Презентация на тему термос по физике 8 класс: Презентация по физике на тему «Термос»

Проектная работа «Секрет термоса»

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 90»

Творческий проект по физике

«Секрет термоса»

Проектант:

Ученица 9 «А» класса

Курбатовой Дарья

Руководитель проекта:

Фролова Н.М

р.п. Чунский

2019
 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………3

Глава 1. Секреты термоса

1.1. Что такое термос…………………………………………………………………4

1.2. История создания термоса………………………………………………………..5

1.3. Конструкция термоса …………………………………………………………..6

1.4. Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса. . 7

1.5. Виды теплопередач ……………………………………………………………..8

Вывод ………………………………………………………………………………….9

Глава 2. Изготовление термоса в домашних условиях

2.1. Модель термоса ………………………………………………………………11-13

Вывод ……………………………………………………………………………………13

Заключение ………………………………………………………………………….14

Литература …………………………………………………………………………..15

Введение:

Люди часто пользуются термосом, не задумываясь о том, как он работает. Ведь даже через несколько часов обычный чай в термосе остаётся такой же горячий. На его температуру не влияет даже погода на улице. Что же помогает сохранить чай горячим? Из чего изготавливают термос? У меня появилось большое желание, понять принцип работы термоса, узнать об этом изобретении, как можно больше.

Данная работа будет посвящена рассмотрению вопроса о термосе и его устройстве, а также способам изготовления термоса в домашних условиях.

Объект исследования — термос .

Предмет исследования— физические свойства термоса.

Гипотеза исследования: Я предполагаю, что, изучив строение термоса и механизмы протекания в нем физических явлений, можно создать термос в домашних условиях.

Цель исследования: создание термоса в домашних условиях.

Задачи:

изучить теоретический материал, раскрывающий понятие термос, принципы работы термоса, его физические свойства;

обобщить наблюдения, раскрывающие условия остывания жидкости в термосе;

определить материалы необходимые для создания термоса в домашних условиях;

создать термос в домашних условиях;

Методы исследования:

Теоретические: изучение литературы по заявленной теме исследования, классификация собранных материалов, обобщение материалов.

Эмпирические: наблюдения за протеканием физических явлений при изготовлении термоса в домашних условиях.

Математические: определение температурных значений жидкости в испытуемых моделях термосов.

Итогом моей работы станет создание термоса в домашних условиях.

Основная часть:

Что такое термос?

Термос (в переводе с греческого) «therme» — горячий. Такое название сосуду дал житель Мюнхена.

Термос — вид бытовой теплоизоляционной посуды для продолжительного сохранения более высокой или низкой температуры продуктов питания, по сравнению с температурой окружающей среды.

История создания термоса

Известный шотландский химик XIX века Джеймс Дьюар совершил целый ряд открытий в области физики и химии, но, пожалуй, в народе он запомнился, благодаря своему бытовому изобретению.

В 1892 году Джеймс Дьюар разработал изолирующую колбу, которая известна в науке под названием сосуд Дьюара. Конечно, колба была изобретена для хранения химикатов, но именно она стала моделью современного термоса.

В 1903 году берлинский производитель стеклянных изделий Рейнгольд Бургер усовершенствовал сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Для удобного использования этого сосуда в быту (хранения напитков), он добавил к нему металлический корпус, пробку и крышку-стаканчик. Также, им была разработана система поддержки внутренней стенки колбы, так как она держалась только в одном месте у горловины сосуда и из-за этого легко ломалась при активном использовании

В 1904 году впервые в хозяйственных целях была выпущена первая партия термосов. Устройство настолько было совершенно и просто в применении, что не изменилось практически и по сей день.

Термос стали широко использовать в научных экспедициях многие исследователи. Он стал бортовой принадлежностью самолётов. С термосом было удобно летать даже на воздушном шаре. Простые люди также стали широко использовать термос в своей жизни.

В наше время термос – доступный, удобный и полезный предмет, который имеется в каждом доме.

Конструкция термоса

Вакуум — пространство свободное от вещества, т. е. пространство которое практически ничем не заполнено, очень сильно разреженный газ.

Изобретение стало успешным. Дьюард добился того, что газы в такой колбе сохранялись очень хорошо. Это стало поводом, чтобы использовать колбу (сосуд Дьюарда) в термосе.

Основной элемент термоса — колба, которая сделана из стекла или нержавеющей стали с двойными стенками, между которыми выкачан воздух (создан вакуум). Кроме этого есть пробка, которая закрывает отверстие колбы и крышка, закрывающая весь сосуд.

В зависимости от типа используемой пищи, современные бытовые термосы можно разделить на следующие виды:

Термосы для напитков — имеют узкую горловину диаметром 25—55 см

Термосы с пневмонасосом — в конструкции крышки такого термоса есть насос для извлечения жидкостей путём нажатия на кнопку, и выводное отверстие сбоку для наливания. Предназначены для настольного использования.

Пищевые термосы — имеют широкую горловину, диаметр которой практически равен диаметру корпуса (от 65—80 мм). Предназначены для хранения первых и вторых блюд, мороженого и других видов пищевых продуктов.

Универсальные термосы — отличаются от пищевых термосов только конструкцией пробки, которая имеет дополнительное, более узкое, отверстие для наливания напитков.

Пищевые термосы с судками — термосы, в которые стопкой, друг на друга, вкладывается 2—3 пластиковые или металлические ёмкости (контейнеры), позволяющие одновременно раздельно хранить различные виды блюд — например для обеда: холодную закуску с первым и вторым блюдом.

Сущность физических явлений, происходящих внутри термоса

Чтобы понять принцип работы термоса, следует более подробно остановиться на сущности тех физических явлений, которые происходят внутри него.

1 Крышка термоса

2 Пробка

3 Корпус термоса

4 Зеркальная колба

Задача термоса — сохранять жидкость как можно дольше горячей, т. е. сохранять тепловую энергию жидкости, не дать ей остывать. В физике процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному называется теплопередачей.

Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления равновесия. Тепло всегда передаётся от более горячих тел более холодным. Это значит, что если не защищать горячий чай в термосе, то он очень скоро станет холодным, так как тепловая энергия чая будет передаваться воздуху. Чай постепенно остынет.

Виды теплопередачи

Что требуется учитывать в устройстве термосе, чтобы остановить процесс теплопередачи. Требуется разобраться с видами теплопередачи, чтобы понять, как правильно должен работать термос.

Различают три вида теплопередачи:

Теплопроводность.

Это способ передачи тепла (энергии) от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам, или от более горячих тел к менее нагретым при непосредственном соприкосновении.

Например, если холодную ложку опустить в кипяток, то ложка нагреется. Ложке сообщается некоторое количество теплоты, а вода — охладится, т.е. она теплоту отдает ложке.

Хорошие проводники тепла – металлы, хуже проводят тепло жидкости. Очень плохо проводят тепло воздух, пластмасса, дерево, поролон, пенопласт, строительная пена и т.д.

Данный вид теплопередачи широко используется в устройстве термоса. Между стенками колбы нет воздуха, там вакуум. Вакуум обладает самой низкой теплопроводностью, поэтому остывание жидкости в термосе происходит очень медленно.

Конвекция.

Это способ передачи тепла (энергии) струями жидкости или газа.

Например, от горячей батареи нагревается воздух около нее, он становится легче и поднимается наверх, а холодный воздух опускается вниз. Следующая партия воздуха нагревается и поднимается вверх, а более холодный воздух опускается вниз. Так постепенно происходит передача тепла от батареи ко всему воздуху в комнате. Если чайник с водой поставить на плиту, то внизу вода нагреется, станет легче и теплая вода поднимется наверх, а холодная вода опуститься вниз, т. к. она более тяжелая. Данное физическое явление могло бы наблюдаться в термосе, если бы горло колбы не закрывалось специальной пробкой, которая препятствует передаче тепла от жидкости в воздух.

Излучение.

Это способ передачи тепла (энергии) в виде невидимых лучей. Все тела, нагретые до любой температуры, излучают невидимые лучи, передающие тепло. Чем выше температура тела, тем больше излучается энергии.

Если поднести руку сначала к слабо нагретому утюгу, а потом к сильно нагретому, то рука во втором случае почувствует больше тепла. Это объясняется тем, что горячий утюг излучает энергии больше.

Учёные выяснили, что светлые блестящие поверхности отлично отражают тепло, а темные поверхности наоборот,очень хорошо поглощают энергию. Эти физические явления тоже использовали в устройстве термосе. Колба термоса покрыта слоем из отражающего зеркального материала. Это помогает ей отражать энергию жидкости, и она меньше остывает. Зеркальная поверхность мало нагревается, поэтому колба остаётся холодной.

Например, раньше колбы покрывали слоем серебра. Серебро – блестящий светлый металл. Теперь для изготовления колб всё чаще используют полированную нержавеющую сталь.

Вывод:

Данное теоретическое исследование помогло раскрыть секреты устройства термоса. Обобщая полученные данные, можно сказать, что главная задача термоса – хранить тепло как можно дольше. Этого можно добиться, если учитывать физические процессы, которые протекают внутри термоса. Необходимо, чтобы теплопередача между горячей жидкостью и холодным воздухом была как можно меньше. Этого добиваются производители термосов. Возможно ли достижение такого эффекта в домашних условиях? На этот вопрос я постараюсь ответить в следующей части моей работы.

Практическая часть:

Изготовление термоса в домашних условиях

Для изготовления термоса в домашних условиях я буду использовать подручные средства, которые есть в каждом доме. Вариантов изготовления термоса может быть несколько.

1. Модель термоса

Для модели термоса мне потребуются следующие материалы и инструменты:

Пластиковая бутылка 1.5 л.

Пластиковая бутылка 2 л.

Скотч

Теплоизоляционный материал — газеты

Светоотражающий материал — фольга

Ножницы, нож.

Ход работы

В ходе работы мне следует изготовить колбу и корпус термоса. Я буду

работать по плану:

Модель первого термоса готова.

Особенности модели термоса

У данной модели есть свои особенности. Так как колба выполнена из пластиковой бутылки, то наливать в неё горячую воду не рекомендуется. От горячей воды колба может деформироваться. Поэтому при испытаниях этой модели я буду использовать холодную воду.

Испытания модели термоса

Для проведения испытания модели термоса буду использовать холодную воду. Заливаю воду в термос. Предварительно следует измерить её температуру. Испытания термоса будут проходить в течение шести часов. Каждый час я буду замерять температуру воды. Термос во время испытания будет находиться в комнате на столе при комнатной температуре +21.

Время

Температурные значения воды

Величина изменения температуры воды

Начало испытания

+ 2 (воду взяла из скважины)

Через час

+6

Через час

+8

Через час

+12

Через час

+14

Через час

+18

Через час

+20

Через шесть часов вода стала комнатной температуры. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что такую модель термоса можно изготовить в домашних условиях и использовать для хранения холодных жидкостей. Для увеличения теплоизоляции можно использовать другие теплоизоляционные материалы. Например, поролон, синтепон, пенопласт. Это позволит увеличить время нагревания жидкости. Вода будет нагреваться ещё медленнее. Ещё одним достоинством этой модели можно считать его небольшой вес и небьющуюся колбу.

Вывод:

Моя экспериментальная работа по изготовлению моделей термосов и исследования температурных значений воды доказала, что изготовить термос в домашних условиях вполне реально. У самодельных термосов есть свои плюсы:

Это использование подручных бросовых материалов.

Это низкая себестоимость такого изделия по сравнению с купленным термосом.

Это небольшой вес изделия.

Это технологическая простота в изготовлении.

Это достаточная прочность изделия.

Но есть и минусы:

Остывание или нагревание воды происходит быстрее, чем в заводских моделях.

Внешний вид изделия не совсем привлекателен.

Самодельный термос невозможно вымыть после использования, так как горлышко бутыли, которую использовали для изготовления колбы, узкое.

Самое главное, что я поняла – изготовление термоса в домашних условиях возможно, если при этом учитываются все физические процессы протекающие внутри этого устройства.

Заключение

Мир физических явлений чрезвычайно разнообразен. Моя исследовательская работа заинтересовала меня, потому что я смогла объяснить процесс сохранения тепла с научной точки зрения. Было сложно понять суть физических явлений.

В ходе своей работы я узнала историю появления термоса и выяснила устройство этого изделия, я поняла суть протекающих в нём физических явлений. Это позволило мне сконструировать модель термоса. Главное, что требовалось при моделировании – это уменьшить теплопроводность колбы. Наш эксперимент по использованию самодельного термоса в домашних условиях можно считать удачным. Он доказал, что изготовление термоса в домашних условиях реально и выполнимо. Это значит, что моя гипотеза подтвердилась. я уверенно могу сказать, что знания физических закономерностей помогает человеку жить.

Литература

https://ru.wikipedia.org/wiki/Термос

https://ru.wikipedia.org/wiki/

http://womanmir.com/dom/791-kak-vybrat-termos.html

https://ru.wikipedia.org/wiki

http://istoriz.ru/termos-istoriya-izobreteniya.html

https://ru.wikipedia.org/wiki

ресурсы интернета

Опубликовано 01. 03.19 в 11:36 в группе «Проектно-исследовательская деятельность на уроках физики»

История изобретения термоса

Нам трудно представить свою жизнь без изобретения, занявшего прочное место в нашем ежедневном обиходе. А ведь когда-то у людей не было возможности хранить еду и напитки до заветного часа в термосах, что добавило бы будням комфорта. Этим прекрасным изобретением мы обязаны в первую очередь двум людям — Джеймсу Дьюару и Рейнольду Бергеру.

Джеймс Дьюар родился 1842 году в Шотландии. Любознательный парень довольно быстро шагнул в лондонские научные круги и стал регулярно удивлять публику своими открытиями. Он изобрел кордит – порох без дыма, специализировался на органической химии и электрофотометрии, но широко известен своими трудами по изучению температур и сжижению постоянных газов. Именно эти исследования привели его к изобретению сосуда Дьюара, вакуумной колбы, в 92 году девятнадцатого века. Джеймс искал способ сохранения газов в жидком состоянии, и сосуд с двойными стенками, из пространства между которыми был выкачан воздух, стал идеальным решением данной проблемы. 20 января 1893 года в Лондонском Королевском университете на публичной лекции ученый впервые представил своё изобретение широкой аудитории.

Сосуд с вакуумными стенками эффективно справлялся с задачей повышенной теплоизоляции. Жидкое состояние газов поддерживалось длительный период, что позволяло изучать их оптические свойства.

Вакуумный сосуд Джеймса Дьюара, находится в Великобритании в музее The Royal Institution of Great Britain

Дьюар не подозревал, что его открытие может принести бытовую и финансовую выгоду, а потому был погружен в исключительно научные проблемы.

Однако, его ученик Рейнольд Бергер смог оценить бытовую пригодность уникальной способности сосуда Дьюара. Искусственно созданный вакуум препятствовал проведению тепла от внешних стенок к внутреннему объему сосуда, что позволяло сохранять исходную температуру жидкости.

Первый термососуд Рейнольда Бергера, 1896-1897г.

Необходимо было правильно подобрать эту самую жидкость, чтобы привлечь внимание общественности к разработке. А без чего, по-вашему, не могла жить ни одна английская семья? Ответ очевиден.

В 1904 году Рейнольд Бергер запатентовал принцип вакуумной колбы, получив все права на использование изобретения для промышленного производства товаров.

С помощью своего немецкого друга, Рейнольдс организовал конкурс, позволивший не только привлечь повышенное внимание общественности к производимому продукту, но и определить его название, которому суждено было войти в историю. Победителем конкурса на лучшее название стал житель Мюнхена. Компания обрела известность на потребительском рынке под именем Thermos, от греческого слова «Therme», что в переводе означает «горячий».

Патент на торговую марку «Thermos», выданный Рейнольдсу в 1904 году

Совместно с партнером Рейнольдс сформировал компанию Thermos GmbH, получившую известность во всем мире.

Рейнольд Бергер, основатель компании THERMOS

Первое время отдельные термоизолирующие колбы, созданные по принципу «сосуда Дьюара», давали небольшую погрешность. Внешняя и внутренняя колбы, сливающиеся в единое целое у основания горлышка частично, но проводили тепло, понижая градус хранящейся жидкости. Но инженеры торговой марки «THERMOS», используя многолетний опыт, нашли решение данной проблемы, как впрочем, и всегда.

С этих колбочек начинается история THERMOS

Более чем за сто лет существования торговой марки произошло много событий, но неизменным оставалось одно: логотип «THERMOS» на продукции всегда говорит потребителю о том, что в его руках товар №1, созданный с использованием современнейших технологий и соответствующий самым высоким стандартам.

К списку

12.3 Второй закон термодинамики: энтропия — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Описывать энтропию
• Опишите второй закон термодинамики
• Решить задачи, связанные со вторым законом термодинамики

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (6) Научные концепции. Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и импульса. Ожидается, что студент:
  • (ГРАММ)
    анализировать и объяснять повседневные примеры, иллюстрирующие законы термодинамики, в том числе закон сохранения энергии и закон энтропии

Основные термины раздела

Энтропия

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL][AL] Просмотр тепла и абсолютной температуры. Вспомните более ранние обсуждения эффективности двигателя. Оценить понимание учащимися эффективности.

Вспомним из введения к главе, что даже теоретически двигатели не могут быть на 100 % эффективными. Это явление объясняется вторым законом термодинамики, который опирается на понятие, известное как энтропия. Энтропия есть мера беспорядка системы. Энтропия также описывает, сколько энергии составляет , а не доступен для работы. Чем более неупорядочена система и выше ее энтропия, тем меньше энергии системы доступно для выполнения работы.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Значение энтропии трудно понять, так как это может показаться абстрактным понятием. Однако мы видим примеры энтропии в нашей повседневной жизни. Например, если автомобильная шина проколота, воздух рассеивается во всех направлениях. Когда вода из тарелки ставится на прилавок, она в конце концов испаряется, а отдельные молекулы расходятся в окружающем воздухе. Когда в комнату помещают горячий предмет, он быстро распространяет тепловую энергию во всех направлениях. Энтропию можно рассматривать как меру рассеивания энергии. Он измеряет, сколько энергии было рассеяно в процессе. Течение любой энергии всегда идет от высшего к низшему. Следовательно, энтропия всегда имеет тенденцию к увеличению.

Хотя для выполнения работы можно использовать все формы энергии, невозможно использовать всю доступную энергию для работы. Следовательно, не вся энергия, переносимая теплотой, может быть превращена в работу, а часть ее теряется в виде отработанной теплоты, т. е. теплоты, не идущей на совершение работы. Недоступность энергии важна в термодинамике; на самом деле поле возникло в результате усилий по преобразованию тепла в работу, как это делают двигатели.

Уравнение изменения энтропии ΔSΔS равно

ΔS=QT, ΔS=QT,

, где Q — теплота, передающая энергию в процессе, а T — абсолютная температура, при которой происходит процесс.

Q положителен для энергии, переданной в систему за счет тепла, и отрицателен для энергии, переданной из в систему за счет тепла. В системе СИ энтропия выражается в джоулях на кельвин (Дж/К). Если температура изменяется во время процесса, то обычно хорошим приближением (для небольших изменений температуры) является T , чтобы быть средней температурой, чтобы избежать сложной математики (исчисления).

Советы для успеха

Абсолютная температура – ​​это температура, измеренная в градусах Кельвина. Шкала Кельвина представляет собой абсолютную шкалу температуры, которая измеряется количеством градусов выше абсолютного нуля. Следовательно, все температуры положительны. Использование температуры из другой, неабсолютной шкалы, такой как градусы Фаренгейта или Цельсия, даст неверный ответ.

Второй закон термодинамики

Вы когда-нибудь играли в карточную игру 52 pickup? Если это так, то вы стали жертвой розыгрыша и в процессе получили ценный урок о природе Вселенной, описанной вторым законом термодинамики. В игре 52 pickup шутник бросает на пол целую колоду игральных карт, и вы можете их подобрать. В процессе сбора карт вы, возможно, заметили, что объем работы, необходимый для восстановления упорядоченного состояния карт в колоде, намного больше, чем объем работы, необходимый для подбрасывания карт и создания беспорядка.

Второй закон термодинамики утверждает, что полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной в любом самопроизвольном процессе; она никогда не уменьшается. Важным следствием этого закона является то, что тепло самопроизвольно переносит энергию от объектов с более высокой температурой к объектам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении. Это связано с тем, что энтропия увеличивается при передаче тепла от горячего к холодному (рис. 12.9). Поскольку изменение энтропии равно Q / T наблюдается большее изменение ΔSΔS при более низких температурах (меньшее T ). Следовательно, уменьшение энтропии горячего (более крупного T ) объекта меньше, чем увеличение энтропии холодного (меньшего T ) объекта, что приводит к общему увеличению энтропии для системы.

Рисунок
12,9

Лед в этом напитке медленно тает. В конце концов компоненты жидкости достигнут теплового равновесия, как предсказывает второй закон термодинамики, то есть после того, как тепло передаст энергию от более теплой жидкости к более холодному льду. (Джон Салливан, PDPhoto.org)

Другой способ думать об этом состоит в том, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему. Тепло не может самопроизвольно передавать энергию от более холодного к более горячему, потому что энтропия всей системы уменьшилась бы.

Предположим, мы смешиваем равные массы воды, которые изначально имеют две разные температуры, скажем, 20,0 °C20,0 °C.
и 40,0°С40,0°С. В результате получится вода с промежуточной температурой 30,0 °C30,0 °C. Результатом стали три результата: энтропия увеличилась, часть энергии стала недоступна для выполнения работы, а система стала менее упорядоченной. Давайте подумаем о каждом из этих результатов.

Во-первых, почему увеличилась энтропия? Смешивание двух водоемов имеет тот же эффект, что и передача тепла от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. Смешивание уменьшает энтропию более горячей воды, но увеличивает энтропию более холодной воды на большую величину, вызывая общее увеличение энтропии.

Во-вторых, как только две массы воды смешаны, больше не остается разницы температур, необходимой для передачи энергии посредством тепла и, следовательно, для совершения работы. Энергия все еще в воде, но теперь ее недоступен для работы.

В-третьих, смесь менее упорядочена или, говоря другим языком, менее структурирована. Вместо того, чтобы иметь две массы при разных температурах и с разным распределением молекулярных скоростей, мы теперь имеем единую массу с широким распределением молекулярных скоростей, среднее значение которых дает промежуточную температуру.

Эти три результата — энтропия, недоступность энергии и беспорядок — не только связаны, но фактически эквивалентны. Теплопередача энергии от горячего к холодному связана с тенденцией природы к неупорядоченности систем и уменьшению количества энергии, доступной для использования в качестве работы.

На основании этого закона, что не может произойти? Холодный объект, соприкасаясь с горячим, никогда самопроизвольно не передает энергию в виде тепла горячему объекту, становясь холоднее, в то время как горячий объект становится горячее. Точно так же горячий неподвижный автомобиль никогда не остывает самопроизвольно и не трогается с места.

Другим примером является расширение газовой струи, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается сам по себе в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит (рис. 12.10).

Рисунок
12.10

Примеры односторонних процессов в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, но не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в увеличение своей внутренней энергии (температуры), а тепло передает эту энергию окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, выпущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа не дадут им вообще вернуться в угол.

Мы объяснили, что тепло никогда не передает энергию спонтанно от более холодного объекта к более горячему. Ключевое слово здесь спонтанно . Если мы совершаем работу в системе, то возможна передача энергии посредством тепла от более холодного объекта к более горячему. Мы узнаем об этом больше в следующем разделе, посвященном холодильникам как одному из приложений законов термодинамики.

Иногда люди неправильно понимают второй закон термодинамики, думая, что согласно этому закону энтропия не может уменьшаться в каком-либо конкретном месте. Но на самом деле возможно для энтропии одной части Вселенной уменьшаться, пока общее изменение энтропии Вселенной увеличивается. В форме уравнения мы можем записать это как

ΔStot=ΔSsyst+ΔSenvir>0.ΔStot=ΔSsyst+ΔSenvir>0.

Исходя из этого уравнения, мы видим, что ΔSsystΔSsyst может быть отрицательным до тех пор, пока ΔSenvirΔSenvir положительна и больше по величине.

Как может уменьшиться энтропия системы? Необходима передача энергии. Если вы подберете разбросанные по комнате шарики и положите их в чашку, ваша работа уменьшит энтропию этой системы. Если вы добудете железную руду из земли, превратите ее в сталь и построите мост, ваша работа уменьшит энтропию этой системы. Энергия, исходящая от солнца, может уменьшить энтропию локальных систем на Земле, то есть ΔSsystΔSsyst отрицательно. Но общая энтропия остальной части Вселенной увеличивается на большую величину, то есть ΔSenvir ΔSenvir положительна и больше по величине. В случае с железной рудой, хотя вы сделали систему моста и стали более структурированной, вы сделали это за счет вселенной. В целом энтропия вселенной увеличивается из-за беспорядка, создаваемого выкапыванием руды и превращением ее в сталь. Следовательно,

ΔStot=ΔSsyst+ΔSenvir>0, ΔStot=ΔSsyst+ΔSenvir>0,

12,14

и второй закон термодинамики , а не нарушается.

Каждый раз, когда растение накапливает некоторую солнечную энергию в виде химической потенциальной энергии, или восходящий поток теплого воздуха поднимает парящую птицу, Земля испытывает локальное уменьшение энтропии, поскольку она использует часть энергии, передаваемой от Солнца в дальний космос, чтобы Работа. В результате этой массивной передачи энергии происходит большое общее увеличение энтропии. Небольшая часть этой передачи энергии с помощью тепла хранится в структурированных системах на Земле, что приводит к гораздо меньшему локальному уменьшению энтропии.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Спросите учащихся, что произошло бы, если бы второй закон термодинамики не был верен. Что, если бы направление потока энергии нельзя было предсказать? Сможет ли жизнь на Земле функционировать?

Решение задач, связанных со вторым законом термодинамики

Энтропия связана не только с недоступностью энергии для выполнения работы; это также мера беспорядка. Например, в случае таяния глыбы льда высокоструктурированная и упорядоченная система молекул воды превращается в беспорядочную жидкость, в которой молекулы не имеют фиксированных положений (рис. 12.11). В этом процессе происходит значительное увеличение энтропии, как мы увидим в следующем рабочем примере.

Рисунок
12.11

Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулы воды, содержащиеся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятны, чтобы преобразоваться в характерную форму аллигатора, которой они обладали, когда эта фотография была сделана летом 2008 года. 2009 г. (Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

Рабочий пример

Энтропия, связанная с беспорядком

Найдите прирост энтропии 1,00 кг льда, который первоначально находился при температуре 0 °C0 °C.
и плавится с образованием воды при 0 °C0 °C.

Стратегия

Изменение энтропии можно рассчитать по определению ΔSΔS, как только мы найдем энергию Q , необходимую для таяния льда.

Решение

Изменение энтропии определяется как

ΔS=QT. ΔS=QT.

12,15

Здесь Q — теплота, необходимая для плавления 1,00 кг льда, равная

Q=mLf,Q=mLf,

12,16

где m — масса, а LfLf — скрытая теплота плавления. Lf=334 кДж/кг Lf=334 кДж/кг для воды, поэтому

Q=(1,00 кг)(334 кДж/кг)=3,34×105 Дж. Q=(1,00 кг)(334 кДж/кг)=3,34×105 Дж .

12,17

Поскольку Q — это количество энергии, которое тепло добавляет льду, его значение положительно, а T — это температура плавления льда, T=273 KT=273 K. Таким образом, изменение энтропии равно

ΔS=QT=3,34×105J273 K=1,22×103J/K. ΔS=QT=3,34×105J273K=1,22×103J/K.

12.18

Обсуждение

Рисунок
12.12

Когда лед тает, он становится более неупорядоченным и менее структурированным.
систематическое расположение молекул в кристаллической структуре сменяется более
случайное и менее упорядоченное движение молекул без фиксированного местоположения или ориентации.
Его энтропия увеличивается, потому что в него происходит передача тепла. Энтропия – это мера
расстройство.

Изменение энтропии положительно, так как тепло передает энергию 9\circ \text{C}, каково изменение энтропии?

1. 0,105\,\text{Дж/К}

2. 2,5\,\текст{Дж/К}9,50\,\текст{Дж/К}

3. 0,45\,\текст{Дж/К}

4. 9,50\,\текст{Дж/К}

9{8}\,\text{J/K}

Проверьте свое понимание

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижение учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся борются с определенной целью, эти вопросы помогут определить, какая именно, и направить учащихся к соответствующему содержанию.

13.

Что такое энтропия?

1. Энтропия — это мера потенциальной энергии системы.
2. Энтропия — это мера чистой работы, выполняемой системой.
3. Энтропия является мерой беспорядка системы.
4. Энтропия является мерой теплопередачи энергии в систему.

14.

Какие виды энергии можно использовать для выполнения работы?

1. Только работа способна делать работу.
2. Только теплота может совершать работу.
3. Только внутренняя энергия способна совершать работу.
4. Теплота, работа и внутренняя энергия способны совершать работу.

15.

В чем формулировка второго закона термодинамики?

1. Все самопроизвольные процессы приводят к уменьшению полной энтропии системы.

2. Все самопроизвольные процессы приводят к увеличению полной энтропии системы.

3. Все самопроизвольные процессы приводят к пониженной или постоянной полной энтропии системы.

4. Все самопроизвольные процессы приводят к повышенной или постоянной полной энтропии системы.

16.

Что обычно происходит с энтропией всей системы при передаче тепла от высокой температуры к низкой?

1. Уменьшается.
2. Должно оставаться постоянным.
3. Энтропия системы не может быть предсказана без конкретных значений температуры.
4. Увеличивается.

Учебное пособие по физике

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии из места с высокой температурой в место с низкой температурой. Три основных метода передачи тепла — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице. Теперь мы исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости либо увеличивать, либо уменьшать скорость, с которой тепло перемещается между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы согреть свои дома, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из дома с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем усилия, чтобы уменьшить эту потерю тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, заделывая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего изготовлено с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Способ включает выделение тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрогенератора), где производится электричество . Задача состоит в том, чтобы эффективно передать тепло воде и паровой турбине с минимальными потерями. Следует обратить внимание на увеличение скоростей теплообмена в реакторе и турбине и уменьшение скоростей теплообмена в трубах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные влияют на скорость теплопередачи? Как можно регулировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи путем теплопроводности . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, выражающее зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При теплопроводности тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница температур между двумя точками. Как только в двух точках достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие, и теплопередача прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла в ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенопласта с водой низкой температуры. Если две пробы воды снабжены датчиками температуры, регистрирующими изменения температуры во времени, то получаются следующие графики.

На приведенных выше графиках наклон линии представляет собой скорость изменения температуры каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за теплопередачи от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицателен. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный. Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и медленнее, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать уклоны как меру скорости теплопередачи. С течением времени скорость теплопередачи уменьшается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается в более крутых склонах. И с течением времени наклоны линий становятся менее крутыми и более пологими.

Какая переменная способствует этому уменьшению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур двух емкостей с водой. Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70°C, а холодная вода имеет температуру 5°C. Два контейнера имеют разницу температур в 65°C. По мере того как горячая вода начинает остывать, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается и скорость теплообмена уменьшается. По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. При приближении разности температур к нулю скорость теплообмена приближается к нулю. В заключение, на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя точками влияет разница температур между двумя точками.

Материал

Первая переменная, которую мы определили как влияющую на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя точками. Второй важной переменной являются материалы, участвующие в передаче. В предыдущем обсуждаемом сценарии металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенопласта с водой низкой температуры. Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что произойдет, если передать теплоту от горячей воды через стекло к холодной воде? Что произойдет, если теплота будет передаваться от горячей воды через пенопласт к холодной воде? Ответ: скорость теплообмена была бы другой. Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенопласта изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности представляют собой числовые значения, которые определяются экспериментальным путем. Чем выше это значение для конкретного материала, тем быстрее тепло будет передаваться через этот материал. Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называются теплоизоляторами. В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт/м/°C.

Источник: http://www. roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, теплопроводность обычно передается со значительно большей скоростью через твердые тела (вещества) в сравнение с жидкостями (l) и газами (g). Теплопередача происходит с наивысшей скоростью для металлов (первые восемь элементов в левой колонке), потому что механизм проводимости включает подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правой колонке имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, перемежающимися между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности. Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, материал, используемый в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола изготавливаются путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыскиванием в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изолирующей способности готового продукта. Пенополистирол используется в кулерах, изоляторах для банок, термосах и даже пенопластовых плитах для домашней изоляции. Еще одним твердым изолятором является целлюлоза. Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потерь тепла, а также от проникновения звука. Его часто задувает на чердаки как сыпучий целлюлозный утеплитель . Он также применяется в виде стекловолоконных плит (длинных листов бумаги с изоляцией) для заполнения пространства между стойками 2×4 наружных (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость кондуктивной теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло. Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через большое окно из дома будет теряться больше тепла, чем через меньшее окно того же состава и толщины. Через большую крышу дом будет терять больше тепла, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. Объект с большей площадью имеет больше поверхностных частиц, работающих для проведения тепла. Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, влияющей на скорость кондуктивной теплопередачи, является расстояние, на которое должно передаваться тепло. Тепло, выходящее через чашку из пенопласта, будет выходить быстрее через чашку с тонкими стенками, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки. Аналогичное утверждение можно сделать и для тепла, проводимого через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже скорость теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Нам говорят одеваться слоями перед выходом на улицу. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

Итак, мы узнали о четырех переменных, влияющих на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разница температур между двумя точками, материал, присутствующий между двумя точками, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в виде уравнения. Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой Т ₁ снаружи дома с температурой T ₂ . Окно имеет площадь поверхности А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла равно k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, имеет вид ватт. Это уравнение применимо к любой ситуации, когда тепло передается в одном и том же направлении через плоский прямоугольник 9.0345 стена . Оно применимо к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без кривизны) и т. д. Немного другое уравнение применимо к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, чашек, стаканов и труб. Мы не будем обсуждать это уравнение здесь.

Пример задачи

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, рассчитаем скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно шириной 1,2 м и высотой 1,8 м, толщиной 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт/м/°C. Температура внутри дома 21°С, снаружи дома -4°С.

Чтобы решить эту задачу, нам нужно знать площадь поверхности окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширина • высота.

Площадь = (1,2 м)•(1,8 м) = 2,16 м ² .

Также необходимо обратить внимание на единицу толщины (d). Дается в единицах см; нам нужно будет преобразовать единицы в метры, чтобы единицы соответствовали единицам k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать скорость теплопередачи путем подстановки известных значений в приведенное выше уравнение.

Коэффициент = (0,27 Вт/м/°C)•(2,16 м ² )•(21°C — -4°C)/(0,0062 м)
Норма = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла. Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт/м/°С. Стеклянные окна изготавливаются в виде двойных и тройных окон со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносят покрытия для повышения эффективности. В результате получается ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы быть переданным из дома (или в него). Подобно последовательно соединенным электрическим резисторам, ряд теплоизоляционных материалов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое тепловому потоку. Суммарный эффект различных слоев материалов в окне приводит к тому, что общая проводимость намного меньше, чем у одного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике был посвящен значению температуры и тепла. Особое внимание уделялось разработке модели частиц материалов, способной объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты усилия для разработки прочного концептуального понимания темы в отсутствие математических формул. Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере приближения к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы будем исследовать вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого или получаемого системой? Урок 2 будет относиться к науке калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость, с которой тепло передается через прямоугольный объект, заполнив пропуски.

а. Если площадь, через которую передается теплота, увеличить в 2 раза, то скорость теплопередачи ________________ (увеличилась, уменьшилась) в _________ раз (число).

б. Если толщину материала, через который передается тепло, увеличить в 2 раза, то скорость теплопередачи составит ________________ в _________ раз.

в. Если толщину материала, через который передается тепло, уменьшить в 3 раза, то скорость теплопередачи будет ________________ в _________ раз.

д. Если теплопроводность материала, через который передается теплота, увеличить в 5 раз, то скорость теплопередачи будет ________________ в _________ раз.

эл. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшить в 10 раз, то скорость теплопередачи будет ________________ в _________ раз.

ф. Если разность температур на противоположных сторонах материала, через который передается теплота, увеличить в 2 раза, то скорость теплопередачи будет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2-4 дюйма помогает согревать белых медведей в холодную арктическую погоду.