БИЛИМ БУЛАГЫ

Тепловую энергию люди используют для обогрева жилья, приготовления пищи. Распространяется тепловая энергия тремя путями:

• Проводимость
• Конвекция
• Излучение

Проводимость

Проводимость – это перенос энергии от одного конца тела к другому или от одного тела к другому. Если перемешивать чай металлической ложкой, то она нагреется, так как молекулы горячего чая передают часть своей кинетической энергии молекулам холодной ложки, которая является хорошим проводником тепла. Другие материалы, например, древесина и некоторые виды пластмасс – плохие проводники тепла, они называются изоляторами и обладают малой теплопроводностью. Это свойство используется при изготовлении ручек для нагревательных предметов, например, чайников, кастрюль и сковородок.

Тонкий слой воздуха между оконными стеклами предохраняет наше жилище от холода так же хорошо, как и кирпичная стена. Это говорит о том, что воздух обладает плохой теплопроводностью. У жидкостей и газов теплопроводность очень мала, но и в газах и жидкостях может передаваться тепло.

Как вам ни покажется странным, но и снег, особенно рыхлый, обладает очень плохой теплопроводностью. Этим объясняется то, что сравнительно тонкий слой снега предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.

Конвекция

Конвекция – это процесс переноса тепловой энергии при перемещении жидкости или газа в пространстве.

Нагревание и охлаждение жилых помещений основано на явлении конвекции. Так, охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Обогревательные приборы располагают внизу.

Конвекцией объясняется образование бриза на границе суши и воды, так как они нагреваются и остывают по-разному. Вода нагревается и остывает медленнее, чем земля (песок) в 5 раз. Из-за этого днём над сушей образуется область низкого давления, а над морем – область высокого давления. Возникает движение воздушных масс из области высокого давления в область низкого давления, что и называется дневным бризом. Ночью все происходит наоборот.

Излучение

Излучение – вид теплопередачи, при котором энергия переносится тепловыми лучами (электромагнитными волнами). Происходит всегда и везде. Может осуществляться в полном вакууме. Излучение происходит от всех нагретых тел (от человека, костра, печи). Чем больше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение.

Тела не только излучают энергию, но и поглощают ее. Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

Солнце - источник энергии на Земле. Как передается солнечное тепло на Землю? Ведь в космическом пространстве нет ни твердых, ни жидких, ни газообразных тел. Следовательно, космическое пространство не может передавать тепло Солнца на Землю ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Дело в том, что тепло от Солнца к Земле передается так же, как сигнал с радиостанции приемнику, - электромагнитными волнами.

Тепловое излучение также находит применение и в технике. Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком.

Например, вспаханная почва, почва с растительностью. На ее нагревание и охлаждение влияет присутствие растительности. Так, темная вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью.

На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается – излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. В такие ночи ранней весной возможны заморозки на почве. Если же погода облачная, то облака закрывают Землю и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения.

Температура

Температура. Если привести в соприкосновение два тела, нагретых по-разному, то более нагретое будет охлаждаться, а холодное станет теплее. Теплообмен - это вид перехода энергии. Про тело, которое отдает тепло (т. е. путем теплообмена отдает энергию), мы говорим: его температура выше температуры того тела, которое забирает это тепло. Температура – это мера «нагретости» тела.

Температуру измеряют с помощью термометра. (Фиксики - Термометр | Познавательные образовательные мультики для детей, школьников. https://www.youtube.com/watch?v=xysYgDxQxVs)

Самыми известными, на данный момент, температурными шкалами являются шкалы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина (http://prosto-o-slognom.ru/fizika/32_temperaturnye_shkaly.html)

Абсолютный ноль температуры начало отсчета температуры по шкале Кельвина, расположен на 273,16 °С ниже температуры замерзания воды, для которой принято значение 0 °С (это температура, при которой прекращается тепловое движение молекул).

Основные проблемы, решаемые криогенной физикой:

• Сжижение газов (азота, кислорода, гелия и др.), их хранение и транспортировка в жидком состоянии;
• Конструирование холодильных машин, создающих и поддерживающих температуру ниже 120 К (-153°С);
• Охлаждение до криогенных температур электротехнических устройств, электронных приборов, биологических объектов и т.д.

Применение криогенных температур в ряде областей науки и техники привело к возникновению целых самостоятельных направлений, например криоэлектроники, криобиологии.

Тепловая энергия в жизни

Теплицы. Одним из средств повышения температуры почвы и припочвенного воздуха служат теплицы. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее. Также пленка (стекло) препятствует движению теплого воздуха вверх, т.е. осуществлению конвекции. Таким образом, стекла теплиц действуют как «ловушка» энергии. Внутри теплиц температура выше, чем на незащищенном грунте, примерно на 10° С.

Термос. Нужен он для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды, т.е. решает задачу, как уберечь энергию.

Двигатели внутреннего сгорания

Запасы внутренней энергии огромны. Очень важно умело и грамотно использовать её запасы, содержащиеся в топливе. Использовать внутреннюю энергию – значит, совершить за счёт неё полезную работу.

Тепловой двигатель - это система, совершающая многократно круговой процесс (цикл), при котором за счёт подведённого извне тепла совершается механическая работа. Для этого необходимо рабочему веществу в начале цикла сообщать некоторое количество теплоты Q1, а в конце цикла отнимать количество теплоты Q2.

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания.

КПД теплового двигателя 20-40%. Это значит, что всего 20% энергии топлива идет на совершение полезной механической работы, а 80% - бесполезные потери энергии. Значит, 6,4 л. из 8 л. сгорели только для того, чтобы загрязнить атмосферу теплом и газами.

Ученые ведут работу, направленную на снижение и ликвидацию последствий загрязнений воздуха. Это всевозможное газоочистное и пылеулавливающее оборудование. Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности, но в то же время это один из главных факторов в разрушении природы.

Ученые работают над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания, совершенствуя конструкции, повышая их КПД и предлагая новые виды топлива.

Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены. Тепловое расширение нашло свое применение в различных тепловых двигателях, т. е. в двигателях внутреннего и внешнего сгорания:

• Роторных двигателях;
• Реактивных двигателях;
• Турбореактивных двигателях;
• Газотурбинные установки;
• Двигателях Ванкеля;
• Двигателях Стирлинга;
• Ядерные силовые установки.

Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т. д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются:

• Транспортные установки;
• Сельскохозяйственные машины.

В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются:

• На небольших электростанциях;
• Энергопоезда;
• Аварийные энергоустановки.

ДВС получили большое распространение также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т. п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах.

Турбореактивные двигатели широко распространены в авиации. Паровые турбины – основной двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов.

Существуют даже паровые автомобили, но они не получили распространения из-за конструктивной сложности.

Тепловое расширение применяется также в различных тепловых реле, принцип действия, которых основан на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения.

Анимации работы различных двигателей и механизмов http://ashuninaphysics.blogspot.com/2011/11/blog-post_1004.html

Полезные ссылки

1. Термометр Галилея https://ru.wikipedia.org/wiki/Термометр_Галилея

2. Тепловая электростанция https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_электростанция

3. ТЭЦ Бишкекская ТЭЦ https://ru.wikipedia.org/wiki/Бишкекская_ТЭЦ

4. Список электростанций Киргизии https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_электростанций_Киргизии

1. Что такое абсолютный ноль. Температура Вселенной. Документальный фильм https://www.youtube.com/watch?v=IiLnkppPLQg

Глоссарий

Тепловая энергия – одна из форм энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело.

Термометр - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров: жидкостные; механические; электронные; оптические; газовые; инфракрасные.

Двигатель внутреннего сгорания — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. ДВС преобразует тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу.

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.

Библиография

• Что такое электричество? Информация об электрическом токе http://www.13min.ru/nauka/chto-takoe-elektrichestvo-informaciya-o-elektricheskom-toke/
• Как рассказать ребенку про электричество http://mir-tema.ru/igry-i-razvitie/vospitanie/17480-kak-rasskazat-rebenku-pro-elektricestvo
• Что такое молния? Что такое гром? http://allforchildren.ru/why/whatis59.php
• Проводники и диэлектрики http://class-fizika.narod.ru/8_21.htm
• Разница между полупроводниками и металлами https://thedifference.ru/chem-poluprovodniki-otlichayutsya-ot-metallov/
• Электрический ток в средах. http://nika-fizika.narod.ru/68_0.htm
• Электрический ток в различных средах. http://moykonspekt.ru/fizika/elektricheskij-tok-v-razlichnyx-sredax/
• Рассказ об электричестве детям http://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/