EKSPERIMENTI O TOPLOTNOJ PROVODNOSTI

Različite čvrste tvari različito provode toplinu. Metali to najbolje rade. Ali među metalima postoje šampioni u toplotnoj provodljivosti. To uključuje takozvane "plemenite metale" - platinu, zlato, srebro.

Eksperiment sa željeznim noktima

Zakucajte ekser u debeli komad drveta i stavite ga na lim za pečenje.
Zalijepite nekoliko malih noktiju na dno ovog dugog nokta plastelinom ili voskom. Stavite upaljenu svijeću ispod glave nokta.

Pogledaj: jedan nokat je otpao..., drugi... treći...
Strogo redom, jedan po jedan.

Iskustvo sa drvetom

Kada se nokat ohladi, izvucite ga i umetnite iver u preostalu rupu.
Ponovite isto iskustvo s njom.

Slika će biti potpuno drugačija!
Kraj ivera će zasvijetliti, ali karanfili će se i dalje držati. Ispostavilo se da drvo provodi toplinu mnogo lošije od željeza.

Iskustvo sa staklom

Ako imate staklenu šipku ili cijev odgovarajuće debljine, ponovite eksperiment s njom.
Naravno, ne gori, ali ne provodi toplinu ništa bolje od drveta.

Eksperimentišite sa kašikama

Uzmite dvije kašičice: jednu srebrnu, drugu leguru nikla. Na njih pričvrstite spajalice kapljicama stearina. Stavite kašike u čašu tako da drške sa spajalicama vire u različitim pravcima. U čašu sipajte kipuću vodu. Kašike će postati vruće. Stearin na srebrnoj kašiki će se otopiti i spajalica će otpasti. Na drugoj kašiki spajalica ili neće uopšte otpasti, ili će otpasti kasnije kada se kašika zagreje.

Naravno, kašike moraju biti istog oblika i veličine. Ako nemate srebrnu kašiku, uzmite one koje imate, ali samo od različitih metala. Tamo gdje se zagrijavanje događa brže, taj metal bolje provodi toplinu, toplinski je provodljiviji.

Eksperiment sa novčićima

Različite tvari različito provode toplinu. To se jasno vidi iz malog iskustva.
Stavite novčić na komad drveta i umotajte ga u bijeli papir. Sve to nakratko prinesite plamenu svijeće tako da plamen samo dodirne mjesto gdje je novčić iznad papira. Pokušajte da ne dozvolite da se papir zapali. Ali papir je ipak uspio da se ugljeni, i ugljeni se oko novčića.

Na istom mjestu gdje je bio i sam novčić, ostao je bijeli krug netaknut vatrom. Metal novčića, kao dobar materijal koji provodi toplotu, apsorbovao je toplotu plamena i štitio papir od izgaranja.

TOPLOTNA PROVODNOST POROZNIH TIJELA

Od čvrstih materija, najlošiji provodnici toplote su keramika, plastika, drvo i tkanina.

Zato su ručke na čajnicima ili tavama napravljene od plastike ili drveta. A ako je drška metalna, onda kako ne biste opekli prste, morate koristiti krpu. Također slabo provodi toplinu i, štiteći ruku od opekotina, služi kao toplinska izolacija.

Iskustvo

Razmutite malu kuglicu vate i omotajte je oko kuglice termometra.
Sada držite termometar na određenoj udaljenosti od nekog grijača neko vrijeme i primijetite kako temperatura raste. Zatim istisnite isti komad vate i čvrsto ga omotajte oko kuglice termometra i ponovo je donesite do lampe. U drugom slučaju, živa će rasti mnogo brže.
To znači da komprimirana vuna mnogo bolje provodi toplinu!

Visoka svojstva toplinske izolacije pamučne vune daje zrak zatvoren između vlakana pamučne vate (a ne same vate). Vuna je toplija od pamučne vune upravo zato što joj njena vlaknasta struktura omogućava da zadrži još više zraka.

Na istom principu se zasniva i proizvodnja termoizolacionih materijala za izgradnju kuća. Oni prave što je moguće više vazdušnih praznina.

TOPLOTNA PROVODNOST GASOVA

Zimi stavljate termoizolaciju i nosite topli kaput ili bundu. Vazduh koji se nalazi između vlakana pamučne vune ili krzna, kao i svaki gas, je loš provodnik toplote.

Dakle, kako bi se nešto zaštitilo od hladnoće, koristi se toplinska izolacija. Ali čak i od viška topline potrebno je poduzeti mjere toplinske izolacije. Kada svemirski brod prilikom spuštanja leti ogromnom brzinom u Zemljinoj atmosferi, njeni zidovi trljaju se o vazduh i postaju veoma vrući. Za zaštitu posade i opreme unutar broda od visokih temperatura koristi se toplinski izolacijski pokrov otporan na toplinu. Sastoji se od slojeva materijala koji slabo provode toplinu.

Iskustvo 1

Već je rečeno da su gasovi loši provodnici toplote.
Uzmite aluminijumsku posudu za bebe, stavite je na laganu vatru i, kada je dovoljno vruća, sipajte pola kašičice vode.

Voda neće odmah ispariti kako biste očekivali. Voda će se otkotrljati kao ravna kugla - sferoid - do najnižeg mjesta na ploči i tamo se smrznuti na vrelom metalu. Čini se čudnim da se voda ne pretvara odmah u paru. Naravno, voda isparava, ali upravo ta para, u koju se voda pretvara, štiti veliku sferoidnu kap od vrućeg metala. Para se u ovom slučaju ispostavlja kao odlična toplinska izolacija.

Iskustvo 2

Prilikom peglanja okrenite peglu i, ako je dovoljno vruća, poprskajte je vodom. Odmah će se pretvoriti u male okrugle loptice koje će se brzo prevrnuti preko pegle.

Ove male sferične kapljice također nisu odmah isparile od vrućine gvožđa, zaštićene su slojem pare, „parnim jastukom“. Na ovom „parnom jastuku“ vodene kugle su putovale po vrućem gvožđu.

Iskustvo 3

Uzmite nekoliko malih komada suhog leda i stavite ih na glatku površinu aluminijske ploče. Nagnite ploču u različitim smjerovima. Komadići suvog leda lako će kliziti po glatkoj površini. Topla površina aluminijske ploče (njena temperatura se razlikuje od temperature suhog leda za najmanje 100 stupnjeva) pomaže bržem oslobađanju ugljičnog dioksida. Ispod komada suhog leda formiraju se „jastuci od ugljičnog dioksida“ i po njima dolazi do klizanja.

Kako razumjeti složene zakone fizike. 100 jednostavnih i uzbudljivih eksperimenata za djecu i njihove roditelje Dmitriev Alexander Stanislavovič

8 Toplotna provodljivost

Toplotna provodljivost

Za eksperiment će nam trebati: aluminijska kašika ili komad debele bakarne žice, drvena kašika ili obična olovka, šolja kipuće vode.

Znate li, dragi moj čitaoče, zašto je kupatilo ili sauna iznutra obložena drvetom? Štaviše, ako je drvo za klupu zakucano, tada se glave eksera zabijaju tako da budu ispod površine drveta. Zašto to rade?

Zamislimo da je u parnoj sobi, gdje temperatura dostiže 110 stepeni (a ponekad i više!), jedan ekser malo iskočio i da ste golom kožom dodirnuli metal. Odmah će se osjetiti bol, a mala opekotina je zagarantovana. Ali kako to može biti, jer površinska temperatura drveta i površinska temperatura nokta treba da budu iste!

Zaista, temperatura površine i metala i drveta u istoj prostoriji je ista. Činjenica je da temperatura nije najvažnija. Postoji takva stvar kao što je toplotna provodljivost.

Šta ovo znači? To znači kako tvar od koje je predmet napravljen prolazi (vodi) toplinu kroz nju. Toplota se može zamisliti kao nevidljiva voda koja teče kroz sve objekte. Postoji samo jedno pravilo koje ova “voda” - ili toplota - poštuje. Toplota uvijek teče sa toplijeg tijela na hladnije.

Zbog toga je postojalo vrijeme kada su naučnici mislili da će se naš svijet suočiti sa „toplotnom smrću“ za mnogo, mnogo godina. Uostalom, ako sva topla tijela odaju toplinu hladnijima, zagrijavajući ih, tada će doći trenutak kada će sva tijela postati iste temperature. I svi procesi, svi pokreti, sve reakcije (na primjer, probava hrane u želucu) će postati nemogući. Čini se da će svijet stati. (Zapravo, prvo, ovo je još toliko daleko da ova opasnost ne prijeti i nama i našim pra-pra-pra-pra-pra-pra-praunucima. Drugo, naučnici su kasnije razmislili i shvatili da bi se svemir mogao ispostaviti kao beskonačno i tada "toplinska smrt" neće doći.)

Dakle, različita tijela provode toplinu na različite načine. Metali veoma dobro provode toplotu. Metali za toplinu su poput širokih rijeka koja teče kroz njih brzo i daleko.

Ako počnete hladiti (ili zagrijavati) bilo koji dio metalnog predmeta, tada se vrlo brzo toplina širi na cijeli predmet (ili se cijeli predmet hladi). Usput, ako se metal ohladi na nevjerovatno nisku temperaturu, tada metal počinje pokazivati ​​jednostavno fantastična svojstva. Na primjer, struja koja prolazi kroz metal će teći zauvijek, nikad ne slabi. U običnim žicama struja postepeno slabi s rastojanjem i nakon nekoliko hiljada kilometara može gotovo potpuno nestati. (Struja, kao i toplina, u početku se najbolje smatra vodom. Voda u rijeci teče brže na izvoru, a sporije na ušću.)

Ostali materijali slabije provode toplinu i oslobađaju toplinu samo s površine. Drvo, na primjer, gotovo uopće ne provodi toplinu. Ovo više nije „reka“, već neka brana! Što materijal lošije provodi toplinu, to je bolje da se zaštiti od hladnoće (ili vrućine). Na primjer, obična mast vrlo slabo provodi toplinu (ima nisku toplinsku provodljivost, kako bi rekli fizičari). Zato su sve toplokrvne životinje koje žive u hladnim morima ili na sjeveru tako debele. Tuljani, polarni medvjedi, vidre, morski lavovi i foke - pogledajte ih: sloj masti sa slabom toplotnom provodljivošću služi kao svemirsko odijelo, pokrivač koji ih obavija od glave do pete. Uradimo jednostavan eksperiment. Za to su nam potrebne dvije kašike: drvena i aluminijumska. Ako u kući nemate drvenu kašiku, uzmite drveni štap ili običnu olovku. Umjesto aluminijske kašike, možete uzeti komad debele bakarne žice. Zakuhajte čajnik i sipajte kipuću vodu u običnu šolju. Sada uzmite drvenu kašiku (olovku) u jednu ruku i aluminijumsku kašiku (komad žice) u drugu i oboje stavite u kipuću vodu. Neko vrijeme možete miješati kipuću vodu s obje kašike. Ali uskoro će metal morati biti napušten - postaje vrlo vruć.

Sada nam je jasno kako se tvari razlikuju u toplinskoj provodljivosti. Na kraju krajeva, temperatura vode u čaši je ista, ali se toplota koja prolazi kroz predmete spuštene u vodu različito prenosi. Takođe možete zamisliti da ako je toplota nevidljiva tečnost, onda je metal zgodno crevo kroz koje tečnost brzo teče. A drvo i plastika su spužva koja, iako upija toplinu, oslobađa je polako i nevoljko.

I postaje nam jasno zašto se u kupatilu (sauni) ekseri zabijaju duboko da glave ne vire. Sve je to zbog toplotne provodljivosti!

Praktični savjeti: Nikada ne dodirujte željezne predmete jezikom na hladnom. Tečnost koja se nalazi na jeziku odaje svoju toplotu metalu takvom brzinom (na kraju krajeva, metal ima dobru toplotnu provodljivost!) da se istog trenutka pretvara u led, a jezik se čvrsto drži i smrzava za metal. Ali ako se to dogodi, neko treba da napuni veliku šolju toplu vodu i izlio ga na metal i jezik. Kada se metal na ovom mjestu zagrije, led će se otopiti i jezik će se odvojiti od samog metala.

Unutrašnja energija, kao i svaka vrsta energije, može se prenijeti s jednog tijela na drugo. Unutrašnja energija se može prenositi s jednog dijela tijela na drugi. Tako, na primjer, ako se jedan kraj nokta zagrije u plamenu, onda će se njegov drugi kraj, koji se nalazi u ruci, postepeno zagrijati i spaliti ruku. Fenomen prijenosa unutrašnje energije s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo pri njihovom direktnom dodiru naziva se toplotna provodljivost.
Hajde da proučimo ovaj fenomen izvodeći seriju eksperimenata sa čvrstim materijama, tečnostima i gasovima. Stavimo kraj drvenog štapa u vatru. Zapaliće se. Drugi kraj štapa, koji se nalazi napolju, biće hladan. To znači da drvo ima lošu toplotnu provodljivost. Prinesimo kraj tanke staklene šipke plamenu alkoholne lampe. Nakon nekog vremena će se zagrijati, ali će drugi kraj ostati hladan. Shodno tome, staklo takođe ima lošu toplotnu provodljivost. Ako zagrijemo kraj metalne šipke u plamenu, vrlo brzo će cijeli štap postati jako vruć. Više ga nećemo moći držati u rukama. To znači da metali dobro provode toplinu, odnosno imaju visoku toplinsku provodljivost. Srebro i bakar imaju najveću toplotnu provodljivost.
Razmotrimo prijenos topline s jednog dijela čvrste tvari na drugi u sljedećem eksperimentu. Pričvrstite jedan kraj debele bakrene žice na stativ. Nekoliko eksera pričvrstimo na žicu voskom (slika 6). Kada se slobodni kraj žice zagrije u plamenu alkoholne lampe, vosak će se otopiti. Karanfili će postepeno početi da otpadaju. Prvo će nestati oni koji se nalaze bliže plamenu, a zatim svi ostali redom. Hajde da saznamo kako se energija prenosi kroz žicu. Brzina oscilatorno kretanje metalne čestice se povećavaju u onom dijelu žice koji je bliže plamenu. Budući da čestice stalno međusobno djeluju, brzina kretanja susjednih čestica se povećava. Temperatura sljedećeg dijela žice počinje rasti, itd. Treba imati na umu da kod toplinske provodljivosti nema prijenosa tvari s jednog kraja tijela na drugi. Razmotrimo sada toplotnu provodljivost tečnosti. Uzmimo epruvetu s vodom i počnemo zagrijavati njen gornji dio. Voda na površini će ubrzo proključati, a na dnu epruvete za to vreme će se samo zagrejati (slika 7). To znači da tečnosti imaju nisku toplotnu provodljivost, sa izuzetkom žive i rastopljenih metala. To se objašnjava činjenicom da se u tekućinama molekule nalaze na većoj udaljenosti jedna od druge nego u čvrstim tvarima. Hajde da proučimo toplotnu provodljivost gasova.
Stavite suvu epruvetu na prst i zagrejte je naopako u plamenu alkoholne lampe (slika 8). Prst dugo neće osjetiti toplinu. To je zbog činjenice da je udaljenost između molekula plina čak i veća od udaljenosti tekućina i čvrstih tvari. Posljedično, toplinska provodljivost plinova je još niža. Dakle, toplinska provodljivost različitih tvari je različita. Eksperiment prikazan na slici 9 pokazuje da je toplotna provodljivost od razni metali nije isto. Vuna, kosa, ptičje perje, papir, pluta i druga porozna tijela imaju slabu toplotnu provodljivost. To je zbog činjenice da se između vlakana ovih tvari nalazi zrak. Vakuum (prostor oslobođen od vazduha) ima najmanju toplotnu provodljivost.

To se objašnjava činjenicom da je toplinska provodljivost prijenos energije s jednog dijela tijela na drugi, koji se javlja tijekom interakcije molekula ili drugih čestica. U prostoru u kojem nema čestica ne može doći do toplotne provodljivosti. Ako postoji potreba da se tijelo zaštiti od hlađenja ili zagrijavanja, tada se koriste tvari niske toplinske provodljivosti. Dakle, za lonce i tave ručke su napravljene od plastike. Kuće se grade od balvana ili cigle, koje imaju slabu toplotnu provodljivost, što znači da štite prostor od hlađenja.

Opcija 1. Oprema: Epruveta sa lampom za vodu i alkohol.

Da bi se demonstrirala slaba toplotna provodljivost tečnosti, voda se sipa u epruvetu do ¾ njene zapremine. Držeći epruvetu u rukama pod blagim uglom iznad plamena alkoholne lampe, zagrejte vodu na otvorenom kraju (Sl. 130). Oni pokazuju da voda ovdje brzo ključa, ali se mnogo topline ne osjeća ispod.

Rice. 130 Fig. 2.105 Sl. 131

Eksperiment 4. Toplotna provodljivost gasova

Opcija 1. Oprema: dvije epruvete, dva čepa, dva štapa, dvije kuglice, alkoholna lampa, tronožac, ovjes.

Slaba toplotna provodljivost vazduha se pokazuje korišćenjem dve identične epruvete, zatvorene čepovima, kroz koje se provlače kratke šipke. Čelične kuglice su pričvršćene na krajeve šipki plastelinom ili parafinom (Sl. 131). Epruvete se postavljaju preko alkoholne lampe tako da u jednoj od njih nastaje konvekcija, a u drugoj toplotna provodljivost vazduha. Primjećuju da u jednoj epruveti lopta brzo otpada od štapa.

Opcija 2. Vidi sl. 2.105

Eksperiment 5. Konvekcija tečnosti

Opcija 1. Oprema: uređaj za demonstraciju tečne konvekcije, kalijum permanganat, alkoholna lampa, tronožac.

Uređaj, koji je zatvorena staklena cijev (sl. 132), pričvršćen je u nogu stativa. (Bolje ju je objesiti nego cijev stegnuti na dnu, jer je u drugom slučaju veća vjerovatnoća da se staklo razbije.) Kroz gornji otvor bilo kojeg koljena, cijev se puni vodom tako da ima nema mjehurića zraka duž cijelog zatvorenog puta unutar cijevi.

Prilikom izvođenja eksperimenta, kristali kalijum permanganata se stavljaju u kašiku sa mrežicom i spuštaju u koleno (možete istovremeno spustiti dve kašike sa kristalima kalijum permanganata u oba kolena). Zatim se na donji dio ovog lakta dovede špiritus i uočava se konvekcija.

Rice. 132 Fig. 133

Eksperiment 6. Konvekcija gasova

Opcija 1. Oprema: alkoholna lampa, šibice, papirna zmija, metalni vrh.

Da bi se demonstrirala konvekcija gasa, napravljena je zmija od papira, koja se rotira u mlazu vrućeg vazduha koji se diže iz alkoholne lampe ili električne peći (Sl. 133). (Kada postavljate zmiju na vrh, nemojte bušiti papir.)

Eksperiment 7. Zagrijavanje zračenjem

Opcija 1. Oprema: prijemnik topline, otvoreni pokazni manometar, stolna lampa (ili električni štednjak).

Prijemnik topline, povezan cijevi sa demonstracionim manometrom (vidi sliku 123), montiran je u tronožac nasuprot emitera. Kao zračeće tijelo možete uzeti električni štednjak, posudu sa toplom vodom itd. Prijemnik topline se tamnom stranom stavlja na bok i očitavanja manometra se promatraju 1-2 minute.

Zatim okrenite prijemnik toplote sa svojom sjajnom površinom prema lampi koja se nalazi na istoj udaljenosti od prijemnika toplote i istovremeno pratite očitavanje manometra. Oni donose zaključak.

U drugoj seriji eksperimenata, intenzitet lampe (ili udaljenost do emitera) je smanjen i promjena očitavanja manometra je ponovo uočena pod istim uvjetima. Oni donose zaključak.

Opcija 2. Vidi sl. 2,99; 2.101.

Pitanje. U kom slučaju se očitavanje merača pritiska tečnosti menja?

se događa brže ako su prijenosnik topline i hladnjak okrenuti jedan prema drugom sa sjajnim površinama ili ako su okrenuti jedan prema drugom sa pocrnjelim površinama?

Rice. 123 Fig. 2.101 Sl. 2.99

Slajd 2

Koncept prijenosa topline u praksi

Slajd 3

I za početak, kako se u fizici zove prenos toplote i šta to znači...

Prijenos topline u fizici je proces promjene unutrašnje energije tijela bez vršenja rada na tijelu ili samom tijelu. Postoje 3 vrste prenosa toplote.

Slajd 4

Pogled 1 Toplotna provodljivost Pogled 2 Konvekcija Pogled 3 Zračenje

Slajd 5

Šta je ovo uopšte?!

Slajd 6

Eksperiment br. 1 - Toplotna provodljivost

Stavite drvenu dasku i ogledalo na sto (ili gdje god je to moguće), u blizini. Između njih postavite sobni termometar. Nakon dužeg vremena (čekali smo 30 minuta), možemo pretpostaviti da su temperature drvene ploče i ogledala bile jednake. Termometar pokazuje temperaturu vazduha. Isto kao, očigledno, daska i ogledalo. Dodirnite ogledalo dlanom. Osetićete hladnoću čaše. Odmah dodirnite ploču. Delovaće mnogo toplije. sta je bilo? Na kraju krajeva, temperatura vazduha, daske i ogledala je ista. Staklo je dobar provodnik toplote. Kao dobar provodnik toplote, staklo će odmah početi da se zagreva iz vaše ruke i počeće da pohlepno „ispumpava“ toplotu iz njega. Zbog toga osećate hladnoću u dlanu. Drvo lošije provodi toplinu. Takođe će početi da „pumpa“ toplotu u sebe, zagrevajući se iz vaše ruke, ali to radi mnogo sporije, tako da ne osetite oštru hladnoću. Dakle, drvo izgleda toplije od stakla, iako oba imaju istu temperaturu.

Slajd 7

Slajd 8

U gornjem eksperimentu ispitivali smo fenomen prijenosa unutrašnje energije s jednog tijela na drugo (s jednog njegovog dijela na drugi), u fizici se ovaj proces naziva toplotna provodljivost.

Slajd 9

Eksperiment br. 2 - Konvekcija

Zagrevamo obojenu vodu ulivenu u epruvetu na vrhu. Na dnu epruvete upotrijebite uteg (BOLT) da pričvrstite komad obojenog leda. Gornji sloj vode ključa, ali donji sloj ostaje hladan (led se ne topi). Zašto? Zagrijemo epruvetu odozdo, a na površinu vode stavimo komad leda. Voda u epruveti ključa. Led se topi. Zašto? Nastaje problematična situacija: zašto cijela masa vode ključa kada se epruveta zagrije odozdo, a njen gornji sloj ključa kada se zagrije odozgo?

Slajd 10

Slajd 11

Zagrevamo vodu u epruveti odozgo.

Slajd 12

Gornji sloj vode je proključao, ali je donji sloj ostao hladan.

Slajd 13

Stavite komad leda na površinu vode.

Slajd 14

Zagrijte epruvetu odozdo

Slajd 15

Voda u epruveti ključa. Led se topi.

Slajd 16

Ovaj fenomen se može objasniti na sljedeći način: svaka tvar koja nije u čvrstom agregacijskom stanju širi se kada se zagrije i postaje manje gusta => zagrijana tvar se diže na vrh, a manje zagrijana tvar pada dolje. Stoga se zagrijani slojevi vode (u prvom slučaju) nisu spustili, a zbog toga se led nije otopio. A u drugom slučaju, zagrijani slojevi se dižu do vrha, zbog čega se led zapravo topi. Ovaj i slični procesi u fizici se nazivaju KONVEKCIJA. Ovaj proces karakterizira kretanje. Postoje prisilne i prirodne konvekcije (njihove definicije potiču iz njihovih naziva).

Slajd 17

Eksperiment br. 3 - Zračenje

Za ovaj eksperiment nam je potrebna boca koja je zadimljena s jedne strane, u koju ubacujemo (kroz čep) zakrivljenu staklenu cijev pod pravim uglom. Ubrizgajmo obojenu tečnost u ovu epruvetu. Donesimo komad metala (šrafa) zagrijanog na visoku temperaturu u tikvicu, a stup tečnosti će se pomeriti ulevo (pogledajte video kadrove) => vazduh se zagrejao i proširio, a brzo zagrevanje vazduh u termoskopu se može objasniti samo prenosom energije na njega sa zagrejanog tela. U ovom slučaju, prijenos energije se dogodio na nama dotad nepoznat način, koji se može izvršiti u potpunom vakuumu - to je zračenje. Apsolutno sva tijela zrače energiju, bez obzira na njihovu temperaturu. Pri apsorpciji energije tijela se različito zagrijavaju, ovisno o stanju površine. Tijela sa tamnom površinom apsorbiraju i emituju energiju bolje od tijela sa svijetlom površinom.