1. You want to boil water in a pot using an electric heater. In which part of the pot should the heater be placed to boil all water as quickly as possible. Justify your answer.
2. Radiators in apartments are usually placed near the walls just above the floor. Explain the motivation for such solution. Would it be appropriate or not to put the radiators under the ceiling?
3. During cold winter, Janek lit up a fireplace in the middle of a large room. Write how the temperature in the heated room will change. Will the temperature be the same or not in the whole room? Justify your answer.
4. Name the phenomenon discussed in the answers to the above questions.
5. Explain what the phenomenon of convection in liquids or gases is.
6. Give examples of practical applications of convectionconvectionconvection in liquids and gases.
It is the best to put the heater at the very bottom of the pot. The heater radiates heat to water molecules in the immediate vicinity of the heater. These particles gain considerable kinetic energy and during the subsequent collisions with other molecules they transfer a significant part of their kinetic energy. As a result, the temperature of the water around the heater increases and the water density decreases. The consequence of this is the macroscopic movement of hot water upwards and moving water with a lower temperature down into the vicinity of the heater. As a result, water warms up evenly. Placing the heater near its free surface may cause the water to boil at the top of the vessel and only a slight increase in the temperature of the water at the bottom of the vessel.
Teacher's comment.
For the same reasons, the heater in the electric kettle is always placed at the bottom. This forces the circulation of heated water.
[Illustration 1]
Water heating in the kettle. Heat generated in the heater when electric current flows through the water at the bottom of the kettle. The heated water moves upwards and cold water falls to the bottom of the kettle.
Radiators transmit the heat to the air molecules next to them. Due to the increase in the kinetic energy of these molecules, the temperature of the air around the radiator also increases. Thus, the density of heated air is reduced. As a result, the air rises upward and the colder air falls down. It results in even warming of large air masses.
Placing the radiator under the ceiling considerably hampers the natural circulation of heat. Then the hot air would rise even more, and the cold air would be left by the floor. As a result, the temperature would be very high just at the ceiling, and very low next to the floor.
Teacher's comment.
[Illustration 2]
Room heating by a radiator and natural movement of warm and cold air. Placing a radiator under the ceiling would disturb the heat transferheat transferheat transfer throughout the room.
3. During cold winter, Janek lit upa fireplace in the middle of a large room. Write how the temperature in the heated room will change. Will the temperature be the same or not in the whole room? Justify your answer.
The heat will be transferred first to the air molecules in the direct vicinity of the fireplace. Then, as a result of collisions between air molecules, the heat is transferred to the particles found in the entire room volume. But it takes time. It can happen that in one part of the room the temperature will be, for example, and in another one much less, e.g. .
Teacher's comment.
The following figure illustrates the discussed issues.
Click on the tag and you will get information.
[Ilustration interractive]
Heating the room with the fireplace takes a long time and causes uneven distribution of air temperature.
4. Name the phenomenon discussed in the answers to the above questions.
The phenomenon of convection is presented in the above examples.
Teacher's comment.
Sometimes convectionconvectionconvection also means the mere movement of matter associated with temperature differences that leads to heat transfer. This movement is more precisely called the convection currentconvection currentconvection current.
5. Explain what the phenomenon of convection in liquids or gases is.
Definition:
ConvectionconvectionConvection - the process of heat transferheat transferheat transfer as a result of macroscopic movements of matter in gases and liquids.
Teacher's comment.
We observe the phenomenon of convection wherever there is a temperature difference between different places in the entire volumeentire volumeentire volume. At higher temperatures, molecules move faster, so the distances between them increase, and the volume increases and density decreases. The area of gas or liquid with a higher temperature and lower densitydensitydensity according to Archimedes's law begins to rise. During the movement it gives energy to contacting colder areas.
Definition:
If this motion of gas or liquid areas is caused by a difference in density, then convectionconvectionconvection is called free.
Sometimes it is possible to define forced convection, when the movement of air or liquid is caused by the effects of external forces, e.g. a fan. However, this time we will not discuss this phenomenon.
6. Give examples of practical applications of convection in liquids and gases.
Convection of water in the central heating installation.
[Illustration 3]
Water heating in a central heating installation using a boiler.
The phenomenon of sea and land breeze on the coastline of the sea.
[Illustration 4]
The phenomenon of sea and land breezes. The direction of air movement depends on the time of day.
The purposeful location of the radiator under the window of the room.
[Illustration 5]
The purposeful location of the radiator under the window. It allows even distributioneven distributioneven distribution of the already warmed air.
Convection is the phenomenon of transferring heat by moving heated layers or areas of gases or liquids.
Free convection - movement of gas or liquid caused by differences in the densitydensitydensity of areas of different temperature.
We often meet the phenomenon of convection every day. The air with a higher temperature near the warm radiator rises to the top, where it cools and then drops.
We observe the phenomenon of convectionconvectionconvection wherever there is a temperature difference between different places in the entire volumeentire volumeentire volume. At higher temperatures, molecules move faster, so the distances between them increase, and the volume increases and density decreases. The area of gas or liquid with a higher temperature and lower densitydensitydensity according to Archimedes's law begins to rise. During the movement it gives energy to contacting colder areas.
Selected words and expressions used in the lesson plan
1. Chcesz zagotować wodę w garnuszku używając grzałki elektrycznej. W której części garnuszka należy umieścić grzałkę, aby jak najszybciej zagotować całą wodę. Uzasadnij swoją odpowiedź.
2. Kaloryfery w mieszkaniach umieszcza się zazwyczaj przy ścianach tuż nad podłogą. Wyjaśnij celowość takiego działania. Czy umieszczenie kaloryferów pod sufitem byłoby właściwe czy też nie?
mcf9ba6505101de1f_1528449000663_0
Przekazywanie energii w zjawisku konwekcji
mcf9ba6505101de1f_1528449084556_0
Drugi
mcf9ba6505101de1f_1528449076687_0
Uczeń opisuje ruch gazów i cieczy w zjawisku konwekcji.
mcf9ba6505101de1f_1528449068082_0
45 minut
mcf9ba6505101de1f_1528449523725_0
Przedstawienie zjawiska konwekcji.
mcf9ba6505101de1f_1528449552113_0
1. Przedstawienie zjawiska konwekcji.
2. Analiza zjawiska konwekcji w przypadkach z życia codziennego.
mcf9ba6505101de1f_1528450430307_0
Uczeń:
- przedstawia zjawisko konwekcji,
- wyjaśnia zjawisko konwekcji.
mcf9ba6505101de1f_1528449534267_0
1. Zasada odwróconej klasy.
2. Pogadanka, „burza mózgów”.
mcf9ba6505101de1f_1528449514617_0
1. Indywidualna praca ucznia z książką i Internetem.
2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.
mcf9ba6505101de1f_1528450127855_0
Przypomnienie pracy domowej.
1. Chcesz zagotować wodę w garnuszku używając grzałki elektrycznej. W której części garnuszka należy umieścić grzałkę, aby jak najszybciej zagotować całą wodę. Uzasadnij swoją odpowiedź.
2. Kaloryfery w mieszkaniach umieszcza się zazwyczaj przy ścianach tuż nad podłogą. Wyjaśnij celowość takiego działania. Czy umieszczenie kaloryferów pod sufitem byłoby właściwe czy też nie?
3. Podczas mroźnej zimy Janek rozpalił kominek znajdujący się pośrodku dużego pokoju. Napisz jak będzie się zmieniać temperatura w ogrzewanym pokoju. Czy w całym pokoju temperatura będzie taka samo czy nie? Uzasadnij swoją odpowiedź.
4. Nazwij zjawisko omawiane w odpowiedziach do powyższych pytań.
5. Wyjaśnij na czym polega zjawisko konwekcji w cieczach lub gazach.
6. Podaj przykłady praktycznego zastosowania zjawiska konwekcji w cieczy lub gazach.
mcf9ba6505101de1f_1528446435040_0
Proszę przygotować w grupach odpowiedzi na pytania z pracy domowej.
1. Chcesz zagotować wodę w garnuszku używając grzałki elektrycznej. W której części garnuszka należy umieścić grzałkę, aby jak najszybciej zagotować całą wodę. Uzasadnij swoją odpowiedź.
Najlepiej umieścić grzałkę na samym spodzie garnuszka. Grzałka oddaje ciepło cząsteczkom wody znajdującej się w bezpośrednim otoczeniu grzałki. Cząsteczki te zyskują znaczne energie kinetyczne i podczas kolejnych zderzeń z innymi z cząsteczkami przekazują im znaczna część swojej energii kinetycznej. Wskutek tego wzrasta temperatura wody wokół grzałki oraz zmniejsza się gęstość wody. Następstwem tego jest makroskopowe przesuwanie się ciepłej wody do góry oraz przemieszczanie się wody o niższej temperaturze w dół w pobliże grzałki. W efekcie woda rozgrzewa się równomiernie. Umieszczenie grzałki w pobliżu jej powierzchni swobodnej może doprowadzić do zagotowania się wody na górze naczynia oraz tylko niewielkim wzroście temperatury wody znajdującej się na dnie naczynia.
Komentarz nauczyciela.
Z takich samych powodów grzałka w czajniku elektrycznym jest zawsze umieszczona na dole. Wymusza to obieg podgrzewanej wody.
[Ilustracja 1]
lustracja przedstawia ogrzewanie wody w czajniku. Ciepło wydzielane w grzałce podczas przepływu prądu elektrycznego wodzie znajdującej się w dolnej części czajnika. Podgrzana woda przemieszcza się ku górze a na dno czajnika opada zimna woda.
2. Kaloryfery w mieszkaniach umieszcza się zazwyczaj przy ścianach tuż nad podłogą. Wyjaśnij celowość takiego działania. Czy umieszczenie kaloryferów pod sufitem byłoby właściwe czy też nie?
Kaloryfery przekazują ciepło cząsteczkom powietrza znajdująca się tuż obok nich. Wskutek wzrostu energii kinetycznej tych cząsteczek, wzrasta również temperatura powietrza wokół kaloryfera. Zmniejsza się tym samym gęstość ogrzanego powietrza. Wskutek tego powietrze to unosi się ku górze, a chłodniejsze powietrze opada w dół . Powoduje to równomierne ogrzanie się znacznych mas powietrza.
Umieszczenie kaloryfera pod sufitem w znacznym stopniu utrudnia naturalną cyrkulacje ciepła. Gorące powietrze unosiłoby się jeszcze bardziej do góry, a zimne powietrze zostawałoby przy podłodze. Wskutek tego temperatura byłaby bardzo wysoka tuż przy suficie, a bardzo niska tuż przy podłodze.
Komentarz nauczyciela.
[Ilustracja 2]
Ilustracja przedstawia ogrzewanie pokoju przez kaloryfer i naturalny ruch powietrza ciepłego i zimnego. Umieszczenie kaloryfera pod sufitem zaburzyłoby wymianę ciepła w całym pokoju.
3. Podczas mroźnej zimy Janek rozpalił kominek znajdujący się pośrodku dużego pokoju. Napisz jak będzie się zmieniać. Temperatura w ogrzewanym pokoju. Czy w całym pokoju temperatura będzie taka sama czy nie? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Ciepło będzie przekazywane najpierw cząsteczkom powietrza znajdującym się najbliżej kominka. Następnie wskutek zderzeń miedzy cząsteczkami powietrza ciepło to jest przekazywane cząsteczkom znajdującym się w całej objętości pokoju. Ale to wymaga czasu. Może się zdarzyć, że w jednej części pokoju temperatura będzie wynosić np. , a w innej znacznie mniej np. .
Komentarz nauczyciela.
Poniższy rysunek ilustruje omawiane kwestie.
Kliknij w znacznik a uzyskasz informacje.
[Ilustracja interaktywna]
Ilustracja interaktywna przedstawia nagrzewanie pokoju przy pomocy kominka, trwa ono długo i powoduje nierównomierny rozkład temperatury powietrza.
4. Nazwij zjawisko omawiane w powyższych pytaniach.
W powyższych przykładach mieliśmy do czynienia ze zjawiskiem konwekcji czyli unoszenia.
Komentarz nauczyciela.
Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.
5. Wyjaśnij na czym polega zjawisko konwekcji w cieczach lub gazach.
Definicja:
Konwekcja – proces przenoszenia ciepła w wyniku makroskopowych ruchów materii w gazach i cieczach.
Komentarz nauczyciela.
Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdy pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, z czego wynika wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.
Definicja:
Jeśli ten ruch fragmentów gazu lub cieczy wywołany jest różnicą gęstości, to konwekcję nazywamy swobodną.
Spotyka się czasem określenie konwekcja wymuszona, kiedy ruch powietrza lub cieczy jest spowodowany dzianiem sił zewnętrznych, np. wentylatora. Tego zjawiska nie będziemy jednak omawiać.
6. Podaj przykłady praktycznego zastosowania zjawiska konwekcji w cieczy lub gazach.
Ruch konwekcyjny wody w instalacji CO.
[Ilustracja 3]
Zjawisko bryzy morskiej i lądowej na linii brzegowej morza.
[Ilustracja 4]
Celowe usytuowanie grzejnika pod oknem pokoju.
[Ilustracja 5]
mcf9ba6505101de1f_1528450119332_0
Konwekcją nazywamy zjawisko polegające na przenoszeniu ciepła przez poruszające się ogrzane warstwy lub obszary gazów bądź cieczy.
Konwekcja swobodna – to ruch gazu lub cieczy spowodowany przez różnice gęstości obszarów o różnej temperaturze.
Ze zjawiskiem konwekcji często spotykamy się na co dzień. Powietrze o wyższej temperaturze w pobliżu nagrzanego kaloryfera unosi się do góry, tam oziębia się i następnie opada.
Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdzie pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, stąd wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze, stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.