Фізика і хімія в побуті. Підручник для осіб з особливими освітніми потребами (F70). 10 клас. Тороп

§ 4. Теплові явища в техніці

Ми щодня зустрічаємося з пристроями для опалення та охолодження в наших будинках, на робочих місцях і в транспорті. Чи можете ви згадати кілька прикладів?

У фізиці теплота — це енергія, яка передається від одного тіла до іншого через різницю температур. Тепло ми добре відчуваємо з самого раннього дитинства, і тому майже не думаємо про нього. Паруюча миска супу, ввімкнений радіатор і сауна відчуваються гарячими, книга і плитка шоколаду при кімнатній температурі здаються менш гарячими, а кубик льоду відчувається холодним.

Майже у всіх випадках речовина збільшується в об’ємі при підвищенні температури. У газах, по мірі того, як молекули, з яких складається газ, починають прискорюватися, вони починають розширюватися. Тверді речовини розширюються по-різному з підвищенням температури.

Теплове розширення та звуження відбуваються щодня, і є багато прикладів із реального життя. В обох випадках це може бути корисним, але іноді може бути й руйнівні наслідки. Наприклад, у спекотний день бензин може капати або переливатися зі щойно наповненого металевого бака. З підвищенням температури і бак, і бензин розширюються, але бензин розширюється більше, ніж металевий бак (наприклад, сталь). Через це бензин переливається або капає з ємності. Лінії електропередач також прогинаються влітку через теплове розширення (мал. 16). Також вони можуть обірватися взимку від натягу. Залізничні колії та металеві мости викривляються влітку внаслідок теплового розширення, особливо якщо немає компенсаторів, щоб вони могли вільно стискатися та розширюватися (мал. 17).

Через свою атомну структуру деякі матеріали є набагато кращими провідниками тепла, ніж інші. Особливо хорошими провідниками є метали. Якщо в розігріту на плиті каструлю з томатним соусом помістити металеву ложку і дерев’яну ложку, то ручка металевої ложки нагріється набагато швидше, ніж дерев’яної. Повітря, з іншого боку, є поганим провідником тепла. Гази, як правило, мають найнижчу теплопровідність, рідини — вищу. Тверді тіла є найкращими провідниками тепла. І ця властивість металів широко використовується у техніці.

Мал. 16. Провисання проводів ліній електропередач

Мал 17. Приклад компенсаційних швів на мосту

Мал. 18. Приготування їжі — приклад теплопровідності

Передача тепла відіграє значну роль у нашому повсякденному житті, від систем опалення та охолодження в наших будинках до роботи електронних пристроїв. Наприклад, теплопровідність — це процес передачі тепла всередині матеріалів і через прямий контакт між двома матеріалами. Чудовим прикладом теплопровідності є приготування їжі на плиті. Коли ви ставите каструлю на гарячу плиту, тепло поширюється від конфорки через дно каструлі, рівномірно готуючи вашу смачну страву. З цієї причини метали, як хороші провідники тепла, часто використовуються для виготовлення кухонного посуду (мал. 18).

Конвекція передбачає передачу тепла через рух рідин та газів. Класичним прикладом конвекції є робота духовки. Нагрівальний елемент нагріває повітря, яким потім вентилятор обдуває ваше деко для випікання страви (мал. 19).

Мал. 19. Запіканні у духовці — приклад конвекції

Випромінювання — це передача тепла за допомогою хвиль. Найвідомішим прикладом випромінювання є сонячне проміння, яке забезпечує Землю теплом і світлом (мал. 20). Від сонячних колекторів, які вловлюють цю енергію для нагрівання рідини чи виробництва електроенергії, до світла, необхідного рослинам для фотосинтезу, випромінювання відіграє ключову роль у підтримці життя.

Для регулювання температури в промислових процесах використовують теплообмінники. Теплообмінники — це пристрої, призначені для ефективної передачі тепла від одного середовища до іншого. Іншими словами теплообмінник — це пристрій, в якому відбувається нагрівання теплоносія.

Мал. 20. Сонячні печі та сонячні колектори — приклад випромінювання

Роль теплоносія виконує рідина — вода. Нагрівання води забезпечує опалення приміщення та гаряче водопостачання. Теплообмінники широко застосовуються в різних промислових сферах, таких як виробництво електроенергії, охолодження та хімічна обробка. Можна скоротити споживання енергії та зменшити витрати у промисловості за допомогою теплообмінників.

Опалення та охолодження будівель потребує багато енергії, тому науковці постійно шукають способи зменшити потреби в опаленні та охолодженні, а отже, і загальну кількість необхідної енергії. Одним із способів зробити це є використання ізоляції. Інженери розробили багато типів ізоляції, таких як скловолокно, кам’яна вата, мінеральна вата, натуральна вата, бавовна, солома, целюлоза, папір, пінополіуретан, пінополістирол, поліестер і соєва піна. Деякі ізоляційні матеріали також підходять для звукоізоляції.

Для підтримки різниці температур використовують теплоізолятори. Теплоізолятори — це матеріали, які перешкоджають теплопередачі. Одним із відомих прикладів є ізоляція, яка використовується в наших будинках (мал. 21). Вона запобігає виходу тепла взимку, зберігаючи тепло та затишок, і навпаки, захищає від високої температури спекотним літом.

Мал. 21. Утеплення стін будинку (внутрішнє та зовнішнє) та водопровідних мереж — приклад теплоізоляції

Ізоляція, розміщена в стінах і дахах будівель, зменшує втрати тепла через конвекцію. Через товстий, пухнастий матеріал, повітря не може легко проходити усі змішані шари волокон. Натомість тепле повітря в будинку затримується з одного боку ізоляції, а холодне повітря зовні будинку — з іншого боку. Ізоляція виконує таку саму роль, коли вона затримує прохолодне, кондиціоноване повітря всередині будинку подалі від гарячого зовнішнього повітря з іншого боку.

Електронні пристрої настільного комп’ютера виробляють тепло. Ви можете відчути тепло монітора, що виходить із вентиляційних отворів на його верхній поверхні. Процесори зазвичай мають невеликі вентилятори, які допомагають розсіювати тепло шляхом примусової конвекції. Якщо ви знімете верхню частину процесора, ви зможете побачити вентилятор на задній панелі пристрою (мал. 22).

Мал. 22. Система вентиляції комп’ютера

У техніці теплопередача відіграє вирішальну роль у підвищенні ефективності різних систем. Незалежно від того, чи йдеться про покращення роботи двигунів чи проектування енергоефективних будівель, потрібно враховувати процеси теплопередачі.

Двигуни автомобілів виділяють велику кількість тепла. Радіатор, розташований відразу за решіткою, використовує конвекцію, провідність і випромінювання, щоб підтримувати двигун охолодженим. Вода циркулює за допомогою насоса (примусова конвекція) у трубах, які проходять через блок двигуна, а тепло від двигуна передається воді шляхом теплопровідності. Вода надходить до радіатора, де протікає через набагато менші труби, що проходять повз сотні маленьких металевих складок. Тепло передається від води до металевих складок, знову ж таки шляхом провідності. Коли автомобіль рухається, повітря рухається по поверхнях радіатора, а тепло відводиться конвекцією. Коли автомобіль не рухається, тепло виходить в основному за рахунок випромінювання. Усі складки металу в радіаторі створюють велику площу поверхні, з якої може відбуватися випромінювання. Більшість автомобілів також мають вентилятор з термостатичним керуванням, який працює, коли автомобіль не рухається, але двигун настільки гарячий, що одного випромінювання недостатньо для охолодження.

Подібним чином, дров’яні печі нагрівають кімнати за допомогою теплопровідності, конвекції та випромінювання. Вогонь всередині печі нагріває чавунні поверхні печі, які потім випромінюють тепло в іншу частину кімнати. Конвекційні потоки також встановлюються, коли нагріте повітря, що оточує піч, піднімається до стелі, втягуючи холодніше повітря в кімнаті до печі, де воно також нагрівається. Повітря біля дров’яної печі нагрівалося, в першу чергу, шляхом конвекції.

Електричний або паровий радіатор працює за таким же принципом: гарячий матеріал всередині пристрою (вода або електричні дроти) нагріває металеві поверхні (мал. 23). Радіатори, як у будинках, так і в автомобілях, зазвичай мають велику площу. Це не лише дозволяє, щоб більше кімнатного повітря вступало в прямий контакт з гарячим радіатором для провідності, а й велика площа поверхні також забезпечує більшу поверхню випромінювання, ніж була б доступна в іншому випадку.

Мал. 23. Радіатор опалення — приклад конвекції

Вивчення теплових явищ тісно пов’язане з екологічними проблемами, зокрема зі зміною клімату. Постійно відбувається теплообмін між атмосферою, океанами та поверхнею Землі, а втручання господарської діяльності людини в цей процес призводить до глобального потепління. Наприклад, у містах температура набагато вища, ніжу прилеглих сільських районах. Різниця в температурі між міськими та сільськими районами пов’язана з тим, наскільки добре поверхні в кожному середовищі поглинають та утримують тепло (мал. 24).

Якщо ви поїдете в сільську місцевість, ви, ймовірно, виявите, що більша частина поверхні покрита рослинами. Трава, дерева та сільськогосподарські угіддя вкриті зеленим покровом. Рослини поглинають воду із землі через коріння. Потім вони зберігають воду у своїх стеблах та листі. Зрештою вода потрапляє у невеликі отвори на нижній стороні листя. Там вода перетворюється на водяну пару і викидається у повітря, це діє як природний кондиціонер.

У великих містах, ви не побачите багато рослин. Натомість ви побачите тротуари, вулиці, місця для паркування та високі будівлі. Ці конструкції зазвичай складаються з таких матеріалів, як цемент, асфальт, цегла, скло, сталь та темна черепиця. Такі матеріали, як асфальт, сталь та цегла, часто мають дуже темні кольори — чорний, коричневий та сірий. Темні об’єкти поглинають більше тепла, тому сильніше нагріваються. Навпаки, світлі об’єкти відбивають тепло, і їхня температура помітно не підвищується (мал. 25).

Мал. 24. Різниця у поглинанні та утриманні тепла в містах та сільських районах

Мал. 25. Темні поверхні — чи то чорна футболка, чи асфальтована вулиця — поглинають сонячне тепло, а світліші поверхні відбивають сонячне тепло

Різноманітність теплових явищ широко використовується на практиці. У металургії, наприклад, плавлять метали, щоб отримати з них сплави: чавун, сталь, бронзу, латунь тощо. Пару, що утворилася з води під час її нагрівання, використовують для опалення будинків, на електростанціях у парових турбінах і для багатьох інших технічних потреб. Зріджені гази використовують у холодильних установках.

Теплопередача є ключовим поняттям як у науці, так і в техніці, оскільки вона відіграє важливу роль у різноманітних застосуваннях. У техніці теплопередача використовується для розробки ефективних систем охолодження та опалення, таких як кондиціонери повітря та холодильники. Її також використовують для розробки ефективних систем ізоляції, які зберігають тепло в будівлях взимку та прохолоду влітку. Крім того, передача тепла використовується для підвищення енергоефективності машин, таких як електромобілі.

Конспект учня (запиши в зошит)

ТЕМА. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА В ТЕХНІЦІ

Теплові явища людина використовує для обігріву та охолодження житла, приготування їжі, виробництва електричної енергії, у промисловості та сільському господарстві, будівництві, транспорті тощо.

Теплопровідність — це процес передачі тепла всередині матеріалів і через прямий контакт між двома матеріалами.

Теплообмінники — це пристрої, призначені для ефективної передачі тепла від одного середовища до іншого.

Теплоізолятори — матеріали, які перешкоджають теплопередачі.

Подумай та дай відповідь

1. Наведіть приклади зміни температури з якими ви зустрічаєтеся майже кожного дня.
2. Які речовини краще проводять теплоту? Як вони називаються?
3. Що відбувається із твердими речовинами під час нагрівання, охолодження? Чим це можна пояснити?
4. Як враховують здатність твердих тіл розширюватись при підвищенні температури?
5. Розкажіть про використання теплопровідності під час приготування їжі.
6. Що таке конвекція? Як ії використовують на виробництві та у побуті?
7. Як людина використовує сонячне випромінювання?
8. Чи впливає господарська діяльність людини на зміну клімату?
9. За малюнком 24 поясніть, чому у спекотні дні нам комфортніше у світлому одязі?

Глобальне потепління

Зміна клімату проявляється в першу чергу у підвищенні температури, яке призводить до глобального потепління на планеті. Глобальне потепління — це зміни в навколишньому середовищі, що спричинені в більшій мірі діяльністю людини. Відбувається зміна клімату. Уже сьогодні можна спостерігати наслідки глобального потепління: танення льодовиків, посухи, повені та інші екстремальні погодні явища, зміни в часі початку та закінченні сезонних подій (наприклад, більш раннє цвітіння рослин), а також зміни в продуктивності сільськогосподарського виробництва.

Основний спосіб зупинити зміну клімату — це зменшити викиди парникових газів (внаслідок господарської діяльності людини).