Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: ZSPiG Krobia ID grupy: 98/77_mf_g1 Kompetencja: matematyczno - fizyczna Temat projektowy: CIEPLNY PRZEPŁYW ENERGII Semestr/rok szkolny: drugi / 2010/2011

Spis treści 1. ENERGIA TERMICZNA (CIEPLNA) 2. CIEPŁO 3. FIZYCZNY SENS CIEPŁA 4. SPOSOBY CIEPLNEGO PRZEPŁYWU ENERGII 5. PRZEWODZENIENIE CIEPŁA - DOŚWIADCZENIE 6. KONWEKCJA - DOŚWIADCZENIE 7. PRZEWODNIKI I IZOLATORY 8. WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNICTWA CIEPLNEGO 9. CIEPŁO WŁAŚCIWE - ZADANIA 10. WYKORZYSTANIE CIEPŁA W ŻYCIU CODZIENNYM I GOSPODARCE

Energia termiczna (cieplna) Energia termiczna (zwana też potocznie energią cieplną) – część energii wewnętrznej układu, która jest związana z chaotycznym ruchem cząsteczek układu. Miarą energii termicznej jest temperatura. Każda postać energii może się przemienić w energię termiczną, czemu towarzyszy wzrost entropii. Energia termiczna nie jest jednoznacznie zdefiniowana w termodynamice. Przetwarzaniem energii termicznej, głównie w energię elektryczną, zajmuje się termoenergetyka. Wymiana energii pomiędzy układami poprzez chaotyczny ruch cząsteczek lub atomów nazywa się wymianą ciepła. Błędem jest utożsamianie energii termicznej z ciepłem. Ciepło, podobnie jak praca są sposobem przekazywaniem energii, a nie formą energii. SPIS TREŚCI

CIEPŁO Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących układy makroskopowe pozostające we wzajemnym kontakcie; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii. Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym. Aby uniknąć nieporozumień, dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej można używać określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wewnętrznej wywołaną tym zjawiskiem. Ciepło (jako wielkość fizyczna) przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (czyli mają różne temperatury) i wywołuje zwykle zmianę temperatur ciał pozostających w kontakcie termicznym. Kontakt termiczny jest warunkiem koniecznym przepływu ciepła. SPIS TREŚCI

Sens fizyczny ciepła W termodynamice klasycznej ciepłem jest zmiana energii wewnętrznej układu nie powodująca wykonania pracy makroskopowej. Zgodnie z I zasadą termodynamiki w układzie zamkniętym ciepło dopływające do układu zmienia energię wewnętrzną lub powoduje wykonie pracy przez układ: gdzie: Wu – praca wykonana przez układ nad otoczeniem. - zmiana energii wewnętrznej ciała SPIS TREŚCI

Sposoby cieplnego przepływu energii Przewodzenie ciepła – bezpośredni kontakt układów, wymiana energii odbywa się w wyniku oddziaływania cząsteczek ciał; Konwekcja – przenoszenie energii w cieczach i gazach nie na skutek ruchu pojedynczych cząsteczek, a w wyniku ruchu makroskopowych ilości substancji. Ruchy te występują na skutek różnicy gęstości substancji w różnych temperaturach (np. w polu grawitacyjnym planety ciepłe masy wody lub gazów unoszone są do góry, a chłodne masy opadają, ponieważ mają większą gęstość w pewnym zakresie temperatur), ruch płynu może być też wywołany inną przyczyną; Promieniowanie elektromagnetyczne – ruch drgający (przyspieszenie) ładunku elektrycznego w drgających cząsteczkach wywołuje promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem termicznym (potocznie cieplnym), które może być pochłonięte przez inne ciało. Potocznie sądzi się, że za zjawisko transportu ciepła odpowiada promieniowanie podczerwone, podczas gdy dotyczy ono wszystkich długości promieniowania elektromagnetycznego. Błąd ten wynika zapewne stąd, że ciała w temperaturze pokojowej maksimum energii wypromieniowują właśnie w podczerwieni. SPIS TREŚCI

Przewodzenie ciepła (doświadczenie pierwsze) Dowód na przewodnictwo cieplne stali Do stalowego pręta za pomocą wosku przytwierdzamy kuleczki w takich samych odległościach. Tak przygotowany pręt mocujemy na statywie i wolny koniec podgrzewamy palnikiem. Okazuje się, że kuleczki odpadają po kolei, od strony podgrzewanej palnikiem. SPIS TREŚCI

Przewodzenie ciepła (doświadczenie drugie) Porównywanie przewodnictwa cieplnego metali Do prętów z aluminium i stali za pomocą wosku przytwierdzamy kuleczki w takich samych odległościach. Tak przygotowane pręty mocujemy na statywach i wolny koniec podgrzewamy palnikiem. Mierzymy czas potrzebny, do odpadnięcia wszystkich kuleczek dla każdego z dwóch prętów. Porównujemy czasy. Okazuje się, że metale różnie przewodzą ciepło. Na podstawie doświadczenia ustalamy kolejność: aluminium, stal. SPIS TREŚCI

konwekcja Przedmioty potrzebne do przeprowadzenia doświadczenia: szklanka, gorąca i zimna woda, folia samoprzylepna, gumowa opaska, duży pojemnik z woda, patyk lub ołówek. Przebieg doświadczenia i wnioski: 1). Nalewamy do szklanki gorącą wodę. Dodajemy do niej barwnik spożywczy 2). Przykrywamy szklankę folią samoprzylepną i zabezpieczamy ją gumową opaską. Następnie wkładamy szklankę do większego pojemnika. 3). Wypełniamy pojemnik zimną wodą, aby szklanka znalazła się pod wodą 4). Patykiem lub ołówkiem dziurawimy folię. Obserwujemy co dzieje się w naczyniach. Gorąca woda ze szklanki wydostaje się przez dziurę w folii i przemieszcza się do góry. Można to obserwować, ponieważ została ona zabarwiona. Do góry unosi się co raz większy słup ciepłej wody. SPIS TREŚCI

Przewodniki i izolatory Przewodniki ciepła Ciała, które dobrze cieplnie przewodzą energię nazywamy przewodnikami cieplnymi. Do najlepszych przewodników cieplnych należą metale, np. srebro, miedź, czy aluminium. Dobrym przewodnikiem ciepła jest także diament. Nie wszystkie ciała dobrze przekazują energię przez cieplny przepływ energii. Izolatory ciepła Ciała, które bardzo źle przewodzą energię nazywamy izolatorami cieplnymi. Izolatorami cieplnymi są na przykład tworzywa sztuczne (teflon, polistyren), parafina, drewno, tłuszcze, szkło itp. Dobrym izolatorem cieplnym jest powietrze unieruchomione, (jeżeli nie ma możliwości przepływu) oraz próżnia, (ponieważ nie ma cząsteczek, więc sposób przekazywania energii nie może zajść). Srebro – jeden z najlepszych przewodników ciepła Wełna mineralna – izolator ciepła w naszych domach SPIS TREŚCI

Współczynnik przewodnictwa cieplnego Przewodność cieplna, inaczej współczynnik przewodnictwa ciepła, (oznaczany symbolem λ lub k), określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej. Dla ciała o kształcie prostopadłościanu przewodzącego ciepło w warunkach stanu stabilnego (ustalonego), które stanowi przegrodę dla przepływu ciepła, ilość przekazanej energii jest zależna od substancji, proporcjonalna do przekroju przegrody, różnicy temperatur oraz czasu przepływu ciepła i odwrotnie proporcjonalna do grubości przegrody: Z powyższego wynika: gdzie: Q – ilość ciepła przepływającego przez ciało, λ – współczynnik przewodnictwa cieplnego, S – pole przekroju przez który przepływa ciepło, t – czas przepływu, ΔT – różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła, d - grubość przegrody SPIS TREŚCI

Współczynnik przewodnictwa cieplnego Jednostka współczynnika przewodzenia ciepła w układzie SI – Przykłady współczynników przewodnictwa cieplnego dla różnych substancji: materiał Przewodniość cieplna diament 900 - 2320 srebro 420 miedź 370 stopy glinu 200 stal 58 woda 0,58 drewno 0,2 styropian 0,036

Ciepła właściwe niektórych innych substancji CIEPŁO WŁAŚCIWE Ciepło właściwe – ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury ciała o jednostkowej masie o jedną jednostkę. Ciepło właściwe jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji w danej temperaturze (jest stałą materiałową) gdzie Q – dostarczone ciepło; m – masa ciała; ΔT – przyrost temperatury. To samo ciepło właściwe można zdefiniować również dla chłodzenia. W układzie SI jednostką ciepła właściwego jest dżul przez kilogram i przez kelwin: Ciepła właściwe niektórych innych substancji substancja woda miedź ołów alkohol cyna lód piasek ciepło właściwe 4200 390 130 2380 220 2100 800 SPIS TREŚCI

zadanie Zad. 1 Oblicz ile ciepła potrzeba do podgrzania 2 kg wody o temperaturze 280K do temperatury 300K. Rozwiązanie: Ze wzoru na ciepło właściwe obliczamy Q: Dane z zadania: Odp. Aby podgrzać 2 kg wody o 20K potrzeba 168kJ ciepła. SPIS TREŚCI

WYKORZYSTANIE CIEPŁA W ŻYCIU CODZIENNYM I GOSPODARCE Zastosowanie przewodników ciepła: - do produkcji garnków, żelazek i kaloryferów, ponieważ metal dobrze przewodzi ciepło, - do produkcji rur przeprowadzających ciepłą wodę, - do produkcji chłodnic samochodowych Zastosowanie izolatorów cieplnych: - w budownictwie jako okna próżniowe, które mają za zadanie chronić lokatorów budynków przed nadmierną utratą ciepła, - w budownictwie jako materiały budowlane (porowate cegły, betonowe płyty styropian), które źle przewodzą ciepło, - do produkcji drzwi, ponieważ drewno nie przewodzi dobrze ciepła SPIS TREŚCI

WYKORZYSTANIE CIEPŁA W GOSPODARCE Temperatura to jeden z elementów natury, który udało się ludziom najszybciej opanować. Przynajmniej w zakresie swoich najważniejszych potrzeb. Ogień okazał się niezastąpiony w zimne dni i noce oraz niezwykle przydatny, jeżeli chodzi o wszelkie aspekty kulinarne. Ta fascynacja ogniem trwa od czasów prymitywnych aż do dziś, a opanowanie niebezpiecznego żywiołu nabiera coraz większej liczby zalet i zastosowań. Zwłaszcza technicznych. Palniki to jedne z najszerzej stosowanych urządzeń we wszystkich gałęziach przemysłu metalurgicznego. W procesie twórczym wyrobów metalowych w zasadzie nie mają sobie równych. Ważne więc, by palniki były precyzyjne, bezawaryjne i przyjazne w obsłudze. Jeżeli praca ma iść szybko i bez zbędnych trudności, właśnie taki sprzęt jest niezbędny. Dobry palnik to także podstawa dobrego urządzenia grzewczego. Od początku ewolucji człowieka fakt, że zimą musimy walczyć ze zbyt niskimi temperaturami się nie zmienił. Jednym zaś z najbardziej wydajnych i przystępnych narzędzi owej "walki" są nagrzewnice. Tak przydatne w domu jak i firmie, nagrzewnice mogą znaleźć wiele zastosowań, wszędzie tam gdzie liczy się praktyczność i niezawodność. Nagrzewnice również powszechnie stosowane w procesach produkcji różnego rodzaju wyrobów metalowych i nie tylko. Tam wysoka jakość urządzenia, które musi być przecież absolutnie niezawodne, jest szczególnie ważna. Cięcie laserowe to nowoczesna, niezwykle szybka, a przy tym zadziwiająco dokładna metoda cięcia. Cięcia laserowe zapewnią też gładkość i czystość powierzchni, dzięki czemu naprawdę rzadko potrzebna jest dodatkowa obróbka. Cięcie laserowe, co ważne przy masowej produkcji, zapewnia także powtarzalność dokładnego wykonania kolejnych serii. Dzięki temu, że mamy do czynienia z laserem, możliwe jest także precyzyjne wykonanie bardzo skomplikowanych wzorów czy kształtów, których wycięcie do tej pory, nawet jeżeli nie niemożliwe, było bardzo trudne oraz pracochłonne. Biorąc pod uwagę te wszystkie zalety, widzimy, że stosowanie wysokiej jakości urządzeń przemysłowych znacząco wpływa na jakość produktów i szybkość ich wykonania. SPIS TREŚCI