Что нужно знать
Конвекция — это способ теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа. При нагревании жидкость или газ обычно расширяются, их плотность уменьшается, поэтому нагретые слои поднимаются вверх, а более холодные и плотные опускаются вниз. Так возникают конвекционные потоки, которые обеспечивают перенос тепла. Конвекция происходит в жидкостях и газах, но невозможна в твёрдых телах. Различают естественную конвекцию, возникающую из-за разности температур и плотности, и вынужденную конвекцию, создаваемую внешними устройствами, например вентилятором или насосом. Количество теплоты, переданное при нагревании вещества, можно вычислить по формуле Q = c · m · (t₂ − t₁), где Q — количество теплоты (Дж), c — удельная теплоёмкость (Дж/(кг·°C)), m — масса вещества (кг), t₂ − t₁ — изменение температуры (°C). Например, при отоплении комнаты тёплый воздух от батареи поднимается вверх, а холодный опускается к полу, благодаря чему воздух постепенно прогревается. Типичная ошибка учеников — считать, что конвекция происходит в твёрдых телах или что тепло при конвекции переносится без перемещения вещества.
Тест: 11 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют конвекцией?
- Передачу тепла посредством электромагнитных волн
- Передачу тепла от частицы к частице без переноса вещества
- Передачу тепла потоками жидкости или газа
- Изменение температуры тела при совершении механической работы
При конвекции тепло переносится движущимися слоями жидкости или газа. Вещество при этом перемещается вместе с тепловой энергией.
2. В каких веществах возможна конвекция?
- Во всех веществах независимо от их агрегатного состояния
- Только в твёрдых телах
- Только в вакууме
- В жидкостях и газах
Для конвекции необходимо перемещение потоков вещества. Жидкости и газы могут свободно перемещаться, а твёрдые тела сохраняют свою форму.
3. Почему нагретый воздух поднимается вверх?
- При нагревании его плотность обычно уменьшается
- При нагревании его плотность увеличивается
- На нагретый воздух перестаёт действовать сила тяжести
- Нагретый воздух превращается в вакуум
Нагретый воздух расширяется и становится менее плотным, чем окружающий холодный воздух. Поэтому он поднимается вверх.
4. Как называется конвекция, возникающая самостоятельно из-за разности температур и плотности?
- Излучение
- Естественная конвекция
- Вынужденная конвекция
- Теплопроводность
Естественная конвекция возникает без работы специальных устройств. Её причиной является движение нагретых и охлаждённых слоёв жидкости или газа.
5. Какой пример является проявлением конвекции?
- Нагревание металлической пластины при соприкосновении с горячим утюгом
- Нагревание металлической ложки в горячем чае
- Подъём тёплого воздуха от батареи отопления к потолку
- Нагревание Земли солнечными лучами
Тёплый воздух от батареи становится менее плотным и поднимается вверх. Это пример естественной конвекции.
6. Какой физической величиной измеряется количество теплоты?
- Массой, измеряемой в килограммах
- Мощностью, измеряемой в ваттах
- Температурой, измеряемой в градусах Цельсия
- Энергией, измеряемой в джоулях
Количество теплоты является мерой энергии, переданной при тепловом процессе. В системе СИ оно измеряется в джоулях (Дж).
7. Как называется конвекция, возникающая под действием вентилятора или насоса?
- Вынужденная конвекция
- Теплопроводность
- Естественная конвекция
- Тепловое излучение
При вынужденной конвекции движение жидкости или газа создаётся внешним устройством, например вентилятором или насосом.
8. Почему при нагревании воды в кастрюле снизу вода прогревается по всему объёму?
- Холодная вода поднимается вверх, а горячая опускается вниз
- Нагретая вода поднимается вверх, а более холодная опускается вниз
- Вода нагревается одновременно во всех точках без движения
- Вода передаёт тепло только путём излучения
Нагретая вода становится менее плотной и поднимается, уступая место более холодной воде. Так образуются конвекционные потоки.
9. Какое количество теплоты необходимо для нагревания 2 кг воды на 10 °C? Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C).
- 840 000 Дж
- 8 400 Дж
- 84 000 Дж
- 42 000 Дж
Используем формулу Q = c · m · Δt. Q = 4200 · 2 · 10 = 84 000 Дж.
10. Какое количество теплоты получит 1 кг воды при нагревании от 20 °C до 30 °C? Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C).
- 84 000 Дж
- 420 000 Дж
- 4 200 Дж
- 42 000 Дж
Изменение температуры Δt = 30 − 20 = 10 °C. Q = c · m · Δt = 4200 · 1 · 10 = 42 000 Дж.
12. Какое количество теплоты нужно передать 2 кг воды, чтобы нагреть её от 15 °C до 25 °C? Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C).
- 84 000 Дж
- 21 000 Дж
- 42 000 Дж
- 168 000 Дж
Изменение температуры Δt = 25 − 15 = 10 °C. По формуле Q = c · m · Δt получаем Q = 4200 · 2 · 10 = 84 000 Дж.