Примеры теплопередачи в природе и в технике

Для того, чтобы был понятен механизм тепловых процессов, мы рассмотрели теплопроводность, конвекцию и излучение раздельно. Однако часто на практике все они происходят одновременно. Вследствие этого, создавая тот или иной прибор или машину, нужно учитывать все три вида теплопередачи, чтобы действие машин было эффективным.

В одних случаях необходимо обогревать и сохранять тепло. В других — очень важно охлаждение.

Теплопередача для обогрева жилища

Для обогрева жилища используют домашний радиатор. Металл, из которого изготовлен радиатор, — хороший проводник, и поэтому благодаря теплопроводности тепло быстро передается от металла в окружающий воздух.

Передача энергии от теплой воды в радиаторе к воздуху в комнате осуществляется за счет теплопроводности, а распределение энергии и прогревание воздуха в помещении — за счет конвекции.

Явление конвекции учитывается в системе центрального водяного отопления помещений. Горячая вода с теплоэлектроцентрали подается в расширительный бак, расположенный на чердаке здания. Из бака но системе труб вода поступает в отопительные радиаторы. Здесь вода отдает свою энергию воздуху в помещении и опускается вниз, где поступает в котел, нагревается в нем и снова поднимается вверх.

В последнее время в целях экономии топлива большое внимание уделяется тепловой изоляции домов. В качестве изоляционного материала используют пористые стенки. Стены заполняются таким веществом, как пластмассовая пена, в которой имеются маленькие пузырьки воздуха. В этом случае отсутствует конвекция и улучшается теплоизоляция.

Двойные рамы в окне также улучшают теплоизоляцию. Между двумя стеклами содержится слой воздуха, который является хорошим теплоизолятором.

На крышах домов размещается теплоизолирующий материал в виде гранул или волокон для предотвращения потерь тепловой энергии путем теплопроводности.

Охлаждающие устройства помещаются так, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Морозильная камера в холодильнике помещена сверху. В этом случае холодный воздух опускается ко дну, а теплый воздух наверху постоянно охлаждается. Аналогично располагают кондиционеры, вентиляторы, форточки.

Теплопередача в сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве виды теплопередачи учитываются и используются в сооружении теплиц, погребов, в защите посадок с помощью снежного покрова.

Температура нижнего слоя воздуха, прилегающего к земле, и поверхностного слоя почвы влияет на развитие растений. Днем почва поглощает энергию и нагревается, ночью, наоборот, охлаждается. Причем темная, вспаханная почва сильней нагревается излучением, но быстрее охлаждается, чем почва, покрытая растительностью.

На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. Значительные изменения в тепловой баланс Земли вносят облака. Они задерживают лучи, поэтому в пасмурный день прохладнее, чем в ясный. Зато в ясную ночь холоднее, чем в пасмурную. Заморозки могут наступить только в ясную, безоблачную ночь, когда тепловое излучение почвы больше, чем тепловое излучение атмосферы, и оно не задерживается облаками.

Перенос тепла в атмосфере

Полному использованию излучения Солнца в целях повышения температуры почвы и прилегающего к ней воздуха способствуют теплицы. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками, которые хорошо пропускают внутрь видимое солнечное излучение. Попадая на темную почву, эти лучи нагревают ее. Тепловая энергия, излучаемая нагретой поверхностью земли, плохо проходит через стекло или пленку. Кроме того, такая поверхность препятствует осуществлению конвекции и действует как “ловушка” энергии. Внутри теплиц температура выше примерно на 10°С, чем на открытом грунте.

Перенос тепла в атмосфере не подобен конвекции в комнате — от горячей печи к холодному окну. Движения воздуха в атмосфере носят очень сложный характер. Основная причина этого — большая скорость вращения Земли вокруг своей оси.

Примером возникновения конвективного течения в атмосфере является образование ветров с больших водоемов к суше и наоборот — морских и береговых бризов.

В течение дня температура земли становится выше, чем моря. Теплый воздух расширяется, становится менее плотным. Этот воздух поднимается вверх, а более холодный воздух над морем замещает его. Возникает циркулирующее течение.

Ночью происходит обратный процесс. Земля быстрее охлаждается до температуры ниже температуры моря. Поэтому воздух над морем теплее воздуха над землей. Возникает циркуляционный конвективный поток в обратном направлении. Днем ветер дует с моря на сушу — морской бриз, ночью — с суши на море — береговой бриз.

Теплопередача в термосе

Для предотвращения таяния льда, мороженого, сохранения горячей пищи и воды пользуются термосом. Колба термоса — очень полезное изобретение, почти полностью исключающее теплопроводность, конвекцию и излучение. Она состоит из стеклянного сосуда с двойными стенками и пробки. Из пространства между стенками выкачивается воздух и создается вакуум. Внутренние поверхности стенок, между которыми создан вакуум, до зеркального блеска посеребрены для уменьшения потерь тепловой энергии через излучение. Причем внутренняя стенка — плохой излучатель, а внешняя — плохой поглотитель энергии.

Безвоздушное пространство между стенками не может передавать тепловую энергию ни путем теплопроводности, ни путем конвекции. Важна роль пробки 2. Она предотвращает передачу тепла, устанавливающегося над поверхностью жидкости, помещенной в колбу термоса, или наоборот — извне в данный объем.

Чтобы защитить хрупкое стекло от повреждений, термос помещают в картонный или металлический футляр 4. Сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Передача тепловой энергии — это двусторонний процесс, и колба термоса используется для сохранения как холодных, так и горячих веществ.

Читайте наши темы по физике:

• Сила трения в технике — как ее уменьшить с помощью подшипников
• Электризация тел
• Абсолютная влажность воздуха
• Как перевести с км/ч в м/с
• Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба от вымерзания
• Первый закон Ньютона
• Перевод размерности скорости из км/ч в м/с и из м/с в км/ч
• Рассеяние солнечного света в облаках
• Развитие электродинамики и открытия физиков
• Резонанс — это что в физике