Контрольні запитання
1. Опишіть дослід на доведення того, що в процесі нагрівання теплі потоки рідини піднімаються, а холодні — опускаються.
У скляну колбу наливають воду і додають невелику кількість марганцівки, щоб було видно рух рідини. Колбу нагрівають знизу. Спостерігають, що теплі потоки забарвленої води піднімаються вгору, а холодні — опускаються вниз.
2. Що таке конвекція?
Конвекція — це вид теплопередачі, при якому внутрішня енергія переноситься потоками рідини або газу.
3. Чим відрізняється конвекція від теплопровідності?
При теплопровідності енергія передається від одних частинок речовини до інших без переміщення самих частинок. При конвекції енергія переноситься самими потоками рідини або газу, тобто з переміщенням речовини.
4. Назвіть причини виникнення природної і примусової конвекції.
Природна конвекція виникає через різницю густини теплих і холодних шарів рідини або газу — теплі шари мають меншу густину і піднімаються вгору, а холодні опускаються вниз. Примусова конвекція виникає під дією зовнішніх сил, таких як вентилятор, насос або мішалка.
5. Чи можлива конвекція в речовинах, які перебувають у твердому стані?
Ні, конвекція неможлива у твердих тілах, оскільки для конвекції необхідне переміщення частинок речовини, а у твердих тілах частинки закріплені у вузлах кристалічної гратки.
6. Наведіть приклади проявів конвекції в природі та в житті людини.
У природі: утворення вітру, бризів, течій в океані, тропічних циклонів. У житті людини: опалення приміщень батареями, система охолодження двигунів автомобілів, циркуляція повітря від вентиляторів і кондиціонерів.
Вправа
1. Чому язики полум’я підіймаються?
Температура полум’я значно більша за температуру навколишнього повітря, їх густина менша, ніж холодного повітря, тому вони піднімаються вгору через явище конвекції.
2. Чому, коли ви перебуваєте в прохолодному приміщенні, у вас більше за все мерзнуть ноги?
У прохолодному приміщенні тепле повітря піднімається вгору, а холодне опускається вниз, тому ноги, які ближче до підлоги, охолоджуються сильніше через конвекцію.
3. Чому влітку вода в річці на глибині холодніша, ніж на поверхні?
Влітку сонце нагріває поверхневі шари води, які стають менш щільними і залишаються зверху, а глибокі шари без конвекції лишаються холодними, бо вода погано проводить тепло.
4. Де краще розмістити балон із водою, щоб швидше охолодити воду в ньому за допомогою льоду: на льоду, під льодом чи поряд із ним?
Краще розмістити балон під льодом, бо охолоджена вода стає густішою і опускається вниз, створюючи конвекційні потоки, які прискорюють охолодження всієї води. Аргумент: конвекція забезпечує перемішування холодних шарів униз, на відміну від розміщення на льоду чи поряд, де теплообмін повільніший.
5. Перед якими труднощами ви постанете, якщо будете намагатися закип’ятити воду в посудині, висота якої в три рази більша за висоту чашки на рисунку, використовуючи той самий нагрівач?
Якщо нагрівач буде зверху, закип’ятити всю воду буде практично неможливо. Нагріта вода має меншу густину, тому вона залишиться на поверхні і не буде опускатися вниз. Холодна, більш щільна вода, так і залишиться на дні. Оскільки природна конвекція (перемішування) не виникне, а вода є поганим провідником тепла, нижні шари води майже не нагріватимуться. Таким чином, закипить лише тонкий шар води зверху, а решта залишиться холодною.
6. Чому хмари не падають?
Хмари не падають завдяки конвекційним потокам гарячого повітря, яке піднімається від землі і підтримує краплі води в повітрі, оскільки вологе повітря легше за сухе.
7. Дізнайтеся, як застосовують явище конвекції в техніці. Підготуйте коротку презентацію.
Конвекція використовується в опаленнях будинків через радіатори, де гаряча вода циркулює і нагріває повітря. У холодильниках і кондиціонерах холодне повітря опускається, створюючи потоки для охолодження. В автомобілях вентиляція застосовує конвекцію для обігріву чи охолодження салону. У промисловості конвекційні печі рівномірно випікають продукти за рахунок циркуляції гарячого повітря. В електроніці конвекція охолоджує процесори через вентилятори.