Физика: Тепловая энергия
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 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, т.к. 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 и т.д.) Чем больше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение.
Тела не только излучают энергию, но и поглощают. 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 также 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.
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/
ем опасна молния, и как избежать неприятностей от молний во время грозы? Удары молний исключительно опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередач, заводскую трубу, вызвать пожар. Особенно опасна молния для живых существ. Ее удар смертелен для всего живого, но в людей и животных молния ударяет сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек из-за незнания создает для этого благоприятные условия. Молния всегда движется к земле самым коротким путем. Поэтому молния чаще ударяет в высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты - в тот, который является лучшим проводником. Отсюда следуют меры предосторожности, которые нужно соблюдать, чтобы уберечься от молнии. В доме
- Закройте все окна и двери.
- Выключите из розеток все электроприборы. Не прикасайтесь к ним, а также к телефонам во время грозы.
- Не подходите к ваннам, кранам и раковинам, поскольку металлические трубы могут проводить электричество.
- Если к вам в дом залетела шаровая молния (хотя по статистике таких "счастливчиков" крайне мало), не делайте резких движений и ни в коем случае не убегайте, так как можно вызвать воздушный поток, по которому сгусток энергии полетит целенаправленно за вами. Держитесь подальше от электроприборов и проводки, не касайтесь металлических предметов и постарайтесь оставить малоизученное атмосферно-электрическое явление в одиночестве. Не более чем через минуту молния исчезнет сама собой.
- Постарайтесь зайти в дом или в автомобиль.
- Если укрытия нет, выйдите на открытое пространство и, согнувшись, прижмитесь к земле. Очень опасно во время грозы стоять в полный рост! Но просто ложиться тоже нельзя! Мокрая земля является отличным проводником, и поэтому молния может ударить в почву.
- Постарайтесь укрыться в самом низком месте, будь то канава, овраг или небольшая ложбинка.
- В лесу лучше укрыться под низкими кустами. НИКОГДА не стойте под отдельно стоящим деревом. Молния в первую очередь направляет свое действие на высокие предметы, в том числе на деревья. Особенно хорошо молнию притягивают дуб, сосна, тополь, ель.
- Избегайте башен, оград, высоких деревьев, телефонных и электрических проводов, автобусных остановок.
- Держитесь подальше от велосипедов, мангалов, других металлических предметов.
- Не подходите к озеру, реке или другим водоемам.
- Снимите с себя все металлическое. Ни в коем случае не пользуйтесь в грозу зонтиком!
- Не пользуйтесь мобильным телефоном.
- Не стойте в толпе.
- Если гроза застала вас в лодке и к берегу приплыть вы уже не успеваете, то пригнитесь ко дну лодки, соедините ноги и накройте голову и уши.
- Если гроза застала вас в пути, необходимо остановиться, закрыть все окна и верх машины (если она с открытым верхом), опустить радиоантенну, и самое главное - не покидать этого убежища. Внутри полностью закрытого автомобиля вы вне опасности во время грозы. Дело в том, что, несмотря на то, что автомобиль состоит из металла, он создает эффект так называемой клетки Фарадея, то есть устройства, которое представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала. Такое устройство хорошо экранирует электромагнитные поля.
- В случае, когда транспорт является открытым (велосипед, мотоцикл), нужно немедленно остановиться и отойти от транспортного средства метров на тридцать.
Басня «Электричество – мой друг»
Автор: Ирис Ревю
Мой дед – большой любитель басен,
Вещает мне о том, о сём,
А чтобы смысл всегда был ясен,
Я сам читаю обо всём.
Давным-давно была пора,
Еду варили у костра,
Подъем — лишь солнышко взойдёт,
Отбой – как темнота придёт.
Но изменились времена,
И жизнь чудес теперь полна.
Компьютер можем мы включить,
И в город дальний позвонить,
Волны движение уловить,
По-новому людей лечить,
Дровами печи не топить,
Камином новым удивить,
И обогреть и накормить,
Что надо — ярко осветить.
Ведь электричество – наш друг,
Но надо умным быть, чтоб вдруг,
Не превратилось во врага,
Во вред не сделало шага.
Мораль сей басни такова —
Должна работать голова.
И делать надо всё с умом,
Чтоб слёз не проливать потом.
Электричество – самый популярный источник энергии. Оно легко трансформируется в другие виды энергии: механическую, тепловую. Специалисты ломают голову над тем, какие бы ещё найти способы применения электричеству; какие бы придумать новые электрические приборы, вещи, машины. А сегодня давайте отгадаем загадки про известные нам электрические приборы.
В Полотняной стране
По реке Простыне
Плывет пароход
То назад, то вперед.
А за ним такая гладь —
Ни морщинки не видать!
Ответ: Утюг
Без языка живет,
Не ест и не пьет,
А говорит и поет.
Ответ: Радио
Есть у меня в квартире робот.
У него огромный хобот.
Любит робот чистоту
И гудит, как лайнер «ТУ».
Он охотно пыль глотает,
Не болеет, не чихает.
Ответ: Пылесос
Живет в нем вся Вселенная,
А вещь обыкновенная.
Ответ: Телевизор
Полюбуйся, посмотри –
Полюс северный внутри!
Там сверкает снег и лед,
Там сама зима живет.
Навсегда нам эту зиму
Привезли из магазина.
Ответ: Холодильник
Через поле и лесок
Подается голосок.
Он бежит по проводам
Скажешь здесь —
А слышно — там.
Ответ: Телефон
Я пыхчу, пыхчу, пыхчу,
Больше греться не хочу.
Крышка громко зазвенела:
«Пейте чай, вода вскипела!»
Ответ: Электрочайник
Мигнет, моргнет,
В пузырек нырнет,
В пузырек под потолок,
Ночью в комнате денек!
Ответ: Электрическая лампочка