Конвекция где происходит: Физика. Конспект «Конвекция»

Содержание

Физика. Конспект «Конвекция» | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Конвекция». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое конвекция. Какие виды конвекции существуют.

Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике

Если жидкости и газы обладают низкой теплопроводностью, то как же тогда нам удаётся достаточно быстро прогреть воздух в помещении и вскипятить воду?

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВОЗДУХЕ

Находясь рядом с горячей плитой, можно почувствовать тёплые струи воздуха, поднимающиеся над ней. Этот же эффект хорошо ощущается, если сверху поднести руку к горящей свече или горящей электрической лампочке.

Это физическое явления используется в игрушке «музыкальная ёлочка». Когда зажигаются свечки, под действием возникающих струй тёплого воздуха, направленных вверх, вертушка начинает вращаться, а колокольчики — звенеть.

Если сделать из бумаги спираль и поместить её над включённой электрической лампочкой, как показано на рисунке, под действием поднимающегося нагретого воздуха спираль начнёт вращаться.

В этом опыте, так же как и в игрушке «музыкальная ёлочка», происходит нагревание воздуха, находящегося вблизи горящей лампочки или свечи. При этом он расширяется, и его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. Под действием выталкивающей (архимедовой) силы со стороны холодного воздуха тёплый воздух вытесняется вверх. Образовавшийся воздушный поток и вращает спираль.

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЖИДКОСТИ

Аналогичные явления происходят и при нагревании жидкости, если источник тепла находится снизу.

Нагретые слои жидкости имеют меньшую плотность. Поэтому сила тяжести, действующая на них, становится меньше архимедовой силы, действующей на эти слои со стороны окружающей жидкости. Вследствие этого нагретые слои воды начинают подниматься вверх, а на их место опускаются более холодные слои жидкости. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не прогреется одинаково по всему объёму.

Рассмотрим следующий опыт. На дно колбы с водой аккуратно опустим несколько кристалликов любого красителя (например, марганцовокислого калия). Начнём нагревать колбу снизу. Сразу станет хорошо видно, как со дна колбы поднимаются окрашенные струйки воды.

КОНВЕКЦИЯ

При нагревании воздуха или воды снизу происходит теплопередача, обусловленная переносом вещества и отличающаяся от теплопроводности. Этот процесс называют конвекцией (от лат. convectio — перенесение).

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками (или струями) жидкости или газа.

В 7 классе мы говорили о том, что строение твёрдых тел отличается от строения жидкостей и газов. В твёрдых телах перенос вещества невозможен, поэтому конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. В твёрдых телах она не происходит.

В закрытом помещении при работе отопительных приборов всегда возникает явление конвекции. Поэтому разница температур воздуха у пола и вблизи потолка может достигать нескольких градусов.

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ

Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную. Рассмотренные выше процессы нагревания воздуха и жидкости являются примерами естественной конвекции. Для её возникновения требуется либо подогрев жидкости или газа снизу, либо охлаждение сверху.

Вынужденная конвекция наблюдается в случае, когда потоки нагретой или охлаждённой жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов.

КОНВЕКЦИЯ В ПРИРОДЕ

Конвекция является очень распространённым явлением в природе. Она выполняет основную роль в образовании в атмосфере потоков воздуха — ветров. Нагреваясь над одними участками земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу.

Эти же причины порождают дневные и ночные бризы — ветры, попеременно дующие от моря к суше днём и от суши к морю ночью. В течение дня температура земли становится заметно выше, чем температура моря. Соответственно и воздух, соприкасающийся с землёй, теплеет, расширяется и его плотность уменьшается. За счёт явления конвекции возникает циркулирующее течение воздушных масс. Ночью происходит обратный процесс, так как земля охлаждается до температуры, которая ниже, чем температура моря.

Благодаря конвекции птицы способны подолгу парить в воздухе. Разные участки земли прогреваются по-разному, и из-за этого возни кают восходящие воздушные потоки. Эти же потоки используются при полётах на дельтапланах.

Из-за конвекции нагретый пар из труб котельных и дым из печных труб при отсутствии ветра поднимаются вверх, так как имеют более низкую плотность, чем окружающий воздух.

В быту мы привыкли к тому, что при нагреве воды источник тепла располагается снизу.

Нагревательные приборы в комнате также всегда расположены внизу.

Опыты показывают, что при нагревании сверху как жидкостей, так и газов конвекции не происходит. В этом случае просто не возникает выталкивающая сила, так как нагретые слои с меньшей плотностью располагаются сверху.

Естественная и вынужденная конвекция лежат в основе действия отопительной системы зданий. Нагревание воды может производиться либо непосредственно в здании при помощи специального котла, либо за пределами отапливаемого помещения при наличии системы центрального отопления. Горячая вода, поступающая в дом или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по помещениям, отдавая тепло в радиаторах.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Конвекция».

Вернуться к Списку конспектов по физике

(Оглавление).

Конвекция | 8 класс | Физика

Содержание

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. На данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Рассмотрим физику данного явления. Будем использовать самый банальный пример — что будет происходить с водой, которую мы нагреваем в кастрюле на плите (рисунок 2) .

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

{"questions":[{"content":"При конвекции[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["теплые слои поднимаются, а холодные опускаются","теплые слои опускаются, а холодные поднимаются","жидкость равномерно нагревается"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Конвекция в газах

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

{"questions":[{"content":"При конвекции нагретый слой воздуха[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["имеет меньшую плотность, чем холодный","имеет большую плотность, чем холодный","имеет такую же плотность, как и холодный"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,

для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

Естественная (свободная)
Вынужденная

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем вентилятор или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

{"questions":[{"content":"Чтобы происходила конвекция, жидкость или газ необходимо нагревать[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["снизу","сверху","равномерно по всему объему"],"answer":[0]}},"hints":[]}]}

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Конвекция в природе

Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.

Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.

Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.

Что такое конвекция? — Met Office

Как работает конвекция?

Конвекция работает за счет того, что области жидкости или газа нагреваются или охлаждаются больше, чем их окружающая среда, вызывая разницу в температуре. Затем эти температурные различия заставляют области перемещаться по мере того, как более горячие и менее плотные области поднимаются, а более прохладные и более плотные области опускаются.

Часто области нагрева и охлаждения фиксированы и позволяют установить конвективные циклы или потоки. Например, в кастрюле с водой над пламенем могут возникать конвективные потоки, когда вода нагревается снизу, поднимается на поверхность и охлаждается. После достаточного охлаждения вода опускается обратно на дно кастрюли, где цикл повторяется, и конвективное опрокидывание продолжается.

Почему возникает конвекция?

Конвекция — это жизненно важный процесс, который помогает перераспределять энергию от более горячих областей к более холодным областям Земли, способствуя температурной циркуляции и уменьшая резкие перепады температур. Без конвекции простые задачи, такие как кипячение воды в чайнике, выполнялись бы намного медленнее, поскольку только вода, непосредственно контактирующая с нагревательным кольцом на дне чайника, могла бы нагреваться, а вода наверху оставалась бы холодной.

Чем конвекция отличается от проводимости?

Конвекция — это движение частиц через вещество, переносящее их тепловую энергию из более горячих областей в более холодные. Однако проводимость не обязательно связана с движением частиц. Вместо этого энергия передается от одной частицы к другой при контакте с передачей тепла. В результате проводимость в жидкостях и газах является гораздо более медленным процессом, чем конвекция, поскольку частицы могут свободно перемещаться, а прямой контакт уменьшается. Однако проводимость в твердых телах намного эффективнее, чем конвекция, поскольку частицы плотно упакованы, постоянно соприкасаясь друг с другом, что обеспечивает эффективную передачу тепла. Кроме того, в твердых телах частицы неподвижны и не могут двигаться, прекращая передачу энергии посредством конвекции.

Как конвекция влияет на погоду?

В нашу погоду часто можно наблюдать конвекцию в атмосфере. Например, когда солнце нагревает поверхность Земли, воздух над ним нагревается и поднимается вверх. Если позволяют условия, этот воздух может продолжать подниматься вверх, охлаждаясь при этом, образуя кучевые облака. Более сильная конвекция может привести к образованию гораздо более крупных облаков, поскольку воздух поднимается выше, прежде чем он охладится, иногда создавая кучево-дождевые облака и даже грозы.

Видна ли конвекция?

Конвекция – это восходящее движение более теплых участков жидкости или газа и опускание более холодных участков жидкости или газа, иногда образующие полный цикл. Однако часто это трудно увидеть, особенно в воздухе. Тем не менее, если конвективные облака образуются в солнечный день, часто можно наблюдать, как они увеличиваются в размерах и становятся выше по мере того, как все больше и больше воздуха поднимается с поверхности и конденсируется выше в облаке.

Как конвекция влияет на морские течения?

Океанские течения действуют как конвейерные циркуляции, которые помогают распределять тепло от экватора к полюсам. Однако на эти течения влияет конвекция из-за влияния температуры и солености океана (концентрация соли в воде) на плотность.

Теплые воды океана вблизи экватора оттесняются к полюсу преобладающими ветрами и уносятся в более высокие широты, где они охлаждаются за счет испарения и взаимодействия с более холодными ветрами. Следовательно, соленость увеличивается, а температура снижается, в результате чего вода становится более плотной и, следовательно, тонет в процессе конвекции. Этот процесс погружения известен как даунвеллинг и имеет жизненно важное значение для движения океанских течений за счет подачи воды в глубоководные течения, которые переносят ее обратно в тропики. Поэтому без конвекции воды не смогли бы подняться/опуститься, прекратив перенос воды между полюсами и экватором.

Примеры конвекции

Конвекция возникает, когда тепло передается через газ или жидкость более горячим материалом, движущимся в более холодную область. Узнайте, что такое конвекция на самом деле, и рассмотрите несколько примеров этого явления.

пример конвекции

Что такое конвекция?

Прежде чем рассматривать примеры, важно понять определение конвекции, чтобы вы понимали, что такое конвекция на самом деле. Конвекция — это передача тепла, связанная с движением, которое происходит внутри жидкости из-за подъема более горячих материалов в сочетании с опусканием более холодных материалов. Это происходит потому, что более горячие материалы имеют меньшую плотность, чем более холодные.

В метеорологии конвекцией называется перенос тепла и других атмосферных свойств за счет движения масс воздуха, особенно в восходящем направлении. В геологии это медленное движение материала под земной корой. Некоторая конвекция создана человеком.

Повседневные примеры конвекции

В повседневной жизни существует множество примеров конвекции, в том числе несколько обычных бытовых явлений.

кипяток — Когда вода закипает, тепло от горелки переходит в кастрюлю, нагревая воду на дне. Эта горячая вода поднимается, а более холодная вода движется вниз, чтобы заменить ее, вызывая круговое движение.
радиатор — Радиатор выпускает теплый воздух сверху и втягивает более холодный воздух снизу.
дымящаяся чашка горячего чая — Пар, который вы видите, когда пьете чашку горячего чая, указывает на то, что тепло передается воздуху.
таяние льда — Лед тает, потому что тепло передается льду из воздуха. В результате лед превращается из твердого в жидкое.
оттаивание замороженных продуктов — Замороженные продукты быстрее оттаивают под холодной проточной водой, чем если их поместить в воду. Это связано с тем, что под действием проточной воды тепло передается пище быстрее, чем если бы замороженный продукт был помещен в стоячую воду.
принудительная конвекция — Когда для облегчения конвекции используется вентилятор, насос или всасывающее устройство, возникает принудительная конвекция. Повседневные примеры этого можно увидеть в кондиционировании воздуха, центральном отоплении, автомобильном радиаторе, использующем жидкость, или конвекционной печи.

Примеры конвекции в метеорологии

Многие погодные условия являются результатом конвекции. С точки зрения метеорологии конвекция — это просто восходящее движение воздуха в атмосфере. Звучит достаточно просто, но при определенных условиях это может привести к суровым погодным условиям.

конвективные облака — Когда в воздухе много влаги, конвекционные потоки уносят эту влагу в небо, образуя конвективные облака. Когда капли накапливаются в облаках в достаточной степени, результатом будут осадки в виде конвективной грозы.
линии шквала — Линия шквала является разновидностью конвективной грозы. Этот тип конвективного явления вызывает череду гроз, сопровождаемых сильным ветром и ливневым дождем.
суперячейка — Суперячейка представляет собой более сильную форму конвективной грозы. Этот тип шторма обычно длится в течение длительного периода времени (час или дольше) и имеет высокую вероятность образования опасных торнадо.

Примеры конвекции, связанные с движением воздуха

Хотя конвекция наблюдается реже, чем повседневные примеры конвекции, происходящие дома и погодные явления, существует ряд других примеров конвекции, связанной с движением воздуха.

воздушный шар — Обогреватель внутри воздушного шара нагревает воздух, заставляя воздух двигаться вверх. Это заставляет воздушный шар подниматься, потому что горячий воздух попадает внутрь. Когда пилот хочет снизиться, человек выпускает часть горячего воздуха. Его место занимает холодный воздух, заставляя воздушный шар опускаться.
эффект дымохода — Эффект дымохода, также называемый эффектом дымохода, представляет собой движение воздуха внутрь и наружу зданий, дымоходов или других объектов из-за плавучести. В этом случае плавучесть относится к различной плотности воздуха между воздухом внутри и воздухом снаружи. Выталкивающая сила увеличивается из-за большей высоты конструкции и большей разницы между уровнем нагрева внутреннего и наружного воздуха.

Примеры конвекции, относящиеся к геологии

Хотя влияние геологической конвекции нельзя наблюдать в режиме реального времени, она сильно влияет на мир природы. Ряд природных явлений связан с конвекцией, связанной с геологией.

мантийная конвекция — Каменистая мантия Земли движется медленно из-за конвекционных течений, переносящих тепло из недр Земли на поверхность. Это причина того, что тектонические плиты постепенно движутся вокруг Земли. Горячий материал добавляется на растущие края пластины, а затем охлаждается. На краях потребления материал становится плотным, сжимаясь от тепла, и погружается в землю в океанской впадине. Это провоцирует образование вулканов.
гравитационная конвекция — Поскольку пресная вода плавает в соленой воде, сухая соль диффундирует вниз во влажную почву. Это пример гравитационной конвекции.

океаническая циркуляция — Конвекция заставляет океаны постоянно циркулировать по всему миру. Теплая вода вокруг экватора циркулирует к полюсам, а более холодная вода на полюсах движется к экватору.

Конвекция, связанная со звездами

Хотя звезды не находятся ниже поверхности земли, вы также можете увидеть принципы конвекции в действии при рассмотрении конвекции, связанной со звездами, которую также можно назвать звездной конвекцией. У звезды есть конвекционная зона, где энергия перемещается за счет конвекции. За пределами активной зоны находится зона излучения, в которой движется плазма. Конвекционный ток образуется, когда плазма поднимается, а охлажденная плазма опускается.

Понимание конвекции

Эти различные примеры конвекции показывают, как конвекция происходит во многих антропогенных и природных явлениях. Теперь, когда вы знакомы с примерами конвекции, рассмотрите возможность расширения своих знаний о связанных с ней научных явлениях.

Конвекция где происходит: Физика. Конспект «Конвекция» | Частная школа. 8 класс