Почему вода сверху теплее

IT News

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Почему вода замерзает сверху?

Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.

Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.

Как вода замерзает

1. Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
2. Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
3. Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
4. Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.

Температурное расширение и плотность воды

При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см 3 .

Воск и лед замерзают по-разному

На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок ) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.

Время года и температура воды в озере

Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.

Источник

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

Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?

Сегодня довести воду до кипения не представляет каких-либо трудностей. Для этого нужно всего лишь включить на кухне плиту и поставьте на нее чайник. Обычно кипячение воды занимает всего несколько минут. Но вы наверняка замечали, что после кипения вода охлаждается до своей первоначальной температуры гораздо дольше. Чтобы остыть до двадцати градусов по Цельсию может потребоваться несколько часов (в зависимости от конструкции чайника). Почему вода нагревается быстро, а охлаждается так медленно?

Быстрый нагрев и медленное охлаждение

Давайте рассмотрим это явление на примере металлического чайника, наполненного водой. Вода, которую нужно нагреть от нормальной комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию) до температуры кипения, должна преодолеть разницу в 80 градусов. При этом она поглотит определенное количество энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул воды.

Количества тепла, необходимое для нагрева тела определенной температурой, можно рассчитать с использованием следующего соотношения:

Q = масса тела * удельная теплоемкость * разница температур

Из этой простой формулы есть несколько интересных следствий. Чем больше масса тела, тем больше тепла оно потребляет. Разные вещества потребляют разное количество энергии. Чем выше желаемая температура, тем больше энергии нам потребуется на нагрев.

Охлаждение работает точно так же, но с одним небольшим отличием — тепло в этом случае передается от горячей воды во внешнее пространство вокруг чайника.

Температура варочной панели обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия. Поэтому она может передавать значительное количество энергии в воду и быстро нагревать ее до температуры, при которой она начинает испаряться (100 °С) Для такого же быстрого охлаждения нам понадобится такая же большая разница температур – температура внешней среды должна быть минус несколько сотен градусов Цельсия. Безусловно, ничего подобного в природе не встречается, поскольку минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной -273,15°С (абсолютный ноль температуры). А наш хладагент (воздух вокруг чайника) имеет температуру около + 20 °C. Таким образом, охлаждение происходит намного медленнее, чем нагрев воды.

Тепло — вид энергии

Большинство людей недооценивает количество энергии, которую потребляет вода для ее нагрева. Для нагрева 1 кг воды на 1 градус требуется 4187 Дж. На первый взгляд это не очень интересно.

Но представьте, что мы приложим то же количество энергии не для нагрева 1 кг воды, а для ее ускорения (кинетическая энергия).

Источник

Что делать, если верх батареи горячий, а низ — холодный? Как определить причину и устранить ее

В любом радиаторе отопления одна часть теплее, друга прохладнее, что является нормой, но перепад температуры должен быть плавным и незначительным.

А что делать, если верх батареи горячий, а низ холодный? Во-первых, выяснить причину, во-вторых, попытаться её устранить.

В статье мы разберем причины возникновения неравномерного прогрева батарей отопления, и предоставим способы решения этой проблемы.

Почему батарея не вся горячая?

Коэффициент полезного действия (КПД) зависит от равномерности прогрева батареи отопления. Если этот показатель не достигает оптимального уровня, то и говорить о комфортной температуре в помещении не приходится.

Горячий верх и холодный низ у радиатора возникает не только в старых чугунных, но и в инновационных биметаллических системах.

Завоздушенность батареи

Проблема более всего характерна для многоэтажных домов и верхних этажей. Это обусловлено законами обычной физики — воздушные потоки всегда направлены вверх.

Под понятием завоздушенность подразумевается наличие скопившегося воздуха внутри обогревательной системы, из-за чего водные потоки не могут полноценно перемещаться по трубам и радиатору.

Если в квартире установлены батареи старого типа — без крана Маевского, для выгона воздуха придётся вызывать слесаря из ЖЭКа. Но для начала попробуйте попробуйте спустить воздух с батареи самостоятельно:

1. Найдите муфту, которая находится на месте стыка трубы и подхода к батарее.
2. Разверните её, после чего вытечет вода, а вместе с ней уйдёт воздух.

Не забудьте подставить таз для стока жидкости. В противном случае вода зальёт пол, и произойдёт затопление соседей снизу.

Если же это частный дом, то проблема решается просто:

1. Перекройте общую подачу отопления.
2. Откройте спускник, находящийся в верхней части системы.
3. Уберите воздух посредством обратного давления.

Намного легче устранить застоявшиеся воздушные массы в современных радиаторах, которые оснащены специальными кранами. Как это сделать правильно:

1. Перекройте кран на трубе, направленную на подачу горячей воды в батарею. Вентиль на обратке оставьте открытым.
2. Откройте кран-спускник и подождите несколько минут, благодаря чему весь воздух выйдет из системы.
3. Закройте его и включите воду.

Если такие действия не изменили ситуацию, значит, проблема заключается в другой причине.

Простое засорение радиаторов

Второй самый частый фактор холодного низа и горячего верха у батарей отопления — скопление загрязнений внутри системы. Причин множество:

1. Некачественный тепловой носитель. Это проблема любого города и страны. Для отопления применяется низкосортная неочищенная вода, содержащая разнообразные примеси.
   В обычном состоянии они легко перемещаются по теплоносителю. Когда происходит нагрев, частицы формируют более крупную фракцию, которая налётом оседает на поверхности металла.
2. Мусор извне. Это касается отопительных систем, не зависящих от централизованного отопления.
   В подобные автономные контуры грязь проникает через открытые гидробаки. В результате весь мусор вместе с потоком воды попадает в батареи отопления, что полностью нарушает циркуляцию теплоносителей.
3. Скопление воздуха. В этом случае происходит скопление анаэробных бактерий. Существуют они благодаря наличию кислорода в системе отопления.
   За время жизни микроорганизмы выбрасывают продукты жизнедеятельности. Они оседают на внутренней поверхности радиатора, а скапливаясь, создают плотный осадок, мешающий циркуляции водного потока.
4. Конструкция теплообменника. Есть такие батареи, в которых вода при движении меняет вектор своего перемещения перманентным способом. В результате откладывается грязь в труднодоступных уголках.

Если проблема холодного низа заключается в засорении, применяется 2 метода её устранения — химический и механический. Что можно сделать самостоятельно:

1. Снимите батарею. Для этого отсоедините устройство от труб при помощи инструментов.
2. Слейте из радиатора воду.
3. Простучите по всем секциям резиновым молотком или киянкой. Действие позволит ржавчине и налёту отделиться от поверхности.
4. Встряхните батарею. Переверните, чтобы мусор вышел изнутри наружу.
5. Возьмите герметичный шланг, влейте через него внутрь батареи горячую воду, добавьте моющее специальное средство. Оставьте на 30 минут.
6. Слейте кипяток, снова вставьте шланг, подключенный с обратной стороны к крану холодной воды. Включите на весь напор и промойте потоком. Такие интенсивные действия выводят все остатки мусора.

При вызове специалистов используется электрогидроимпульс, гидропневматика или гидродинамика.

Неисправности в запорной арматуре

Запорная арматура располагается в отопительном контуре, исполняет роль регулятора потока воды и запорного элемента при перемещении рабочей жидкости. Состоит из шарового крана, термической головки с электронным / механическим управлением и конусного вентиля.

Если в запорной системе происходят сбои, циркуляция теплоносителя нарушается. Чтобы исправить ситуацию, внимательно осмотрите арматуру и замените неисправную деталь. Если самостоятельно сделать это трудно, привлеките специалиста.

Источник