Холодная вода опускается вниз

IT News

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Каким образом тепло распространяется в жидкостях?

Нагревание любой среды, например, воды или воздуха, заставляет ее расширяться и становиться легче. И наоборот, охлаждение — заставляет ее сжиматься и становиться тяжелее. Комбинация этих разнонаправленных физических воздействий формирует явление, называющееся конвекцией и представляющее собой один из процессов передачи теплоты в больших объемах жидкостей и газов.

Когда сосуд с водой расположен над работающей горелкой, вода над пламенем поглощает энергию. Эта энергия заставляет молекулы воды отодвигаться друг от друга, в результате чего она становится менее плотной. Нагретая вода поднимается вверх; на рисунке серая краска на дне сосуда делает это движение видимым. В то же самое время более холодная и плотная вода опускается вниз, чтобы занять место поднявшейся вверх теплой воды. Когда теплая вода поднимается, она отдает часть своей энергии окружающей воде и немного охлаждается. Тем временем более теплая вода продолжает подниматься, отодвигая в стороны слои остывшей воды. Конвекция прекратится только тогда, когда пламя погаснет и вся вода примет одинаковую температуру.

Конвекция при подведении теплоты

Нагревание дна пробирки увеличивает температуру нижних слоев воды. В результате теплая вода поднимается вверх, а более тяжелая холодная вода опускается вниз и также нагревается. Со временем вся вода становится горячей. Нагревание верхней части пробирки приводит к повышению температуры только верхних слоев воды, так как более легкая горячая вода остается над холодной.

Конвективное движение воды

Поднимаясь со дна стоящего на огне сосуда, нагретая вода постепенно теряет теплоту. Оказавшись на поверхности, эта вода расходится в стороны под действием поднимающегося столба более теплой воды. Охлаждаясь, вода становится более плотной и опускается вниз.

Конвекция в газовой среде

Струйки дыма позволяют проследить формирование конвективных токов в воздухе комнаты (рисунки вверху). Процесс начинается с подъема вверх теплого воздуха (левый рисунок). Достигнув потолка (средний рисунок), этот воздух расходится в стороны под действием поднимающихся более теплых воздушных струй, после чего, потеряв теплоту, опускается вниз к полу и под действием спускающихся сверху струй охлажденного воздуха (рисунок справа) снова перемещается к источнику теплоты, нагревается и поднимается вверх.

Нагревание и охлаждение воздуха в комнате

Воздушный кондиционер охлаждает комнату наиболее эффективно при размещении около потолка (верхний рисунок под текстом), так как охлажденный воздух (на рисунке синий) опускается вниз и затем распространяется по комнате в результате конвекции. И наоборот, воздухонагреватель работает лучше всего, когда размещен у пола (нижний рисунок). Теплый воздух (на рисунке оранжевый) поднимается вверх и затем циркулирует по комнате.

Источник

Конвекция

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. В 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.

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.

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):

1. Естественная (свободная)
2. Вынужденная

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

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

Конвекция в быту и природе

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.

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.

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.

Источник

Холодная вода опускается вниз

Ход опыта:

1. Разрежь бумагу на квадраты со стороной 15 см.

2. Сложи квадраты вдвое.

2. Загни уголки квадрата внутрь.

3. Положи цветы в ёмкость с водой.

Что происходит? Через некоторое время цветы начинают медленно раскрывать свои лепестки.

Тебе потребуются:

— карандаши или фломастеры

— широкая ёмкость с водой

Это потому,что волокна бумаги в силу капиллярности напитываются водой. Бумага набухает, сгибы на ней распрямляются, и цветок распускается.

Вода стремится вниз, но по капиллярам она может подниматься вверх.

Почему тепло приводит воду в движение?

Ход опыты:

1. Наполни ёмкость холодной водой

2. Капни несколько капель чернил в баночку с горячей водой (осторожно, не обожгись!) и закрой крышкой.

3. Опусти баночку на дно большой ёмкости и открой её.

Тебе потребуются:

-стеклянная баночка с крышкой

Что происходит? Окрашенная вода выходит из баночки и поднимется вверх. Через некоторое время окрашенная вода смешивается с холодной и опускается вниз.

Это потому, что вода состоит из маленьких частиц, называемых молекулами. тепло увеличивает скорость их движения. Они отталкиваются друг от друга. Вода становится менее плотной и поэтому более лёгкой, чем холодная. Вот почему горячая окрашенная вода поднимается вверх. И как только она остынет-смешивается с остальной водой.

Нагреваясь, вода расширяется, становится легче и поднимается вверх

в окружающей холодной воде.

Почему капли воды круглые?

Ход опыта:

1. Наполни стакан до краёв водой.

2. Пинцетом возьми иглу и осторожно положи на поверхность воды в стакане. Если игла утонет-повтори опыт, кладя иглу медленно в горизонтальном положении.

Тебе потребуются:

Что происходит? Игла лежит на поверхности воды.

Это потому, что молекулы на поверхности воды образуют плёнку, способную выдержать вес лёгкого тела. Это явление называется поверхностным натяжением. Когда ты наполнишь стакан до краёв, присмотрись поближе к поверхности воды-поверхность воды выпуклая. Поверхностное натяжение стремится заключить воду как бы в мешочек. Если воды мало, то поверхностное натяжение придаёт ей форму шара-капли.

Поверхностное натяжение воды создаёт плёнку, которая превращает

малые количества воды в круглые капли.

Знаешь ли ты?

В летние дни вам случалось, вероятно, видеть на пруде насекомых, шагающих по поверхности воды:

Это водомерки и они пользуются поверхностным натяжением, чтобы бегать по воде в поисках пищи. Поверхностная плёнка прогибается под их тяжестью, но она достаточно прочна, чтобы выдержать их вес и не лопнуть. Теперь, видя, как проворно бегают они по поверхности воды, вы не станете в тупик. Вы сообразите, что лапки их благодаря особому устройству кожицы не смачиваются водой и оттого образуют под собою вдавленности; стремясь расправиться, вдавленности эти подталкивают легкое насекомое снизу.

Как образуются облака и что такое дождь?

Ход опыта:

1. Наливаем в трехлитровую банку горячую воду (2,5 см.). 2. Закрываем крышкой.

3. На крышку кладем кубики льда.

Тебе потребуются:

— чайник с горячей водой

крышка на банку

Что происходит? В банке появляется туман, а внутренняя поверхность металлической крышки запотела.

Это потому, что тёплый воздух внутри банки, поднимаясь вверх, охлаждается. Содержащийся в нем водяной пар тоже охлаждается и конденсируя, образует облако. И, соприкасаясь с холодной металлической крышкой, превращается в жидкость. Так происходит и в природе.

Почему идёт дождь? Под лучами солнца вода с поверхностей водоёмов и растений испаряется и в виде пара поднимается вверх. Вверху, над землёй, холодно. Встретившись с холодным воздухом, водяной пар превращается в водяные капельки. Из этих капелек образуются облака. Когда капелек воды набирается много, они становятся слишком тяжёлыми для облака и они выпадают на землю в виде капелек дождя.

Водяной пар, соприкасаясь с холодным воздухом,

конденсируется и превращается снова в воду. Так зарождаются дожди.

Источник