Опыт с чаем по физике 7 класс: Мастер-класс «Опыты и эксперименты для детей»

Мастер-класс «Опыты и эксперименты для детей»

Мастер-класс по физике «Мы за чаем не скучаем…»

Пояснительная записка.

Мастер-класс по физике «Мы за чаем не скучаем…» можно провести в 7 классе после изучения тем «Строение веществ», «Воздухоплавание», как урок повторения и закрепления материала. Кроме того, я использую его на итоговых занятиях факультатива «Физика вокруг нас» для учащихся 7-8 класса.

Итоговое факультативное занятие по физике «Мы за чаем не скучаем…»

Дата проведения 2-3 неделя мая.

Учитель Забелина М.В.

Урок № 32

Количество часов по программе факультатива «Физика вокруг нас» (7 класс): 34часа.

План урока.

Конспект занятия.

Примерное оформление доски.

«Пьют чай все, умеют пить немногие».

«Вчерашний чай хуже ядовитой змеи».

«С чая лиха не бывает».

«Самовар кипит — уходить не велит».

«Пей чай — удовольствие получай».

“Выпей чайку – забудешь тоску”.

“Чай не пить – на свете не жить”.

“Чай не хмельное – не разберет”.

“Хлебца купить не на что: с горя чаек попиваем”.

“Чаем на Руси еще никто не подавился”.

Репродукции картин.

Бакшеев В.Н. “Житейская проза”

Волосков А.Я. “За чайным столом”

Кустодиев Б.М. “Купчиха за чаем”

1. Вводно-мотивационный этап.

Люди по всему миру любят чай. Они пьют его каждый день. Утром, чтобы проснуться и взбодриться, а вечером, чтобы согреться и расслабиться. Люди пьют чай на работе и в гостях, на праздниках и в походах. Но мало кто знает, откуда появился чай. Существует красивая легенда. Давным-давно, примерно 5 тысяч лет назад, один китайский император, отдыхал в лесу. Слуги по приказу своего господина грели на костре воду. Неожиданно поднялся ветер, и в котел с водой упало несколько листьев с чайного куста. В тот же миг вода потемнела, от неё начал исходить тонкий, приятный аромат. Настой попробовали и восхитились. Это было первое в мире чаепитие. Итак, родина чая Китай. «Чай» по-китайски означает «молодой листочек» – «ту-ай-не».

На Руси первое чаепитие состоялось 20 сентября 1638 г. Боярский сын Василий Старков привёз царю Михаилу Федоровичу в подарок от монгольского хана пакеты с чаем. Этот напиток царю понравился. Долгое время чай пили только по большим праздникам или пользовались им как лекарством. Чай стоил очень дорого, ведь своего не было, в Россию его завозили. Первый чайный куст был выращен в 1814 г. в Никитском ботаническом саду, а 31 декабря 1821 года вышел правительственный указ. В нем разрешалось «производить продажу в трактирных разного рода заведениях с 7 часов утра до 12 пополудни и содержать в ресторациях чай».

Пакетированный чай – один из самых популярных в мире напитков. Продавец чая Томас Салливан решил, что ему будет выгоднее отправлять своим клиентам небольшие образцы чая в шелковых мешочках, а не в коробках. Получатели ошибочно сочли, что нужно заваривать именно эти мешочки. Вскоре Салливана буквально завалили заказами на его «чайные пакетики». С конца 70-х годов пакетированный чай практически вытеснил с рынка выпускавшийся до этого прессованный чай.

Почему чай вкусен и ароматен? Почему у него такой красивый цвет? Отчего он действует на нас бодряще? Чтобы узнать это, мы проведем с вами серию интересных экспериментов. За качественно выполненный эксперимент, за правильный ответ, за активное участие в обсуждениях вы будете получать от меня сушку. Сколько сушек к чаепитию вы сегодня заработаете, увидим в конце занятия.

2. Операционно-содержательный этап.

По качеству и составу продаваемые в пакетиках чаи достаточно разнообразны.

Опыт№1.

Рассмотрите, используя увеличительное стекло, содержимое чайного пакетика и сравните с листовым чаем из пачки. Измельчите листовой чай. Почему такое возможно? Сделайте выводы.

Выводы:

1. Путем дробления мы можем получить более мелкие крупинки чая. Дробление – это косвенное доказательство того, что все вещества состоят из молекул.

2. Большинство исследуемых чайных пакетиков содержат не размельчённые листья, а чайную пыль и ветки.

Обычно для производства пакетированного чая используют мелколистовой чай или отходы, добавляя ароматизаторы и красители. Не смотря на это, доля потребления в Европе пакетированного чая составляет 77% , а в Англии – 90%.

Опыт№2. «Диффузия в жидкостях. Зависимость скорости диффузии от температуры воды».

Разделите пополам содержимое чайного пакетика и опустите в стакан с холодной водой и в стакан с горячей. Изменился ли цвет воды? В каком стакане цвет более насыщенный? Сделайте выводы по результатам наблюдений.

Выводы:

1. Молекулы движутся хаотично и непрерывно. 

2. Диффузия – самопроизвольное перемешивание веществ.

3. Скорость диффузии зависит от температуры. В горячей воде чай заварился быстрее, чем в холодной.

4.Натуральный чай в холодной воде практически не заваривается, поэтому появление окраски говорит о наличии искусственных красителей.

Опыт№3. «Диффузия в газах».

Чувствуете ли вы аромат заваренного чая? Почему?

Выводы:

1. Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях.

2. Скорость диффузии зависит от температуры.

3. Молекулы движутся хаотично и непрерывно. 

Крепкий чайный раствор поможет придать белой бумаге благородный оттенок и сделать из неё настоящий антикварный пергамент. Слабый чай сделает из белой ткани коричневую, оранжевую или бледно-зелёную.

Опыт№4. «Диффузия в твердых телах».

Опустите небольшой кусочек белой бумаги в чайный раствор. Что произойдет с бумагой? Как изменится цвет бумаги, если мы будем дольше держать ее в растворе? Как можно ускорить процесс окрашивания? Сделайте вывод.

Выводы:

1. Диффузия в твердых телах происходит медленнее, чем в жидкостях и газах.

2.Скорость диффузии зависит не только от температуры, но и от агрегатного состояния вещества.

3.Молекулы движутся хаотично и непрерывно. 

Опыт№5.«Летающие пакетики».

У нас с вами остались бумажный пакетик от чая. Не стоит их выбрасывать. Мы проведем с ними один занимательный эксперимент, который вам очень понравиться. Давайте все свои пакетики поставим ко мне на демонстрационный стол. Если поджечь чайные пакетики и дать им догореть почти до конца, то они взлетят вверх. Почему?

Вывод:

1. Теплый воздух поднимается вверх, так как его плотность меньше, чем плотность холодного, и он увлекает за собой догорающие пакетики.

2. Действует выталкивающая сила.

Советы любознательным «Физика и чайные пакетики».

Выступление учеников.

Не спешите выбрасывать использованные чайные пакетики. Но помните, что влажные чайные пакетики хранятся при комнатной температуре не более одного дня. Предлагаю вам несколько полезных советов.

1. Тёплый, влажный пакетик чая, приложенный к коже, поможет уничтожить инфекцию, ускорит процесс заживления, уменьшит боль при таких проблемах, как конъюнктивит, герпес, язва, подошвенные бородавки и других подобных заболеваниях.

2. Отличный натуральный способ снятия раздражения – это влажный и прохладный чайный пакетик. Поместите его на веки и дискомфорт, связанный с усталостью глаз, начнёт быстро проходить.

3. Они также помогут уменьшить воспаление вследствие солнечного ожога. Если вы приложите использованный пакетик к синяку, то это ускорит заживление и снимет дискомфорт.

4.Вывести токсины, снизить боль и отёк от укусов также можно с помощью протирания повреждённых мест чайным пакетиком.

5. Всем известно, что в чае содержится большое количество антиоксидантов. Поэтому купание в тёплой воде, настоянной на чайных листьях, — это прекрасный способ ухода за кожей.

6. Мыши не любят запах чая. Разместите старые чайные пакетики в тех местах, через которые грызуны проникают в ваш дом. Для дополнительного эффекта пропитайте пакетики маслом мяты. В этом случае они не просто избавят ваш дом от надоедливых мышей, пауков и муравьёв, но и наполнят ваш дом приятным ароматом мяты.

7. Всё очень просто: капните на высушенный чайный пакетик несколько капель своего любимого эфирного масла, и вы получите отличный освежитель для воздуха в доме, автомобиле или в офисе.

Я думаю, вы захотите воспользоваться нашими советами, а также еще раз повторить материал учебника. Объяснить такие действия чая можно с помощью физики.

3.Рефлексивно-оценочный этап.

Взгляд «назад».

1.Каковы мои главные результаты, что я понял, чему научился?

2.Какие задания вызвали наибольший интерес и почему?

3.Когда я выполнял задания, что я чувствовал при этом?

4.Каковы были основные трудности и как я их преодолевал?

5.Замечания и предложения на будущее (себе, одноклассникам, учителю)?

Обсуждение.

Я думаю, что сегодня вы за чаем не скучали, а все вместе мы проводили исследования, изучали, проверяли, узнавали. Теперь нам можно отдохнуть! Приглашаю на чай с сушками. По количеству заработанных сушек можно поставить ученику оценку.

Калачи, ватрушки, сушки.

Наливайте, не стесняйтесь,

Сладким чаем забавляйтесь!

Приглашаем к самовару!

Вкусным чаем угощаем!

И внакладку, и вприкуску.

Пейте чай, друзья, по-русски!

Фотоотчет мастер — класса «Мы за чаем не скучаем…».

Фотоотчет
PPTX / 5.28 Мб

Источники.

1. maxpark.com/community/5858/content/3258264

2. pro4ai.ru/vse-o-ch/chajnye-paketiki-ot-zapaha.html

Опыт с чаем и молоком как демонстрация научного метода познания

Сегодня в “Коллективном блоге для мам” вышел очередной выпуск “Клуба почемучек”. В нем я отвечаю на вопрос мамы Татьяны и ее трехлетнего сыночка: “Почему снег блестит?”.
Остальные выпуски “Клуба почемучек” можно посмотреть у меня в АРХИВЕ.
А тут я публикую ответ на вопрос Наташи, который был в прошлом выпуске Клуба:

“Одинаковой ли будет температура напитка, если вливать в горячий чай холодное молоко и наоборот?”

В первую минуту ответ кажется очевидным. Конечно да! Но давайте не будем спешить. Перед нами классический случай, когда для ответа на вопрос нужно провести научный эксперимент. Ведь как часто нас обманывают собственные органы чувств, как часто то, что мы считаем правильным, на самом деле является заблуждением. И единственным способом объективно изучить явление является применение научного метода.
Если не вдаваться в дебри определений и перефразировать его суть своими словами, то научный метод – это способ получать знания в рамках науки. Очень коротко принципы научного метода можно сформулировать так: Наблюдать. Объяснить. Проверить. Получить новое знание.
Наблюдать – это выделить из всего многообразия мира некие факты или явления, между которыми мы хотим установить связь.
Объяснить – это выдвинуть некую гипотезу, устанавливающую эту связь.
Проверить – это провести эксперимент. Важным условием проверки является повторяемость эксперимента (он должен воспроизводится при одних тех же условиях всегда). Получить новое знание – это или узнать новые факты, еще неизвестные науке, или получить более точные данные о наблюдаемом явлении.

Итак, сегодня мы поиграем в настоящих ученых. Будем проводить научное исследование: ставить физический эксперимент в полном соответствии с научным методом. Приготовьтесь – наденьте белые халаты, резиновые перчатки и защитные очки и простерилизуйте все предметы в вашей лаборатории, чтобы исключить вмешательство в ход эксперимента посторонних факторов :)))

У нас есть наблюдаемые факты: мы смешиваем молоко и чай разными способами и получаем некий напиток. Нас интересует его температура (а не цвет, например).

Выдвигаем гипотезу. Да не простую, а от противного. Основываясь на нашем предыдущем знании, мы предчувствуем, что “от перемены мест слагаемых сумма не меняется”, и температура напитков должна получиться одинаковой. А если нет? Может, если к холодному молоку добавить горячий чай, то температура получившегося напитка будет выше, чем если к горячему чаю добавлять холодное молоко? Надо проверить!

Проводим эксперимент:
Тут важна тщательность всех наших действий, чтобы эксперимент был чистым, т.е. чтобы максимально исключить возможность ошибки.
Все жидкости наливать будем не “на глазок”, а воспользуемся мерными стаканчиками, чтобы исключить ошибку в пропорциях смешиваемых жидкостей. Для опыта будем брать один и тот же чай и одно и то же молоко, чтобы исключить возможность влияния состава этих продуктов на температуру напитка. Всю посуду и приборы будем брать максимально одинаковые – чтобы на наш эксперимент не повлиял, например, материал чашки, в которую наливаем напиток. Ведь теплоемкость керамики одна, а стекла – другая. Поэтому температура у напитка может оказаться разной.  Желательно бы было, чтобы оба опыта мы ставили одновременно, чтобы не успели измениться еще какие-нибудь факторы (например, атмосферное давление, которое влияет на температуру кипения чая), но, к сожалению, у нас дома был всего один градусник для жидкостей, поэтому опыты пришлось ставить последовательно. Но мы постарались всё устроить так, чтобы они шли друг за другом как можно быстрее.
Приступаем к самому опыту.
Нагреваем чай до кипения.

 Наливаем 100 мл чая в мерный стаканчик.

Достаем пакет молока из холодильника. Наливаем 100 мл молока в другой мерный стаканчик.

Выливаем чай в чашку.

Добавляем в него молоко.

Замеряем температуру. Она равна 40 градусам.

Продолжающий кипеть чай опять наливаем в мерный стаканчик – отмеряем 100 мл. Тот же пакет молока снова достаем из холодильника и наливаем в стаканчик 100 мл. Переливаем молоко в чашку. К нему добавляем чай.

Замеряем температуру – она равна 41 градус.  

Что мы получили? Похоже, наши ожидания обмануты, и гипотеза подтверждается – напиток во втором случае горячее, чем в первом. Пусть совсем чуть-чуть, вряд ли эту разницу можно почувствовать органолептически (то есть нашими органами чувств), но факт есть факт! Или мы все же где-то ошиблись? Недостаточно быстро наливали жидкости? Недостаточно точно отмеряли? Не дождались, пока столбик градусника окончательно остановится?
Это все может дать ошибку эксперимента. Идеально чистый опыт можно поставить только в идеальном мире. Поэтому, чтобы исключить такие ошибки эксперимента, надо ставить не единичный опыт, а целую серию. В школе на лабораторных работах считается, что опыт достаточно повторить от 5 до 10 раз. Для более точного определения числа опытов существуют специальные формулы, результат в которых зависит от количества учитываемых в опыте факторов.
Нашего с Катей терпения хватило, чтобы повторить опыт с чаем и молоком еще два раза. В результате  второго опыта температура получившегося напитка была 38 градусов в первом случае и 37 градусов во втором. А в третьем опыте даже 40 и 36 соответственно. То есть, результаты незначительно различаются то в одну, то во вторую сторону. В любом случае различия настолько малы, что без градусника мы бы их не заметили.

Делаем вывод:
В результате эксперимента мы можем сказать, что независимо от порядка смешивания жидкостей в опыте (молоко с чаем или чай с молоком), температура получившегося напитка практически одинакова. Слово “практически” тут очень важно. Ни один ученый никогда не скажет ничего со стопроцентной уверенностью. Всегда только “практически”, “вероятно”, “в большинстве случаев” и т.п. Потому что мы живем в отнюдь не идеальном с точки зрения физики мире 🙂
И еще один результат этого эксперимента в том, что моя Катя узнала, как непросто быть ученым. Мало понимать, мало что-то предположить или предчувствовать – надо это доказать, действуя строго в рамках научного метода.

Другие опыты и эксперименты, которые можно делать прямо на кухне, можно посмотреть здесь: Откуда пенка на молоке?, Почему масло тает? (опыты с агрегатным состоянием и температурой плавления), Почему вода в море соленая (опыты с солью),  Почему молоко белое (6 опытов с молоком),  Почему фрукты в банке кажутся большими, чем на самом деле (опыты с преломлением), Почему оладьи получаются круглыми (опыты с поверхностным натяжением жидкостей)?, На каком хлебе плесень растет быстрее? (сравнительный эксперимент по выращиванию плесени), Как люди научились печь хлеб (повторяем древний технологический процесс),  Опыты с куриным яйцом

А чтобы я ответила на ваши вопросы, вступайте в Клуб и задавайте их!

Для этого надо:

1) Поставить баннер на боковую панель вашего блога или сайта (код баннера можно взять, перейдя на страницу “Клуба почемучек“), а если блога нет, то дать ссылку на страницу Клуба в своих соц. сетях.

2) Прислать ваш вопрос мне на почту tavika2000 @ yandex.ua (убрать пробелы) с пометкой “Клуб почемучек”.  

Архив прошлых выпусков “Клуба почемучек” можно посмотреть ЗДЕСЬ.

Подписаться на новости Клуба можно прямо тут, заполнив форму рассылки.

После этого вам на почту будут приходить ссылки на новые выпуски “Клуба почемучек” и сообщения о розыгрышах призов.

Материалы по теме:

Определение эксперимента (//ru.wikipedia.org/wiki/Эксперимент)

Определение научного метода (//ru.wikipedia.org/wiki/Научный_метод)

“Эксперимент как метод научного познания” (http://www.bestreferat.ru/referat-68169.html)”Наука. Научный метод познания” (http://tao44.narod.ru/nauka.htm)
“Научные методы исследования” (http://idschool225.narod.ru/metod.htm)
“Основы планирования эксперимента” (http://window.edu.ru/resource/438/18438/files/Mtdukm8.pdf)

Наука об идеальной чашке чая

Мы очень любим чай. Много. В Великобритании мы выпиваем около 100 миллионов чашек в день. Но много ли задумывается большинство из нас о том, что входит в нашу заслуженную чашку чая? Для такого сложного и увлекательного напитка ответ, вероятно, «недостаточно».

Что такое чай?

Чай получают путем настаивания высушенных и измельченных листьев чайного растения в горячей воде. Существует множество сортов, обычно сгруппированных в пять основных категорий: белый чай, зеленый чай, чай улун, черный чай и чай пуэр. Безусловно, самым популярным чаем в Великобритании является черный чай, тогда как зеленый чай более популярен в Восточной Азии.

Все чаи получают из одного и того же растения Camellia sinensis , субтропического вечнозеленого кустарника, произрастающего в Азии. Есть две признанные разновидности: Camellia sinensis var. sinensis (китайский чай) и Camellia sinensis var. assamica (ассамский или индийский чай).

Другие напитки, которые мы могли бы назвать чаем (например, мятный, ромашковый, ройбуш, фруктовые чаи), на самом деле чаем не являются. Если только они не родом из Camellia sinensis завод, технически они тизаны.

Подробнее о науке о чае:

• Можно ли пить слишком много чая?
• Зеленый чай может уменьшить тревогу
• Чай и кофе обезвоживают вас?

Если весь чай происходит из одного и того же растения, что определяет разные категории? Ну, все сводится к тому, как обрабатываются листья.

Как делают чай

После сбора листья раскладывают для сушки (так называемое «увядание»), чтобы они стали эластичными для следующего этапа: скручивания.

Листья скручиваются и формируются, высвобождая ферменты и масла, которые изменяют вкус листьев и инициируют процесс окисления. Воздействие кислорода на листья в течение определенного периода времени определяет цвет, вкус и крепость чая. Чем дольше листья окисляются, тем темнее они становятся по цвету и сильнее по вкусу.

Как вы можете себе представить, черный чай сильно окисляется, тогда как белый и зеленый чай наименее окисляются. Как только достигается желаемый уровень окисления, листья обжигают, чтобы остановить процесс и уменьшить содержание влаги, чтобы чай хорошо сохранялся. Не все чаи проходят все этапы процесса, а некоторые могут проходить разные этапы несколько раз.

Больше похоже на это

Все это относится к православному процессу. Существует также неортодоксальный процесс, метод раздавливания-разрыва-скручивания (CTC), который возник во время Второй мировой войны для увеличения количества чая, которое можно было упаковать в сундук. После того, как листья засохнут, их помещают в машину, которая измельчает, рвет и скручивает их, как следует из названия.

Листья формируют в гранулы, затем окисляют и сушат. Это гораздо более быстрый процесс, чем ортодоксальный метод, и полученные гранулы идеально подходят для чайных пакетиков, как правило, черного чая.

Цель заваривания чая состоит в том, чтобы выявить лучшие ароматы и питательные вещества, избегая при этом горечи. Судя по тому, что советуют эксперты, кажется, что большинство из нас все делает неправильно. Итак, что мы должны делать?

Как приготовить идеальную чашку чая?

Во-первых, выбирайте воду с умом. Более мягкая вода приводит к более чистой отделке, так как минералы в жесткой воде могут привести к образованию накипи на чае. Свежая вода дает более яркий и чистый вкус.

Во-вторых, учитывайте температуру. Мы склонны использовать воду прямо из кипящего чайника, но это может быть не лучший метод для всех видов чая. Различные сорта чая требуют разной температуры заваривания, чтобы получить идеальную чашку.

В-третьих, выберите правильное время заваривания. По мере заваривания чая дубильные вещества, аминокислоты, ароматы и вкусы медленно диффундируют в воду. Сколько времени это займет, зависит от состава, типа чая и температуры воды.

Химия чая

Ароматы, отвечающие за запах и вкус, довольно быстро растворяются в воде, более легкие полифенолы, кофеин и соединения, влияющие на ощущение во рту и текстуру, требуют немного больше времени, а самые тяжелые соединения (более тяжелые полифенолы, флаванолы и дубильные вещества) растворяются в воде. долгое время.

Чем дольше чай настаивается, тем больше выделяется танина. Умеренное количество способствует богатству вкуса, придавая телу чая, но слишком много дает горьковатый вкус. Слишком много тепла может также слишком быстро растворить танины и вкусовые соединения, создав дисбаланс, а слишком мало тепла может иметь противоположный эффект, в результате чего напиток будет слабым и безвкусным.

Во время заваривания неизбежно достигается пик, когда чай находится в лучшем виде, после чего чай становится горьким и неприятным. Если вы предпочитаете крепкий чай, лучше добавить больше листьев для усиления вкуса, а не заваривать его дольше, что только усилит его горечь.

Как правило, более темные и крепкие чаи, такие как пуэр, черный чай и чай улун, требуют более высокой температуры и более длительного времени для заваривания, чем более мягкие и деликатные чаи (например, зеленый и белый). Большинство чаев предпочитает воду при температуре кипения, а время заваривания колеблется от 2 до 5 минут.

Большинство из нас (около 96 процентов) используют пакетированный чай, который ведет себя немного иначе, чем листовой чай. Коммерческие чайные пакетики часто считаются некачественными, поскольку они обычно содержат листья низкого качества, которые были разбиты на мелкие кусочки («веер и пыль») методом CTC.

Подробнее о еде и напитках:

• Микробы в сыре: бактерии, придающие неповторимый вкус и текстуру
• Я люблю вкус карри, но терпеть не могу ожог. Могу ли я создать толерантность к нему?

В отличие от рассыпного чая, способность чая в пакетиках настаиваться ограничена, поскольку в нем не так много места для расширения и высвобождения соединений. Считается, что метод обработки и размеры пакета приводят к менее разнообразному вкусовому профилю. Поскольку кусочки листьев намного меньше, чем целые листья, они имеют большую площадь поверхности, подвергая их воздействию большего количества света и кислорода.

Это влияет на вкус, так как ароматические масла более уязвимы для испарения (и именно поэтому чай, который вы пили в глубине шкафа целую вечность, не имеет такого вкусного вкуса). Большая площадь поверхности также приводит к большему выделению танинов (рискуя получить более горькую чашку чая), поэтому оптимальное время заваривания чая в пакетиках обычно короче, чем для листового чая.

Положительным моментом является то, что они также лучше высвобождают такие компоненты, как L-теанин, уникальную аминокислоту, которая способствует расслабляющим свойствам чая. Если вы когда-нибудь задумывались, почему чай считается расслабляющим, а кофе – стимулирующим, но оба они содержат кофеин, то L-теанин (содержится в чае, но не в кофе) является частью ответа.

Чай до краев наполнен интересными и потенциально полезными соединениями, но большинство из нас пьют его просто потому, что он нам нравится. Есть много способов приготовить идеальную чашку чая, но, в конечном счете, лучший способ приготовить чашку чая — это вопрос личного вкуса.

Учебное пособие по физике

Если вы следили за этим уроком с самого начала, значит, вы все лучше и лучше понимаете температуру и тепло. Вы должны разработать модель материи, состоящей из частиц, которые вибрируют (качаются вокруг фиксированного положения), перемещаются (перемещаются из одного места в другое) и даже вращаются (вращаются вокруг воображаемой оси). Эти движения сообщают частицам кинетическую энергию. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Чем больше частицы вибрируют, перемещаются и вращаются, тем выше температура объекта. Надеюсь, вы усвоили понимание тепла как потока энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Именно разница температур между двумя соседними объектами вызывает этот теплообмен. Теплопередача продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут теплового равновесия и не будут иметь одинаковую температуру. Обсуждение теплопередачи было построено вокруг некоторых повседневных примеров, таких как охлаждение кружки горячего кофе и нагревание банки холодной газировки. Наконец, мы провели мысленный эксперимент, в котором металлическая банка с горячей водой помещается в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру.

Теперь мы должны исследовать некоторые из следующих вопросов:

• Что происходит на уровне частиц, когда энергия передается между двумя объектами?
• Почему всегда устанавливается тепловое равновесие, когда два тела передают тепло?
• Как работает теплопередача в объеме объекта?
• Существует ли более одного метода теплопередачи? Если да, то чем они похожи и чем отличаются друг от друга?

Conduction — A Particle View

Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток включает передачу тепла из одного места в другое в отсутствие какого-либо потока материала. Нет ничего физического или материального, перемещающегося из горячей воды в холодную. Только энергия передается от горячей воды к холодной воде. Кроме потери энергии, от горячей воды не остается ничего другого. И кроме прироста энергии в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Какой механизм делает возможным кондуктивный поток тепла?

Такой вопрос относится к уровню частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из мельчайших частиц атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию. Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это известно как поступательная кинетическая энергия и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться вокруг фиксированного положения. Это дает частицам колебательную кинетическую энергию и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких шевелений и маленьких хлопушек. Вигглеры — это те частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Они обладают колебательной кинетической энергией. Бэнгеры — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметр образца материи. Подобно тому, как периметр вашей собственности (как в случае недвижимости) является самым дальним расширением собственности, так и периметр объекта является самым дальним расширением частиц в образце материи. По периметру маленьких сопел сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже окружающего воздуха. Даже закрепленные по периметру вигглеры немного стучат. Находясь по периметру, их покачивание приводит к столкновениям с частицами, находящимися рядом с ними; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких сопел и вигглеров являются упругими столкновениями, при которых общая кинетическая энергия всех сталкивающихся частиц сохраняется. Чистый эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы теряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы приобретают немного кинетической энергии. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в объекте с более высокой температурой с большей кинетической энергией больше частиц, чем в объекте с более низкой температурой. Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце вещества, логично заключить, что объект с более высокой температурой потеряет часть кинетической энергии, а объект с более низкой температурой приобретет некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких сопел и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов равна. При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потере энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц на периметре.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить с точки зрения чистого эффекта столкновений целой группы маленьких сопел . Нагрев и охлаждение являются макроскопическим результатом этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию с металлической банкой с горячей водой, расположенной внутри пенопластового стакана с холодной водой. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией имеют частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией и ударяются о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке. Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими теплопроводниками, поэтому они довольно быстро нагреваются по всему объему банки. Банка принимает почти ту же температуру, что и горячая вода. Будучи твердым телом, металлическая банка состоит из маленьких шевелек . Вигглеры по внешнему периметру металла могут удариться о частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металла и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде. Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной воде. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, когда частицы горячей воды и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию. На макроскопическом уровне можно было бы наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому через столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не перемещается через границу. Изменения температуры полностью объясняются как результат выигрыша и потери кинетической энергии при столкновениях.

Проведение через объем объекта

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через объем объекта? Например, предположим, что мы достаем из шкафа керамическую кофейную кружку и ставим ее на столешницу. Кружка находится при комнатной температуре — может быть, при 26°C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80°C. Кружка быстро нагревается. Энергия сначала поступает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем она течет через объем керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность в самой керамике?

Механизм передачи тепла через объем керамической кружки описан аналогично предыдущему. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченно расположенных шевелек. Это частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. Когда они извиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично раскачиваться, а их столкновения с соседями увеличивают их кинетическую энергию колебаний. Процесс передачи энергии с помощью маленькой сосиски продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом). Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука это почувствует.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия между частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. Работает ли это так же в металлических предметах? Например, вы, вероятно, замечали высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, поставленной на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог. Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободные электроны . Электроны внешней оболочки атомов металла распределены между атомами и могут свободно перемещаться по объему металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение. Главное, что нужно понять, это то, что передача тепла через металлы происходит без какого-либо движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как класс теплопроводности.

Теплопередача конвекцией

Является ли теплопроводность единственным средством теплопередачи? Может ли тепло передаваться через объем тела другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. Модель передачи тепла через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду включала теплопроводность. Керамика кофейной кружки и металл сковороды — твердые тела. Передача тепла через твердые тела происходит путем теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые зафиксированы на месте. Жидкости и газы не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Тепло обычно не проходит через жидкости и газы посредством теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи. Модель, используемая для объяснения переноса тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс переноса тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печки. Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается горелкой печи. Когда металл нагревается, он начинает отдавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. Так как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционные токи . Горячая вода начинает подниматься наверх кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально. А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется ко дну горшка, где она нагревается и начинает подниматься. Эти циркуляционные потоки медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для передачи энергии нагретой воде со дна горшка на поверхность.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, размещенный на полу холодильной камеры, нагревает воздух в комнате. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере нагревания воздух расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься вверх. Когда горячий воздух поднимается вверх, он отталкивает часть холодного воздуха в верхней части комнаты в сторону. Холодный воздух перемещается в нижнюю часть помещения, заменяя поднявшийся горячий воздух. Когда более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается от обогревателя и начинает подниматься вверх. И снова медленно формируются конвекционные потоки. По этим путям проходит воздух, разнося с собой энергию от обогревателя по всему помещению.

Конвекция является основным методом передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух. Часто говорят, что в таких ситуациях тепла поднимаются на . Более подходящим объяснением будет сказать, что нагретая жидкость поднимается . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на пол, он уносит с собой более энергичные частицы. Поскольку более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха у потолка помещения увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует повышению температуры. Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный способ теплопередачи всегда предполагает перенос тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорий, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорий теплота была жидкостью, а движущаяся жидкость была теплотой. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Обсуждаемые здесь два примера конвекции — нагрев воды в кастрюле и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции. движущая сила циркуляции жидкости естественна — разница в плотности между двумя точками в результате нагрева жидкости в каком-то источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающей силы, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются вверх. Мы не будем здесь останавливаться на таких объяснениях.) Естественная конвекция распространена в природе. Земные океаны и атмосфера нагреваются за счет естественной конвекции. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция предполагает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств. Многие системы домашнего отопления предполагают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи и продувается вентиляторами через воздуховоды и выбрасывается в помещения через вентиляционные отверстия. Это пример принудительной конвекции. Движение жидкости из горячего места (рядом с печью) в прохладное место (комнаты по всему дому) осуществляется вентилятором. Некоторые печи являются печами с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые подают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины усиливают согревающую способность огня, выдувая нагретый воздух из камина в соседнее помещение. Это еще один пример принудительной конвекции.

Теплопередача излучением

Последний метод теплопередачи включает излучение. Излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. Излучать означает посылать или распространять из центрального места. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветка, спицы колеса или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника. Передача тепла излучением предполагает перенос энергии от источника в окружающее его пространство. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, свободную от материи (т. е. вакуум). На самом деле тепло, получаемое на Земле от Солнца, является результатом прохождения электромагнитных волн через пустота космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой высвобождается эта энергия, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k•T ⁴

Чем горячее объект, тем сильнее он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. Объекты при обычных комнатных температурах излучают энергию в виде инфракрасных волн. Будучи невидимыми для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаруживать такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видео излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой совокупность или диапазон длин волн. Обычно это называют спектр излучения . При повышении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимом спектре. К счастью, это удобно предупреждает пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить лампы накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, содержащую нить накала. Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение является формой передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, что приводит к увеличению средней кинетической энергии их частиц и повышению температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое с помощью электромагнитного излучения. Изображение справа было сделано тепловизионной камерой. Камера улавливает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. горячее цветов представляют области объектов, излучающие тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице касалось различных методов теплопередачи. Проводимость, конвекция и излучение были описаны и проиллюстрированы.