Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 6. Конвекція

Уявіть спекотний літній полудень, берег моря. Вода на поверхні тепла, а її нижні шари прохолодні. Від води віє легкий вітерець. А чи знаєте ви, чому виникає той вітерець, адже трохи далі від води дерева навіть не поворухнуться? І чому нагрівся тільки верхній шар води, адже сонце пече вже досить довго? Спробуємо відповісти на ці запитання та низку інших.

1. Спостерігаємо конвекцію в рідинах і газах

Ви вже знаєте, що гази й рідини погано проводять тепло. А чому ж тоді нагрівається повітря в кімнаті від радіаторів водяного опалення? Чому нагрівається вода в каструлі, яку поставлено на ввімкнену плиту? Чому охолоджується напій, якщо в нього покласти кубик льоду?

Щоб відповісти на ці запитання, звернемося до дослідів.

Круглодонну колбу наповнимо на три чверті водою й закріпимо в лапці штатива. Скляною паличкою покладемо на дно колби кілька дрібок акварельної фарби. Потім нагріватимемо колбу знизу. Через деякий час із дна колби почнуть підніматися забарвлені струминки води. Досягши верхніх шарів води, струминки спускатимуться вздовж холодніших боків колби (рис. 6.1); далі процес повториться. У результаті відбудеться природне перемішування нагрітих і ненагрітих частин рідини.

Аналогічний процес може бути й в газах. Щоб у цьому переконатися, достатньо потримати долоню над гарячою електроплитою або ввімкненою електричною лампою розжарення. Потоки гарячого повітря, що піднімаються, навіть можуть обертати легку вертушку (рис. 6.2).

У наведених прикладах спостерігаємо ще один вид теплопередачі — конвекцію.

Конвекція — це вид теплопередачі, який здійснюється шляхом перенесення енергії потоками рідини або газу.

Зверніть увагу: конвекція не може відбуватись у твердих тілах, оскільки в твердих тілах не можуть виникнути потоки речовини.

Рис. 6.1. Дослід, який демонструє конвекцію в рідині. Теплі забарвлені струминки води піднімаються, а холодні — опускаються

Рис. 6.2. Висхідні потоки гарячого повітря, діючи на легку металеву вертушку, надають їй досить швидкого руху

2. Знайомимося з механізмом конвекції

З’ясуємо причини виникнення природної конвекції. Для цього подумки виділимо невеликий об’єм рідини в посудині, яка розміщена над пальником.

Ви знаєте: на будь-яке тіло, що міститься всередині рідини (або газу), діють сила тяжіння та архімедова сила. Ті самі сили діють на будь-який невеликий об’єм власне рідини (рис. 6.3). Як відомо, в разі підвищення температури рідина розширюється, її густина зменшується й архімедова сила, що діє на виділений об’єм рідини, стає більшою, ніж сила тяжіння. Унаслідок цього нагріта рідина (яка має меншу густину) спливає, а холодна рідина (яка має більшу густину) опускається.

Аналогічні міркування справджуються й для газів.

Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім. У такому разі вдаються до їх штучного перемішування — примусової конвекції (рис. 6.4). Примусове перемішування повітря здійснюють, наприклад, у космічному кораблі, в умовах невагомості, де не діє архімедова сила.

Рис. 6.3. На будь-який невеликий об’єм рідини діють сила тяжіння та виштовхувальна (архімедова) сила

Рис. 6.4. Вода в посудині нагрівається завдяки природній конвекції.

Для більш рівномірного прогрівання, наприклад, густої каші господиня вдається до примусової конвекції — перемішує кашу ложкою

3. Спостерігаємо конвекцію в природі та використовуємо її в повсякденні

Природна конвекція має дуже велике значення в природі й широко застосовується людиною.

З курсу географії вам відомо, що одним із чинників, які впливають на клімат Землі, є вітри. А чи знаєте ви, що однією з основних причин появи вітрів на планеті є конвекція (рис. 6.5)?

Розглянемо, наприклад, як утворюється бриз — вітер, що виникає поблизу берега моря чи великого озера. Удень суходіл прогрівається швидше за воду, тому температура повітря над суходолом вища, ніж над поверхнею води. Повітря над суходолом розширюється, його густина зменшується, і повітря підіймається.

Рис. 6.5. Сильні вітри — це потужні конвекційні потоки (І. К. Айвазовський «Дев’ятий вал»)

Рис. 6.6. Утворення бризів — денних і нічних — пояснюється конвекцією: а — денний (морський) бриз; б — нічний (береговий) бриз

У результаті тиск над суходолом падає і холодне повітря з водойми починає низом переміщуватися до суходолу — виникає денний (морський) бриз (рис. 6.6, а).

Спробуйте пояснити, як утворюється нічний (береговий) бриз (рис. 6.6, б). Підказка: суходіл холоне швидше за воду.

Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії в морях і океанах. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті.

З конвекцією ми часто маємо справу й у повсякденному житті. Так, унаслідок конвекції здійснюється обігрівання (рис. 6.7) та охолодження помешкань. Завдяки конвекції нагріваються вода в чайнику та їжа в каструлі. Створення тяги також є проявом конвекції (рис. 6.8). Повітря в печі нагрівається і розширюється, його густина зменшується, і тепле повітря прямує вгору, у трубу. У результаті тиск повітря навколо дров і в трубі зменшується й стає меншим за тиск у кімнаті; завдяки цьому збагачене киснем холодне повітря струмує до дров.

Підбиваємо підсумки

Конвекція — це вид теплопередачі, що здійснюється шляхом перенесення енергії потоками рідини або газу. У твердих речовинах цей вид теплопередачі неможливий. Розрізняють природну і примусову конвекції.

Рис. 6.7. Невеликий тепловий радіатор завдяки конвекції обігріває все приміщення

Рис. 6.8. Створення тяги: збагачене киснем холодне повітря потрапляє до печі завдяки конвекції

Природну конвекцію можна пояснити наявністю архімедової сили та явищем теплового розширення. Теплі шари рідини або газу прямують угору (вони мають меншу густину), а холодні (більшої густини) — опускаються.

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід на доведення того, що в процесі нагрівання теплі потоки рідини піднімаються, а холодні — опускаються. 2. Що таке конвекція? 3. Чим відрізняється конвекція від теплопровідності? 4. Назвіть причини виникнення природної конвекції. 5. Чи можлива конвекція в речовинах, які перебувають у твердому стані? Обґрунтуйте свою відповідь. 6. Що називають примусовою конвекцією? 7. Наведіть приклади проявів конвекції в природі та в житті людини.

Вправа № 6

1. Чому язики полум’я підіймаються?

2. Чому влітку вода в річці на глибині холодніша, ніж на поверхні?

3. Де краще розмістити посудину з водою, щоб швидше її нагріти: над нагрівником, під нагрівником чи збоку від нього? Де краще розмістити балон із водою, щоб швидше охолодити в ньому воду за допомогою льоду: на льоду, під льодом чи поряд із ним? Відповіді аргументуйте.

4. Чому не падають хмари? Чому град зазвичай випадає влітку, спекотного дня?

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, як застосовують явище конвекції в техніці. Підготуйте коротку презентацію.

6. У рідинному манометрі, ліве коліно якого відкрите в атмосферу, міститься вода (рис. 1). Який тиск більший — атмосферний чи тиск у балоні? На скільки відрізняється тиск у балоні від атмосферного?

Рис. 1

Експериментальні завдання

1. Під наглядом дорослих запаліть свічку та дослідіть напрямок конвекційних потоків уздовж відчинених дверей (див. рис. 2). Поясніть результати спостереження.

Рис. 2

2. Виріжте з тонкого паперу прямокутник, зігніть його по середніх лініях і знову розправте. Потім закріпіть на гумці швацьку голку вістрям догори й покладіть на вістря підготований аркушик (див. рис. 3). Обережно наблизьте розкриту долоню до аркушика. Він почне обертатися. Відведіть долоню — аркушик зупиниться. Покажіть фокус друзям і поясніть явище. (Підказка: температура долоні не скрізь однакова.)

Рис. 3

ГДЗ до підручника можна знайти тут.