Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 6. Конвекция

Представьте жаркий летний полдень, берег моря. Вода на поверхности теплая, а ее нижние слои — прохладные. От воды веет легкий ветерок. А почему возникает этот ветерок, ведь чуть дальше от берега деревья даже не шелохнутся? И почему нагрелся только верхний слой воды, ведь солнце печет уже достаточно долго? Попробуем ответить на эти и ряд других вопросов.

1. Наблюдаем конвекцию в жидкостях и газах

Вы уже знаете, что газы и жидкости плохо проводят тепло. А почему же нагревается воздух в комнате от радиаторов водяного отопления? Почему нагревается вода в кастрюле, поставленной на включенную плиту? Почему охлаждается напиток, если в него положить кубик льда? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к опытам.

Наполним круглодонную колбу на три четверти водой и закрепим ее в лапке штатива. Стеклянной палочкой положим на дно колбы несколько крупинок акварельной краски и станем нагревать колбу снизу. Через некоторое время со дна колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоев воды, струйки станут опускаться вдоль более холодных боковых стенок колбы (рис. 6.1); далее процесс повторится. В результате произойдет естественное перемешивание нагретых и ненагретых частей жидкости.

Рис. 6.1. Опыт, демонстрирующий конвекцию в жидкости. Окрашенные теплые струйки воды поднимаются, а холодные — опускаются

Аналогичный процесс возможен и в газах. Чтобы в этом убедиться, достаточно подержать ладонь над горячей электроплитой или включенной электрической лампой. Восходящие потоки горячего воздуха даже могут вращать легкую вертушку (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Восходящие потоки горячего воздуха, действуя на легкую металлическую вертушку, заставляют ее вращаться

В приведенных случаях наблюдаем еще один вид теплопередачи — конвекцию.

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа.

Обратите внимание: конвекция не может происходить в твердых телах, поскольку в них не могут возникнуть потоки вещества.

2. Знакомимся с механизмом конвекции

Выясним причины возникновения естественной конвекции. Для этого мысленно выделим небольшой объем жидкости в сосуде, размещенном над горелкой.

Вы знаете: на любое тело, находящееся внутри жидкости (или газа), действуют сила тяжести и архимедова сила. Те же силы действуют на любой небольшой объем самой жидкости (рис. 6.3). Известно, что при повышении температуры жидкость расширяется, ее плотность уменьшается и архимедова сила, действующая на выделенный объем жидкости, становится больше, чем сила тяжести. В результате нагретая жидкость (имеющая меньшую плотность) всплывает, а холодная жидкость (имеющая большую плотность) опускается.

Рис. 6.3. На любой небольшой объем жидкости, расположенный внутри жидкости, действуют сила тяжести и выталкивающая (архимедова) сила

Аналогичные соображения справедливы и для газов.

Часто естественное перемешивание жидкости или газа невозможно или недостаточно. В таком случае прибегают к искусственному перемешиванию — принудительной конвекции (рис. 6.4). Принудительное перемешивание воздуха осуществляют, например, в космическом корабле (в условиях невесомости, где не действует архимедова сила).

Рис. 6.4. Вода в сосуде нагревается благодаря естественной конвекции. Для более равномерного прогревания, например, густой каши хозяйка прибегает к принудительной конвекции — перемешивает кашу ложкой

3. Наблюдаем конвекцию в природе и используем ее в быту

Естественная конвекция имеет очень большое значение в природе и широко применяется человеком.

Из курса географии вы знаете, что одним из факторов, влияющих на климат Земли, являются ветры. При этом одна из основных причин появления ветров на планете — конвекция (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Сильные ветры — это мощные конвекционные потоки (И. К. Айвазовский «Девятый вал»)

Рассмотрим, например, как образуется бриз — ветер, возникающий у берега моря или большого озера. Днем суша прогревается быстрее, чем вода, поэтому температура воздуха над сушей выше, чем над поверхностью воды. Воздух над сушей расширяется, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх. В результате давление над сушей падает и холодный воздух от водоема начинает низом перемещаться к суше — возникает дневной (морской) бриз (рис. 6.6, а).

Рис. 6.6. Образование бризов — дневных и ночных — объясняется конвекцией: а — дневной (морской) бриз; б — ночной (береговой) бриз

Попробуйте объяснить, как образуется ночной (береговой) бриз (рис. 6.6, б). (Подсказка: суша остывает быстрее воды.)

Из-за неравномерного нагревания воды возникают постоянные течения в морях и океанах. Океанские течения, как и ветры, играют важную роль в формировании климата на нашей планете.

С конвекцией мы имеем дело не только в природе, но и в повседневной жизни. Так, благодаря конвекции происходят обогрев (рис. 6.7) и охлаждение помещений, нагревается борщ в кастрюле. Создание тяги — тоже проявление конвекции (рис. 6.8). Воздух в печи нагревается и расширяется, его плотность уменьшается, и теплый воздух движется вверх, в трубу. В результате давление воздуха вокруг дров и в трубе падает и становится меньше, чем давление в комнате; благодаря этому обогащенный кислородом холодный воздух поступает к дровам.

Рис. 6.7. Небольшой тепловой радиатор благодаря конвекции обогревает все помещение

Рис. 6.8. Создание тяги: обогащенный кислородом холодный воздух попадает в печь благодаря конвекции

Подводим итоги

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа. В твердых веществах этот вид теплопередачи невозможен. Различают естественную и принудительную конвекции.

Естественную конвекцию можно объяснить наличием архимедовой силы и явлением теплового расширения. Теплые слои жидкости или газа движутся вверх (они имеют меньшую плотность), а холодные (большей плотности) — опускаются.

Контрольные вопросы

1. Опишите опыт, доказывающий, что при нагревании теплые потоки жидкости поднимаются, а холодные — опускаются. 2. Что такое конвекция? 3. Чем отличается конвекция от теплопроводности? 4. Назовите причины возникновения естественной конвекции. 5. Возможна ли конвекция в веществах, находящихся в твердом состоянии? Поясните свой ответ. 6. Что называют принудительной конвекцией? 7. Приведите примеры проявления конвекции в природе и быту.

Упражнение № 6

1. Почему языки пламени стремятся вверх?

2. Почему летом вода на глубине реки холоднее, чем на поверхности?

3. Где лучше поместить сосуд с водой, чтобы быстрее нагреть воду: над нагревателем, под нагревателем или сбоку от него? Где лучше поместить баллон с водой, чтобы быстрее охладить в нем воду с помощью льда: на льду, подо льдом или рядом с ним? Ответы поясните.

4. Почему не падают облака?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, почему град обычно выпадает летом, в жаркий день.

6. Как вы знаете, наблюдение, гипотеза, эксперимент — основные этапы познания в физических исследованиях. Понаблюдайте за любым простым процессом, например за нагреванием воды или таянием льда. Предложите гипотезу о ходе этого процесса. Проведите соответствующий эксперимент. Подтвердил или опроверг эксперимент вашу гипотезу?

Экспериментальные задания

1. Зажгите свечу на подставке и исследуйте направление конвекционных потоков вдоль открытых дверей (см. рис. 1). Объясните результаты наблюдений.

Рис. 1

2. Вырежьте из тонкой бумаги прямоугольник, согните его по серединным линиям и снова расправьте. Закрепите на ластике швейную иглу острием вверх и на острие положите подготовленный листок бумаги (см. рис. 2). Осторожно приблизьте раскрытую ладонь к листку — он начнет поворачиваться. Отведите ладонь — листок остановится. Вам остается показать фокус друзьям и объяснить это явление. (Подсказка: температура ладони не везде одинакова.)

Рис. 2