Przewodzenie i konwekcja. Promieniowanie cieplne Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Prezentacja na temat: "Przewodzenie i konwekcja. Promieniowanie cieplne Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego."— Zapis prezentacji:

1 Przewodzenie i konwekcja. Promieniowanie cieplne Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Sposoby transportu ciepła Wyróżniamy trzy sposoby transportu ciepła:  przewodnictwo cieplne  konwekcja  promieniowanie cieplne.

3 Czym jest ciepło? Ciepło jest to energia przekazywana od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Wartość ciepła obliczamy ze wzoru: gdzie: c w – ciepło właściwe substancji, m – masa ciała ΔT – przyrost temperatury. Ciepło właściwe c w natomiast, to ilość energii jaką należy dostarczyć jednemu kilogramowi substancji, żeby ją ogrzać o 1 K.

4 Przewodnictwo cieplne Energia może być przekazywana pomiędzy ciałami o różnych temperaturach lub w ich wnętrzu. Gdy weźmiemy np. pręt stalowy i umieścimy go w pobliżu źródła o temperaturze wyższej niż temperatura pręt, to zauważymy, że po pewnym czasie również drugi koniec pręta będzie miał wyższą temperaturę. Wynika z tego, że wewnątrz pręta nastąpił przepływ energii wewnętrznej w postaci ciepła. Taki przekaz energii nazywamy przewodnictwem cieplnym.

5 Od czego zależy szybkość przepływu ciepła w ciałach? Szybkość przepływu ciepła wewnątrz ciała zależy od: - jego długości, - pola przekroju poprzecznego, - różnicy temperatur między końcami ciała, - oraz materiału, z jakiego wykonane jest ciało.

6 Szybkość przepływu ciepła wewnątrz ciała można zapisać w postaci wyrażenia: gdzie: – ilość ciepła jaka przepłynie przez przekrój poprzeczny ciała w czasie t, k – współczynnik przewodnictwa cieplnego, Δl – długość ciała, S – pole przekroju poprzecznego ciała.

7 W tabeli poniżej przedstawiono wartości współczynników przewodnictwa cieplnego kilku substancji: Substancja Wartość współczynnika przewodności cieplnej Aluminium218 Stal79 Lód2,22 Beton0,84-1,3 Drewno0,1 Szkło1 Woda0,54 Powietrze0,024 Argon0,016

8 Dobrymi przewodnikami ciepła są przewodniki elektryczne. Dlaczego tak jest? Wewnątrz metalu istnieje sieć krystaliczna tworzona przez dodatnie jony. Elektrony znajdujące się na powłokach walencyjnych przestają być ściśle związane z atomami i tworzą gaz elektronowy wewnątrz struktury krystalicznej. Elektrony te poruszając się chaotycznie zderzają się ze sobą i jonami dodatnimi. Gdy podgrzewamy jeden koniec pręta, elektrony, które znajdują się w tym obszarze zaczynają się coraz szybciej poruszać i zderzając się ze sobą oraz jonami przekazują sobie i całej sieci krystalicznej energię w wyniku czego energia jest przekazywana do całej objętości. Ponieważ różne ciała mają różną budowę wewnętrzną więc ten transport energii odbywa się z odmiennymi szybkościami.

9 Ocieplanie domów Analizując dane zamieszczone w powyższej tabeli można w prosty sposób wytłumaczy, dlaczego do budowy domów używa się materiałów porowatych, w których znaczną część objętości zajmuje powietrze. Na przykład dom ocieplony styropianem, materiałem zawierającym powietrze zamknięte w małych kuleczkach, wymienia z otoczeniem dużo mniej ciepła niż ściany wykonane z samego betonu. Aby zabezpieczyć dom przed ubytkami ciepła instaluje się również okna skonstruowane z dwóch lub trzech szyb, pomiędzy którymi znajduje się suche powietrze lub gazy szlachetne, na przykład argon.

10 Czy metalowa łyżeczka leżąca na serwetce w pokoju ma niższą temperaturę od tejże serwetki? Jak myślicie, dlaczego metalowa łyżeczka leżąca na stole w pokoju, w którym panuje temperatura 20 o C wydaje się mieć niższą temperaturę niż leżąca obok niej książka? Nasze ciało ma temperaturę ok. 34 o C, gdy dotkniemy ręką przedmiotu, który ma niższą temperaturę, to zaczniemy oddawać mu swoje ciepło. Ciało, które ma słabą przewodność cieplną nie przekaże tego ciepła na swe dalsze obszary więc zmysły nasze otrzymają informację, że od ręki wypłynęło mało energii, więc dotykane ciało musiało być ciepłe. Ciało mające dużą przewodność cieplną przekazuje energię pobraną od ręki w dalsze obszary w wyniku czego nasze zmysły zarejestrują duże straty energii z ręki, i zinterpretują to jako, że ciało jest zimne.

11 Zjawisko konwekcji Konwekcja polega na przenoszeniu energii wewnątrz cieczy i gazów przez prądy wznoszące. Przeanalizujmy to na przykładzie ogrzewania w domu. Cząsteczki powietrza znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie rozgrzanego kaloryfera poruszają się szybciej, co powoduje, że w miejscu tym zmniejsza się gęstość powietrza. Cząsteczki szybsze unoszą się ku górze a na ich miejsce napływa gęste, zimne powietrze z góry. W taki sposób podczas ogrzewania wewnątrz gazów i cieczy powstają prądy powodujące przemieszczanie się całych grup cząsteczek i niejednokrotnie stałe ich krążenie.

12 Zjawisko konwekcji w cieczach można zaobserwować stawiając na gorącym kaloryferze słoiczek z letnią wodą na dnie którego znajduje się owocowy syrop lub atrament. Gdy ciecz się ogrzeje zauważymy przemieszczanie się cząsteczek syropu (atramentu) z dna słoiczka w górę. Zjawisko konwekcji wywołuje wiele zjawisk występujących w przyrodzie. Prądy konwekcyjne obserwujemy np. w postaci wiejących wiatrów.

13 Poznaliśmy dwa sposoby wymiany ciepła między ciałami, w których pośredniczyły cząsteczki. Teraz zajmiemy się sposobem wymiany ciepła, w której nie muszą pośredniczyć atomy. Jest nim promieniowanie cieplne.

14 Promieniowanie cieplne Promieniowanie cieplne jest to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez wszystkie ciała (głównie z zakresu podczerwieni), wywołane ruchami cieplnymi wewnątrz ciał. Ilość promieniowania o danej częstotliwości zależy od temperatury ciała.

15 W jakich koszulkach wolisz chodzić jak jest piękna słoneczna pogoda, w ciemnych czy jasnych? Pewnie odpowiedź brzmi w jasnych. Dlaczego? Czarne koszulki szybciej się nagrzewają przez co jest w nich gorąco. Ciemne materiały zarówno silniej pochłaniają promieniowanie niż materiały jasne ale również szybciej je emitują.

16 Zanim opiszemy tą zależność, zdefiniujemy zdolność emisyjną i absorpcyjną: Zdolność emisyjna e jest to ilość energii wysyłanej przez ciało w postaci promieniowania cieplnego o określonej długości fali elektromagnetycznej w czasie 1s przez 1m 2 powierzchni tego ciała. Zdolność absorpcyjna a to stosunek energii pochłoniętej przez dane ciało do całkowitej energii padającej na ciało.

17 Ciało doskonale czarne Ciało, które pochłania całe padające na nie promieniowanie nazywamy ciałem doskonale czarnym. W rzeczywistości nie istnieje ciało doskonale czarne, ale jest to model, który pozwala zrozumieć prawo rządzące emisją promieniowania cieplnego przez rzeczywiste ciała.

18 Zbudowanie modelu ciała doskonale czarnego jest bardzo proste. Wystarczy skonstruować papierowy sześcian, nie musi być czarny, może być biały, następnie w jednej z jego ścianek należy zrobić niewielki otwór. Gdy spojrzymy do wnętrza sześcianu, to otworek będzie czarny. Przykładem ciała doskonale czarnego może być Słońce (emituje energię wytworzoną w swoim wnętrzu, lecz nie jest to światło odbite), bądź włókno żarówki.

19 Zjawisko promieniowania cieplnego opisuje prawo Kirchhoffa: Stosunek zdolności emisyjnej ciała do jego zdolności absorpcyjnej w tej samej temperaturze jest stały i równy zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego. Wniosek: z prawa tego wynika, że jeżeli ciało w danej temperaturze nie pochłania jakiejś części promieniowania, to również w tej samej temperaturze nie może wysyłać tej części promieniowania.

20 Jakie ciało wypromieniowuje większą ilość promieniowania o większej powierzchni ciała czy mniejszej? Oczywiście, że większej. Tym właśnie tłumaczy się większe zapotrzebowanie (w stosunku do masy ciała) na energię u małych zwierząt niż u dużych. Stosunek masy ciała do jego powierzchni jest zdecydowanie większy u słonia niż u myszy. Jednak mysz o masie 30 g musi dziennie spożyć pokarm o masie prawie 10 g, a słoń indyjski o masie około 5 000 kg musi dziennie zjeść pokarm o masie 200 kg. To oznacza, że ilość dziennie spożywanego pokarmu u myszy stanowi 1/3 masy ciała, u słonia natomiast 1/25 masy ciała.

21 W wyniku badań prowadzonych nad promieniowaniem otrzymano następujące wykresy:

22 Max Planck w celu wyjaśnienia kształtu otrzymanej zależności zdolności emisyjnej od długości fali założył, co później udowodnił, że światło i inne fale elektromagnetyczne można traktować jako zbiór cząstek. Każda cząstka niesie ze sobą pewną porcję energii, tak zwany kwant promieniowania, której wartość jest proporcjonalna do częstotliwości fali i odwrotnie proporcjonalna do jej długości: gdzie: h = 6,63*10 -34 J·s - stała Plancka, c = 3·10 8 m/s - prędkość światła w próżni, λ - długość fali promieniowania elektromagnetycznego, v - częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego.

23 Na podstawie wykresów możemy wnioskować, że w danej temperaturze ciało doskonale czarne emituje fale w całym zakresie widma, jednak im temperatura tego ciała jest wyższa, tym długość fali, na którą przypada maksimum energii promieniowania, przesuwa się proporcjonalnie do wzrostu temperatury w kierunku fal krótszych (fal o większej częstotliwości). Prawidłowość tą odkrył Wilhelm Wien i sformułował w postaci prawa, które nazywano prawem Wiena: iloczyn długości fali, na którą przypada maksimum emisji promieniowania, oraz temperatury ciała promieniującego jest stały: gdzie: C = 2,9·10 -3 m·K – stała przesunięć Wiena, T – temperatura ciała doskonale czarnego, λ max – długość fali, na którą przypada maksimum emisji promieniowania.

24 Bibliografia  D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, cz. 2, wyd. PWN, Warszawa 2003  P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, cz. 2, wyd. OPERON, Gdynia 2007

25 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!!