Temat

Przekazywanie energii w zjawisku konwekcji

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

Uczeń opisuje ruch gazów i cieczy w zjawisku konwekcji.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Przedstawienie zjawiska konwekcji.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Przedstawienie zjawiska konwekcji.

2. Analiza zjawiska konwekcji w przypadkach z życia codziennego.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- przedstawia zjawisko konwekcji,

- wyjaśnia zjawisko konwekcji.

Metody kształcenia

1. Zasada odwróconej klasy.

2. Pogadanka, „burza mózgów”.

Formy pracy

1. Indywidualna praca ucznia z książką i Internetem.

2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

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 w kominku znajdującym 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.

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.

Realizacja lekcji

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 znaczną część swojej energii kinetycznej. Wskutek czego 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]

Ilustracja przedstawia ogrzewanie wody w czajniku. Ciepło wydzielane w grzałce podczas przepływu prądu elektrycznego w 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 znajdującym 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 cyrkulację ciepła. Gorące powietrze unosiłoby się jeszcze wyżej, 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 w kominku znajdującym 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. ${20}^{\circ }C$ a w innej znacznie mniej np. $10°C$.

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 odpowiedziach do powyższych pytań.

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, gdzie 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]

Podsumowanie lekcji

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.