Конвекция. Излучение

Два вопроса к одной кружке

Поставь тёплую кружку рядом с холодным окном. Над кружкой воздух движется вверх, а от окна более холодный воздух опускается. При этом ладонь ощущает тёплую кружку даже сбоку, не касаясь её.

Струйки над кружкой помогают увидеть движение воздуха. Они не являются самим «теплом».

Почему энергия проходит через воздух, хотя на прошлом занятии мы выяснили, что воздух плохо проводит её? И как энергия достигает ладони без контакта с кружкой? Здесь работают два разных механизма — конвекция и излучение.

Сначала предскажи движение воды

В прозрачный сосуд с водой учитель осторожно вводит у дна немного тёплой подкрашенной воды. Нарисуй стрелку прогноза: куда пойдёт струйка? Затем представь, что холодную подкрашенную воду вводят у поверхности. Куда направится она?

Схематическая модель показывает направление потоков, а не точные траектории каждой частицы.

В опыте тёплая струйка обычно поднимается, а холодная опускается. Причинная цепочка такова:

1. Участок жидкости нагревается и расширяется.
2. Его плотность становится меньше плотности окружающей жидкости.
3. В поле тяжести более плотная окружающая жидкость вытесняет менее плотный тёплый объём вверх.
4. На освободившееся место перемещается более холодная жидкость.
5. Возникает циркуляция, которая переносит энергию вместе с движущимся веществом.

Важно: фраза «тёплая вода легче» неполна. Сравнивают плотности, а подъём объясняют действием окружающей жидкости в поле тяжести.

Что называют конвекцией

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа вместе с перемещающимся веществом.

У конвекции есть три узнаваемых признака:

• среда — жидкость или газ;
• перемещаются объёмы вещества;
• вместе с ними переносится энергия.

В твёрдом теле конвекции нет: его части не могут свободно образовать циркулирующие потоки. Однако теплопроводность в твёрдом теле продолжается.

Поток воздуха тоже можно увидеть

Лёгкую бумажную спираль подвешивают над безопасным источником тёплого воздуха. Спираль начинает вращаться. Источник не толкает бумагу напрямую: её вращает восходящий поток воздуха.

Это качественная демонстрация существования потока, а не измерение его скорости.

Естественная конвекция возникает из-за различия плотностей в поле тяжести. Вынужденную конвекцию создаёт внешнее устройство: вентилятор, насос или мешалка. В обоих случаях энергия переносится движущимся веществом, но причина движения различается.

Почему радиатор ставят у холодного окна

Воздух у радиатора нагревается и поднимается. У холодного стекла он охлаждается и опускается. Так возникает циркуляция воздуха по комнате.

Стрелки показывают упрощённую схему основного потока; реальное движение воздуха сложнее и зависит от мебели, вентиляции и расположения источников.

Радиатор передаёт энергию не только конвекцией. Он также излучает и соприкасается с воздухом. В реальной ситуации механизмы часто действуют одновременно; задача физика — определить, какой признак подтверждает каждый из них.

Перенос без потока вещества

Представь две одинаковые поверхности — матовую тёмную и светлую — на одинаковом расстоянии от лампы. За поверхностями находятся одинаковые термометры. До опыта их температуры одинаковы, время освещения тоже одинаково.

Это схема установки без нарисованного результата. Доказательством служат показания реальных приборов или заранее полученный набор данных.

Если датчиков нет, используй учебный модельный набор данных для разбора метода:

Сначала запиши только наблюдение: при одинаковых условиях показания датчика у тёмной поверхности изменились сильнее. Затем сформулируй вывод: в этом опыте матовая тёмная поверхность поглотила больше падающего излучения и нагрелась быстрее. Но нельзя превращать это в правило «чёрное всегда горячее»: результат зависит от источника, расстояния, времени, начальной температуры и теплоотдачи. Если реальные показания отличаются, условия проверяют и опыт повторяют, а числа не подгоняют под ожидание.

Излучение — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся электромагнитными волнами. Для такого переноса вещество между телами не обязательно.

Именно поэтому энергия Солнца достигает Земли через космический вакуум.

Лучевые линии — учебная модель направления переноса энергии, а не фотография невидимого излучения.

Излучают все тела, а не только раскалённые. Чем выше температура тела, тем интенсивнее в целом его тепловое излучение. Видимый свет может сопровождать излучение очень горячего тела, но видимость не является обязательным условием теплопередачи.

Различаем механизмы по признакам

Таблица помогает рассуждать, но не заменяет наблюдение. В ответе сначала назови признак ситуации, а затем механизм.

Безопасное наблюдение

Опыт с окрашенной водой проводит учитель. Используется вода не выше 40 °C, прозрачный сосуд стоит в поддоне, жидкость нельзя пить. Пролив сразу вытирают. Бумажную спираль не размещают над свечой или другим открытым огнём. В опыте с излучением не касаются лампы и пластин и не смотрят на яркий источник.

Дома можно только наблюдать: где расположен радиатор, как движется лёгкая занавеска рядом с ним, где быстрее высыхает влажная салфетка. Не используй пламя, кипяток и не закрывай отопительный прибор.

Типичные ошибки

Проверь себя

1. Почему тёплая окрашенная вода, введённая у дна сосуда, поднимается?
2. Что переносится при конвекции: энергия, вещество или и то и другое?
3. Возможна ли конвекция внутри металлического стержня? Объясни.
4. Чем естественная конвекция отличается от вынужденной?
5. Почему передача энергии от Солнца к Земле не может быть конвекцией?
6. В опыте тёмная карточка стояла ближе к лампе, чем светлая. Можно ли по нему сравнить поглощение? Что надо исправить?
7. Человек чувствует тепло костра сбоку. Какой механизм можно подтвердить отсутствием потока горячего воздуха от костра прямо к человеку?

Сначала ответь письменно хотя бы на пять вопросов. Затем сверь ответы с разбором ниже.

Ответы

1. При нагревании вода расширяется, её плотность уменьшается, и окружающая более плотная вода вытесняет тёплый объём вверх в поле тяжести.
2. Переносятся и энергия, и вещество: движутся объёмы жидкости или газа.
3. Нет. Части твёрдого стержня не образуют свободный поток вещества; энергия в нём передаётся теплопроводностью.
4. Естественный поток возникает из-за различия плотностей в поле тяжести, а вынужденный создаёт вентилятор, насос или другое внешнее устройство.
5. Между Солнцем и Землёй почти вакуум, поэтому нет потока жидкости или газа. Энергия передаётся излучением.
6. Нельзя: изменялось расстояние. Нужны одинаковые расстояния, время освещения, начальные температуры, размеры и материалы основы; меняться должна только поверхность.
7. Излучение: энергия может передаваться от костра к человеку без направленного переноса горячего вещества между ними. В реальности рядом с костром также возникают конвекционные потоки вверх.

Короткий итог

• Конвекция переносит энергию потоками жидкости или газа вместе с веществом.
• Естественная конвекция связана с различием плотностей в поле тяжести.
• Излучение передаёт энергию электромагнитными волнами и возможно в вакууме.
• Тёмную и светлую поверхности сравнивают только при одинаковых условиях.
• В реальной ситуации несколько видов теплопередачи могут действовать одновременно; механизм определяют по наблюдаемым признакам.