Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

§ 9. ТЕПЛООБМІН В ПОБУТІ, ТЕХНІЦІ ТА У ПРИРОДІ

1. Використання конвекції та теплового випромінювання у побуті та в техніці.

У холодну погоду ми обігріваємо свої помешкання і робочі приміщення. А у спекотну - застосовуємо пристрої для охолодження повітря. Для створення сприятливих умов життя необхідно також використовувати вентиляцію. І нагрівання, і охолодження, і вентиляція повітря у приміщеннях ґрунтуються на явищі конвекції.

Обігрівальні установки (печі, плити, радіатори водяного опалення, калорифери) розміщують у приміщеннях знизу, ближче до підлоги. За таких умов теплі шари повітря піднімаються вгору, а внаслідок циркуляції забезпечується рівномірне обігрівання. При цьому батареї водяного опалення та калорифери роблять масивними та ребристими, щоб за допомогою теплообміну вони віддавали у навколишнє повітря більше енергії. На рис. 54 подано спрощену схему водяного опалення у сучасних житлових будинках.

Охолоджувальні установки (кондиціонери) розміщують угорі, ближче до стелі. У цьому випадку холодне повітря опускається донизу, а теплі шари повітря витісняються вгору.

Мешканці великих міст, екологія яких є несприятливою внаслідок зараження повітря вихлопними газами транспортних засобів, викидами промислових підприємств часто замислюються над забезпеченням своїх помешкань системами контролю клімату, Для цього використовуються так звані кліматичні системи, у яких поєднуються функції опалення, кондиціювання та вентиляції. Такі системи забезпечують найбільш сприятливий мікроклімат у квартирі.

Рис. 54. Схема водяного опалення будинку

Рис. 55. Використання вимушеної конвекції: а) сушіння волосся феном;

б) обігрівання помешкання побутовим електротепловентилятором; в) охолодження повітря за допомогою кондиціонера

У § 8 ми розглянули так звану природну конвекцію. Якщо ж нерівномірно нагріту рідину (або газ) механічно перемішувати насосом (вентилятором), то відбуватиметься вимушена конвекція. На рис. 55 показано приклади використання вимушеної конвекції.

У побуті теплове випромінювання широко використовують з метою підвищення якості умов життєзабезпечення людини (рис. 56, а, б, в, г). У медицині теплове випромінювання застосовується в лікувальних цілях (рис. 56, д).

В Україні сьогодні однією з найактуальніших проблем як для великих, так і для малих міст є теплофікація. Зокрема, ставиться запитання щодо заміни сучасних систем теплопостачання на автономні теплові пункти або індивідуальне (поквартирне) опалення. Чи доцільно це? Слід пам’ятати, що існуючі системи централізованого опалення дозволяють покращити стан повітряного середовища міст, забезпечують широкі можливості для використання вторинних енергетичних ресурсів. Система теплофікації в Україні вимагає негайного реконструювання на основі сучасного обладнання та інших матеріалів. Це може стати ключем до розвитку у нашій країні енергозберігаючих технологій та оновлення всієї системи житлово-комунального господарства. Що ж стосується проблеми енергозбереження, то достатньо зауважити, що на обігрівання площі 100м²витрачається близько 10 кВт теплової енергії за годину, а потужність теплових станцій складає до декілька сотень МВт. Це не так вже і багато. Тому кожний з нас має раціонально та відповідально відноситись до збереження тепла.

Рис. 56. Використання теплового випромінювання в побуті та медицині: а) масляний електричний радіатор-конвектор;

б) електричний камін; в) обігрівач «UFO»; г) високоекологічний радіатор-конвектор «Ера-Нова», створений українськими інженерами (м. Київ); д) апарат теплового випромінювання для інтенсивної терапії.

2. Конвекція та теплове випромінювання у природі. Конвекційні потоки в атмосфері Землі зумовлюють її надзвичайну рухомість і здійснюють величезний вплив на різні атмосферні явища. Найбільш відоме з них - вітер, потік повітря, який швидко рухається горизонтально до земної поверхні. Вітри - бризи, мусони, пасати, які відомі вам з уроків географії, є типовими прикладами конвекції в атмосфері. Утворення вітру зумовлене різницею тисків між двома повітряними шарами.

Постійно дмуть вітри у пустелях та степових районах. Відоме таке арабське прислів’я: «У Сахарі вітер піднімається й лягає разом із Сонцем». Саме тому вітер називають «великим господарем пустелі». Переміщенням шарів повітря пояснюється також утворення атмосферних вихорів - торнадо (мають діаметр 1-2 км), циклонів, антициклонів (досягають у діаметрі декількох тисяч кілометрів).

Зазначимо, що на рух повітряних мас в атмосфері, в основі якого лежить явище конвекції, впливає добове обертання Землі навколо своєї осі, рельєф місцевості, вплив морських течій та ін. Більш ретельно про це ви дізнаєтесь при вивченні інших природничих наук. Зокрема, конвекція потоків води в океанах (теплі та холодні океанічні течії) зумовлює особливості клімату різних країн, Так, тепла течія Гольфстрім (Атлантичний океан) впливає на клімат країн Західної Європи, внаслідок чого він є набагато м’якішим, ніж клімат України.

Явища, пов'язані з конвекційними потоками в атмосфері чинять значний вплив на життя людей: призводять до змін у погоді, до стихійного лиха, створюють несприятливі умови для хворих. Вітровий режим слід враховувати при польоті літаків, особливо під час зльоту і посадки, оскільки під дією вітру літак може загубити орієнтацію у просторі або потрапити у повітряний круговорот, що призведе до аварії.

Рис. 57. Сонячна електростація «Іванівна» (Україна)

Теплове випромінювання Сонця — основа життя на Землі. Один квадратний метр поверхні Землі за 1 секунду поглинає 1,366 кВт сонячної енергії. Це величезне значення, хоча Земля одержує всього 2 мільярдні долі енергії від загального випромінювання Сонця.

Сьогодні сонячна енергія є альтернативним джерелом енергії. В Україні освоєння цього виду енергії йде швидкими темпами, у різних областях будується багато сонячних електростанцій (рис. 57). В Україні одна з найбільших сонячних електростанцій «Іванівна» знаходиться в Новоукраїнському районі Кіровоградської області. Вона займає площу близько З гектарів, а загальна потужність її сонячних панелей складає 1,3 МВт (фермерське господарство Сергія Омельяненка). Сонячні батареї забезпечують можливість тривалої експлуатації літаків та космічних апаратів, життєдіяльність екіпажу на космічному кораблі.

3. Чи завжди теплообмін є корисним? Інколи буває необхідно запобігти теплообміну, наприклад, зберегти їжу або каву і чай гарячими. Для цього використовується спеціальна посудина - термос.

На рис. 58 показано будову побутового термосу для збереження рідини при певній температурі упродовж більш-менш тривалого часу. Термос складається із скляної посудини 1 з подвійними стінками (рис 58, а). Внутрішня поверхня цих стінок покрита блискучим шаром металу, а із простору між стінками викачане повітря. Таку скляну посудину розміщують у захисному футлярі 2, виготовленому з металу, пластмаси або картону. У скляну посудину наливають, наприклад, гарячий чай і закривають пробкою 3. Зверху футляр закривають ковпачком 4, який для міцності загвинчують. Внутрішню скляну посудину упаковують у футляр за допомогою ущільнювальної прокладки 5.

Така будова термосу дозволяє звести до мінімуму теплообмін речовини, яка у ній знаходиться, з оточуючим середовищем.

Рис. 58. У термосі відсутність повітря між стінками внутрішньої посудини упереджує перенесення тепла внаслідок конвекції і теплопровідності, а блискучий металевий шар значно зменшує теплове випромінювання: а) схема будови термоса; б) термос для рідких продуктів

Подумайте і дайте відповідь

1. Наведіть приклади того, що шари повітря і води під час нагрівання переміщуються один відносно одного.

2. З яких матеріалів виготовляють посуд? Чому?

3. Що таке вимушена конвекція? Як вона використовується?

4. Яка побутова техніка є джерелом теплового випромінювання? Якого застосування теплове випромінювання знаходить у медицині?

5. Чому нагрівний елемент в електричних плитках і чайниках та інших нагрівниках рідини (або газу) розміщують, як правило, на дні?

6. Чим пояснюється виникнення вітрів? Опишіть, як це відбувається?

7. Який пристрій використовується для збереження температури їжі та напоїв незмінною?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 9.

1. Поясніть, за рахунок чого у термосі здійснюється захист від втрат теплоти за рахунок усіх трьох видів теплообміну: теплопровідності, конвекції, променевого теплообміну.

2. Чому кондиціонери у приміщеннях розміщують біля стелі? Поясніть механізм дії кондиціонера.

3. Запропонуйте, яку домашніх умовах можна використати енергію сонячного випромінювання.

Підготуйте повідомлення

Сонце - основне джерело енергії для нашої цивілізації.

ДОМАШНЄ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Дослідіть теплообмін у вашому помешканні. Як він регулюється? Які його відмінності взимку та влітку? Результати досліджень опишіть у робочому зошиті. Підготуйте повідомлення у формі реферату (презентації).