Ciecze są stosunkowo złymi przewodnikami ciepła. Dlaczego zatem kaloryfery wypełnia się wodą? Również gazy, a więc i powietrze, są izolatorami, w jaki zatem sposób ogrzewa się całe mieszkanie? Co wspólnego ma gotująca się zupa z powierzchnią Słońca?
Rg1ZE3GIDE3bW
Zdjęcie przedstawia kota leżącego na białym kaloryferze. W tle okno przesłonięte przez białą matową zasłonkę. Kot rozluźniony, ułożony tak, aby jak największą powierzchnią ciała mógł chłonąć ciepło z rozgrzanych żeberek grzejnika. Sierść kota jest brunatna w czarne prążki.
Kaloryfery grzeją nasze mieszkania, ale same w sobie nie produkują ciepła – ono powstaje w kotłowni budynku lub jest dostarczane z sieci ciepłowniczej. Jak to się jednak dzieje, że do grzejnika w pokoju zawsze dociera ciepła woda, a opuszcza go zimna, a nie na odwrót? Odpowiedzią na to jest odpowiednie wykorzystanie przez konstruktorów zjawiska konwekcji.
Źródło: chanzi, Flickr (https://www.flickr.com/photos/chanzi/5274995874/sizes/o/), licencja: CC BY-NC-ND 2.0.
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
analizować przebieg zjawiska konwekcji w różnych przykładach ze swojego otoczenia.
Podczas ogrzewania ciała zwiększają swoją objętość. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki, z których zbudowane jest dane ciało, poruszają się coraz szybciej, w następstwie czego oddalają się od siebie, objętość ciała rośnie.
R18sGRLAnUIig
Materiał filmowy dotyczący rozszerzalności termicznej gazu
Materiał filmowy dotyczący rozszerzalności termicznej gazu
Materiał filmowy dotyczący rozszerzalności termicznej gazu
1
Ćwiczenie 1
Rlr499HqRtybs
Uzupełnij luki. Kliknij w lukę, aby wyświetlić listę rozwijalną i wybierz poprawne wyrażenie, bądź przeciągnij wyrazy z rozsypanki na dole. Gęstość to stosunek 1. objętości do masy, 2. masy do objętości, którą ta masa zajmuje.
Uzupełnij luki. Kliknij w lukę, aby wyświetlić listę rozwijalną i wybierz poprawne wyrażenie, bądź przeciągnij wyrazy z rozsypanki na dole. Gęstość to stosunek 1. objętości do masy, 2. masy do objętości, którą ta masa zajmuje.
Po obejrzeniu filmu i poprawnym rozwiązaniu ćwiczenia, możesz sformułować następujący wniosek:
Powietrze mające wyższą temperaturę ma mniejszą gęstość.
Ćwiczenie 2
R1K3xd2EpJ4gk
Warunek pływania ciał: ciało o gęstości 1. mniejszej, 2. większej, 3. większej, 4. mniejszej niż gęstość płynu, w którym jest zanurzone, będzie się unosić się na powierzchni, zaś o gęstości 1. mniejszej, 2. większej, 3. większej, 4. mniejszej niż gęstość tego płynu – będzie tonąć.
Warunek pływania ciał: ciało o gęstości 1. mniejszej, 2. większej, 3. większej, 4. mniejszej niż gęstość płynu, w którym jest zanurzone, będzie się unosić się na powierzchni, zaś o gęstości 1. mniejszej, 2. większej, 3. większej, 4. mniejszej niż gęstość tego płynu – będzie tonąć.
Wnioski wynikające z wykonanych wyżej poleceń pozwalają stwierdzić, że powietrze o niższej temperaturze (a więc większej gęstości) opada na dno – „tonie” w powietrzu o wyższej temperaturze (mniejszej gęstości). Natomiast cieplejsze powietrze wypływa, czyli unosi się do góry, jeśli jest zanurzone w powietrzu chłodniejszym. Zjawisko to nosi nazwę konwekcjikonwekcjakonwekcji.
Zjawisko konwekcji obserwujemy, 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. Warstwa 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.
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 w tym podręczniku.
Oto kilka przykładów konwekcji swobodnej:
R1dpNBKZCqksm
Ilustracja przestawia zjawisko konwekcji występujące w pokoju pod wpływem ogrzewania otoczenia przez kaloryfer. Narysowany jest róg pokoju, widoczne są fragmenty dwóch ścian i podłoga, na jednej ze ścian, po prawej stronie, znajduje się grzejnik. Powietrze znajdujące się w pobliżu grzejnika jest przez niego ogrzewane i unosi się do góry. Unoszące się powietrze rozchodzi się pod sufitem. Ponieważ na bieżąco dostarczane jest ciepłe powietrze, to spod sufitu jest wypychane coraz dalej. Jest to zaznaczone czerwonymi strzałkami skierowanymi do góry i skręcającymi pod sufitem w lewo. Powietrze w górnej części pokoju stopniowo się ochładza i zaczyna opadać ku podłodze, co zaznaczono czerwono‑niebieskimi strzałkami skierowanymi w dół i znajdującymi się w lewej części obrazka. Również ono jest przepychane w dolnej części pokoju przez stale dostarczane ochładzające się powietrze spod sufitu, także w stronę grzejnika. Jest to zaznaczone niebieskimi strzałkami skierowanymi w prawo w dolnej części obrazka. Gdy znajduje się ono w pobliżu grzejnika, znów zaczyna się ogrzewać i cały proces się powtarza.
Konwekcja w pokoju
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.
R1Uyk3lB4wNaR
Prezentowana animacja ilustruje mechanizm powstawania bryzy morskiej w dzień i w nocy.
Prezentowana animacja ilustruje mechanizm powstawania bryzy morskiej w dzień i w nocy.
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Kevin MacLeod (http://incompetech.com), licencja: CC BY 3.0.
Materiał filmowy dotyczący ruchu konwekcyjnego wody w instalacji c.o.
2
Ćwiczenie 3
Po obejrzeniu powyższej animacji odpowiedz na pytania postawione we wstępie do lekcji: dlaczego kaloryfery wypełnia się płynami oraz w jaki sposób grzejniki ogrzewają mieszkanie, jeśli zarówno ciecze, jak i gazy są złymi przewodnikami ciepła? Uporządkuj stwierdzenia tak, aby uzyskać odpowiedź na te pytania.
R6IcfpbIKK7S1
Elementy do uszeregowania: 1. Jego miejsce zajmuje chłodne powietrze, które jest ogrzewane, 2. Ogrzane powietrze unosi się do góry, 3. Chłodne powietrze znajdujące się w pobliżu kaloryfera pobiera to ciepło, 4. Cały proces powtarza się do momentu wyrównania temperatury w pokoju lub całe ciepło płynu zostanie oddane, 5. Płyny są złymi przewodnikami ciepła, więc zostają w kaloryferze, dopóki się nie ochłodzą
Elementy do uszeregowania: 1. Jego miejsce zajmuje chłodne powietrze, które jest ogrzewane, 2. Ogrzane powietrze unosi się do góry, 3. Chłodne powietrze znajdujące się w pobliżu kaloryfera pobiera to ciepło, 4. Cały proces powtarza się do momentu wyrównania temperatury w pokoju lub całe ciepło płynu zostanie oddane, 5. Płyny są złymi przewodnikami ciepła, więc zostają w kaloryferze, dopóki się nie ochłodzą
Ciekawostka
Efekt konwekcji możemy bardzo łatwo obserwować na powierzchni gotującej się zupy w garnku. Wystarczy kilka minut, aby zauważyć, że w jednych miejscach gotująca się zupa wypływa na powierzchnię, a w innych opada. Zjawisko konwekcji powoduje przeniesienie energii z dna naczynia wyżej. Podobne zjawisko możemy zaobserwować na powierzchni Słońca. Energia wytwarzana w jego jądrze przenoszona jest na powierzchnię. Na głębokości około występuje zjawisko konwekcji: gorące obszary gazu wędrują na powierzchnię wydostając się pod postacią tzw. granul, które mają temperaturę wyższą o kilkaset stopni od otaczających obszarów. Efektem jest wysyłanie większych ilości energii z obszaru granuli. Czasami w obszarze, w którym zachodzi konwekcja, pojawiają się silne pola magnetyczne, które zakłócają ruch gorącego gazu. Powstaje wtedy obszar chłodniejszy, widoczny jako plama słoneczna.
Podczas konwekcji w cieczy lub gazie tworzą się prądy konwekcyjne; jedne strugi płynu poruszają się w górę, a drugie w dół. Strugi te tworzą tak zwane komórki konwekcyjneKomórki konwekcyjnekomórki konwekcyjne.
Komórki konwekcyjne
Komórki konwekcyjne muszą mieć pewne minimalne rozmiary i gdy objętość gazu lub cieczy jest za mała na powstanie choćby jednej takiej komórki – konwekcja nie zachodzi. To dlatego pęcherzyki powietrza w materiałach typu pianka poliuretanowa muszą być małe.
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”.. Konwekcja zachodzi tylko w gazach.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciecze są złymi przewodnikami ciepła, ale dzięki konwekcji przyczyniają się do szybkiego transportu ciepła.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Mała objętość pęcherzyków powietrza między włóknami wełny uniemożliwia transport energii cieplnej przez konwekcję.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”.. Konwekcja zachodzi tylko w gazach.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciecze są złymi przewodnikami ciepła, ale dzięki konwekcji przyczyniają się do szybkiego transportu ciepła.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Mała objętość pęcherzyków powietrza między włóknami wełny uniemożliwia transport energii cieplnej przez konwekcję.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Które z poniższych twierdzeń jest prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda
Fałsz
Konwekcja zachodzi tylko w gazach.
□
□
Ciecze są złymi przewodnikami ciepła, ale dzięki konwekcji przyczyniają się do szybkiego transportu ciepła.
□
□
Mała objętość pęcherzyków powietrza między włóknami wełny uniemożliwia transport energii cieplnej przez konwekcję.
□
□
Podsumowanie
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.
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.
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.
Zadania podsumowujące lekcję
Ćwiczenie 5
RNfTWQOJj6gL9
Wstaw w luki odpowiednie pojęcia. Dlaczego "ciepło idzie do góry"? Na skutek 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, ciecze i gazy zmniejszają swoją gęstość, co wywołuje tzw. 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, czyli ruch spowodowany różnicą gęstości wywołaną różnymi temperaturami. Cieplejsze obszary cieczy lub gazu 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, z kolei chłodniejsze – 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej. Zjawisko to nazywa się 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej.
Wstaw w luki odpowiednie pojęcia. Dlaczego "ciepło idzie do góry"? Na skutek 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, ciecze i gazy zmniejszają swoją gęstość, co wywołuje tzw. 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, czyli ruch spowodowany różnicą gęstości wywołaną różnymi temperaturami. Cieplejsze obszary cieczy lub gazu 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej, z kolei chłodniejsze – 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej. Zjawisko to nazywa się 1. konwekcją, 2. ruch konwekcyjny, 3. unoszą się do góry, 4. opadają, 5. rozszerzalności termicznej.
1
Ćwiczenie 6
RqKBhayMEWrs8
W wielu biurowcach instalowane są systemy chłodzenia wykorzystujące tzw. wodę lodową zawierającą glikol. Woda jest chłodzona w instalacji przypominającej układ chłodniczy spotykany w lodówkach AGD i jako zimna płynie rurami umieszczonymi pod sufitem. Napisz, w jaki sposób system taki ochładza powietrze w pomieszczeniu.
W wielu biurowcach instalowane są systemy chłodzenia wykorzystujące tzw. wodę lodową zawierającą glikol. Woda jest chłodzona w instalacji przypominającej układ chłodniczy spotykany w lodówkach AGD i jako zimna płynie rurami umieszczonymi pod sufitem. Napisz, w jaki sposób system taki ochładza powietrze w pomieszczeniu.
Ćwiczenie 7
R8272Q8ku5RlS1
Który z rysunków przedstawia poprawnie ruch powietrza w pobliżu szklanki z gorącą wodą? Zaznacz prawidłową ilustrację.
Który z rysunków przedstawia poprawnie ruch powietrza w pobliżu szklanki z gorącą wodą? Zaznacz prawidłową ilustrację.
Opisz, jak zachowuje się powietrze w pobliżu szklanki z gorącą wodą?
Rf4Il2ZdRMYdG
(Uzupełnij).
Co się stanie z powietrzem ogrzanym przez gorącą wodę ze szklanki?
Powietrze ogrzane przez gorącą wodę w szklance (nad szklanką oraz przy jej brzegach) będzie się unosić do góry. Zostanie ono wtedy zastąpione przez powietrze chłodniejsze, które znajdowało się dalej od szklanki.
Słownik
konwekcja
konwekcja
proces przenoszenia ciepła w wyniku makroskopowych ruchów materii w gazach i cieczach
