля.2 \).
Один важный аспект, который следует обсудить при разговоре о применении электрического отопления, — это энергоэффективность. Как было сказано ранее, преобразование электрической энергии в тепло в процессе обработки материала проводника не приводит к потерям. Это означает, что этот процесс на 100% энергоэффективен. Хотя этого нельзя сказать о том, как используется тепло от проводника. Будь то теплопроводность, конвекция, излучение или накал, применение электрического тепла имеет тенденцию быть ужасно неэффективным, потому что большая часть тепла теряется в окружающей среде, а не в полезном применении.6 \), где показано, что светодиодная лампа может потреблять примерно в пять раз меньше энергии при том же количестве излучаемого света. Забота об окружающей среде привела к замене многих неэффективных приложений электрического отопления на более эффективные технологии, такие как лампы накаливания для светодиодов или электрические плиты, духовки и обогреватели для природного газа.
Станьте участником SimScale!
Источники тепла в SimScale рассматриваются как Источники энергии .Могут быть смоделированы все три режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Присоединяйтесь к SimScale сегодня и испытайте облачное моделирование, как никто другой.
Последнее обновление: 1 сентября 2021 г.
Эта статья решила вашу проблему?
Как мы можем добиться большего?
Мы ценим и ценим ваши отзывы.
Отправьте свой отзывКогда ток течет через проводник, выделяется тепло? — Restaurantnorman.com
При протекании тока через проводник выделяется тепло?
тепловой эффект тока
Почему при прохождении тока через проводник выделяется такое же количество тепла в медном кабеле и нити накала лампы?
Поскольку сопротивление тонкой нити накала очень велико, количество выделяемого тепла такое же, как у электрического тока, протекающего через нить накала.Из-за большого количества тепла колба накаливания нагревается добела. Следовательно, нить накала лампы излучает свет и тепло.
От чего зависит количество тепла, выделяемого в проволоке?
Таким образом, количество выделяемого тепла зависит как от длины, так и от толщины.
На какие факторы влияет тепло, выделяемое в проводнике?
Тепло, выделяемое в проводящем проводе, зависит от длины проводника, силы тока (в амперах), проходящего через него, и погодных условий (жара или прохлады) в этой области.
Какие факторы определяют количество тепла, производимого в контуре?
Согласно закону нагрева Джоуля, тепло, выделяемое в проводе, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивления провода и времени, в течение которого ток течет по цепи.
Что из следующего увеличивает тепло, выделяемое в проводнике?
Ответ. Факторы: длина, толщина и характер материала. 1-С увеличением длины проводника увеличивается количество выделяемого тепла.
Как вы рассчитываете количество произведенного тепла?
Для расчета количества тепла, выделяемого в химической реакции, используйте уравнение Q = mc ΔT, где Q — переданная тепловая энергия (в джоулях), m — масса нагреваемой жидкости (в килограммах), c — удельная теплоемкость жидкости (джоуль на килограмм градусов Цельсия), а ΔT — изменение…
Как тепло, выделяемое в проводнике, зависит от тока?
Нагревательный эффект электрического тока зависит от трех факторов: сопротивления R проводника.Чем выше сопротивление, тем больше тепла. чем выше сила тока, тем больше выделяется тепла.
Как тепло влияет на электричество?
Температура влияет на то, как электричество проходит через электрическую цепь, изменяя скорость движения электронов. Это связано с увеличением сопротивления цепи в результате повышения температуры. Аналогичным образом сопротивление уменьшается с понижением температуры.
Холодная погода влияет на напряжение?
При более низких температурах способность батареи обеспечивать достаточную мощность для запуска и движения транспортного средства уменьшается.Автомобильные батареи имеют номинал CCA (сила тока холодного пуска). Это количество тока, которое батарея может выдавать в течение 30 секунд при -18 C без падения до заданного напряжения отключения.
Электроэнергия распространяется быстрее в холодную погоду?
Поскольку шарики представляют собой электроны, а сетка представляет собой атомную кристаллическую структуру, это очень грубый и простой способ описания того, что да, электричество или электроны в данном случае движутся быстрее через более холодные провода.
Электричество быстрее проходит через воду?
Вы молоды, чтобы задумываться над таким вопросом, но на самом деле ответ заключается в том, что электричество проходит быстрее через горячую воду, чем через холодную, и через турбулентную воду, чем через неподвижную, но количество соли или хлора не сильно влияет на скорость движения электричества. через воду.
Повышается ли сопротивление с холодом?
Можно ожидать, что это произойдет, потому что при изменении температуры размеры проводника будут изменяться по мере того, как он расширяется или сжимается. Однако материалы, которые классифицируются как ПРОВОДНИКИ, имеют тенденцию ПОВЫШАТЬ свое сопротивление с повышением температуры.
Учебное пособие по физике
На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице. Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери.Мы прилагаем усилия, чтобы уменьшить эти потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Метод включает в себя выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, а вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электричество .Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимальными потерями. Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.
Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости .После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.
Разница температурПри кондукции тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается.Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой. Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.
На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды.Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный. Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю.Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах. Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.
Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой.Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, температура горячей воды составляет 70 ° C, а температура холодной воды — 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. Когда горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается. По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю.В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.
МатериалПервая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя точками. Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой.Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой. Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.
Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал. Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами.В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.
Материал
к
Материал
к
Алюминий (-ы)
237
Песок (и)
0.06
Латунь (и)
110
Целлюлоза (и)
0,039
Медь (-и)
398
Стекловата (и)
0.040
Золота
315
Вата (и)
0,029
Чугун (и)
55
Овечья шерсть
0.038
Выводы
35,2
Целлюлоза (и)
0,039
Серебро
427
Пенополистирол (-ы)
0.03
Цинк (ов)
113
Дерево (-и)
0,13
Полиэтилен (HDPE)
0.5
Ацетон (л)
0,16
Поливинилхлорид (ПВХ)
0,19
Вода (л)
0.58
Плотный кирпич (и)
1,6
Воздух (г)
0,024
Бетон (низкая плотность)
0.2
Аргон (г)
0,016
Бетон (высокая плотность)
1,5
Гелий (г)
0.142
Лед
2,18
Кислород (г)
0,024
Фарфор
1.05
Азот (г)
0,024
Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html
Как видно из таблицы, тепло обычно передается посредством теплопроводности со значительно более высокой скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает в себя подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, вкрапленными между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, который используется в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как сыпучий утеплитель из целлюлозы . Он также применяется в качестве войлока из стекловолокна (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.
Площадь
Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.
Толщина или расстояние
Последняя переменная, которая влияет на скорость теплопередачи, — это расстояние, на которое тепло должно быть отведено. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Перед выходом на улицу нас просят одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.
Математическое уравнение
На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T 1 на улицу с температурой T 2 . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно
.Ставка = k • A • (T 1 — T 2 ) / d
Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Это применимо к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.
Пример задачиЧтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте рассчитаем скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.
Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.
Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м 2 .
Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.
d = 6,2 мм = 0,0062 м
Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.
Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м 2 ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.
Урок 1 этой главы по теплофизике посвящен значению температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею? Урок 2 будет относиться к калориметрии.
Проверьте свое понимание1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.
а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).
г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.
г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.
г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.
e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость передачи тепла составляет ________________ в _________ раз.
ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.
2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.
3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определите скорость теплопередачи через эту площадь 2,16 м 2 .
Методы теплопередачи | Безграничная физика
Проводимость — это передача тепла посредством физического контакта.
Цели обучения
Оценить, почему определенные характеристики необходимы для эффективного проведения.
Основные выводы
ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ
- В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии.
- Проводимость — это наиболее важная форма теплопередачи внутри твердого объекта или между твердыми телами, находящимися в тепловом контакте.
- Проводимость наиболее важна в твердых телах и меньше в жидкостях и газах из-за наличия пространства между молекулами.
- Скорость теплопередачи за счет теплопроводности зависит от разницы температур, размера области контакта, толщины материала и тепловых свойств материала (материалов) в контакте.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ
- теплопроводность : мера способности материала проводить тепло
Проводимость
Проводимость — это передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте.(Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое от электрической плиты на дно кастрюли, является примером теплопроводности.
Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. Например, температура подушки в вашей комнате может быть такой же, как у металлической дверной ручки, но дверная ручка на ощупь холоднее. В целом, хорошие проводники электричества (металлы, такие как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) являются плохими проводниками тепла.
Описание проводимости под микроскопом
В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая часть своей кинетической энергии. Тепло передается за счет теплопроводности, когда соседние атомы колеблются друг относительно друга или когда электроны перемещаются от одного атома к другому. Электропроводность является наиболее важным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость выше в твердых телах, потому что сеть относительно близких фиксированных пространственных отношений между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.
Жидкости и газы обладают меньшей проводимостью, чем твердые тела. Это связано с большим расстоянием между атомами в жидкости или (особенно) в газе: меньшее количество столкновений между атомами означает меньшую проводимость.
Микроскопическая иллюстрация проводимости : Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию перед столкновением, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.Напротив, молекула в области более высоких температур (слева) имеет высокую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.
(Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две молекулы сталкиваются, происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной (см. Рисунок выше). Кумулятивный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному телу. Таким образом, тепловой поток зависит от разницы температур [латекс] \ text {T} = \ text {T} _ \ text {hot} — \ text {T} _ \ text {cold} [/ latex].Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. Благодаря тому, что количество столкновений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если прикоснуться ладонью к холодной стене, рука остынет быстрее, чем при прикосновении к ней кончиком пальца.
Факторы, влияющие на скорость теплопроводности
Помимо температуры и площади поперечного сечения, еще одним фактором, влияющим на проводимость, является толщина материала, через который передается тепло.Передача тепла с левой стороны на правую осуществляется серией столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Если ночью вам станет холодно, вы можете взять более толстое одеяло, чтобы согреться.
Влияние толщины на теплопроводность : Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой. Температура материала: [латекс] \ text {T} _2 [/ latex] слева и [латекс] \ text {T} _1 [/ latex] справа, где [latex] \ text {T} _2 [/ latex] больше, чем [latex] \ text {T} _1 [/ latex].Скорость теплопередачи за счет теплопроводности прямо пропорциональна площади поверхности [латекс] \ text {A} [/ latex], разности температур [латекс] \ text {T} _2− \ text {T} _1 [/ latex] , и проводимость вещества [латекс] \ text {k} [/ latex]. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине [латекса] \ text {d} [/ latex].
Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, выведенное из экспериментов и подтвержденное экспериментами.Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую как та, что на рисунке выше, определяется как [latex] \ frac {\ text {Q}} {\ text {t}} = \ frac {\ text {kA } (\ text {T} _2− \ text {T} _1)} {\ text {d}} [/ latex] где [latex] \ text {Q} / \ text {t} [/ latex] — это скорость теплопередачи в Джоулях в секунду (Вт), [латекс] \ text {k} [/ latex] — теплопроводность материала, [латекс] \ text {A} [/ latex] и [латекс] \ text { d} [/ latex] — это его площадь поверхности и толщина, а [latex] \ left (\ text {T} _2− \ text {T} _1 \ right) [/ latex] — это разница температур на плите.
Конвекция — это передача тепла за счет макроскопического движения жидкости, например двигателя автомобиля, охлаждаемого водой в системе охлаждения.
Цели обучения
Проиллюстрируйте механизмы конвекции с фазовым переходом
Основные выводы
ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ
- Конвекция вызывается крупномасштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые тела не могут переносить тепло за счет конвекции.
- Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с увеличением температуры.Этот принцип одинаково применим к любой жидкости.
- Конвекция может передавать тепло намного эффективнее, чем теплопроводность. Воздух — плохой проводник и хороший изолятор, если пространство достаточно мало для предотвращения конвекции.
- Конвекция часто сопровождает фазовые изменения, например, когда пот испаряется с вашего тела. Этот массовый поток во время конвекции позволяет людям охладиться, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ
естественная конвекция : Метод теплопередачи.Жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается вверх. Окружающая, более холодная жидкость затем перемещается, чтобы заменить ее. Затем эта более холодная жидкость нагревается, и процесс продолжается, образуя конвекционный поток.
положительная обратная связь : контур обратной связи, в котором выходной сигнал системы усиливается с чистым положительным усилением каждый цикл.
Пример
Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома.
Большинство домов не герметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее.Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час.
Предположим, что дом среднего размера имеет внутренние размеры 12,0 × 18,0 × 3,00 м в высоту, и что весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в ваттах за единицу времени, необходимую для нагрева входящего холодного воздуха на 10,0 ºC, заменяя тем самым тепло, передаваемое только конвекцией.
Стратегия:
Тепло используется для повышения температуры воздуха так, чтобы [латекс] \ text {Q} = \ text {mc} \ Delta \ text {T} [/ latex].Скорость теплопередачи тогда равна [латекс] \ text {Q} / \ text {t} [/ latex], где [латекс] \ text {t} [/ latex] — это время оборота воздуха. Нам дано, что [латекс] \ Delta \ text {T} [/ latex] составляет 10,0ºC, но мы все равно должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить [латекс] \ text {Q} [ /латекс]. Удельная теплоемкость воздуха — это средневзвешенное значение удельной теплоты азота и кислорода, которое составляет [латекс] \ text {c} = \ text {cp} \ cong1000 \ text {J} / \ text {kg} \ cdot \ текст {C} [/ latex] (обратите внимание, что для этого процесса необходимо использовать удельную теплоемкость при постоянном давлении).6 \ text {J}} {1800 \ text {s}} = 4,64 \ text {кВт} [/ latex].
Эта скорость передачи тепла равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью лампочками мощностью 100 Вт.
Вновь построенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не 30 минут для дома в этом примере. Обычно используются погодоустойчивые уплотнения, уплотнения и улучшенные оконные уплотнения. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более крайние меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха.Еще более продолжительное время оборота вредно для здоровья, потому что требуется минимальное количество свежего воздуха для подачи кислорода для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей. Термин, используемый для процесса проникновения наружного воздуха в дом из трещин вокруг окон, дверей и фундамента, называется «проникновение воздуха».
Конвекция
Конвекция (проиллюстрирована на) — это согласованное коллективное движение ансамблей молекул в жидкостях (например, жидкостях, газах). Конвекция массы не может происходить в твердых телах, поскольку в твердых телах не могут происходить ни объемные потоки, ни значительная диффузия.Вместо этого диффузия тепла в твердых телах называется теплопроводностью, которую мы только что рассмотрели.
Конвекционные ячейки : Конвекционные ячейки в гравитационном поле.
Конвекция вызывается крупномасштабным потоком вещества. В случае с Землей атмосферная циркуляция вызывается потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам. (Обратите внимание, что вращение Земли вызывает изменение направления воздушного потока в зависимости от широты.). Примером конвекции является автомобильный двигатель, охлаждаемый потоком воды в системе охлаждения, а водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням.
Хотя конвекция обычно сложнее, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и выполнить несколько простых, реалистичных расчетов ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с увеличением температуры. Этот принцип одинаково применим к любой жидкости.Например, таким образом поддерживается теплая кастрюля с водой на плите; океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую.
Конвекция в горшке с водой : Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого резервуара с водой. Попадая внутрь, передача тепла другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим частям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно.Этот процесс повторяется.
Конвекция и изоляция
Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Например, расстояние между внутренней и внешней стенами дома составляет около 9 см (3,5 дюйма) — достаточно для эффективной работы конвекции. Дополнительная изоляция стен препятствует воздушному потоку, поэтому потери (или приток) тепла снижаются.Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь. Мех, волокна и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, удерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции. У животных мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для их защиты.
Конвекция и фазовые изменения
Некоторые интересные явления происходят, когда конвекция сопровождается фазовым переходом.Это позволяет нам охладиться потоотделением, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Тепло от кожи требуется для испарения пота с кожи, но без воздушного потока воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим и, таким образом, испарение продолжается.
Другой важный пример сочетания фазового перехода и конвекции происходит при испарении воды из океана. При испарении воды тепло уходит из океана.Если водяной пар конденсируется в жидких каплях при образовании облаков, тепло выделяется в атмосфере (это выделение тепла является скрытой теплотой). Таким образом, происходит общий перенос тепла от океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков — огромных кучевых облаков, которые поднимаются на 20 км в стратосферу. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии, и эта энергия позволяет воздуху становиться более плавучим (теплее, чем его окружение) и подниматься.По мере того, как воздух продолжает подниматься, происходит все больше конденсации, которая, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, поскольку процесс усиливается и ускоряется. Эти системы иногда вызывают сильные штормы с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы.
Кучевые облака : Кучевые облака создаются водяным паром, поднимающимся из-за конвекции. Возникновение облаков происходит за счет механизма положительной обратной связи.
Излучение
Излучение — это передача тепла посредством электромагнитной энергии
Цели обучения
Объясните, как энергия электромагнитного излучения соответствует длине волны
.Основные выводы
ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ
- Энергия электромагнитного излучения зависит от длины волны (цвета) и варьируется в широком диапазоне: меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии. 4 [/ latex] где [латекс] \ сигма = 5.{4}} [/ latex] — это постоянная Стефана-Больцмана, [latex] \ text {A} [/ latex] — это площадь поверхности объекта, а [latex] \ text {T} [/ latex] — это его абсолютная температура в кельвинах.
- Чистая скорость теплопередачи зависит от температуры объекта и температуры его окружения. Чем больше разница, тем выше чистый тепловой поток.
- Температура объекта очень важна, потому что испускаемое излучение пропорционально этой величине в четвертой степени.
ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ
- черное тело : Теоретическое тело, аппроксимированное дырой в полой черной сфере, которое поглощает все падающее электромагнитное излучение и не отражает его; он имеет характерный спектр излучения.
- коэффициент излучения : Способность поверхности излучать энергию, обычно измеряемая на определенной длине волны.
Излучение
Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня или солнца. Тем не менее, пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности.Точно так же вы можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее и не заглядывая внутрь — она просто согревает вас, когда вы проходите мимо.
В этих примерах тепло передается за счет излучения. Горячее тело излучает электромагнитные волны, которые поглощаются нашей кожей, и для их распространения не требуется никакой среды. Мы используем разные названия для электромагнитных волн разной длины: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Излучение от огня : Большая часть тепла от этого огня передается наблюдателям через инфракрасное излучение.Видимый свет, хотя и впечатляющий, передает относительно мало тепловой энергии. Конвекция отводит энергию от наблюдателей по мере подъема горячего воздуха, в то время как здесь проводимость пренебрежимо мала. Кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, поэтому вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него.
Энергия электромагнитного излучения зависит от его длины волны (цвета) и изменяется в широком диапазоне; меньшая длина волны (или более высокая частота) соответствует более высокой энергии.Мы можем записать это как:
[латекс] \ text {E} = \ text {hf} = \ frac {\ text {hc}} {\ lambda} [/ latex]
где [latex] \ text {E} [/ latex] — энергия, [latex] \ text {f} [/ latex] — частота, [latex] \ lambda [/ latex] — длина волны, а [latex] ] \ text {h} [/ latex] — это константа.
Поскольку при более высоких температурах излучается больше тепла, изменение температуры сопровождается изменением цвета. Например, электрический элемент в печи светится от красного до оранжевого цвета, а высокотемпературная сталь в доменной печи светится от желтого до белого.Ощущаемое вами излучение в основном инфракрасное, которое еще ниже по температуре.
Излучаемая энергия зависит от ее интенсивности, которая представлена высотой распределения.
Спектр излучения: (а) График спектров электромагнитных волн, излучаемых идеальным излучателем при трех различных температурах. Интенсивность или скорость излучения излучения резко возрастает с температурой, и спектр смещается в сторону видимой и ультрафиолетовой частей спектра.Заштрихованная часть обозначает видимую часть спектра. Очевидно, что сдвиг в сторону ультрафиолета с температурой приводит к смещению видимого внешнего вида с красного на белый и на синий при повышении температуры. (b) Обратите внимание на изменения цвета, соответствующие изменениям температуры пламени.
Теплопередача
Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение. Скорость передачи тепла излучением во многом определяется цветом объекта. Черный наиболее эффективен, а белый — наименее.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет жарче, чем прилегающий серый тротуар в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем серый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем серый. Таким образом, ясной летней ночью асфальт будет холоднее серого тротуара, потому что черный цвет излучает энергию быстрее, чем серый.
Идеальный излучатель, часто называемый черным телом, имеет тот же цвет, что и идеальный поглотитель, и улавливает все падающее на него излучение.Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает все излучение. (Идеальная, полированная белая поверхность выглядит как зеркало, а растрескавшееся зеркало выглядит белым.)
Существует умная связь между температурой идеального излучателя и длиной волны, на которой он излучает больше всего излучения. Он называется законом смещения Вина и дается по формуле:
[латекс] \ lambda_max \ text {T} = \ text {b} [/ latex]
, где [latex] \ text {b} [/ latex] — константа, равная [latex] 2.{-3} \ text {m} \ cdot \ text {K} [/ latex].
Серые объекты обладают одинаковой способностью поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя аналогичным, но более сложным образом, что придает им определенный цвет в видимом диапазоне и может сделать их особенными в других диапазонах невидимого спектра. Возьмем, к примеру, сильное поглощение кожей инфракрасного излучения, что позволяет нам быть очень чувствительными к нему.
Хорошие и плохие радиаторы : черный объект — хороший поглотитель и хороший радиатор, а белый (или серебристый) предмет — плохой поглотитель и плохой радиатор.{4}} [/ latex] — постоянная Стефана-Больцмана, A — площадь поверхности объекта, а T — его абсолютная температура в градусах Кельвина. Символ e обозначает коэффициент излучения объекта, который является мерой того, насколько хорошо он излучает. Идеальный черный (или черное тело) излучатель имеет [латекс] \ text {e} = 1 [/ latex], тогда как идеальный отражатель имеет [латекс] \ text {e} = 0 [/ latex]. Реальные объекты находятся между этими двумя значениями. Например, нити вольфрамовых лампочек имеют [латекс] \ text {e} [/ latex] около 0,5, а углеродная сажа (материал, используемый в тонере для принтеров) имеет (самый известный) коэффициент излучения около 0.99.
Уровень излучения прямо пропорционален четвертой степени абсолютной температуры — чрезвычайно сильная температурная зависимость. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности объекта. Если разнести угли костра, произойдет заметное увеличение радиации из-за увеличения площади излучающей поверхности.
Чистая скорость передачи тепла
Чистая скорость передачи тепла излучением (поглощение минус излучение) зависит как от температуры объекта, так и окружающей его среды.4) [/ латекс]
, где e — коэффициент излучения только объекта. Другими словами, не имеет значения, белое, серое или черное окружение; баланс входящего и исходящего излучения зависит от того, насколько хорошо он излучает и поглощает излучение. Когда [латекс] \ text {T} _2> \ text {T} _1 [/ latex], количество [latex] \ text {Q} _ \ text {net} / \ text {t} [/ latex] положительно. ; то есть чистая теплопередача идет от более горячих объектов к более холодным объектам.
Как рассчитать количество выделяемого тепла
Обновлено 12 февраля 2020 г.
Клэр Гиллеспи
Проверено: Lana Bandoim, B.S.
Некоторые химические реакции выделяют энергию за счет тепла. Другими словами, они передают тепло своему окружению. Они известны как экзотермические реакции : «Экзо» относится к внешним или внешним, а «термический» означает тепло.
Некоторые примеры экзотермических реакций включают горение (горение), реакции окисления (ржавление) и реакции нейтрализации между кислотами и щелочами. Многие предметы повседневного обихода, такие как грелки для рук и самонагревающиеся банки для кофе и других горячих напитков, подвергаются экзотермическим реакциям.
TL; DR (слишком долго; не читал)
Чтобы рассчитать количество тепла, выделяемого в химической реакции, используйте уравнение Q = mc ΔT , где Q — тепловая энергия перенесенная (в джоулях), м — масса нагретой жидкости (в килограммах), c — удельная теплоемкость жидкости (джоуль на килограмм градусов Цельсия), а ΔT — изменение температуры жидкости (градусы Цельсия).
Разница между теплом и температурой
Важно помнить, что температура и тепло — это не одно и то же. Температура — это мера того, насколько что-то горячее, измеряется в градусах Цельсия или градусах Фаренгейта, а тепла — это мера тепловой энергии, содержащейся в объекте, измеряется в джоулях.
Когда тепловая энергия передается объекту, его повышение температуры зависит от:
- массы объекта
- вещества, из которого состоит объект
- количества энергии, приложенной к объекту
Чем больше тепловой энергии переносится на объект, тем больше увеличивается его температура.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость ( c ) вещества — это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 единицу температуры. Различные вещества имеют разную удельную теплоемкость, например, вода имеет удельную теплоемкость 4 181 джоулей / кг градусов C, кислород имеет удельную теплоемкость 918 джоулей / кг градусов C, а свинец имеет удельную теплоемкость 128 джоулей / кг градусов C.
Калькулятор тепловой энергии
Для расчета энергии, необходимой для повышения температуры вещества с известной массой, используется формула удельной теплоемкости:
Q — передаваемая энергия в джоулях, м — масса веществ в кг, c — удельная теплоемкость в Дж / кг градусов C, а ΔT — изменение температуры в градусах C в формуле удельной теплоемкости.
Калькулятор тепловыделения
Представьте, что 100 г кислоты были смешаны со 100 г щелочи, в результате чего температура повысилась с 24 ° C до 32 ° C.
Уравнение реакции нейтрализации между кислотой и щелочью может быть уменьшено до:
H + + OH — -> h3O
Используемая формула: Q = mc ∆T
Масса = м = 100 г + 100 г / 1000 г на кг = 0,2 г (одно значащее число)
Удельная теплоемкость воды = c = 4,186 Дж / кг градусов C
Изменение температуры = ΔT = 24 градуса C — 32 градуса C = -8 градусов CQ = (0.
